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。

2 MSP430F149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+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、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CA0>CAl ，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 >CA0>0.25Vcc 时，认为电池欠压，当CA0<0.25Vcc 时，认为系统掉电。

Va 点电压计算公式
()Vbat R Rin R Rin R Va 1
//2//2+=………………..① 其中，Rin 表示模拟比较器CA0端的输入电阻；Rin R //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V 2.1，一般就认为报废了，所以在分压电阻阻值的选择上要满足
()V R Rin R Rin R Vcc 2.131
//2//25.0⨯⨯+=…………….② 将CA1连接到参考电压发生器的Vcc 5.0端，当Vbat 下降到V 6.3时，
Vcc Va 5.0=，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=Vcc 5.0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Vcc 25.0端。

当Vcc Va 25.0=，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
kVbat Va = 其中()1
//2//2R Rin R Rin R k += 那么
6
.35.025.0⨯=k kVbat Vcc Vcc 解得
V b a t = 1.8V
上述计算说明当Vcc Va 25.0=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Vcc 5.0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
V Vbat 6.3>的三节电池被及时安装，
系统历经Vcc Va 5.0=，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LDO TPS76933，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
mV V V Vbat 384.08.1++≥
时，MSP430F149才能正常工作。

其中V 8.1为MSP430F149的最低工作电压；V 4.0为BAT54ALT1G 最大前向电压；mV 38为TPS76933的压差。