基于MSP430F168的雙電池供電設計

摘要：文中介紹了一種使用雙電池供電的管理機制，在兩塊電池一供一備的模式中，有效解決了兩塊電池同時存在時兩者自動切換以及分別進行充電、放電和電量檢測的難點。
關鍵詞：備用電池；自動切換；MSP430F168；電壓檢測；同或電路；三端有向導通電路

    便攜式設備中，大都選用重量輕、體積小、功能強的元器件。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、容量大的特點大受市場歡迎，但對于長時間室外作業(yè)的時候，一塊鋰電池供電還是顯得力不從心。對于供電保護設計好的設備，單電池電量不足可斷開負載并進入休眠、關機等降低電源損耗，這固然保護了電池，但關鍵時刻設備卻不能正常工作，而對于在供電方面保護欠佳的電子產品，更容易造成單電池在使用中過度放電。本文講述的備用電池方案可大大減少此類困擾。

1 總體設計思路
    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電路三個部分。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、電壓檢測器和單片機組成。供電時，單片機控制選擇器1與主電池A接通，使主電池A供電而備用電池B掛起。電壓檢測器內部設置有標識系統(tǒng)正常工作的參考電壓，若輸入電壓高于此參考電壓，則電壓檢測器輸出給負載的電壓等于輸入電壓，且此時反饋控制信號不觸發(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)自動切換電池來供電。充電電路包括電池A、電池B、充電電源(交流適配器或者USB電源設備)、選擇器2和單片機。當單片機檢測到兩正常電池某一個在供電時，將控制選擇器2使充電電源接人另一電池充電；當設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，單片機將控制選擇器2使充電電源只對供電電池充電。電壓檢測電路由電池A、電池B、選擇器3、電壓采集電路和單片機組成。單片機控制選擇器3使電池A、B分時接入電壓采集電路，再通過內置的AD轉換器，模擬型的電壓信號就可變換為數(shù)字信號供單片機處理。

2 系統(tǒng)硬件設計
2．1 MSP430F168微控制器簡介
    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的低電壓范圍內便可工作。MSP430F168具有超強的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算效率，具有5種省電模式，內置數(shù)字控制振蕩器允許在6μs內從低功耗模式喚醒。此外，MSP430F168還提供了16位定時器、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場效應管VT1和VT2、二極管D1和D6、JK觸發(fā)器74HC107、電壓檢測器S-80832以及三端有向導通電路組成。S-80832具有電池切換檢測的功能。

    74HC107是雙路下降沿J-K觸發(fā)器，這里只選用其中一路。在設計中依照電路所需功能，對74HC107外圍電路按圖1進行搭建，將得到如表1真值表，(注：標“-”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器，檢測的閾值電壓3．2V在內部被固化，采用N溝開漏方式輸出。[!--empirenews.page--]

    S-80832電壓檢測器工作方式為：當輸入電壓Vin大于閾值電壓3．2V時，輸出電壓Vout將等于Vin；當Vin低于閾值電壓3．2V時，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，輸出將不穩(wěn)定。由于S-80832的Vmin小于1V，在設計電路時，正常工作情況下不會讓電池放電至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組成的三端有向導通電路實現(xiàn)的功能是：當單片機引腳P2．7作輸出用產生低電平時，可置74HC107復位，使系統(tǒng)由電池A供電，而當P2．7做輸入用時，讀取的是74HC107輸出端Q的狀態(tài)，不造成對74HC107的電平的影響。此電路可實現(xiàn)依照需要控制74HC107復位。
    供電電路工作原理如下：上電時，MSP430F168通過引腳P1．5控制PMOS管VT8導通，使電源接入負載。引腳P2．7利用其雙工通信特點先作輸出用，輸出低電平使74HC107復位，在觸發(fā)器輸出端Q電平置低后便將P2．7電平拉高。復位時Q為低電平使VT1導通VT2截止，從而實現(xiàn)了備用電池B被掛起而系統(tǒng)只由電池A單獨供電。當S-80832輸入端電壓Vin高于3．2V時，其輸出給負載的電壓Vout將保持Vin大小不變；當Vin低于3．2V時，則Vout變?yōu)榈碗娖?，結合74HC107真值表，Vout輸出的反饋控制信號產生的下降沿將觸發(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的截止會導致VT2導通，這樣就啟動備用電池B供電。單片機通過查詢引腳P2．7電平便可隨時知道此時系統(tǒng)由誰供電。
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場效應管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構成選擇器2。具體電路見圖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來設置。電池充滿時，CHRG電平由低變高，引起PMOSFET管VT9漏源極截止，這時單片機可檢測到引腳P5．6電平由高變得。圖1中LED1亮時表示滿足充電條件，允許充電，LED2亮時表示充電出現(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1C3～1C0四個引腳中某一個引腳上的電平狀態(tài)，而具體選定誰則由選擇信號B、A來控制。這里將1C3～1C0電平固化，使A、B和Y形成同或邏輯，其功能參見表2。

    工作原理介紹如下：當單片機P2．7引腳檢測出系統(tǒng)是由電池A供電時，74LS153輸入引腳A電平為高，單片機將74LS153引腳B電平置高會使Y輸出高電平，導致VT4截止，電池A不充電，而VT5的導通會使外部電源對電池B充電。當單片機檢測到系統(tǒng)是由電池B供電時，結合表2真值表，同理可實現(xiàn)對電池A充電。此外，通過電池電壓檢測電路，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)，這時只要依照真值表控制74LS153輸入引腳B電平，便可以實現(xiàn)電池單供單充的功能。
2．4 電池電壓檢測電路
    選擇器3由PMOS場效應管VT6、VT7和二極管D4組成。R6和R7構成電阻分壓網(wǎng)絡，由單片機P6．0引入片內ADC做AD轉換。通過P1.6引腳控制PMOSFET的導通與截止，單片機P6．0可分時采集電池A、B的電壓信號。

    需要說明一點，對于兩個電池，同樣使用了兩個單片機引腳來達到電池電壓檢測的目的，但這里運用分時檢測的方法體現(xiàn)的是一種多電源電壓檢測的思想，同時這樣做也節(jié)約了單片機的一路ADC，而且也降低了電源在電壓采集電路上的功耗。

3 系統(tǒng)軟件設計
    設備上電時，先設置由主電池A工作，之后交由檢測控制電路自主切換，單片機跟蹤切換狀態(tài)，依據(jù)兩電池電壓合理分配對誰充電。軟件設計流程如圖5。

4 結束語
    使用雙電池向系統(tǒng)供電，有效延長了設備電源的供電時間。設計中，兩電池一備一用且可自動切換，充電時針對每塊電池不同的狀態(tài)進行合理的充電設置，電池電量采用分時檢測，整個系統(tǒng)為用戶提供了一個方便靈活的電源供電方案。