基于MSP430F168的雙電池供電設(shè)計(jì)

摘要：文中介紹了一種使用雙電池供電的管理機(jī)制，在兩塊電池一供一備的模式中，有效解決了兩塊電池同時(shí)存在時(shí)兩者自動(dòng)切換以及分別進(jìn)行充電、放電和電量檢測(cè)的難點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：備用電池；自動(dòng)切換；MSP430F168；電壓檢測(cè)；同或電路；三端有向?qū)娐?br />
    便攜式設(shè)備中，大都選用重量輕、體積小、功能強(qiáng)的元器件。電源在所有元器件中占據(jù)著不可或缺的重要位置。鋰離子電池因其體積小、容量大的特點(diǎn)大受市場(chǎng)歡迎，但對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間室外作業(yè)的時(shí)候，一塊鋰電池供電還是顯得力不從心。對(duì)于供電保護(hù)設(shè)計(jì)好的設(shè)備，單電池電量不足可斷開(kāi)負(fù)載并進(jìn)入休眠、關(guān)機(jī)等降低電源損耗，這固然保護(hù)了電池，但關(guān)鍵時(shí)刻設(shè)備卻不能正常工作，而對(duì)于在供電方面保護(hù)欠佳的電子產(chǎn)品，更容易造成單電池在使用中過(guò)度放電。本文講述的備用電池方案可大大減少此類困擾。

1 總體設(shè)計(jì)思路
    系統(tǒng)的硬件主要包括微控制器MSP430F168、供電(即放電)電路、充電電路以及電池電壓檢測(cè)電路三個(gè)部分。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

    供電電路由電池A、電池B、選擇器1、電壓檢測(cè)器和單片機(jī)組成。供電時(shí)，單片機(jī)控制選擇器1與主電池A接通，使主電池A供電而備用電池B掛起。電壓檢測(cè)器內(nèi)部設(shè)置有標(biāo)識(shí)系統(tǒng)正常工作的參考電壓，若輸入電壓高于此參考電壓，則電壓檢測(cè)器輸出給負(fù)載的電壓等于輸入電壓，且此時(shí)反饋控制信號(hào)不觸發(fā)選擇器；若輸入電壓低于參考電壓，則輸出低電平，觸發(fā)選擇器3選擇另一電池供電，這樣依次循環(huán)自動(dòng)切換電池來(lái)供電。充電電路包括電池A、電池B、充電電源(交流適配器或者USB電源設(shè)備)、選擇器2和單片機(jī)。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到兩正常電池某一個(gè)在供電時(shí)，將控制選擇器2使充電電源接人另一電池充電；當(dāng)設(shè)備中任一電池電壓處在低于截止電壓2．75V或等于0V電池被摘除的狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)將控制選擇器2使充電電源只對(duì)供電電池充電。電壓檢測(cè)電路由電池A、電池B、選擇器3、電壓采集電路和單片機(jī)組成。單片機(jī)控制選擇器3使電池A、B分時(shí)接入電壓采集電路，再通過(guò)內(nèi)置的AD轉(zhuǎn)換器，模擬型的電壓信號(hào)就可變換為數(shù)字信號(hào)供單片機(jī)處理。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 MSP430F168微控制器簡(jiǎn)介
    MSP430F168微控制器是TI公司推出了一款高性能、超低功耗微控制電路。它擁有48kB+256Bflash存取器和2kB RAM，在1．8～3．6V的低電壓范圍內(nèi)便可工作。MSP430F168具有超強(qiáng)的16位RISC處理器，16位的寄存器和常數(shù)發(fā)生器，能最大限度地提高代碼運(yùn)算效率，具有5種省電模式，內(nèi)置數(shù)字控制振蕩器允許在6μs內(nèi)從低功耗模式喚醒。此外，MSP430F168還提供了16位定時(shí)器、12位快速ADC，USART、I2C、DMA等各種常用功能。
2．2 供電電路
    如圖2所示，選擇器1是由P溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管VT1和VT2、二極管D1和D6、JK觸發(fā)器74HC107、電壓檢測(cè)器S-80832以及三端有向?qū)娐方M成。S-80832具有電池切換檢測(cè)的功能。

    74HC107是雙路下降沿J-K觸發(fā)器，這里只選用其中一路。在設(shè)計(jì)中依照電路所需功能，對(duì)74HC107外圍電路按圖1進(jìn)行搭建，將得到如表1真值表，(注：標(biāo)“-”為非下降沿的情況，包括高電平、低電平和上升沿狀態(tài))S-80832是一種高精度低功耗電壓檢測(cè)器，檢測(cè)的閾值電壓3．2V在內(nèi)部被固化，采用N溝開(kāi)漏方式輸出。[!--empirenews.page--]

    S-80832電壓檢測(cè)器工作方式為：當(dāng)輸入電壓Vin大于閾值電壓3．2V時(shí)，輸出電壓Vout將等于Vin；當(dāng)Vin低于閾值電壓3．2V時(shí)，Vout將等于地電平Vss；如果Vin繼續(xù)下降到低于最小工作電壓Vmin時(shí)，輸出將不穩(wěn)定。由于S-80832的Vmin小于1V，在設(shè)計(jì)電路時(shí)，正常工作情況下不會(huì)讓電池放電至1V以下，所以S-80832輸出電壓的大小是Vin或者0V。
    此外，由PMOS管VT3和二極管D2組成的三端有向?qū)娐穼?shí)現(xiàn)的功能是：當(dāng)單片機(jī)引腳P2．7作輸出用產(chǎn)生低電平時(shí)，可置74HC107復(fù)位，使系統(tǒng)由電池A供電，而當(dāng)P2．7做輸入用時(shí)，讀取的是74HC107輸出端Q的狀態(tài)，不造成對(duì)74HC107的電平的影響。此電路可實(shí)現(xiàn)依照需要控制74HC107復(fù)位。
    供電電路工作原理如下：上電時(shí)，MSP430F168通過(guò)引腳P1．5控制PMOS管VT8導(dǎo)通，使電源接入負(fù)載。引腳P2．7利用其雙工通信特點(diǎn)先作輸出用，輸出低電平使74HC107復(fù)位，在觸發(fā)器輸出端Q電平置低后便將P2．7電平拉高。復(fù)位時(shí)Q為低電平使VT1導(dǎo)通VT2截止，從而實(shí)現(xiàn)了備用電池B被掛起而系統(tǒng)只由電池A單獨(dú)供電。當(dāng)S-80832輸入端電壓Vin高于3．2V時(shí)，其輸出給負(fù)載的電壓Vout將保持Vin大小不變；當(dāng)Vin低于3．2V時(shí)，則Vout變?yōu)榈碗娖剑Y(jié)合74HC107真值表，Vout輸出的反饋控制信號(hào)產(chǎn)生的下降沿將觸發(fā)JK觸發(fā)器，使其輸出端Q的電平變高，從而使VT1截止，而VT1的截止會(huì)導(dǎo)致VT2導(dǎo)通，這樣就啟動(dòng)備用電池B供電。單片機(jī)通過(guò)查詢引腳P2．7電平便可隨時(shí)知道此時(shí)系統(tǒng)由誰(shuí)供電。
2．3 充電電路
    充電電路主要由電池A、電池B、電源管理芯片LTC4053、PMOS場(chǎng)效應(yīng)管VT4、VT5、VT9、同或電路U4、二極管D3、交流適配器或USB組成，其中VT4、VT5和同或電路U4構(gòu)成選擇器2。具體電路見(jiàn)圖3。

    LTC4053是一款單節(jié)鋰離子電池線性充電器。充電電流由引腳PROG與地之間的電阻按公式IBAT=(VPROG／RPROG)×1000來(lái)設(shè)置。電池充滿時(shí)，CHRG電平由低變高，引起PMOSFET管VT9漏源極截止，這時(shí)單片機(jī)可檢測(cè)到引腳P5．6電平由高變得。圖1中LED1亮?xí)r表示滿足充電條件，允許充電，LED2亮?xí)r表示充電出現(xiàn)故障。[!--empirenews.page--]
    同或電路U4是由74LS153搭建而成，它是2路4選1數(shù)據(jù)選擇器，這里選取其中一路。此數(shù)據(jù)選擇器的引腳Y為輸出端，每次輸出1C3～1C0四個(gè)引腳中某一個(gè)引腳上的電平狀態(tài)，而具體選定誰(shuí)則由選擇信號(hào)B、A來(lái)控制。這里將1C3～1C0電平固化，使A、B和Y形成同或邏輯，其功能參見(jiàn)表2。

    工作原理介紹如下：當(dāng)單片機(jī)P2．7引腳檢測(cè)出系統(tǒng)是由電池A供電時(shí)，74LS153輸入引腳A電平為高，單片機(jī)將74LS153引腳B電平置高會(huì)使Y輸出高電平，導(dǎo)致VT4截止，電池A不充電，而VT5的導(dǎo)通會(huì)使外部電源對(duì)電池B充電。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到系統(tǒng)是由電池B供電時(shí)，結(jié)合表2真值表，同理可實(shí)現(xiàn)對(duì)電池A充電。此外，通過(guò)電池電壓檢測(cè)電路，可以得知任一電池電壓是否已到截止電壓2．75V或0V的被取掉狀態(tài)，這時(shí)只要依照真值表控制74LS153輸入引腳B電平，便可以實(shí)現(xiàn)電池單供單充的功能。
2．4 電池電壓檢測(cè)電路
    選擇器3由PMOS場(chǎng)效應(yīng)管VT6、VT7和二極管D4組成。R6和R7構(gòu)成電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，由單片機(jī)P6．0引入片內(nèi)ADC做AD轉(zhuǎn)換。通過(guò)P1.6引腳控制PMOSFET的導(dǎo)通與截止，單片機(jī)P6．0可分時(shí)采集電池A、B的電壓信號(hào)。

    需要說(shuō)明一點(diǎn)，對(duì)于兩個(gè)電池，同樣使用了兩個(gè)單片機(jī)引腳來(lái)達(dá)到電池電壓檢測(cè)的目的，但這里運(yùn)用分時(shí)檢測(cè)的方法體現(xiàn)的是一種多電源電壓檢測(cè)的思想，同時(shí)這樣做也節(jié)約了單片機(jī)的一路ADC，而且也降低了電源在電壓采集電路上的功耗。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    設(shè)備上電時(shí)，先設(shè)置由主電池A工作，之后交由檢測(cè)控制電路自主切換，單片機(jī)跟蹤切換狀態(tài)，依據(jù)兩電池電壓合理分配對(duì)誰(shuí)充電。軟件設(shè)計(jì)流程如圖5。

4 結(jié)束語(yǔ)
    使用雙電池向系統(tǒng)供電，有效延長(zhǎng)了設(shè)備電源的供電時(shí)間。設(shè)計(jì)中，兩電池一備一用且可自動(dòng)切換，充電時(shí)針對(duì)每塊電池不同的狀態(tài)進(jìn)行合理的充電設(shè)置，電池電量采用分時(shí)檢測(cè)，整個(gè)系統(tǒng)為用戶提供了一個(gè)方便靈活的電源供電方案。