便携式仪表电源管理技术研究
【摘 要】便携式仪表凭借轻巧的体积、易用的操作，在野外测试中的应用日益广泛。本文依据某便携式仪表的供电需求，提出了一种电源管理方案。本文从可充电电池组、充电模块、充放电保护模块、电量监测模块、电源上电和掉电模块等5个部分详细描述了电源管理实现方案。经验证，方案切实可行，能满足用户使用要求，对其它便携式仪表电源管理的设计具有重要的指导和借鉴意义。
【关键词】便携 电源管理 电源应用
1 引言
便携式仪表凭借轻巧的体积、易用的操作，在野外测试中的应用日益广泛。便携式仪表与台式仪表相比，优势在于可以在无外接电源的情况下，在一定的工作时间内仍能正常工作。某便携式仪表要求提供5V充电，设备功耗3W，无外接电源情况下工作4h以上。
2 方案及硬件设计
2.1 方案
电源管理主要实现对电池组工作状态、充电/放电过程的管理，通过电源管理保证电池组及其充放电过程安全、有效、可靠。通过监测电池组的表面温度来判断电池组工作状态是否异常；充电过程中，通过监测电池组的电压，防止出现过充引发危险；放电过程中，通过监测电池组的电压和电流，防止出现过放、过流，降低电池组寿命。
电源管理主要由可充电电池组、充电模块、充放电保护模块、电量监测模块、电源上电和掉电模块等5个部分组成，其功能框图如图1所示。供电电池是整个便携式仪表的重要组成部分，承担整个系统的电源供给。充电模块产生恒定电压或恒定电流供给可充电电池组，对电池组进行充电。充电保护模块和放电保护模块对充放电过程的电压、电流和电池组的温度进行监测，充放电异常则断开充放电回路，保证整个系统的安全。电量监测模块对电池组的电量进行实时监控，系统通过I2C接口实时获取电池组的电量信息，以便及时对电池组进行充电。上电/掉电模块控制系统供电通路的通断，保证系统的正常运行与关断。
图1 功能框图
2.2 硬件设计
2.2.1 可充电电池组
目前，便携式仪表的主流供电电池包括铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池和锂聚合物电池等。锂离子电池具有高单体电池电压、高比能量、高功率密度、长循环寿命、无记忆效应、低放电率等优点。
设备功耗3W，要求无外接电源情况下工作4h以上。本方案选择18650锂离子电池ICR18650E作为供电电池，采取4节单体电池并联形成电池组的方式对设备进行供电。单节ICR18650E额定工作电压3.6V，一般工作电压范围为3.0～4.2V，额定容量2.2Ah，最大放电电流4.4A，工作温度-10℃～60℃。电池组的容量为8.8Ah，可提供至少26W功率，常温下可以确保正常工作8小时左右。温度越低，电池容量越小。-10℃时电池的容量约为额定容量的89%，可确保正常工作7小时左右，满足设计要求。
2.2.2 充电模块设计
根据锂离子电池的特性，选择TP4056来实现锂离子电池组的充电管理。TP4056具有高达1A的可编程充电电流，可以多颗并联使用，以增大充电电流，提高充电速度。每个芯片的充电电流都可以单独设置，互不干扰。本方案采用4片TP4056并联的方式给锂离子电池充电组充电。充电电流通过一个连接在PROG引脚与地之间的电阻器来设定。设定电阻器和充电电流采用下列公式来计算：
RPROG=1200/IBAT………………………………（1）
IBAT充电电流，取为780mA时，RPROG为1.5k。充电时间可采用下列公式来粗略计算：
tCHRG=（CBAT/CCHRG）×2…………………………（2）
CBAT为电池组额定容量，CCHRG为充电器每小时的充电容量。四片TP4056并联，每片采用780mA的充电电流，每小时可提供3Ah的容量。常温下电池组充电大致需要5～6个小时。
2.2.3 充放电保护模块设计
本方案选择R5402N163KD来实现锂离子电池组的充放电保护。R5402N163KD设定过充电压4.28V，过充释放电压4.1V，过放电压3.0V，过放释放电压3.2V，过流检测电压0.1V，过流保护延时时间12毫秒，短路保护检测电压0.9V，短路保护延时时间为300微妙。
在正常状态下电路中R5402N163KD的“COUT”和“DOUT”脚都输出高电压3.7V左右，两个MOSFET都处于导通状态，电池可以自由地进行充电和放电，由于MOSFET的导通阻抗很小，3.7V导通电压下导通阻抗20毫欧左右，因此其导通电阻对电路的性能影响很小。
电池在被充电过程中，如果充电器电路失去控制，出现过充现象，当控制IC检测到电池电压达到4.28V时，其“COUT”脚将由高电压转变为低电压，使V2由导通转为关断从而切断充电回路，使充电器无法再对电池进行充电，起到过充电保护作用。
电池在对外部负载放电过程中，其电压会随着放电过程逐渐降低，当电池电压降至3.0V时，其“DOUT”脚将由高电压转变为低电压，使V1由导通转为关断，从而切断放电回路，使电池无法再对负载进行放电，起到过放电保护作用。
电池在对负载放电过程中，若回路电流大到使U>0.9V时，控制IC则判断为负载短路，其“DOUT”脚迅速由高电压转变为低电压，使V1由导通转为关断，从而切断放电回路，起到短路保护作用。短路保护的延时时间极短，为300微妙。
2.2.4 电量监测模块设计
本方案选择BQ27510来实现对电池组电量的监测。BQ27510通过检测串联在电池负极的小阻值电阻RS上的压降，判断当前电池为充电状态还是放电状态。通过内部“自学习”过程实现检测电池电量。电池每经过一次完整的充放电过程，就会进入一轮新的“自学习”，经过本次“自学习”可以更新电池从满到空的总电量，并写入LMD寄存器当中。使用TI公司电源仿真器EV2300进行充放电学习。
2.2.5 电源上电和掉电模块设计
本方案选择LTC2951-2来实现电源上电和掉电控制。按键开关接至LTC2951-2的PB脚，输出使能信号接至DC/DC转换器，DC/DC转换器为整个系统进行供电。仪表进行上电，按下按键，按键至少保持低电平128毫秒，LTC2951-2首先对按钮输入进行防反跳处理，然后使能信号EN输出低电平，DC/DC转换器启动。如需关断便携式仪表，按下按键，按键至少保持低电平32毫秒，LTC2951-2首先对按钮输入进行防反跳处理，然后使能信号EN输出高电平，切断DC/DC转换器，从而关断便携式仪表的电源，然后将启动一期内部512毫秒消隐定时器，忽略按键的任何操作。
3 试验数据分析
采用3Ω电子负载模拟用电设备进行带载试验，额定功率大于3W。试验情况见表1，在-10℃～+50℃的温度范围内，满足无外接电源情况下工作4小时的要求。
表1 带载试验
序号
试验环境
工作时间
1
+20℃
5小时
2
-10℃
4.5小时
3
+50℃
5小时
4 结语
本文依据某便携式仪表的供电需求，提出了一种电源解决方案。从可充电电池组、充电模块、充放电保护模块、电量监测模块、电源上电和掉电模块等5个部分详细描述了电源管理实现方案。经试验验证，设计满足用户使用要求，其研究对其它便携式仪表电源管理的设计具有重要的借鉴作用。
参考文献：
[1]ICR18650E datasheet.江西金刚能源有限公司，2010.
[2]TP4056 datasheet.南京拓微集成电路有限公司，2009.
[3]R5402N163KD datasheet，RICON INC，2010.
[4]BQ27510 datasheet，TEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED，2010.
[5]LTC2951-2 datasheet，LINEAR TECHNOLOGY CORPORATION，2006.