基于ATmega16L的便携设备电源系统设计

图中，MP1和MP2两个PMOS(Si4425)背对背反向串联，组成理想开关，MCU的I／O口PDS_G通过三极管进行触发控制。通过此理想开关，彻底杜绝了由于MOS管寄生二极管造成的电池侧电压反串到适配器输入侧情况。适配器输入DC_IN经过开关后，作为电池充电BUCK电路的输入。最大充电电流可以通过R39和R40的阻值方便设定，同时，充电电流可以通过LTC4006的IMON引脚进入MCU的A／D口进行实时监视。当MCU检测到适配器电压满足充电要求的时候，通过控制LTC4006的3引脚ACP／SHDN实现充电起始和终止的控制，同时，充电状态可以通过2引脚／CHG进行监视。
2．4 电池剩余电量估算
由于电池在充放电过程中表现出高度非线性，对其很难建立准确的数学模型。而电池的SOC和很多因素相关(如温度、前一时刻充放电状态、极℃化效应、电池寿命等)，这样就给SOC实时在线估计带来了很大的困难。
目前同内外常用的估计电池SOC的方法主要有安时积分法、开路电压法、内阻法和卡尔曼滤波法等。
安时积分法存在累积误差，并受电池自放电影响，需要定期进行完整的充放电过程，进行校正，对于便携设备来说，这种操作不方便，在用户日常使用时不太现实。
开路电压法，电池组需静止较长时间达稳定状态，不满足在线检测的要求。
卡尔曼滤波法，算法较复杂，在微控制器上实现较困难。
便携设备所要求的剩余电量检测精度小高，并且负载电流变化小，为了尽量减小设备的体积和重量，突出设备的便携性，采用简单、有效的剩余电量检测方法最符合便携设备的应用需求。直流内阻法，正好能够满足以上需求。
锂电池开路电压与在负载条件下电池电压的差值对时间进行积分，然后再除以充放电电流存同时间内的积分，即可得到锂电池的直流内阻Rd，用公式表示为：

Rd为电池组直流阻抗；Voc表示电池组开路电压；Vd为在负载时的电池组电压；i负载电流。
电池组直流内阻等于在同一很短的时间段内，电池电压变化量与电流变化量的比值。实际测量中，将电池从开路状态开始恒流放电，相同短时间内，负载电压和开路电压的差值除以电流值就是直流内阻。由于是恒流放电，每一时刻的剩余电量是已知的，这样就形成了直流内阻与剩余电量的关系。
利用多组充满电量的电池组进行多次接近实际系统负载的恒流放电，得到一系列电池空载电压、电池端电压和电流数据，利用这些数据就可以推倒出相应剩余电量和电池组内阻对应关系的平均值，将这些数据存储在MCU的FLASH中，就可以在实际的使用中利用查表的方法确定剩余电量。
2．5 充放电显示
一般的便携设备的电源系统没有与嵌入式主板进行交互，所以显示只能通过LED灯粗略显示充放电状态。本电源系统由于采用微控制器方案，可以与嵌入式主板实时通讯，上层应用软件很容易将充放电状态显示在便携设备的显示屏上，方便使用者了解电源状态。
充电过程中，便携设备显示屏上用一个市电插头的图标显示现在是市电供电状态，并在设备上用小LED灯来显示充电状态。放电过程中，在显示屏上显示电池图标，以百分数实时显示电池组剩余电量，当剩余电量低于10％时，进行电量提醒。

3 DC／DC电路设计
对于便携设备的电源系统，传统的一步式电源转换很难达到低压大工作电流的要求，嵌入式系统二步转换式电源系统的设计是解决这一问题的一种方法。根据设备各模块所需电源的电压和电流情况，选择了凌特公司(Linear Technology)的LTC1628芯片和LTC3780芯片，实现便携设备内部各模块所需要的3．3 V、5 V和12 V稳压电源。

LTC1628是高性能降压式双开关稳压控制器，可驱动各同步N沟道功率场效应管MOSFET。该控制器以恒定频率电流型工作方式允许调节频率可高达300 kHz。通过两个控制器输出级异相工作，最大限度降低了由输入电容器的等效串联电阻(ESR)引起的功耗和噪声。3．5～30 V(最大为36 V)的宽输入电源电压范围适用于所有类型的电池。控制器的RUN／SS引脚提供了软启动，并实现可选定时的短路停机。
由于12 V的直流输出电压，处于4节锂离子电池串联的正常放电电压范同(11～14．8 V)内部，所以需要选择一款能够实现升降压的电源控制芯片。LTC3780是一款高性能的能降压-升压的开关型稳压器，可在输入电压高于、低于或等于输出电压的条件下工作。恒定频率电流模式架构提供了一个高达400 Hz的可锁相频率，可以在4～30 V宽输入和输出范围内实现不同工作模式间的无缝切换。借助于LTC3780为核心控制芯片，可以无缝切换Buck-Boost开关模式，高效率地升压或降压，具有自动稳定输出电压的作用，使蓄电池外特性有质的飞跃。

4 程序流程图
ATmega16L的主程序流程图和定时器中断例程如图5所示。程序结构采取前后台程序结构，对实时性要求比较高的电压电流的采样、开关控制和串口任务放在定时中断中进行处理，对实时性要求不高的LED控制、剩余电量的计算、串口命令解析等任务放在主程序循环中进行处理。