基于ATmega16L的便攜設備電源系統設計

樊彥強，李志宏

（北京云星宇交通工程有限公司 北京 100078）

隨著科技的進步，便攜設備應用日益普遍，這些設備給我們的工作和生活帶來越來越多的便利，同時，其對內部的電源系統提出更高的要求。便攜設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行開關機交互和數據交互；需要具備體積小、重量輕、效率高等特點。雖然針對筆記本和手機產品有成熟的電源方案，但是一般僅適用于小功率的場合，對于專業的便攜設備缺乏適應性。

在上述背景下，急需設計一款較大功率，具備以上功能特點的電源系統，從而滿足一般便攜設備對電源的需求。

1 電源系統總體設計

本系統以微控制器為檢測和控制的核心，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、電流采樣和溫度測量電路，進入微控制器A/D。微控制器作為數據處理和控制的核心，一方面實時監控電池組的各項性能指標和狀態，一方面根據這些狀態參數控制驅動大功率開關，從而控制整個設備的電源供給。根據現場市電存在情況，實現外部適配器供電和內部電池組供電的自動切換。通過外部適配器，可同時實現設備正常供電和電池的充電。系統同時具備RS-232接口，可與嵌入式主板通訊，將電源狀態發送給上位機，進行顯示。為實現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電源接口進行交互，實現了PS_ON信號和PW-OK信號的功能模擬，具備了ATX電源功能。

由于使用了微控制器，使系統具有很大的靈活性，便于實現各種復雜邏輯控制，從而能方便地對系統進行功能擴展和性能改進。

圖1 系統總體框圖Fig.1 System block diagram

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，同時具有能量密度低，充放電壽命短、廢棄物難處理等缺點，將會在未來的儲能系統所淘汰。而鎳氫電池屬于堿性電池，單體電壓相對較低，而且鎳鎘電池，鎳氫電池均具有“記憶效應”[1]，長期不徹底充放電，電池內易留下痕跡，降低電池容量。

近年來，越來越多的產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，循環壽命高，自放電率低等優點[2]。

本電源系統選擇三洋柱狀18650型號的鋰電池，單節電池容量可以達到2.2 Ah，利用4串4并的組合方式，電池組具備130 WH的能量，使便攜設備具備一定的續航能力。

2.2 核心控制芯片介紹

從低功耗、低成本設計角度出發，微控制器采用Atmel的高性能、低功耗的ATmega16L微控制器作為檢測與控制核心。ATmega16L是基于RISC結構的高性能、低功耗8位CMOS微控制器，內部帶有16 kB的系統內可編程Flash，512B EEPROM，1KB SRAM，3個具有各自分頻和比較模式的定時器/計數器，8路10位ADC，可編程串行USART，一個SPI串行端口，具有片內振蕩器的可編程看門狗定時器，6個可以通過軟件進行選擇的省電模式，32個通用I/O口線，工作電壓為2.7～5.5 V。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執行時間，數據吞吐率高達1MIPS/MHz，從而可以優化系統功耗和處理速度之間的關系[3]。

根據系統需要，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的A/D轉換接口，對充電芯片監控的I/O接口，充放電大功率MOS柵極控制的I/O接口，開關機和顯示控制的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4 A充電電流的2到4節鋰離子電池充電器，它包括了構成簡單獨立的高功率電池充電器系統所必需的I/O狀態信號。能提供充電結束的輸出信號和墻上適配器檢測功能，以及用于電量檢測的充電電流值指示器。由6 V～28 V的電源供電時，其同步DC/DC降壓工作模式允許高達96%的工作效率，具有電池溫度監視器以及過壓和過流保護功能。充電電壓準確度為±0.8%，充電電流可用電阻來編程至±4%的典型準確度。為指示電量，一個專用功能部件將此充電電流表示為微控制器或A/D轉換器的電壓。用電阻可根據使用電池組的總容量，設置總充電時間為1～3 h，并具有自動再充電和涓流充電功能[4]。

選用直流輸出為19.8 V的適配器，滿足LTC4006對輸入電壓6～28 V的要求。利用外部適配器作為充電電源，在ATmega16L和LTC4006芯片的配合下可以實現對電池組的充電管理。LTC4006應用電路如圖2所示。

圖2 LTC4006應用電Fig.2 LTC4006 application circuit

圖中，MP1和MP2兩個PMOS（Si4425）背對背反向串聯，組成理想開關，MCU的I/O口PDS_G通過三極管進行觸發控制。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實現充電起始和終止的控制，同時，充電狀態可以通過2引腳/CHG進行監視。

2.4 電池剩余電量估算

由于電池在充放電過程中表現出高度非線性，對其很難建立準確的數學模型。而電池的SOC和很多因素相關（如溫度、前一時刻充放電狀態、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。

目前國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實。

開路電壓法，電池組需靜止較長時間達穩定狀態，不滿足在線檢測的要求。

卡爾曼濾波法，算法較復雜，在微控制器上實現較困難。

便攜設備所要求的剩余電量檢測精度不高，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在同時間內的積分，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據，利用這些數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。本電源系統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顯示在便攜設備的顯示屏上，方便使用者了解電源狀態。

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在是市電供電狀態，并在設備上用小LED燈來顯示充電狀態。放電過程中，在顯示屏上顯示電池圖標，以百分數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，傳統的一步式電源轉換很難達到低壓大工作電流的要求，嵌入式系統二步轉換式電源系統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，實現便攜設備內部各模塊所需要的3.3 V、5 V和12 V穩壓電源。

LTC1628是高性能降壓式雙開關穩壓控制器，可驅動各同步N溝道功率場效應管MOSFET。該控制器以恒定頻率電流型工作方式允許調節頻率可高達300 kHz。通過兩個控制器輸出級異相工作，最大限度降低了由輸入電容器的等效串聯電阻 （ESR）引起的功耗和噪聲。3.5～30 V（最大為36 V）的寬輸入電源電壓范圍適用于所有類型的電池。控制器的RUN/SS引腳提供了軟啟動，并實現可選定時的短路停機[5]。

圖3 LTC1628應用電路Fig.3 LTC1628 application circuit

圖4 LTC3780應用電路Fig.4 LTC3780 application circuit

由于12 V的直流輸出電壓，處于4節鋰離子電池串聯的正常放電電壓范圍（11～14.8 V）內部，所以需要選擇一款能夠實現升降壓的電源控制芯片。LTC3780是一款高性能的能降壓－升壓的開關型穩壓器，可在輸入電壓高于、低于或等于輸出電壓的條件下工作。恒定頻率電流模式架構提供了一個高達400 Hz的可鎖相頻率，可以在4～30 V寬輸入和輸出范圍內實現不同工作模式間的無縫切換。借助于LTC3780為核心控制芯片，可以無縫切換Buck－Boost開關模式，高效率地升壓或降壓，具有自動穩定輸出電壓的作用，使蓄電池外特性有質的飛躍[6]。

4 程序流程圖

ATmega16L的主程序流程圖和定時器中斷例程如圖5所示。程序結構采取前后臺程序結構，對實時性要求比較高的電壓電流的采樣、開關控制和串口任務放在定時中斷中進行處理，對實時性要求不高的LED控制、剩余電量的計算、串口命令解析等任務放在主程序循環中進行處理。

5 結束語

針對便攜設備應用需求而設計的電源管理系統，可實現外部適配器供電和內部電池組供電的自動切換，利用專用充電控制芯片可以安全、高效率、大電流、精確的為電池組充電，微控制器可以方便進行充電狀態監控。微控制器可以根據電池放電電流和電壓，計算出電池內阻，從而得出電池組剩余電量，計算的精度可以達到1%左右，基本滿足便攜設備的需求。同時，微控制器與嵌入式主板進行交互，實現了便攜設備的開關機和電源狀態的顯示。本電源系統簡單可靠，功能完備，可根據不同便攜設備需求進行靈活修改，具有很強的兼容性。

圖5 MCU程序流程圖Fig.5 MCU program flow chart

根據上述設計的電源系統已應用在北京市高速公路便攜式收費機上，至今生產了500余套，運行穩定，在一定程度上緩解了北京市高速公路收費站擁堵的問題。

[1]王海明，鄭繩植，劉興順.鋰離子電池的特點及應用[J].電氣時代，2004（3）：132－134.WANG Hai－ming，ZHENG Sheng－zhi，LIU Xing－shun.The characteristic and application of Li－ion battery[J].Electric Age，2004（3）：132－134.

[2]李祖布，孫寧，蘇瑞豐.鋰離子電池組均衡和保護的關系研究[J].電子產品世界，2007（8）：72，74，97.LI Zu －bu，SUN Ning，SU Rui－feng.Research on the relationship between equalization and protection for Li－ion batteries[J].Electronic Engineering&Product World，2007（8）:72，74，97.

[3]Atmel.ATmega16 （L）Data Sheet[EB/OL].（2010）.http://www.atmel.com/Images/doc2466.pdf.

[4]Linear.LTC4006 Data Sheet [EB/OL]. （2003）.http://cds.linear.com/docs/Datasheet/4006fa.pdf.

[5]Linear.LTC1628 Data Sheet.[EB/OL]. （1998）.http://cds.linear.com/docs/Datasheet/1628fb.pdf.

[6]Linear.LTC3780.Datasheet[EB/OL]. （2005）.http://cds.linear.com/docs/Datasheet/3780fe.pdf.