基于MSP430电池供电系统的电源管理设计

基于MSP430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。2MSP430F149介绍MSP430F149是TI公司生产的一款超低功耗单片机，能够在1.8V~3.6V电压，1MHZ的时钟条件下运行，具有5种节电模式，耗电流为0.1uA~400uA，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+256BFlash,2KBRAM,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、MSP430F13／14／15／16X、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0.5VccCA00.25Vcc时，认为电池欠压，当CA00.25Vcc时，认为系统掉电。Va点电压计算公式VbatRRinRRinRVa1//2//2………………..①其中，Rin表示模拟比较器CA0端的输入电阻；RinR//2表示2R、Rin两个电阻并联；Vbat表示电池电压；Va表示CA0点电压。因为是采用兆级电阻分压，Rin不可以忽略。兆级电阻分压是为了考虑系统的低功耗。干电池电压下降到V2.1，一般就认为报废了，所以在分压电阻阻值的选择上要满足VRRinRRinRVcc2.131//2//25.0…………….②将CA1连接到参考电压发生器的Vcc5.0端，当Vbat下降到V6.3时，VccVa5.0，CAOUT出现跳变，跳变的边沿触发比较器A中断。这时表明电池欠压了。将CA1=Vcc5.0时，出现的比较器A中断称为电池欠压中断。在电池欠压中断子程序中，将CA1连接到参考电压发生器的Vcc25.0端。当VccVa25.0，会再次出现比较器A中断，并称为系统掉电中断。系统掉电中断只可能出现在拿掉电池的情况。由①式可得kVbatVa其中1//2//2RRinRRinRk那么6.35.025.0kkVbatVccVcc解得Vbat=1.8V上述计算说明当VccVa25.0时，电池电压等于1.8V。这时单片机已经不工作了（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Vcc5.0端。当电池被取下后，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VVbat6.3的三节电池被及时安装，系统历经VccVa5.0，会出现比较器A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Va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。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。Va变化是相对缓慢的，所以CAOUT输出的不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采用TI公司的单路固定输出LDOTPS76933，输出电压为3.3V，输出电流典型值为100mA，压差38mV。MSP430F149的最低工作电压为1.8V，所以,如图3，电池电压只有满足mVVVVbat384.08.1时，MSP430F149才能正常工作。其中V8.1为MSP430F149的最低工作电压；V4.0为BAT54ALT1G最大前向电压；mV38为TPS76933的压差。