CN105375538B - 快速充电装置 - Google Patents

Abstract

一种快速充电装置，包括电源适配器和充电管理模块，若该电源适配器与设置有该充电管理模块的电子设备连接，在该充电管理模块检测到该电子设备的电池电量不足时，该充电管理模块给出一负载变化编码，该电源适配器调节输出该电源适配器的充电电压使其满足充电要求；该充电管理模块检测到该充电电压达到该充电要求后，同时在充电过程中对充电电压和充电电流进行管理；当该充电管理模块检测该电子设备的电池电量充满时，给出一待机信号，该电源适配器恢复输出默认电压；若该电源适配器与未设置有该充电管理模块的电子设备连接，则保持输出该默认电压。本发明能够调整充电电压，提升充电速度，并且适用于更多的场合，也降低了成本。

Description

快速充电装置

技术领域

本发明涉及充电装置，尤其涉及快速充电装置。

背景技术

目前采用USB充电接口的手机以及其他移动便携类设备大都是5V电压充电，USB充电接口兼具通信和充电的功能。

采用USB充电接口的设备受限于连接线缆的内阻以及USB连接接口间的接触电阻，充电电流通常不能太大，USB接口最大电流在2A左右，因此总充电功率被限制在10W左右。随着便携类设备的电池容量越来越大，受限于最大充电功率的限制，充电时间变得越来越长。

如果在不改变最大输出电流的情况下，通过提高输出电压，可以增大输出功率，达到快速充电的效果。

但是，普通充电器输出的是固定电压，不具备电压调整的能力。请参阅图1和图2，现有技术的普通充电器需要使用光耦合器或者变压器来进行反馈以实现调整。移动设备与次级负载连接后，电源次级侧IC或者电路与次级负载设备通信，确认所需电压或者电流，然后通过光耦合器或者变压器反馈到初级侧电源IC或者电路，实现输出电压电流的调整。图1和图2分别需要光耦合器及相关电路和信号传输变压器及相关电路来实现与初级侧通信从而实现输出电压或者电流的调整。由于光耦合器以及传输变压器的体积都比较大，因此，使得充电器的体积也增大，增加了充电器的成本，也使得充电器在很多场合使用起来不方便。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术中的问题，而提出一种快速充电装置，能够解决现有技术的普通充电器充电速度较慢、不具备电压调整能力、体积大、成本大以及使用不方便的问题。

为解决上述技术问题，本发明提出一种快速充电装置，包括电源适配器和充电管理模块，该充电管理模块设置在待充电的电子设备内，并与该电子设备的电池连接，该电源适配器通过其通信接口与该电子设备的通信接口连接，且该电池通过该电子设备的通信接口从该电源适配器获得充电，该充电管理模块通过该电子设备的通信接口与该电源适配器进行通信；若该电源适配器与设置有该充电管理模块的电子设备连接，在该充电管理模块检测到该电子设备的电池电量不足时，该充电管理模块给出一负载变化编码，该电源适配器获悉该负载变化编码后，进而调节输出该电源适配器的充电电压使其满足充电要求；该充电管理模块检测到该充电电压达到该充电要求后，该充电管理模块控制该充电电压对该电池进行充电，同时在充电过程中对充电电压和充电电流进行管理；当该充电管理模块检测该电子设备的电池电量充满时，给出一待机信号，该电源适配器恢复输出默认电压；若该电源适配器与未设置有该充电管理模块的电子设备连接，则保持输出该默认电压。

在一些实施例中，该充电管理模块包括：一第一检测单元，用以检测该电池的电量；一时序控制单元，用以控制该电源适配器与充电管理模块的通信；一编码单元，用以根据该电池的电量给出编码控制信号；一第一开关，受控于该编码控制信号；一第一负载，受控于该第一开关而选择性地连接在电路中以给出负载变化编码；一电池管理单元，用以根据该电池的情况控制该充电电压和充电电流的充电过程。

在一些实施例中，该充电管理模块还包括一第二开关和一受控于该第二开关的第二负载，其中，该第一开关闭合并且该第二开关断开时，该第二控制单元给出该负载变化编码的第一状态，该第二开关闭合并且该第一开关断开时，该第二控制单元给出该负载变化编码的第二状态。

在一些实施例中，该负载变化编码的第一状态为0，该负载变化编码的第二状态为1。

在一些实施例中，该充电管理模块还包括一过压保护单元，用以保护在该电子设备的充电电压超过其承受能力时实施保护动作。

在一些实施例中，该充电管理模块还包括一过温保护单元，用以在该电子设备的温度超过正常值时实施保护动作。

在一些实施例中，该电池管理单元为BUCK变换电路。

在一些实施例中，该电源适配器包括：一功率变压器，其与该通信接口连接；一第二检测单元，用以给出输出电压和电流的反馈信号；一可调基准电压单元，用以根据一调节信号而给出一基准电压；比较单元，用以将该反馈信号与该基准电压相比较而给出一控制信号；控制单元，用以根据控制信号给出驱动信号以控制该功率变压器初级输出该充电电压；解码单元，用以根据该驱动信号解码出该负载变化编码；以及基准编程单元，用以在确定经过解码的负载变化编码符合通信规则后，根据该解码后的负载变化编码而给出该调节信号。

在一些实施例中，该控制单元包括PWM/PFM电路，该驱动信号可控制该功率变压器初级的开关频率/导通时间。

在一些实施例中，该默认电压为5V。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：本发明通过在电源适配器与设置有该充电管理模块的电子设备连接时，若充电管理模块检测到电池电量低，则把电池的充电需求通过编码的形式传输至电源适配器，电源适配器根据该编码信号调整输出充电电压，这样在不改变输出电流的情况下提高充电电压，提高了充电速度，在电源适配器与未设置有该充电管理模块的电子设备连接时，则输出该默认电压，这样使得本发明的适用范围更广，充电的兼容性更好，另外，免去了使用光耦合器以及变压器所带来的麻烦，减小了充电器的体积，使得充电器的使用更为方便，也降低了充电器的使用成本。

附图说明

图1为现有技术的采用光耦反馈的充电器的电路图。

图2为现有技术的采用变压器反馈的充电器的电路图。

图3为本发明的快速充电装置的电路示意图。

图4为本发明的快速充电装置在PWM控制模式下的电源适配器相应充电管理模块的解码信号的波形示意图。

图5为本发明的快速充电装置在PFM控制模式下的电源适配器相应充电管理模块的解码信号的波形示意图。

其中，附图标记说明如下：电源适配器1 第二检测单元11 可调基准电压单元12比较单元13 控制单元14 解码单元15 基准编程单元16 功率变压器17 充电管理模块2 第一检测单元21 时序控制单元22 编码单元23 电池管理单元24 过压保护单元25 过温保护单元26 第一开关S1 第一负载R1 第二开关S2 第二负载R2 通信接口3。

具体实施方式

为了进一步说明本发明的原理和结构，现结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。

快速充电装置的实施例

请参阅图3，一种快速充电装置，包括电源适配器1和充电管理模块2，该充电管理模块2设置在待充电的电子设备内，并与该电子设备的电池连接，该电源适配器1通过其通信接口3与该电子设备的通信接口3连接，且该电池通过该电子设备的通信接口3从该电源适配器1获得充电，该充电管理模块2通过该电子设备的通信接口3与该电源适配器1进行通信。

若该电源适配器与设置有该充电管理模块的电子设备连接，在该充电管理模块2检测到该电子设备的电池电量不足时，该充电管理模块2给出一负载变化编码，该电源适配器1获悉该负载变化编码后，进而调节输出该电源适配器1的充电电压使其满足充电要求；该充电管理模块2检测到该充电电压达到该充电要求后，该充电管理模块2控制该充电电压对该电池进行充电，同时在充电过程中对充电电压和充电电流进行管理；当该充电管理模块2检测该电子设备的电池电量充满时，给出一待机信号，该电源适配器1恢复输出默认电压。

若该电源适配器与未设置有该充电管理模块的电子设备连接，则保持输出该默认电压。

本实施例中，该默认电压为5V。

本实施例中，该充电要求是指该待充电的电子设备需要充电的电量。

本实施例中，该通信接口3包括USB电路。现在大多数的电子设备，比如手机、平板电脑等均具有USB电路，USB电路上具有D+、D-的通信接口3，电子设备可以通过D+、D-的通信接口3发送充电需求至电源适配器1。

请继续参阅图3，该充电管理模块2包括：一第一检测单元21、一时序控制单元22、一编码单元23、一电池管理单元24、一过压保护单元25、一过温保护单元26、一开关以及一负载。

该第一检测单元21连接该电池，该时序单元连接该第一检测单元21，该编码单元23连接该时序单元，该编码单元23控制该开关，该开关连接在该通信接口3以及负载之间。该过温保护单元26、过压保护单元25以及电池管理单元24连接在该电池以及通信接口3之间。

第一检测单元21用以检测该电池的电量；时序控制单元22用以控制该电源适配器1与充电管理模块2的通信；编码单元23用以给出和该电源适配器1通信的编码控制信号；开关受控于该编码控制信号；负载，受控于该第一开关而选择性地连接在电路中以给出负载变化编码；电池管理单元24用以根据该电池的情况控制该充电电压和充电电流的充电过程；过压保护单元25用以保护在该电子设备的充电电压超过其承受能力时实施保护动作；过温保护单元26用以在该电子设备的温度超过正常值时实施保护动作。

本实施例中，该充电管理模块2包括第一开关S1和受控于该第一开关S1的第一负载R1，以及第二开关S2和受控于该第二开关S2的第二负载R2。其中，该第一开关S1闭合并且该第二开关S2断开时，该充电管理模块2给出该负载变化编码的第一状态，该第二开关S2闭合并且该第一开关S1断开时，该充电管理模块2给出该负载变化编码的第二状态。本实施例中，该负载变化编码的第一状态为0，该负载变化编码的第二状态为1。在其它实施例中，该充电管理模块2仅包括第一开关S1和第一负载R1，该第一开关S1闭合，则充电管理模块2给出该该负载变化编码的第一状态，该第一开关S1断开，则充电管理模块2给出该该负载变化编码的第二状态。

虽然仅采用一个开关和一个负载也可以实现上述同样的功能，但是采用两个开关和两个负载来实现通信的可靠性更高。这是因为：原边侧的电源适配器1的芯片在负载较小的时候动态响应比较差，电源适配器1的开关频率较低，若是想要快速且可靠地通信，必须把开关频率加快，并且增加次级负载，这样才能够提高原边侧的电源适配器1的开关频率。

在其他实施例中，也可以只采用一个开关，在电子设备内使用假负载来代替负载的功能即可。

本实施例中，该第一负载R1的阻值小于该第二负载R2。

本实施例中，开关的速度受到初级IC的响应速度限制，因此速度不会特别快，开关的周期是mS级的。

本实施例中，该电池管理单元24为BUCK变换电路。

请继续参阅图3，该电源适配器1包括：一第二检测单元11、一可调基准电压单元12、一比较单元13、一控制单元14、一解码单元15、一基准编程单元16以及一功率变压器17。

该功率变压器17的副级侧与该通信接口3连接，该控制单元14与该功率变压器17连接，该控制单元14与该功率变压器17连接，该解码单元15与该控制单元14连接，该基准编程单元16与该解码单元15连接，该可调基准电压单元12与该基准编程单元16连接，该可调基准单元连接该比较单元13的负端，该第二检测单元11连接在该比较单元13的正端以及通信接口3之间。其中，该第二检测单元11、可调基准电压单元12、比较单元13、控制单元14、解码单元15以及基准编程单元16集成在一个芯片上。

第二检测单元11用以给出输出电压和电流的反馈信号；可调基准电压单元12用以根据一调节信号而给出一基准电压；比较单元13用以将该反馈信号与该基准电压相比较而给出一控制信号；控制单元14用以根据控制信号给出驱动信号以控制该功率变压器17初级输出该充电电压；解码单元15用以根据该驱动信号解码出该负载变化编码；基准编程单元16用以在确定经过解码的负载变化编码符合通信规则后，根据该解码后的负载变化编码而给出该调节信号。

本实施例中，该电源适配器1包括PWM/PFM电路，该驱动信号可控制该功率变压器17初级的开关频率/导通时间。

下面结合图3至图5对本发明的工作原理进行详细说明。

如果该电源适配器1与未设置有该充电管理模块2的电子设备连接，则保持输出默认电压5V。这样就能够适用于些以往款式比较老的手机，使得该电源适配器更加兼容性。

待充电的电子设备与该电源适配器1连接后，充电管理模块2与电源适配器1进行通信，当该充电管理模块2检测到该电子设备的电池电量不足时，则按照通信规则调整负载变化，从而达到向电源适配器1发送信号的目的。具体为：充电管理模块2通过切换第一开关S1与第二开关S2的导通关断来实现负载状态的变化，从而实现编码的功能。

因为电源适配器1本身是一原边检测的恒压/恒流电源控制IC，在未接收完充电管理模块2的负载变化编码之前，电源适配器1需要主动维持充电器输出侧的恒压/恒流状态。当在变压器的次级侧的次级负载发生变化，亦即充电管理模块2的负载发生变化时，为了维持输出的恒压/恒流状态，电源适配器1需要主动调整驱动信号，次级负载的变化就会在充电管理模块2的驱动信号变化上得到体现，这样就相当于把充电管理模块2的负载变化编码传输到电源适配器1。通过信号的传输方式，避免使用了光耦合器或者功率变压器17这种大体积元件，可以减小了充电器的体积。

然后，电源适配器1根据检测到的输出电压和电流变化调整PWM/PFM控制电路的驱动信号，解码单元15根据PWM/PFM控制电路驱动信号的变化解码，若解码结果符合规格，则基准编程单元16根据解码所得数据的要求编程基准电压，基准电压变化后PWM/PFM控制电路重新调整驱动信号，实现输出电压或电流的调整功能。

具体为，若该控制单元14为PWM电路，则电源适配器1控制该功率变压器17初级的开关频率发生变化。若该控制单元14为PFM电路，则该电源适配器1控制该功率变压器17初级的导通时间发生变化。

请继续参阅图4和图5，假设一固定时间为T，当次级负载变小时，在固定时间T内，总的初级导通时间Ton_all在减小，总的占空比DT_on_all=Ton_all/T变小；当次级负载变大时，DT_on_all=Ton_all/T变大。第一开关S1和第二开关S2切换对应的DT_on_all分别为DT_on_all_S1和DT_on_all_S2。初级侧对DT_on_all进行解码，从而识辨次级侧通信IC的信号。采用PFM模式或者PWM模式控制的初级侧原边控制IC都满足上述DT_on_all变化关系，采用PFM/PWM混合控制方式的原边控制IC也同样满足上诉DT_on_all变化关系。

本实施例中，该通信规则为电源适配器1与充电管理模块2通信时，通信数据必须包含起始位、数据位和结束位。在电源适配器1实现解码的时候，假设以8次的开关频率来表示负载变化编码的状态，则中间的数据为可以规定10101010代表状态1，01010101代表状态0。同时，限定该通信数据的起始位必须为10101000以及结束位必须为01010111。如果基准编程模块16无法识别起始位和结束位，则认为该通信数据无效，电源适配器1不进行电流和电压的调整。这里对通信规则不作限制，可以根据实际的需求进行调整，比如改变开关频率的次数来表示负载变化编码的状态，或者改变起始位和结束位的表示方式。这样就能够使得负载变化编码的抗干扰能力进一步加强。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：本发明通过在电源适配器与设置有该充电管理模块的电子设备连接时，若充电管理模块检测到电池电量低，则把电池的充电需求通过编码的形式传输至电源适配器，电源适配器根据该编码信号调整输出充电电压，这样在不改变输出电流的情况下提高充电电压，提高了充电速度，在电源适配器与未设置有该充电管理模块的电子设备连接时，则输出该默认电压，这样使得本发明的适用范围更广，充电的兼容性更好，另外，免去了使用光耦合器以及变压器所带来的麻烦，减小了充电器的体积，使得充电器的使用更为方便，也降低了充电器的使用成本。

以上所述仅为本发明的较佳可行实施例，并非限制本发明的保护范围。凡运用本发明说明书及附图内容所作出的等效结构变化，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种快速充电装置，其特征在于，包括电源适配器和充电管理模块，该充电管理模块设置在待充电的电子设备内，并与该电子设备的电池连接，该电源适配器通过其通信接口与该电子设备的通信接口连接，且该电池通过该电子设备的通信接口从该电源适配器获得充电，该充电管理模块通过该电子设备的通信接口与该电源适配器进行通信；

若该电源适配器与设置有该充电管理模块的电子设备连接，在该充电管理模块检测到该电子设备的电池电量不足时，该充电管理模块给出一负载变化编码，该电源适配器获悉该负载变化编码后，进而调节输出该电源适配器的充电电压使其满足充电要求；该充电管理模块检测到该充电电压达到该充电要求后，该充电管理模块控制该充电电压对该电池进行充电，同时在充电过程中对充电电压和充电电流进行管理；当该充电管理模块检测该电子设备的电池电量充满时，给出一待机信号，该电源适配器恢复输出默认电压；

若该电源适配器与未设置有该充电管理模块的电子设备连接，则保持输出该默认电压；

该充电管理模块包括：一第一检测单元，用以检测该电池的电量；一时序控制单元，用以控制该电源适配器与充电管理模块的通信；一编码单元，用以根据该电池的电量给出编码控制信号；一第一开关，受控于该编码控制信号；一第一负载，受控于该第一开关而选择性地连接在电路中以给出负载变化编码；一电池管理单元，用以根据该电池的情况控制该充电电压和充电电流的充电过程。

2.如权利要求1所述的快速充电装置，其特征在于，该充电管理模块还包括一第二开关和一受控于该第二开关的第二负载，其中，该第一开关闭合并且该第二开关断开时，该充电管理模块给出该负载变化编码的第一状态，该第二开关闭合并且该第一开关断开时，该充电管理模块给出该负载变化编码的第二状态。

3.如权利要求2所述的快速充电装置，其特征在于，该负载变化编码的第一状态为0，该负载变化编码的第二状态为1。

4.如权利要求1所述的快速充电装置，其特征在于，该充电管理模块还包括一过压保护单元，用以保护在该电子设备的充电电压超过其承受能力时实施保护动作。

5.如权利要求1所述的快速充电装置，其特征在于，该充电管理模块还包括一过温保护单元，用以在该电子设备的温度超过正常值时实施保护动作。

6.如权利要求1所述的快速充电装置，其特征在于，该电池管理单元为BUCK变换电路。

7.如权利要求1所述的快速充电装置，其特征在于，该电源适配器包括：一功率变压器，其与该通信接口连接；一第二检测单元，用以给出输出电压和电流的反馈信号；一可调基准电压单元，用以根据一调节信号而给出一基准电压；一比较单元，用以将该反馈信号与该基准电压相比较而给出一控制信号；一控制单元，用以根据控制信号给出驱动信号以控制该功率变压器初级输出该充电电压；一解码单元，用以根据该驱动信号解码出该负载变化编码；以及一基准编程单元，用以在确定经过解码的负载变化编码符合通信规则后，根据该解码后的负载变化编码而给出该调节信号。

8.如权利要求7所述的快速充电装置，其特征在于，该控制单元包括PWM/PFM电路，该驱动信号可控制该功率变压器初级的开关频率/导通时间。

9.如权利要求1所述的快速充电装置，其特征在于，该默认电压为5V。