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淺談電子秤儀表的锂電池供電方式
2019-10-29 17:19:17 亚博真人: 作者: 【 】 浏览:0次 評論:0

1引言

電子秤儀表目前的供電形式有220V市電通過變壓器降壓供電,鉛蓄電池供電,或者直接適配器供電等,這些都在體積、重量等方面都存在不便攜的問題,最終都導致成本的增加。而現在市場上的锂電池重量都比較輕,體積相對鉛蓄電池也小了很多。其容量也是足夠的,因爲現在的儀表都是低功耗的。所以基于锂電池的諸多優點,它作爲電子秤儀表的供電方式是不錯的選擇。

二、對于锂電池供電方式所要考慮的一些注意事項

(一)關于锂電池的保護

锂電池的保護包括锂電池的過充、過放、短路等保護。锂電池的過充問題,主要是锂電池的充電電路來控制,充電電路一般是恒流,當檢測到電池電壓爲4.2V時,充電就會停止,這樣達到過充的保護。目前的锂電池都具有短路和過放的保護功能。當遇到短路和過放的情況,電池就進入休眠,之後消除短路,接上合適充電電源,這種休眠就會解除,從而達到保護電路和電池的效果。

(二)關于锂電池充電芯片的保護

一般的锂電池充電芯片對锂電池具有過充保護、過熱保護、短路保護[1],所以锂电池充电芯片是比较重要的,对它的保护也需要加强。保护措施大致有防静电、防尖峰浪涌、防过热。在PCB(Printed Circuit Board)设计时要对充电芯片的热焊盘安装处做开窗处理,最好PCB板顶层和底层都要做此处理,再加上过孔,让热量通过热传导散热。对于充电芯片的输入电压典型值是5V,一般使用5V 1A的适配器为锂电池充电。这个适配器在插入和拔掉的瞬间都会带来一定的尖峰浪涌,损坏充电芯片。为此需要加上对应参数的TVS管,抑制这种瞬态尖峰浪涌,从而保护充电芯片。为了节约成本,静电的防护主要依赖电子秤仪表牢靠的接地,让大地来释放这部分能量。关于过热保护,还有一点就是设置的充电电流不能达到充电芯片的极限,要留有余量。充电电流设置的比较大,根据焦耳定律,发热就会很快。一般极限的80%的电流,就可以了。

(三)關于锂電池的電量使用度

锂電池開路電壓與電池容量有一定的對應關系[2]。一般的锂電池如表1所示,不同生産廠家可能略微不同。當然不同廠家,锂電池的截止電壓也不一樣,大約是2.75V。爲了保護锂電池,延長其使用壽命,最大化利用锂電池電量,在電子秤儀表中會設置锂電池的電壓檢測。

表1     下載原表

表1

如果AD采集的值介于某個電壓值範圍,電子秤儀表就會做出相應的動作。比如說,滿電指示燈、欠電指示燈、欠電關機等。AD采集,一般包括采樣、保持、量化和編碼四個過程[3]。现在的单片机主控芯片都会集成不同位数的ADC(Analog-to-Digital Converter)转换电路。对于大部分的单片机主控芯片的ADC是逐次逼近寄存器型的,需要一个参考电压作为基准,如圖1所示。

這個基准電壓,有的是锂電池電壓通過DCDC轉換的電壓和單片機供電電壓內部連接在一起,有的是單片機內部穩壓器提供這個電壓。ADC這個基准電壓要保持穩定,否則會造成單片機自帶的ADC采集的電壓值異常,從而造成锂電池采集的電量不准[3][4],系統誤判儀表的電量狀態。單片機MCU的供電是寬範圍的電壓範圍,但是工程習慣取5V、3.3V、3V。一般锂電池的標稱電壓3.7V~4.2V,但是爲了充分利用锂電池的電量,使用電壓範圍可以擴展到3.5V提示欠電。锂電池的電壓與電量成一定的線性關系,所以锂電池需要DCDC或者LDO轉換電壓,使其在可用的锂電池電壓範圍內向單片機MCU提供穩定的輸出,當然ADC的基准電壓也是穩定的。常見電子秤儀表的系統如圖2所示。

鑒于對電子秤儀表的設計和實踐經驗,以上看似沒有問題,卻內藏隱患。爲了防止電池反接對電路造成損壞,要加上一個肖特基二極管。除了硬開關控制儀表開機,也需要軟控開關電路將儀表系統開機狀態維持,並且當儀表系統檢測欠電後軟控開關電路能夠將儀表關機。這些元件和電路都會帶來一定的壓降,如圖3所示,就會導致單片機在锂電池低電量狀態時ADC采集的電量值不准確。因爲DCDC降壓芯片的輸入電壓必須比要求的輸出電壓高,才能保證MCU的穩定供電。對于電子秤儀表而言,才能保證秤台傳感器的信號激勵穩定,輸入信號受幹擾減小。如果輸入電壓比要調節輸出的電壓低,則導致輸出電壓隨著輸入電壓的降低而降低,單片機ADC的基准電壓會改變,故ADC采集也就不准確。這就是談論锂電池供電方式的重要問題。

面对上述锂电池供电方式出现的问题,采用如圖4所示的方式处理。软控开关打开之后先升压。由于DCDC输出的纹波系数没有LDO(Low Dropout Regulator)输出的纹波系数好,而且LDO外围元件使用比较少,后端使用LDO降压为主控,ADC采集电路,传感器激励等供电。

值得注意的是升壓電路調節的輸出電壓,要高于LDO的Vdrop,否則會造成傳感器的激勵電壓隨LDO輸入呈線性變化。而選擇的LDO最好是常用的,性價比較好。升壓芯片的極限值要充分考慮,一般的DCDC芯片輸入下限爲2.5V,上限至少5V以上,這個範圍在電子秤儀表應用中是符合標准的。下限爲2.5V,锂電池就可以最大發揮它的使用。這樣也就避免了因爲锂電池放電到3.6V以下,在單片機ADC基准和VDD內部連接的情況下,這個基准移動,帶來的單片機ADC采集的锂電池電量不准確,呈現U型趨勢。同時也避免了傳感器激勵電壓不穩定造成的稱量錯誤。

三、結束語

本文提出的關于锂電池應用在電子秤儀器儀表中的一些注意問題,都是可以通過優化設計避免的。而這些優化主要在電路設計構思和元件參數選取等方面進行的。锂電池的應用前景很廣泛[5],因此在系統中锂電池的使用問題,基于本文的分析和說明,一定會得到很大的啓發。

Tags:地磅 責任編輯:admin
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