CN103872737A

CN103872737A - 一种带多功能保护板的电池充放电电路

Info

Publication number: CN103872737A
Application number: CN201410112207.8A
Authority: CN
Inventors: 李小平; 胡佳娜; 郑耀贤; 林海斌; 张远明; 黄伟昭; 邱显焕; 李伟善
Original assignee: South China Normal University
Current assignee: South China Normal University
Priority date: 2014-03-24
Filing date: 2014-03-24
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2034-03-24
Also published as: CN103872737B

Abstract

本发明公开了一种带多功能保护板的电池充放电电路，包括保护电路、充电电路和放电电路，其中保护电路包含依次连接的两路开关S2、总开关S1、电池、芯片U1，以及分别与芯片U1相连的Q1、Q2，Q1、Q2为MOSFET-N，所述的两路开关S2分别与充电电路或者放电电路连接。本发明所述的带多功能保护板的电池充放电电路，能够达到防过流、防过压、防过温的三重效果，保证了电池或电池组在充放电过程中时刻处于安全状态。

Description

一种带多功能保护板的电池充放电电路

技术领域

本发明涉及电池管理技术领域，特别涉及一种带多功能保护板的电池充放电电路。

背景技术

能源短缺和环境污染是当今世界能源工业发展面临的两大挑战，因此开展动力电池新能源刻不容缓。动力电池已广泛应用于人类的生活和工作中，早期使用于老式按键手机。随着社会经济和科技的发展，现今市面上电子类产品多种多样，如触屏手机、平板电脑等等。这类产业的广泛应用的同时，对电池电量的要求也有质的飞跃。由于触屏手机、平板电脑的多功能，目前市面上的锂离子电池的容量最多只能支持几个小时工作时间，因此，移动电源、备用电源等能源类电子产品应运而生。

锂离子电池具备能量密度高、输出功率高、寿命长、充放电效率高、适用温度范围宽、自放电低、负载特性好、温度存储性能好、低内阻、无记忆效应、可实现快速充电、安全性高、可靠性高、成本低以及可重复使用等特征，成为目前电池类工业中最为畅销的电池，并且广泛引用于触屏手机、平板电脑、笔记本以及移动电源等。然而，在过充、过放、过温或者外部电路短路等情况下，锂离子电池的压力和热量会大量增加，容易引起电火花、燃烧甚至爆炸，因此，毫无疑问锂离子电池需要外加一个保护电路。而目前，大多数电源类产品的保护板功能不够完善，不能同时达到过充、过放、过温以及防逆流等几大功能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种带多功能保护板的电池充放电电路。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种带多功能保护板的电池充放电电路，包括保护电路、充电电路和放电电路，其中保护电路包含依次连接的两路开关S2、总开关S1、电池、芯片U1，以及分别与芯片U1相连的Q1、Q2，Q1、Q2为MOSFET-N，所述的两路开关S2与充电电路或者放电电路连接。

保护电路中，所述的芯片U1包含引脚VDD、引脚VSS、引脚VM、引脚DO、引脚CO，其中引脚VDD与电阻R1串联后，连接到电池的正极；引脚VSS与电池的负极相连，电容C1与电池并联接入电路；引脚VM分别与Q1、Q2连接，引脚DO、引脚CO分别与Q1、Q2的另一端连接；所述的总开关S1的一端连接电池的正极，另一端连接两路开关S2的一端，两路开关S2的另一端连接充电电路或者放电电路。

所述的充电电路，包括芯片U2、连接充电器的MINE USB接口，芯片U2的一个引脚与MINE USB接口相连，一个引脚与保护电路的两路开关S2相连。

充电电路中，所述的芯片U2包含引脚IN、引脚VSS、引脚CE、引脚ISET、引脚STAT1、引脚STAT2、引脚VBSEL、引脚PG、引脚OUT，其中引脚IN与MINEUSB接口相连；电容C2的一端接地，另一端接到引脚IN与MINE USB接口之间的连接线上；引脚VSS、引脚VBSEL均接地；引脚STAT1依次与二极管D3、电阻R3串联，最后接到引脚IN与MINE USB接口之间的连接线上；引脚STAT2依次与二极管D4、电阻R4串联，最后接到引脚IN与MINE USB接口之间的连接线上；引脚CE连接电阻R5形成一个支路，引脚PG依次与二极管D5、电阻R6串联形成另一个支路，二者并联后连接至引脚IN与MINE USB接口之间的连接线上；引脚ISET连接电阻R7，电阻R7的另一端接地；引脚OUT与保护电路的两路开关S2相连，电容C3的一端接地，另一端接到引脚OUT与保护电路的两路开关S2之间的连线上。

所述的放电电路，包括芯片U3、连接负载的USB接口，芯片U3包含的三个引脚VOUT均与USB接口的一端相连，USB的另一端与引脚LBO相连；电容C5、电容C6的一端均接地，另一端均同三个引脚VOUT均与USB接口之间的连线相连；三个引脚VOUT分别与电阻R9、电阻R10依次串联，然后接地；引脚FB与电阻R9、电阻R10之间的连线相接；电阻R11与USB接口并联接入电路；引脚LBO、引脚SYBC、三个引脚PGND均接地；两个引脚SW并联后，与电感L1串联，然后接入保护电路的两路开关S2；引脚VBAT分别与保护电路的两路开关S2、引脚EN相连；电容C4的一端接地，另一端接入引脚VBAT与保护电路的两路开关S2之间的连线；电阻R7、电阻R8并联后一端接地，另一端接入引脚VBAT与保护电路的两路开关S2之间的连线；引脚LBI接入电阻R7、电阻R8之间的连线。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、保护电路通过双重开关控制充放电，有效地达到充电时不放电，放电时不充电，防止电流直接从充电的MINE USB接口直接流向放电的USB接口，烧坏USB接口，甚至引发其他安全隐患。

2、保护电路能够达到防过流、防过压、防过温的三重效果，保证了电池或电池组在充放电过程中时刻处于安全状态。

3、充电电路为三阶段充电电路，充分考虑到电池寿命，采用预充电（涓流充电）、恒流快速充电、恒压充电三个阶段，使电池或电池组在安全的状态下能够达到电量最大化，寿命最大化。

4、放电电路为DC-DC升压放电电路，充分考虑到市面上电子产品的充电需要，能够以5V/1A稳定输出，并且其低能量状态保存模式能够防止电池组过放电。

5、适用于市面上所有的动力电池，适用性广泛，应用前景广阔。

6、本发明具有设计合理，结构简单，操作便捷的优点。

附图说明

图1为本发明所述的一种带多功能保护板的电池充放电电路的电路图；

图2为图1所述带多功能保护板的电池充放电电路的保护电路的放大电路图；

图3为图1所述带多功能保护板的电池充放电电路的充电电路的放大电路图；

图4为图1所述带多功能保护板的电池充放电电路的放电电路的放大电路图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1、2、3、4，一种带多功能保护板的电池充放电电路，包括保护电路、充电电路和放电电路，在本实施例中电池选用四串并联电池组，其中，如图2，保护电路包含依次连接的两路开关S2、总开关S1、电池、芯片U1，以及分别与芯片U1相连的Q1、Q2，Q1、Q2为MOSFET-N，所述的两路开关S2分别与充电电路或者放电电路连接，所述的芯片U1包含引脚VDD、引脚VSS、引脚VM、引脚DO、引脚CO，其中引脚VDD与电阻R1串联后，连接到电池的正极；引脚VSS与电池的负极相连，电容C1与电池并联接入电路；引脚VM分别与Q1、Q2连接，引脚DO、引脚CO分别与Q1、Q2的另一端连接；所述的总开关S1、两路开关S2，S1的一端连接电池的正极，另一端连接S2的一端，S2的另一端连接充电电路或者放电电路；

如图3，所述的充电电路，包括芯片U2、连接充电器的MINE USB接口，芯片U2包含引脚IN、引脚VSS、引脚CE、引脚ISET、引脚STAT1、引脚STAT2、引脚VBSEL、引脚PG、引脚OUT，其中引脚IN与MINE USB接口相连；电容C2的一端接地，另一端接到引脚IN与MINE USB接口之间的连接线上；引脚VSS、引脚VBSEL均接地；引脚STAT1依次与二极管D3、电阻R3串联，最后接到引脚IN与MINE USB接口之间的连接线上；引脚STAT2依次与二极管D4、电阻R4串联，最后接到引脚IN与MINE USB接口之间的连接线上；引脚CE连接电阻R5形成一个支路，引脚PG依次与二极管D5、电阻R6串联形成另一个支路，二者并联后连接至引脚IN与MINE USB接口之间的连接线上；引脚ISET连接电阻R7，电阻R7的另一端接地；引脚OUT与保护电路的两路开关S2相连，电容C3的一端接地，另一端接到引脚OUT与保护电路的两路开关S2之间的连接线上；

如图4，所述的放电电路，包括芯片U3、连接负载的USB接口，芯片U3包含的三个引脚VOUT均与USB接口的一端相连，USB的另一端与引脚LBO相连；电容C5、电容C6的一端均接地，另一端均同三个引脚VOUT均与USB接口之间的连线相连；三个引脚VOUT分别与电阻R9、电阻R10依次串联，然后接地；引脚FB与电阻R9、电阻R10之间的连线相接；电阻R11与USB接口并联接入电路；引脚LBO、引脚SYBC、三个引脚PGND均接地；两个引脚SW并联后，与电感L1串联，然后接入保护电路的两路开关S2；引脚VBAT分别与保护电路的两路开关S2、引脚EN相连；电容C4的一端接地，另一端接入引脚VBAT与保护电路的两路开关S2之间的连线；电阻R7、电阻R8并联后一端接地，另一端接入引脚VBAT与保护电路的两路开关S2之间的连线；引脚LBI接入电阻R7、电阻R8之间的连线。

下面对其具体实施过程及相应的原理进行详细说明：

本实施例的一种带多功能保护板的四串电池组的充放电电路的具体实施步骤如下：

①用充电器接通电源；

②打开电路总开关S1，以750mA、5V输入；

③充电时，两路开关S2与充电电路相连，先通过保护电路安全监控，进而以预充电（涓流充电）、恒流充电、恒压充电至小于截止电流为止；

④放电时，两路开关S2与放电电路相连，USB口接上负载，电池组放电需先经过保护电路安全监控;进而以5V/1A恒流放电；

实现上述操作，相对于现在技术的优点在于保护板功能强大，可以做到充电时不放电、放电时不充电、过流保护、过压保护、过温保护，适用于其他同类的充放电电路。相对于单一恒流充电模式，本发明之充电电路三阶段充电考虑到电池寿命，合理设置充电电流大小，适用于各种电池，引用性强。

其中保护电路的主要核心是SA8200A芯片（U1），充电电路的主要核心是b_q24083芯片（U2），而放电电路的主要核心是TPS61032芯片(U3)。保护电路中的两重开关（S1、S2），打开总开关S1,而两路开关S2为二路拨动开关，一路接通充电电路，一路接通放电电路；当S2接通充电电路或者放电电路时，充放电指示灯会显示有所不同，表明现在电源的状态。采用二路拨动开关的目的是使充电电路和放电电路形成一个单一的整体。这样设计可以防止充放电同时接通时，电流直接从充电的mine USB口流向输出的USB口，烧坏电路板，从而引发燃烧甚至爆炸等事故。

所述保护电路的芯片SA8200A芯片（U1）具备以下特点：

①过充电检测电压为3.5V～4.5V，过充电解除电压为3.1V～4.5V^*1；

②过放电检测电压为2.0V～3.4V，过放电解除电压为2.0V～3.4V^*2；

③放电过电流检测电压为0.05V～0.20V，充电过电流检测电压为-0.20V～-0.05V；

本实施例的保护电路的四串并联电池电流由SA8200A芯片（U1）的VD引脚流入，由VSS引脚流出回到四串并联电池的负极，形成一个回路；MOSFET管是金属-氧化层半导体场效晶体管，而MOSFET在结构上以一个金属—氧化层—半导体的电容为核心，这样子的结构正好等于一个电容器，氧化层扮演电容器中介电质的角色，而电容值由氧化层的厚度与二氧化硅的介电常数决定。MOS电容的特性决定了MOSFET的操作特性，栅极多晶硅与基极的硅则成为MOS电容的两个端点，当栅极和源极间的电压小于一个称为临界电压的值时，MOSFET是处在“截止”的状态，电流无法流过这个MOSFET，也就是这个MOSFET不导通。正因为MOSFET-N具有上述功能，本发明电路采用两个MOSFET-N来防止充电电路和放电电路的过充电过放电。当接通充电时，保护电路的电流由引脚CO流出,由引脚VM流入，检测电压是否在安全范围内，若不在安全范围内，则有MOSFET-N（Q2）处于截止状态，即是电流无法通过MOSFET-N（Q2）。当接通放电时，保护板电流由引脚DO流出，由引脚VM流入，检测电压是否在安全范围内，若不在安全范围内，则有MOSFET-N（Q1）处于截止状态，即是电流无法通过MOSFET-N（Q1）。由于保护电路与电池是串联在一起，一旦MOSFET-N管截断，则保护电路处于断路的状态，即是整个电路就停止工作，因此，实现防过充、防过放保护。

保护电路中，R1为热敏电阻（NTC）。NTC的灵敏度高，工作范围为0^～55℃，体积小，使用方便，稳定性好，过载能力强，在保护电路中可以有效地保证四串并联电池在充放电过程中能过在正常工作温度范围内工作。本发明之保护板电路中的R2为自恢复保险丝，当电路处于过载的状态下，自恢复保险丝则会从低阻值骤然升高，形成高阻值以致电路短路。

充电电路的芯片为bq24083芯片（U2），具备以下特点：

①充电截止电压为4.06V/4.2V；

②集成功率场效应晶体管和电流传感器从AC适配器调节电压至1A；

③预充电调节在一个安全时间范围内；

④充电和满电状态输出；

⑤在电池组低电荷状态时启动自动休眠模式；

⑥集成充电电流监控；

当总开关S1开启，S2连接上充电电路，则四串并联电池组接通充电电路。MINE USB接口插上充电器，以750mA/5V输入，由引脚IN的DC调节器检测电压，再连接0.1uF电容回到引脚VSS，再由引脚CE以适当电路输入，并由引脚ISET控制三阶段的电流大小，然后以引脚STAT1和STAT2控制充电状态输出，进而截止电压为4.2V是由引脚VBSEL限定，芯片的引脚PG连接一个电压比较器，集成在芯片中，用于判断四串电池是否为满电状态，即是当电池电压达到4.2V则为满电状态，此判断准则是根据电量与电压的线性关系而设置。最后电流由引脚OUT流入电池正极，再由电池负极回到地，形成回路。

放电电路的芯片为TPS61032芯片(U3)，具备以下特点：

①从电源以1A电流输入的96%有效同步整流器；

②经典的静态电流为20uA;

③输入的电源的电压范围是1.8V～5.5V；

④固定可调的电压可高达5.5V；

⑤为了有效保护低能量状态的能量保存保护模式；

⑥低电量的电池比较仪；

⑦低电磁干扰变流器；

⑧负载断开期间自动关闭；

⑨过温保护；

当总开关S1开启，S2连接上放电电路，四串并联电池组接通放电电路，以5V/1A从USB接口流入负载。由四串并联电池组从引脚VBAT输入合适电压，引脚SW快速整流开关输入，以及引脚EN调节适当输入，进而由引脚VOUT执行DC-DC升压输出，以及引脚FB调节电压反馈输入，再由引脚LBO连接一个电压比较器，内置于芯片中，用于判断四串电池组是否处于低能量状态，即是检测电池电压是否低于3V。若是已处于低能量状态，则由引脚SYNC启动低能量状态的能量保存保护模式，有效防止过放电。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种带多功能保护板的电池充放电电路，其特征在于：包括保护电路、充电电路和放电电路，其中保护电路包含依次连接的两路开关S2、总开关S1、电池、芯片U1，以及分别与芯片U1相连的Q1、Q2，Q1、Q2为MOSFET-N，所述的两路开关S2与充电电路或者放电电路连接。

2.根据权利要求1所述的带多功能保护板的电池充放电电路，其特征在于：保护电路中，所述的芯片U1包含引脚VDD、引脚VSS、引脚VM、引脚DO、引脚CO，其中引脚VDD与电阻R1串联后，连接到电池的正极；引脚VSS与电池的负极相连，电容C1与电池并联接入电路；引脚VM分别与Q1、Q2连接，引脚DO、引脚CO分别与Q1、Q2的另一端连接；所述的总开关S1的一端连接电池的正极，另一端连接两路开关S2的一端，两路开关S2的另一端连接充电电路或者放电电路。

3.根据权利要求1所述的带多功能保护板的电池充放电电路，其特征在于：所述的充电电路，包括芯片U2、连接充电器的MINE USB接口，芯片U2的一个引脚与MINE USB接口相连，一个引脚与保护电路的两路开关S2相连。

4.根据权利要求3所述的带多功能保护板的电池充放电电路，其特征在于：充电电路中，所述的芯片U2包含引脚IN、引脚VSS、引脚CE、引脚ISET、引脚STAT1、引脚STAT2、引脚VBSEL、引脚PG、引脚OUT，其中引脚IN与MINE USB接口相连；电容C2的一端接地，另一端接到引脚IN与MINE USB接口之间的连接线上；引脚VSS、引脚VBSEL均接地；引脚STAT1依次与二极管D3、电阻R3串联，最后接到引脚IN与MINE USB接口之间的连接线上；引脚STAT2依次与二极管D4、电阻R4串联，最后接到引脚IN与MINE USB接口之间的连接线上；引脚CE连接电阻R5形成一个支路，引脚PG依次与二极管D5、电阻R6串联形成另一个支路，二者并联后连接至引脚IN与MINE USB接口之间的连接线上；引脚ISET连接电阻R7，电阻R7的另一端接地；引脚OUT与保护电路的两路开关S2相连，电容C3的一端接地，另一端接到引脚OUT与保护电路的两路开关S2之间的连线上。

5.根据权利要求1所述的带多功能保护板的电池充放电电路，其特征在于：所述的放电电路，包括芯片U3、连接负载的USB接口，芯片U3包含的三个引脚VOUT均与USB接口的一端相连，USB的另一端与引脚LBO相连；电容C5、电容C6的一端均接地，另一端均同三个引脚VOUT均与USB接口之间的连线相连；三个引脚VOUT分别与电阻R9、电阻R10依次串联，然后接地；引脚FB与电阻R9、电阻R10之间的连线相接；电阻R11与USB接口并联接入电路；引脚LBO、引脚SYBC、三个引脚PGND均接地；两个引脚SW并联后，与电感L1串联，然后接入保护电路的两路开关S2；引脚VBAT分别与保护电路的两路开关S2、引脚EN相连；电容C4的一端接地，另一端接入引脚VBAT与保护电路的两路开关S2之间的连线；电阻R7、电阻R8并联后一端接地，另一端接入引脚VBAT与保护电路的两路开关S2之间的连线；引脚LBI接入电阻R7、电阻R8之间的连线。