CN103023110A - 模拟双电池管理方法及其电路 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种模拟双电池管理方法及相应的管理电路，包括多个供电模块和输出端，所述管理电路还包括选控单元、多个反馈单元和隔离单元；其中，供电模块包括输入端、输出端和控制端，输入端与电池连接；所述供电模块、选控单元、反馈单元和隔离单元均通过模拟电路实现。本发明的有益效果在于：本发明的模拟双电池管理电路通过采用模拟电路实现双电池供电设备中两块电池供电的选择管理，与现有的数字电路实现的双电池管理技术相比具有响应时间更短及额定电流更大等有点，使对响应时间要求高和/或控制电流要求大的双电池供电设备的应用成为可能。

Description

模拟双电池管理方法及其电路

技术领域

本发明涉及一种电池管理电路，具体涉及一种通过模拟电路设计的双电池管理电路。

背景技术

目前，手持式和/或移动电子设备的续航能力（电池供电能力）在大多数产品中属于短板技术，提高手持式和/或移动电子设备的续航能力的技术被高度重视。在市场上，大部分此类电子设备采用的是单块电池供电和管理。为了提高电池的续航能力及延长设备的使用时间，不同的厂家采用了不同的方法：有的厂家通过增大电池的容量（更换大容量的电池）延长使用时间，但由于大容量电池技术问题，电池容量的增大程度仍然有限，对于一些对电池续航能力要求较高的情况下使用时间仍然无法达到要求；也有一部分厂家采用双电池或者多电池联合供电的方式。采用双电池或者多电池联合供电的方式可以解决电池续航能力的问题，但是会有电池供电切换及各电池使用监测（即多电池的管理）等新的技术问题出现。

目前，对于采用双电池（多电池）供电的手持式电子设备多采用的是数字电路构成的电池管理电路进行双电池间的切换。而此类电池管理电路存在电路切换响应时间长及额定电流不高等缺点；进一步的，由于电路切换时间长可能导致设备供电间断故障等问题出现，甚至会造成直接损失等严重后果，而由于额定电流不高导致其使用领域有限。

发明内容

本发明的目的是为了解决双电池（多电池）供电的手持式和/或移动电子设备中现有的数字式管理电路存在的切换时间长及额定电流小等问题，提出了一种模拟双电池管理方法及相应的管理电路。

本发明的技术方案：本发明的模拟双电池管理电路，包括多个供电模块和输出端，其特征在于，所述管理电路还包括选控单元、多个反馈单元和隔离单元；

其中，供电模块包括输入端、输出端和控制端，输入端与电池连接；选控单元包括多个输入端和多个输出端，各输出端与各供电模块的控制端一一对应连接；反馈单元包括输入端和反馈端，输入端与供电模块的输出端连接，各反馈单元的反馈端与选控单元各输入端一一对应连接；隔离单元包括多个输入端和输出端，所述各供电模块的输出端与隔离单元各输入端一一对应连接，隔离单元的输出端作为电路输出端；所述供电模块、选控单元、反馈单元和隔离单元均通过模拟电路实现。

作为一种优选方案，上述管理电路还包括外部电源输入端，该输入端通过另一反馈单元连接至选控单元另一输入端，并与隔离单元另一输入端连接。

作为一具体方案，上述供电模块包括开关单元、基准源单元和监控单元，所述监控单元与基准源单元连接用于监测电池电压，并根据监测值与基准源基准值的比较结果控制开关单元的通断。

更进一步的，供电模块还包括阈值调控单元，阈值调控单元能根据开关单元开起和关闭时供电模块输出端状态的不同改变监控单元传输向基准源单元的监测值，所述阈值调控单元通过模拟电路实现。

一种采用上述模拟双电池管理电路的双电池管理方法，包括以下步骤：

a、反馈单元采集外部电源和供电模块输出端信号，将信号反馈给选控单元；

b、选控单元判断是否有外部电源输入，若有外部电源输入则切断第二电池端，第一电池端保持供电准备状态，控制单元判断具体过程通过电压比较实现；

c、若外部电源断开，选控单元判断第一电池端是否有输出，若有输出则切断第二电池端，由第一电池供电；

d、判断第一电池电量是否充足，若电量充足，则维持第一电池供电状态，若不充足，选控单元切断第一电池，转为第二电池供电；

e、判断第二电池电量是否充足，若电量充足，则维持第二电池供电状态，若不充足，选控单元切断所有电池端，电路停止供电。

进一步的，若只连接第一电池与第二电池之一，则由相应的第一电池或第二电池供电；

若第一电池或第二电池供电过程中接入另一第二电池或第一电池，则保持相应的供电状态不变。

更进一步的，若第一电池或第二电池供电过程中接入外部电源，则转为外部电源供电。

本发明的有益效果在于：本发明的模拟双电池管理电路通过采用模拟电路实现双电池供电设备中两块电池供电的选择管理，与现有的数字电路实现的双电池管理技术相比具有响应时间更短及额定电流更大等有点，使对响应时间要求高和/或控制电流要求大的双电池供电设备的应用成为可能。

附图说明

图1为本发明的模拟双电池管理电路原理图。

图2为本发明的一具体实施例的电路原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详述。

实施例1：

图1所示为本发明的一具体实施方式：所示的模拟双电池管理电路，包括2个供电模块和输出端J4，该管理电路还包括选控单元、两个反馈单元和隔离单元；

其中，供电模块包括输入端（J2或J3）、输出端和控制端，输入端（J2或J3）与电池连接；选控单元包括两个输入端和两个输出端，两个输出端与两个供电模块的控制端一一对应连接；反馈单元包括一个输入端和一个反馈端，输入端与供电模块的输出端连接，各反馈单元的反馈端与选控单元各输入端一一对应连接，反馈单元与供电模块也是一一对应的关系；隔离单元包括两个输入端和一个输出端，各供电模块的输出端与隔离单元各输入端一一对应连接，隔离单元的输出端作为电路输出端J4；供电模块、选控单元、反馈单元和隔离单元均通过模拟电路实现。其中，供电模块的功能是监测电池电量，并在电池电量低于内部根据基准源电压值设定的基准值的时候选择关断电池到输出端的通路；一个供电模块对应一组电池同时对应一个反馈单元，反馈单元用于将供电模块输出端的状态处理并反馈给选控单元，选控单元根据反馈单元反馈的状态控制各供电模块的状态，具体过程是当某一供电模块输出端有输出（内部开关单元接通，输出端为相应电池输出）时，在该供电模块对应的反馈单元的反馈信号的作用下控制单元控制另外的供电模块使其内部的开关单元处于断开状态，即该组电池不输出；隔离单元的作用在于将各组反馈单元的输出汇集成同一的输出端（本实施例中为J4），同时使各供电模块的输出端相互隔离，互不影响。

作为一种优选方案，上述管理电路还包括外部电源输入端，该输入端通过另一反馈单元连接至选控单元另一输入端，并与隔离单元另一输入端连接；在本实施例中，选控单元具有三个输入端，管理电路包含三个反馈单元，隔离单元包括三个输入端，这里选控单元的三个输入端、三个反馈单元及隔离单元的三个输入端分别与两个电池和一个外部电源对应。

作为一具体方案，上述供电模块包括开关单元、基准源单元和监控单元，所述监控单元与基准源单元连接用于监测电池电压，并根据监测值与基准源基准值的比较结果控制开关单元的通断；其中监控单元具有检测和取样的作用。

更进一步的，供电模块还包括阈值调控单元，阈值调控单元能根据开关单元开起和关闭时供电模块输出端状态的不同改变监控单元传输向基准源单元的监测值，所述阈值调控单元通过模拟电路实现。该阈值调控单元的具体工作模式为，当供电模块输出端有输出时，该阈值单元作用于监控单元，并使监控单元的输出值增大；当供电模块输出端没有输出时，该阈值单元作用于监控单元，并使监控单元的输出值减小。其作用在于防止与该供电模块连接的电池在与负载断开后电压回升导致供电模块反复开关的现象。

实施例2：

图2所示为本发明的另一具体实施例，在该实施例中，供电模块包括开关单元、基准源单元、监控单元和阈值调控单元。

其中，开关单元通过MOS管实现，具体可以是PMOS管比如说AO3407，开关单元还包括偏置电阻R4。

基准源单元为一基准电源，具有基准电压比较端（基准源单元输入端）和两个开关端，两开关端能根据输入到基准电压比较端的电压值与其基准电压的比较状态接通和断开，该基准源单元U1（或U2）可以为比如说三端基准源TL431，其基准电压为2.5V。

监控单元为两个连接至供电模块输入端和地之间的串联采样电阻（本实施中为R1/R2或R9/R10），其采样电压输出端为监控单元输出端，具体连接至基准源单元的基准电压比较端，用于向基准源单元提供比较电压。

阈值调控单元具体通过连接于供电模块输出端和基准源单元输入端之间的电阻R3（或R11）实现，该电阻可以是根据电池特性及电路参数选用的定值电阻，也可以是可调电阻，其具体作用为：不使用阈值调控单元时，三端基准源的输入电压V_{U1_1}=V_bat1R₂/(R₁+R₂)，不因供电模块输出端的状态而改变，其中V_bat1为电池的实时电压值，在使用阈值调控单元的情况下，当供电模块输出端有输出时，三端基准源的输入电压V`<sub>U1_1</sub>=V`_bat1(R₁R₂+R₂R₃)/(R₁R₂+R₁R₃+R₂R₃)，当供电模块输出端没有输出时，三端基准源的输入电压V_{U1_1}=V_bat1R₂/(R₁+R₂)。其中，由于电池停止供电后电压有所回升，故有关系V_bat1＞V`<sub>bat1</sub>，而由于(R<sub>1</sub>R<sub>2</sub>+R<sub>2</sub>R<sub>3</sub>)/(R<sub>1</sub>R<sub>2</sub>+R<sub>1</sub>R<sub>3</sub>+R<sub>2</sub>R<sub>3</sub>)＞R<sub>2</sub>/(R<sub>1</sub>+R<sub>2</sub>)，进一步可以通过设定R3的值使V`_{U1_1}＞V_{U1_1}，以防止电池电压回升导致供电模块反复接通的现象发生。

选控单元，即选择控制单元，能够根据反馈单元的反馈信息控制各供电模块的工作状态。在本实施例中具体通过两个MOS管Q3/Q4比如说NMOS管NDS355实现，所述NMOS管栅极作为选控单元的两个输入端，漏极作为选控单元的两个输出端，源极接地，每个NMOS管的栅极和漏极分别连接至一个供电模块的控制端和与另一供电模块连接的反馈单元的反馈端。

反馈单元在本实施例中通过串联反馈电阻实现，具体为两个电阻串联在供电模块输出端和地之间（R5/R6或R13/R14），两个电阻串联的公共端作为反馈端，反馈单元反馈端与选控单元的连接关系之前已经描述了，在此不再重复。反馈单元的作用是将供电模块输出端的信息取样后反馈给选控单元。

隔离单元在本实施例中通过两个二极管比如说B340A实现，其中一个二极管与一个供电模块对应，在电路中的具体连接关系为二极管的负极相互连接作为电路输出端J4，正极分别与相应的供电模块连接。其作用在于隔离各个反馈单元的输入端以实现反馈单元与供电模块输出端的对应。

更进一步的，实施例2可以包括外部电源输入端，该外部电源输入端连接至外部电源，同时与一个反馈单元比如说二极管D1和一个反馈单元比如说串联电阻反馈单元R7/R8连接。为了与增加的反馈单元对应，在选控单元中增加相应的一个NMOS管Q5比如说NDS355，所述NMOS管Q5源漏极与Q3或Q4并联，栅极与新增的反馈单元反馈端连接。

其目的在于使本实施例的电池管理电路具有使用外部电源的功能，进一步扩大实施例的使用场合。

在实施例2中，外部电源及两个供电模块的工作条件如下：

为方便描述，假设与Q5连接的供电模块对应的电池为第二电池，即在图2中与J3连接的电池。与另一供电模块连接的电池为第一电池，则：

本电路具有根据电池插入顺序先后选择工作的电池，即先插第一电池，则第一电池先工作；先插第二电池，则第二电池先工作；接入外部电源时，由外部电源供电，同时第一电池准备供电（即与之连接的供电模块为通路，但由于外部电源的接入使电池输出端电压为开路电压而没有功率输出的准备状态）。

一种采用上述模拟双电池管理电路的双电池管理方法，包括以下步骤：

a、反馈单元采集外部电源和供电模块输出端信号，将信号反馈给选控单元；

b、选控单元判断是否有外部电源输入，若有外部电源输入则切断第二电池端，第一电池端保持供电准备状态，控制单元判断具体过程通过电压比较实现；判断是否有外部电源输入的具体过程是通过反馈单元与外部电源输入端连接，若外部电源有输入，则反馈单元反馈端有信号输出。其中第一电池端保持供电准备状态是指第一电池端供电通路畅通，但由于电路输出端为外部电源电压，与第一电池输出电压相同，第一电池无功率输出的状态。

c、若外部电源断开，选控单元判断第一电池端是否有输出，若有输出则切断第二电池端，由第一电池供电；选控单元的该判断原理与上述判断是否有外部电源输入一致。

d、判断第一电池电量是否充足，若电量充足，则维持第一电池供电状态，若不充足，选控单元切断第一电池，转为第二电池供电；判断电量是否充足通过电压比价实现。

e、判断第二电池电量是否充足，若电量充足，则维持第二电池供电状态，若不充足，选控单元切断所有电池端，电路停止供电，第二电池电量判断原理与第一电池电量判断原理相同。

进一步的，若只连接第一电池与第二电池之一，则由相应的第一电池或第二电池供电；

若第一电池或第二电池供电过程中接入另一第二电池或第一电池，则保持相应的供电状态不变。

更进一步的，若第一电池或第二电池供电过程中接入外部电源，则转为外部电源供电。

以下以实施例2中采用具体元件的电路为例对该实施例的电路的工作过程及电池管理方法作一详细描述，如图2所示：

a、无外部电源输入：

当第一电池接入时，U₁管脚1电压V_{U1_1}=V_bat1R₂/(R₁+R₂)，如果V_{U1_1}大于2.5V时，则电池电压正常，U₁管脚2与3导通，Q₁栅极电压小于源极电压，Q₁导通；如V_{U1_1}小于2.5V时，电池电压过低，U₁管脚2与3关断，Q₁栅极电压等于源极电压，Q₁关断。第一电池接好后，Q₁导通，电阻R3生效，U₁管脚1电压V`_{U1_1}=V_bat1(R₁R₂+R₂R₃)/(R₁R₂+R₁R₃+R₂R₃)，当第一电池在正常电压，且接好后，Q₁导通，接入第二电池，由于Q₄栅极电压大于源极电压，Q₄导通，V_{U2_2}小于2.5V（V_{U2_2}为U₂管脚2电压），U₂管脚2与3关断，Q₂栅极电压等于源极电压，Q₂关断。

当第一电池电压较低时，V`<sub>U1_1</sub>小于2.5V，U<sub>1</sub>管脚2与3关断，Q<sub>1</sub>栅极电压等于源极电压，Q<sub>1</sub>关断；电阻R<sub>3</sub>失效，U<sub>1</sub>管脚1电压V<sub>U1_1</sub>=V<sub>bat1</sub>R<sub>2</sub>/(R<sub>1</sub>+R<sub>2</sub>)，V<sub>U1_1</sub>将会V`_{U1_1}比更低一些，这能够防止由于电池关断后电压回升导致电路反复开关的情况，其中电阻R₃的值可以根据电池电压的回升幅度和/或电压迟滞范围等参数修改和设置。Q₁管关断后，Q₄栅极电压等于源极电压导致Q₄关断，第二电池端电路恢复正常，工作流程与上述第一电池端工作流程相同。

b、外部电源输入：

当外部电源接入后，电池停止供电，由于Q₅栅极电压大于源极电压导致Q₅导通，V_{U2_2}小于2.5V，U₂管脚2与3关断，Q₂栅极电压等于源极电压导致Q₂关断；第一电池准备供电。

c、电池插拔切换：

当第一电池对外供电时(第二电池连接正常，且电量正常)，拔掉第一电池，Q₄栅极电压等于源极电压导致Q₄关断，第二电池端电路恢复正常（工作过程见a中所述），第二电池对外供电。

实施例3：

在实施例2所示的电路中，其他元件不变，仅将MOS管Q₃、Q₄及Q₅更换为普通三极管比如说NPN型三极管，通过对Q₃、Q₄及Q₅的上述更换可以进一步缩短电路响应时间，增强电路的驱动能力。

使用本发明的模拟双电池管理电路的好处在于，本发明的管理电路相对于传统单电池供电管理和数字电路双电池供电管理，该新型模拟电路双电池管理方法通过模拟电路完成对两块电池的管理，完成设备的电池供电切换及设备工作过程电池更换，使得用电设备可以具有更长时间持续工作能力之外，具有更高的可靠性，更低的成本。并且由于本发明的管理电路并非使两块电池同时为设备供电，而是两块电池切换供电，通过模拟电路的方式对电池电量检测，并根据设定值对电池欠压后自动进行电池供电切换。该模拟双电池供电管理电路比用数字电路实现此过程具有更高的可靠性，更低的成本。因而采用本发明的技术方案，可以使得设备不仅具有更高的续航能力，还具有更高的可靠性及更低的成本。此外，合理的电池切换有助于延长供电电池的使用寿命。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种模拟双电池管理电路，包括多个供电模块和输出端，其特征在于，所述管理电路还包括选控单元、多个反馈单元和隔离单元；

其中，供电模块包括输入端、输出端和控制端，输入端与电池连接；选控单元包括多个输入端和多个输出端，各输出端与各供电模块的控制端一一对应连接；反馈单元包括输入端和反馈端，输入端与供电模块的输出端连接，各反馈单元的反馈端与选控单元各输入端一一对应连接；隔离单元包括多个输入端和输出端，所述各供电模块的输出端与隔离单元各输入端一一对应连接，隔离单元的输出端作为电路输出端；所述供电模块、选控单元、反馈单元和隔离单元均通过模拟电路实现。

2.根据权利要求1所述的模拟双电池管理电路还包括外部电源输入端，该输入端通过另一反馈单元连接至选控单元另一输入端，并与隔离单元另一输入端连接。

3.根据权利要求1所述的模拟双电池管理电路，所述的供电模块包括开关单元、基准源单元和监控单元，所述监控单元与基准源单元连接用于监测电池电压，并根据监测值与基准源基准值的比较结果控制开关单元的通断。

4.根据权利要求1或3所述的模拟双电池管理电路，所述供电模块还包括阈值调控单元，阈值调控单元能根据开关单元开起和关闭时供电模块输出端状态的不同改变监控单元传输向基准源单元的监测值，所述阈值调控单元通过模拟电路实现。

5.一种采用所述模拟双电池管理电路的双电池管理方法，包括以下步骤：

a、反馈单元采集外部电源和供电模块输出端信号，将信号反馈给选控单元；

b、选控单元判断是否有外部电源输入，若有外部电源输入则切断第二电池端，第一电池端保持供电准备状态，控制单元判断具体过程通过电压比较实现；

c、若外部电源断开，选控单元判断第一电池端是否有输出，若有输出则切断第二电池端，由第一电池供电；

d、判断第一电池电量是否充足，若电量充足，则维持第一电池供电状态，若不充足，选控单元切断第一电池，转为第二电池供电；

e、判断第二电池电量是否充足，若电量充足，则维持第二电池供电状态，若不充足，选控单元切断所有电池端，电路停止供电。

6.根据权利要求5所述的双电池管理方法还包括以下情况的管理：

若只连接第一电池与第二电池之一，则由相应的第一电池或第二电池供电；

若第一电池或第二电池供电过程中接入另一第二电池或第一电池，则保持相应的供电状态不变。

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