便携式电子设备电源管理系统设计.doc

便携式电子设备电源管理系统设计 上网时间 : 2005年12月08日 ? 打 印 版?? 推 荐 给 同 仁?? 发 送 查 询 本文设计了一种简单可行的电源管理系统，通过检测电源输出电压间接获知电源供电状态，当移动电源电量不足时，电源管理系统会自动切换各个子系统的工作模式，从而达到保护电源、降低功耗、保证供电质量的目的。此外，作者在硬件上应用施密特电路，软件上采用延时校验的方法提高了电源管理系统抗干扰能力，保证了电源监控电路的可靠性。 图1：便携式电子设备系统构成。 图2：工作模式切换规则。 图3：镍氢电池在室温下不同倍率下的放电特性。 图4：电源管理系统的系统构成。 移动电源的地位在便携式电子产品研究中历来十分重要，它是电子设备的生命源。本文设计了一种可应用于便携式电子设备上的电源管理系统，通过对电源电压进行实时监控，限制非法的大电流放电，并对可能的突发事故进行预测，给系统提供电源紧急报警信号，起到了降低整个系统的功率损耗，保护并延长电池使用寿命的重要作用。 便携式电子设备系统构成 便携式电子设备系统构成如图1所示，图中AT89S52单片机作为整个系统的主控单元；传感器和A/D构成了整个系统的反馈单元；D/A、伺服驱动模块以及执行机构构成了系统的动作实现单元；电源管理系统则为以上所有单元提供能源。以上各个单元的工作模式及相互切换如图2所示： 1. 待机模式 除主控单元外，其它所有子单元均停止供电。如果在规定时间内用户没有执行任何操作，则整个系统自动断电，在断电之前系统自动复位，并把断电原因记录下来。 2. 电量不足模式 当电池电量降到设定值时，系统转入电量不足模式，从这个模式一开始，电源管理系统一方面禁止对电池可能造成破坏的大电流放电动作，另一方面向用户发出报警信息请求充电。如果在规定的时间里操作者没有做出充电响应，系统转入待机模式。 3. 充电模式 操作者按下充电按钮，电源开始充电，除主控单元和电源单元外，其它子系统均断电。当充电完成后，所有子系统重新被激活。 4. 工作模式 在工作模式下，所有子单元都处于供电状态。 系统的各器件并不是全部由移动电源直接供电，根据不同电源电压需要，电源管理系统需要由DC-DC芯片对电池组输出电压进行变压处理。此外，为了提高整个设备的电源供电质量，可以在DC-DC后接入低压差线形稳压电源器（LDO）。 电源管理系统设计 1．移动电源的选择 在便携式电子产品领域，一般采用化学电池作为移动电源。理想的电池应该具有十分高的能量密度、能够在放电过程中保持恒定的电压、内阻小以便具有快速放电能力、能够耐高温、可充电以及成本低等。但实际上没有一种电池可同时具备上述优点,这就要求设计人员根据实际任务的需要,选择一种合适的电池。可充电电池主要有铅酸蓄电池和碱性蓄电池两种。目前使用的镍镉(NiCd)、镍氢(NiMH)和锂离子(Li-Ion)电池都是碱性电池。 a. 铅酸蓄电池 铅酸电池由正负极板、隔板、电解液、安全阀、气塞、外壳等部分组成。正极板上的活性物质是二氧化铅(PbO2)，负极板上的活性物质为海绵状纯铅(Pb)。电解液由蒸馏水和纯硫酸按一定比例配制而成。电池槽中装入一定密度的电解液后，由于电化学反应，正、负极板间会产生约为2.1V的电动势。 b. 镍镉电池 镍镉电池(NiCd)正极板上的活性物质由氧化镍粉和石墨粉组成，石墨不参加化学反应，其主要作用是增强导电性。负极板上的活性物质由氧化镉粉和氧化铁粉组成，氧化铁粉的作用是使氧化镉粉有较高的扩散性，防止结块，并增加极板的容量。活性物质分别包在穿孔钢带中，加压成型后即成为电池的正负极板。极板间用耐碱的硬橡胶绝缘棍或有孔的聚氯乙烯瓦楞板隔开。电解液通常用氢氧化钾溶液。与其它电池相比，NiCd电池的自放电率(即电池不使用时失去电荷的速率)适中，但在使用过程中存在记忆效应，这使得电池存储容量无法被充分利用。 图5：电压传感器原理。 图6：施密特触发器输入输出电压波型及传输特性。 图7：施密特触发器。 图8：采样延迟校验原理。 图9：电源管理程序流程图。 表1：镍氢电池参数。 c. 镍氢电池 镍氢电池(NiMH)正极板材料为NiOOH，负极板材料为吸氢合金。电解液通常用30%的KOH水溶液，并加入少量的NiOH。隔膜采用多孔维尼纶无纺布或尼龙无纺布等。NiMH电池有圆柱形和方形两种。 NiMH电池具有较好的低温放电特性，即使在-20℃环境温度下，采用大电流(以1C放电速率)放电，放出的电量也能达到标称容量的85%以上。但是，NiMH电池在高温(+40℃以上)时，蓄电容量将下降5~10%。这种由于自放电(温度越高，自放电率越大)而引起的容量损失是可逆的，几次充放电循环就能恢复到最大容量。NiMH电池的开路