華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 謝志遠(yuǎn) 劉建寧 吳曉燕 薛玉娟

FTU手持終端電池管理電路的設(shè)計

華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 謝志遠(yuǎn) 劉建寧 吳曉燕 薛玉娟

為了達(dá)到給FTU手持終端提供穩(wěn)定可靠的電源的目的，在不影響體積的情況下，設(shè)計了性能穩(wěn)定、功耗低、體積小的電源管理硬件電路。做了硬件電路調(diào)試、測量方面的實驗，改進(jìn)了電路設(shè)計的方法。獲得保護(hù)電路、充電電路及升壓電路的參數(shù)。實驗數(shù)據(jù)表明，設(shè)計的電路達(dá)到手持終端鋰電池管理電路的要求，并且已經(jīng)應(yīng)用到實際的項目當(dāng)中。

電池管理；手持終端；鋰電池；FTU

1.引言

饋線自動化終端(FTU)是自動化系統(tǒng)與一次設(shè)備聯(lián)結(jié)的接口，主要用于配電系統(tǒng)變壓器、斷路器、重合器、分段器、柱上負(fù)荷開關(guān)等應(yīng)用場合，主要安裝于戶外柱上或環(huán)網(wǎng)柜[1]。它可以與遠(yuǎn)方的配電子站通信，將配電設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)送到配電子站，還可以接受配電子站的控制命令，對配電設(shè)備進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。為了方便工作人員在現(xiàn)場的測量，利用手持終端與FTU無線通信，能夠在現(xiàn)場及時采集相關(guān)數(shù)據(jù)，遙控其操作。

本研究的手持終端，需要一個輸出電壓為5V，最大輸出電流400mA的雙通道電源電路，如何設(shè)計出性能穩(wěn)定、功耗低的電源管理電路為嵌入式手持終端設(shè)備開發(fā)的難點，也是本文電路計的主要目標(biāo)。

2.手持終端供電模塊體系設(shè)計

手持終端采用三星公司ARM11處理器S3C6410，是一種高性能、低功耗的微處理器，完善的外部設(shè)備，同時擁有高達(dá)667MHz的運(yùn)行頻率[2]。處理器之外，還有部分外設(shè)都需要供電。主要外圍器件如圖1所示，主要包括：Flash，DDR內(nèi)存，SD卡，無線模塊，4.3寸TFT觸摸屏，USB接口。

根據(jù)處理器以及外圍部件的電壓需求，電壓列為1.2V，1.8V，3.3V，5V。系統(tǒng)板上除了5V之外都是通過對5V電壓轉(zhuǎn)換芯片得來。因此，穩(wěn)定輸出5V的電源模塊對整個手持終端來說具有重要的意義。

電源硬件管理電路，主要包括四個部分：保護(hù)電路、充電電路、雙通道轉(zhuǎn)換電路和升壓電路。保護(hù)電路是限制外接電輸入的電壓，避免電壓過大損壞設(shè)備。充電電路是當(dāng)接入外接電源時，鋰電池電壓較低，可智能對其充電。雙通道轉(zhuǎn)換電路是切換鋰電池和外接電源的輸入電壓。升壓電路是對鋰電池較低的電壓進(jìn)行處理，達(dá)到系統(tǒng)所需的電壓參數(shù)。

2.1 保護(hù)電路設(shè)計

當(dāng)電壓過大時，很容易造成手持終端的損壞，造成不必要的損失，因此需要設(shè)計一種過壓保護(hù)的電路，如圖2。

保護(hù)電路中P溝道增強(qiáng)型MOS管[3，4]Q4起到電子開關(guān)的作用，當(dāng)Vr6越來越大，MOS管的GSU 電壓達(dá)到某個值時，MOS管關(guān)閉。當(dāng)Vr6越來越小，MOS管開啟，電流導(dǎo)通。當(dāng)5V電壓端口由于誤操作，接一個比較大的電壓時，可能會損壞晶體管和MOS管，TVS管[5]可起到一個過壓保護(hù)的作用，接入電壓過高，TVS管導(dǎo)通，形成一個放電回路，不會影響后面的電路。PNP晶體管的作用是控制Vr6電壓，DZ1是一個穩(wěn)壓管，保證了晶體管導(dǎo)通，接入電壓越來越大，晶體管飽和，Vr6隨著接入電壓增加而變大，直到不滿足MOS管導(dǎo)通的要求，MOS管關(guān)閉，對手持終端起到了過壓保護(hù)的作用。

2.2 充電電路設(shè)計

如今，手持終端越來越受歡迎，電池設(shè)備是關(guān)注的焦點之一。由于鋰電池電池能量密度大，使用時間長，滿足環(huán)保要求，逐漸成為了手持終端的首選電池[6]。電壓過高或者過低都會對電池造成一定損壞，為了使電池長時間的使用而不被損壞，關(guān)鍵在于充電電路的設(shè)計。

選用鋰電池專用充電芯片CN3065，芯片內(nèi)部的功率晶體管對電池進(jìn)行恒流和恒壓充電。充電電流可以用外部電阻編程設(shè)定，最大持續(xù)充電電流可達(dá)500mA，不需要另加阻流二極管和電流檢測電阻。CN3063內(nèi)部集成有8位模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，能夠根據(jù)輸入電壓源的電流輸出能力自動調(diào)整充電電流，不需要考慮最壞情況，可根據(jù)輸入電壓源的最大電流輸出能力設(shè)置充電電流，最大限度地利用了輸入電壓源的電流輸出能力。

如果在CN3063的電池電壓輸入端(FB)和電池正極之間接一個電阻，可以提高電池正極的恒壓充電電壓，如圖3所示：

電池正極電壓為：

其中， VBAT＋的單位是伏特， R12的單位是歐姆。

從ISET管腳連接一個外部電阻到地端可以對充電電流進(jìn)行編程。在預(yù)充電階段，此管腳的電壓被調(diào)制在0.2V；在恒流充電階段，此管腳的電壓被調(diào)制在2V。在充電狀態(tài)的所有模式，此管腳的電壓都可以根據(jù)下面的公式來監(jiān)測充電電流：

2.3 雙通道轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

當(dāng)外接電源和鋰電池電源都可以作為系統(tǒng)的供電來源時，首選的應(yīng)該是外接電源。這就需要判斷電路來進(jìn)行選擇，當(dāng)外接電源電壓為零時，需要判斷電路高速率切換到電池供電，并且保證系統(tǒng)不受影響。如圖4所示。

網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號SW是手持終端手動開關(guān)信號，為低電平時，P溝道MOS管Q3導(dǎo)通，相反則截止。當(dāng)接入外接電源，Change為高電平，R1和R7之間的電壓為高電平，P溝道MOS管Q2截止，而二極管D3底端電壓大于電池電壓，電池電壓通過不了D3，二極管也阻礙了外接電源對電池的影響，從而選擇了外接電源通過P溝道MOS管Q3，給后面的升壓電路提供輸入電源。當(dāng)沒有接入外接電源時，Change為低電平，R1和R7之間的電壓為低電平，P溝道MOS管Q2導(dǎo)通，電池可以通過Q2然后再通過Q3給升壓電路提供輸入電源。使用Q2可以保護(hù)電池不受外接電源的影響，同時，當(dāng)電池為供電電源時，相對二極管，MOS管的壓降很小[7]，增加了電池的使用時間。

2.4 升壓電路的設(shè)計

為了滿足系統(tǒng)對電壓的要求，需要通過升壓電路得到穩(wěn)定輸出5V電壓，并且正常工作下能輸出350MA電流的電源。本方案選擇了MP1542升壓轉(zhuǎn)換器，結(jié)合外圍電路，可輸出最大電流400MA，5V的電源。

如圖5所示，升壓電路的輸入端VIN是雙通道選擇電路的輸出電壓，經(jīng)過升壓電路后，輸出端VOUT穩(wěn)定的輸出5V電壓作為整個系統(tǒng)的供電電源。

MP1542是一種高效率、低紋波、工作頻率高的升壓轉(zhuǎn)換器。工作頻率的模式有700KHz或者是1.3MHz，最低輸入2.5V電壓，最高可輸出22V電壓，并且可編程軟啟動。當(dāng)VIN有輸入電壓時，經(jīng)過C4電容濾波，芯片EN引腳為高電平使其為工作狀態(tài)，內(nèi)部振蕩器起振，引腳SW、FESL、IN可檢測到工作頻率的波形，引腳FB為反饋輸入，參考電壓為VFB=1.25V，輸出電壓和FB引腳電壓之間的關(guān)系為：

升壓電路在電路板上的布局和線寬有很高的要求，電源和地的線寬要求比較粗，而外圍部件的布局要求和MP1542離的近一些。

3.電路的調(diào)試

電路的調(diào)試，是對每一部分的電路進(jìn)行實際測量，經(jīng)過多次實驗，最終得到了穩(wěn)定的輸出電壓。本章介紹保護(hù)電路、充電電路和升壓電路的測試調(diào)試結(jié)果。

3.1 保護(hù)電路的測試

測試結(jié)果如表2-1所示：

表2-1 保護(hù)電路電壓測量

從測試結(jié)果看出，接入電壓越來越大，PNP晶體管達(dá)到飽和，Vr6電壓隨著接入電壓的增加而變大[8]，最終導(dǎo)致Vr6電壓與外接電壓差不滿足MOS管Q4的開啟電壓，MOS管關(guān)閉，沒有輸出電壓，與理論分析基本一致。

3.2 充電電路的測試

充電工程有三種充電模式，涓流充電、恒流充電、恒壓充電[9]，如圖6所示。當(dāng)輸入電壓大于低電壓檢測閾值和電池端電壓時，CN3063開始對電池充電。如果電池電壓輸入端(FB)的電壓低于3V，充電器用小電流對電池進(jìn)行預(yù)充電。當(dāng)電池電壓輸入端(FB)的電壓超過3V時，充電器采用恒流模式對電池充電，充電電流由ISET管腳和GND之間的電阻R14確定。當(dāng)電池電壓輸入端(FB)的電壓接近電池端調(diào)制電壓時，充電電流逐漸減小，CN3063進(jìn)入恒壓充電模式。當(dāng)輸入電壓大于4.45V，并且充電電流減小到充電結(jié)束閾值時，充電周期結(jié)束。

實驗數(shù)據(jù)如下：

表2-2 充電狀態(tài)下測量數(shù)據(jù)

3.3 升壓電路的測試

升壓轉(zhuǎn)換器MP1542對元器件的布局要求較高，在調(diào)試升壓電路部分時，由于布局不夠緊湊[10]，線寬未能達(dá)標(biāo)，對輸出電壓造成了嚴(yán)重的影響，如圖7所示。

輸入為4.0V左右的鋰電池電壓，未接負(fù)載的輸出電壓為4.86V左右，接上負(fù)載后，輸出電壓極不穩(wěn)定，從圖8中可以看出，電壓變化頻率很高，平均電壓也被拉低為3.69V左右。經(jīng)過多次調(diào)試實驗，把外圍器件也依次改變重焊，結(jié)果表明，在PCB電路板中，MP1542外圍器件離芯片較遠(yuǎn)和電源線及地線的線寬較細(xì)時，就會出現(xiàn)以上現(xiàn)象。當(dāng)電容此類元件離芯片較近時，相關(guān)頻率才能穩(wěn)定，芯片才能正常工作。

重新對升壓電路外圍布局后，重新制作PCB電路板，按照原有元件參數(shù)進(jìn)行焊接，接入相同鋰電池電壓。如圖8所示。

未接負(fù)載時，輸出為4.83V的電壓，輸出較穩(wěn)定。接上負(fù)載后，從圖9看出，電壓被拉低為4.52V，并且?guī)缀鯖]有大幅度的毛刺，輸出穩(wěn)定，用電設(shè)備運(yùn)行良好。

4.結(jié)論

鋰電池已經(jīng)廣泛用于各種移動設(shè)備中，而追對于每一款手持終端因配備不同的電源電路。所需要的電壓電流參數(shù)不同，功率也就不同。針對與10KV電氣設(shè)備的手持終端，對其要求進(jìn)行了電源硬件電路的設(shè)計，最終實驗成功，不但應(yīng)用于此手持終端，也對其他相關(guān)移動設(shè)備電源的設(shè)計具有一定的參考價值。

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謝志遠(yuǎn)（1964—），男，博士，華北電力大學(xué)教授，研究方向：配網(wǎng)自動化和電力系統(tǒng)通信。

劉建寧（1987—），男，寧夏石嘴山人，碩士研究生，從事電力系統(tǒng)通信方面的研究。

吳曉燕（1988—），女，安徽安慶人，碩士研究生，從事電力系統(tǒng)通信方面的研究。

薛玉娟（1987—），女，黑龍江牡丹江人，碩士研究生，從事無線通信系統(tǒng)方面的研究。