基于MSP430F168的雙電池供電設計 - 全文

　　? 本文介紹了一種使用雙電池供電的管理機制，在兩塊電池一供一備的模式中，有效解決了兩塊電池同時存在時兩者自動切換以及分別進行充電、放電和電量檢測的難點。

　　　便攜式設備中，大都選用重量輕、體積小、功能強的元器件。電源在所有元器件中占據著不可或缺的重要位置。鋰離子電池因其體積小、容量大的特點大受市場歡迎，但對于長時間室外作業的時候，一塊鋰電池供電還是顯得力不從心。對于供電保護設計好的設備，單電池電量不足可斷開負載并進入休眠、關機等降低電源損耗，這固然保護了電池，但關鍵時刻設備卻不能正常工作，而對于在供電方面保護欠佳的電子產品，更容易造成單電池在使用中過度放電。本文講述的備用電池方案可大大減少此類困擾。

　　1 總體設計思路

　　系統的硬件主要包括微控制器 MSP430F168、供電(即放電)電路、充電電路以及電池電壓檢測電路三個部分。系統總體框圖如圖1所示。

　　供電電路由電池A、電池B、選擇器1、電壓檢測器和單片機組成。供電時，單片機控制選擇器1與主電池A接通，使主電池A供電而備用電池B掛起。電壓檢測器內部設置有標識系統正常工作的參考電壓，若輸入電壓高于此參考電壓，則電壓檢測器輸出給負載的電壓等于輸入電壓，且此時反饋控制信號不觸發選擇器;若輸入電壓低于參考電壓，則輸出低電平，觸發選擇器3選擇另一電池供電，這樣依次循環自動切換電池來供電。充電電路包括電池A、電池B、充電電源(交流適配器或者USB電源設備)、選擇器2和單片機。當單片機檢測到兩正常電池某一個在供電時，將控制選擇器2使充電電源接人另一電池充電;當設備中任一電池電壓處在低于截止電壓2.75V或等于0V電池被摘除的狀態時，單片機將控制選擇器2使充電電源只對供電電池充電。電壓檢測電路由電池A、電池B、選擇器3、電壓采集電路和單片機組成。單片機控制選擇器3使電池A、B分時接入電壓采集電路，再通過內置的AD 轉換器，模擬型的電壓信號就可變換為數字信號供單片機處理。

　　2 系統硬件設計

　　2.1 MSP430F168微控制器簡介

　　MSP430F168微控制器是TI公司推出了一款高性能、超低功耗微控制電路。它擁有48kB+256Bflash存取器和2kB RAM，在1.8～3.6V的低電壓范圍內便可工作。MSP430F168具有超強的16位RISC 處理器，16位的寄存器和常數發生器，能最大限度地提高代碼運算效率，具有5種省電模式，內置數字控制振蕩器允許在6μs內從低功耗模式喚醒。此外，MSP430F168還提供了16位定時器、12位快速ADC，USART、I2C、DMA等各種常用功能。

　　2.2 供電電路

　　如圖2所示，選擇器1是由P溝道MOS場效應管VT1和VT2、二極管D1和D6、JK觸發器74HC107、電壓檢測器S-80832以及三端有向導通電路組成。S-80832具有電池切換檢測的功能。

　　74HC107是雙路下降沿J-K觸發器，這里只選用其中一路。在設計中依照電路所需功能，對74HC107外圍電路按圖1進行搭建，將得到如表1真值表，(注：標“-”為非下降沿的情況，包括高電平、低電平和上升沿狀態)S-80832是一種高精度低功耗電壓檢測器，檢測的閾值電壓3.2V在內部被固化，采用N溝開漏方式輸出。

　　S-80832電壓檢測器工作方式為：當輸入電壓Vin大于閾值電壓3.2V時，輸出電壓Vout將等于Vin;當Vin低于閾值電壓3.2V時，Vout將等于地電平Vss;如果Vin繼續下降到低于最小工作電壓Vmin時，輸出將不穩定。由于S-80832的Vmin小于1V，在設計電路時，正常工作情況下不會讓電池放電至1V以下，所以S-80832輸出電壓的大小是Vin或者0V。

　　此外，由PMOS管VT3和二極管D2組成的三端有向導通電路實現的功能是：當單片機引腳P2.7作輸出用產生低電平時，可置74HC107復位，使系統由電池A供電，而當P2.7做輸入用時，讀取的是74HC107輸出端Q的狀態，不造成對74HC107的電平的影響。此電路可實現依照需要控制74HC107復位。

　　供電電路工作原理如下：上電時，MSP430F168通過引腳P1.5控制PMOS管VT8導通，使電源接入負載。引腳P2.7利用其雙工通信特點先作輸出用，輸出低電平使74HC107復位，在觸發器輸出端Q電平置低后便將P2.7電平拉高。復位時Q為低電平使VT1導通VT2截止，從而實現了備用電池B被掛起而系統只由電池A單獨供電。當S-80832輸入端電壓Vin高于3.2V時，其輸出給負載的電壓Vout將保持Vin大小不變;當Vin低于3.2V時，則Vout變為低電平，結合74HC107真值表，Vout輸出的反饋控制信號產生的下降沿將觸發JK觸發器，使其輸出端Q的電平變高，從而使VT1截止，而VT1的截止會導致VT2導通，這樣就啟動備用電池B供電。單片機通過查詢引腳P2.7電平便可隨時知道此時系統由誰供電。

　　2.3 充電電路

　　充電電路主要由電池A、電池B、電源管理芯片LTC4053、PMOS場效應管VT4、VT5、VT9、同或電路U4、二極管D3、交流適配器或USB組成，其中VT4、VT5和同或電路U4構成選擇器2。具體電路見圖3。

　　LTC4053是一款單節鋰離子電池線性充電器。充電電流由引腳PROG與地之間的電阻按公式IBAT=(VPROG/RPROG)×1000來設置。電池充滿時，CHRG電平由低變高，引起PMOSFET管VT9漏源極截止，這時單片機可檢測到引腳P5.6電平由高變得。圖1中LED1亮時表示滿足充電條件，允許充電，LED2亮時表示充電出現故障。

　　同或電路U4是由74LS153搭建而成，它是2路4選1數據選擇器，這里選取其中一路。此數據選擇器的引腳Y為輸出端，每次輸出1C3～1C0四個引腳中某一個引腳上的電平狀態，而具體選定誰則由選擇信號B、A來控制。這里將1C3～1C0電平固化，使A、B和Y形成同或邏輯，其功能參見表2。

　　? 當單片機P2.7引腳檢測出系統是由電池A供電時，74LS153輸入引腳A電平為高，單片機將74LS153引腳B電平置高會使Y輸出高電平，導致VT4截止，電池A不充電，而VT5的導通會使外部電源對電池B充電。當單片機檢測到系統是由電池B供電時，結合表2真值表，同理可實現對電池A充電。此外，通過電池電壓檢測電路，可以得知任一電池電壓是否已到截止電壓2.75V或0V的被取掉狀態，這時只要依照真值表控制74LS153輸入引腳B電平，便可以實現電池單供單充的功能。

　　2.4 電池電壓檢測電路

　　選擇器3由PMOS場效應管VT6、VT7和二極管D4組成。R6和R7構成電阻分壓網絡，由單片機P6.0引入片內ADC做AD轉換。通過P1.6引腳控制PMOSFET的導通與截止，單片機P6.0可分時采集電池A、B的電壓信號。