CN102082457B - 一种充电装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电学领域，特别是关于一种充电装置及控制方法，其中装置包括PWM驱动单元输出充电电压，该充电电压通过第一分压电阻后反馈回所述PWM驱动单元，检测单元检测PWM驱动单元输出的充电电压，将检测结果传送给控制单元，控制单元根据检测结果计算输出更新的控制电压，更新的控制电压通过第二分压电阻与经过第一分压电阻的充电电压合并为一路电压，反馈回PWM驱动单元调整PWM驱动单元输出充电电压。通过本发明实施例的分压电阻直接反馈输出的充电电压，并且通过调节分压电阻虚地端的电势，可以快速的对PWM驱动单元的控制，从而实现对充电过程快速和精确的控制。

Description

一种充电装置及控制方法

技术领域

本发明涉及电学领域，特别是关于一种充电装置及控制方法。

背景技术

开关电源广泛应用于照相机、摄像机、PDA、手提电脑、便携式监测设备等电子产品中。随着便携式产品的日益发展和广泛应用，对开关电源电压输出种类有了更多的需求，对其体积和稳定性提出了更高的要求。

在当前的便携式电子产品中普遍配备可充电锂离子电池，不同的产品工作电压不同、功率不同，所要求的电池输出电压及容量不同。现有的充电管理芯片有多种，根据能够充电的串联锂离子电池节数分：单节锂离子电池充电芯片、二节锂离子电池充电芯片及多节锂离子电池充电芯片，但最多仅能对六节锂离子电池进行充电。对于电源电压要求高于六节串联锂离子电池的便携式应用来说，无现成可以用的集成充电管理芯片。

对多节串联充电电池充电，目前的方案是市电经EMI滤波、桥式整流滤波变成直流电送入功率变换电路(DC/DC)，功率变换电路在PWM控制器和单片机控制下输出稳定的直流电压。其中有两种方案：

如图1所示为现有技术1中的充电电路图，该图中的单片机控制完成输出电压电流的采样，然后通过控制算法和DA转换得到输出到PWM控制器的反馈模拟量，从而控制PWM控制器输出波形的占空比达到调节电压的目的，但是该方案的问题在于，需要变压器、桥式整流电路，产品体积大，不易小型化，对便携式设备不太实用，需要对输出电压电流进行模数转换，经过控制算法，最后由DA转换输出PWM控制器所需要的反馈模拟量。控制器所需要的反馈模拟量是单片机系统对输出电压采样经过一定算法后实时输出的，如果程序有问题则导致反馈电压失常，会对电源系统带来灾难性故障，如若反馈电压变的比正常值低，则输出电压可能会达到系统不可接受的高电压，因此该种方案对系统可靠性的要求很高，从而带来系统成本的增加。

如图2所示为现有技术2中的充电电路图，该充电的控制方法基本与上述方案相同，只是PWM控制器的输入模拟反馈量不是来自DA转换器的输出而是直接来自输出采样电阻。其工作过程是：单片机采样输出电压电流，通过控制算法改变数字电位器的电阻值，从而改变电压反馈比例，以此得到不同的输出电压，该方案的问题在于，数字电位器的输出分辨率较低，一般在10位以下，因而不能对输出电压进行精细控制，同时它也需要变压器、桥式整流电路，产品体积大，不易小型化，对便携式设备不太实用。

发明内容

本发明实施例提供一种充电装置及控制方法，用于解决现有技术中充电控制延迟，并且输出的控制量分辨率低等问题。

本发明实施例提供一种充电装置，包括：

PWM驱动单元，检测单元，控制单元，第一分压电阻和第二分压电阻；

所述PWM驱动单元输出充电电压，该充电电压通过第一分压电阻后反馈回所述PWM驱动单元，所述检测单元检测所述PWM驱动单元输出的充电电压，将检测结果传送给所述控制单元，所述控制单元根据所述检测结果计算输出更新的控制电压，所述更新的控制电压通过所述第二分压电阻与经过所述第一分压电阻的充电电压合并为一路电压，反馈回所述PWM驱动单元调整所述PWM驱动单元输出充电电压。

根据本发明实施例所述的充电装置的一个进一步的方面，还包括输入缓冲单元，分别与所述PWM驱动单元和控制单元相连接，在所述控制单元的控制下向所述PWM驱动单元供电。

根据本发明实施例所述的充电装置的再一个进一步的方面，所述检测单元检测PWM驱动单元输出的充电电压和充电电流，将所述检测到的充电电流和检测到的充电电压传送给所述控制单元。

根据本发明实施例所述的充电装置的另一个进一步的方面，所述控制单元进一步包括：基准电压模块，数字模拟转换器，单片机，运算放大器；所述基准电压向所述数字模拟转换器提供基准电压，所述单片机获取所述检测单元传送来的检测结果，根据所述检测结果计算得到需要更新的控制电压，通过所述数字模拟转化器和运算放大器输出模拟量更新的控制电压，将所述更新的控制电压输出到所述第二分压电阻。

根据本发明实施例所述的充电装置的另一个进一步的方面，所述单片机将所述检测结果与设定值比较，如果不相等则利用如下公式计算出更新的控制电压：Va＝[2.5*(R24+R11)-Vc*R11]/R24，其中Va为当前充电所需的充电电压，Vc为更新的控制电压，R24为第二分压电阻，R11为第一分压电阻。

根据本发明实施例所述的充电装置的另一个进一步的方面，所述数字模拟转换器为乘法型数字模拟转换器。

本发明实施例还提供了一种充电控制方法，

PWM驱动单元输出充电电压，该充电电压通过第一分压电阻后反馈回所述PWM驱动单元；

检测单元检测所述输出的充电电压，将检测结果传送给控制单元；

所述控制单元根据所述检测结果计算输出更新的控制电压；

所述更新的控制电压通过所述第二分压电阻与经过所述第一分压电阻的充电电压合并为一路电压，反馈回所述PWM驱动单元。

根据本发明实施例所述的充电控制方法的再一个进一步的方面，在检测单元检测所述输出的充电电压，将检测结果传送给控制单元中还包括，检测单元检测所述输出的充电电流，将检测结果传送给控制单元。

根据本发明实施例所述的充电控制方法的另一个进一步的方面，在所述控制单元根据所述检测结果计算输出更新的控制电压中，控制单元将检测结果与设定值比较，如果不相等则利用如下公式计算得出更新的控制电压：

Va＝[2.5*(R24+R11)-Vc*R11]/R24，其中Va为当前充电所需的充电电压，Vc为更新的控制电压，R24为第二分压电阻，R11为第一分压电阻。

通过本发明实施例，通过分压电阻直接反馈输出的充电电压，并且通过调节分压电阻虚地端的电势，可以快速的对PWM驱动单元进行控制，从而实现对充电过程快速和精确的控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为现有技术1中的充电电路图；

图2所示为现有技术2中的充电电路图；

图3所示为本发明实施例一种充电装置的结构示意图；

图4所示为本发明实施例一种充电装置的具体电路图；

图5所示为本发明实施例控制单元中单片机的电路图；

图6A、图6B和图6C所示为本发明实施例的辅助电源电路图；

图7所示为本发明实施例一种充电控制方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图3所示为本发明实施例一种充电装置的结构示意图。

PWM驱动单元301，检测单元302，控制单元303，第一分压电阻304，第二分压电阻305。

所述PWM驱动单元301输出充电电压，该充电电压通过第一分压电阻304后反馈回所述PWM驱动单元301，所述检测单元302检测所述PWM驱动单元301输出的充电电压，将检测结果传送给所述控制单元303，所述控制单元303根据所述检测结果计算输出更新的控制电压，所述更新的控制电压通过所述第二分压电阻305与经过所述第一分压电阻304的充电电压合并为一路电压，反馈回所述PWM驱动单元301调整所述PWM驱动单元301输出充电电压。

通过上述实施例，PWM驱动单元301经过第一分压电阻的反馈电压是直接反馈，反应速度迅速，可以很快的稳定PWM驱动单元输出的充电电压，并且通过调节控制电压可以调节反馈给PWM驱动单元的电压，从而可以精确控制输出的充电电压。

如图4所示为本发明实施例一种充电装置的具体电路图。

包括输入缓冲单元401，PWM驱动单元402，检测单元403，控制单元404。

其中输入缓冲单元401，与所述控制单元404相连接，用于在所述控制单元404的控制下向PWM驱动单元402进行供电，以避免给所述充电装置的部件造成冲击。

所述PWM驱动单元402，其中L2、Q2、D5及U8构成boost电路主体，U8的6脚输出PWM波控制Q2的通与关，Q2关断时存储在L2上的能量通过D5向后级电路输出。反馈电压在经电阻R11与电阻R24，在B点反馈到U8(可以采用芯片TL2842D-8)的电压反馈引脚上。

检测单元403，其中充电电压VFB通过分压电阻取得；充电电流IFB由采样电阻R6、放大器U4、电阻R16、R13及电容C26组成的电路取得，输出端J2与负载(充电电池)相连接。

控制单元404，包括基准电压模块4041，例如采用REF5040A芯片输出4.096V的基准电压；数字模拟转换器4042，例如采用乘法型DAC7811芯片，该乘法型DAC7811芯片可以输出12位精度的电压信号(当然可以根据控制精度的要求选用更高精度的乘法型数字模拟转换器，如16位精度的乘法型数字模拟转换器、18位精度的乘法型数字模拟转换器等等)，根据单片机4043(如图5所示)输出的控制信号，例如同步信号

时钟信号(SCLK)，数据输入信号(SDIN)，数据输出信号(SDO)，进行数模转换，将输入的数字电压控制信号转换为模拟信号，输出给运算放大器(OPA2228)4044；运算放大器输出控制电压(图中C点电压)，经过分压电阻R24到达B点，B点电压由A点输出电压、电阻R11、电阻R24及C点电压决定，同时在系统稳定运行时B点电压被TL2842的2脚钳位在2.5V，C点电压为固定值。由此可得输出电压即A点电压表达式为：(设A点电压为Va，C点电压为Vc)

Va＝[2.5*(R24+R11)-Vc*R11]/R24        (式1)

由式1可见，在R11(第一分压电阻)、R24(第二分压电阻)确定的情况下，通过改变Vc即可改变系统的电压输出Va。

其中，如图5所示的单片机，其接收检测单元输出的检测到的充电电压VFB和充电电流IFB，向控制单元中的DAC7811芯片输出控制信号，利用自身集成的12位AD转换器实现对充电电流和充电电压的采样，在电池充电的过程中，单片机将所述检测得到的输出电压或输出电流与设定值相比较，如果输出电压或者输出电流与设定值不相等，例如大于所述设定值或者小于所述设定值，其中设定值为当前充电所需的电压或电流，则根据上述式1通过控制算法得到更新的控制电压，即如果输出电压或者输出电流大于设定值则升高控制电压，通过上式1计算得知升高控制电压即可以降低输出电压(若要降低输出电流，同样是通过降低输出电压来间接降低输出电流)，在这里上式1中的Va为当前充电所需的充电电压或对应的所需充电电流的充电电压值，如果输出电压或输出电流小于设定值则可以降低控制电压，通过上式1计算可知降低控制电压可以升高输出电压(若要升高输出电流，同样是通过升高输出电压来间接升高输出电流)，在这里上式1中的Va为当前充电所需的充电电压或对应所需充电电流的充电电压值，然后通过DAC7811芯片和运算放大器输出控制电压，该控制电压通过第二分压电阻R24调节B点电压，从而调节PWM驱动单元的反馈，实现控制输出充电电压的目的。

对于充电装置中的各单元所需要的驱动电压可以通过图6A、图6B和图6C中的辅助电源获得，所述充电装置由外部15V直流电源供电(图中Vin)，上电后辅助电源工作，得到系统需要的+3.3V、+5V和-5V电压源。由两片集成直流到直流(DCDC)转换芯片TPS5430DDA及其外围电感、电阻电容和二极管组成的电源电路把外部直流电源分别转换成+3.3V和+5V；由集成DCDC转换芯片MAX735及其外围电感、电容及二极管组成的电路将+5V转换成-5V。

+3.3V给系统的单片机和数模转换器DAC7811的数字接口供电；+5V给运算放大器OPA2228和基准电压模块REF5040A供电；-5V给运算放大器OPA2228供电。

如图7所示为本发明实施例一种充电控制方法的流程图。

步骤701，PWM驱动单元输出充电电压，该充电电压通过第一分压电阻后反馈回所述PWM驱动单元，进行稳定输出充电电压的操作。

步骤702，检测单元检测所述输出的充电电压和充电电流，将检测结果传送给控制单元。

步骤703，所述控制单元根据所述检测结果计算输出更新的控制电压。

步骤704，所述更新的控制电压通过所述第二分压电阻与经过所述第一分压电阻的充电电压合并为一路电压，反馈回所述PWM驱动单元。

在所述步骤701之前还可以包括，在控制单元的控制下向所述PWM驱动单元供电，从而可以避免供电电流对充电装置部件造成冲击。

其中所述控制单元中的单片机根据所述检测结果计算输出更新的控制电压中，利用检测结果与设定值比较，如果未达到设定值或者超过了设定值(也就是不相等)，则根据下式计算得出更新的控制电压，Va＝[2.5*(R24+R11)-Vc*R11]/R24，其中Va为当前充电需要的充电电压，控制单元控制电压输出的C点电压为Vc，R11为第一分压电阻，R24为第二分压电阻，由于当前充电所需的充电电压已知，可以计算出需要在C点输出的更新的控制电压，控制单元可以根据计算结果输出控制电压到C点。

通过上述实施例，由于采用了直流-直流输入，利用现在市场上的直流电源(例如12V或15V电源)作为外部供电即可实现对多节锂离子电池进行充电，省缺了交流到直流(ACDC)转换部分，减少了产品体积，从而更适应便携式产品的要求。

通过计算获得更新的控制电压，此更新的控制电压并不是反馈到PWM驱动单元的电压反馈输入端，而是反馈到分压电阻，改变虚地电阻电势。在交流分析中此电路与纯硬件模拟反馈的等效电路等同，因此在动态响应上较模拟量采样转换，计算后再通过数模转换输出模拟量反馈到控制器的控制方式要快。

本方案与现有技术中数字电位器型方案相比，由于采用了乘法型数字模拟转换器，因此可实现高精度等级的输出控制电压，可以实现16位、18位甚至更高的控制精度。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种充电装置，其特征在于包括：

PWM驱动单元，检测单元，控制单元，第一分压电阻和第二分压电阻；

所述PWM驱动单元输出充电电压，该充电电压通过第一分压电阻后反馈回所述PWM驱动单元，所述检测单元检测所述PWM驱动单元输出的充电电压，将检测结果传送给所述控制单元，所述控制单元根据所述检测结果计算输出更新的控制电压，所述更新的控制电压通过所述第二分压电阻与经过所述第一分压电阻的充电电压合并为一路电压，反馈回所述PWM驱动单元调整所述PWM驱动单元输出充电电压；

所述控制单元进一步包括：基准电压模块，数字模拟转换器，单片机，运算放大器；所述基准电压模块向所述数字模拟转换器提供基准电压，所述单片机获取所述检测单元传送来的检测结果，根据所述检测结果计算得到需更新的控制电压，通过所述数字模拟转换器和运算放大器输出模拟量的更新的控制电压，将所述更新的控制电压输出到所述第二分压电阻；其中，所述数字模拟转换器为乘法型数字模拟转换器。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括输入缓冲单元，分别与所述PWM驱动单元和控制单元相连接，在所述控制单元的控制下向所述PWM驱动单元供电。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述检测单元检测PWM驱动单元输出的充电电压和充电电流，将所述检测到的充电电流和检测到的充电电压传送给所述控制单元。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述单片机将所述检测结果与设定值比较，如果不相等则利用如下公式计算出更新的控制电压：

Va=[2.5*（R24+R11）-Vc*R11]/R24，其中Va为当前充电需要的充电电压，Vc为更新的控制电压，R24为第二分压电阻，R11为第一分压电阻。

5.一种充电控制方法，其特征在于，

PWM驱动单元输出充电电压，该充电电压通过第一分压电阻后反馈回所述PWM驱动单元；

检测单元检测所述输出的充电电压，将检测结果传送给控制单元；

所述控制单元根据所述检测结果计算输出更新的控制电压；

所述更新的控制电压通过第二分压电阻与经过所述第一分压电阻的充电电压合并为一路电压，反馈回所述PWM驱动单元。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在检测单元检测所述输出的充电电压，将检测结果传送给控制单元中还包括，检测单元检测输出的充电电流，将检测结果传送给控制单元。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述控制单元根据所述检测结果计算输出更新的控制电压中，控制单元将检测结果与设定值比较，如果不相等则利用如下公式计算得到更新的控制电压：

Va=[2.5*（R24+R11）-Vc*R11]/R24，其中Va为当前充电所需的充电电压，Vc为更新的控制电压，R24为第二分压电阻，R11为第一分压电阻。

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