低成本交直流两用后备电源的设计

1、引言

　　通过本系统，实现了220V交流供电时仪器能够工作，同时通过以单片机为控制器的充电部分给锂电池充电，当220V交流断电时，通过切换部分，使用后备电源锂电池给仪器供电。该切换部分无需人为操作，自动切换；充电部分同样采取了智能化控制，能够完成充满后自动报警自动停止充电功能。整个系统分为三个部分：切换部分、调压部分、充电部分。系统总体结构图如图1所示。

 

　　

图1 系统总体框图

　　系统先将开关电源(5～12V)和锂电池的输出电压分别接到自动切换模块相应输入端，再将自动切换模块输出端接入电压调整模块，最后分别输出5V，12V，24V电压。

　　2、切换部分的设计

　　在便携式产品的设计中，有时需要给系统设计两套电源供电电路：一套是交流供电，在室内时使用；一套是直流供电，在室外时使用。这就需要解决交流和直流电源之间的电源切换问题，这个切换过程应该尽量避免用户干预。

　　采用了P沟道MOSFET管IRF7406作为切换元件，主要原理图如图2所示。

 

　　图2 自动切换部分

　　其原理是当插入交流电源时，PMOSFET的栅极电压高于其源极电压，处于关断状态，从而切断电池的连接，此时由交流电源向仪器供电。当去掉交流电源时，PMOSFET导通，由直流电源向仪器供电。MOSFET的导通电阻依赖于它的栅极偏置。当交流断开时，MOSFET的栅极电压为零，源极为电池电压，MOSFET的导通电阻应该在此偏压下足够低，保证在最大负载电流下能够获得所希望的输出电压，因此，应该尽量选用低阀值的MOSFET开关。这里选用了IRF7406 PMOSFET，该芯片VDSS=-30V，RDS=0.45Ω，非常适合本系统的需求。

　　肖特基二极管D1可防止电池单独供电时电流从电池流入开关电源，因而必不可少。

　　3、调压部分

　　本系统需要5V，12V，24V三种电压输出，而一节Li电池的输出电压为3.6V，所以需要调整电压。本系统选用3片DC-DC变换器MC34163以分别将输出电压升压到5V，12V，24V，MC34163是美国Motorola公司生产的可以升压、降压式DC/DC变换器，与日本Sharp公司生产的IR3M03A性能相当，管脚对应，可以互换使用，其性能如下：

　　(1) 输入电压2.5～40V，输出电压1.25～40V连续可调，功率1.25W，100～100kHz工作频率DIP16封装；

　　(2) 可以实现电压的升压、降压、反转变换，典型效率分别为90％、80％、65％；

　　(3) 有限流功能，输出开关电流可达3.0A，通过扩流可达更大。

　　图3所示中，输入直流电压为25V，电阻R1和R2组成输出电压的反馈网络，反馈电压从电阻R1上取出加到片内比较器的反相输入端。若反馈电压小于片内基准电压地，比较器输出高电平，电路正常工作；反之输出低电平，片内开关管关断，使电路没有输出。

 

　　图3 调压部分原理图

　　输出电压V-out＝Vref(R2/R1+1)＝1.25×(R2/R1+1)，R1＝2.2KΩ，R2根据输出需要计算其值的大小。图3中R4即为Rsc，为峰值电流检测电阻，Rsc的阻值越大，允许的峰值电流越小。如果要扩大电流可外接NPN或PNP型开关晶体管可使输出电流达到3.0A。Rsc最小值由公式给出：Rsc(min)=0.25/Ipk(switch)＝0.25V/3.4A=0.0735Ω。

　　4、智能充电部分

　　这部分也是本系统的核心部分，采用MAX1898- EUB42作为充电控制器件，单片机负责充电控制和提示，完成充满自停功能和报警功能。

　　MAX1898EUB42可对所有化学类型的锂电池进行安全充电。电池调节电压为4.2V，采用10引脚、超薄型uMAX封装，在更小的尺寸内集成了更多的功能，只需要少数外部元件。其基本特点如下：

　　·4.5～12V输入电压范围；

　　·内置检流电阻；

　　·可编程充电电流；

　　·输入电源自动检测；

　　·LED充电状态指示。

　　MAX1898EUB42外接P沟道场效应管，可以对单节锂电池进行安全有效的快充，其最大特点是在不使用电感的情况下仍能做到很低的功率耗散最长充电时间限制为锂电池提供二次保护。MAX1898EUB42内部电路包括：输入调节器、电压检测器、定时器、温度检测器和主控制器。输入电流调节电路用于限制电源的总输入电流，包括系统负载电流与充电电流，当检测输入电流大于设定的限流门限时，通过降低电池充电电流可达到控制输入电流的目的。因为系统工作时电源电流的变化范围较大，如果充电器没有输入电流检测功能，则输入电源必须能够提供最大负载电流与最大充电电流之和，这将使电源的成本增高、体积增大，而利用输入限流功能则能够降低充电器对直流电源的要求，同时也简化了输入电源的设计。

　　(1) 输出

　　MAX1898EUB42通过外接的场效应管提供锂电池的充电接口。

　　(2) 充电时间的选择

　　MAX1898EUB42充电时间的选择是通过外接的电容大小决定的。标准的充电时间为3小时，根据这个标准，可以计算得到外接的电容的容值，如下所示：

　　C[nF]＝34.33×T[hours]

　　(3) 设置充电电流

　　MAX1898EUB42充电电流在限制电流的模式下，可以通过选择外接的电阻阻值大小决定。

　　充电结束条件是充电时间超出片上预置的充电时间。MAX1898EUB42能够自动检测充电电源，没有电源时自动关断以减小电池漏电。启动快充后打开外接的P型场效应管IRF7404，当检测到电池电压达到设定的门限时进入脉冲充电方式，IRF7404打开时间会越来越短，充电结束时，LED指示灯会熄灭。充电周期出现错误时，LED会以1.5Hz频率周期性闪烁。

　　其与单片机连接的原理图如图4所示。

　　图4 智能充电部分的原理图

　　CHG：MAX1898充电状态输出，连接到单片机的外部中断引脚，单片机判断充电完毕后，通过P0.0控制MAX1898的EN/OK脚，可以控制停止充电；其CHG的输出状态如附表。

　　附表 CHG的输出状态

 

 

 

　　另外单片机的P0.1脚可接蜂鸣器用于充满后或者出错时报警。原理是监测MAX1898的输出信号CHG，当MAX1898出错时候，该引脚会发出频率为1.5Hz的脉冲，单片机的INT0引脚接收中断后，产生中断，并使用单片机的T0计数器开始计数，当下一个脉冲到来时，在外部中断程序中判断单片机的计数值是否在0.6s左右，如果是，则通过控制P0.0使得MAX1898的EN/OK引脚置低从而使充电停止，并控制P0.1驱动蜂鸣器报警。

　　具体软件：

　　void time0(void) interrupt 1

　　{

　　if(state==1)

　　{

　　TH0=-5000/256；

　　TL0=-5000%256；

　　TR0=1；

　　count=count+1；

　　}

　　}

　　void int0(void) interrupt0 using1

　　{

　　start=!start；

　　if((count>55)&&(count<65))

　　{EN=0；

　　Beep=1；

　　}

　　else

　　{EN=1；

　　Beep=0；

　　}

　　}

　　5、结束语

　　本系统实现了户外小型仪器的交直流自动切换后备电源的设计，其成本相当低，开发周期短，并实现了多种电压值输出，在实际项目中得到应用。