基于msp430电池供电系统的电源管理设计

基于基于 MSP430 便携式仪表系统的电源管理设计便携式仪表系统的电源管理设计 关键字：MSP430F149, 比较器 A，超级电容，电源管理 1 引言引言 随着仪器仪表技术的迅猛发展，它们的体积越来越小，可便携的能力也越 来越强。用于现场测量的仪器仪表很多都采用电池供电。有的采用干电池供电， 有的采用可充电的锂电池供电。在电池欠压，或更换电池时，要有相应的电源 管理机制告知处理器进行欠压报警，或掉电保护。而以往的电源管理机制的缺 点是电源管理电路复杂，功耗过大。即增加成本，又不利于降低整机功耗。 仪器仪表系统几乎都是要求低功耗的。美国德州仪器生产的 MSP430 系列 的单片机因其丰富的片上资源，极低的功耗，使得它在便携式电池供电仪器仪 表等测量系统上得到广泛的应用。本设计利用 MSP430F149 片上集成的比较器 A，和法拉电容来实现电池供电系统的电源管理。 2 MSP430F149 介绍介绍 MSP430F149是TI公司生产的一款超低功耗单片机，能够在1.8V3.6V电压， 1MHZ的时钟条件下运行，具有5种节电模式，耗电流为0.1uA400uA，能够在 数据检测时充分节电，满足电池供 电下的节能要求；具有强大的处理 能力 （RISC结构，8MHZ晶体， 驱动指令周期125ns）和丰富的片 内外设（60KB+256B Flash,2KB RAM,12位A/D转换，2个串口/SPI接口，48个I/O口，模拟比较器A等） 。 MSP430F11X1、MSP430F12XX、MSP430F13141516X、MSP430F4XX都 含有比较器A(Comparator_A)，它是为精确地比较测量而设计的，如电池电压监 测、产生外部模拟信号、测量电流、电容和电阻，结合其他模块还可实现精确 的AD模数转换功能。比较器A是工业仪表、手持式仪表等产品设计中的理想选 择。 3 电源管理系统硬件设计电源管理系统硬件设计 整个电源管理系统电路包括16位的单片机MSP430F149、稳压电源模块 （TPS76933） 、电池电压处理模块、超级电容电路模块、单片机复位电路模块、 晶体振荡器电路模块（32768HZ钟表晶振） 。系统框图如图1。 3.1 电池电压处理模块设计电池电压处理模块设计 比较器A有两个模拟输入端CA0和CA1。比较器A主要功能是指出两个输入 电压CA0和CA1的大小关系，然后设置输出信号CAOUT的值。如果CA0CAl， 则CAOUT = 1；否则CAOUT = 0。参与比较的两个电压CA0和CA1可以是外部或者内部基准电压。任何组合都 是可能。本设计中，CA0用外部基准电压，CA1用内部基准电压。 系统采用3节5号干电池供电，3节电池通过分压电阻连接到430内部比较器 的CA0端。比较器的CA1端连接到430内部的参考电压发生器上。参考电压发生 器能够产生0.5Vcc（Vcc为MSP430F149的供电电压，值为3.3V）和0.25Vcc两种 基准电压。当0.5Vcc CA00.25Vcc时，认为电池欠压，当CA00.25Vcc时，认 为系统掉电。 点电压计算公式Va Vbat RRinR RinR Va 1/2 /2 其中，表示模拟比较器CA0端的输入电阻；表示、两个电RinRinR /22RRin 阻并联；表示电池电压；表示CA0点电压。VbatVa 因为是采用兆级电阻分压，不可以忽略。兆级电阻分压是为了考虑系Rin 统的低功耗。 干电池电压下降到，一般就认为报废了，所以在分压电阻阻值的选择V2 . 1 上要满足 . V RRinR RinR Vcc2 . 13 1/2 /2 5 . 0 将CA1连接到参考电压发生器的端，当下降到时，Vcc5 . 0VbatV6 . 3 ，CAOUT出现跳变，跳变的边沿触发比较器A中断。这时表明电池VccVa5 . 0 欠压了。将CA1=时，出现的比较器A中断称为电池欠压中断。在电池欠Vcc5 . 0 压中断子程序中，将CA1连接到参考电压发生器的端。Vcc25 . 0 当，会再次出现比较器A中断，并称为系统掉电中断。系统VccVa25 . 0 掉电中断只可能出现在拿掉电池的情况。 由式可得 其中kVbatVa 1/2 /2 RRinR RinR k 那么 6 . 35 . 0 25 . 0 k kVbat Vcc Vcc 解得 = 1.8VVbat 上述计算说明当时，电池电压等于1.8V。这时单片机已经不VccVa25 . 0 工作了（详见3.3） 。所以系统掉电中断只可能出现在拿掉电池的情况。 在系统掉电中断子程序中，将CA1连接到参考电压发生器的端。当Vcc5 . 0 电池被取下后，由于超级电容的储能作用，单片机还会工作一段时间；如果满 足的三节电池被及时安装，系统历经，会出现比较器AVVbat6 . 3VccVa5 . 0 中断，这个中断称为系统上电中断。 当电池欠压以后，对于电源电压要求严格的系统，可以定时启动AD转换 采集来监视电池电压。当电池电压下降到一定极限时，让系统进行掉电保护。Va 其实比较器的两个输入端电压相等时，CAOUT输出状态不定，CAOUT输 出中即有上升沿，又有下降沿。变化是相对缓慢的，所以CAOUT输出的不Va 定状态会持续一段时间，进而会多次触发比较器A中断。进比较器A中断后，需 将比较器A中断关掉，当退出中断子程序时，再将此中断打开。 3.2 超级电容电路模块设计超级电容电路模块设计 超级电容又叫法拉电容，它是近些年出现的一种新型能源器件，与常规电 容器不同，它的容量可达到法拉级。它兼有常 规电容器功率密度大、充电电池能量密度高的 优点，可快速充放电，而且寿命长，超级电容 在许多领域都有广阔的应用前景，如：便携式 仪器设备、数据记忆存储系统、电动汽车电源、应急后备电源等方面。 如图3，C10为超级电容，电压为5.5V，容量为0.33F。当电池被取下时， C10作为后备电源，通过76933为MSP430F149提供工作电压。D1是一个肖特基 二极管，它的作用是防止C10对R1和R2放电，这个二极管的反向漏电流必须足 够小，应该控制在nA级。这里选用ON公司的双阳极肖特基势垒二极管 BAT54ALT1G，它的最大反向漏电流只有2000nA，最大前向电流为200mA，最 大前向电压为0.4V。 3.3 稳压电源模块设计稳压电源模块设计 稳压电源采用TI公司的单路固定输出LDO TPS76933，输出电压为3.3V，输 出电流典型值为100mA，压差38mV。MSP430