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" title="電源">電源鋰電池給儀器供電,。該切換部分無需人為操作，自動(dòng)切換" title="自動(dòng)切換">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" title="直流">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" title="負(fù)載電流">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,；
·LED充電狀態(tài)指示。
MAX1898EUB42外接P溝道場效應(yīng)管" title="場效應(yīng)管">場效應(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,、電壓檢測器、定時(shí)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(fù)載電流與充電電流，當(dāng)檢測輸入電流大于設(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)也簡化了輸入電源的設(shè)計(jì)。
(1) 輸出
MAX1898EUB42通過外接的場效應(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型場效應(yīng)管IRF7404,，當(dāng)檢測到電池電壓達(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
CHG：MAX1898充電狀態(tài)輸出,，連接到單片機(jī)的外部中斷引腳,，單片機(jī)判斷充電完畢后，通過P0.0控制MAX1898的EN/OK腳,，可以控制停止充電,；其CHG的輸出狀態(tài)如附表。
附表 CHG的輸出狀態(tài)
另外單片機(jī)的P0.1腳可接蜂鳴器用于充滿后或者出錯(cuò)時(shí)報(bào)警,。原理是監(jiān)測MAX1898的輸出信號(hào)CHG,，當(dāng)MAX1898出錯(cuò)時(shí)候,，該引腳會(huì)發(fā)出頻率為1.5Hz的脈沖，單片機(jī)的INT0引腳接收中斷后,，產(chǎn)生中斷,，并使用單片機(jī)的T0計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，當(dāng)下一個(gè)脈沖到來時(shí),，在外部中斷程序中判斷單片機(jī)的計(jì)數(shù)值是否在0.6s左右,，如果是，則通過控制P0.0使得MAX1898的EN/OK引腳置低從而使充電停止,，并控制P0.1驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警,。
具體軟件：
void time0(void) interrupt 1
{
if(state==1)
{
TH0=-5000/256；
TL0=-5000%256,；
TR0=1,；
count=count+1；
}
}
void int0(void) interrupt0 using1
{
start=!start,；
if((count>55)&&(count<65))
{EN=0,；
Beep=1；
}
else
{EN=1,；
Beep=0,；
}
}
5、結(jié)束語
本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了戶外小型儀器的交直流自動(dòng)切換后備電源的設(shè)計(jì),，其成本相當(dāng)?shù)?，開發(fā)周期短，并實(shí)現(xiàn)了多種電壓值輸出,，在實(shí)際項(xiàng)目中得到應(yīng)用,。