CN104935058A - 一种用于集抄终端类产品的电池充电电路 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于集抄终端类产品的电池充电电路，适用于镍氢电池、镍镉电池以及锂电池充电。其中锂电池充电过程分为涓流充电、恒流充电、恒压充电以及充电终止四个过程。本发明采用开关电源方案，充电效率高，绿色环保，功能丰富，能够以最优的充电过程完成电池充电，延长电池使用寿命。本发明不仅向下兼容被充电池，而且向上兼容不同复杂等级的控制系统，具有较高的应用价值。

Description

一种用于集抄终端类产品的电池充电电路

技术领域

本发明涉及一种多功能高效的用于集抄终端类产品的电池充电电路。

技术背景

电网并未对集抄终端类产品的充电电池做出统一要求，但是电池还是以镍氢电池和锂电池为主，且电池规格不一。集抄终端类产品属于工业级产品，需要较高的安全等级而现今并无较为合适的用于此类产品的电池充电芯片，尤其缺少工业级芯片。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种用于集抄终端类产品的电池充电电路，具有较高的效率和安全等级，既可独立工作又可通过程序控制完成更复杂的充电过程。

本发明的技术方案如下：

一种用于集抄终端类产品的电池充电电路，其特征在于：它包括由mos管Q1、电感L1、电容C4及二极管D2组成的BUCK电路，还包括电流控制回路、电压控制回路及使能控制电路；其中电流控制回路由电阻R1和电容C1将电流信号转换为电压信号，再经过三极管Q2与电阻R9和电阻R15共同组成的放大电路将电压信号放大；电压信号经三极管Q7放大后接二极管D4和二极管D5，再经由电阻R6、电容C3和电容C5组成的RC延时网络接mos管Q1；电压控制回路由电阻R4和电阻R11分压输出到二极管D3，再经由电阻R6、电容C3和电容C5组成的RC延时网络接mos管驱动电路用于电压控制；由电阻R5、电阻R13分压，再经电容C6滤波后输入到单片机AD输入端，用于电压检测；使能控制电路由电阻R16接三极管Q6再经由电阻R6、电容C3和电容C5组成的RC延时网络接mos管Q1。

一种用于集抄终端类产品的电池充电电路，其特征在于：它包括由mos管Q1、电感L1、电容C5及二极管D4组成的BUCK电路，还包括电流控制回路、电压控制回路、mos管驱动电路及使能控制电路；其中电流控制回路由电阻R2和电容C3将电流信号转换为电压信号，再经过运算放大器U1、电阻R9、电阻R10、电阻R20和电阻R4共同组成的差分放大电路，将电压信号放大；电压信号经电阻R12、二极管D3接TL431D5，再经驱动电路接mos管Q1；单片机的DA1接电阻R14，再经二极管D3接电压基准源D5，用于电流输出量调节；运算放大器U1输出经电阻R13接AD1用于电流检测；电压控制回路由电阻R6和电阻R15分压后经二极管D2输出到电压基准源D5，再经驱动电路控制mos管Q1，用于电压控制；单片机DA2接电阻R17经二极管D2接电压基准源D5，用于电压输出量调节；由电阻R7、电阻R18分压，再经电容C7滤波后输入到单片机的AD2，用于电压检测；mos管驱动电路由三极管Q5、三极管Q2组成的反向图腾柱用以保证三极管Q3、三极管Q4组成的半H桥的上下桥臂不同时导通；所述的半H桥经电阻R11关断mos，经电阻R11与电阻R22开启mos，用于实现mos管的快关断和慢开启；使能控制电路由电阻R16经三极管Q6接mos管驱动电路的输入端，用于实现充电电路的使能与失能功能。

本发明的积极效果在于：本发明的电路是一种用分立器件设计的开关型充电电路，效率远远高于现有线性电源方案做的充电电路，诸如LM317，LM7805等线性稳压器方案的充电方案。本发明的充电电路功能丰富，既可独立工作又可程序控制完成更复杂的充电过程，完全胜任多种充电方案。

本发明通过电压反馈和电流反馈来调节MOS管的通断并通过电感、电容滤除大部分文波。在整个调节过程中只存在控制回路耗能、MOS管ESR和电流检测电阻耗能。其中控制回路耗能仅占损耗的很小一部分，MOS管的ESR值与电流检测电阻的值的和较小，故耗能少。充电效率远高于现有线性电源方案。

本发明具有可调电流模式充电，可调电压模式充电，功能远胜于现有集抄终端类产品的充电方案。可以针对不同规格的电池设置不同的充电方案，用以延长电池使用寿命。

本发明充电电路在恒流模式充电时，电压可检测并且可以进行电压限幅，当前充电电流也可检测，带有过流保护功能，防止输出短路。而且本充电电路的充电电流可调，可以根据电池容量以及电池电压设定不同的充电电流。在恒压充电时，亦可根据充电电流调节充电电压。

当电池电量较少时采用小电流充电(涓流充电)，当电池充到一定电量时再以较大的电流充电(恒流充电)，因此提高了充电效率，电池基本充满时再切换到恒压模式并检测充电电流，当充电电流小于设定值时终止充电，完成充电过程。因此本发明可实现复合充电方式，进一步延长电池使用寿命。

本发明既可受微处理器控制，完成精密复杂的充电过程，也可以独立工作完成充电过程，可向上兼容不同复杂等级的控制系统，完成不同复杂等级的充电过程；本发明可向下兼容多种的不同种类以及不同规格的电池，如不同容量、不同串联节数的镍镉、镍氢以及锂电池。

附图说明

图1是本发明的逻辑框图。

图2本发明完整版电路原理图。

图3本发明精简版电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式进一步说明本发明。

本发明的充电电路位于终端电源和备用电池之间，电路图中“12V”接终端的内部电源，该电源范围较广(8-15V)大多数终端类产品均可以提供此电压；该充电电路的充电电流可调，可根据电源的输出能力以及电池规格选择合适的充电电流。

如图1所示，本发明Ui为充电电路输入电源，Uo接被充电电池。该充电电路的拓扑结构为BUCK电路。由开关mos管、储能电感、滤波电容及续流二极管组成。另外该电路还包括电流检测部分、电压检测部分；以上两部分的输出经或非逻辑接mos管驱动电路，驱动mos管。电压检测部分和电流检测部分留有模拟输入和模拟输出接口。模拟输出接单片机的AD输入接口，完成电压和电流量的检测。单片机的DA输出接口接上述模拟输入接口完成电压和电流量的调节，并与电压和电流检测支路组成充电电路的控制外环，保证电压与电流的输出精度。另外该充电电路还配有使能功能，可由单片机或系统CPU控制充电电路的使能与失能。

如图2所示，BT1位被充的备用电池，由于本发明的输出电压与输出电流均可调节，被充电池可以是多种规格的。该电池的电压规格可以是3S或者4S的镍氢电池、3S或者4S的镍镉电池也可以是1S的锂电池；本发明能够兼容任一电量(决定最大充电电流)规格的电池。

本发明电路的拓扑结构是由mos管Q1、电感L1、电容C5及肖特基二极管D4组成的BUCK电路，该电路还包括电流控制回路、电压控制回路及使能控制。

该电路的电流检测是由R2和C3将电流信号转换为电压信号，再经过运算放大器U1与电阻R9、电阻R10、电阻R20、电阻R4共同组成的差分放大电路，将电压信号放大。上述电压信号经电阻R12、二极管D3接电压基准源TL431D5，再经驱动电路控制mos管Q1，完成电流控制。单片机DA1接电阻R14经二极管D3接TL431D5，完成电流输出量调节；运算放大器U1输出经电阻R13接AD1完成电流检测。

该电路的电压检测是由电阻R6和电阻R15分压经二极管D2输出到TL431D5，再经驱动电路控制mos管Q1，完成电压控制。单片机DA2接电阻R17经二极管D2接TL431D5，完成电压输出量调节；则由电阻R7、电阻R18分压，经电容C7滤波后输入到AD2，完成电压检测。

该电路的mos管驱动电路是由三极管Q5、三极管Q2组成的反向图腾柱用以保证，三极管Q3、三极管Q4组成的半H桥的上下桥臂不同时导通。Q3、Q4组成的半H桥经R11关断mos，经R11与R22开启mos，实现了mos管的快关断、慢开启，减少了mos的关断时间，也保证了开关电源的对外辐射不超标。

该电路的使能是由电阻R16经三极管Q6接mos管驱动电路的输入端，实现充电电路的使能与失能功能。

充电过程：

充电前先检测电池电压以计算电池电量，若检测到电池电压很低(电池电量基本放光)，此时若是用恒压或是恒流充电将有损池使用寿命。此时应先采用本发明中的的涓流充电方式，继而再采取下一种充电方式。若检测到电池仍有部分电量，或者电池电量充到一定程度时，换大电流充电，并由电流检测电路反馈到单片机/CPU精确控制输出电流。当电池电量接近满时，充电电流减小而电池电压抬高，使得电流值小于电流阀值而电压值大于电压阀值时，充电电路自动进入电压型PWM。

在此充电过程中检测充电电流，当测到电流小于设定值时，通过时能管脚关断充电电路。

在整个充电过程中同时检测电压和充电电流可以更为准确地计算电池电量，此种电量检测方法，可排出不同充电电流下由于电池ESR的原因导致电池电量检测误差较大掉电池充不满或者过冲。

本发明既可以受单片机控制精密完成充电过程，亦可将电流模拟量、电流阀值、电压阀值悬空不接，此时电池也能独立完成简单的充电任务。当终端只是需要电路完成简单的充电任务时，可以精简为如图3所示的电路。

本发明可以如上所述完成复杂的充电过程，也可以精简为简单的先恒流再恒压的充电过程。此精简的充电电路完全由模拟电路完成电池充电全过程，较适合接口不太丰富的简单的单片机系统。

当系统不需要复杂的充电方案时该充电电路可以只保留一个使能端和一个电压测量点，其余3路模拟信号悬空不接即可，亦可将电路精简(去掉运放)具体详见附图。即先恒流充电再恒压充电，当电池充到合适电压时，通过使能端关掉充电电路。

如附图3所示，电流控制回路可用分立器件三极管Q2、三极管Q7、电阻R9、电阻R15代替，电流检测输出、电流调节输入以及电压的调节输入亦可去除，从而实现高性价比的充电电路。

该电路的拓扑结构是由mos管Q1、电感L1、电容C4及肖特基二极管D2组成的BUCK电路，该电路还包括电流控制回路、电压控制回路及使能控制电路。

该电路的电流检测是由电阻R1和电容C1将电流信号转换为电压信号，再经过三极管Q2与电阻R9、电阻R15共同组成的放大电路，将电压信号放大。上述电压信号经三极管Q7放大接二极管D4、二极管D5，再经由电阻R6、电容C3、电容C5组成的RC延时网络接mos管驱动电路，完成电流控制。

该电路的电压检测是由电阻R4和电阻R11分压输出到TL431D3，再经由R6、C3、C5组成的RC延时网络接mos管驱动电路，完成电压控制。由电阻R5、电阻R13分压，经电容C6滤波后输入到单片机AD输入端，完成电压检测。

该电路的使能控制电路是由电阻R16接三极管Q6再经由电阻R6、电容C3、电容C5组成的RC延时网络接mos管驱动电路，实现充电电路的使能与失能功能。

本充电电路采用了电压型PWM和电流型PWM，两种PWM方式可根据设定电压阀值和电流阀值自动切换。

电流型PWM参数计算：

$U_{io}=I_{av}\×R_2\×\frac{R_4}{R_{10}}$

$U_{ref}=U_{iadj}+R_{14}\×\frac{U_{io}-U_{iadj}}{R_{12}+R_{14}}$

由以上两式得：

I_av＝1.08-(0.2×U_iadj)

注：充电电流：I_av，运放输出电压：U_io，参考电压(BAS85压降与TL431参考电压之和)

：U_ref＝2.7V，电流阀值调节信号：U_iadj，*当电流阀值调节为悬空时U_iadj＝2.7V。

电压型PWM参数计算：

$\frac{U_{ref}-U_{uadj}}{R_{17}}+\frac{U_{ref}}{R_{15}}+\frac{U_{ref}-U_{av}}{R_6}=0$

U_av＝8.1-U_uadj

注：充电电压：U_av，参考电压(BAS85压降与TL431参考电压之和)：U_ref＝2.7V，电压阀值调节信号：U_uadj，*当电流阀值调节为悬空时U_uadj＝2.7V。

复合式充电方式：

涓流充电：当电池电量较少时采用通过调节电流阀值小电流充电，并由电流检测电路反馈到单片机/CPU精确控制输出电流。

恒流充电：当电池电量达到一定程度时，换大电流充电，并由电流检测电路反馈到单片机/CPU精确控制输出电流。

恒压充电：当电池电量接近满时，充电电流减小而电池电压抬高，使得电流值小于电流阀值而电压值大于电压阀值时充电电路自动进入电压型PWM。在此充电过程中检测充电电流检测到电流小于一定值是通过时能管脚关断充电电路。电量检测：在整个充电过程中同时检测电压和充电电流可以更为准确的计算电池电量。

Claims (2)

1.一种用于集抄终端类产品的电池充电电路，其特征在于：它包括由mos管Q1、电感L1、电容C4及二极管D2组成的BUCK电路，还包括电流控制回路、电压控制回路及使能控制电路；其中电流控制回路由电阻R1和电容C1将电流信号转换为电压信号，再经过三极管Q2与电阻R9和电阻R15共同组成的放大电路将电压信号放大；电压信号经三极管Q7放大后接二极管D4和二极管D5，再经由电阻R6、电容C3和电容C5组成的RC延时网络接mos管Q1；电压控制回路由电阻R4和电阻R11分压输出到二极管D3，再经由电阻R6、电容C3和电容C5组成的RC延时网络接mos管驱动电路用于电压控制；由电阻R5、电阻R13分压，再经电容C6滤波后输入到单片机AD输入端，用于电压检测；使能控制电路由电阻R16接三极管Q6再经由电阻R6、电容C3和电容C5组成的RC延时网络接mos管Q1。

2.一种用于集抄终端类产品的电池充电电路，其特征在于：它包括由mos管Q1、电感L1、电容C5及二极管D4组成的BUCK电路，还包括电流控制回路、电压控制回路、mos管驱动电路及使能控制电路；其中电流控制回路由电阻R2和电容C3将电流信号转换为电压信号，再经过运算放大器U1、电阻R9、电阻R10、电阻R20和电阻R4共同组成的差分放大电路，将电压信号放大；电压信号经电阻R12、二极管D3接TL431D5，再经驱动电路接mos管Q1；单片机的DA1接电阻R14，再经二极管D3接电压基准源D5，用于电流输出量调节；运算放大器U1输出经电阻R13接AD1用于电流检测；电压控制回路由电阻R6和电阻R15分压后经二极管D2输出到电压基准源D5，再经驱动电路控制mos管Q1，用于电压控制；单片机DA2接电阻R17经二极管D2接电压基准源D5，用于电压输出量调节；由电阻R7、电阻R18分压，再经电容C7滤波后输入到单片机的AD2，用于电压检测；mos管驱动电路由三极管Q5、三极管Q2组成的反向图腾柱用以保证三极管Q3、三极管Q4组成的半H桥的上下桥臂不同时导通；所述的半H桥经电阻R11关断mos，经电阻R11与电阻R22开启mos，用于实现mos管的快关断和慢开启；使能控制电路由电阻R16经三极管Q6接mos管驱动电路的输入端，用于实现充电电路的使能与失能功能。