基于ATmega16L的便攜設備電源系統(tǒng)設計

圖中，MP1和MP2兩個PMOS(Si4425)背對背反向串聯(lián)，組成理想開關，MCU的I／O口PDS_G通過三極管進行觸發(fā)控制。通過此理想開關，徹底杜絕了由于MOS管寄生二極管造成的電池側電壓反串到適配器輸入側情況。適配器輸入DC_IN經過開關后，作為電池充電BUCK電路的輸入。最大充電電流可以通過R39和R40的阻值方便設定，同時，充電電流可以通過LTC4006的IMON引腳進入MCU的A／D口進行實時監(jiān)視。當MCU檢測到適配器電壓滿足充電要求的時候，通過控制LTC4006的3引腳ACP／SHDN實現(xiàn)充電起始和終止的控制，同時，充電狀態(tài)可以通過2引腳／CHG進行監(jiān)視。
2．4 電池剩余電量估算
由于電池在充放電過程中表現(xiàn)出高度非線性，對其很難建立準確的數(shù)學模型。而電池的SOC和很多因素相關(如溫度、前一時刻充放電狀態(tài)、極℃化效應、電池壽命等)，這樣就給SOC實時在線估計帶來了很大的困難。
目前同內外常用的估計電池SOC的方法主要有安時積分法、開路電壓法、內阻法和卡爾曼濾波法等。
安時積分法存在累積誤差，并受電池自放電影響，需要定期進行完整的充放電過程，進行校正，對于便攜設備來說，這種操作不方便，在用戶日常使用時不太現(xiàn)實。
開路電壓法，電池組需靜止較長時間達穩(wěn)定狀態(tài)，不滿足在線檢測的要求。
卡爾曼濾波法，算法較復雜，在微控制器上實現(xiàn)較困難。
便攜設備所要求的剩余電量檢測精度小高，并且負載電流變化小，為了盡量減小設備的體積和重量，突出設備的便攜性，采用簡單、有效的剩余電量檢測方法最符合便攜設備的應用需求。直流內阻法，正好能夠滿足以上需求。
鋰電池開路電壓與在負載條件下電池電壓的差值對時間進行積分，然后再除以充放電電流存同時間內的積分，即可得到鋰電池的直流內阻Rd，用公式表示為：

Rd為電池組直流阻抗；Voc表示電池組開路電壓；Vd為在負載時的電池組電壓；i負載電流。
電池組直流內阻等于在同一很短的時間段內，電池電壓變化量與電流變化量的比值。實際測量中，將電池從開路狀態(tài)開始恒流放電，相同短時間內，負載電壓和開路電壓的差值除以電流值就是直流內阻。由于是恒流放電，每一時刻的剩余電量是已知的，這樣就形成了直流內阻與剩余電量的關系。
利用多組充滿電量的電池組進行多次接近實際系統(tǒng)負載的恒流放電，得到一系列電池空載電壓、電池端電壓和電流數(shù)據，利用這些數(shù)據就可以推倒出相應剩余電量和電池組內阻對應關系的平均值，將這些數(shù)據存儲在MCU的FLASH中，就可以在實際的使用中利用查表的方法確定剩余電量。
2．5 充放電顯示
一般的便攜設備的電源系統(tǒng)沒有與嵌入式主板進行交互，所以顯示只能通過LED燈粗略顯示充放電狀態(tài)。本電源系統(tǒng)由于采用微控制器方案，可以與嵌入式主板實時通訊，上層應用軟件很容易將充放電狀態(tài)顯示在便攜設備的顯示屏上，方便使用者了解電源狀態(tài)。
充電過程中，便攜設備顯示屏上用一個市電插頭的圖標顯示現(xiàn)在是市電供電狀態(tài)，并在設備上用小LED燈來顯示充電狀態(tài)。放電過程中，在顯示屏上顯示電池圖標，以百分數(shù)實時顯示電池組剩余電量，當剩余電量低于10％時，進行電量提醒。

3 DC／DC電路設計
對于便攜設備的電源系統(tǒng)，傳統(tǒng)的一步式電源轉換很難達到低壓大工作電流的要求，嵌入式系統(tǒng)二步轉換式電源系統(tǒng)的設計是解決這一問題的一種方法。根據設備各模塊所需電源的電壓和電流情況，選擇了凌特公司(Linear Technology)的LTC1628芯片和LTC3780芯片，實現(xiàn)便攜設備內部各模塊所需要的3．3 V、5 V和12 V穩(wěn)壓電源。