单片机的智能电源管理系统(2)

个系统时钟周期。C8051Fxxx系列MCU在与标准8051相比，在CPU内核的内部和外部有几项关键性的改进提高了整体性能，更易于在最终应用中使用。扩展的中断系统向CIP-51提供22（C8051F3xx为12）个中断源（标准8051只有7个中断源），允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。一个中断驱动的系统需要较少的MCU干预，却有更高的执行效率。在设计一个多任务实时系统时，这些增加的中断源是非常有用的。MCU可有多达7个复位源：一个片内VDD监视器、一个看门狗定时器、一个时钟丢失检测器、一个由比较器0提供的电压检测器、一个强制软件复位、CNVSTR引脚及/RST引脚。/RST引脚是双向的，可接受外部复位或将内部产生的上电复位信号输出到/RST引脚。除了VDD监视器和复位输入引脚以外，每个复位源都可以由用户用软件禁止。MCU内部有一个能独立工作的时钟发生器，在复位后被默认为系统时钟。如有需要，时钟源可以在运行时切换到外部振荡器。外部振荡器可以使用晶体、陶瓷谐振器、电容、RC或外部时钟源产生系统时钟。这种时钟切换功能在低功耗系统中是非常有用的，它允许MCU从一个低频率（节电）外部晶体源运行，当需要时再周期性地切换到高速（可达16MHz的内部振荡器。是完全集成的高速高集成度具有独立工作的片上系统的混合信号系统级芯片[5]，特别适用于电池供电的场合及便携式设备中，其特点如下：

1、低功耗：在2.7V电压32KHz条件下工作电流仅为20uA，这时单片机所有外设模块都可使用，关闭flash更可使功耗降低至10uA，正在达到了微安级。25M的高速功耗也仅10mA。

2、硬件资源丰富：在F02X系列单片机内集成了片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器、64KBFlash、4KBRAM、2个串行通信总线、5个16位定时器、可编程计数器阵列（PCA）、8个12位ADC带PGA和模拟多路开关、2个可编程12位DAC、32个I/O口。

3、先进的非侵入式在系统调试技术：所有信号都支持JTAG标准测试接口，方便进行片上在线仿真，固化flash存储器内的程序易于在线升级和调试。

4、专用IDE集成开发环境，提供全系列单片机配置向导，方便用户使用汇编和C语言编程。综上所述，C8051F02X系列单片机具有极低的功耗、强大的处理能力、丰富的片上资源、高效的开发环境。

第3章 电源管理系统的工作原理与硬件结构设计 本文所述的电源管理系统采用混合信号设计技术，以单片机为核心的数字电路对电源进行动态管理，以模拟电路实现对电路的控制驱动及电源电压的转换和监测。电源管理系统由单片机、电能状态检测电路、电源输入输出控制电路、键盘与LCD显示模块和远程通讯模块等构成，结构如图3-1所示。

图3-1 电源管理模块结构图

3.1电池充电特性

对于不同化学特性的电池（锂电池、镍氢电池、镍镉电池），充电方式各不相同。然而，大多数电池的充电过程都可以归纳为以下三个阶段，

示意图如图3.1-1所示。

涓流充电阶段；

定流充电阶段；

定压低电流充电阶段以及充电终止。

电池充电过程是将电能经过转化以后存储到电池内。电池的充电电流由电池的额定容量所决定，单位为‘C’。例如，一块容量为1000mAh的电池，如果充电电流为1000mA的话，则可以说电池以1C（1倍于电池容量）进行充电。通常所说的涓流充电，一般是指电池以1/50C，甚至更低的电流进行充电。快速充电，一般不使用涓流充电方式。充电器在对电池进行充电时，一般使用涓流和恒流（容积）充电两种方式。自发热通常是导致充电过早结束的主要原因，因此充电的初始阶段采用涓流充电，以最大程度上控制电池的自发热。在到达电池的大部分能量已经恢复的中间阶段时，采用容积充电。一般采用测量充电电压和充电电流来判断充电过程是否结束，具体方法与电池的化学特性有关。例如，大多数锂电池充电器将充电电压设定为恒值，用检测充电的最小电流的方法来判断充电是否结束，而镍镉电池需要根据电压及温度的变化来判断充电是否结束。对电池充电时，绝大部分的电能都被转化为化学能存储起来，然而转换效率却不可能达到100％。未被转化为化学能的电能被转化为热能，致使电池温度上升。当电池接近充满状态时，几乎所有的电能都被转化为热能，造成电池的温度上升，在这种情况下，如果没有及时终止充电，将会损坏电池甚至彻底毁坏电池。快速充电（两小时内将电池充满）通常使用大电流进行充电，以尽量缩短充电时间。此时，对电池温度的检测就显得极其重要，特别是锂电池，如果过充可能导致爆炸。因此，在整个充电期间都应该检测电池温度。一旦检测到温度超限，应该立即终止充电。

相对于别的电池，由于锂电池较高的能量／体积比以及能量／重量

比，已成为大多数便携式系统设计的首选（本文后续介绍都以以锂电池为例）。多数锂电池充电器在充电结束阶段采用充电电流极小的递减充电方式。锂电池充电示意图如图3-2所示

图3-2 锂电池充电阶段示意图

3.2补偿转换器工作特性

图3-3所举例子为补偿转换器示意图。通过单片机的片上8位PWM（脉宽调制）的PCA输出控制旁路开关。开关闭合时，电流流向如图

3.2-1A所示，输入的电流对电容和电感充电。

开关打开时如图3.2-1B所示，电感的特性会保持流过自身的电流不会突变。电流随即会流过续流二极管，同时继续对电容充电。以上两个阶段进行循环。总体说来，如果PWM控制信号中占空比减少的话，平均电压会下降，反之亦然。因此，通过控制占空比的大小，可调节电压和电流的大小。

A

B

图3-3 补偿转换器示意图

3.3补偿转换器电感的确定

由于在占空比为50％状态下，转换器工作效率最高，因此在计算补偿转换器的电感时设定PWM输出信号在该状态。

占空比计算公式如公式3-4所示，T为PWM周期（设定T = 10.5μs）。

占空比 ＝ ton/T 公式3-4

选择上述设定50％的PWM占空比，电感的计算公式如公式3-5所

示T ton L

L (Vi Vsat Vo)ton

2Iomax 公式3-5 PWM周期↓ → ton↓ → 电感量L↓。设定单片机采用8位的

PWM模式，使用24.5MHZ时钟，进行256分频后可以产生95.7kHZ的

开关频率。充电电压Vi为15V；饱和电压Vsat为0.5V；输出电压Vo为

4.2V；最大输出电流IOMAX为1500mA，由公式3-5可计算出电感约为18μH。电路中的电容的作用用来减少电压波纹，效果与电容的大小成正比。

3.4电压与电流检测

AIN0.0和AIN0.1与单片机的AD口相连。电池电压经R5和R8分压后送单片机AD端检测。R5与R8的分压比应根据电池电压的不同来选择，使得AIN0.1端的电压最高不能高于单片机AD采样的参考电压。电流的测量采用分压电阻网络的方法。R1为阻值为1欧的功率电阻，其两端的电压差即为充电电流。设定R1左端电压为V0，右端电压为V1。则充电电流I由如下公式3-6确定。

I V0 V1 R 1 VAIN0.0 R4 R7R R8 VAIN0.1 5R7R8 R 1

假设R4-R7电阻的精度为ε，则最大的测量电流如公式3-7所示。

I VAIN0.0 R4(1 ) R7(1 )R(1 ) R8(1 ) VAIN0.1 5

R7(1 )R8(1 )

R1

经计算，测量电流的误差与电阻精度ε相当，对于电池电流的测量采用ε＝1％的电阻已足够。如需更加精确地测量电压、电流，可使用插值算法。由于测量电阻两端的分压网络无非线性器件，因此可认为电压、电流呈线性特性。如公式3-8所示。

I k V b

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