基于ATmega16L的便攜設(shè)備電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為滿足目前便攜設(shè)備對(duì)電源系統(tǒng)的需求，提出一種基于微控制器為控制核心的便攜設(shè)備電源系統(tǒng)方案，利用高性能、低功耗的ATmega 16L微控制器作為檢測(cè)和控制核心，配以電池充放電電路、DC／DC變換電路、外部適配器和鋰電池組等，實(shí)現(xiàn)了靈活性高、功能完備的電源系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：便攜設(shè)備；電源；系統(tǒng)方案；微控制器；ATmega16L

隨著科技的進(jìn)步，便攜設(shè)備應(yīng)用日益普遍，這些設(shè)備給我們的工作和生活帶來越來越多的便利，同時(shí)，其對(duì)內(nèi)部的電源系統(tǒng)提出更高的要求。便攜設(shè)備一般需要滿足市電和蓄電池兩種供電方式，完成蓄電池的充放電控制和電池剩余電量的估算；需要與嵌入式主板進(jìn)行開關(guān)機(jī)交互和數(shù)據(jù)交互；需要具備體積小、重量輕、效率高等特點(diǎn)。雖然針對(duì)筆記本和手機(jī)產(chǎn)品有成熟的電源方案，但是一般僅適用于小功率的場(chǎng)合，對(duì)于專業(yè)的便攜設(shè)備缺乏適應(yīng)性。
在上述背景下，急需設(shè)計(jì)一款較大功率，具備以上功能特點(diǎn)的電源系統(tǒng)，從而滿足一般便攜設(shè)備對(duì)電源的需求。

1 電源系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)以微控制器為檢測(cè)和控制的核心，包括適配器、電池組、電池充放電模塊、DC／DC變換等功能模塊。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

電池組電壓、電流、溫度等信息通過電壓采樣、電流采樣和溫度測(cè)量電路，進(jìn)入微控制器A／D。微控制器作為數(shù)據(jù)處理和控制的核心，一方面實(shí)時(shí)監(jiān)控電池組的各項(xiàng)性能指標(biāo)和狀態(tài)，一方面根據(jù)這些狀態(tài)參數(shù)控制驅(qū)動(dòng)大功率開關(guān)，從而控制整個(gè)設(shè)備的電源供給。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)市電存在情況，實(shí)現(xiàn)外部適配器供電和內(nèi)部電池組供電的自動(dòng)切換。通過外部適配器，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)設(shè)備正常供電和電池的充電。系統(tǒng)同時(shí)具備RS-232接口，可與嵌入式主板通訊，將電源狀態(tài)發(fā)送給上位機(jī)，進(jìn)行顯示。為實(shí)現(xiàn)低功耗嵌入式主板的ATX電源接口需求，微控制器利用I／O口與主板的ATX電源接口進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)了PS_ON信號(hào)和PW-OK信號(hào)的功能模擬，具備了ATX電源功能。
由于使用了微控制器，使系統(tǒng)具有很大的靈活性，便于實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜邏輯控制，從而能方便地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能擴(kuò)展和性能改進(jìn)。

2 電池管理部分
2．1 電池的選擇
目前可充電式電源電池主要有以下幾種：鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰電池。
鎳鎘電池因含重金屬，同時(shí)具有能量密度低，充放電壽命短、廢棄物難處理等缺點(diǎn)，將會(huì)在未來的儲(chǔ)能系統(tǒng)所淘汰。而鎳氫電池屬于堿性電池，單體電壓相對(duì)較低，而且鎳鎘電池，鎳氫電池均具有“記憶效應(yīng)”，長(zhǎng)期不徹底充放電，電池內(nèi)易留下痕跡，降低電池容量。
近年來，越來越多的產(chǎn)品采用鋰離子電池作為主要電源，主要是由于鋰離子電池具有體積小，能量密度高，無記憶效應(yīng)，循環(huán)壽命高，自放電率低等優(yōu)點(diǎn)。
本電源系統(tǒng)選擇三洋柱狀18650型號(hào)的鋰電池，單節(jié)電池容量可以達(dá)到2．2 Ah，利用4串4并的組合方式，電池組具備130 WH的能量，使便攜設(shè)備具備一定的續(xù)航能力。
2．2 核心控制芯片介紹
從低功耗、低成本設(shè)計(jì)角度出發(fā)，微控制器采用Atmel的高性能、低功耗的ATmega16L微控制器作為檢測(cè)與控制核心。ATmega16L是基于RISC結(jié)構(gòu)的高性能、低功耗8位CMOS微控制器，內(nèi)部帶有16 kB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，512B EEPROM，1KB SRAM，3個(gè)具有各自分頻和比較模式的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，8路10位ADC，可編程串行USART，一個(gè)SPI串行端口，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器，6個(gè)可以通過軟件進(jìn)行選擇的省電模式，32個(gè)通用I／O口線，工作電壓為2．7～5．5V。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS／MHz從而可以優(yōu)化系統(tǒng)功耗和處理速度之間的關(guān)系。
根據(jù)系統(tǒng)需要，微控制器使用到的外圍接口包括電池、適配器電壓和電流檢測(cè)的A／D轉(zhuǎn)換接口，對(duì)充電芯片監(jiān)控的I／O接口，充放電大功率MOS柵極控制的I／O接口，開關(guān)機(jī)和顯示控制的I／O接口，與主板間通訊的USART接口等。
2．3 充電方案
充電采用凌特公司(Linear Technology)的LTC4006芯片，具有高達(dá)4 A充電電流的2到4節(jié)鋰離子電池充電器，它包括了構(gòu)成簡(jiǎn)單獨(dú)立的高功率電池充電器系統(tǒng)所必需的I／O狀態(tài)信號(hào)。能提供充電結(jié)束的輸出信號(hào)和墻上適配器檢測(cè)功能，以及用于電量檢測(cè)的充電電流值指示器。由6 V～28 V的電源供電時(shí)，其同步DC／DC降壓工作模式允許高達(dá)96％的工作效率，具有電池溫度監(jiān)視器以及過壓和過流保護(hù)功能。充電電壓準(zhǔn)確度為±0．8％，充電電流可用電阻來編程至±4％的典型準(zhǔn)確度。為指示電量，一個(gè)專用功能部件將此充電電流表示為微控制器或A／D轉(zhuǎn)換器的電壓。用電阻可根據(jù)使用電池組的總?cè)萘?，設(shè)置總充電時(shí)間為1～3 h，并具有自動(dòng)再充電和涓流充電功能。