CN102111007B

CN102111007B - 带保护功能的电池充电电路及座式充电器

Info

Publication number: CN102111007B
Application number: CN 201110074709
Authority: CN
Inventors: 王海盈; 张芒
Original assignee: Hisense Mobile Communications Technology Co Ltd
Current assignee: Hisense Mobile Communications Technology Co Ltd
Priority date: 2011-03-18
Filing date: 2011-03-18
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2031-03-18
Also published as: CN102111007A

Abstract

本发明公开了一种带保护功能的电池充电电路及座式充电器，包括输入电源、电池充电管理芯片和电池连接器；在所述电池充电管理芯片的使能管脚上连接有过热保护电路，在所述过热保护电路中包含有一颗PNP型三极管和一颗NPN型三极管，所述PNP型三极管的基极连接电池连接器的电池温度检测引脚，并通过第一分压电阻连接所述的输入电源，所述PNP型三极管的发射极连接所述的输入电源，集电极连接所述NPN型三极管的基极，并通过第一限流电阻接地；所述NPN型三极管的发射极接地，集电极连接所述电池充电管理芯片的使能管脚，并通过第二限流电阻连接所述的输入电源。本发明可以降低产品的硬件成本，尤其适用于一般民用的座充电路中。

Description

带保护功能的电池充电电路及座式充电器

技术领域

本发明属于电池充电技术领域，具体地说，是涉及一种带过压、过热保护功能的电池充电电路以及采用所述充电电路设计的座式充电器。

背景技术

座充，又称为座式充电器或者智能充电器，主要为手机、数码相机等所用的锂离子电池充电。

对于目前的座充来说，有的自带220V市电接口，可以直接连接市电，利用其内置的电源适配器将交流市电转换成低压直流电源，为内部的电池充电管理芯片以及外围电路供电。而有些座充并不带有220V市电接口，它的电源输入来源于外置的电源适配器，比如手机上常用的Mini USB接口的电源适配器。这种电源适配器一般输出5V的直流电压，连接到座充的电源接口上时，可以为座充的内部电路供电，并在座充中的电池充电管理芯片的控制下为插入到座充中的锂电池充电。但是，并不是所有具有相同物理接口的电源适配器都具有相同的直流电压输出标准，比如一些Mini USB接口的电源适配器会工作在7V左右。源于某些电源适配器的厂家制造的电源适配器质量较低，不能按照行业标准制造标准配件，如果用户使用这种电源适配器为座充供电，为了保证座充及电池的安全，就要求座充必须自带过压保护功能，不仅要保证自身不受损坏，而且还不能损坏到电池。

另外，由于座充使用的环境不可控，当环境温度较高时，比如超过50摄氏度时，如果对电池充电，会造成电池寿命的急剧下降。并且，当电池发生故障，比如出现短路发热等现象时，应该立即断开对电池的充电，这就要求座充必须带有过热保护功能。

因此，如何以较低的成本实现座充电路的过压和过热保护功能，是本发明所要解决的一项主要问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带保护功能的电池充电电路，以确保电池的充电安全。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种带保护功能的电池充电电路，包括输入电源、控制所述输入电源向电池充电的电池充电管理芯片、以及用于连接电池的电池连接器；在所述电池充电管理芯片的使能管脚上连接有过热保护电路，在所述过热保护电路中包含有一颗PNP型三极管和一颗NPN型三极管，所述PNP型三极管的基极连接电池连接器的电池温度检测引脚，并通过第一分压电阻连接所述的输入电源，所述PNP型三极管的发射极连接所述的输入电源，集电极连接所述NPN型三极管的基极，并通过第一限流电阻接地；所述NPN型三极管的发射极接地，集电极连接所述电池充电管理芯片的使能管脚，并通过第二限流电阻连接所述的输入电源。

进一步的，所述电池连接器在与电池连接后，其电池温度检测引脚连接电池内部的热敏电阻，并通过所述热敏电阻接地；所述热敏电阻为负温度系数的热敏电阻。

优选的，所述PNP型三极管为PNP对管中的其中一颗三极管，在所述PNP对管中，另外一颗PNP型三极管的发射极连接所述的输入电源，集电极通过第三限流电阻接地，基极一方面通过第二分压电阻连接所述的输入电源，另一方面通过第三分压电阻接地。

进一步的，所述第二分压电阻与第三分压电阻的阻值之比等于所述第一分压电阻的阻值与R之比；所述R为电池内部的热敏电阻在过热保护启动温度时所对应的电阻值。

为了使本发明的电池充电电路同时具有过压保护功能，本发明在所述电池充电管理芯片的使能管脚上还连接有过压保护电路，在所述过压保护电路中包含有一颗肖特基二极管，所述肖特基二极管的阴极连接所述的输入电源，阳极连接一开关电路，所述开关电路在肖特基二极管反向击穿时动作，进而将所述电池充电管理芯片的使能管脚上的电平置为无效电平。

进一步的，在所述开关电路中包含有一颗NPN型三极管，所述三极管的基极连接肖特基二极管的阳极，集电极连接所述电池充电管理芯片的使能管脚，发射极接地。

又进一步的，所述肖特基二极管的阳极通过第四限流电阻接地。

再进一步的，所述电池充电管理芯片根据其使能管脚上的电平状态控制与电池连接器的正极引脚相连接的电池充电回路通断，在所述电池充电回路中串联有防止电池电流反灌的开关二极管。

更近一步的，在所述电池充电回路中包含有另一PNP型三极管，所述三极管的基极连接电池充电管理芯片的驱动管脚，发射极连接所述的输入电源，集电极连接所述开关二极管的阳极，所述开关二极管的阴极连接电池连接器的正极引脚；所述电池充电管理芯片的电源管脚连接所述的输入电源。

基于上述带保护功能的电池充电电路结构，本发明又提供了一种采用所述电池充电电路设计的座式充电器，包括由与所述座式充电器外接的电源适配器输出提供的输入电源、控制所述输入电源向电池充电的电池充电管理芯片、以及用于连接电池的电池连接器；其中，在所述电池充电管理芯片的使能管脚上连接有过热保护电路，在所述过热保护电路中包含有一颗PNP型三极管和一颗NPN型三极管，所述PNP型三极管的基极连接电池连接器的电池温度检测引脚，并通过第一分压电阻连接所述的输入电源，所述PNP型三极管的发射极连接所述的输入电源，集电极连接所述NPN型三极管的基极，并通过第一限流电阻接地；所述NPN型三极管的发射极接地，集电极连接所述电池充电管理芯片的使能管脚，并通过第二限流电阻连接所述的输入电源。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明通过在电池充电管理芯片的使能管脚上设计由分立元器件组建而成的过热保护电路，从而在环境温度过高或者电池故障发热时，可以自动停止电池的充电过程，从而在保证电池安全充电的同时，可以避免造成电池使用寿命的急剧下降。此外，通过在电池充电管理芯片的使能管脚上同时设计过压保护电路，从而在输入电源的电压幅值超过所要求的额定值时，可以迅速切断对电池的供电，实现充电电路的过压保护功能。本发明由于采用低成本的模拟电路配合现有的电池充电管理芯片来实现充电电路的过压和过热保护功能，从而可以降低产品的硬件成本，使其更能适用于一般民用的座充电路中。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本发明所提出的电池充电电路的一种实施例的电路原理图；

图2是电池充电管理芯片的使能管脚的开启/关断过程的波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细地描述。

在目前一般的民用座充电路中，都是使用小型集成电路作为主控，即电池充电管理芯片，比如中星微电子的VA7208芯片、SiliconeLake公司的LS1052芯片等等。但是，这种芯片一般只能实现对锂离子电池的充电管理功能，而不能根据用户的实际要求，实现过压和过热保护功能。虽然目前有许多芯片厂家已经针对用户的实际需要将过压、过热等保护功能集成到了电池充电管理芯片中，但是限于成本控制的需要，这种集成芯片在一般民用座充电路中很少使用。

为了以较低的成本实现座充的过压和过热保护功能，本发明提出了采用分立元器件搭建模拟电路，并结合目前座充中的常规电池管理芯片共同设计的实现方式，以适用低成本的民用座充电路的设计要求。

下面通过一个具体的实施例来详细阐述带有过压、过热保护功能的电池充电电路的具体组建结构及其工作原理。

实施例一，本实施例的电池充电电路在传统的仅具有充电管理功能的主控芯片的基础上，即电池充电管理芯片IC001的外围，分别设计模拟过压保护电路和模拟过热保护电路，以实现对锂离子电池的过压和过热保护功能，参见图1所示。

所述过热保护电路连接在电池充电管理芯片IC001的使能管脚EN上，通过将使能管脚EN上的电平置为有效或者无效状态，从而控制电池充电管理芯片IC001开启或者关断对电池的充电过程，实现对电池的过热保护。

在本实施例中，所述过热保护电路可以采用一颗PNP型三极管Q42配合一颗NPN型三极管Q3连接实现，如图1所示。将所述PNP型三极管Q42的基极连接到电池连接器J2的电池温度检测引脚TH上，并通过第一分压电阻R11连接输入电源Vin。其中，所述电池连接器J2用于连接待充电的电池，以座充为例，当将电池插入到座充的电池槽中时，电池上的三个金属触片刚好与座充中的电池连接器J2的三个引脚对应接触。其中，两端的正负极引脚“+”、“-”分别与电池的正、负极对应连接，中间引脚TH用于检测电池温度。对于目前的锂离子电池来说，其内部都集成有热敏电阻R15，且热敏电阻R15表现出负温度特性，即随着温度的升高，其阻值随之变小。因此，通过检测该热敏电阻R15的阻值，可以间接地反映出电池的当前温度。本实施例利用电池内部的热敏电阻R15与电阻R11构成分压网络，对输入电源Vin进行分压，进而输出到PNP型三极管Q42的基极，对三极管Q42的导通状态进行控制。所述PNP型三极管Q42的发射极连接输入电源Vin或者可以进一步通过限流电阻R10连接所述的输入电源Vin；三极管Q42的集电极通过第一限流电阻R14接地，并与NPN型三极管Q3的基极相连接。将所述NPN型三极管Q3的发射极接地，集电极连接所述电池充电管理芯片IC001的使能管脚EN，并进一步通过第二限流电阻R8连接所述的输入电源Vin。

所述输入电源Vin为低压直流电源，对于不带有市电接口的座充来说，可以通过与座充外接的电源适配器转换输出提供。

所述过热保护电路的工作原理是：当电池在充电过程中温度逐渐升高时，其内部热敏电阻R15的阻值会随之下降，因此施加到其两端的电压减小，即PNP型三极管Q42的基极电压随之减小，PNP型三极管Q42从截止状态向饱和导通状态逐渐过渡。事先设定一个过热保护启动温度，可以参照电池厂家提供的电池限定使用温度的规格进行确定，对于目前的锂离子电池来说，一般规定在50℃。根据热敏电阻R15在50℃时的电阻值设定其静态工作点，由此可以计算出温度为50℃时，流经电阻R14的电流，记为i_e。那么，NPN型三极管Q3的基极电压则为V_eQ3＝R14×i_e，静态工作点必须满足V_eQ3≥V_Q3on，其中V_Q3on为三极管Q 3的开启电压，一般硅管为0.65V-0.7V。即当电池温度为50℃时，三极管Q3处于饱和导通状态。此时，三极管Q3的集电极为一较低电平，从而将电池充电管理芯片IC001的使能管脚EN的电平拉低，控制电池充电管理芯片IC001进入关断状态，不对电池进行充电。由此实现了在电池温度较高时，通过停止对电池的充电来达到过热保护目的，有效保证了电池的安全性。

这里所提及的过热保护启动温度50℃，包括环境温度超过50℃以及电池自身发生故障，出现内部短路、发热等现象时超过50℃两种情况。对于电池自身出现短路故障造成的发热，电池自身温度将会很快超过温度保护点。

为了提高所述过热保护电路的工作性能，本实施例优选采用一颗PNP对管来替代所述的PNP型三极管Q42，如图1所示，即PNP型三极管Q41和Q42是一对封装在一起的对管，这组对管有着相对一致的温度特性和β值，从而可以有效保证差分放大电路的稳定性和一致性。同时，使用了对管的差分电路，可以抵御供电电压的变化和抖动，从而使得整个电路不易受非稳定电源的干扰。

仿照三极管Q42的外围电路连接方式，在PNP型三极管Q41的基极连接由第二分压电阻R9和第三分压电阻R12组成的分压网络，即将PNP型三极管Q41的基极通过第二分压电阻R9连接输入电源Vin，通过第三分压电阻R12接地；发射极通过限流电阻R10连接输入电源Vin，集电极通过第三限流电阻R13接地。

根据热敏电阻R15在设定的过热保护启动温度时对应的电阻值，仍以50℃为例进行说明，则电阻R9、R12、R11、R15的阻值应满足以下条件：

R9/R12＝R11/R

其中，R为热敏电阻R15在50℃时所对应的电阻值。

为了简单起见，本实施例设定R9＝R11、R12＝R。实际使用中，可以根据需要选定R9、R12、R11是否选用精密电阻。如果选用精密电阻，可以使批量生产出来的产品保持较好的一致性。

当电池温度升高时，PNP型三极管Q42的基极电压降低，而三极管Q41的基极电压保持不变。这时，流经三极管Q42的电流逐渐变大，流经三极管Q41的电流逐渐变小，直到三极管Q42进入饱和区，而三极管Q41进入截止区。在这个过程中，NPN型三极管Q3基极上的电压一直在变高，当大于三极管Q3的开启电压V_Q3on时，即电池温度大于50℃时，三极管Q3导通，并保持在开启状态。此时，电池充电管理芯片IC001的使能管脚EN被拉低到低电平，即无效状态，从而切断输入电源Vin向电池的充电回路，控制整个电路进入过热保护状态，以避免对电池的使用寿命造成影响。

当电池温度从50℃下降时，热敏电阻R15的阻值变大，从而导致三极管Q42基极上的电压变高，而三极管Q41的基极电压保持不变。这时，流经第一限流电阻R14的电流在逐渐变小，而流经第三限流电阻R13的电流在逐渐变大，直到三极管Q42进入截止区、而三极管Q41进入饱和区。在这个过程中，NPN型三极管Q3的基极电压在不断降低，当其基极电压低于开启电压V_Q3on时，三极管Q3进入截止状态。此时，三极管Q3的集电极电压被限流电阻R8拉高到输入电源Vin的幅值上，从而使得电池充电管理芯片IC001的使能管脚EN上的电平变为高电平，即有效状态。由此，电池充电管理芯片IC001转入正常的工作状态，控制输入电源Vin向电池充电。

在以上变化过程中，由于三极管Q3的基极电平是缓慢提高的，因此三极管Q3的集电极电平也是缓慢提高的，而并不能实现高低电平的瞬间跳变。通过合理分配和选用电阻R9、R12、R11、R15的规格，可以使得这个变化变得非常快。比如选用R9＝R11＝2.5K、R11＝R(R15在50℃的阻值)＝4.1K的电阻，这个变化可以在2℃范围以内完成。即当电池温度在48℃及以下时，本电池充电电路处于稳定的工作状态；而当电池温度升高到50℃或者以上时，本电池充电电路处于稳定的关断状态。依据不同厂家生产的电池充电管理芯片，在48℃到50℃以内对应的使能管脚EN电压，会对有不同的表现。以中星微电子的VA7208芯片为例，其EN管脚使用的是一个施密特触发器，从而使得在48℃到50℃温度升高的过程中，电路处于稳定的工作状态；而从50℃到48℃温度降低的过程中，电路处于稳定的关断状态。这个精度基本可以满足一般用户的需求，以上过程可以通过图2表示。

当然，也可以通过调节过热保护电路中三极管的β值或者分压电阻的阻值来调节这个变化过程的速度，比如选用β值更大的三极管Q3、Q41、Q42，则可以将这个变化过程限定在1℃的范围内完成，以适应不同的应用要求。

本实施例还可以在所述PNP型三极管Q42的基极进一步连接去耦电容C4，以防止基极引脚上的电平波动影响到系统的工作状态。

为了实现电池充电电路的过压保护功能，本实施例在电池充电管理芯片IC001的使能管脚EN上还连接有一过压保护电路，如图1所示，可以由一颗肖特基二极管Z1配合开关电路组建实现。将肖特基二极管Z1的阴极连接到输入电源Vin上，阳极连接开关电路。所述开关电路在肖特基二极管Z1反向击穿时动作，以将电池充电管理芯片IC001的使能管脚EN置为无效电平状态，进而切断电池的充电回路，实现过压保护功能。

作为一种优选设计方案，所述开关电路可以采用一颗NPN型三极管Q2配合简单的外围电路组建实现，如图1所示。将三极管Q2的基极连接肖特基二极管Z1的阳极，并通过第四限流电阻R7接地；三极管Q2的发射极接地，集电极连接所述电池充电管理芯片IC001的使能管脚EN。当施加到所述电池充电电路的输入电源Vin处于肖特基二极管Z1的反向击穿电压范围之内时，肖特基二极管Z1处于截止状态，三极管Q2因其基极为低电平而处于截止区。此时，三极管Q2的集电极通过电阻R8被拉成高电平，从而将电池充电管理芯片IC001的使能管脚EN的电位拉高，即置为有效状态，电池充电管理芯片IC001进入正常的工作状态，控制输入电源Vin向电池充电。

而当输入电源Vin升高，超过肖特基二极管Z1的反向击穿电压时，比如当选定反向击穿电压为5.6V的肖特基二极管时，当肖特基二极管Z1反加电压超过5.6V以后，Z1反向击穿，有电流通过电阻R7以及三极管Q2的基极流到地。由于肖特基二极管Z1反向击穿后的压降很小，从而使三极管Q2基极上的电压大于其开启电压，三极管Q2进入饱和导通状态，拉低其集电极电平，从而使电池充电管理芯片IC001的使能管脚EN变为低电平状态，即无效状态。此时，电池充电管理芯片IC001处于关断状态，切断向电池的充电，这样就有效地保护了电池充电管理芯片IC001以及被充电的电池处于安全的保护状态。由于肖特基二极管Z1的特性以及第四限流电阻R7的存在，实际启动电平测试值为5.7V左右，即当输入电源Vin为5.7V左右时，过压保护电路启动。

根据不同的需要，可以选用不同反向击穿电压的肖特基二极管Z1和限流电阻R7，以起到调整过压启动保护电压的作用。

由于肖特基二极管Z1的存在，当输入电源Vin的电压有一个较大的浪涌时，肖特基二极管Z1可以迅速导通，并通过限流电阻R7释放一定的能量，从而对电池充电管理芯片IC001起到一定的保护作用。

本实施例还可以在所述NPN型三极管Q2的基极进一步连接去耦电容C2，以防止基极引脚上的电平波动影响到系统的工作状态。

本实施例所提出的过压、过热保护电路完全适用于目前的座充电路中，以目前不带市电接口的普通民用座充电路为例进行说明，如图1所示，J1为座充的电源接口，外接电源适配器，接收电源适配器转换提供的输入电源Vin，一方面连接电池充电管理芯片IC001的电源管脚VCC，为电池充电管理芯片IC001提供工作电源；另一方面通过电池充电回路为连接到电池连接器J2上的电池提供充电电流。所述电池充电回路连接在所述输入电源Vin与电池连接器J2的正极引脚“+”之间，可以包括限流电阻R1-R4和一颗PNP型三极管Q1。所述输入电源Vin通过限流电阻R1-R4连接PNP型三极管Q1的发射极，所述PNP型三极管Q1的基极连接电池充电管理芯片IC001的驱动管脚DRIVE，集电极连接一颗开关二极管D1的阳极，所述开关二极管D1的阴极连接电池连接器J2的正极引脚“+”。当电池充电管理芯片IC001处于正常工作状态时，置其驱动管脚DRIVE为低电平，控制三极管Q1导通，使输入电源Vin向连接到电池连接器J2上的电池充电。而当电池充电管理芯片IC001处于关闭状态时，置其驱动管脚DRIVE为高电平，控制三极管Q1截止，从而切断输入电源Vin向电池的充电。此时，由于开关二极管D1反向截止，因此可以避免电池电流反灌入所述的电池充电电路。经实际测试，如果本电路不在电池的充电回路中设计开关二极管D1，则反灌电流约为1mA。而增加上开关二极管D1后，反灌电流可以小于0.1uA。这样，即使电池长期存放于座充内，也不会让电池长期放电，以至过度放电损坏电池。

采用本实施例所提出的过压、过热保护电路，只要一个设定条件满足，系统立刻终止充电，进入保护状态，从而有效确保了整个系统的安全。此外，本实施例的保护电路完全采用低成本的通用器件搭建实现，从而可以有效控制产品成本，适合应用在各种类型的座充电路设计中。

当然，以上所述仅是本发明的一种优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种带保护功能的电池充电电路，包括输入电源、控制所述输入电源向电池充电的电池充电管理芯片、以及用于连接电池的电池连接器；其特征在于：所述输入电源为低压直流电源；在所述电池充电管理芯片的使能管脚上连接有过热保护电路，在所述过热保护电路中包含有一颗PNP型三极管和一颗NPN型三极管，所述PNP型三极管的基极连接电池连接器的电池温度检测引脚，并通过第一分压电阻连接所述的输入电源，所述PNP型三极管的发射极连接所述的输入电源，集电极连接所述NPN型三极管的基极，并通过第一限流电阻接地；所述NPN型三极管的发射极接地，集电极连接所述电池充电管理芯片的使能管脚，并通过第二限流电阻连接所述的输入电源。

2.根据权利要求1所述的电池充电电路，其特征在于：所述电池连接器在与电池连接后，其电池温度检测引脚连接电池内部的热敏电阻，并通过所述热敏电阻接地；所述热敏电阻为负温度系数的热敏电阻。

3.根据权利要求2所述的电池充电电路，其特征在于：所述PNP型三极管为PNP对管中的其中一颗三极管，在所述PNP对管中，另外一颗PNP型三极管的发射极连接所述的输入电源，集电极通过第三限流电阻接地，基极一方面通过第二分压电阻连接所述的输入电源，另一方面通过第三分压电阻接地。

4.根据权利要求3所述的电池充电电路，其特征在于：所述第二分压电阻与第三分压电阻的阻值之比等于所述第一分压电阻的阻值与R之比；所述R为电池内部的热敏电阻在过热保护启动温度时所对应的电阻值。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的电池充电电路，其特征在于：在所述电池充电管理芯片的使能管脚上还连接有过压保护电路，在所述过压保护电路中包含有一颗肖特基二极管，所述肖特基二极管的阴极连接所述的输入电源，阳极连接一开关电路，所述开关电路在肖特基二极管反向击穿时动作，进而将所述电池充电管理芯片的使能管脚上的电平置为无效电平。

6.根据权利要求5所述的电池充电电路，其特征在于：在所述开关电路中包含有一颗NPN型三极管，所述开关电路中的NPN型三极管的基极连接肖特基二极管的阳极，集电极连接所述电池充电管理芯片的使能管脚，发射极接地。

7.根据权利要求5所述的电池充电电路，其特征在于：所述肖特基二极管的阳极通过第四限流电阻接地。

8.根据权利要求5所述的电池充电电路，其特征在于：所述电池充电管理芯片根据其使能管脚上的电平状态控制与电池连接器的正极引脚相连接的电池充电回路通断，在所述电池充电回路中串联有防止电池电流反灌的开关二极管。

9.根据权利要求8所述的电池充电电路，其特征在于：在所述电池充电回路中包含有另一PNP型三极管，所述电池充电回路中的PNP型三极管的基极连接电池充电管理芯片的驱动管脚，发射极连接所述的输入电源，集电极连接所述开关二极管的阳极，所述开关二极管的阴极连接电池连接器的正极引脚；所述电池充电管理芯片的电源管脚连接所述的输入电源。

10.一种座式充电器，其特征在于：包括如权利要求1至9中任一项权利要求所述的带保护功能的电池充电电路；其中，所述的输入电源由与所述座式充电器外接的电源适配器输出提供。