CN105322397B - 具有充电保护功能的usb端口连接器及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有充电保护功能的USB端口连接器及其实现方法，中央处理单元通过电压检测单元检测并识别输入电压，当输入电压超出安全电压范围时控制电子开关截止，使充电回路断开；中央处理单元通过电流侦测单元侦测充电电流，当发生过电流或短路时控制电子开关截止，使充电回路断开；中央处理单元记录恒流充电阶段最大安全充电电流，计算出充电截止电流阈值，当充电电流低于充电截止电流阈值时，控制电子开关截止，使充电回路断开；本发明具有过电压保护、过充电保护、过电流保护、空载保护，适应不同电池，既保证电池能充满，又不会发生欠充电或过充电，真正实现防止过充电的保护功能。

Description

具有充电保护功能的USB端口连接器及其实现方法

技术领域

本发明涉及USB端口连接器，尤其涉及一种具有充电保护功能的USB-AM端口连接器。

背景技术

现在的手机、平板电脑等数码电子产品普遍采用锂离子电池供电，以手机为例，基本配置包括手机、充电器、充电和数据传输用连线等部分组成。先说充电器，现在手机配备充电器均具有恒流（CC），恒压（CV）功能，标准参数主要有输入电压，输入电流，输出电压，输出电流，其中这里的输出电压就是指CV，常见的就是5.1V，输出电流就是CC，一般标准的是1A、1.5A、2.1A，这里数值表示的是充电器可以提供的最大充电电流值。充电器端常见的故障就是电子元件质量问题或者电子元件老化等原因导致是输出电压升高，也就是CV恒压功能失控，当输出电压高于手机端的安全范围时，就会发生损毁手机事情发生。再说手机端，锂离子电池本身具有充电保护电路，其中一项就是过充保护，过充保护的使能电压一般是4.2V--4.35V之间，视电池的不同略有差异，在标准的充电电压（5V），由于充电时锂电池的电压是缓慢上升的，当电压上升至接近保护电压（电池的恒压充电阶段）时，充电电流逐渐减小，当充电电流小于一定值时，锂电池也就基本充满电了，如果充电保护电路失效，再继续充电，电池电压将继续升高，如果充电器端的电压再高于标准电压，这时候就容易引起锂离子电池燃烧爆炸。从已经发生的多起充电伤人事件的事故分析，极有可能是上述的原因，因为引起锂离子电池爆炸的原因，一是过电压充电，另外就是短路引起燃烧。

手机、平板电脑等电子产品在充电结束后，充电器与电子产品之间不会自动断开，需要人们手动分开，由此而引发的充电安全事故时常发生。长时间的过度饱和充电，会加速电池的老化，缩短电池使用寿命，除了不利于节能环保，同时也更存在着安全隐患。因此各种充电保护装置如雨后春笋般纷纷面市，尤其是利用充电数据线而开发的断电保护装置。这种断电保护装置普遍利用电池（尤其是锂离子）恒压充电（CV）阶段充电电流的逐渐减小的特点来判断电池是否充满电，进而实施断电保护。这种只检测恒压（CV）充电阶段充电电流的逐渐减小的特点来判断电池是否充满电的方法，普遍存在以下缺点和不足：最小电流检测法，需要预先设定了一个阈值，用检测到的逐渐减小的当前充电电流值与预先设定的阈值进行比较，当检测到的电流值小于阈值时，判断充电完成，断电保护电路工作，防止过度充电。但阈值预先设定，无法根据不同设备、电池、充电电压等进行调节，在使用时固定阈值比较法无法实现智能或自动检测。固定阈值设置大了，会出现提前断电保护，导致充电不足，出现欠充；固定阈值设置小了，导致充电时间过长，特别是有些设备在充电结束时也会消耗充电器的电流，一旦这个电流大于所设定的固定阈值电流，断电保护装置将会失效，不能实现保护功能。

发明内容

本发明是要解决现有技术的上述问题，提出一种能自动识别输入电压、在电池充满时自动断电、并且具有多种保护功能的USB端口连接器。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是设计一种具有充电保护功能的USB端口连接器，典型应用包括依次连接的USB 插头端、连接线、输出端，连接线内包含充电数据线、正极导线和负极导线，其在USB插头端或输出端内设置充电保护电路，所述充电保护电路具有连接在充电正极导线和负极导线之间的电压检测单元、串接在充电回路中的电流侦测单元、连接电压检测单元和电流侦测单元的中央处理单元、串接在充电回路中的电子开关，其中所述电压检测单元用于检测输入电压，中央处理单元接收所测电压信号，自动识别输入端电源的输入电压等级，当输入电压超出安全电压范围时控制所述电子开关截止，使充电回路断开，实施过压保护功能；所述电流侦测单元用于侦测充电电流，中央处理单元接收所测电流信号，当发生过电流或短路时控制所述电子开关截止，使充电回路断开；所述中央处理单元根据恒流充电阶段的最大安全充电电流（I恒流）和输入电压等级按公式：I截止=I恒流/ N计算出充电截止电流阈值（I截止），公式中的N为充电参数，充电参数对应输入电压等级有多个值，充电参数存储在中央处理单元的存储器中，在运算公式时对应地调用N值，中央处理单元通过电流侦测单元实时监控恒压阶段的充电电流，当充电电流低于充电截止电流阈值时再延时一段时间，控制所述电子开关截止，使充电回路断开。

所述中央处理单元连接功能选择单元，功能选择单元由与第三电容并联的微型按键开关构成，第三电阻和第三电容串接在所述正极导线和负极导线之间，第三电阻和按键开关的连接点连接中央处理单元；在上电同时如果按下按键开关，中央处理单元得到低电平触发信号控制所述电子开关导通，除所述过压保护功能使能外，禁止其它保护功能;在连接器为当前电子产品充完电后如欲再次为其它电子产品充电，在无需插拔USB插头端的情况下，只需按动按键开关，就可再次启动充电保护功能。

所述电压检测单元包括连接在所述充电正极导线和负极导线之间的第一电阻和第二电阻，第一和第二电阻的连接点向中央处理单元发送所测电压信号。

所述电流侦测单元包括串接在负极导线中的第九电阻，第九电阻的两端分别通过第八电阻和第六电阻向中央处理单元发送所测电流信号。

上述电子开关采用场效应管，场效应管的漏极和源极串接在充电回路中、其栅极连接中央处理单元。

所述中央处理单元连接一个用以显示充电状态的LED显示单元，该LED显示单元包括串接在所述场效应管漏极与栅极之间的第五电阻和LED灯。

所述USB 插头端接入充电器后，中央处理单元在一段时间内检测到无充电电流信号后控制所述电子开关截止，使充电回路断开。

本发明还提出一种具有充电保护功能的USB端口连接器的实现方法：通过连接在充电正极导线和负极导线之间的电压检测单元检测并识别输入电压，中央处理单元接收所测电压信号，自动识别输入端电源的输入电压等级，当输入电压超出安全电压范围时控制串接在充电回路中的电子开关截止，使充电回路断开，实施过压保护功能；通过串接在充电回路中的电流侦测单元侦测充电电流，中央处理单元接收所测电流信号，当发生过电流或短路时控制所述电子开关截止，使充电回路断开；所述中央处理单元根据恒流充电阶段的最大安全充电电流（I恒流）和输入电压等级按公式：I截止=I恒流/ N计算出充电截止电流阈值（I截止），公式中的N为充电参数，充电参数对应输入电压等级有多个值，充电参数存储在中央处理单元的存储器中，在运算公式时对应地调用N值，中央处理单元通过电流侦测单元实时监控恒压阶段的充电电流，当充电电流低于充电截止电流阈值时再延时一段时间，控制所述电子开关截止，使充电回路断开。

所述中央处理单元连接功能选择单元，功能选择单元由与第三电容并联的微型按键开关构成，第三电阻和第三电容串接在所述正极导线和负极导线之间，第三电阻和按键开关的连接点连接中央处理单元；在上电同时如果按下按键开关，中央处理单元得到低电平触发信号控制所述电子开关导通，除所述过压保护功能使能外，禁止其它保护功能;；在连接器为当前电子产品充完电后如欲再次为其它电子产品充电，在无需插拔USB插头端的情况下，只需按动按键开关，就可再次启动充电保护功能。

上述USB插头端接入充电器后，中央处理单元在一段时间内检测到无充电电流信号后控制所述电子开关截止，使充电回路断开。

与现有技术相比，本发明具有过电压保护，能自动识别输入电压，在输入电压过高时自动断电；具备过充电保护，能检测恒定电流（最大电流），根据恒流充电阶段时最大安全充电电流计算出充电截止电流阈值，在充电饱和时自动断电，适应不同设备和电池，既保证电池能充满，又不会发生欠充电或过充电，真正实现防止过充电的保护功能；同时还具有过电流保护和空载保护，具有保护功能全面、效果可靠的优点。

附图说明

图1为本发明较佳实施例的外观立体视图；

图2为本发明较佳实施例的结构爆炸分解图；

图3为本发明较佳实施例的原理框图；

图4为本发明较佳实施例的电路图。

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。

本发明揭示了一种具有充电保护功能的USB端口连接器及其应用，参看图1，其包括依次连接的USB插头端10、连接线30、输出端20，包含充电数据线、正极导线VCC和负极导线GND。参看图2，USB 插头端壳体10内设置PCB基板4、PCB基板固定在上盖板2a和下托板2b之间，PCB基板上固定充电保护电路5，输出端连线焊盘6和连接插针3。充电保护电路5即图3虚框内的电路。连接器提供充电安全保护功能，同时具有数据线的基本功能。充电保护电路具有连接在充电正极导线和负极导线之间的电压检测单元、串接在充电回路中的电流侦测单元、连接电压检测单元和电流侦测单元的中央处理单元、串接在充电回路中的电子开关。需要指出，输出端可以是任何标准的设备插头或插座，如micro插头、MINI插头、苹果系列的插头和Type-C USB3.1插头Type-C USB 3.1公头Type-C USB 3.1公头Type-C USB 3.1公头等。

其中所述电压检测单元用于检测输入电压，中央处理单元接收所测电压信号，自动识别输入端电源的输入电压等级，当输入电压超出安全电压范围时控制所述电子开关截止，使充电回路断开，藉此实现过电压保护和自动识别快速充电功能。过电压保护：USB插头端接入充电器或PC后，初始上电时电子开关是关断，电压检测单元开始检测输入电压，如果输入电压未超出安全电压范围，中央处理单元经过延时3-5秒钟后控制电子开关导通，电流经过USB插头端、正极和负极导线、输出端向手机等电子产品充电；如果输入电压超出安全电压范围，中央处理单元控制过压保护功能使能、控制电子开关断开，输出端无电流输出，实施过压保护功能。识别快速充电功能：中央处理单元自动识别5V、9V、12V充电电压，超出范围自动保护，输出电子开关关断。需要指出，电子开关串接在充电回路中，即可以串接在正极导线VCC中（如图3中的实线所示），也可以串接在负极导线GND中（如图3中的虚线所示）。

所述电流侦测单元用于侦测充电电流，中央处理单元接收所测电流信号，当发生过电流或短路时控制所述电子开关截止，使充电回路断开，藉此实现过电流保护。

所述中央处理单元根据恒流充电阶段的最大安全充电电流（I恒流）和输入电压等级按公式：I截止=I恒流 / N计算出充电截止电流阈值（I截止），公式中的N为充电参数，充电参数对应输入电压等级有多个值，充电参数存储在中央处理单元的存储器中，在运算公式时对应地调用N值，中央处理单元通过电流侦测单元实时监控恒压（CV）阶段的充电电流，当充电电流低于充电截止电流阈值时再延时一段时间，控制所述电子开关截止，使充电回路断开，藉此实现过充电保护。上述公式还可写成I截止=I恒流* 1/ N ，I恒流亦可写成I恒流（CC） 。

在实际应用中，有时需要长时间传送数据或为非需要充电的设备提供电源，这时流经连接器中的电流极其微小，如此易触发空载保护或过充保护，导致正极导线断开无法进行正常的数据传输或提供电源。参看图3所示为防止空载保护或过充保护使能而导致电源断开，本发明设有功能选择单元，功能选择单元连接中央处理单元，功能选择单元用于在普通数据传输或非需要充电的的设备提供电源时的选择。参看图4，功能选择单元由与第三电容C3并联的微型按键开关AN构成，第三电阻（R3）和第三电容串接在所述正极导线和负极导线之间，第三电阻R3为上拉电阻，第三电阻同时为U1的第4脚提供高电平，第三电阻和按键开关的连接点连接中央处理单元U1的第4脚。初始上电时如果按下按键开关AN，U1的第4脚得到低电平触发信号，U1控制所述电子开关导通，除所述过压保护功能使能外，禁止其它保护功能，将所述USB端口连接器作为普通数据连线。反之，即为多功能保护的USB连接器功能。参看图2，按键开关AN（图标号为9）安装在PCB基板4上，USB插头端10的外壳上设有通孔11，按键开关AN由该通孔中伸出，方便使用者操作。功能选择按键单元还有第二功能：在连接器为当前电子产品充完电后如欲再次为其它电子产品充电，在无需插拔USB插头端的情况下，连接好其它电子产品，然后按动按键开关，就可再次启动充电保护功能（如过电压保护、过电流保护、过充电保护、欠充电保护、空载保护），对使用者带来极大方便。

参看图4示出的较佳实施例的电路图，所述电压检测单元包括串接在所述充电正极导线VCC和负极导线GND之间的第一电阻R1和第二电阻R2，第一和第二电阻的连接点向中央处理单元U1的第3脚发送所测电压信号。所述的U1为KF8V series系列芯片构成。

参看图4示出的较佳实施例的电路图，所述电流侦测单元包括串接在负极导线中的第九电阻R9，第九电阻的两端分别通过第八电阻R8和第六电阻R6向中央处理单元的第12和13脚发送所测电流信号。当连接器给电子产品充电时，流经R9的电流产生电压信号，电压信号经过中央处理单元U1内的运放和外围元件R6、R7、R8组成的放大电路放大后送入内部的AD转换成数字信号后由U1处理。

参看图4示出的较佳实施例的电路图，所述电子开关采用场效应管Q1，场效应管的漏极和源极串接在充电回路中、其栅极连接中央处理单元U1的1脚。图4示出的较佳实施例Q1串接在正极导线VCC中，其它实施例中Q1串接在负极导线GND中。

在较佳实施例中，所述中央处理单元连接一个用以显示充电状态的LED显示单元，该LED显示单元包括串接在所述场效应管漏极与栅极之间的第五电阻R5和LED灯。Q1导通时LED灯同步点亮，表示正在充电。Q1截止时LED灯同步熄灭，表示充电结束或进入某种保护状态。

在较佳实施例中，所述USB插头端接入充电器后，中央处理单元上电，识别输入电压，判断输入电压安全的情况下，控制电子开关导通向输出端供电，随即检测有无充电电流，在一段时间内（一般设定为5-6分钟）没有检测到充电电流，即充电电流为零，则控制关断电子开关，藉此实现空载保护。

本发明还揭示了一种具有充电保护功能的USB端口连接器的实现方法：通过连接在充电正极导线和负极导线之间的电压检测单元检测并识别输入电压，中央处理单元接收所测电压信号，自动识别输入端电源的输入电压等级，当输入电压超出安全电压范围时控制串接在充电回路中的电子开关截止，使充电回路断开（藉此识别输入电压等级和实现过压保护功能）；通过串接在充电回路中的电流侦测单元侦测充电电流，中央处理单元接收所测电流信号，当发生过电流或短路时控制所述电子开关截止，使充电回路断开（藉此实现过电流保护功能）；

所述中央处理单元根据恒流充电阶段的最大安全充电电流（I恒流）和输入电压等级按公式：I截止=I恒流 / N计算出充电截止电流阈值（I截止），公式中的N为充电参数，充电参数对应输入电压等级有多个值，充电参数存储在中央处理单元的存储器中，在运算公式时对应地调用N值，中央处理单元通过电流侦测单元实时监控恒压（CV）阶段的充电电流，当充电电流低于充电截止电流阈值时再延时一段时间，控制所述电子开关截止，使充电回路断开，藉此实现过充电保护。

USB端口连接器的实现方法还包括在中央处理单元上连接一个功能选择单元，功能选择单元用于选择是否启用普通数据传输功能或非需要充电设备供电功能。当需要使用纯粹的数据传输功能或非需要充电设备供电功能时，只需要在上电初始时（接通电源时）按下按键开关，参看图4，功能选择单元由与第三电容C3并联的微型按键开关AN构成，第三电阻（R3）和第三电容串接在所述正极导线和负极导线之间，第三电阻R3为上拉电阻，第三电阻同时为U1的第4脚提供高电平，第三电阻和按键开关的连接点连接中央处理单元U1的第4脚。初始上电时如果按下按键开关AN，U1的第4脚得到低电平触发信号，U1控制所述电子开关导通，除所述过压保护功能使能外，禁止其它保护功能，将所述USB端口连接器作为普通数据连线。反之，即为多功能保护的USB连接器功能。功能选择按键单元还有第二功能：在连接器为当前电子产品充完电后如欲再次为其它电子产品充电，在无需插拔USB插头端的情况下，连接好其它电子产品，然后按动按键开关，就可再次启动充电保护功能（如过电压保护、过电流保护、过充电保护、空载保护），对使用者带来极大方便。

所述USB 插头端接入充电器后，中央处理单元在一段时间内（一般设定为5-6分钟） 检测到无充电电流信号后控制所述电子开关截止，使充电回路断开，藉此实现空载保护。

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 (9)

1.一种具有充电保护功能的USB端口连接器，包括依次连接的USB插头端、连接线、输出端，连接线内包含充电数据线、正极导线和负极导线，其特征在于：在USB插头端或输出端内设置充电保护电路，所述充电保护电路具有连接在充电正极导线和负极导线之间的电压检测单元、串接在充电回路中的电流侦测单元、连接电压检测单元和电流侦测单元的中央处理单元、串接在充电回路中的电子开关，其中:

所述电压检测单元用于检测输入电压，中央处理单元接收所测电压信号，自动识别输入端电源的输入电压等级，当输入电压超出安全电压范围时控制所述电子开关截止，使充电回路断开，实施过压保护功能；

所述电流侦测单元用于侦测充电电流，中央处理单元接收所测电流信号，当发生过电流或短路时控制所述电子开关截止，使充电回路断开；

所述中央处理单元根据恒流充电阶段的最大安全充电电流 I恒流 和输入电压等级按公式：I截止=I恒流 / N计算出充电截止电流阈值 I截止，公式中的N为充电参数，充电参数对应输入电压等级有多个值，充电参数存储在中央处理单元的存储器中，在运算公式时对应地调用N值，中央处理单元通过电流侦测单元实时监控恒压阶段的充电电流，当充电电流低于充电截止电流阈值时再延时一段时间，控制所述电子开关截止，使充电回路断开;

所述中央处理单元连接功能选择单元，功能选择单元由与第三电容（C3）并联的微型按键开关（AN）构成，第三电阻（R3）和第三电容串接在所述正极导线和负极导线之间，第三电阻和按键开关的连接点连接中央处理单元；在上电同时如果按下按键开关，中央处理单元得到低电平触发信号控制所述电子开关导通，除所述过压保护功能使能外，禁止其它保护功能；在连接器为当前电子产品充完电后如欲再次为其它电子产品充电，在无需插拔USB插头端的情况下，只需按动按键开关，就可再次启动充电保护功能。

2.如权利要求1所述的具有充电保护功能的USB端口连接器，其特征在于：所述电压检测单元包括连接在所述充电正极导线和负极导线之间的第一电阻（R1）和第二电阻（R2），第一和第二电阻的连接点向中央处理单元发送所测电压信号。

3.如权利要求2所述的具有充电保护功能的USB端口连接器，其特征在于：所述电流侦测单元包括串接在负极导线中的第九电阻（R9），第九电阻的两端分别通过第八电阻（R8）和第六电阻（R6）向中央处理单元发送所测电流信号。

4.如权利要求3所述的具有充电保护功能的USB端口连接器，其特征在于：所述电子开关采用场效应管（Q1），场效应管的漏极和源极串接在充电回路中、其栅极连接中央处理单元。

5.如权利要求4所述的具有充电保护功能的USB端口连接器，其特征在于：所述中央处理单元连接一个用以显示充电状态的LED显示单元，该LED显示单元包括串接在所述场效应管漏极与栅极之间的第五电阻（R5）和LED灯。

6.如权利要求5所述的具有充电保护功能的USB端口连接器，其特征在于：所述USB插头端接入充电器后，中央处理单元在一定时间内检测到无充电电流信号后控制所述电子开关截止，使充电回路断开。

7.一种具有充电保护功能的USB端口连接器的实现方法，其特征在于：通过连接在正极导线和负极导线之间的电压检测单元检测并识别输入电压，中央处理单元接收所测电压信号，自动识别输入端电源的输入电压等级，当输入电压超出安全电压范围时控制串接在充电回路中的电子开关截止，使充电回路断开，实施过压保护功能；通过串接在充电回路中的电流侦测单元侦测充电电流，中央处理单元接收所测电流信号，当发生过电流或短路时控制所述电子开关截止，使充电回路断开；

所述中央处理单元根据恒流充电阶段的最大安全充电电流I恒流 和输入电压等级按公式：I截止=I恒流 / N计算出充电截止电流阈值 I截止，公式中的N为充电参数，充电参数对应输入电压等级有多个值，充电参数存储在中央处理单元的存储器中，在运算公式时对应地调用N值，中央处理单元通过电流侦测单元实时监控恒压阶段的充电电流，当充电电流低于充电截止电流阈值时再延时一段时间，控制所述电子开关截止，使充电回路断开。

8.如权利要求7所述的具有充电保护功能的USB端口连接器的实现方法，其特征在于：所述中央处理单元连接功能选择单元，功能选择单元由与第三电容（C3）并联的微型按键开关（AN）构成，第三电阻（R3）和第三电容串接在所述正极导线和负极导线之间，第三电阻和按键开关的连接点连接中央处理单元；在上电同时如果按下按键开关，中央处理单元得到低电平触发信号控制所述电子开关导通，除所述过压保护功能使能外，禁止其它保护功能；在连接器为当前电子产品充完电后如欲再次为其它电子产品充电，在无需插拔USB插头端的情况下，只需按动按键开关，就可再次启动充电保护功能。

9.如权利要求8所述的具有充电保护功能的USB端口连接器的实现方法，其特征在于：所述USB插头端接入充电器后，中央处理单元在一定时间内检测到无充电电流信号后控制所述电子开关截止，使充电回路断开。