低成本交直流兩用后備電源的設(shè)計(jì)

1、引言

　　通過本系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了220V交流供電時(shí)儀器能夠工作，同時(shí)通過以單片機(jī)為控制器的充電部分給鋰電池充電，當(dāng)220V交流斷電時(shí)，通過切換部分，使用后備電源鋰電池給儀器供電。該切換部分無(wú)需人為操作，自動(dòng)切換；充電部分同樣采取了智能化控制，能夠完成充滿后自動(dòng)報(bào)警自動(dòng)停止充電功能。整個(gè)系統(tǒng)分為三個(gè)部分：切換部分、調(diào)壓部分、充電部分。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

　　系統(tǒng)先將開關(guān)電源(5～12V)和鋰電池的輸出電壓分別接到自動(dòng)切換模塊相應(yīng)輸入端，再將自動(dòng)切換模塊輸出端接入電壓調(diào)整模塊，最后分別輸出5V，12V，24V電壓。

　　2、切換部分的設(shè)計(jì)

　　在便攜式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，有時(shí)需要給系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩套電源供電電路：一套是交流供電，在室內(nèi)時(shí)使用；一套是直流供電，在室外時(shí)使用。這就需要解決交流和直流電源之間的電源切換問題，這個(gè)切換過程應(yīng)該盡量避免用戶干預(yù)。

　　采用了P溝道MOSFET管IRF7406作為切換元件，主要原理圖如圖2所示。

　　圖2 自動(dòng)切換部分

　　其原理是當(dāng)插入交流電源時(shí)，PMOSFET的柵極電壓高于其源極電壓，處于關(guān)斷狀態(tài)，從而切斷電池的連接，此時(shí)由交流電源向儀器供電。當(dāng)去掉交流電源時(shí)，PMOSFET導(dǎo)通，由直流電源向儀器供電。MOSFET的導(dǎo)通電阻依賴于它的柵極偏置。當(dāng)交流斷開時(shí)，MOSFET的柵極電壓為零，源極為電池電壓，MOSFET的導(dǎo)通電阻應(yīng)該在此偏壓下足夠低，保證在最大負(fù)載電流下能夠獲得所希望的輸出電壓，因此，應(yīng)該盡量選用低閥值的MOSFET開關(guān)。這里選用了IRF7406 PMOSFET，該芯片VDSS=-30V，RDS=0.45Ω，非常適合本系統(tǒng)的需求。

　　肖特基二極管D1可防止電池單獨(dú)供電時(shí)電流從電池流入開關(guān)電源，因而必不可少。

　　3、調(diào)壓部分

　　本系統(tǒng)需要5V，12V，24V三種電壓輸出，而一節(jié)Li電池的輸出電壓為3.6V，所以需要調(diào)整電壓。本系統(tǒng)選用3片DC-DC變換器MC34163以分別將輸出電壓升壓到5V，12V，24V，MC34163是美國(guó)Motorola公司生產(chǎn)的可以升壓、降壓式DC/DC變換器，與日本Sharp公司生產(chǎn)的IR3M03A性能相當(dāng)，管腳對(duì)應(yīng)，可以互換使用，其性能如下：

　　(1) 輸入電壓2.5～40V，輸出電壓1.25～40V連續(xù)可調(diào)，功率1.25W，100～100kHz工作頻率DIP16封裝；

　　(2) 可以實(shí)現(xiàn)電壓的升壓、降壓、反轉(zhuǎn)變換，典型效率分別為90％、80％、65％；

　　(3) 有限流功能，輸出開關(guān)電流可達(dá)3.0A，通過擴(kuò)流可達(dá)更大。

　　圖3所示中，輸入直流電壓為25V，電阻R1和R2組成輸出電壓的反饋網(wǎng)絡(luò)，反饋電壓從電阻R1上取出加到片內(nèi)比較器的反相輸入端。若反饋電壓小于片內(nèi)基準(zhǔn)電壓地，比較器輸出高電平，電路正常工作；反之輸出低電平，片內(nèi)開關(guān)管關(guān)斷，使電路沒有輸出。

　　圖3 調(diào)壓部分原理圖

　　輸出電壓V-out＝Vref(R2/R1+1)＝1.25×(R2/R1+1)，R1＝2.2KΩ，R2根據(jù)輸出需要計(jì)算其值的大小。圖3中R4即為Rsc，為峰值電流檢測(cè)電阻，Rsc的阻值越大，允許的峰值電流越小。如果要擴(kuò)大電流可外接NPN或PNP型開關(guān)晶體管可使輸出電流達(dá)到3.0A。Rsc最小值由公式給出：Rsc(min)=0.25/Ipk(switch)＝0.25V/3.4A=0.0735Ω。

　　4、智能充電部分

　　這部分也是本系統(tǒng)的核心部分，采用MAX1898- EUB42作為充電控制器件，單片機(jī)負(fù)責(zé)充電控制和提示，完成充滿自停功能和報(bào)警功能。

　　MAX1898EUB42可對(duì)所有化學(xué)類型的鋰電池進(jìn)行安全充電。電池調(diào)節(jié)電壓為4.2V，采用10引腳、超薄型uMAX封裝，在更小的尺寸內(nèi)集成了更多的功能，只需要少數(shù)外部元件。其基本特點(diǎn)如下：

　　·4.5～12V輸入電壓范圍；

　　·內(nèi)置檢流電阻；

　　·可編程充電電流；

　　·輸入電源自動(dòng)檢測(cè)；

　　·LED充電狀態(tài)指示。

　　MAX1898EUB42外接P溝道場(chǎng)效應(yīng)管，可以對(duì)單節(jié)鋰電池進(jìn)行安全有效的快充，其最大特點(diǎn)是在不使用電感的情況下仍能做到很低的功率耗散最長(zhǎng)充電時(shí)間限制為鋰電池提供二次保護(hù)。MAX1898EUB42內(nèi)部電路包括：輸入調(diào)節(jié)器、電壓檢測(cè)器、定時(shí)器、溫度檢測(cè)器和主控制器。輸入電流調(diào)節(jié)電路用于限制電源的總輸入電流，包括系統(tǒng)負(fù)載電流與充電電流，當(dāng)檢測(cè)輸入電流大于設(shè)定的限流門限時(shí)，通過降低電池充電電流可達(dá)到控制輸入電流的目的。因?yàn)橄到y(tǒng)工作時(shí)電源電流的變化范圍較大，如果充電器沒有輸入電流檢測(cè)功能，則輸入電源必須能夠提供最大負(fù)載電流與最大充電電流之和，這將使電源的成本增高、體積增大，而利用輸入限流功能則能夠降低充電器對(duì)直流電源的要求，同時(shí)也簡(jiǎn)化了輸入電源的設(shè)計(jì)。

　　(1) 輸出

　　MAX1898EUB42通過外接的場(chǎng)效應(yīng)管提供鋰電池的充電接口。

　　(2) 充電時(shí)間的選擇

　　MAX1898EUB42充電時(shí)間的選擇是通過外接的電容大小決定的。標(biāo)準(zhǔn)的充電時(shí)間為3小時(shí)，根據(jù)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，可以計(jì)算得到外接的電容的容值，如下所示：

　　C[nF]＝34.33×T[hours]

　　(3) 設(shè)置充電電流

　　MAX1898EUB42充電電流在限制電流的模式下，可以通過選擇外接的電阻阻值大小決定。

　　充電結(jié)束條件是充電時(shí)間超出片上預(yù)置的充電時(shí)間。MAX1898EUB42能夠自動(dòng)檢測(cè)充電電源，沒有電源時(shí)自動(dòng)關(guān)斷以減小電池漏電。啟動(dòng)快充后打開外接的P型場(chǎng)效應(yīng)管IRF7404，當(dāng)檢測(cè)到電池電壓達(dá)到設(shè)定的門限時(shí)進(jìn)入脈沖充電方式，IRF7404打開時(shí)間會(huì)越來(lái)越短，充電結(jié)束時(shí)，LED指示燈會(huì)熄滅。充電周期出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，LED會(huì)以1.5Hz頻率周期性閃爍。

　　其與單片機(jī)連接的原理圖如圖4所示。

　　圖4 智能充電部分的原理圖