【導讀】本文從實用角度出發， 設計了一種基于硬件架構和軟件控制的便攜式設備智能電源模塊解決方案。該方案充電速度快、充電電流易調、成本低。實驗和測試結果表明， 該方案完全能夠滿足系統需要， 并且該電源模塊具備可見性、可控性和節能性。
實驗結果表明， 該電源模塊接口豐富、控制靈活， 具有通用性。
環境測試儀是指能夠測量溫度、濕度、壓力、風速等環境參數的儀器。為了滿足各種復雜地理環境下的測試需求， 測試儀迫切需要小型化和便攜式。為了保持與現有軟件的最大兼容性， 我們選用PC104 的系統架構設計了便攜式的測試儀。PC104 是IBM PC 兼容工業標準的架構體系。PC104 主板對電源系統要求較高， 設計選用工業級的PC104 電源板， 此電源板支持寬范圍輸入( DC8~ 36 V) ， 效率高達96 % 。為了滿足便攜性， 系統必須支持電池組供電( 鋰電池組或鉛酸蓄電池組等) ， 由于鋰電池組具有單節電池標稱電壓高、自放電率低、質量能量密度和體積能量密度高、沒有記憶效應等優點， 本系統選用鋰電池組供電。本文主要討論了系統供電電路及電池組充電電路的設計。
系統總體結構
經實際測試， 并留出一定裕量， 設計選用9 600mAh 12 V 鋰電池組。實際采用單節標稱電壓3. 7 V，充電限制電壓4. 2 V， 容量2 400 mAh 的鋰電池電芯，三串四并組成電池組， 使用MM1414 芯片完成過充、過放、過流以及短路保護功能。鋰電池的典型充電算法是恒流與恒壓算法( CC/ CV ) 。根據國家標準GB/T18287- 2000 的要求首先恒流充電， 電池電壓隨著充電過程逐步升高， 當電池端電壓達到12. 6 V， 改恒流充電為恒壓充電， 電流根據電芯的飽和程度， 隨著充電過程的逐步減小， 當減小到某個值時， 認為充電終止。
根據此標準設計選用0. 2 C 倍率恒流充電， 充電倍率達到0. 01 C 時認為充電結束， 即分別對應電流約為2A 和100 mA。根據以上要求設計系統總體結構， 具體如圖1 所示。
圖1：系統結構
系統使用直流18~ 30 V 輸入， 可以直接使用筆記本電源。D1 用于防止電源方向插反。12. 6 V/ 2 A 恒壓限流電路為本電路核心， 在輸出電壓低于12. 6 V 時工作在2 A 恒流狀態， 當輸出電壓達到12. 6 V 時， 使輸出電壓恒定。D2、D3 和C1 完成電源切換功能。外部電源供電時， 由于P 端電壓總是保持在12. 6 V 以上， S 端通過外部電源供電， 若無外部電源時， 由于電池電壓比P 端的電壓高， 則通過電池對系統進行供電。穩壓電路主要負責將S 端的電壓轉換為系統所需的各種電壓。ADC1 和A DC2 分別為電流和電壓采集端， ADC1 和ADC2 端的信號經過OP 電路放大， 然后輸入到ADC 電路， MCU 把各種相關數據通過RS232傳送到PC104 系統。R4 和D4 完成供電狀態的檢測，用于檢測系統是外部電源供電還是電池供電， 使系統自動調整自動關機或自動待機的等待時間。電路同時提供聲光方式的報警及顯示功能， 當出現電壓過低等情況時， 能以比較醒目的方式進行提醒。PC104 電源板和PC104 系統是本電路的負載。電路中D1 、D2 、D3均為肖特基二極管， 肖特基二極管具有正向壓降低、反向恢復時間短等優點; R1 、R2、R3 為1 %精密電阻。
系統軟件設計
系統工作時間與電池電量成線性關系， 而電量與電池端電壓為非線性關系。圖2 所示為本系統所用電池在2 000 mA 恒流放電的情況下， 電池端電壓與電量的關系曲線， 其中橫軸為電池電壓， 縱軸為剩余電量相對于總電量的百分比。根據此曲線， 在MCU 軟件中擬合一個電壓與電量關系的數據表， 同時設置10 V為告警電壓; 系統可以實時查詢諸如電池電壓、電流、剩余電量、估計供電時間等信息， 并同時仿手機做成3段式顯示， 使上位機全面掌握電池狀態， 決定控制策略， 從而提高系統運行可靠性。MCU 軟件使用KeiluV2 軟件開發， 上位機軟件使用LabWindow s 軟件開發。MCU 除完成電量查詢相關功能， 還要完成報警與顯示功能; 上位機軟件同時要完成環境參數的相關采集與處理。
圖2：電池電壓與電量關系
系統測試
將該電路應用到實際系統并進行測試。外部電源為DC20 V， 測試內容及測試結果如下:
( 1) 充分放電后進行測試， 5. 1 h 完成充電， 理論充電電流2 000 mA， 理論時長4. 8 h， 基本正常;
( 2) 所有數據讀取正常， 報警及顯示功能正常;
( 3) 各電壓值均在指定范圍內， 誤差低于 2 %，測試波形穩定;
( 4) 2 A 額定電流工作， 各種芯片溫度正常， 系統工作正常;
( 5) 充滿電后， 可以連續使用約4 h;
( 6) 外部電源供電時效率約為85 %， 電池供電效率約為90 %。
經測試， 該電路在性能上完全滿足要求， 并同時可以做到對電池狀態準確和實時了解。
本文從實用角度出發， 設計了一種基于硬件架構和軟件控制的便攜式設備智能電源模塊解決方案。該方案充電速度快、充電電流易調、成本低。實驗和測試結果表明， 該方案完全能夠滿足系統需要， 并且該電源模塊具備可見性、可控性和節能性。由于該電路軟硬件均具有可裁剪性， 所以該電路適用于各種便攜式嵌入式系統等對體積和重量要求較高的應用場合。
