CN101202462A - 多功能随身电源 - Google Patents
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Abstract
一种多功能随身电源。包括一个可充放电的并联的锂离子电池组，该锂离子电池组通过导线顺次连接锂芯四重保护电路、充电管理电路；锂离子电池组同时经过导线连接在电池容量指示电路上；充电时由适配充电器连接到充电管理电路上对连接有锂芯四重保护电路的锂离子电池组充电；放电时锂离子电池组经过DC－DC变换电路，给外围电子设备放电，同时通过DC－DC变换电路向多功能扩展电路供电。本发明提供的多功能随身电源具有四重保护技术(过充、过放、过温、过流保护)，DC－DC变换技术(直流－直流变换)，智能充电(涓流充电、恒流充电、恒压充电和维护充电等四阶段充电法)的管理以及多功能扩展(高亮照明，户外报警，野外驱蚊)。
Description
【技术领域】：
本发明属于可充电电源技术领域，特别涉及一种用于锂电池充电和用于由锂电池向手机，MP3供电的装置，具体地说是涉及一种带照明灯，报警器，驱蚊器的多功能随身电源。
【背景技术】：
现在市场上，可移动的电子设备越来越多，设备的电源容量和功耗却远远不能满足市场的要求，对日常生活特别是户外生活造成诸多不便。为此，制作多功能、高效、低耗、安全的随身电源，以满足户外需求，将有很大的实用价值。
锂离子电池具有体积小、质量轻、比能量高、寿命长、可快速充电等优点。它相较于其它类型的电池而言，具有明显优越的综合性能。目前市场上的锂离子电池大多采用恒压充电技术以及较为简单的保护电路，虽然节省了一些成本，简化了充电管理过程，但大大缩短了锂离子电池的使用寿命，增加了使用风险。因此，锂离子电池的高效安全充电将成为一种趋势，它要求有性能完备、安全可靠的充电管理电路。随着人们日常外出活动的频繁，多功能，大容量的移动电源将会成为市场开发的另一个主要的方向。
【发明内容】：
本发明的目的是解决现有锂离子电池因充电保护电路较为简单而缩短了锂离子电池的使用寿命和增加了使用风险的问题，提供一种具有多重保护技术、智能充电管理以及多功能的随身电源。
本发明提供的多功能随身电源，包括一个可充放电的并联的锂离子电池组，该锂离子电池组通过导线顺次连接锂芯四重保护电路、充电管理电路；锂离子电池组同时经过导线连接在电池容量指示电路上；充电时由适配充电器连接到充电管理电路上对连接有锂芯四重保护电路的锂离子电池组充电；放电时锂离子电池组经过DC-DC变换电路，给外围电子设备放电，同时通过DC-DC变换电路向多功能扩展电路供电。
本发明提供的多功能随身电源的具体功能为：四重保护技术(过充、过放、过温、过流保护)，DC-DC变换(直流-直流变换)技术，智能充电(四阶段充电法)的管理以及多功能扩展(照明，驱蚊，报警)。
本发明提供的电源能明显增强锂电池使用时的安全性，最大限度提高锂芯的充电容量，同时高亮照明、户外报警以及野外驱蚊的功能能够满足户外生活的基本需求。
本发明提供的多功能随身电源的具体构成如下，
所述的充电管理电路的构成包括：管理芯片(U1)，管理芯片(U1)的端、
端分别经过正向连接的第一发光二极管(LED1)和第二发光二极管(LED2)后经第一电阻(R1)连接继电器(K1)的驱动端，第一电阻(R1)、第一电容(C1)均连接在管理芯片(U1)的VIN端，第二电容(C2)连接在管理芯片(U1)的BAT端和TEMP端之间，管理芯片(U1)的FB端和BAT端同时接继电器(K1)的常开状态端，继电器(K1)的常闭状态端接管理芯片(U1)的VIN端，继电器(K1)的公共端和管理芯片(U1)的TEMP端分别接在保护电路的PACK+端、PACK-端。充电时，第二发光二极管(LED2)亮，发出红光，充电结束后，第一发光二极管(LED1)亮，发出绿光。完整充电过程的四个模式(涓流充电、恒压充电、恒流充电、维护充电)与保护电路的PACK+和PACK-端的电压有关。
所述的锂芯四重保护电路包括过充、过放、过流、过温保护，保护电路的构成包括：管理芯片(U1)保护芯片(U2)和双MOS场效应管(U3)组成。第三电容(C3)接在保护芯片(U2)的Vdd端和Vss端，锂离子电池组和自回复保险丝(Fuse)连接，并通过第三电阻(R3)连接在保护芯片Vdd一端。当锂离子电池组的温度达到60℃，管理芯片(U1)关断管理电路与锂离子电池组的联系。当保护芯片(U2)的Vdd端电压高于4.25伏时，保护芯片(U2)的过充保护输出端给出一个高频信号，驱动双MOS场效应管(U3)的栅极，使双MOS场效应管(U3)处于判断状态，充电电流被切断；当保护芯片(U2)的Vdd端电压低于2.3伏时，电压电流保护芯片(U1)的过放输出端给出一个高频信号，驱动双MOS场效应管(U3)，使双MOS场效应管(U3)处于判断状态，放电电路被切断；当流过锂离子电池组的电流超4A时，自恢复保险丝(Fuse)切断锂离子电池组与其它电路的联系。
所述的用于显示上述电池组的剩余电量的电池容量指示电路的构成包括：四个电压检测芯片(U4～U7)，电压检测芯片的VOUT端与VSS端之间分别并接由第三至第六发光二极管(LED3～LED6)之一和第五至第八电阻(R5～R8)之一组成的支路后，经由电压检测芯片的VIN端与VSS端连接在电池组的正、负电极之间；
所述的用于对电池的输出电压进行升压的DC-DC变换电路的构成包括由升压芯片(U8)、电感(L)、NMOS场效应管(U9)、肖特基二极管(D1)和第九至第十一电阻(R9～R11)、第四至第八电容(C4～C8))构成的电路网络组成；升压芯片(U8)的外部场效应管栅极驱动端与NMOS场效应管(U9)的栅极相联，第九电阻(R9)的一端与升压芯片(U2)的电压反馈输出端相联，同时连接到NMOS场效应管(U9)的源极，NMOS场效应管(U9)的漏极与电感(L)串联，同时接肖特基二极管(D1)；在恒压输出的高电压端和低电压端之间接上第十和第十一反馈电阻(R10～R11)串联支路，第十一反馈电阻(R11)得到的反馈电压接在升压芯片(U8)的反馈输入端；在升压芯片(U8)、电感(L)和NMOS场效应管(U9)的作用下，产生线性PWM脉冲方波，控制NMOS场效应管(U9)打开或者关闭，脉冲方波的振动频率与第十一反馈电阻(R11)反馈给升压芯片(U2)的反馈电压有关；电感输出的交流电流经过肖特基二极管(D1)、第六和第八电容(C6、C8)的整流、滤波，得到直流电流。
适配器充电器输出口接在多功能随身电源的充电输入口。多功能随身电源的充电输入口(JP1)有三个端口，当适配充电器输出口插入时(即充电时)，多功能随身电源的输入口(JP1)的2、3端断开，当适配充电器输出口拔出时(即没有充电时)，多功能随身电源的输入口(JP1)的2、3端导通。多功能随身电源的输入口(JP1)的1端接充电管理电路的输入端，多功能随身电源的输入口(JP1)的2端接DC-DC变换电路的高电压输入端，多功能随身电源的输入口(JP1)的3端接地。DC-DC变换电路输出端高电压端和低电压端接在USB口(JP2)的高电压端和低电压端，输出的直流电压可以对其它电子设备放电。
多功能扩展电路包括照明电路，驱蚊电路，和报警电路。其中，
所述的报警电路的构成包括：第一和第二二极管(Q1、Q2)、第十二和十三电阻(R12、R13)、继电器(K2)、第一扬声器(BL1)、水银传感开关(Mercury Switch)以及第一功能开关(Switch1)；当第一功能开关闭合时，多功能随身电源处于预报警状态；当水银传感开关发生偏移，触发电路工作，即可由第一扬声器(BL1)产生警报声响。
所述的照明电路的构成包括：限流电阻(R14)、高亮发光二极管(LED7、LED8)以及第二功能开关(Switch2)；当第二开关按下时，高亮发光二极管(LED7、LED8)发光，有效光程在5米以上。
所述的驱蚊电路的构成包括：方波产生器和噪声频率合成电路；其中方波合成器由时基芯片(U12)和第二十电阻(R20)、第十三电容(C13)组成，方波信号频率由串接的第二十电阻(R20)和第十三电容(C13)决定；方波合成器的输出端和第十二电容(C12)、第十九电阻(R19)依次串联，接入噪声合成电路的输入端；噪声合成电路由时基芯片(U11)、第十五至十八电阻(R15～R18)、第九和第十一电容(C9～C11)、第二扬声器(BL2)组成；噪声合成电路产生的驱蚊频率噪声由第二扬声器(BL2)发出。
在本发明技术方案中：充电管理采用芯片CN3066，DC-DC升压采用MAX1771，过充过放保护测量采用R5402和HAT2027，锂芯容量指示采用XC61CC系列芯片。充电时，将整个充电过程分为涓流充电、恒流充电、恒压充电和维护充电四个阶段。充电模式与保护电路的PACK+和PACK-端的电压有关。充电适配器输出口插入多功能随身电源输入口时，充电状态开启，亮红灯；充电结束，亮绿灯。充电适配器输出口拔出时，放电状态开启，可恒定输出5V直流电压，给其它电子设备放电，同时由不同的选择键来控制功能扩展模块工作。
本发明的优点和积极效果：
本发明提供的锂芯四重保护技术(过温保护、过充保护、过放保护、过流保护)能明显增强锂电池使用时的安全性，四个阶段的充电管理模式(涓流充电、恒流充电、恒压充电、维护充电)能够最大限度提高锂芯的充电容量，容量监控电路能够显示锂离子电池组的剩余电能，功能扩展电路的照明、报警以及驱蚊的功能能够满足户外生活的基本需求。本发明采用的器件多数为贴片器件和低功耗器件，容量指示电路、功能扩展电路在未开启时不会给多功能随身电源带来自损耗，能够保证多功能随身电源能量高效地使用。
【附图说明】：
图1是多功能随身电源原理框图。
图2是进一步细化的多功能随身电源原理框图。
图3是充电管理电路原理图。
图4是锂芯保护电路原理图。
图5是容量指示电路部分原理图。
图6是DC-DC变换电路原理图。
图7是照明报警电路原理图。
图8是驱蚊电路原理图。
【具体实施方式】：
实施例1：
如图1、2所示，本发明提供的多功能随身电源包括一个可充放电的并联的锂离子电池组，该锂离子电池组通过导线顺次连接锂芯四重保护电路、充电管理电路；锂离子电池组同时经过导线连接在电池容量指示电路上；充电时由适配充电器连接到充电管理电路上对连接有锂芯四重保护电路的锂离子电池组充电；放电时锂离子电池组经过DC-DC变换电路，给外围电子设备放电，同时通过DC-DC变换电路向多功能扩展电路供电。多功能扩展电路包括照明电路，驱蚊电路，和报警电路。其具体连接电路见图3至图8。
图3中的DC-DC Input连接到图6中的DC-DC Input；图3中的Pack+连接到图4中的Pack+、图5中的Pack+、图6中的Pack+；图3中的Pack-连接到图4中的Pack-、图5中的Pack-、图6中的Pack-；图6中的Output+和Output-分别连接到图7中的Output+和Output-、图8中的Output+和Output-；图4中的Battery+和Battery-分别接两节并联锂芯的正负极。如图3所示，充电管理电路包括：管理芯片(U1)，管理芯片(U1)的
端、
端分别经过正向连接的第一发光二极管(LED1)和第二发光二极管(LED2)后经第一电阻(R1)连接继电器(K1)的驱动端，第一电阻(R1)、第一电容(C1)均连接在管理芯片(U1)的VIN端，第二电容(C2)连接在管理芯片(U1)的BAT端和TEMP端之间，管理芯片(U1)的FB端和BAT端同时接继电器(K1)的常开状态端，继电器(K1)的常闭状态端接管理芯片(U1)的VIN端，继电器(K1)的公共端和管理芯片(U1)的TEMP端分别接在保护电路的PACK+端、PACK-端。图3中的JP1是充电输入口，当插入充电插头时，JP1的1、2口从闭合状态分开，断开DC-DC升压电路以及充电管理电路、锂芯保护电路的连接，JP1的1口输入5V/1.5A，继电器K1工作在闭合状态，CN3066开始进入充电管理阶段，根据监测到Pack+和Pack-两端的电压电流，一方面调整充电电压、充电电流，选择合适的充电模式，一方面监测温度、充电时间，使锂芯在安全范围内达到充电容量最大化。完整充电结束之后，红灯LED1灭，绿灯LED2亮。
图4所示锂芯四重保护电路包括过充、过放、过流、过温保护，保护电路的构成包括：管理芯片(U1)保护芯片(U2)和双MOS场效应管(U3)组成；第三电容(C3)接在保护芯片(U2)的Vdd端和Vss端，锂离子电池组和自回复保险丝(Fuse)连接，并通过第三电阻(R3)连接在保护芯片(U2)的Vdd一端；当锂离子电池组的温度达到60℃，管理芯片(U1)关断管理电路与锂离子电池组的联系。当R5402监测到锂芯电池组的电压高于4.25V时，Hat2027单向导通，电流从脚1到脚3，充电状态被锁存，可防止锂芯过充；当监测到锂芯电池组电压低于2.3V时，Hat2027单向导通，电流从脚3到脚1，放电状态被锁存，可防止锂芯过放。自恢复保险丝防止负载电流过大或短路。
图5中电池容量指示电路的构成包括：四个电压检测芯片(U4～U7)，电压检测芯片的VOUT端与VSS端之间分别并接由第三至第六发光二极管(LED3～LED6)之一和第五至第八电阻(R5～R8)之一组成的支路后，经由电压检测芯片的VIN端与VSS端连接在电池组的正、负电极之间。当Q1按键按下时，可监控锂芯电池组的容量。
图6中的DC-DC变换电路的构成包括由升压芯片(U8)、电感(L)、NMOS场效应管(U9)、肖特基二极管(D1)和第九至第十一电阻(R9～R11)、第四至第八电容(C4～C8))构成的电路网络组成；升压芯片(U8)的外部场效应管栅极驱动端与NMOS场效应管(U9)的栅极相联，第九电阻(R9)的一端与升压芯片(U2)的电压反馈输出端相联，同时连接到NMOS场效应管(U9)的源极，NMOS场效应管(U9)的漏极与电感(L)串联，同时接肖特基二极管(D1)；在恒压输出的高电压端和低电压端之间接上第十和第十一反馈电阻(R10～R11)串联支路，第十一反馈电阻(R11)得到的反馈电压接在升压芯片(U8)的反馈输入端；在升压芯片(U8)、电感(L)和NMOS场效应管(U9)的作用下，产生线性PWM脉冲方波，控制NMOS场效应管(U9)打开或者关闭，脉冲方波的振动频率与第十一反馈电阻(R11)反馈给升压芯片(U2)的反馈电压有关；电感输出的交流电流经过肖特基二极管(D1)、第六和第八电容(C6、C8)的整流、滤波，得到直流电流。
DC-DC升压电路采用的是一种改进型的限流PFM控制方式，采用SEPIC拓扑，控制电路中MOS管IRF7457的导通或截止来储存或释放电感电压。这样既保持了传统PFM的低静态电流，同时在较重负载下也具有很高的效率，而且由于限制了峰值电流，采用很小体积的外围元件就可获得满意的输出纹波，这样就降低电路成本及电路的尺寸。
图7、图8的照明、报警、驱蚊电路实用、安全、便捷，使随身电源在户外活动中能够发挥更大的作用。Switch1按下，使随身电源工作在预警状态，当Mercury Swtich(水银开关)偏离正常的位置，报警电路开始工作，发出报警响声；Switch2按下，LED7、LED8两个高亮灯管在限流电阻R14保护下发光；Switch3按下，U10组成的555电路产生22kHz的振荡频率，再由U11组成的555单稳态电路产生一个50Hz，占空比为50％的方波输入U10的5脚，合成一种噪声，用于驱赶蚊子。
Claims (7)
1.一种多功能随身电源，其特征在于该电源包括一个可充放电的并联的锂离子电池组，该锂离子电池组通过导线顺次连接锂芯四重保护电路、充电管理电路，并由适配充电器依次经充电管理电路和锂芯四重保护电路后对锂离子电池组充电；锂离子电池组同时经过导线连接在电池容量指示电路上；该锂离子电池组经过DC-DC变换电路，给外围设备放电，同时通过DC-DC变换电路向多功能扩展电路供电。
2.根据权利要求1所述的多功能随身电源，其特征在于：
所述的充电管理电路的构成包括：管理芯片(U1)，管理芯片(U1)的
端、
端分别经过正向连接的第一发光二极管(LED1)和第二发光二极管(LED2)后经第一电阻(R1)连接继电器(K1)的驱动端，第一电阻(R1)、第一电容(C1)均连接在管理芯片(U1)的VIN端，第二电容(C2)连接在管理芯片(U1)的BAT端和TEMP端之间，管理芯片(U1)的FB端和BAT端同时接继电器(K1)的常开状态端，继电器(K1)的常闭状态端接管理芯片(U1)的VIN端，继电器(K1)的公共端和管理芯片(U1)的TEMP端分别接在保护电路的PACK+端、PACK一端；
所述的锂芯四重保护电路包括过充、过放、过流、过温保护，保护电路的构成包括：管理芯片(U1)保护芯片(U2)和双MOS场效应管(U3)组成；第三电容(C3)接在保护芯片(U2)的Vdd端和Vss端，锂离子电池组和自回复保险丝(Fuse)连接，并通过第三电阻(R3)连接在保护芯片(U2)的Vdd一端；当锂离子电池组的温度达到60℃，管理芯片(U1)关断管理电路与锂离子电池组的联系；当保护芯片(U2)的Vdd端电压高于4.25伏时，保护芯片(U2)的过充保护输出端给出一个高频信号，驱动双MOS场效应管(U3)的栅极，使双MOS场效应管(U3)处于判断状态，充电电流被切断；当保护芯片(U2)的Vdd端电压低于2.3伏时，保护芯片(U2)的过放输出端给出一个高频信号，驱动双MOS场效应管(U3)，使双MOS场效应管(U3)处于判断状态，放电电路被切断；当流过锂离子电池组的电流超4A时，自恢复保险丝(Fuse)切断锂离子电池组与其它电路的联系；
所述的用于显示上述电池组的剩余电量的电池容量指示电路的构成包括：四个电压检测芯片(U4～U7)，电压检测芯片的VOUT端与VSS端之间分别并接由第三至第六发光二极管(LED3～LED6)之一和第五至第八电阻(R5～R8)之一组成的支路后，经由电压检测芯片的VIN端与VSS端连接在电池组的正、负电极之间；
所述的用于对电池的输出电压进行升压的DC-DC变换电路的构成包括由升压芯片(U8)、电感(L)、NMOS场效应管(U9)、肖特基二极管(D1)和第九至第十一电阻(R9～R11)、第四至第八电容(C4～C8))构成的电路网络组成；升压芯片(U8)的外部场效应管栅极驱动端与NMOS场效应管(U9)的栅极相联，第九电阻(R9)的一端与升压芯片(U2)的电压反馈输出端相联，同时连接到NMOS场效应管(U9)的源极，NMOS场效应管(U9)的漏极与电感(L)串联，同时接肖特基二极管(D1)；在恒压输出的高电压端和低电压端之间接上第十和第十一反馈电阻(R10～R11)串联支路，第十一反馈电阻(R11)得到的反馈电压接在升压芯片(U8)的反馈输入端；在升压芯片(U8)、电感(L)和NMOS场效应管(U9)的作用下，产生线性PWM脉冲方波，控制NMOS场效应管(U9)打开或者关闭，脉冲方波的振动频率与第十一反馈电阻(R11)反馈给升压芯片(U2)的反馈电压有关；电感输出的交流电流经过肖特基二极管(D1)、第六和第八电容(C6、C8)的整流、滤波，得到直流电流。
3.根据权利要求2所述的多功能随身电源，其特征在于：
适配器充电器输出口接在多功能随身电源的充电输入口；多功能随身电源的充电输入口(JP1)有三个端口，当适配充电器输出口插入充电时，多功能随身电源的输入口(JP1)的2、3端断开，当适配充电器输出口拔出时，多功能随身电源的输入口(JP1)的2、3端导通；多功能随身电源的输入口(JP1)的1端接充电管理电路的输入端，多功能随身电源的输入口(JP1)的2端接DC-DC变换电路的高电压输入端，多功能随身电源的输入口(JP1)的3端接地；DC-DC变换电路输出端高电压端和低电压端分别接在USB口(JP2)的高电压端和低电压端，输出的直流电压对其它电子设备放电。
4.根据权利要求1或2或3所述的多功能随身电源，其特征在于：多功能扩展电路包括户外报警电路，高亮照明电路，和野外驱蚊电路。
5.根据权利要求4所述的多功能随身电源，其特征在于：所述的报警电路的构成包括：第一和第二二极管(Q1、Q2)、第十二和十三电阻(R12、R13)、继电器(K2)、第一扬声器(BL1)、水银传感开关(Mercury Switch)以及第一功能开关(Switch1)；当第一功能开关闭合时，多功能随身电源处于预报警状态；当水银传感开关发生偏移，触发电路工作，即可由喇叭(BL1)产生警报声响。
6.根据权利要求4所述的多功能随身电源，其特征在于：所述的照明电路的构成包括：限流电阻(R14)、高亮发光二极管(LED7、LED8)以及第二功能开关(Switch2)；当第二开关按下时，高亮发光二极管(LED7、LED8)发光，有效光程在5米以上。
7.根据权利要求4所述的多功能随身电源，其特征在于：所述的驱蚊电路的构成包括：方波产生器和噪声频率合成电路；其中方波合成器由时基芯片(U12)和第二十电阻(R20)、第十三电容(C13)组成，方波信号频率由串接的第二十电阻(R20)和第十三电容(C13)决定；方波合成器的输出端和第十二电容(C12)、第十九电阻(R19)依次串联，接入噪声合成电路的输入端；噪声合成电路由时基芯片(U11)、第十五至十八电阻(R15～R18)、第九和第十一电容(C9～C11)、第二扬声器(BL2)组成；噪声合成电路产生的驱蚊频率噪声由第二扬声器(BL2)发出。
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20080618 |