野外测试仪可充电电池管理系统硬件设计

张佐东，王艺瑾，李芷薇，李巧艺

（重庆第二师范学院数学与信息工程学院，重庆，400065）

1　系统设计

1.1　整体设计

该系统主要包括以下5个部分： （1）AC适配器：采用市售通用20V/90W AC适配器。（2）充电电路：采用TI的BQ24735芯片和必要的外围电路构成，可对4节10AH串联锂电池充电（最大充电电流为8A），可以自动选择AC适配器或电池进行系统供电，充电管理可通过单片机进行控制。（3）转换电路：采用TI的TPS40132将系统供电转换成稳定的5V电压、10A电流输出或者双路5V电压输出，每路电流5A。（4）锂电池组：采用4节10AH锂电池串联，内部包含过充、过放、过流及过热保护电路。（5）状态指示及电量显示：采用Atmel ATmega32单片机进行控制。可以对充电、充满、保护等状态进行指示。通过I2C总线控制充电管理芯片，对电池电压进行检测来获取电量信息，然后通过两位LED数码管进行电量显示。

图1　系统设计原理框图

1.2　硬件设计

1.2.1充电电路

采用TI的BQ24735芯片和必要的外围电路构成，可对4节10AH串联锂电池充电（最大充电电流为8A），可以自动选择AC适配器或电池进行系统供电，充电管理可通过单片机进行控制。

BQ24735是TI公司推出的一款高效率同步电池充电芯片，主要应用于空间有限的便携设备中，具有过载电压保护、过流保护、电池、感应器和MOSFET短路保护的增强型安全特性。当系统供电需求暂时高于适配器最大供电水平的时候，BQ24735使用智能加速技术来允许电池向系统中释放能量，以此来保护适配器不被损坏。另外，BQ24735可以使用内部输入电流寄存器或者外部ILIM引脚来减缓PWM调制速度，从而减小充电电流。芯片典型应用电路如图2所示。

1.2.2转换电路

采用TI的TPS40132芯片将系统供电转换成稳定的5V电压、10A电流输出或者双路5V电压、每路5A电流输出。

TPS40132是一款双通道多相控制器，主要用于互联网服务器、电信设备、直流电源分布式系统等。该芯片具有如下特性：支持5V DC输出；可通过电阻分压器设置输出过压阈值；支持电阻或电感DCR电流检测；可提供6位数字控制；

图2　BQ24735典型应用电路

图3　TPS40132简单应用电路

1.2.3控制器

使用Atmel ATmega32单片机作为控制器，通过I2C总线控制充电管理芯片。

ATmega32单片机是一种基于增强RISC结构的、低功耗的8位单片机。其特性为：具有32K字节的可编程 Flash、2K字节的SRAM数据存储器和1024个字节的可编程EEPROM数据存储器；包含JTAG、SPI、USART接口；拥有两个分别独立、可设置预分频器的8位定时器/计数器及一个16位定时器/计数器；具有四个通道的PWM输出、8路10位ADC和32个可编程I/O接口；低功耗、最高工作频率为16MHz。

1.2.4状态指示及电量显示

采用Atmel ATmega32单片机进行控制。可以对充电、充满、保护等状态进行指示。通过I2C总线控制充电管理芯片，对电池电压进行检测来获取电量信息，然后通过两位LED数码管进行电量显示。

开机时，用户打开电源开关，LED数码管显示ON，随后显示数字（即电池电量，显示范围为00-99，单位为%），同时5V OK、电源、输出3个绿色指示灯亮起，说明此时由电池供电，且电池工作正常，5V输出正常。如果电池电压过低，则红色告警指示灯亮起，5V输出断开，此时需要接入充电器才能正常工作。

图4　ATmega32单片机结构

进行充电时，插入充电器后，充电指示灯亮起，说明电池正在充电，同时充电器提供对5V输出的供电。电池充满后，充满指示灯亮起，同时充电指示灯熄灭，系统自动停止对电池充电，充电器还将继续提供对5V输出的供电。

保护状态分为以下几种情况：当电池供电时，如果电量低，则告警指示灯亮起，5V输出断开。在插入充电器后，系统恢复正常。当电池供电时，如果电池温度过高，则告警指示灯亮起，5V输出断开。在电池温度正常后，系统恢复正常。当电池充电时，如果电池温度过高，则告警指示灯亮起，系统停止充电，5V输出由充电器提供。在电池温度正常后，系统再次恢复充电。

2　结语

根据野外测试仪器应用的实际需求和可充电电池方便、简洁、安全、高效的使用要求，本文设计了一种应用于野外测试仪器的可充电电池管理系统，该系统具有充放电状态自动切换、过充过放保护、最大充电电流限制、温度保护等功能，并且可进行剩余容量估计。经试验测试，该系统负载调整率为0.52%，10A电流输出时的转换效率为95%，达到了预期技术要求，仪器工作期间，系统安全稳定运行，具有良好的实际应用效果。