基于ATmega16L的便攜設備電源系統設計

摘要：為滿足目前便攜設備對電源系統的需求，提出一種基于微控制器為控制核心的便攜設備電源系統方案，利用高性能、低功耗的ATmega 16L微控制器作為檢測和控制核心，配以電池充放電電路、DC／DC變換電路、外部適配器和鋰電池組等，實現了靈活性高、功能完備的電源系統。
關鍵詞：便攜設備；電源；系統方案；微控制器；ATmega16L

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。

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”，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。
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2．7～5．5V。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。
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。