CN100384053C - 自适应充电系统 - Google Patents
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Abstract
一种移动电子设备特别是笔记本电脑外置式自适应充电系统，由移动电子设备原配的交流电源适配器、DC输入接口、充电控制系统及电池组组成，充电控制系统通过单片机IC3控制电路，对电池组进行充电。该发明适用于不同型号的移动电子设备，不需要对其做任何改动，使用其自身所配备的电源适配器，在不做全功率变换的情况下，可以同时对机内及外置电池或单独对外置电池进行充电，使外置电池能自动适应不同电源适配器所提供的不同电压和电流，最大限度延长移动电子设备供电，延长移动电子设备的工作时间。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于移动电子设备特别是笔记本电脑的外置式高效自适应充电系统，属于移动电源技术领域。
背景技术
一些电子设备如笔记本电脑、手机、数码相机、数码摄像机等的内置电池使用时间短是一件很烦的事情，尤其在矿山、野外等领域。于是人们开始着手研究专用于电子设备供电的外挂电池，如笔记本电脑的外挂电池。笔记本电脑外挂电池的充电问题又怎么解决呢？如通常PC生产厂家自行研究生产的外置电池只适用于该厂生产的其中一种型号的笔记本电脑使用，不具有通用性，且需要专门的充电器单独进行充电。加拿大Electrovaya公司生产的外置电池只能使用自己生产的AC电源适配器/充电器对其进行充电，型号不同适配器不同，且适配器不能对笔记本电脑进行充电。专利CN2504859Y“手机充电连接器”，其输入电压是固定的，被充电池类型是可变的，而技术是几个通用技术的合体，其专利保护之目的主要在通过电脑USB给手机电池充电方面。该技术的实质内容是：将电脑USB接口提供的5V固定电压通过PWM电路升压至＞8V后，再由常规的线性降压电路进行降压充电，以自动适应不同的被充电电池类型，且在其降压充电的过程中，也并无自动适应不同种类电池(5V和8V)之功能，其充电过程中，充满与否控制系依靠电池内的保护线路来实现的，极不安全。
发明内容
本发明的目的就是提供一种用于移动电子设备的外置式高效自适应充电系统，对任何不同型号的移动电子设备，不需要对其做任何改动，使用移动电子设备自身所配备的电源适配器，在不做全功率变换的情况下，可以同时对机内及外置电池进行充电，或单独对外置电池进行充电，使外置电池能自动适应不同移动电子设备的电源适配器所提供的不同电压和电流，最大限度延长移动电子设备供电，延长移动电子设备的工作时间。
一种用于移动电子设备的外置式自适应充电系统，由移动电子设备原配的交流电源适配器1、DC输入接口2、充电控制系统3及电池组4组成，将适配器输出的直流电通过DC输入接口接入充电控制系统，经过充电控制系统给电池组充电，充电控制系统包括充电控制部分、适配器检测部分、电池恒压输出线路、输出电压检测电路和单片机IC3；其特征是当单片机检测到适配器有电时，由单片机的13脚输出一脉宽可调的PWM信号，此信号经过充电控制部分控制电池组充电，其中充电控制部分包括降压PWM单元电路、升压PWM单元电路、充电电流检测电路、电池电压检测电路；
当充电电流检测电路检测到充电电流未达到设计的恒流充电值时，单片机程序自动加宽降压PWM单元电路的PWM宽度，增加充电电流；
当充电电流检测电路检测到充电电流大于设计的恒流充电值时，单片机程序自动降低降压PWM单元电路的PWM宽度，减小充电电流，由此实现了对电池组的降压恒流充电；
当适配器输入电压低于电池组电压时，降压PWM单元电路的PWM宽度即便增加到100％，将不能保证充电电流恒定，此时由单片机程序自动转换至升压PWM单元电路对电池组进行充电；
在充电的同时，电池电压检测电路同时监测电池组电压，当电池组电压达到充满电压值时，单片机程序转入恒压充电程序，根据电池组电压的上升，自动降低PWM宽度，减小充电电流，实现恒压充电；当充电电流小于一定值时，单片机13脚输出信号，关断对电池组的充电，电池组充满。
当电池组输出时，单片机通过所述输出电压检测电路检测电池恒压输出线路的输出电压，控制电池恒压输出线路，使输出电压恒定。
该发明配件少，连接简单方便，适用于不同型号的移动电子设备，不需要对移动电子设备做任何改动，使用移动电子设备自身所配备的电源适配器，在不做全功率变换的情况下，可以同时对机内及外置电池进行充电，或单独对外置电池进行充电，使外置电池能自动适应不同笔记本的电源适配器所提供的不同电压和电流，最大限度延长移动电子设备供电，延长移动电子设备的工作时间。
附图说明
图1本发明的连接框图
图2本发明的电路连接图
图3本发明实施例的充电流程图
具体实施方式
以下结合附图的描述，对本发明的原理及工作方式做进一步说明。
本实施例由移动电子设备如笔记本电脑原配的交流电源适配器1、DC输入接口2、充电控制系统3及电池组4组成，将适配器1输出的直流电通过DC输入接口2到充电控制系统3，经过充电控制系统3给外置电池组4充电，充电控制系统3由自适应充电部分、适配器检测部分、直通供电电路、输出电压检测电路、恒压输出线路、输出电流检测电路及单片机IC3等构成，其特征是自适应充电控制部分通过单片机IC3控制电路，对电池组进行充电，当单片机检测到适配器有电时，由单片机的13脚输出一脉宽可调的PWM信号，此信号经BG4、BG5、BG6放大后，控制Q2导通，给电池充电。
自适应充电部分由场效应管Q2、Q3、二极管D1、D2、储能电感L1、滤波电容C3、三极管BG4、BG5、BG6电容C4，电阻R12、R13、R14、R48、R49及相关元件和单片机IC3组成，其中：Q2、D1、L1和C3构成了“降压PWM单元电路”，通过调节Q2的PWM可实现降压输出，Q2同时还兼作电池组“充电允许控制开关”用；Q3、L1、D2、C3构成“升压PWM单元电路”，通过调节Q3的PWM可实现升压输出；C22、C23，R48、R49构成“充电电流检测电路”；C4，R15、R16组成“电池电压检测电路”。
当单片机检测到适配器有电时，由单片机的13脚输出一脉宽可调的PWM信号，此信号经BG4、BG5、BG6放大后，控制Q2导通，给电池充电。
当“充电电流检测电路”检测到充电电流未达到设计的恒流充电值时，单片机软件自动加宽“降压PWM单元电路”的控制脉冲宽度，增加充电电流。
当“充电电流检测电路”检测到充电电流大于设计的恒流充电值时，单片机软件自动降低“降压PWM单元电路”的控制脉冲宽度，减小充电电流。由此实现了对电池组的降压恒流充电。
当适配器输入电压低于电池组电压时，“降压PWM单元电路”的控制脉冲宽度即便增加到100％，将不能保证充电电流恒定，此时由单片机程序自动转换至“升压PWM单元电路”进行充电。
单片机13脚先输出持续高电平信号，使Q2持续导通，同时14脚输出一脉宽可调的PWM信号，此信号控制Q3导通。
当Q3导通时，电流流过Q2、L1、Q3，并将能量转换为磁能存贮于L1磁芯中，当Q3关断后，L1贮存的能量与适配器的输入相叠加后，高于电池电压，即可给电池组充电。Q3导通脉冲宽度受单片机控制，宽度越宽即充电电流越大。
在充电的同时，“电池电压检测电路”同时监测电池电压，当电池电压达到充满电压值时，单片机程序转入恒压充电程序，根据电池电压的上升，自动降低充电脉宽，减小充电电流，实现恒压充电。当充电电流小于一定值时，单片机13脚输出信号，关断Q2，电池充满。
通过以上电路及单片机内控制程序，实现了对电池组的自适应充电。
适配器检测部分由R1、R2、C1及单片机IC3相关部分组成。
当适配器输入的电压经R1、R2分压后得到一电压值Vin，此电压值Vin与单片机内部的5V电源基准进行比较，当Vin大于5V时，单片机程序判适配器有电，低于5V则判适配器无电。
Q1、BG1、R3、R4及R5组成直通供电电路。
当单片机检测到适配器有电时，由单片机的32脚输出一高电平信号，此信号经BG1及R3、R4、R5后使Q1导通，Q1采用大功率场效应管，导通后，其导通电阻仅为数十毫欧，直通输出的电流损耗可忽略不计。
输出电压检测电路由R21、R22、和C6组成的分压网络构成。
恒压输出线路由Q4、Q5、D3、BG7、L2、C5及相关元件组成。
当电池组输出时，单片机2脚输出一高电平信号，经BG7后控制Q4，使Q4导通，电池组电流经L2、D3输出。
当输出电压检测电路检测到输出的电压偏低时，由单片机15脚输出一脉宽可调的PWM信号，此信号控制Q5导通。
当Q5导通时，电流经Q4、L2、Q5流过，并将能量转换为磁能存贮于L2磁芯中，当Q5关断后，L2贮存的能量与电池组的输出相叠加后，高于电池组输出电压，即可实现输出升压。Q5导通脉冲宽度受单片机15脚控制，宽度越宽即输出电压越高。
单片机程序通过输出电压检测电路检测输出电压，并通过调整Q5的脉宽，使输出电压恒定。
IC1及外围相关线路构成对电池单只电压检测电路。通过此线路可测到电池组内每只电池的电压，并通过单片机内相关程序实现在充、放电时，对每只电池进行过充、过放电保护。
LED0和R34、R36、BG9构成充电和低电告警指示电路。
K1、LED1、LED2、LED3、LED4、R41、R42、R43、R44构成电池电量指示电路。当用户按下K1按键时，单片机测出电池组电压，并将电压值换算成相应电量的百分比，通过4个发光二极管进行显示。
BG2、BG3、R6、R7、R8、C2组成省电控制电路。
当电池组未工作时，由单片机输出一低电平信号将BG2关断，停止给IC1供电，以节约电池组电能。
当电池组充电和放电时，由单片机输出一高电平信号将BG2开通，给IC1供电，电池单只电压检测电路正常工作。
D4、D5、D6、BG8、IC2、R28、C10、C24组成单片机供电电路。通过选用HT7150微功耗三端稳压IC，并结合单片机内省电控制程序，可使整机电池组供电时耗电小于1mA。
R31、R32、R33和C13、C14组成输出电流检测电路。
当输出电流检测电路检测到有电流输出时，单片机将自动停止自适应充电控制部分给电池的充电。
以笔记本电脑电池的输出电压19V为例结合附图3进一步说明本发明的工作原理及过程。在电流检测电路、电压检测电路、降压PWM单元电路、升压PWM单元电路、单片机控制电路的共同配合下，实现恒压、恒流充电。
从图中可以看出，当电池组的电量已放到极低，再进行充电时，才会启动“升压PWM单元电路”，并且是以部分升压方式与适配器供给电压相叠加的方式来保证恒流充电的。故能高效率利用电能，降低损耗。
每时每刻对电池组的充电状态跟踪，保证恒流充电到19V后，才转入恒压充电状态。根据电池电压的上升，不断降低其充电电流，直到充电电流小于一个最低设定值0.02C时，由IC3的第13脚输出控制信号关断Q2，使电池真正充满。
在充电时，为了保证其充电的安全性，另设一单元电路“电池单只电压检测电路”。该电路会根据充电阶段的不同而监控每只电池的电压变化状态，以保证过充所带来的危险。
自动调整充电电流和电压，充分保证电池组处在最佳充电状态，即自适应。
在使用外挂电池单独给笔记本供电时，稳压过程如下：
当电池组高于19V时，IC3的第2脚输出一控制信号，使Q4导通，直接输出电压，而由Q5、L2、D3等组成的部分升压变换电路不工作。
当电池组低于19V时，IC3的第15脚输出一控制信号，由Q5、L2、D3等组成的部分升压变换电路开始工作，与电池电压相叠加，达到19V后再输出。即自适应电量降低所带来的电压变化，始终保证额定值19V电压的输出。同时，由于IC1等组成的“电池单只电压检测电路”起到单节电池过放保护的作用。充电系统中的单片机IC3可选用型号为ATMEGA8L的单片机。
当充电控制系统3为数码摄像机、数码相机、手机等其他移动电子设备的外置式电池充电时，仅需根据对应设备外置式电池的电压等参数不同，而对单片机IC3的相应软件及对应电流、电压检测电路的参数作相应修改即可。
本发明的充电控制系统3可以与电池组4设计为一体，使用时，用户只需携带电池组及移动电子设备原装的适配器即可，这也是本发明较之于现有充电技术具有显著进步之处。
Claims (5)
1.一种用于移动电子设备的外置式自适应充电系统，由移动电子设备原配的交流电源适配器(1)、DC输入接口(2)、充电控制系统(3)及电池组(4)组成，将适配器输出的直流电通过DC输入接口接入充电控制系统，经过充电控制系统给电池组充电，充电控制系统包括充电控制部分、适配器检测部分、电池恒压输出线路、输出电压检测电路和单片机(IC3)；其特征是当单片机检测到适配器有电时，由单片机的13脚输出一脉宽可调的PWM信号，此信号经过充电控制部分控制电池组充电，其中充电控制部分包括降压PWM单元电路、升压PWM单元电路、充电电流检测电路、电池电压检测电路；
当充电电流检测电路检测到充电电流未达到设计的恒流充电值时，单片机程序自动加宽降压PWM单元电路的PWM宽度，增加充电电流；
当充电电流检测电路检测到充电电流大于设计的恒流充电值时，单片机程序自动降低降压PWM单元电路的PWM宽度，减小充电电流，由此实现了对电池组的降压恒流充电；
当适配器输入电压低于电池组电压时，降压PWM单元电路的PWM宽度即便增加到100％，将不能保证充电电流恒定，此时由单片机程序自动转换至升压PWM单元电路对电池组进行充电；
在充电的同时，电池电压检测电路同时监测电池组电压，当电池组电压达到充满电压值时，单片机程序转入恒压充电程序，根据电池组电压的上升，自动降低PWM宽度，减小充电电流，实现恒压充电；当充电电流小于一定值时，单片机13脚输出信号，关断对电池组的充电，电池组充满；
当电池组输出时，单片机通过所述输出电压检测电路检测电池恒压输出线路的输出电压，控制电池恒压输出线路，使输出电压恒定。
2.根据权利要求1所述的充电系统，其特征是：
由第2场效应管、第1二极管、第1储能电感和第3滤波电容构成降压PWM单元电路，通过调节第2场效应管的PWM宽度实现降压输出，第2场效应管同时还兼作电池组充电允许控制开关用；第3场效应管(Q3)、第1储能电感、第2二极管(D2)、第3滤波电容(C3)构成升压PWM单元电路，通过调节第3场效应管的PWM宽度实现升压输出，其中第2场效应管，第1储能电感以及第2二极管串联，第1二极管的阴极和第2场效应管与第1储能电感的连接点相连，第1二极管的阳极接地，第3场效应管的漏极连接第2二极管的阳极与第1储能电感的连接点，第2二极管的阴极连接第3滤波电容的一端，第3滤波电容的另一端接地，第3场效应管的源极接地；第4电容(C4)与第16电阻(R16)并联后接第15电阻(R15)组成电池电压检测电路。
3.根据权利要求1所述的充电系统，其特征是所述的充电系统中的适配器检测部分由串联的第1电阻(R1)与第2电阻(R2)以及和第2电阻(R2)并联的第1电容(C1)组成，当适配器输入的电压经第1电阻(R1)、第2电阻(R2)分压后得到一电压值Vin，此电压值Vin与单片机内部的5V电源基准进行比较，当Vin大于5V时，单片机程序判适配器有电，低于5V则判适配器无电。
4.根据权利要求1所述的充电系统，其特征是所述的充电系统中的输出电压检测电路由第21电阻(R21)、第22电阻(R22)和第6电容(C6)组成的分压网络构成；充电系统中的电池恒压输出线路由第4场效应管(Q4)、第5场效应管(Q5)、第3二极管(D3)、第7三极管(BG7)、第2电感(L2)、第5电容(C5)及第14电阻(R14)、第17电阻(R17)、第18电阻(R18)、第19电阻(R19)以及第20电阻(R20)组成，其中第14电阻(R14)的一端连接单片机的第2脚，另一端接第7三极管(BG7)的基极，第7三极管(BG7)的发射极接地，第17电阻(R17)的一端与第18电阻(R18)串联后接第7三极管(BG7)的集电极，第17电阻(R17)的另一端连接第4场效应管(Q4)的源极，第4场效应管(Q4)的栅极接第17电阻(R17)和第18电阻(R18)的接点，漏极接第2电感(L2)的一端，第2电感(L2)的另一端接第3二极管(D3)的阳极以及第5场效应管(Q5)的漏极，第19电阻(R19)与第20电阻(R20)串联，其串联节点接第5场效应管(Q5)的栅极，第5场效应管(Q5)的源极接地，第3二极管(D3)的阴极接第5电容(C5)的一端，第5电容的另一端接地，当电池组输出时，单片机2脚输出一高电平信号，经第7三极管(BG7)后控制第4场效应管(Q4)，使其导通，电池组电流经第2电感(L2)、第3二极管(D3)输出，当所述输出电压检测电路检测到输出的电压偏低时，由单片机15脚输出一脉宽可调的PWM信号，此信号控制第5场效应管(Q5)导通，当第5场效应管导通时，电流经第4场效应管(Q4)、第2电感(L2)、第5场效应管(Q5)流过，并将能量转换为磁能存贮于第2电感(L2)磁芯中，当第5场效应管(Q5)关断后，第2电感(L2)贮存的能量与电池组的输出相叠加后，高于电池组输出电压，即可实现输出升压，第5场效应管(Q5)导通脉冲宽度受单片机15脚控制，宽度越宽即输出电压越高；单片机程序通过所述输出电压检测电路检测输出电压，并通过调整第5场效应管(Q5)的脉冲宽度，使输出电压恒定。
5.根据权利要求1所述的充电系统，其特征是所述的充电系统中的单片机(IC3)选用型号为ATMEGA8L的单片机。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: PISEN ELECTRONICS CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: DEXIAN SCIENCE AND TECHNOLOGY CO., LTD., SICHUAN Effective date: 20110506 |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 610016 A2, 17/F, SHIJI TAISHENG TELECOMMUNICATION CITY, NO. 184, TAISHENG SOUTH ROAD, CHENGDU CITY, SICHUAN PROVINCE TO: 518173 NO. 9, QINFU 1ST STREET, JINTANG INDUSTRIAL ZONE, NIUSHIPU VILLAGE, LIUYUE, HENGGANG TOWN, LONGGANG DISTRICT, SHENZHEN CITY |
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Effective date of registration: 20110506 Address after: 518173 Shenzhen city Longgang District Henggang town about six cattle Village Shipu Jintang Industrial Zone No. 9 Qin Fu Street Patentee after: GUANGDONG PISEN ELECTRONICS Co.,Ltd. Address before: 610016, Sichuan, Chengdu Province, 184 South Road, Tai Sheng telecommunications City, 17 floor, A2 Patentee before: Sichuan Dexian Technology Co.,Ltd. |
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| CX01 | Expiry of patent term | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20080423 |