硬件设计 - 基于AVR的电源管理系统的设计

　　2.1 硬件设计

　　2.1.1 直流无刷电机电路

　　无刷直流电机是由电动机主体和驱动器组成， 是一种典型的机电一体化产品。直流无刷电机与一般直流电机具有相同的工作原理和应用特性， 而其组成是不一样的， 除了电机本身外， 前者还多一个换向电路， 直流无刷电动机的电机本身是机电能量转换部分， 它除了电机电枢、永磁励磁两部分外， 还带有传感器。该发电机的部分AC-DC 电路如图3 所示。

　　图3 无刷电机AC-DC 电路

　　2.1.2 充电电路

　　锂离子电池的充电特性和镍镉、镍氢电池的充电特性有所不同， 锂离子电池在充电时， 电池电压缓慢上升， 充电电流逐渐减小， 当电压达到4.2V 左右时， 电压基本不变， 充电电流继续减小。因此对于改型充电器可先用先恒流后恒压充电方式进行充电， 具体充电电路如图4 所示。该电路选用LM2575ADJ 组成斩波式开关稳压器， 最大充电电流为1A.

　　图4 高效开关型恒流/ 恒压充电器部分电路

　　该电路工作原理如下： 当电池接入充电器后， 该电路输出恒定电流， 对电池充电。该充电器的恒流控制部分由双运放LM358 的一半、增益设定电阻R3 和R4 、电流取样电阻R5 和1. 23V 反馈基准电压源组成。刚接入电池后， 运放LM358 输出低电平， 开关稳压器LM2575-ADJ 输出电压高， 电池开始充电。当充电电流上升到1A 时， 取样电阻R5 （50m 欧） 两端压降达到50mV， 该电压经过增益为25 的运放放大后， 输出1.23V 电压， 该电压加到LM2575 的反馈端， 稳定反馈电路。

　　当电池电压达到8.4V 后， LM3420 开始控制LM2575ADJ 的反馈脚。LM3420 使充电器转入到恒压充电过程， 电池两端电压稳定在8？？ 4V.R6 、R7 和C3 组成补偿网络， 保证充电器在恒流/ 恒压状态下稳定工作。若输入电源电压中断， 二极管D2 和运放LM358 中的PNP 输入级反向偏置， 从而使电池和充电电路隔离， 保证电池不会通过充电电路放电。当充电转入恒压充电状态时， 二极管D3 反向偏置， 因此运放中不会产生灌电流。

　　2.1.3 电源欠压保护

　　电源欠压保护由锂电池的电池放电特性易知， 当电池处于3.5V 时， 此时电池电量即将用完， 应及时给电池充电， 否则电池电压将急剧下降直至电池损坏。于是设计了一套欠压保护电路如图5 所示， 利用电阻分压所得和由TL431 设计的基准电压比较， 将比较结果送人LM324 放大电路进而触发由三极管构成的开关系统， 从而控制负载回路的通阻。试验证明， 当系统电压达到临界危险电压7V 时， 系统的输出电流仅为4mA， 从而防止了系统锂电池过度放电现象的产生。

　　图5 欠压保护电路

　　由于锂离子电池能量密度高， 因此难以确保电池的安全性。在过度充电状态下， 电池温度上升后能量将过剩， 于是电解液分解而产生气体， 因内压上升而发生自燃或破裂的危险；反之， 在过度放电状态下， 电解液因分解导致电池特性及耐久性劣化， 从而降低可充电次数。该充电电路和本管理系统能有效的防治锂电池的过充和过用， 从而确保了电池的安全， 提高锂电池的使用寿命。