基于ATmega16L的便携设备电源系统设计

摘要：为满足目前便携设备对电源系统的需求，提出一种基于微控制器为控制核心的便携设备电源系统方案，利用高性能、低功耗的ATmega 16L微控制器作为检测和控制核心，配以电池充放电电路、DC／DC变换电路、外部适配器和锂电池组等，实现了灵活性高、功能完备的电源系统。
关键词：便携设备；电源；系统方案；微控制器；ATmega16L

随着科技的进步，便携设备应用日益普遍，这些设备给我们的工作和生活带来越来越多的便利，同时，其对内部的电源系统提出更高的要求。便携设备一般需要满足市电和蓄电池两种供电方式，完成蓄电池的充放电控制和电池剩余电量的估算；需要与嵌入式主板进行开关机交互和数据交互；需要具备体积小、重量轻、效率高等特点。虽然针对笔记本和手机产品有成熟的电源方案，但是一般仅适用于小功率的场合，对于专业的便携设备缺乏适应性。
在上述背景下，急需设计一款较大功率，具备以上功能特点的电源系统，从而满足一般便携设备对电源的需求。

1 电源系统总体设计
本系统以微控制器为检测和控制的核心，包括适配器、电池组、电池充放电模块、DC／DC变换等功能模块。系统的总体框图如图1所示。

电池组电压、电流、温度等信息通过电压采样、电流采样和温度测量电路，进入微控制器A／D。微控制器作为数据处理和控制的核心，一方面实时监控电池组的各项性能指标和状态，一方面根据这些状态参数控制驱动大功率开关，从而控制整个设备的电源供给。根据现场市电存在情况，实现外部适配器供电和内部电池组供电的自动切换。通过外部适配器，可同时实现设备正常供电和电池的充电。系统同时具备RS-232接口，可与嵌入式主板通讯，将电源状态发送给上位机，进行显示。为实现低功耗嵌入式主板的ATX电源接口需求，微控制器利用I／O口与主板的ATX电源接口进行交互，实现了PS_ON信号和PW-OK信号的功能模拟，具备了ATX电源功能。
由于使用了微控制器，使系统具有很大的灵活性，便于实现各种复杂逻辑控制，从而能方便地对系统进行功能扩展和性能改进。

2 电池管理部分
2．1 电池的选择
目前可充电式电源电池主要有以下几种：铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池和锂电池。
镍镉电池因含重金属，同时具有能量密度低，充放电寿命短、废弃物难处理等缺点，将会在未来的储能系统所淘汰。而镍氢电池属于碱性电池，单体电压相对较低，而且镍镉电池，镍氢电池均具有“记忆效应”，长期不彻底充放电，电池内易留下痕迹，降低电池容量。
近年来，越来越多的产品采用锂离子电池作为主要电源，主要是由于锂离子电池具有体积小，能量密度高，无记忆效应，循环寿命高，自放电率低等优点。
本电源系统选择三洋柱状18650型号的锂电池，单节电池容量可以达到2．2 Ah，利用4串4并的组合方式，电池组具备130 WH的能量，使便携设备具备一定的续航能力。
2．2 核心控制芯片介绍
从低功耗、低成本设计角度出发，微控制器采用Atmel的高性能、低功耗的ATmega16L微控制器作为检测与控制核心。ATmega16L是基于RISC结构的高性能、低功耗8位CMOS微控制器，内部带有16 kB的系统内可编程Flash，512B EEPROM，1KB SRAM，3个具有各自分频和比较模式的定时器／计数器，8路10位ADC，可编程串行USART，一个SPI串行端口，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，6个可以通过软件进行选择的省电模式，32个通用I／O口线，工作电压为2．7～5．5V。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，数据吞吐率高达1MIPS／MHz从而可以优化系统功耗和处理速度之间的关系。
根据系统需要，微控制器使用到的外围接口包括电池、适配器电压和电流检测的A／D转换接口，对充电芯片监控的I／O接口，充放电大功率MOS栅极控制的I／O接口，开关机和显示控制的I／O接口，与主板间通讯的USART接口等。
2．3 充电方案
充电采用凌特公司(Linear Technology)的LTC4006芯片，具有高达4 A充电电流的2到4节锂离子电池充电器，它包括了构成简单独立的高功率电池充电器系统所必需的I／O状态信号。能提供充电结束的输出信号和墙上适配器检测功能，以及用于电量检测的充电电流值指示器。由6 V～28 V的电源供电时，其同步DC／DC降压工作模式允许高达96％的工作效率，具有电池温度监视器以及过压和过流保护功能。充电电压准确度为±0．8％，充电电流可用电阻来编程至±4％的典型准确度。为指示电量，一个专用功能部件将此充电电流表示为微控制器或A／D转换器的电压。用电阻可根据使用电池组的总容量，设置总充电时间为1～3 h，并具有自动再充电和涓流充电功能。
选用直流输出为19．8 V的适配器，满足LTC4006对输入电压6～28 V的要求。利用外部适配器作为充电电源，在ATmega16L和LTC4006芯片的配合下可以实现对电池组的充电管理。LTC4006应用电路如图2所示。