2020年12月21日 | 基于MSP430F168的双电池供电设计

　　本文介绍了一种使用双电池供电的管理机制，在两块电池一供一备的模式中，有效解决了两块电池同时存在时两者自动切换以及分别进行充电、放电和电量检测的难点。

　　便携式设备中，大都选用重量轻、体积小、功能强的元器件。电源在所有元器件中占据着不可或缺的重要位置。锂离子电池因其体积小、容量大的特点大受市场欢迎，但对于长时间室外作业的时候，一块锂电池供电还是显得力不从心。对于供电保护设计好的设备，单电池电量不足可断开负载并进入休眠、关机等降低电源损耗，这固然保护了电池，但关键时刻设备却不能正常工作，而对于在供电方面保护欠佳的电子产品，更容易造成单电池在使用中过度放电。本文讲述的备用电池方案可大大减少此类困扰。

　　1 总体设计思路

　　系统的硬件主要包括微控制器MSP430F168、供电(即放电)电路、充电电路以及电池电压检测电路三个部分。系统总体框图如图1所示。

　　供电电路由电池A、电池B、选择器1、电压检测器和单片机组成。供电时，单片机控制选择器1与主电池A接通，使主电池A供电而备用电池B挂起。电压检测器内部设置有标识系统正常工作的参考电压，若输入电压高于此参考电压，则电压检测器输出给负载的电压等于输入电压，且此时反馈控制信号不触发选择器;若输入电压低于参考电压，则输出低电平，触发选择器3选择另一电池供电，这样依次循环自动切换电池来供电。充电电路包括电池A、电池B、充电电源(交流适配器或者USB电源设备)、选择器2和单片机。当单片机检测到两正常电池某一个在供电时，将控制选择器2使充电电源接人另一电池充电;当设备中任一电池电压处在低于截止电压2.75V或等于0V电池被摘除的状态时，单片机将控制选择器2使充电电源只对供电电池充电。电压检测电路由电池A、电池B、选择器3、电压采集电路和单片机组成。单片机控制选择器3使电池A、B分时接入电压采集电路，再通过内置的AD转换器，模拟型的电压信号就可变换为数字信号供单片机处理。

　　2 系统硬件设计

　　2.1 MSP430F168微控制器简介

　　MSP430F168微控制器是TI公司推出了一款高性能、超低功耗微控制电路。它拥有48kB+256Bflash存取器和2kB RAM，在1.8～3.6V的低电压范围内便可工作。MSP430F168具有超强的16位RISC处理器，16位的寄存器和常数发生器，能最大限度地提高代码运算效率，具有5种省电模式，内置数字控制振荡器允许在6μs内从低功耗模式唤醒。此外，MSP430F168还提供了16位定时器、12位快速ADC，USART、I2C、DMA等各种常用功能。

　　2.2 供电电路

　　如图2所示，选择器1是由P沟道MOS场效应管VT1和VT2、二极管D1和D6、JK触发器74HC107、电压检测器S-80832以及三端有向导通电路组成。S-80832具有电池切换检测的功能。

　　74HC107是双路下降沿J-K触发器，这里只选用其中一路。在设计中依照电路所需功能，对74HC107外围电路按图1进行搭建，将得到如表1真值表，(注：标“-”为非下降沿的情况，包括高电平、低电平和上升沿状态)S-80832是一种高精度低功耗电压检测器，检测的阈值电压3.2V在内部被固化，采用N沟开漏方式输出。

　　S-80832电压检测器工作方式为：当输入电压Vin大于阈值电压3.2V时，输出电压Vout将等于Vin;当Vin低于阈值电压3.2V时，Vout将等于地电平Vss;如果Vin继续下降到低于最小工作电压Vmin时，输出将不稳定。由于S-80832的Vmin小于1V，在设计电路时，正常工作情况下不会让电池放电至1V以下，所以S-80832输出电压的大小是Vin或者0V。

　　此外，由PMOS管VT3和二极管D2组成的三端有向导通电路实现的功能是：当单片机引脚P2.7作输出用产生低电平时，可置74HC107复位，使系统由电池A供电，而当P2.7做输入用时，读取的是74HC107输出端Q的状态，不造成对74HC107的电平的影响。此电路可实现依照需要控制74HC107复位。

　　供电电路工作原理如下：上电时，MSP430F168通过引脚P1.5控制PMOS管VT8导通，使电源接入负载。引脚P2.7利用其双工通信特点先作输出用，输出低电平使74HC107复位，在触发器输出端Q电平置低后便将P2.7电平拉高。复位时Q为低电平使VT1导通VT2截止，从而实现了备用电池B被挂起而系统只由电池A单独供电。当S-80832输入端电压Vin高于3.2V时，其输出给负载的电压Vout将保持Vin大小不变;当Vin低于3.2V时，则Vout变为低电平，结合74HC107真值表，Vout输出的反馈控制信号产生的下降沿将触发JK触发器，使其输出端Q的电平变高，从而使VT1截止，而VT1的截止会导致VT2导通，这样就启动备用电池B供电。单片机通过查询引脚P2.7电平便可随时知道此时系统由谁供电。

　　2．3 充电电路
　　充电电路主要由电池A、电池B、电源管理芯片LTC4053、PMOS场效应管VT4、VT5、VT9、同或电路U4、二极管D3、交流适配器或USB组成，其中VT4、VT5和同或电路U4构成选择器2。具体电路见图3。

　　LTC4053是一款单节锂离子电池线性充电器。充电电流由引脚PROG与地之间的电阻按公式IBAT=(VPROG／RPROG)×1000来设置。电池充满时，CHRG电平由低变高，引起PMOSFET管VT9漏源极截止，这时单片机可检测到引脚P5．6电平由高变得。图1中LED1亮时表示满足充电条件，允许充电，LED2亮时表示充电出现故障。

　　同或电路U4是由74LS153搭建而成，它是2路4选1数据选择器，这里选取其中一路。此数据选择器的引脚Y为输出端，每次输出1C3～1C0四个引脚中某一个引脚上的电平状态，而具体选定谁则由选择信号B、A来控制。这里将1C3～1C0电平固化，使A、B和Y形成同或逻辑，其功能参见表2。

　　工作原理介绍如下：当单片机P2．7引脚检测出系统是由电池A供电时，74LS153输入引脚A电平为高，单片机将74LS153引脚B电平置高会使Y输出高电平，导致VT4截止，电池A不充电，而VT5的导通会使外部电源对电池B充电。当单片机检测到系统是由电池B供电时，结合表2真值表，同理可实现对电池A充电。此外，通过电池电压检测电路，可以得知任一电池电压是否已到截止电压2．75V或0V的被取掉状态，这时只要依照真值表控制74LS153输入引脚B电平，便可以实现电池单供单充的功能。

　　2．4 电池电压检测电路
　　选择器3由PMOS场效应管VT6、VT7和二极管D4组成。R6和R7构成电阻分压网络，由单片机P6．0引入片内ADC做AD转换。通过P1.6引脚控制PMOSFET的导通与截止，单片机P6．0可分时采集电池A、B的电压信号。

　　需要说明一点，对于两个电池，同样使用了两个单片机引脚来达到电池电压检测的目的，但这里运用分时检测的方法体现的是一种多电源电压检测的思想，同时这样做也节约了单片机的一路ADC，而且也降低了电源在电压采集电路上的功耗。

　　3 系统软件设计
　　设备上电时，先设置由主电池A工作，之后交由检测控制电路自主切换，单片机跟踪切换状态，依据两电池电压合理分配对谁充电。软件设计流程如图5。

　　4 结束语
　　使用双电池向系统供电，有效延长了设备电源的供电时间。设计中，两电池一备一用且可自动切换，充电时针对每块电池不同的状态进行合理的充电设置，电池电量采用分时检测，整个系统为用户提供了一个方便灵活的电源供电方案。