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浅谈电子秤仪表的锂电池供电方式
2019-10-29 17:19:17 来源:http://www.scalesh.com 作者:http://www.scalesh.com 【 】 浏览:0次 评论:0

1引言

电子秤仪表目前的供电形式有220V市电通过变压器降压供电,铅蓄电池供电,或者直接适配器供电等,这些都在体积、重量等方面都存在不便携的问题,最终都导致成本的增加。而现在市场上的锂电池重量都比较轻,体积相对铅蓄电池也小了很多。其容量也是足够的,因为现在的仪表都是低功耗的。所以基于锂电池的诸多优点,它作为电子秤仪表的供电方式是不错的选择。

二、对于锂电池供电方式所要考虑的一些注意事项

(一)关于锂电池的保护

锂电池的保护包括锂电池的过充、过放、短路等保护。锂电池的过充问题,主要是锂电池的充电电路来控制,充电电路一般是恒流,当检测到电池电压为4.2V时,充电就会停止,这样达到过充的保护。目前的锂电池都具有短路和过放的保护功能。当遇到短路和过放的情况,电池就进入休眠,之后消除短路,接上合适充电电源,这种休眠就会解除,从而达到保护电路和电池的效果。

(二)关于锂电池充电芯片的保护

一般的锂电池充电芯片对锂电池具有过充保护、过热保护、短路保护[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)关于锂电池的电量使用度

锂电池开路电压与电池容量有一定的对应关系[2]。一般的锂电池如表1所示,不同生产厂家可能略微不同。当然不同厂家,锂电池的截止电压也不一样,大约是2.75V。为了保护锂电池,延长其使用寿命,最大化利用锂电池电量,在电子秤仪表中会设置锂电池的电压检测。

表1     下载原表

表1

如果AD采集的值介于某个电压值范围,电子秤仪表就会做出相应的动作。比如说,满电指示灯、欠电指示灯、欠电关机等。AD采集,一般包括采样、保持、量化和编码四个过程[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,如图1所示。

这个基准电压,有的是锂电池电压通过DCDC转换的电压和单片机供电电压内部连接在一起,有的是单片机内部稳压器提供这个电压。ADC这个基准电压要保持稳定,否则会造成单片机自带的ADC采集的电压值异常,从而造成锂电池采集的电量不准[3][4],系统误判仪表的电量状态。单片机MCU的供电是宽范围的电压范围,但是工程习惯取5V、3.3V、3V。一般锂电池的标称电压3.7V~4.2V,但是为了充分利用锂电池的电量,使用电压范围可以扩展到3.5V提示欠电。锂电池的电压与电量成一定的线性关系,所以锂电池需要DCDC或者LDO转换电压,使其在可用的锂电池电压范围内向单片机MCU提供稳定的输出,当然ADC的基准电压也是稳定的。常见电子秤仪表的系统如图2所示。

鉴于对电子秤仪表的设计和实践经验,以上看似没有问题,却内藏隐患。为了防止电池反接对电路造成损坏,要加上一个肖特基二极管。除了硬开关控制仪表开机,也需要软控开关电路将仪表系统开机状态维持,并且当仪表系统检测欠电后软控开关电路能够将仪表关机。这些元件和电路都会带来一定的压降,如图3所示,就会导致单片机在锂电池低电量状态时ADC采集的电量值不准确。因为DCDC降压芯片的输入电压必须比要求的输出电压高,才能保证MCU的稳定供电。对于电子秤仪表而言,才能保证秤台传感器的信号激励稳定,输入信号受干扰减小。如果输入电压比要调节输出的电压低,则导致输出电压随着输入电压的降低而降低,单片机ADC的基准电压会改变,故ADC采集也就不准确。这就是谈论锂电池供电方式的重要问题。

面对上述锂电池供电方式出现的问题,采用如图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。

值得注意的是升压电路调节的输出电压,要高于LDO的Vdrop,否则会造成传感器的激励电压随LDO输入呈线性变化。而选择的LDO最好是常用的,性价比较好。升压芯片的极限值要充分考虑,一般的DCDC芯片输入下限为2.5V,上限至少5V以上,这个范围在电子秤仪表应用中是符合标准的。下限为2.5V,锂电池就可以最大发挥它的使用。这样也就避免了因为锂电池放电到3.6V以下,在单片机ADC基准和VDD内部连接的情况下,这个基准移动,带来的单片机ADC采集的锂电池电量不准确,呈现U型趋势。同时也避免了传感器激励电压不稳定造成的称量错误。

三、结束语

本文提出的关于锂电池应用在电子秤仪器仪表中的一些注意问题,都是可以通过优化设计避免的。而这些优化主要在电路设计构思和元件参数选取等方面进行的。锂电池的应用前景很广泛[5],因此在系统中锂电池的使用问题,基于本文的分析和说明,一定会得到很大的启发。

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