便携式电子设备电源管理系统设计

本文设计了一种简单可行的电源管理系统，通过检测电源输出电压间接获知电源供电状态，当移动电源电量不足时，电源管理系统会自动切换各个子系统的工作模式，从而达到保护电源、降低功耗、保证供电质量的目的。此外，作者在硬件上应用施密特电路，软件上采用延时校验的方法提高了电源管理系统抗干扰能力，保证了电源监控电路的可靠性。

图1：便携式电子设备系统构成。

图2：工作模式切换规则。

图3：镍氢电池在室温下不同倍率下的放电特性。

图4：电源管理系统的系统构成。

移动电源的地位在便携式电子产品研究中历来十分重要，它是电子设备的生命源。本文设计了一种可应用于便携式电子设备上的电源管理系统，通过对电源电压进行实时监控，限制非法的大电流放电，并对可能的突发事故进行预测，给系统提供电源紧急报警信号，起到了降低整个系统的功率损耗，保护并延长电池使用寿命的重要作用。

便携式电子设备系统构成

便携式电子设备系统构成如图1所示，图中AT89S52单片机作为整个系统的主控单元；传感器和A/D构成了整个系统的反馈单元；D/A、伺服驱动模块以及执行机构构成了系统的动作实现单元；电源管理系统则为以上所有单元提供能源。以上各个单元的工作模式及相互切换如图2所示：

1. 待机模式

除主控单元外，其它所有子单元均停止供电。如果在规定时间内用户没有执行任何操作，则整个系统自动断电，在断电之前系统自动复位，并把断电原因记录下来。

2. 电量不足模式

当电池电量降到设定值时，系统转入电量不足模式，从这个模式一开始，电源管理系统一方面禁止对电池可能造成破坏的大电流放电动作，另一方面向用户发出报警信息请求充电。如果在规定的时间里操作者没有做出充电响应，系统转入待机模式。

3. 充电模式

操作者按下充电按钮，电源开始充电，除主控单元和电源单元外，其它子系统均断电。当充电完成后，所有子系统重新被激活。

4. 工作模式

在工作模式下，所有子单元都处于供电状态。

系统的各器件并不是全部由移动电源直接供电，根据不同电源电压需要，电源管理系统需要由DC-DC芯片对电池组输出电压进行变压处理。此外，为了提高整个设备的电源供电质量，可以在DC-DC后接入低压差线形稳压电源器（LDO）。

电源管理系统设计

1．移动电源的选择

在便携式电子产品领域，一般采用化学电池作为移动电源。理想的电池应该具有十分高的能量密度、能够在放电过程中保持恒定的电压、内阻小以便具有快速放电能力、能够耐高温、可充电以及成本低等。但实际上没有一种电池可同时具备上述优点,这就要求设计人员根据实际任务的需要,选择一种合适的电池。可充电电池主要有铅酸蓄电池和碱性蓄电池两种。目前使用的镍镉(NiCd)、镍氢(NiMH)和锂离子(Li-Ion)电池都是碱性电池。

a. 铅酸蓄电池

铅酸电池由正负极板、隔板、电解液、安全阀、气塞、外壳等部分组成。正极板上的活性物质是二氧化铅(PbO2)，负极板上的活性物质为海绵状纯铅(Pb)。电解液由蒸馏水和纯硫酸按一定比例配制而成。电池槽中装入一定密度的电解液后，由于电化学反应，正、负极板间会产生约为2.1V的电动势。

b. 镍镉电池

镍镉电池(NiCd)正极板上的活性物质由氧化镍粉和石墨粉组成，石墨不参加化学反应，其主要作用是增强导电性。负极板上的活性物质由氧化镉粉和氧化铁粉组成，氧化铁粉的作用是使氧化镉粉有较高的扩散性，防止结块，并增加极板的容量。活性物质分别包在穿孔钢带中，加压成型后即成为电池的正负极板。极板间用耐碱的硬橡胶绝缘棍或有孔的聚氯乙烯瓦楞板隔开。电解液通常用氢氧化钾溶液。与其它电池相比，NiCd电池的自放电率(即电池不使用时失去电荷的速率)适中，但在使用过程中存在记忆效应，这使得电池存储容量无法被充分利用。

图5：电压传感器原理。

图6：施密特触发器输入输出电压波型及传输特性。

图7：施密特触发器。

图8：采样延迟校验原理。

图9：电源管理程序流程图。

表1：镍氢电池参数。

c. 镍氢电池

镍氢电池(NiMH)正极板材料为NiOOH，负极板材料为吸氢合金。电解液通常用30%的KOH水溶液，并加入少量的NiOH。隔膜采用多孔维尼纶无纺布或尼龙无纺布等。NiMH电池有圆柱形和方形两种。

NiMH电池具有较好的低温放电特性，即使在-20℃环境温度下，采用大电流(以1C放电速率)放电，放出的电量也能达到标称容量的85%以上。但是，NiMH电池在高温(+40℃以上)时，蓄电容量将下降5~10%。这种由于自放电(温度越高，自放电率越大)而引起的容量损失是可逆的，几次充放电循环就能恢复到最大容量。NiMH电池的开路电压为1.2V，与NiCd电池相同。

d. 锂离子充电电池

锂离子电池用LiCoO2复合金属氧化物在铝板上形成阳极，用锂碳化合物在铜板形成阴极，极板间插入有亚微米级微孔的聚烯烃薄膜隔板，电解液为有机溶剂。

锂电池易受到过充电、深放电以及短路的损害。单体锂离子电池的充电电压必须严格限制。充电速率通常不超过1C，最低放电电压为2.7~3.0V，如再继续放电则会损坏电池。

综合这几种电池的优缺点，本文选择镍氢电池作为便携式电子设备的移动电源。镍氢电池的放电特性参照图3。

本文选用电池的型号和参数如表1所示。共使用60节，每20节串联成一组，三组并联；输出电压24V；额定容量：Q=2.16X10⁵mAh；电池质量：M=3Kg；电池的尺寸和组合规则有关。

2．电源管理系统构成

电源管理系统构成如图4所示，图中电池模块由三组镍氢电池组成，并单独输出，即Port1、Port2以及Port3，其中Port1负责给动作实现单元供电，Port2负责给反馈单元供电，Port3负责给主控单元供电。所有供电通道的关断都是通过可控硅来实现的。

3．电压传感器的设计

a. 电压传感器的功能要求 电源管理系统启动后，电压传感器对电源电压进行实时监测，当电源电量降低到设定值时，电压传感器能够发送TTL电平信号到单片机，通知单片机电源电量不足。

b. 电压传感器原理

从前面镍氢电池放电特性可以看出，随着电池电量的降低，电池的输出电压会相应的降低。因此，只要对电源的电压进行监测，就可以间接对电源的电量进行监测。

如图5所示，电压传感器核心是一片LM339-四电压比较器，通过电阻R₁和R₂对电池电压进行采样，然后将采得的信号输入比较器的负输入端。当电源电量降到电压传感器设定值V_ref时，LM339就会触发输出TTL电平信号，并将这些信号直接传送给单片机的I/O口，单片机通过对这些信号分析处理判断电源电量是否不足。如果不足，单片机会通过放大电路控制可控硅关断，进而切换各个子系统的工作模式。由于LM339有四个独立的比较器，所以理论上它可以同时对四组电池进行监控，本文只用到其中的三个。

提高电源管理系统抗干扰能力

镍氢电池在放电过程中，当负载骤然增大的时候，会引起电压暂时性急剧下降，这时电池电量可能没有低到需要充电的值比较器就触发了，这种负载干扰会严重影响电源管理系统对电池电量的判断。采用以下两种处理方法，可以有效地抑制负载干扰。

1. 上采用施密特触发电路

其原理如图6所示，在比较器的基础上加一个反馈电阻R_f，就构成了施密特触发器，下面对施密特触发器进行分析。

施密特触发器跳变的临界条件是集成运放两个输入端之间的电压等于零，即：

u_-=u₊(1)

而在u_-=u₊时，集成运放两个输入端的电流均可视为零，因此运放反向输入端的电压等于输入电压，即

u_-=u_i (2)

而运放同相输入端的电位是:

(3)

因为Eq1时对应的U_i值就是阈值，故由公式(2)和公式(3)可知图4电路的阈值是：

(4)

(5)

由以上分析可知，施密特电路由于反馈电阻R_f的存在，在其输入输出特性曲线上产生了一个滞迴区，如图3-5所示，当输入信号因干扰发生变化时，只要变化量不超过两个阈值之差，施密特触发器的输出电压就不会来回变化。由电压传感器原理图可知：

，

，代入公式(4)、(5)可得：

由以上分析可知，当干扰使电源电压波动差值小于500mV时，电压传感器仍能输出正确的信号给计算机，所以施密特电路可以降低电源管理系统误信号产生的概率，增强系统的抗干扰能力。

2. 上采用延时校验

延时校验原理如图8所示，根据概率学原理，如果每次采样信号为误信号的机率相等，记为η，则采用n次延迟校验可把机率降低到，显然采用延迟校验的方法也可以明显地提高系统的抗干扰能力。

电源管理程序流程图

电源管理程序流程图如图9所示。图中Warming1、Warming2、Warming3代表三组电

池的状态，如果等于1表示电源电量不足，等于0说明电源正常。通过对ExitProgram赋值，主程序可以控制电源管理程序的调用和退出。

本文小结

移动电源对于便携式电子设备而言至关重要，本文从经济性和实用性的角度出发设计了一套简单易行的电源管理方案。根据检测电源输出电压可间接获知电源电量的理论，以LM339比较器和AT89S52单片机为核心搭建了电源智能管理系统所必需的硬件结构，并在此基础上设计出电源管理程序流程图，从而有效地实现了对移动电源的管理，提高了整个系统的供电质量，保证了它的稳定运行。

作者：曹会宾

应用工程师

哈尔滨圣邦微电子有限公司