CN101394094B - 全自动高效升降压电路 - Google Patents

Abstract

一种全自动高效升降压电路，包括输入/输出端口、电压采样电路、电源电路、开关电路、升压/降压转换电路、电流采样电路、主控电路、以及电池组，电源电路分别连接到输入/输出端口及主控电路，电压采样电路的输入端分别连接到所述输入/输出端口以及电池组，输出端连接到主控电路，升压/降压转换电路分别与输入/输出端口、开关电路，以及主控电路连接，开关电路同时连接到主控电路以及电池组，电流采样电路分别连接到输入/输出端口、主控电路，以及电池组。本发明提供的全自动高效升降压电路可根据其采集的电压与电流信号自动切换输出升压与输入降压的状态，且电路结构简单实现了低成本高效率的升压与降压。

Description

全自动高效升降压电路

技术领域

本发明涉及全自动高效升压与降压电路，具体是无需人为控制可全自动自切换降压充电与升压放电的高效升降压电路。

背景技术

目前通过降压对电池充电的电路，与通过升压对电池放电的电路已经较为普及，但是同一电路既实现降压充电又可实现升压放电，并能全自动自切换的高效同步整流电路还远未被人们认识和广泛应用。传统的电池充电与放电电路大部分是采用肖特基整流技术，而且充电降压管理部分与放电升压管理部分都是相互独立的两部分电路，这样不但电路结构复杂、成本高、而且充放电效率低。随着信息技术的发展，数字芯片要求供电电压越来越低、供电电流越来越大、供电功率越来越高。肖特基速整流技术因其在大电流时的动态功耗很大已远远不能满足供电的需求，为解决这个问题，提出了同步整流的概念。同步整流是采用通态电阻极低的专用功率MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)，来取代整流二极管以降低损耗的一项新技术，它能大大提高DC/DC(直流/直流)变换器的效率，采用同步整流技术的效率可达90％以上。但无论是降压同步整流电路还是升压同步整流技术，都必须使用两个功率MOSFET，因此电路结构复杂、成本较高。

现有技术中尚未有同一电路既实现降压充电又可实现升压放电，并能全自动自切换的高效同步整流技术，相关文献中提到了一些现代充放管理电技术的新方法，例如：

1.在中国专利ZL 200520114473.0中提到一种智能电池包，其中所述智能电池包放电控制单元和充电控制单元与电池管理芯片，特点为对电池充放电起到了双重保护做用，提高了电池包的安全性，但放电控制单元和充电控制单元是相互独立的两个单元，并未实现同一电路既实现降压充电又可实现升压放电，并能全自动自切换的高效同步整流技术。

2.在申请号为200410014954.4的中国专利申请中提出一电池管理器，采用单片机控制加Buck降压方案，且放电使用了同步整流电路，实现了高效充电，但也并未实现同一电路既实现降压充电又可实现升压放电，并能全自动自切换的高效同步整流技术。

从这些充放电管理的新技术看来，目前尚未见同一电路既实现降压充电又可实现升压放电，并能全自动自切换的高效同步整流技术的方案。

发明内容

本发明的所要解决的技术问题在于提供一种能实现同一电路既降压充电又可升压放电，并能全自动自切换的高效升降压电路。

本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：一种全自动高效升降压电路，包括输入/输出端口、电压采样电路、电源电路、开关电路、电流采样电路、主控电路、以及电池组，所述电源电路的输入端分别连接输入/输出端口，输出端连接主控电路，还包括升压/降压转换电路，所述电压采样电路的输入端分别连接到所述输入/输出端口以及所述电池组，输出端连接到所述主控电路，所述升压/降压转换电路分别与输入/输出端口、开关电路，以及主控电路连接，所述开关电路同时连接到主控电路以及电池组，所述电流采样电路分别连接到输入/输出端口、主控电路，以及电池组；

所述升压/降压转换电路主要由功率场效应管Q1、Q2、三极管Q5、Q7、Q8、电阻R2、R4、R8、R25、电容C1、C5、与电感L1组成，功率场效应管Q1的源极、三极管Q7的集电极、电阻R2的一端，以及电容C1的正极形成一结点后连接到所述输入/输出端，电阻R2的另一端同时连接到三极管Q7的基极、三极管Q8的基极，以及三极管Q5的集电极，电容C1的负极以及三极管Q5的发射极接地，三极管Q5的基极通过电阻R4连接到所述主控电路，三极管Q7的发射极连接到功率场效应管Q1的栅极，三极管Q8的发射极通过电阻R25连接到功率场效应管Q1的栅极，功率场效应管Q1的漏极连接到电感L1的一端，电感L1的另一端同时连接到所述开关电路以及电容C5的正极，功率场效应管Q2的漏极连接到功率场效应管Q1的漏极与电感L1之间的结点，功率场效应管Q2的栅极连接到所述主控电路，并通过电阻R8接地，功率场效应管Q2的源极以及电容C5的负极接地。

该发明全自动高效升降压电路进一步包括：

一基准稳压源，所述基准稳压源的输入端连接所述输入/输出端口，输出端连接所述主控电路。

一过压保护电路，所述过压保护电路一端连接到输入/输出端口，另一端连到主控电路。

一显示电路，所述显示电路连接到主控电路。

所述输入/输出端口包括第一微动开关及第二微动开关两个微动开关与接触直流母座，所述接触直流母座具有5个引脚，其中第1脚为正极接到第一微动开关的1脚与升压/降压转换电路，第2脚为第一微动开关的2脚，第3脚接到第二微动开关的1脚，第4脚为第二微动开关的2脚，第5脚为负极接到电流检测电路。

所述主控电路由单片机组成，所述单片机内部还包括一计数器，用于在电池组充电开始后开始计时，在达到预设的最长充电时间后中止电池充电。

所述电源电路与基准稳压源均是从输入/输出端口获取电压经稳压后为主控电路、显示电路提供工作电压，并给主控电路提供基准电压。所述主控电路内部预存有系列参数与程序。例如恒流、恒压充电、过流保护、过压保护、短路保护、时间计时等各自预先设定的电压、电流、最长时间、及显示电路的各项显示状态等信息。所述主控电路从所述电流采样电路实时获取电池组充电与放电电流信息，并从电压采样电路实时获取输入与输出的电压信号，根据获取的电压与电流信息判断电路的各种情况，以此控制升压/降压转换电路的升压输出或降压输出的状态、开关电路的接通与断开状态，以及显示电路的各项显示状态，以完成电池组的充放电过程。

与现有技术相比，本发明提供的全自动高效升降压电路可根据其采集的电压与电流信号自动切换输出升压与输入降压的状态，且降压与升压时均采用的同步整流技术，电路结构简单实现了低成本高效率的升压与降压。此外此电路还具有恒流、恒压充电、过流保护、过压保护、短路保护、时间计时、等控制，有效的避免了电池过充与欠充现象，大大增加了电池组的安全性与使用寿命。

附图说明

图1为本发明全自动高效升降压电路的电路框图。

图2为本发明全自动高效升降压电路一实施方式的具体电路图。

具体实施方式

参阅图1所示，本发明的全自动高效升降压电路，包括输入/输出端口10、过压保护电路20、电压采样电路30、电源电路40、升压/降压转换电路50、开关电路60、显示电路70、电流采样电路80、主控电路90、基准稳压源100、复位电路110，以及电池组120。

其中输入/输出端口10为带有两个微动开关的DC(直流)母座，当有DC头插入时第一微动开关断开，第二微动开关接通。

过压保护电路20一端连接到输入/输出端口10，并通过电压采样电路连到主控电路90。在主控电路90的控制下，提供整个电路的过压保护。

电压采样电路30的输入端分别连接到输入/输出端口10以及电池组120，输出端连接到主控电路90。主要用于将电路输出、输入、电池组的各类电压信号实时送往主控电路90，来完成电池组120充放电电压的采样工作。

电源电路40与基准稳压源100的输入端分别连接输入/输出端口10，输出端分别连接主控电路90，电源电路40主要是从输入/输出端口10获取电压，经稳压后提供给主控电路90与显示电路70工作。基准稳压源100主要是将一稳定不受外界干扰的电压送往主控电路90，来完成提供主控电路90基准电压的工作。

升压/降压转换电路50分别与输入/输出端口10、开关电路60，以及主控电路90连接。它主要是根据主控电路90输出的控制信号，实现导通与截止状态，并实现电路的升压输出或者降压输出。

开关电路60同时连接到主控电路90以及电池组120，主要是根据主控电路90的控制输出开关控制信号，来完成电池组120与升压/降压转换电路50的接通与断开工作。

显示电路70连接到主控电路90，在主控电路90的控制下显示电路的各个状态。

电流采样电路80分别连接到输入/输出端口10、主控电路90，以及电池组120。主要用于将电路的各类充放电电流信号实时送往主控电路90，来完成电池组120充放电电流的采样工作。

复位电路110连接到主控电路90，主要用于当有DC头插入或取出母座后主控电路90的上电复位工作。

该全自动高效升降电路的工作过程如下所述：所述电源电路40与基准稳压源100均是从输入/输出端口10获取电压经稳压后为主控电路90、显示电路70提供工作电压，并给主控电路90提供基准电压。所述主控电路90内部预存有系列参数与程序。例如恒流、恒压充电、过流保护、过压保护、短路保护、时间计时等各自预先设定的电压、电流、最长时间、及显示电路的各项显示状态等信息。所述主控电路90从所述电流采样电路80实时获取电池组120充电与放电电流信息，并从电压采样电路30实时获取输入与输出的电压信号，根据获取的电压与电流信息判断电路的各种情况，以此控制升压/降压转换电路50的升压输出或降压输出的状态、开关电路60的接通与断开状态，以及显示电路70的各项显示状态，以完成电池组120的充放电过程。

下面结合图2以一个具体实施例详细介绍本发明全自动高效升降压电路的各个模块。其中除升压/降压转换电路50与单片机内部预存的程序以外，其他各个模块的电路均可以采用现有的电路方案，因此，这些电路的具体连接关系在此不再赘述。

输入/输出端口10：输入/输出端口包括两个微动开关与接触DC母座，接触DC母座具有5个引脚，其中第1脚为正极接到第一微动开关的1脚与升压/降压转换电路50，第2脚为第一微动开关的2脚，第3脚接到第二微动开关的1脚，第4脚为第二微动开关的2脚，第5脚为负极接到电流采样电路80。当有DC头插入时，接触DC母座的2脚与1脚断开及3脚与4脚接通，即第一微动开关断开，第二微动开关接通；没有DC头插入时，接触DC母座的2脚与1脚接通及3脚与4脚断开，即第一微动开关接通，第二微动开关断开。

主控电路90：主要由单片机IC2组成，单片机IC2为本发明全自动高效升降压电路的核心部分，其具体工作如下：

初始化：单片机复位后首先对各参数如恒流、恒压充电、过流保护、过压保护、短路保护、时间计时等各项功能所需的的基准电压、电流、最长时间、及显示电路的各项显示状态等信息等进行设定，并且将各输入输出端口进行定义，然后进行自检；

确定电路输入或输出的状态：单片机IC2将从电压采样电路30采样回来的电压数据与单片机IC2内部设定的各基准数据比较进行综合判断后，进而准确判断出电路的当前状态。当输入端口有电压输入时，单片机IC2将把升压/降压转换电路50切换为降压充电状态，其相应的显示与检测电路也将自动切换为降压充电状态。当输入端口没有电压输入时，单片机IC2将把升压/降压转换电路50切换为升压放电状态，其相应的显示与检测电路也将自动切换为升压放电状态。

判断降压充电阶段：电路切换为降压充电状态后，充电时将不停的采集检测各个电压、电流及其电压与电流随时间的变化量等信息，通过综合分析计算出电池组当前所处的状态，根据电池组当前所处状态通过软件修正制定电池组的充电曲线，并根据电池组的不同状态确定充电的不同阶段，进而根据不同的阶段做出相应的显示。单片机IC2内部还包括一计数器(未图示)，用于在充电开始后开始计时，当其它参数不起作用时，在该计时器计时达到预设的最长时间时，终止充电过程，防止各电池严重过充。

过压保护电路20：由压稳压二极管Z1组成，两端分别连接到输入/输出端口10的接触DC母座第1脚以及主控电路90，提供整个电路的过压保护。

电压采样电路30：由电阻R1、R14、R15、R16及电容C2、C3组成，其连接于输入/输出端10与电池组120的正极上，主要用于将电路输出、输入、电池组的各类电压信号实时送往单片机IC2的1脚与第2脚，来完成电池组充放电电压的采样工作。

电源电路40：由二极管D1、D2，稳压芯片IC1、电阻R27、R 3、及电容C4、C6组成，主要是从输入/输出端10与电池组120的正极获取电压经稳压后提供给主控电路90与显示电路70工作。

开关电路60：由电阻R9、R12、功率MOS管Q4及三极管Q6组成，其连接于升压/降压转换电路50与电池组120的路径上，主要是根据单片机IC2第18脚输出开关控制信号，来完成电池组120的正极与升压/降压转换电路50的接通与断开工作。

显示电路70：为LCD(液晶显示)与LED(发光二极管)结合的显示方式包括多种显示信息。图2中LCD显示部分包括12种显示状态，LED包括两种显示状态，由液晶显示屏与该液晶显示屏连接的电阻R17、R18、R19、R20、R21、R22、R23、R24以及发光二极管LED1、电阻R6组成。所述LCD与LED显示支路分别从单片IC2的第5脚、6脚、7脚、8脚、9脚、10脚、16脚获取电路各个状态的显示信息，进而做出相应的显示，具体显示内容如下：

自检：当DC头插入DC母座后，液晶屏全部显示，LED1点亮一秒后熄灭。表示自动检测完毕。

充电：当DC头插入DC母座内，液晶屏上显示“充电”字样与电池符号闪烁则表示电池组正在充电。

充饱：电池组充饱后液晶屏上的电池符号显示满格并停止闪烁则表示电池组充饱。

放电：将DC转换线的一头插入DC母座内电池组自检完毕，电池组液晶屏上显示“放电”字样后，将另一头插入用电设备内，即可使用。

电流采样电路80：由电阻R7、R10、R11及电容C11组成，其连接于电池组120充电与放电路径上，主要用于将电路的各类充放电电流信号实时送往单片机IC2的3脚，来完成电池组120充放电电流的采样工作。

基准稳压源100：主要由稳压芯片IC3、电阻R13、电容C7、C8、C9组成，连接于输入/输出端口10，主要是将一稳定不受外界干扰的电压送往单片机IC2的第14脚，来完成提供基准电压的工作。

复位电路110：由电阻R5、R26及电容C10组成，其连接于输入/输出端口10的接触DC母座的第3脚与单片机IC2的11脚上，主要用于当有DC头插入或取出接触DC母座后单片机IC2的上电复位工作。

升压/降压转换电路50：主要由功率MOS(场效应管)管Q1、Q2、三极管Q5、Q7、Q8、电阻R2、R4、R8、R25、电容C1、C5、与电感L1组成，功率MOS管Q1的源极、三极管Q7的集电极、电阻R2的一端，以及电容C1的正极形成一结点后连接到输入/输出端10的接触DC母座的1脚，电阻R2的另一端同时连接到三极管Q7的基极、三极管Q8的基极，以及三极管Q5的集电极，电容C1的负极以及三极管Q5的发射极接地，三极管Q5的基极通过一电阻R4接收单片机IC2的12脚发出的PWM1信号，三极管Q7的发射极连接到功率MOS管Q1的栅极，三极管Q8的发射极通过电阻R25连接到功率MOS管Q1的栅极，功率MOS管Q1的漏极连接到电感L1的一端，电感L1的另一端同时连接到开关电路60中功率MOS管Q4的漏极以及电容C5的正极，功率MOS管Q2的漏极连接到功率MOS管Q1的漏极与电感L1之间的结点，功率MOS管Q2的栅极接收单片机IC2的13脚发出的PWM2信号，并通过电阻R8接地，功率MOS管Q2的源极以及电容C5的负极接地。

此电路为本发明的重要组成部分，它主要是根据单片机IC2第12脚输出的PWM1控制信号与13脚输出的PWM2控制信号，实现导通与截止状态。开关电路60在升压输出状态与降压输出状时均是处于导通状态，因此以下将不再叙述开关电路60的状态，其默认为导通。

当单片机IC2根据各电压与电流信号判断需要升压输出时，此时C5为滤波作用，单片机IC2的第13脚输出频率为200KHz的PWM2控制信号，延时0.5us后单片机IC2的第12脚再输出频率为200KHz的PWM1控制信号，这样形成了功率MOS管Q1比MOS管Q2延时0.5us导通的交替导通同步整流电路结构，此时Q2为功率开关管，Q1为代替肖特基二极管的MOS整流管。具体工作如下：当单片机IC2的第13脚输出高电平第12脚输出低电平时，功率MOS开关管Q2导通、功率MOS整流管Q1截止，此时电感L1处于储能状态，当单片机IC2的第13脚输出低电平第12脚输出高电平时功率MOS开关管Q2截止、功率MOS整流管Q1导通，因电感中的电流不能突变此时电感L1的磁能将改变线圈两端的电压极性，改变后的电压叠加在电池组120的正极上通过功率MOS整流管Q1向电解电容C1充电，并与电解电容C1一起向负载供电，这样就形成了输出电压高于电池组120的状态，完成了升压过程。

当单片机IC2根据各电压与电流信号判断需要降压输出时，此时C1为滤波作用，单片机IC2的第12脚输出频率为28KHz的PWM1控制信号，延时2us后单片机IC2的第13脚再输出频率为28KHz的PWM2控制信号，这样形成了功率MOS管Q2比MOS管Q1延时2us导通的交替导通同步整流电路结构，此时Q1为功率开关管，Q2为代替肖特基二极管的MOS续流管。具体工作如下：当单片机IC2的第12脚输出高电平第13脚输出低电平时，功率MOS开关管Q1导通、功率MOS续流管Q2截止，电流经过功率MOS开关管Q1与电感L1向电解电容C5充电并向电池组供电，此时电感L1未饱和前，电流线性增加。当单片机IC2的第12脚输出低电平第13脚输出高电平时，功率MOS开关管Q1截止、功率MOS续流管Q2导通，由于电感L1的磁能将改变线圈两端的电压极性，以保持LI电流不变，因此电感L1的电流经过功率MOS续流管Q2向电解电容C5充电，并与电解电容C5向电池组供电，因单片机IC2的内部设定PWM的占空比最大为60％，所以输出电压会小于输入电压，这样就形成了充电电压低于输入电压的状态，完成了降压过程。

判断升压放电阶段：电路切换为升压放电状态后、将不停的采集检测各个电压、电流信号，通过综合分析判断出输出电压是否在设定范围之间，是否有过压、过流、短路等异常现象，进而做出相应的调整与显示。

本发明全自动高效升降压电路的工作原理可简述为：当有DC头插入输入/输出端10的接触DC母座后，此时接触DC母座的第1脚与第2脚断开第3脚与第4脚接通，电池组120的正极便接通到电源电路40与复位电路110，单片机IC2经供电复位初始化结束后将不停的检测各个电压与电流信号，当检测到输入/输出端10有电压输入且在要求范围时单片机IC2便开通开关电路60的功率MOS管Q4，然后将电路调整为降压充电状态进行电池组120的充电。进入充电模式后单片机IC2把从电池组120通过电压采样电路30及电流采样电路80采样回来的电压与电流信号经数字滤波消除干扰和谐波成分后，进行恒流、恒压、充饱、过流、短路保护等基准电压比较综合判断后，进而控制升压/降压转换电路50与开关电路60工作。此外，最长时间控制采用单片机IC2内部计数器。当电池组120开始充电后计数器开始工作。当电池组120饱和或最大时间达到要求时，单片机IC2关闭升压/降压转换电路50与开关电路60，完成充电过程。

当检测到输入/输出端没有电压输入时单片机IC2便开通开关电路60的功率MOS管Q4，然后将电路调整为升压放电状态进行电池组120的放电。进入放电模式后单片机IC2把从电池组120采样回来的电压与电流信号经数字滤波消除干扰和谐波成分后，进行过压、过流、短路保护等基准电压比较综合判断后，进而控制升压/降压转换电路50与开关电路60工作。使电路输出电压一直在设定的范围内。

本全自动高效升降压电路的优点为：

本电路硬件电路简洁可靠，主控电路90使用单片机IC2控制，升压/降压转换电路50采用了同步整流技术可实现高效大电流充放电，同一电路实现了既升压又降压的功能，且电路结构简单，电路成本低。

建立动态模型，通过对各个变化量的计算与置信度考查而终止快速充电，有效的避免了电池过充与欠充现象，大大延长了电池的使用寿命。

硬件电路实现简单可靠并具有电路自身多项保护，更安全可靠。

Claims (8)

1.一种全自动高效升降压电路，包括输入/输出端口、电压采样电路、电源电路、开关电路、电流采样电路、主控电路、以及电池组，所述电源电路的输入端分别连接输入/输出端口，输出端连接主控电路，其特征在于：包括升压/降压转换电路，所述电压采样电路的输入端分别连接到所述输入/输出端口以及所述电池组，输出端连接到所述主控电路，所述升压/降压转换电路分别与输入/输出端口、开关电路，以及主控电路连接，所述开关电路同时连接到主控电路以及电池组，所述电流采样电路分别连接到输入/输出端口、主控电路，以及电池组；

所述升压/降压转换电路主要由功率场效应管Q1、Q2、三极管Q5、Q7、Q8、电阻R2、R4、R8、R25、电容C1、C5、与电感L1组成，功率场效应管Q1的源极、三极管Q7的集电极、电阻R2的一端，以及电容C1的正极形成一结点后连接到所述输入/输出端，电阻R2的另一端同时连接到三极管Q7的基极、三极管Q8的基极，以及三极管Q5的集电极，电容C1的负极以及三极管Q5的发射极接地，三极管Q5的基极通过电阻R4连接到所述主控电路，三极管Q7的发射极连接到功率场效应管Q1的栅极，三极管Q8的发射极通过电阻R25连接到功率场效应管Q1的栅极，功率场效应管Q1的漏极连接到电感L1的一端，电感L1的另一端同时连接到所述开关电路以及电容C5的正极，功率场效应管Q2的漏极连接到功率场效应管Q1的漏极与电感L1之间的结点，功率场效应管Q2的栅极连接到所述主控电路，并通过电阻R8接地，功率场效应管Q2的源极以及电容C5的负极接地。

2.如权利要求1所述的全自动高效升降压电路，其特征在于：包括一基准稳压源，所述基准稳压源的输入端连接所述输入/输出端口，输出端连接所述主控电路。

3.如权利要求1所述的全自动高效升降压电路，其特征在于：包括一过压保护电路，所述过压保护电路一端连接到输入/输出端口，并通过电压采样电路连到主控电路。

4.如权利要求1所述的全自动高效升降压电路，其特征在于：包括一显示电路，所述显示电路连接到主控电路。

5.如权利要求1所述的全自动高效升降压电路，其特征在于：所述输入/输出端口包括第一微动开关及第二微动开关两个微动开关与接触直流母座，所述接触直流母座具有5个引脚，其中第1脚为正极接到第一微动开关的1脚与升压/降压转换电路，第2脚为第一微动开关的2脚，第3脚接到第二微动开关的1脚，第4脚为第二微动开关的2脚，第5脚为负极接到电流检测电路。

6.如权利要求1所述的全自动高效升降压电路，其特征在于：所述主控电路由单片机组成。

7.如权利要求6所述的全自动高效升降压电路，其特征在于：所述单片机内部还包括一计数器。

8.如权利要求6所述的全自动高效升降压电路，其特征在于：包括一复位电路，所述复位电路连接到主控电路。

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