CN104753157A - 基于TOPSwitch-GX系列集成芯片控制充电器 - Google Patents

Abstract

本发明基于TOPSwitch-GX系列集成芯片控制充电器，主要由输入整流电路模1、TOPSwitch-GX系列集成芯片电路模块、主输出电路模块、输出开关装置模块、恒压恒流电路模块和MCU检测与控制器和电池组组成。通过恒压恒流电路模块反馈信号给TOPSwitch-GX系列集成芯片实现PWM脉宽调制，同时MCU检测与控制电路模块不断的监测主输出电路模块电压电流变化情况和电池组的电压状况，从而来控制输出开关装置模块，本发明利用了TOPSwitch-GX系列集成芯片具有高功率、高集成效能的特点，同时结合MCU检测控制器不间断监测以及做出相对应的输出控制，实现多样化需求的特点，使得产品具有多功能化、适用范围广、可靠性高等优点。

Description

基于TOPSwitch-GX系列集成芯片控制充电器

技术领域

本发明涉及开关电源充电器领域，尤其涉及一种使用微控制器作为检测与控制，能够根据电池荷电状态，动态调整充电电流、充电电压的充电器。 

背景技术

目前市场上的电池基本分铅酸和锂电两大种，从移动数码产品、电动工具、电动自行车、电动汽车、高尔夫球车到电动大巴等均有所应用。如何快速对电池充满电，并使电池放电时间长、寿命长，以及功能性、安全性等方面，是判断充电器优劣的重要标志。 

然而充电器电路主要是以电源管理芯片加功率开关管的方式来实现开关电源初级电路的PWM调节，由于使用元件较多，因此此类产品中的产品不良率、成本都比较高，同时充电方式比较单一，这些无法满足市场对产品要求的高效能、低成本、安全性和智能化。 

发明内容

针对上述现有技术中的问题与缺点，本发明实用提出了一种基于集成度高、外部元件少和自身所带的过温、过流等保护功能的TOPSwitch-GX系列集成芯片单片机控制技术和MCU微型控制器的充电器，能有效的降低成本和EMI，同时也使得生产工艺更加简便、安全性和可靠性更高，并能实时检测与控制，从而实现充电多样化的充电器。 

为实现该目的，本发明采用如下技术方案： 

一种基于TOPSwitch-GX系列集成芯片单片机控制技术的智能充电器，包括输入整流模块电路1、TOPSwitch-GX系列集成芯片 2、主输出电路模块3、输出开关装置模块4、恒压恒流电路模块5、MCU检测与控制器6、电池组7、充电器8和电压信号采集模块9；

所述的输入整流模块电路1为充电器8提供工作电源；

所述的TOPSwitch-GX系列集成芯片2对充电器8进行智能控制；

所述的主输出电路模块3采集充电器8的输出电压；

所述的输出开关装置模块4用于开启和关闭充电器8的；

采集充电器8的充电状态以便判断电池是否充满的充电信号采集模块9；

输入整流电路模块1，可以衰减或抑制EMI干扰，以满足EMC标准要求；

主输出电路模块3和恒压恒流电路模块5用于检测输出电压（电流）值，当输出电压（电流）大于设置的电压（电流）值时，产生一个反馈信号到TOPSwitch-GX系列集成芯片2，使漏极和源极开通的占空比减小，从而降低电压（电流）效果，反之升高；

MCU检测与控制器6、输出开关装置模块4和电池组7，用于检测电池组7电压状况和充电器状态，当符合程序执行语句时，MCU检测与控制电路模块6给定信号去控制输出开关装置模块4或者恒压恒流电路模块5，比如降低恒流（恒压）值或者方波间歇式充电。MCU检测与控制器6完全可以通过检测恒压恒流电路模块5和电池组7数据来控制输出开关装置模块4工作方式 ，如采用变频方波间歇式智能充电方式，其体现在于电流方波的频率随着所充电池的荷电状态变化而变化，即电流方波的单位周期随着所充电池的荷电状态变化而变化;还可以直接控制恒压恒流电路模块5设定多段式恒压恒流充电方式，其体现在于根据电池不同阶段的电压值，设定不同大小的恒流值充电，以至达到最好的充电效果。

 与现有技术相比，本发明具备如下优点： 

1、TOPSwitch-GX产品系列输出功率更大、设计灵活性更强、高效节能的集成离线式开关IC，TOPSwitch-GX除了像三端TOPSwitch一样，具有高压启动、逐周期电流限制、环路补偿电路、自动重启动、热关断等特性，还综合了多项能降低系统成本、提高电源性能和设计灵活性的附加功能。此外，TOPSwitch-GX还采用了专利高压CMOS技术，能以高性价比将高压功率MOSFET和所有低压控制电路集成到一片集成电路中。TOPSwitch-GX还集成了多项新功能，可以降低系统成本，提高了设计灵活性及效率。具有降低系统成本，提高设计灵活性的特性：

2、 输出功率更大以适应更高功率的应用

3、 节约外围元件成本

   4、完全集成的缓启动电路降低了器件的应力及输出电压过冲

  5、输入欠压(UV)检测可以防止关机时输出的不良波动

  6、输入过压(OV)关断电路提高了对输入浪涌的耐受力

  7、频率调制降低EMI及EMI滤波器成本

  8、在零负载时实现输出电压的稳压而无需假负载

  9、迟滞热关断提供自动故障恢复功能，防止电路板过热

10、本发明同时使用于TOPSwitch-HX产品系列（具有性能更丰富、功率范围更大、EcoSmart?功能更强大的集成离线式开关IC）和TOPSwitch-JX产品系列（采用EcoSmart?节能技术、可设计高效率电源的集成离线式开关IC）。

11、本发明是在TOPSwitc-GX系列集成芯片成熟的开关电源电路上加入了充电器所需的恒压恒流以及MCU检测与控制等功能。 

附图说明

附图1为本发明的原理框图； 

附图2为本发明的具体电路图。 

具体实施方式

下面结合图1和图2所示，详细说明发明的最佳实施例： 

本发明基于TOPSwitch-GX系列集成芯片单片机控制技术充电器，能够根据铅酸或锂电池荷电状态和充电状态，动态调整充电电流、充电电压，并设定不同电压（电流）值执行多样化的充电方式，如设定不同的电流方波可在对电池充电过程中给予不同时间的停顿间歇，或者设定电压等级执行多段式恒流充电。

本发明基于TOPSwitch-GX系列集成芯片单片机控制技术充电器包括输入整流模块电路1、TOPSwitch-GX系列集成芯片 2、主输出电路模块3、输出开关装置模块4、恒压恒流电路模块5、MCU检测与控制器6、电池组7、充电器8和电压信号采集模块9；所述的输入整流模块电路1可以衰减或抑制EMI干扰，以满足EMC标准要求；所述的TOPSwitch-GX系列集成芯片2对充电器8进行智能控制；所述的主输出电路模块3采集充电器8的输出电压和电流；所述的输出开关装置模块4用于开启和关闭充电器8；所述的恒压恒流电路模块5用于检测输出电压（电流）值，当输出电压（电流）大于设置的电压（电流）值时，产生一个反馈信号到TOPSwitch-GX系列集成芯片2，使漏极和源极开通的占空比减小，从而降低电压（电流）效果，反之升高； 

所述的MCU检测与控制器6用于检测电池组7电压状况和充电器状态，当符合程序执行语句时，MCU检测与控制电路模块6给定信号去控制输出开关装置模块4或者恒压恒流电路模块5，比如降低恒流（恒压）值或者方波间歇式充电；采集充电器8的充电状态以便判断电池是否充满的充电信号采集模块9；

所述充电器8由所述TOPSwitch-GX系列集成芯片 2控制，并且具有用于在MCU检测与控制器6控制下通过输出开关装置模块4给电池7充电的主要电压输出端14、用于为MCU检测与控制器6供电的辅助电压输出端16及具有充电状态指示的充电状态输出端18；

所述的恒压恒流电路模块5包恒压恒流反馈电路51、电压控制电路52和电流控制电路53，所述恒压恒流反馈电路51具有第一输入端511、第二输入端512、第三输入端513和输出端514，所述第一输入端511与充电器8主输出端14连接以将其输出的电流和电压值通过输出端54反馈给所述TOPSwitch-GX系列集成芯片 2，所述恒压恒流反馈电路51第二输入端512与电压控制电路52连接用于外部电压控制和设定，所述恒压恒流反馈电路51第三输入端513与电流控制电路53连接用于外部电流控制和设定。所述的充电器8主要通过TOPSwitch-GX系列集成芯片 2完成AC-DC转换以及恒压恒流控制电路模块5，由于采用具有结构简单、成本低、高效率转换等优点，同时通过恒压恒流电路模块5反馈给TOPSwitch-GX系列集成芯片2来调节PWM达到充电器8恒压恒流输出的目的。

所述MCU检测与控制器6具有第一输入输出端61、第二输入输出端62、第三输入输出端63、第一模数转换端64、第二模数转换端65及电源输入端66。 

充电信号采集模块9包括电阻R1、电阻R4、电阻R2及电容C1；所述电阻R1的一端接充电器8的充电状态输出端18，另一端经电阻R4接地；电阻R4的非接地端经电阻R2接至MCU检测与控制器6的第二模数转换端65，第二模数转换端65经电容C1接地。该模块9与主输出电路模块3结合可判断充电器正在充电、已充满电或未接电池的各种情况。 

 所述的输入开关装置模块4具有输入端42、输出端44及控制端46；所述输入端42与充电器8的主要电压输出端14连接，而输出端44作为变频充电器的电压输出端与电池组7连接；所述控制端46与MCU检测与控制器6的第三输入输出端63连接。其能够受MCU检测与控制器6的控制，开启或关闭充电器8的主要电压输出端14，实现对电池的充电和停顿。 

 所述主输出电路模块3包括电阻R3、电阻R6、电阻R5及电容C2；所述电阻R3的一端接输出开关装置模块4的输出端44，另一端经电阻R6接地，电阻R6的非接地端经电阻R3与MCU检测与控制器6的第一模数转换端64连接，同时所述第一模数转换端64经电容C2接地。充电器8的主要电压输出端14的电压经电阻R3和电阻R6分压后，转变为MCU检测与控制器6可以识别的电压大小。所述电容C2具有滤除杂波、为微控制器7提供稳定的输入电压信号的作用。MCU检测与控制器6在输入开关装置模块2处于开启状态下检测出充电器8的主要电压输出端14的电压值；并且在开关装置模块2处于关闭状态下检测出所连接的电池的实际电压值。 

 所述电压控制电路52包括三极管Q1、可变电阻VR1及电阻R8；所述三极管Q1的基极经电阻R8接至MCU检测与控制器6的第一输入输出端61，所述三极管Q1的发射极接地，所述三极管Q1的集电极接至可变电阻VR1的一端，可变电阻VR1另一端接至所述恒压恒流反馈电路51第二输入端512。该电路53在微MCU检测与控制器6的控制下可对恒压恒流电路模块5设定多种不同的电压，调节可变电阻VR2可改变电压大小。 

所述电流控制模块53包括三极管Q2、可变电阻VR2及电阻R7；所述三极管Q2的基极经电阻R7接至MCU检测与控制器6的第二输入端62，三极管Q2的发射极接地，而三极管Q2的集电极接至可变电阻VR2的一端，可变电阻VR2另一端接至所述恒压恒流反馈电路51第三输入端513。该电路53在微MCU检测与控制器6的控制下可对恒压恒流电路模块5设定多种不同的电流，调节可变电阻VR2可改变电流大小。 

优选地，所述充电器进一步包括用于通过不同声音向用户提示充电器开机上电和已将电池充满的声音提示模块（图中未示）。 

下面描述本发明基于TOPSwitch-GX系列集成芯片单片机控制技术充电器的工作过程。 

接上AC电源，充电器得电开始工作，经过TOPSwitch-GX系列集成芯片电路模块2、主输出电路模块3和恒压恒流电路模块5工作，电路保持稳定，然后通过输出开关装置模块4连接到电池组7，同时充电内部辅助电路降压稳定后给MCU检测与控制电路模块6供电，并开始运行内部程序：配置与电阻R2和电阻R5相连的两引脚为模数转换模式，配置与电阻R7、电阻R8和输出开关装置模块4相连的三引脚为普通I/O模式，MCU检测与控制电路模块6向输出开关装置模块4输出低电平，控制输出开关装置模块4断开，同时使输出无电压值，初始化并启动模数转换器和定时器，设定定时时间，开启定时中断。初始化充电状态为空载状态。置位充/停标志。然后开始正常工作。 

则进入主程序：检测电池组7和充电状态，判断是否符合初始设定值，如果是，则开始输出控制信号去执行相应的操作，如需进行减流，则通过电阻R7、三极管Q2、可调电位器VR2组成的电路，并通过调节VR2即可实现降电流功能，或如充到某一电压界限时，需要改变主输出电路模块3输出电压值，同理可通过电阻R8、三极管Q1、可调电位器VR1构成的电路，且调节VR1即可实现改变恒流恒压电路模块（5）使之达到需要的电压值。同时，还可以通过设定定时时间，控制整个充电过程的时间，防止出现无人守候时，发生过充现象。 

发明的TOPSwitch-GX系列集成芯片的充电器单片机控制技术，能够根据铅酸或锂电池荷电状态和充电状态，动态调整充电电流、充电电压，并设定不同电压（电流）值执行多样化的充电方式，同时能提供多种保护，具体有如下优点： 

适用各类型的不同型号的电池；

高效节能、安全可靠、不会出现误动作；

可任意设定充电曲线。根据不同需求设定最优充电曲线；

功能齐全。具有开机、充满声音提示，自动巡检自动调整，开路电压输出，短路、反接、过压、过流、过热等全保护等功能，可扩展性强。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。  

Claims (8)

1.基于TOPSwitch-GX系列集成芯片控制充电器，其特征在于包括：输入整流模块电路（1）、TOPSwitch-GX系列集成芯片 (2)、主输出电路模块(3)、输出开关装置模块(4)、恒压恒流电路模块(5)、MCU检测与控制器（6）、电池组（7）和充电器（8）；

所述的输入整流模块电路（1）可以衰减或抑制EMI干扰，以满足EMC标准要求；

所述的TOPSwitch-GX系列集成芯片（2）对充电器（8）进行智能控制；

所述的主输出电路模块（3）采集充电器（8）的输出电压和电流；

所述的输出开关装置模块（4）用于开启和关闭充电器（8）的；

所述的恒压恒流电路模块(5)用于检测充电器（8）输出电压（电流）值，当输出电压（电流）大于设置的电压（电流）值时，产生一个反馈信号到所述TOPSwitch-GX系列集成芯片 (2)，使漏极和源极开通的占空比减小，从而降低电压（电流）效果，反之升高；

所述的MCU检测与控制器（6），用于实时检测电池组（7）电压状况和充电器（8）状态，当符合程序执行语句时，MCU检测与控制器（6）给定信号去控制输出开关装置模块(4)或者恒压恒流电路模块(5)，比如降低恒流（恒压）值或者执行方波间歇式充电的充电方式。

2.根据权利要求1所述的基于TOPSwitch-GX系列集成芯片控制充电器，其特征在于：所述充电器（8）由所述TOPSwitch-GX系列集成芯片 (2)控制，并且具有用于在MCU检测与控制器（6）控制下通过开关装置给电池充电的主要电压输出端（14）、用于为MCU检测与控制器（6）供电的辅助电压输出端（16）及具有充电状态指示的充电状态输出端（18）；所述的恒压恒流电路模块（5）包恒压恒流反馈电路（51）、电压控制电路（52）和电流控制电路（53），所述恒压恒流反馈电路（51）具有第一输入端（511）、第二输入端（512）、第三输入端（513）和输出端（514），所述第一输入端（511）与充电器（8）主输出端（14）连接以将其输出的电流和电压值通过输出端（54）反馈给所述TOPSwitch-GX系列集成芯片 (2)，所述恒压恒流反馈电路（51）第二输入端（512）与电压控制电路（52）连接用于外部电压控制和设定，所述恒压恒流反馈电路（51）第三输入端（513）与电流控制电路（53）连接用于外部电流控制和设定。

3.根据权利要求2所述的基于TOPSwitch-GX系列集成芯片控制充电器，其特征在于：所述MCU检测与控制器（6）具有第一输入输出端（61）、第二输入输出端（62）、第三输入输出端（63）、第一模数转换端（64）、第二模数转换端（65）及电源输入端（66）。

4.根据权利要求3所述的基于TOPSwitch-GX系列集成芯片控制充电器，其特征在于：还包括充电信号采集模块（9），所述充电信号采集模块（9）包括电阻（R1）、电阻（R4）、电阻（R2）及电容（C1）；所述电阻（R1）的一端接充电器（8）的充电状态输出端（18），另一端经电阻（R4）接地；电阻（R4）的非接地端经电阻（R2）接至MCU检测与控制器（6）的第二模数转换端（65），第二模数转换端（65）经电容（C1）接地。

5.根据权利要求4所述的基于TOPSwitch-GX系列集成芯片控制充电器，其特征在于：所述输入开关装置模块（4）具有输入端（42）、输出端（44）及控制端（46）；所述输入端（42）与充电器（8）的主要电压输出端（14）连接，而输出端（44）作为充电器（8）的电压输出端与电池组（7）连接；所述控制端（46）与MCU检测与控制器（6）的第三输入输出端（63）连接。

6.根据权利要求5所述的基于TOPSwitch-GX系列集成芯片控制充电器，其特征在于：所述主输出电路模块（3）包括电阻（R3）、电阻（R6）、电阻（R5）及电容（C2）；所述电阻（R3）的一端接输出开关装置模块（4）的输出端（44），另一端经电阻（R6）接地，电阻（R6）的非接地端经电阻（R3）与MCU检测与控制器（6）的第一模数转换端（64）连接，同时所述第一模数转换端（64）经电容（C2）接地。

7.根据权利要求6所述的基于TOPSwitch-GX系列集成芯片控制充电器，其特征在于：所述电压控制电路（52）包括三极管（Q1）、可变电阻（VR1）及电阻（R8）；所述三极管（Q1）的基极经电阻（R8）接至MCU检测与控制器（6）的第一输入输出端（61），所述三极管（Q1）的发射极接地，所述三极管（Q1）的集电极接至可变电阻（VR1）的一端，可变电阻（VR1）另一端接至所述恒压恒流反馈电路（51）第二输入端（512）。

8.根据权利要求7所述的基于TOPSwitch-GX系列集成芯片控制充电器，其特征在于：所述电流控制模块（53）包括三极管（Q2）、可变电阻（VR2）及电阻（R7）；所述三极管（Q2）的基极经电阻（R7）接至MCU检测与控制器（6）的第二输入端（62），三极管（Q2）的发射极接地，而三极管（Q2）的集电极接至可变电阻（VR2）的一端，可变电阻（VR2）另一端接至所述恒压恒流反馈电路（51）第三输入端（513）。