便攜式儀表電源管理技術研究

周長發

【摘 要】便攜式儀表憑借輕巧的體積、易用的操作，在野外測試中的應用日益廣泛。本文依據某便攜式儀表的供電需求，提出了一種電源管理方案。本文從可充電電池組、充電模塊、充放電保護模塊、電量監測模塊、電源上電和掉電模塊等5個部分詳細描述了電源管理實現方案。經驗證，方案切實可行，能滿足用戶使用要求，對其它便攜式儀表電源管理的設計具有重要的指導和借鑒意義。

【關鍵詞】便攜 電源管理 電源應用

1 引言

便攜式儀表憑借輕巧的體積、易用的操作，在野外測試中的應用日益廣泛。便攜式儀表與臺式儀表相比，優勢在于可以在無外接電源的情況下，在一定的工作時間內仍能正常工作。某便攜式儀表要求提供5V充電，設備功耗3W，無外接電源情況下工作4h以上。

2 方案及硬件設計

2.1 方案

電源管理主要實現對電池組工作狀態、充電/放電過程的管理，通過電源管理保證電池組及其充放電過程安全、有效、可靠。通過監測電池組的表面溫度來判斷電池組工作狀態是否異常；充電過程中，通過監測電池組的電壓，防止出現過充引發危險；放電過程中，通過監測電池組的電壓和電流，防止出現過放、過流，降低電池組壽命。

電源管理主要由可充電電池組、充電模塊、充放電保護模塊、電量監測模塊、電源上電和掉電模塊等5個部分組成，其功能框圖如圖1所示。供電電池是整個便攜式儀表的重要組成部分，承擔整個系統的電源供給。充電模塊產生恒定電壓或恒定電流供給可充電電池組，對電池組進行充電。充電保護模塊和放電保護模塊對充放電過程的電壓、電流和電池組的溫度進行監測，充放電異常則斷開充放電回路，保證整個系統的安全。電量監測模塊對電池組的電量進行實時監控，系統通過I2C接口實時獲取電池組的電量信息，以便及時對電池組進行充電。上電/掉電模塊控制系統供電通路的通斷，保證系統的正常運行與關斷。

圖1 功能框圖

2.2 硬件設計

2.2.1 可充電電池組

目前，便攜式儀表的主流供電電池包括鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池和鋰聚合物電池等。鋰離子電池具有高單體電池電壓、高比能量、高功率密度、長循環壽命、無記憶效應、低放電率等優點。

設備功耗3W，要求無外接電源情況下工作4h以上。本方案選擇18650鋰離子電池ICR18650E作為供電電池，采取4節單體電池并聯形成電池組的方式對設備進行供電。單節ICR18650E額定工作電壓3.6V，一般工作電壓范圍為3.0～4.2V，額定容量2.2Ah，最大放電電流4.4A，工作溫度-10℃～60℃。電池組的容量為8.8Ah，可提供至少26W功率，常溫下可以確保正常工作8小時左右。溫度越低，電池容量越小。-10℃時電池的容量約為額定容量的89%，可確保正常工作7小時左右，滿足設計要求。

2.2.2 充電模塊設計

根據鋰離子電池的特性，選擇TP4056來實現鋰離子電池組的充電管理。TP4056具有高達1A的可編程充電電流，可以多顆并聯使用，以增大充電電流，提高充電速度。每個芯片的充電電流都可以單獨設置，互不干擾。本方案采用4片TP4056并聯的方式給鋰離子電池充電組充電。充電電流通過一個連接在PROG引腳與地之間的電阻器來設定。設定電阻器和充電電流采用下列公式來計算：

RPROG=1200/IBAT………………………………（1）

IBAT充電電流，取為780mA時，RPROG為1.5k。充電時間可采用下列公式來粗略計算：

tCHRG=（CBAT/CCHRG）×2…………………………（2）

CBAT為電池組額定容量，CCHRG為充電器每小時的充電容量。四片TP4056并聯，每片采用780mA的充電電流，每小時可提供3Ah的容量。常溫下電池組充電大致需要5～6個小時。

2.2.3 充放電保護模塊設計

本方案選擇R5402N163KD來實現鋰離子電池組的充放電保護。R5402N163KD設定過充電壓4.28V，過充釋放電壓4.1V，過放電壓3.0V，過放釋放電壓3.2V，過流檢測電壓0.1V，過流保護延時時間12毫秒，短路保護檢測電壓0.9V，短路保護延時時間為300微妙。

在正常狀態下電路中R5402N163KD的“COUT”和“DOUT”腳都輸出高電壓3.7V左右，兩個MOSFET都處于導通狀態，電池可以自由地進行充電和放電，由于MOSFET的導通阻抗很小，3.7V導通電壓下導通阻抗20毫歐左右，因此其導通電阻對電路的性能影響很小。

電池在被充電過程中，如果充電器電路失去控制，出現過充現象，當控制IC檢測到電池電壓達到4.28V時，其“COUT”腳將由高電壓轉變為低電壓，使V2由導通轉為關斷從而切斷充電回路，使充電器無法再對電池進行充電，起到過充電保護作用。

電池在對外部負載放電過程中，其電壓會隨著放電過程逐漸降低，當電池電壓降至3.0V時，其“DOUT”腳將由高電壓轉變為低電壓，使V1由導通轉為關斷，從而切斷放電回路，使電池無法再對負載進行放電，起到過放電保護作用。

電池在對負載放電過程中，若回路電流大到使U>0.9V時，控制IC則判斷為負載短路，其“DOUT”腳迅速由高電壓轉變為低電壓，使V1由導通轉為關斷，從而切斷放電回路，起到短路保護作用。短路保護的延時時間極短，為300微妙。

2.2.4 電量監測模塊設計

本方案選擇BQ27510來實現對電池組電量的監測。BQ27510通過檢測串聯在電池負極的小阻值電阻RS上的壓降，判斷當前電池為充電狀態還是放電狀態。通過內部“自學習”過程實現檢測電池電量。電池每經過一次完整的充放電過程，就會進入一輪新的“自學習”，經過本次“自學習”可以更新電池從滿到空的總電量，并寫入LMD寄存器當中。使用TI公司電源仿真器EV2300進行充放電學習。

2.2.5 電源上電和掉電模塊設計

本方案選擇LTC2951-2來實現電源上電和掉電控制。按鍵開關接至LTC2951-2的PB腳，輸出使能信號接至DC/DC轉換器，DC/DC轉換器為整個系統進行供電。儀表進行上電，按下按鍵，按鍵至少保持低電平128毫秒，LTC2951-2首先對按鈕輸入進行防反跳處理，然后使能信號EN輸出低電平，DC/DC轉換器啟動。如需關斷便攜式儀表，按下按鍵，按鍵至少保持低電平32毫秒，LTC2951-2首先對按鈕輸入進行防反跳處理，然后使能信號EN輸出高電平，切斷DC/DC轉換器，從而關斷便攜式儀表的電源，然后將啟動一期內部512毫秒消隱定時器，忽略按鍵的任何操作。

3 試驗數據分析

采用3Ω電子負載模擬用電設備進行帶載試驗，額定功率大于3W。試驗情況見表1，在-10℃～+50℃的溫度范圍內，滿足無外接電源情況下工作4小時的要求。

表1 帶載試驗

序號

試驗環境

工作時間

1

+20℃

5小時

2

-10℃

4.5小時

3

+50℃

5小時

4 結語

本文依據某便攜式儀表的供電需求，提出了一種電源解決方案。從可充電電池組、充電模塊、充放電保護模塊、電量監測模塊、電源上電和掉電模塊等5個部分詳細描述了電源管理實現方案。經試驗驗證，設計滿足用戶使用要求，其研究對其它便攜式儀表電源管理的設計具有重要的借鑒作用。

參考文獻：

[1]ICR18650E datasheet.江西金剛能源有限公司，2010.

[2]TP4056 datasheet.南京拓微集成電路有限公司，2009.

[3]R5402N163KD datasheet，RICON INC，2010.

[4]BQ27510 datasheet，TEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED，2010.

[5]LTC2951-2 datasheet，LINEAR TECHNOLOGY CORPORATION，2006.