CN105048595A - 以超电容降压来快速充电及放电压降补尝的电源管理方案 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以超电容降压来快速充电及放电压降补尝的电源管理方案，其包括：电池、处理器、超级电容组、在快充时，处理器控制串联充电开关和并联充电开关间歇通断，使超级电容组对电池进行脉冲大电流充电，在放电时，根据负载电流大小决定用电池单独供电或者用电池和超级电容共同供电，避免电池因抽载大电流造成的当机及电池本身寿命损伤；本发明快速充电与电池放电管理是利用同一组超电容组，透过搭配电路设计管理，同时在快速充电时不用电感降压而是用超级电容来降压，不会像电感产生热，来达到快速充电与大电流负载放电的功能。

Description

以超电容降压来快速充电及放电压降补尝的电源管理方案

技术领域

本发明涉及电池充电、放电的管理方案，尤其涉及一种利用超级电容对电池进行快速充电并且在电池放电时补偿放电压降的电源管理方案。

背景技术

电池的快速充电是人们一直追求的充电模式，在消费型电子上应用越来越多，越来越普及，可望近二年内快速充电将会是一个标准配备技术。目前手机市场上除了一般普通充电模式(5V，0.5～1.5A)以外，主流的快充方案(高通2.0与联发科MTKPumpExpress)采用充电头高压低电流，进入手机端后再采恒流恒压(CC，CV)充电，充电时间以3200mAh而言充满需90-120分钟，缺点是此方案需绑2颗充电管理IC并且手机的CPU需能与之搭配，成本相对提高。另一快充技术方案(OPPOFlashVOOC闪充)也是采恒流恒压(CC，CV)充电头采5V5A低压大电流充电，电池得用快速充电专用电池，其充满3200mAh需45-60分，而且从充电头、USB线与接口、快充专用电池，全都特制成本很高是其缺点。现行的电池要能快速充电都必须将充电电流放大，但放大电流会造成电池本身循环寿命一定程度的伤害。在电池的负载放电上，电池最忌诲的是负载大的大电流抽载效应，一般消费性电子都会有电源管理IC负责各软硬件的耗电供电管理，但缺点是必须写入完整的程序来运作，但在电池到达3.4V时这些控制IC会运作不稳定，因此在3.5VIC就会开使限制功耗大的软硬件停止工作，来稳定运作，此时瞬间的压降容易造成手机当机甚至判定电池没电而关机，也很容易使电池缩短寿命。

故此开发一种能实现快速充放电的，且不会损伤缩短电池寿命的管理方案是业内亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明是要解决现有技术的上述问题，提出能实现快速充放电且不会损伤缩短电池寿命的管理方案。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是设计一种以超电容降压来快速充电及放电压降补尝的电源管理方案，其包括：安装在电子产品中并且连接充电接口的电池、处理器、超级电容组、串接在充电接口与超级电容组之间的串联充电开关、串接在超级电容组与电池之间的并联充电开关、连接电池的负载、串接在超级电容组与负载之间的并联放电开关，处理器内置快充程序，分别控制串联充电开关、并联充电开关、并联放电开关的通断；在快充时，处理器控制串联充电开关和并联充电开关间歇通断，当串联充电开关接通、并联充电开关和并联放电开关关断时，充电器通过充电接口向超级电容组充电，当串联充电开关和并联放电开关关断、并联充电开关接通时，超级电容组向电池快速的进行脉冲充电；在放电时，处理器侦测负载电流，当负载电流小时，处理器控制串联充电开关、并联充电开关、并联放电开关关断，由电池单独向负载供电；当负载电流大时，处理器控制串联充电开关和并联充电开关关断、并联放电开关接通，由超级电容组和电池共同向负载供电。

所述超级电容组具有多个超级电容，串联充电开关、并联充电开关和并联放电开关亦具有多个，所有串联充电开关分别串接在超级电容之间，当所有串联充电开关接通而所有并联充电开关和所有并联放电开关断开时，所有超级电容依次串联连接所述充电接口；所有并联充电开关对应串接在超级电容与所述电池之间，当所有串联充电开关和所有并联放电开关断开而所有并联充电开关接通时所有超级电容并联连接所述电池；所有并联放电开关对应串接在超级电容与所述负载之间，当所有串联充电开关和所有并联充电开关关断而所有并联放电开关接通时所有超级电容并联接所述负载。

所述超级电容和串联充电开关的个数相同，并联充电开关和并联放电开关的个数比超级电容的个数多一倍，其中第一个串联充电开关串接在充电接口正极与第一个超级电容正极之间，后面的串联充电开关串接在前一个超级电容负极与后一个超级电容正极之间，最后一个超级电容负极连接充电接口负极；一半的并联充电开关对应串接在超级电容正极与所述电池正极之间，另一半的并联充电开关对应串接在超级电容负极与所述电池负极之间；一半的并联放电开关对应串接在超级电容正极与所述负载正极之间，另一半的并联放电开关对应串接在超级电容负极与所述负载负极之间。

所述处理器内置慢充程序，在所述充电器中装有识别芯片，该识别芯片通过充电接口与装在电子产品中的所述处理器连接，当处理器识别到识别芯片时执行所述快充程序；当处理器未识别到识别芯片时执行慢充程序，处理器控制串联充电开关、并联充电开关、并联放电开关皆关断，充电器通过充电接口向电池充电。

所述电池串接限流元件后连接所述并联充电开关，在未用充电器充电时，处理器控制并联充电开关导通，电池经限流元件向超级电容充电。

所述串联充电开关、并联充电开关、并联放电开关皆采用MOS管。

所述脉冲充电的脉冲频率为10Hz～100MHz，周期占空比1%～99%。

与现有技术相比，本发明采用超级电容对电池进行脉冲大电流充电，脉冲式的大电流冲击而不受到伤害电池，进而减少电池因大电流而产生的寿命降低，藉此达到快速充电且保持电池寿命的功能；在放电过程中根据负载用电量决定用电池单独供电或者用电池和超级电容共同供电，避免电池因抽载大电流造成的当机及电池本身寿命损伤；本发明快速充电与电池放电管理是利用同一组超电容组，透过搭配电路设计管理，同时在快速充电时不用电感降压而是用超级电容来降压，不会像电感产生热，来达到快速充电与大电流负载放电的功能，并且超电容组具分压模式，可取代电感升降压发烫，减少系统端对热处理的成本，来达到对电池快充、放电保护与热的多重功效。

附图说明

图1为本发明基本原理框图；

图2为本发明较佳实施例的原理框图；

图3为本发明较佳实施例中电子产品部分的原理框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明揭示了一种以超电容降压来快速充电及放电压降补尝的电源管理方案，参看图1示出的基本原理框图，其包括：安装在电子产品中并且连接充电接口的电池、处理器、超级电容组、串接在充电接口与超级电容组之间的串联充电开关、串接在超级电容组与电池之间的并联充电开关、连接电池的负载、串接在超级电容组与负载之间的并联放电开关，处理器内置快充程序，分别控制串联充电开关、并联充电开关、并联放电开关的通断。

在快充时，处理器控制串联充电开关和并联充电开关间歇通断，当串联充电开关接通、并联充电开关和并联放电开关关断时，充电器通过充电接口向超级电容组充电，当串联充电开关和并联放电开关关断、并联充电开关接通时，超级电容组向电池快速的进行脉冲充电。在此利用超电容几毫秒的瞬间充放电速度，搭配一定频率范围、脉冲波占空比、以一缓冲的功能来保护电池大电流脉冲快速充电，并且超级电容做降压保护。

在放电时，处理器侦测负载电流，当负载电流小时，处理器控制串联充电开关、并联充电开关、并联放电开关关断，由电池单独向负载供电；当负载电流大时，处理器控制串联充电开关和并联充电开关关断、并联放电开关接通，由超级电容组和电池共同向负载供电。

在较佳实施例中，所述超级电容组具有多个超级电容，串联充电开关、并联充电开关和并联放电开关亦具有多个。所有串联充电开关分别串接在超级电容之间，当所有串联充电开关接通而所有并联充电开关和所有并联放电开关断开时，所有超级电容依次串联连接所述充电接口,充电接口对超级电容充电；所有并联充电开关对应串接在超级电容与所述电池之间，当所有串联充电开关和所有并联放电开关断开而所有并联充电开关接通时所有超级电容并联连接所述电池，超级电容对电池充电；所有并联放电开关对应串接在超级电容与所述负载之间，当所有串联充电开关和所有并联充电开关关断而所有并联放电开关接通时所有超级电容并联接所述负载，超级电容和电池向负载供电。

在较佳实施例中，所述超级电容和串联充电开关的个数相同，并联充电开关和并联放电开关的个数比超级电容的个数多一倍。参看图3给出的具体实施例超级电容有3个，分别是NUC1至NUC3；串联充电开关有3个，分别是MOS1至MOS3；并联充电开关有6个，分别是MOS4至MOS9；并联放电开关有6个，分别是MOS10至MOS15。

其中第一个串联充电开关MOS1串接在充电接口正极与第一个超级电容NUC1正极之间，后面的串联充电开关串接在前一个超级电容负极与后一个超级电容正极之间，最后一个超级电容负极连接充电接口负极；当所有串联充电开关接通而所有并联充电开关和所有并联放电开关断开时，所有超级电容依次串联连接所述充电接口,充电接口对超级电容充电。一半的并联充电开关（MOS4、MOS6、MOS8）对应串接在超级电容正极与所述电池正极之间，另一半的并联充电开关（MOS5、MOS7、MOS9）对应串接在超级电容负极与所述电池负极之间；当所有串联充电开关和所有并联放电开关断开而所有并联充电开关接通时所有超级电容并联连接所述电池，超级电容对电池充电。一半的并联放电开关（MOS10、MOS12、MOS14）对应串接在超级电容正极与所述负载正极之间，另一半的并联放电开关（MOS11、MOS13、MOS15）对应串接在超级电容负极与所述负载负极之间当所有串联充电开关和所有并联充电开关关断而所有并联放电开关接通时所有超级电容并联接所述负载，超级电容和电池向负载供电。

为增强本发明的适应性，本发明设计成可适用普通充电器和快速充电器。普通充电器是现行同类产品的充电器，其输出电压低、电流小；快速充电器输出电压高、电流大，并且内置识别芯片（图2中的次IC）。处理器（图2中的主IC）内置慢充程序，该识别芯片通过充电接口与装在电子产品中的所述处理器连接，当处理器识别到识别芯片时（即达到确认通讯协议）执行前述的快充程序；当处理器未识别到识别芯片时执行慢充程序，处理器控制串联充电开关、并联充电开关、并联放电开关皆关断，充电器通过充电接口向电池充电。

在较佳实施例中，所述电池串接限流元件后连接所述并联充电开关，在未用充电器充电时，处理器控制并联充电开关导通，电池经限流元件向超级电容充电，以保持超级电容有电，以应对随时可能到来的负载大电流用电。

在较佳实施例中，所述串联充电开关、并联充电开关、并联放电开关皆采用MOS管。

通过大量的试验，选用不同的电池和充电器做比较，所述脉冲充电的脉冲频率控制在10Hz～100MHz，周期占空比1%～99%为佳。

以下结合图2，以电子产品是手机为例对本发明做进一步阐述。图2左上方的是一个快速充电器（左下为普通充电器），快速充电器AC转DC15V2A(5V～30V，1A～10A)，此时手机端内的处理器（主IC或称主MCU）侦测到充电器内的识别芯片（次IC或称次MCU），达到确认通讯协议(图中虚线表示两者进行识别)，便执行快速充电模式，执行快充时并联放电开关MOS10至MOS15处于关闭状态，超电容优先进行快充作业不执行电源放电补偿工作。充电器的电流经由USBStandardA端经由USBLine再由USBTypeC进入手机端内，此时主MCU会命令串联充电开关MOS1、2、3导通，让超级电容NUC1、2、3三颗形成形成串联电路，由于超电容在毫秒内就会充饱电，主MCU会再令MOS1、2、3关闭，原本的三颗串联超电容会形成各别的独立的超电容，每颗都有5V2A的电量，在MOS1、2、3关闭时对充满电的超电容来说后端的电池就会是负载端，主MCU会令并联充电开关MOS4、5、6、7、8、9导通，超电容会三颗形成并联放电给电池充电(2+2+2=6A)，此过程称为一次脉充流充电(脉冲频率10Hz～100MHz，周期占空比1%～99%)。放完电后，主MCU会再令MOS1、2、3再打开让电流进来充饱超电容，充饱关闭MOS123的同时超电容再放电给电池充电，如此重复的步骤形成对池的脉充充电。本发明经过多次实验测试，在超电容的电容量值、脉冲控制频率(随着电池充饱频率会逐渐加快)，脉冲占空比宽度都有相对应的匹配关系式。

在放电时，电池是所有运作的电力来源，负载代表手机内部所有运作的硬件，电池提供电源给各负载使用，但负载所需的电力需求有大有小，不管大小都由电池提供。对电池而言小电流提供是可以承担的，但大电流提供对电池是有伤害的。因此本发明应用超级电容来负责负载端的大电流抽载所需，同样参看图2，电池放电规划有二路放电给负载，第一条路线是电池提供低功耗负载电流放电，一般属于待机状态，此路线是随时都会运作；另设计第二条路线，电池除提供待机所需电力外，也同时对三颗超级电容做限流充电(意思是慢慢对超电容充电而不是大电充电)，如此电池的放电永远处于不伤害本身寿命的情况，当主MCU侦测到负载端有大电流功耗需求时(如闪光灯、GPS、手机拨话时、影音运作时)(负载需求电流0.5A以上)，主MCU会命令MOS10、11、12、13、14、15打开让超电容NUC1、2、3的存电瞬间放出给负载使用，此时超级电容能在(电池电压4.4V～3.0V工作区间都适用)大电流负载时优先瞬间放电给负载使用，避免电池因抽载大电流造成的当机及电池本身寿命损伤，尤其在电池电压剩3.6V(剩20%电量)以下，随即MOS11、12、13、14、15再关闭，MOS4、5、6、7、8、9导通，电池经限流元件对超电容NUC1、2、3充电，等待下一次负载大电流放电需求。

以上实施例仅为举例说明，非起限制作用。任何未脱离本申请精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于本申请的权利要求范围之中。

Claims (7)

1.一种以超电容降压来快速充电及放电压降补尝的电源管理方案，其特征在于包括：安装在电子产品中并且连接充电接口的电池、处理器、超级电容组、串接在充电接口与超级电容组之间的串联充电开关、串接在超级电容组与电池之间的并联充电开关、连接电池的负载、串接在超级电容组与负载之间的并联放电开关，处理器内置快充程序，分别控制串联充电开关、并联充电开关、并联放电开关的通断；

在快充时，处理器控制串联充电开关和并联充电开关间歇通断，当串联充电开关接通、并联充电开关和并联放电开关关断时，充电器通过充电接口向超级电容组充电，当串联充电开关和并联放电开关关断、并联充电开关接通时，超级电容组向电池快速的进行脉冲充电；

在放电时，处理器侦测负载电流，当负载电流小时，处理器控制串联充电开关、并联充电开关、并联放电开关关断，由电池单独向负载供电；当负载电流大时，处理器控制串联充电开关和并联充电开关关断、并联放电开关接通，由超级电容组和电池共同向负载供电。

2.如权利要求1所述的以超电容降压来快速充电及放电压降补尝的电源管理方案，其特征在于：所述超级电容组具有多个超级电容，串联充电开关、并联充电开关和并联放电开关亦具有多个，

所有串联充电开关分别串接在超级电容之间，当所有串联充电开关接通而所有并联充电开关和所有并联放电开关断开时，所有超级电容依次串联连接所述充电接口；

所有并联充电开关对应串接在超级电容与所述电池之间，当所有串联充电开关和所有并联放电开关断开而所有并联充电开关接通时所有超级电容并联连接所述电池；

所有并联放电开关对应串接在超级电容与所述负载之间，当所有串联充电开关和所有并联充电开关关断而所有并联放电开关接通时所有超级电容并联接所述负载。

3.如权利要求2所述的以超电容降压来快速充电及放电压降补尝的电源管理方案，其特征在于：所述超级电容和串联充电开关的个数相同，并联充电开关和并联放电开关的个数比超级电容的个数多一倍，

第一个串联充电开关串接在充电接口正极与第一个超级电容正极之间，后面的串联充电开关串接在前一个超级电容负极与后一个超级电容正极之间，最后一个超级电容负极连接充电接口负极；

一半的并联充电开关对应串接在超级电容正极与所述电池正极之间，另一半的并联充电开关对应串接在超级电容负极与所述电池负极之间；

一半的并联放电开关对应串接在超级电容正极与所述负载正极之间，另一半的并联放电开关对应串接在超级电容负极与所述负载负极之间。

4.如权利要求3所述的以超电容降压来快速充电及放电压降补尝的电源管理方案，其特征在于：所述处理器内置慢充程序，在所述充电器中装有识别芯片，该识别芯片通过充电接口与装在电子产品中的所述处理器连接，当处理器识别到识别芯片时执行所述快充程序；当处理器未识别到识别芯片时执行慢充程序，处理器控制串联充电开关、并联充电开关、并联放电开关皆关断，充电器通过充电接口向电池充电。

5.如权利要求4所述的以超电容降压来快速充电及放电压降补尝的电源管理方案，其特征在于：所述电池串接限流元件后连接所述并联充电开关，在未用充电器充电时，处理器控制并联充电开关导通，电池经限流元件向超级电容充电。

6.如权利要求5所述的以超电容降压来快速充电及放电压降补尝的电源管理方案，其特征在于：所述串联充电开关、并联充电开关、并联放电开关皆采用MOS管。

7.如权利要求1至6任一项所述的以超电容降压来快速充电及放电压降补尝的电源管理方案，其特征在于：所述脉冲充电的脉冲频率为10Hz～100MHz，周期占空比1%～99%。