CN103762650A - 一种基于平衡充电技术的单usb口备用电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于平衡充电技术的单USB口备用电源，包括有控制模块、主升压模块、输入输出共用接口模块、充电及电池保护模块和USB接口，所述控制模块用于控制输入输出共用接口模块、主升压模块和主保护电路模块，所述充电及电池保护模块依次通过输入输出共用接口模块、主升压模块和主电路保护模块连接至USB接口，所述USB接口通过输入输出共用接口模块与充电及电池保护模块连接。本发明通过实现输入输出共用接口电路实现单USB接口，通过主升压电路实现大电流快速充电，并结合平衡充电技术与提供过载、过压、过流三重保护的主电路保护模块，可以延长备用电池的使用寿命。本发明作为一种基于平衡充电技术的单USB口备用电源可广泛应用于电子电路领域。

Description

一种基于平衡充电技术的单USB口备用电源

技术领域

本发明涉及电子电路领域，尤其是一种基于平衡充电技术的单USB口备用电源。

背景技术

时下智能手机凭借其操作简单、外形时尚、配置强大、应用广泛的特性，早已经成了消费市场的主流产品，然而它的高速数据处理能力和精彩的外观正是需要电池电量的大量消耗为基础的。在目前的手机结构上，电池电量基本在1000毫安时到2000毫安时之间，正常的使用仅能保证一天的时间时间，如果电话过多或者多媒体业务使用过多，一天的时间都不能保证。正是在这种原因下，备用电源凭借其超大的电池容量，弥补了智能手机的不足，可以满足消费者3到5次的手机充电，保证了正常业务联系和娱乐功能的使用。

备用电源的充电电流市面上流行为1A，这对容量为几千甚至上万毫安时的电池来讲，需要充电10个小时以上。

更为重要的是，目前市面上的主流方案，内部的电芯均为并联使用，这样无法单独检测每个电芯的状态，即使在某一个电芯失效的极端情况下，系统均无法做出判断，这个很可能引起爆炸等极端现象。另外由于电芯本身特性的离散性，直接并联会引起不同电芯间的相互直接充电，同时也会影响系统对电芯充电状态的判断。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是：提供一种基于平衡充电技术实现恒流快速充电并能对每个电芯单独充电的单USB口备用电源

本发明所采用的技术方案是：一种基于平衡充电技术的单USB口备用电源，包括有控制模块、主升压模块、输入输出共用接口模块、充电及电池保护模块和USB接口，所述控制模块连接有主电路保护模块，所述控制模块的第一输出端连接至输入输出共用接口模块的控制信号输入端，所述控制模块的第二输出端连接至主升压模块的控制信号输入端，所述主升压模块与主电路保护模块连接，所述主电路保护模块的第一输出端和输入输出共用接口模块的第一输入端均与USB接口的正输入/输出端连接，所述主电路保护模块的第二输出端与USB接口的负输入/输出端连接，所述输入输出共用接口模块与充电及电池保护模块连接，所述输入输出共用接口模块的第一输出端连接至主升压模块的输入端。

进一步，所述输入输出共用接口模块包括有充电开关电路和放电开关电路，所述控制模块的第一输出端分别连接至充电开关电路的控制端和放电开关电路的控制端，所述USB接口的正输入/输出端通过充电开关电路连接至充电及电池保护模块的第一输入端；所述充电及电池保护模块的第一输出端通过放电开关电路连接至主升压模块的输入端。

进一步，所述充电及电池保护模块包括有一条或并联的多条充电保护支路，所述充电保护支路包括有充电芯片和电池保护芯片，所述USB接口的正输入/输出端通过充电开关电路连接至充电芯片的电源端，所述充电芯片的的输出端通过放电开关电路连接至主升压模块的输入端，所述充电芯片的的输出端还连接有电池保护芯片的输入输出端，所述电池保护芯片的输出端用于连接电池的正负极。

进一步，所述放电开关电路包括有第一电阻、第二电阻、第一晶体管和第一MOS管，所述第一电阻的一端用于连接电池的正极，所述第一电阻的另一端分别连接至第一MOS管的栅极和第一晶体管的集电极，所述第一MOS管的源极用于连接电池保护芯片的输入输出端，所述第一MOS管的漏极连接至主升压模块的输入端，所述第一晶体管的集电极通过第二电阻连接至控制模块的第一输出端的放电控制端口，所述第一晶体管的射极接地；

所述充电开关电路包括有第三电阻、第四电阻、第二晶体管和第二MOS管，所述第三电阻的一端分别与USB接口的正输入/输出端和第二MOS管的源极连接，所述第二MOS管的漏极与充电芯片的电源端连接，所述第三电阻的另一端分别与第二MOS管的栅极和第二晶体管的集电极连接，所述第二晶体管的基极通过第四电阻连接至控制模块的第一输出端的充电控制端口，所述第二晶体管的射极接地。

进一步，所述主升压模块包括有电源输出电路和外扩升压电路，所述输入输出共用接口模块的第一输出端连接至电源输出电路的输入端，所述电源输出电路通过外扩升压电路连接至主保护模块，所述控制模块的第二输出端连接至外扩升压电路的控制信号输入端。

进一步，所述外扩升压电路包括有升压芯片和功放电路，所述电源输出电路通过功放电路连接至主保护模块，所述控制模块的第二输出端连接至升压芯片的输入端，所述升压芯片的输出端连接至功放电路的输入端。

进一步，所述升压芯片的型号为FP5139。

进一步，所述主电路保护模块包括有恒流恒压控制芯片，所述恒流恒压控制芯片分别与主升压模块和控制模块连接，所述恒流恒压控制芯片的输出端与USB接口的正输入/输出端和负输入/输出端连接。

本发明的有益效果是：本发明通过实现输入输出共用接口电路实现了单USB接口，通过主升压电路实现大电流快速充电，并结合平衡充电技术与提供过载、过压、过流三重保护的主电路保护模块，可以延长备用电池的使用寿命。

附图说明

图1为本发明的电路结构框图；

图2为图1的具体结构框图；

图3为本发明一具体实施例的电路原理图；

图4为本发明一具体实施例的主升压模块局部电路原理图；

图5为本发明一具体实施例的主电路保护模块局部电路原理图；

图6为传统电路的保护模块的电路原理框图；

图7为本发明一具体实施例的充电及电池保护模块的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

参照图1，一种基于平衡充电技术的单USB口备用电源，包括有控制模块、主升压模块、输入输出共用接口模块、充电及电池保护模块和USB接口，所述控制模块连接有主电路保护模块，所述控制模块的第一输出端连接至输入输出共用接口模块的控制信号输入端，所述控制模块的第二输出端连接至主升压模块的控制信号输入端，所述主升压模块与主电路保护模块连接，所述主电路保护模块的第一输出端和输入输出共用接口模块的第一输入端均与USB接口的正输入/输出端连接，所述主电路保护模块的第二输出端与USB接口的负输入/输出端连接，所述输入输出共用接口模块与充电及电池保护模块连接，所述输入输出共用接口模块的第一输出端连接至主升压模块的输入端。

参照图2，进一步作为优选的实施方式，所述输入输出共用接口模块包括有充电开关电路和放电开关电路，所述控制模块的第一输出端分别连接至充电开关电路的控制端和放电开关电路的控制端，所述USB接口的正输入/输出端通过充电开关电路连接至充电及电池保护模块的第一输入端；所述充电及电池保护模块的第一输出端通过放电开关电路连接至主升压模块的输入端。

参照图2，进一步作为优选的实施方式，所述充电及电池保护模块包括有一条或并联的多条充电保护支路，所述充电保护支路包括有充电芯片和电池保护芯片，所述USB接口的正输入/输出端通过充电开关电路连接至充电芯片的电源端，所述充电芯片的的输出端通过放电开关电路连接至主升压模块的输入端，所述充电芯片的的输出端还连接有电池保护芯片的输入输出端，所述电池保护芯片的输出端用于连接电池的正负极。

参照图3，进一步作为优选的实施方式，所述放电开关电路包括有第一电阻R5、第二电阻R7、第一晶体管Q5和第一MOS管Q3，所述第一电阻R5的一端用于连接电池的正极，所述第一电阻R5的另一端分别连接至第一MOS管Q3的栅极和第一晶体管Q5的集电极，所述第一MOS管Q3的源极用于连接电池保护芯片的输入输出端，所述第一MOS管Q3的漏极连接至主升压模块的输入端，所述第一晶体管Q5的集电极通过第二电阻R7连接至控制模块的第一输出端的放电控制端口，所述第一晶体管Q5的射极接地；

所述充电开关电路包括有第三电阻R2、第四电阻R1、第二晶体管Q2和第二MOS管Q1，所述第三电阻R2的一端分别与USB接口的正输入/输出端和第二MOS管Q1的源极连接，所述第二MOS管Q1的漏极与充电芯片的电源端连接，所述第三电阻R2的另一端分别与第二MOS管Q1的栅极和第二晶体管Q2的集电极连接，所述第二晶体管Q2的基极通过第四电阻R1连接至控制模块的第一输出端的充电控制端口，所述第二晶体管Q2的射极接地。

参照图2，进一步作为优选的实施方式，所述主升压模块包括有电源输出电路和外扩升压电路，所述输入输出共用接口模块的第一输出端连接至电源输出电路的输入端，所述电源输出电路通过外扩升压电路连接至主保护模块，所述控制模块的第二输出端连接至外扩升压电路的控制信号输入端。

参照图2，进一步作为优选的实施方式，所述外扩升压电路包括有升压芯片和功放电路，所述电源输出电路通过功放电路连接至主保护模块，所述控制模块的第二输出端连接至升压芯片的输入端，所述升压芯片的输出端连接至功放电路的输入端。

进一步作为优选的实施方式，所述升压芯片的型号为FP5139。

参照图2，进一步作为优选的实施方式，所述主电路保护模块包括有恒流恒压控制芯片，所述恒流恒压控制芯片分别与主升压模块和控制模块连接，所述恒流恒压控制芯片的输出端与USB接口的正输入/输出端和负输入/输出端连接。

以下参照图3-图7说明本发明的一具体实施例：

其整体电路原理图如图3所示，其中包括有控制模块、主升压模块、输入输出共用接口模块、充电及电池保护模块和USB接口，所述控制模块连接有主电路保护模块。

1、控制模块

控制模块为图中的MCU微控制器U9，用于对整个电路的控制。

2、主升压模块

因为备用电源要满足普通智能手机和平板电脑的充电要求，所以放电电流很大，总电流要达到2A甚至3A以上，而一般的PWM DC/DC Step Down芯片在实际使用中很难超过1.5A，所以升压电路需要外扩MOSFET，参照图4。

图4中晶体管Q10的基极通过电阻R23连接至MCU的CE2引脚，晶体管Q10的集电极通过电阻R28连接至升压芯片，晶体管Q10的射极通过电阻R22连接至升压芯片，从而能通过MCU控制升压芯片的工作；而升压芯片的输出端通过由晶体管Q8和晶体管Q7组成的外扩MOSFET功放电路，使得总的输出电流可以实现3A甚至更高。

3、主电路保护模块

参照图5，电路通过一个MOSFET管Q12的导通和关断来保护电路不处于过流状态。一旦电流超过设定的值，检测电流的电阻将提供对应的电压信号TEST4，检测电路发生动作，提供高电平FB信号，关闭主升压电路，同时通知MCU做相应的处理，关闭系统；

当电路处于过压状态时，两个检测电路将向检测电路提供过压保护信号TEST3，检测电路提供高电平FB信号，关闭主升压电路，同时通知MCU做出过压保护处理，关闭系统；

一旦输出短路，检测电路将提供信号TEST4，并同时提供高电平FB信号，关闭主升压电路，同时提供信号TEST2，通知MCU做相应的处理。

本设计电路的检测电路和MCU可以为系统提供过载、过压、过流三重保护路，所以整个系统安全可靠。

4、充电及电池保护模块

参照图6，传统的充电电路仅有一个保护芯片，备用电源内部的所有电芯是并联起来的，外部仅接一个保护电路统一保护并联的电芯，外接充电器给备用电源充电的时候只能同时给四个并联的电池充电。所以即使充电电流达到1A的电流，因为是几个电芯并联，充电电流分配到每个电芯上面，也仅仅为200mA到500mA，对于有2000毫安时甚至更高容量的电芯，充电时间会很长。

由上图可以看到，在几个电芯并联的情况下，假设某一个电芯失效，这样最直接的表现就是总的电池容量减小，但是系统却无法判断出来。这样使用下去，一个是消费者感觉可充电次数的减少，一个是有一定的危险性，而系统却无法对失效电芯进行相应的保护。

我们都知道，电芯是有离散性的，不可能全部容量完全一致，这样在充电的时候，容量小的电芯电压上升的快，就会形成电芯之间的直接充电，这也是有一定危险性的。同时容量小的电芯容易充满，而其他电芯还没有结束充电，这样结束充电的电芯对未结束充电的电芯的直接充电放电，也会影响容量小的电芯的充放电次数，进而加速电芯失效。

因此，综合这些情况，本发明提出了平衡充电技术，可以实现对每个电芯的单独管理，安全可靠。具体实现参照图7。

本发明设计的这个充电及电池保护模块有几个方面的特性：

1、充电芯片，保护芯片，电芯是各个独立对应的，因此可以实现大电流充电，加快充电时间。

2、每个独立的充电电路、保护电路和电芯都有实时的检测电路。提前结束充电的电路将提前关断保护，只有当全部电芯均充满的时候，系统才结束充电，并提供充满信号。如果系统检测到电芯损坏则首先保护，并提供报警信号。

3、两组开关电路，主要由MOSFET和三极管组成，可以在正常工作的时候，把四个电池并联，充电的时候把四个电池断开，实现独立，为大电流充电准备，同时为每个电芯的单独管理提供条件。另外在待机的时候此电路也可以断开电池和升压电路的连接，保证了更多的待机时间。

MOSFET和三极管的工作关系如下：当系统需要电池和电路相联的时候，IO口低电平，这时三极管截止，MOSFET的G极高电平，MOSFET导通；当系统需要断开的时候，IO口高电平，这时三极管导通，MOSFET的G极低电平，MOSFET关断。

5、输入输出共用接口模块

参照图3，输入输出共用接口模块包括有充电开关电路和放电开关电路，通过MCU对充电开关电路和放电开关电路的控制实现本发明电路对充电和放电的控制，从而实现单USB口的充放电。

若按照本设计中图并联了两个，这样每组的电流假设有500mA，总的充电电流也将到1A；同样，并联四组独立的充电电路则电流可达2A，可以快速充满电。每组都有单独的充电芯片和单独的保护电路，这样在充电过程也不会发生充电芯片由于大电流导致的温度保护，而且只有全部充电完成系统才会认为充电完成，安全可靠。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可以作出种种的等同变换或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种基于平衡充电技术的单USB口备用电源，其特征在于：包括有控制模块、主升压模块、输入输出共用接口模块、充电及电池保护模块和USB接口，所述控制模块连接有主电路保护模块，所述控制模块的第一输出端连接至输入输出共用接口模块的控制信号输入端，所述控制模块的第二输出端连接至主升压模块的控制信号输入端，所述主升压模块与主电路保护模块连接，所述主电路保护模块的第一输出端和输入输出共用接口模块的第一输入端均与USB接口的正输入/输出端连接，所述主电路保护模块的第二输出端与USB接口的负输入/输出端连接，所述输入输出共用接口模块与充电及电池保护模块连接，所述输入输出共用接口模块的第一输出端连接至主升压模块的输入端。

2.根据权利要求1所述的一种基于平衡充电技术的单USB口备用电源，其特征在于：所述输入输出共用接口模块包括有充电开关电路和放电开关电路，所述控制模块的第一输出端分别连接至充电开关电路的控制端和放电开关电路的控制端，所述USB接口的正输入/输出端通过充电开关电路连接至充电及电池保护模块的第一输入端；所述充电及电池保护模块的第一输出端通过放电开关电路连接至主升压模块的输入端。

3.根据权利要求2所述的一种基于平衡充电技术的单USB口备用电源，其特征在于：所述充电及电池保护模块包括有一条或并联的多条充电保护支路，所述充电保护支路包括有充电芯片和电池保护芯片，所述USB接口的正输入/输出端通过充电开关电路连接至充电芯片的电源端，所述充电芯片的的输出端通过放电开关电路连接至主升压模块的输入端，所述充电芯片的的输出端还连接有电池保护芯片的输入输出端，所述电池保护芯片的输出端用于连接电池的正负极。

4.根据权利要求3所述的一种基于平衡充电技术的单USB口备用电源，其特征在于：所述放电开关电路包括有第一电阻（R5）、第二电阻（R7）、第一晶体管（Q5）和第一MOS管（Q3），所述第一电阻（R5）的一端用于连接电池的正极，所述第一电阻（R5）的另一端分别连接至第一MOS管（Q3）的栅极和第一晶体管（Q5）的集电极，所述第一MOS管（Q3）的源极用于连接电池保护芯片的输入输出端，所述第一MOS管（Q3）的漏极连接至主升压模块的输入端，所述第一晶体管（Q5）的集电极通过第二电阻（R7）连接至控制模块的第一输出端的放电控制端口，所述第一晶体管（Q5）的射极接地；

所述充电开关电路包括有第三电阻（R2）、第四电阻（R1）、第二晶体管（Q2）和第二MOS管（Q1），所述第三电阻（R2）的一端分别与USB接口的正输入/输出端和第二MOS管（Q1）的源极连接，所述第二MOS管（Q1）的漏极与充电芯片的电源端连接，所述第三电阻（R2）的另一端分别与第二MOS管（Q1）的栅极和第二晶体管（Q2）的集电极连接，所述第二晶体管（Q2）的基极通过第四电阻（R1）连接至控制模块的第一输出端的充电控制端口，所述第二晶体管（Q2）的射极接地。

5.根据权利要求1所述的一种基于平衡充电技术的单USB口备用电源，其特征在于：所述主升压模块包括有电源输出电路和外扩升压电路，所述输入输出共用接口模块的第一输出端连接至电源输出电路的输入端，所述电源输出电路通过外扩升压电路连接至主保护模块，所述控制模块的第二输出端连接至外扩升压电路的控制信号输入端。

6.根据权利要求5所述的一种基于平衡充电技术的单USB口备用电源，其特征在于：所述外扩升压电路包括有升压芯片和功放电路，所述电源输出电路通过功放电路连接至主保护模块，所述控制模块的第二输出端连接至升压芯片的输入端，所述升压芯片的输出端连接至功放电路的输入端。

7.根据权利要求6所述的一种基于平衡充电技术的单USB口备用电源，其特征在于：所述升压芯片的型号为FP5139。

8.根据权利要求5-7中任一权利要求所述的一种基于平衡充电技术的单USB口备用电源，其特征在于：所述主电路保护模块包括有恒流恒压控制芯片，所述恒流恒压控制芯片分别与主升压模块和控制模块连接，所述恒流恒压控制芯片的输出端与USB接口的正输入/输出端和负输入/输出端连接。

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