低成本交直流兩用后備電源的設計

1、引言

　　通過本系統(tǒng)，實現(xiàn)了220V交流供電時儀器能夠工作，同時通過以單片機為控制器的充電部分給鋰電池充電，當220V交流斷電時，通過切換部分，使用后備電源鋰電池給儀器供電。該切換部分無需人為操作，自動切換；充電部分同樣采取了智能化控制，能夠完成充滿后自動報警自動停止充電功能。整個系統(tǒng)分為三個部分：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)先將開關電源(5～12V)和鋰電池的輸出電壓分別接到自動切換模塊相應輸入端，再將自動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、切換部分的設計

　　在便攜式產(chǎn)品的設計中，有時需要給系統(tǒng)設計兩套電源供電電路：一套是交流供電，在室內(nèi)時使用；一套是直流供電，在室外時使用。這就需要解決交流和直流電源之間的電源切換問題，這個切換過程應該盡量避免用戶干預。

　　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 自動切換部分

　　其原理是當插入交流電源時，PMOSFET的柵極電壓高于其源極電壓，處于關斷狀態(tài)，從而切斷電池的連接，此時由交流電源向儀器供電。當去掉交流電源時，PMOSFET導通，由直流電源向儀器供電。MOSFET的導通電阻依賴于它的柵極偏置。當交流斷開時，MOSFET的柵極電壓為零，源極為電池電壓，MOSFET的導通電阻應該在此偏壓下足夠低，保證在最大負載電流下能夠獲得所希望的輸出電壓，因此，應該盡量選用低閥值的MOSFET開關。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可防止電池單獨供電時電流從電池流入開關電源，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，管腳對應，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，輸出開關電流可達3.0A，通過擴流可達更大。

　　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，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)開關管關斷，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)輸出需要計算其值的大小。圖3中R4即為Rsc，為峰值電流檢測電阻，Rsc的阻值越大，允許的峰值電流越小。如果要擴大電流可外接NPN或PNP型開關晶體管可使輸出電流達到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，單片機負責充電控制和提示，完成充滿自停功能和報警功能。

　　MAX1898EUB42可對所有化學類型的鋰電池進行安全充電。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；

　　·輸入電源自動檢測；

　　·LED充電狀態(tài)指示。

　　MAX1898EUB42外接P溝道場效應管，可以對單節(jié)鋰電池進行安全有效的快充，其最大特點是在不使用電感的情況下仍能做到很低的功率耗散最長充電時間限制為鋰電池提供二次保護。MAX1898EUB42內(nèi)部電路包括：輸入調(diào)節(jié)器、電壓檢測器、定時器、溫度檢測器和主控制器。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)負載電流與充電電流，當檢測輸入電流大于設定的限流門限時，通過降低電池充電電流可達到控制輸入電流的目的。因為系統(tǒng)工作時電源電流的變化范圍較大，如果充電器沒有輸入電流檢測功能，則輸入電源必須能夠提供最大負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直流電源的要求，同時也簡化了輸入電源的設計。

　　(1) 輸出

　　MAX1898EUB42通過外接的場效應管提供鋰電池的充電接口。

　　(2) 充電時間的選擇

　　MAX1898EUB42充電時間的選擇是通過外接的電容大小決定的。標準的充電時間為3小時，根據(jù)這個標準，可以計算得到外接的電容的容值，如下所示：

　　C[nF]＝34.33×T[hours]

　　(3) 設置充電電流

　　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)束條件是充電時間超出片上預置的充電時間。MAX1898EUB42能夠自動檢測充電電源，沒有電源時自動關斷以減小電池漏電。啟動快充后打開外接的P型場效應管IRF7404，當檢測到電池電壓達到設定的門限時進入脈沖充電方式，IRF7404打開時間會越來越短，充電結(jié)束時，LED指示燈會熄滅。充電周期出現(xiàn)錯誤時，LED會以1.5Hz頻率周期性閃爍。

　　其與單片機連接的原理圖如圖4所示。

　　圖4 智能充電部分的原理圖