便携式环境测试仪电源电路设计.doc

便携式环境测试仪电源电路设计 [日期：2011-04-16] 来源：笨小孩? 作者： [字体：大 中 小] ???? 摘要: 介绍了便携式设备对 电源 管理的需求， 提出了一种基于硬件结合软件的智能 电源模块 设计方案， 给出了硬件总体结构和软件思路。这个方案将电源模块应用到 PC104 嵌入式系统中， 设计了相关软件， 测试并分析了该模块的性能。 　　实验结果表明， 该电源模块接口丰富、控制灵活， 具有通用性。 　　环境 测试仪 是指能够测量温度、湿度、压力、风速等环境参数的仪器。为了满足各种复杂地理环境下的测试需求， 测试仪迫切需要小型化和便携式。为了保持与现有软件的最大兼容性， 我们选用PC104 的系统架构设计了便携式的测试仪。PC104 是IBM PC 兼容工业标准的架构体系。PC104 主板 对电源系统要求较高， 设计选用工业级的PC104 电源板， 此电源板支持宽范围输入( DC8~ 36 V) ， 效率高达96 % 。为了满足便携性， 系统必须支持 电池 组供电( 锂电池 组或铅酸 蓄电池 组等) ， 由于锂电池组具有单节电池标称电压高、自放电率低、质量能量密度和体积能量密度高、没有记忆效应等优点， 本系统选用锂电池组供电。本文主要讨论了系统供电 电路 及电池组充电电路的设计。 　　1? 系统总体结构 　　经实际测试， 并留出一定裕量， 设计选用9 600mAh 12 V 锂电池组。实际采用单节标称电压3. 7 V，充电限制电压4. 2 V， 容量2 400 mAh 的锂电池电芯，三串四并组成电池组， 使用 MM1414 芯片完成过充、过放、过流以及短路保护功能。锂电池的典型充电算法是恒流与恒压算法( CC/ CV ) 。根据国家标准GB/T18287- 2000 的要求首先恒流充电， 电池电压随着充电过程逐步升高， 当电池端电压达到12. 6 V， 改恒流充电为恒压充电， 电流根据电芯的饱和程度， 随着充电过程的逐步减小， 当减小到某个值时， 认为充电终止。 　　根据此标准设计选用0. 2 C 倍率恒流充电， 充电倍率达到0. 01 C 时认为充电结束， 即分别对应电流约为2A 和100 mA。根据以上要求设计系统总体结构， 具体如图1 所示。 图1? 系统结构 　　系统使用直流18~ 30 V 输入， 可以直接使用 笔记本电源 。D1 用于防止电源方向插反。12. 6 V/ 2 A 恒压限流电路为本电路核心， 在输出电压低于12. 6 V 时工作在2 A 恒流状态， 当输出电压达到12. 6 V 时， 使输出电压恒定。D2、D3 和C1 完成电源切换功能。外部电源供电时， 由于P 端电压总是保持在12. 6 V 以上， S 端通过外部电源供电， 若无外部电源时， 由于电池电压比P 端的电压高， 则通过电池对系统进行供电。稳压电路主要负责将S 端的电压转换为系统所需的各种电压。ADC1 和A DC2 分别为电流和电压采集端， ADC1 和ADC2 端的信号经过OP 电路放大， 然后输入到ADC 电路， MCU 把各种相关数据通过 RS232 传送到PC104 系统。R4 和D4 完成供电状态的检测，用于检测系统是外部电源供电还是电池供电， 使系统自动调整自动关机或自动待机的等待时间。电路同时提供声光方式的报警及显示功能， 当出现电压过低等情况时， 能以比较醒目的方式进行提醒。PC104 电源板和PC104 系统是本电路的负载。电路中D1 、D2 、D3均为肖特基 二极管 ， 肖特基二极管 具有正向压降低、反向恢复时间短等优点; R1 、R2、R3 为1 %精密 电阻 。 　　2? 系统软件设计 　　系统工作时间与电池电量成线性关系， 而电量与电池端电压为非线性关系。图2 所示为本系统所用电池在2 000 mA 恒流放电的情况下， 电池端电压与电量的关系曲线， 其中横轴为电池电压， 纵轴为剩余电量相对于总电量的百分比。根据此曲线， 在MCU 软件中拟合一个电压与电量关系的数据表， 同时设置10 V为告警电压; 系统可以实时查询诸如电池电压、电流、剩余电量、估计供电时间等信息， 并同时仿 手机 做成3段式显示， 使上位机全面掌握电池状态， 决定控制策略， 从而提高系统运行可靠性。MCU 软件使用KeiluV2 软件开发， 上位机软件使用LabWindow s 软件开发。MCU 除完成电量查询相关功能， 还要完成报警与显示功能; 上位机软件同时要完成环境参数的相关采集与处理。 图2? 电池电压与电量关系 　　3? 系统测试 　　将该电路应用到实际系统并进行测试。外部电源为DC20 V， 测试内容及测试结果如下: 　　( 1) 充分放电后进行测试， 5. 1 h 完成充电， 理论充电电流2 000 mA， 理论时