移動電源的地位在便攜式電子產品研究中歷來十分重要，它是電子設備的生命源。本文設計了一種可應用於便攜式電子設備上的電源管理系統，通過對電源電壓進行實時監控，限制非法的大電流放電，並對可能的突發事故進行預測，給系統提供電源緊急報警信號，起到了降低整個系統的功率損耗，保護並延長電池使用壽命的重要作用。
便攜式電子設備系統構成
圖1：便攜式電子設備系統構成。
圖2：工作模式切換規則。
圖3：鎳氫電池在室溫下不同倍率下的放電特性。
圖4：電源管理系統的系統構成。
便攜式電子設備系統構成如圖1所示，圖中AT89S52單片機作爲整個系統的主控單元；傳感器和A/D構成了整個系統的反饋單元；D/A、伺服驅動模塊以及執行機構構成了系統的動作實現單元；電源管理系統則爲以上所有單元提供能源。以上各個單元的工作模式及相互切換如圖2所示：
1. 待機模式
除主控單元外，其它所有子單元均停止供電。如果在規定時間內用戶沒有執行任何操作，則整個系統自動斷電，在斷電之前系統自動復位，並把斷電原因記錄下來。
2. 電量不足模式
當電池電量降到設定值時，系統轉入電量不足模式，從這個模式一開始，電源管理系統一方面禁止對電池可能造成破壞的大電流放電動作，另一方面向用戶發出報警信息請求充電。如果在規定的時間裏操作者沒有做出充電響應，系統轉入待機模式。
3. 充電模式
操作者按下充電按鈕，電源開始充電，除主控單元和電源單元外，其它子系統均斷電。當充電完成後，所有子系統重新被激活。
4. 工作模式
在工作模式下，所有子單元都處於供電狀態。
系統的各器件並不是全部由移動電源直接供電，根據不同電源電壓需要，電源管理系統需要由DC-DC芯片對電池組輸出電壓進行變壓處理。此外，爲了提高整個設備的電源供電質量，可以在DC-DC後接入低壓差線形穩壓電源器（LDO）。
電源管理系統設計
1．移動電源的選擇
在便攜式電子產品領域，一般採用化學電池作爲移動電源。理想的電池應該具有十分高的能量密度、能夠在放電過程中保持恆定的電壓、內阻小以便具有快速放電能力、能夠耐高溫、可充電以及成本低等。但實際上沒有一種電池可同時具備上述優點,這就要求設計人員根據實際任務的需要,選擇一種合適的電池。可充電電池主要有鉛酸蓄電池和鹼性蓄電池兩種。目前使用的鎳鎘(NiCd)、鎳氫(NiMH)和鋰離子(Li-Ion)電池都是鹼性電池。
a. 鉛酸蓄電池
鉛酸電池由正負極板、隔板、電解液、安全閥、氣塞、外殼等部分組成。正極板上的活性物質是二氧化鉛(PbO2)，負極板上的活性物質爲海綿狀純鉛(Pb)。電解液由蒸餾水和純硫酸按一定比例配製而成。電池槽中裝入一定密度的電解液後，由於電化學反應，正、負極板間會產生約爲2.1V的電動勢。
b. 鎳鎘電池
鎳鎘電池(NiCd)正極板上的活性物質由氧化鎳粉和石墨粉組成，石墨不參加化學反應，其主要作用是增強導電性。負極板上的活性物質由氧化鎘粉和氧化鐵粉組成，氧化鐵粉的作用是使氧化鎘粉有較高的擴散性，防止結塊，並增加極板的容量。活性物質分別包在穿孔鋼帶中，加壓成型後即成爲電池的正負極板。極板間用耐鹼的硬橡膠絕緣棍或有孔的聚氯乙烯瓦楞板隔開。電解液通常用氫氧化鉀溶液。與其它電池相比，NiCd電池的自放電率(即電池不使用時失去電荷的速率)適中，但在使用過程中存在記憶效應，這使得電池存儲容量無法被充分利用。
圖5：電壓傳感器原理。
圖6：施密特觸發器輸入輸出電壓波型及傳輸特性。
圖7：施密特觸發器。
圖8：採樣延遲校驗原理。
圖9：電源管理程序流程圖。
表1：鎳氫電池參數。
c. 鎳氫電池
鎳氫電池(NiMH)正極板材料爲NiOOH，負極板材料爲吸氫合金。電解液通常用30%的KOH水溶液，並加入少量的NiOH。隔膜採用多孔維尼綸無紡布或尼龍無紡布等。NiMH電池有圓柱形和方形兩種。
NiMH電池具有較好的低溫放電特性，即使在-20℃環境溫度下，採用大電流(以1C放電速率)放電，放出的電量也能達到標稱容量的85%以上。但是，NiMH電池在高溫(+40℃以上)時，蓄電容量將下降5~10%。這種由於自放電(溫度越高，自放電率越大)而引起的容量損失是可逆的，幾次充放電循環就能恢復到最大容量。NiMH電池的開路電壓爲1.2V，與NiCd電池相同。
d. 鋰離子充電電池
鋰離子電池用LiCoO2複合金屬氧化物在鋁板上形成陽極，用鋰碳化合物在銅板形成陰極，極板間插入有亞微米級微孔的聚烯烴薄膜隔板，電解液爲有機溶劑。
鋰電池易受到過充電、深放電以及短路的損害。單體鋰離子電池的充電電壓必須嚴格限制。充電速率通常不超過1C，最低放電電壓爲2.7~3.0V，如再繼續放電則會損壞電池。
綜合這幾種電池的優缺點，本文選擇鎳氫電池作爲便攜式電子設備的移動電源。鎳氫電池的放電特性參照圖3。
本文選用電池的型號和參數如表1所示。共使用60節，每20節串聯成一組，三組並聯；輸出電壓24V；額定容量：Q=2.16X105mAh；電池質量：M=3Kg；電池的尺寸和組合規則有關。
2．電源管理系統構成
電源管理系統構成如圖4所示，圖中電池模塊由三組鎳氫電池組成，並單獨輸出，即Port1、Port2以及Port3，其中Port1負責給動作實現單元供電，Port2負責給反饋單元供電，Port3負責給主控單元供電。所有供電通道的關斷都是通過可控硅來實現的。
3．電壓傳感器的設計
a. 電壓傳感器的功能要求 電源管理系統啓動後，電壓傳感器對電源電壓進行實時監測，當電源電量降低到設定值時，電壓傳感器能夠發送TTL電平信號到單片機，通知單片機電源電量不足。
b. 電壓傳感器原理
從前面鎳氫電池放電特性可以看出，隨着電池電量的降低，電池的輸出電壓會相應的降低。因此，只要對電源的電壓進行監測，就可以間接對電源的電量進行監測。
如圖5所示，電壓傳感器核心是一片LM339-四電壓比較器，通過電阻R1和R2對電池電壓進行採樣，然後將採得的信號輸入比較器的負輸入端。當電源電量降到電壓傳感器設定值Vref時，LM339就會觸發輸出TTL電平信號，並將這些信號直接傳送給單片機的I/O口，單片機通過對這些信號分析處理判斷電源電量是否不足。如果不足，單片機會通過放大電路控制可控硅關斷，進而切換各個子系統的工作模式。由於LM339有四個獨立的比較器，所以理論上它可以同時對四組電池進行監控，本文只用到其中的三個。
提高電源管理系統抗干擾能力
鎳氫電池在放電過程中，當負載驟然增大的時候，會引起電壓暫時性急劇下降，這時電池電量可能沒有低到需要充電的值比較器就觸發了，這種負載干擾會嚴重影響電源管理系統對電池電量的判斷。採用以下兩種處理方法，可以有效地抑制負載干擾。
1. 上採用施密特觸發電路
其原理如圖6所示，在比較器的基礎上加一個反饋電阻Rf，就構成了施密特觸發器，下面對施密特觸發器進行分析。
施密特觸發器跳變的臨界條件是集成運放兩個輸入端之間的電壓等於零，即：
u-=u+(1)
而在u-=u+時，集成運放兩個輸入端的電流均可視爲零，因此運放反向輸入端的電壓等於輸入電壓，即
u-=ui (2)
而運放同相輸入端的電位是:
(3)
因爲Eq1時對應的Ui值就是閾值，故由公式(2)和公式(3)可知圖4電路的閾值是：
(4)
(5)
由以上分析可知，施密特電路由於反饋電阻Rf的存在，在其輸入輸出特性曲線上產生了一個滯迴區，如圖3-5所示，當輸入信號因干擾發生變化時，只要變化量不超過兩個閾值之差，施密特觸發器的輸出電壓就不會來回變化。由電壓傳感器原理圖可知：
，
，代入公式(4)、(5)可得：
由以上分析可知，當干擾使電源電壓波動差值小於500mV時，電壓傳感器仍能輸出正確的信號給計算機，所以施密特電路可以降低電源管理系統誤信號產生的概率，增強系統的抗干擾能力。
2. 上採用延時校驗
延時校驗原理如圖8所示，根據概率學原理，如果每次採樣信號爲誤信號的機率相等，記爲η，則採用n次延遲校驗可把機率降低到
，顯然採用延遲校驗的方法也可以明顯地提高系統的抗干擾能力。
電源管理程序流程圖
電源管理程序流程圖如圖9所示。圖中Warming1、Warming2、Warming3代表三組電
池的狀態，如果等於1表示電源電量不足，等於0說明電源正常。通過對ExitProgram賦值，主程序可以控制電源管理程序的調用和退出。
本文小結
移動電源對於便攜式電子設備而言至關重要，本文從經濟性和實用性的角度出發設計了一套簡單易行的電源管理方案。根據檢測電源輸出電壓可間接獲知電源電量的理論，以LM339比較器和AT89S52單片機爲核心搭建了電源智能管理系統所必需的硬件結構，並在此基礎上設計出電源管理程序流程圖，從而有效地實現了對移動電源的管理，提高了整個系統的供電質量，保證了它的穩定運行。
作者：曹會賓
應用工程師
哈爾濱聖邦微電子有限公司
