嵌入式系統(tǒng)中電池電源管理電路設(shè)計與實現(xiàn)

　　針對大部分嵌入式系統(tǒng)的電池電源管理問題，設(shè)計了一種為嵌入式系統(tǒng)——尤其是應(yīng)用在手持式和便攜式設(shè)備的嵌入式系統(tǒng)進行電源管理的單元電路模塊。該電源管理電路以MAX8903為核心，具有輸入范圍寬、體積緊湊、外圍電路簡單、工作效率較高等優(yōu)點，可以在嵌入式系統(tǒng)中用來管理電池充電、電源選擇、電源檢測等，很好地滿足了電源管理單元的功能需求。

　　1 系統(tǒng)簡介

　　電子電路集成工藝的飛速發(fā)展使計算機系統(tǒng)體積不斷縮小，性能不斷地提升，同時移動通信技術(shù)的發(fā)展讓這些計算機系統(tǒng)更加的便攜，許多便攜式計算機開始使用電池供電。高性能運算通常伴隨著高功耗，而電池技術(shù)的嚴(yán)重滯后和人們環(huán)保意識的增加使得性能和功耗之間的問題越發(fā)突出。電源管理技術(shù)的出現(xiàn)緩和了兩者之間的矛盾，通過有效的電源分配降低系統(tǒng)的整體功耗。電源管理技術(shù)在桌上型計算機、服務(wù)器上十分常見，然而在嵌入式領(lǐng)域，由于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)通常是針對特殊的應(yīng)用場合，電源管理技術(shù)發(fā)展相對緩慢。本文以一個完整的嵌入式系統(tǒng)手持終端設(shè)備為例，對系統(tǒng)的電源管理電路進行了設(shè)計，以ARM為控制中心，內(nèi)部包含256 MBDDR內(nèi)存和512 MB NandFlash存儲器，提供異步串口、USB、WiFi、AC97、顯示等電路單元。充電接口包括USB和交流適配器兩種接口，其中交流適配器輸出電壓范圍在5～12 V之間，提供大于1 A的輸出電流。

　　電源部分主要包括：電池檢測電路、電池充電電路、電源智能選擇器、DC-DC轉(zhuǎn)換、電源控制電路等。

　　2 電源管理電路分析

　　2.1 充電管理芯片介紹

　　充電管理芯片選用MAXIM的MAX8903A，基本特性如下：

　?。?）4.15 V～16 V的高效DC-DC輸入范圍，不需要設(shè)計散熱器，有利于設(shè)計體積小的設(shè)備；

　　（2）公用或單獨的USB和適配器輸入，具有高達(dá)2 A（可調(diào)）的電流上限；

　?。?）4 MHz開關(guān)頻率允許使用微小的外部元件；

　?。?）立即導(dǎo)通：在沒有電池或電池過放電時保持工作；

　　（5）50 mΩ集成負(fù)載開關(guān)；

　　（6）高達(dá)16 V的輸入OVP（過壓保護）；

　　（7）熱敏電阻監(jiān)測，熱調(diào)整功能防止過熱；

　?。?）充電定時器；

　?。?）4 mm×4 mm、28引腳TQFN封裝。

　　2.2電源管理電路分析

　　系統(tǒng)接成雙輸入外接電源模式（交流適配器和USB）。連接交流適配器時，芯片通過內(nèi)部高效的DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器，單獨或同時提供系統(tǒng)工作電源和電池充電電源。當(dāng)連接USB外接電源時，充電電流限制小于500 mA，系統(tǒng)負(fù)載電源大于USB供電能力時，不足部分由電池電量提供補充。智能電源選擇器在外接電源和電池之間實現(xiàn)自動切換，保證系統(tǒng)的不間斷供電。外接電源檢測和充電檢測連接CPU的GPIO端口用于系統(tǒng)監(jiān)控電源狀態(tài)。

　　外接電源以交流適配器為主，不推薦使用USB連接，原因是USB供電能力有限，在系統(tǒng)工作狀態(tài)下，完成充電需要相當(dāng)長的時間。

　　電源管理電路框圖如圖1所示。

　　圖1 電源管理電路框圖

　　系統(tǒng)電源管理部分電路原理圖如圖2所示。

　　圖2 電源管理部分電路原理圖

　?。?）充電電流控制

　　充電電流受R8P和R9P控制，充電電流的最大值為1200/R8P，同時充電電流小于6000/R9P，其中6000/R9P直流電源限流設(shè)置。如圖2所示，當(dāng)R8P=1.5 kΩ、R9P=3 kΩ時，直流電源限流為6000/3000=2 A，充電限流1200/1500=0.8 A。如果R8P=1.2 kΩ、R9P=5 kΩ，直流電源限流為6000/5000 =1.2 A，充電限流1200/1200=1 A。

　　本系統(tǒng)選用R8P=1．5 kΩ、R9P=3 kΩ。

　?。?）系統(tǒng)電壓切換

　　當(dāng)DCIN和USB同時接人系統(tǒng)電源輸入時，DCIN輸入優(yōu)先，USB輸人自動關(guān)閉。DCIN同時供給電池充電和MBAT（系統(tǒng)供電電源），電池還可以起到減少MBAT電壓波動的作用。

　　電池充電完成后，充電電路部分關(guān)閉，DCIN供給MBAT系統(tǒng)電源，MBAT電壓穩(wěn)定在4.4 V。

　?。?）充電指示

　　MAX8903管腳DOK是直流電源連接指示輸出，低電平有效，指示燈D2P用于指示直流電源連接狀態(tài)，同時信號連接到CPU的GPIO管腳，用于軟件檢測此狀態(tài)。

　　MAX8903管腳CHG是正在充電指示輸出，低電平有效，指示燈D3P用于指示充電狀態(tài)，同時信號連接到CPU的GPIO管腳，用于軟件檢測充電狀態(tài)。

　　MAX8903管腳FLT是故障指示輸出，低電平有效，指示燈D1P用于指示故障狀態(tài)，如充電超時等。

　?。?）電池溫度保護

　　MAX8903管腳THM到GND連接10 kΩ的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，用于檢測充電過程中電池的溫度變化，當(dāng)電池溫度超過設(shè)定極限溫度時，暫時停止給電池充電，直到電池溫度下降到安全溫度范圍。

　?。?）DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器電感選擇

　　DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器采用開關(guān)頻率值為4 MHz的控制架構(gòu)，通過調(diào)整占空比實現(xiàn)降壓轉(zhuǎn)換。推薦的電感選擇如表1。

　　表1 DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器電感推薦值

　　本系統(tǒng)充電電流在不到1 A附近，輸入電壓在12V左右，選擇電感2.2μH。

　　（6）PCB布局

　　PCB布局（局部）如圖3所示。

　　圖3 PCB布局（局部）

　　系統(tǒng)電路PCB布局為十層板設(shè)計，圖中只顯示頂層PCB布線。PCB布局原則：大電流部分采用短而寬的布線連接；裸焊盤采用多個過孔連接散熱地，以利于散熱；電流設(shè)置電阻直接接地，減少電流偏差；減小功率電流對穩(wěn)壓部分的影響等。

　　3 性能測試數(shù)據(jù)

　　電源管理電路主要指標(biāo)：充電效率、輸出工作電壓、充電電流等，電路測試連接如圖4所示。

　　圖4 電源管理電路測試連接圖

　　3.1 外接電源電壓固定

　　外接電源電壓固定時，充電電流和電池電壓的數(shù)據(jù)關(guān)系測試數(shù)據(jù)如表3。圖5為測試數(shù)據(jù)關(guān)系示意圖。

　　表3 外接電源電壓固定時的測試數(shù)據(jù)

　　圖5 外接電源電壓固定時。充電電流和電池電壓的關(guān)系

　　3.2外接電源電壓變化

　　外接電源電壓的變化對應(yīng)于固定工作電流，其輸入電流和電源轉(zhuǎn)換效率的測試數(shù)據(jù)見表4。圖6為測試數(shù)據(jù)關(guān)系示意圖。

　　表4 外接電源電壓變化時的測試數(shù)據(jù)

　　圖6 外接電源電壓變化時的輸入電流和

　　以上測試數(shù)據(jù)反映系統(tǒng)正常工作需要的外接電源需求。

　　4 結(jié)論

　　在嵌入式系統(tǒng)中，電源管理單元是系統(tǒng)必需的重要組成部分。在本系統(tǒng)中，以MAX8903為核心的電源管理電路單元以其輸入范圍寬、體積緊湊、外圍電路簡單、工作效率較高等優(yōu)勢，很好地實現(xiàn)了電源管理單元的功能需求。