CN105990879A - 用于电池充电的装置及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电池充电的装置及电子设备。该装置包括：电磁转换单元(120)的第一端与充电电源(110)的正极连接；开关器件(130)连接于在电磁转换单元(120)的第二端节点N1和接地端之间；二极管D1的正极连接节点N1，负极连接节点N2；电能暂存单元(180)连接于节点N2和接地端之间；电流检测单元(140)连接于节点N2和N3之间；电压检测单元(150)连接于节点N3和接地端之间；控制单元(160)连接于所述开关器件(130)，用于控制充电电流的强度或控制所述充电电池(170)两端的电压。根据本发明的装置可以完成被充电池电压高于充电电源电压的充电，结构简单并且充电效率高。

Description

用于电池充电的装置及电子设备

技术领域

本发明涉及电池技术领域，更具体地，涉及对于被充电池电压高于充电电源电压的电池进行充电的装置及电子设备。

背景技术

随着电子信息技术的发展，电子设备的应用日益广泛。电子设备所使用的电源的种类也越来越越丰富，然而，各类电子设备的电源往往都是专用的，这是由于电子设备产品的内部电池电压不同所引起的。目前，市场上所销售的电源主要包括5V USB电源、19V笔记本电脑电源、12V电源以及一些专用电源等。因此，需要相对通用的充电电路或装置以满足用户对具有不同电压的电池进行充电的需求。

此外，从目前的趋势来看，5V USB电源已占据了主要市场。然而对于大部份音响、平板电脑、移动电源、电脑和移动数字电话等电子产品，其使用的电压通常高于5V，因此，无法使用5V USB电源充电。在现有技术中，对于电压高于电源的电池进行充电时，通常采用直流转直流升压电路，例如，将5V升至充电电路所需要的电压值，再利用该电压值的电源对充电电路供电，以完成对电池充电，这种先升压再降压的充电电路，电路设计非常复杂，成本较高。另外，如果升压过程和充电过程的开关频率不同步，还会造成电磁干扰、电磁辐射、电路元器件发热、充电转换效率较低、充电电流过大等问题。

因此，需要对现有技术进行改进以解决上述至少一个技术问题。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于电池充电的新技术方案，可以对于被充电池电压高于电源电压的电池进行充电，并提高充电效率。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于电池充电的装置。该装置包括充电电源、电磁转换单元、开关器件、二极管D1、电能暂存单元、电流检测单元、电压检测单元以及控制单元，其中：

所述电磁转换单元的第一端与充电电源的正极连接，用于将所述充电电源提供的电能转换为磁能存储或将磁能转换为电能以提供电池充电所需的电压；

所述开关器件连接于所述电磁转换单元的第二端节点N1和接地端之间，其中，当所述开关器件导通时，所述电磁转换单元将电能转换为磁能并进行存储，当所述开关器件断开时，所述电磁转换单元将磁能转换为电能以提供电池充电所需的电压；

所述二极管D1的正极连接节点N1，负极连接节点N2；

所述电能暂存单元连接于节点N2和接地端之间，用于暂时存储由所述电磁转换单元的磁能所转换的电能；

所述电流检测单元连接于节点N2和N3之间，用于检测充电电流的强度；

所述电压检测单元连接于节点N3和接地端之间，用于检测所述充电电池两端的电压；

所述控制单元连接于所述开关器件，被设置为基于所述电流检测单元所检测的电流强度和电压检测单元所检测的充电电压来输出具有不同占空比的信号以控制充电电流的强度或控制所述充电电池两端的电压。

优选地，所述电磁转换单元是具有磁芯的电感。

优选地，所述电能暂存单元是电容。

优选地，所述开关器件是N沟道MOS管，其源极连接于接地端，漏极连接节点N1，栅极连接所述控制单元。

优选地，所述电压检测单元包括连接于节点N3和接地端之间的串联的第二电阻R2和第三电阻R3，其中，所述第二电阻R2和第三电阻R3之间的电压值输出至所述控制单元。

优选地，所述控制单元包括充电逻辑分析电路和比较器，所述充电逻辑分析电路基于所述电流检测单元所检测的电流强度和电压检测单元所检测的充电电压来控制所述比较器，所述比较器基于所述充电逻辑分析电路的控制以及参考波形来输出具有不同占空比的信号，以控制充电电流的强度或控制充电电池两端的电压。

优选地，所述充电逻辑分析电路是单片机或逻辑门电路或比较放大电路。

优选地，所述电流检测单元包括用于电流取样的第一电阻R1和用于放大所述第一电阻R1两端的电压信号的电流取样放大电路。

优选地，所述电流取样放大电路是三极管放大电路或运算放大器电路。

优选地，所述装置还包括第一电容C1以及第二电容C3，所述第一电容C1并联于所述充电电源两端，所述第二电容C3连接于节点N3和接地端之间。

优选地，所述装置还包括充电显示单元，所述充电显示单元连接至所述控制单元以接收充电电池信息并进行显示。

优选地，当所述控制单元检测到充电电池的电压低于第一电压阈值时，输出周期性脉冲信号以控制进行脉冲式充电。

优选地，当所述控制单元检测到充电电池的电压高于第一电压阈值时，控制进行恒电流式充电。

优选地，当所述控制单元检测到所述充电电池的电压高于第二电压阈值时，控制进行恒电压式充电，所述充电电池两端电压不再上升。

优选地，在恒压式充电时，当所述控制单元检测到充电电流的强度低于第一电流阈值时，控制停止充电。

根据本发明的第二方面，提供了一种电子设备，其包括根据本发明的第一方面所述的用于电池充电的装置。

本发明的发明人发现，在现有技术中，对于高于电源电压的电池进行充电时，采用先升压再降压的充电电路，电路复杂，充电效率低。而根据本发明的充电装置，只有升压过程，充电转换效率高。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1是根据本发明实施例的用于电池充电的装置的示意框图。

图2是根据本发明的用于电池充电的装置的一种实施结构的示意电路图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

图1是根据本发明实施例的用于电池充电的装置的示意框图。其中，可用于充电的电池包括锂电池、铅酸电池、镍镉电池等。

根据图1所示，该装置包括充电电源110、电磁转换单元120、开关器件130、二极管D1、电能暂存单元180、电流检测单元140、电压检测单元150以及控制单元160。

所述电磁转换单元120的第一端与充电电源110的正极连接，用于将所述充电电源110提供的电能转换为磁能存储或将磁能转换为电能以提供电池充电所需的电压。

所述充电电源110是电源适配器或USB接口的电源，用于提供充电的电能。充电电源110可以内置于根据本发明的供电装置，或者是外置的供电装置。

所述开关器件130连接于在所述电磁转换单元120的第二端节点N1和接地端之间，其中，当所述开关器件130导通时，所述电磁转换单元120将电能转换为磁能并进行存储，当所述开关器件130断开时，所述电磁转换单元120将磁能转换为电能以提供电池充电所需的电压。

在一个例子中，所述电磁转换单元120是具有磁芯的电感，例如，选用软磁体材料的磁芯。

例如，在所述开关器件130导通时，对电感充电，所述电感将电能转换为磁能并进行存储，电感转换和存储的能量与流经该电感的电流值和电感值有关。在所述开关器件130断开时，电感放电，电感输出的电压与电流值、电感值和负载电阻有关。因此，在开关器件130断开时，电感的输出电压与充电电源110的电压相加用于为充电电池170提供充电电压。

其中，可以根据实际应用来选择适当的电感值。电感值越大，效率越高、驱动电流越小，电感量越小，效率越低、驱动电流越大，越容易饱和，而电感饱和可能会导致磁芯过热。

所述二极管D1的正极连接节点N1，负极连接节点N2。通过这种方式，电磁转换单元120和充电电源110所提供的电流可以流经二极管D1，并防止电流的回流。

在一个例子中，二极管D1是快速肖特基二极管，肖特基二极管正向压降小，功耗低并且效率高。

所述电能暂存单元180连接于节点N2和接地端之间，用于暂时存储所述电磁转换单元120所提供的电能。

在一个例子中，所述电能暂存单元180是电容。所述电容能够暂时储存电荷(即电能)，形成一定的电压，并在其负载电压低于电容电压时，释放电能。由上述可知，所述电容可以储存来自于电磁转换单元120(例如电感)的电能，并且可以通过控制开关器件130的导通和断开，使所述电容两端的电压升高至所需值。

所述电流检测单元140连接于节点N2和N3之间，用于检测节点N2和N3之间的电压差，并据此获得充电回路的电流强度。

例如，所述电流检测单元140包括用于电流取样的第一电阻R1和用于放大所述第一电阻R1两端的电压信号的电流取样放大电路。

例如，所述用于电流取样的第一电阻R1是指通过测量已知阻值的R1两端的电压，根据欧姆定律计算流经电阻R1的电值，即可获得充电回路的电流强度。

为了提高充电过程的转换效率，第一电阻R1的阻值非常小，一般在几毫欧至几十毫欧之间，例如，选择0.01欧的第一电阻R1。另外，由于流经第一电阻R1的电流也可能非常小，因此，第一电阻R1两端的电压可能较低，为了提高电流强度的检测精度，可以设置电流取样放大电路以放大第一电阻R1两端的电压信号。

例如，所述电流取样放大电路包括但不限于三极管放大电路或运算放大器电路。

所述电压检测单元150连接于节点N3和接地端之间，用于检测所述充电电池170两端的电压。例如，直接检测电池170两端的电压或检测电池170两端电压的分压。

例如，所述电压检测单元150包括连接于节点N3和接地端之间的串联的第二电阻R2和第三电阻R3，其中，所述第二电阻R2和第三电阻R3之间的电压值反馈至所述控制单元。例如，所述控制单元160可以直接利用所获得的分压值或利用分压原理将所述分压值转换为充电电池170两端的电压。

所述控制单元160连接于所述开关器件130，被设置为基于所述电流检测单元140所检测的电流强度和电压检测单元160所检测的充电电压来输出具有不同占空比的信号以控制充电电流的强度或控制所述充电电池170的充电电压。

所述开关器件130是可控开关。例如，包括但不限于各种类型的MOS管或三极管。

例如，所述开关器件130是N沟道MOS管，其源极连接于接地端，漏极连接节点N1，栅极连接所述控制单元160。

所述控制单元160可以是分离的器件或集成器件，例如，单片机或微处理器。

在一个例子中，所述控制单元140包括充电逻辑分析电路和比较器，所述充电逻辑分析电路基于所述电流检测单元140所检测的电流强度和电压检测单元150所检测的充电电压来控制所述比较器，所述比较器基于所述充电逻辑分析电路的控制以及参考波形来输出具有不同占空比的信号，以控制充电电流的强度或控制充电电池170两端的电压。

其中，所述参考波形包括三角波或锯齿波等，其作为比较器的一路输入，当三角波或锯齿波信号高于比较器的另一端输入时，比较器输出高电平；反之，则输出低电平。通过这种方式，随着比较器另一端输入信号的电平变化，比较器即可输出占空比可变的信号。

在一个例子中，所述充电逻辑分析电路包括但不限于单片机或逻辑门电路或比较放大电路。

在另一个例子中，所述装置还包括第一电容C1以及第二电容C3，所述第一电容C1并联于所述充电电源110的两端，所述第二电容C3连接于节点N3和接地端之间。

所述第一电容C1用于滤出充电电源110的馈线所产生的交流电。

所述第二电容C3用于储能和滤波，当未接入充电电池170时，第二电容C3用于稳定输出电压。本领域的技术人员应当理解，当未接入充电电池170时，所述电压检测单元150所检测的电压即电容C3两端的电压。

在一个例子中，所述装置还包括充电显示单元，所述充电显示单元连接至所述控制单元160以接收充电电池信息并进行显示。例如，采用二极管或数字电路显示电池的电量等级、电池状态及充电电压等信息。

在对电池170进行充电的过程中，需要考虑电池的充电效率，同时也需防止电池因电流过大或电压过大而损坏。例如，可以基于电流检测单元140所检测的电流强度和电压检测单元150所检测的电池两端的电压来控制充电过程。例如，可以采用三段式充电方式。具体包括：

第一阶段，当所述控制单元160检测到充电电池170两端的电压低于第一电压阈值时，输出周期性脉冲信号以控制进行脉冲式充电。在此阶段，充入电量增加，电池电压上升，同时控制充电电流不能过大以避免电池充坏。

第二阶段，当所述控制单元160检测到充电电池170两端的电压高于第一电压阈值时，控制进行恒电流式充电。在此阶段，充电电流保持恒定，充入电量增加，电池电压逐渐上升。

其中，上述第一电压阈值也称作恒流限制电压值，即当电池170两端的电压低于恒流限制电压时，采用小电流脉冲式充电，当电池170两端的电压高于恒流限制电压时，采用恒定电流进行充电。例如，对于5V电池，恒流限制电压可预定为3.3V，对于12V的电池，恒流限制电压可以设定为9.6V。

第三阶段，当所述控制单元160检测到充电电池170两端的电压高于第二电压阈值时，控制进行恒电压式充电，充电电池170两端的电压不再上升。在此阶段，充电电压保持恒定，充入电量继续增加，充电电流逐渐变小。例如，对于5V的电池，第二电压阈值可设定为4.2V，对于12V的电池，第二电压阈值可设定为14.4V。

进一步地，在电池电量充满后，可以控制停止继续充电以避免电池损耗。

例如，当所述控制单元160检测到充电电流的强度低于第一电流阈值时，控制停止充电。其中，所述第一电流阈值可以设置为恒电流充电时的电流的1/10。

本领域的技术人员应当理解，上述的电流阈值和/或电压阈值的取值，只是用于说明实施例，而不作为对本发明的限制。在实际应用中，上述阈值，可以根据具体的充电电池种类或根据本发明的充电装置的器件类型或取值而有所不同。

由上述方案可以看出，根据本发明的用于电池充电的装置可以利用电感式升压原理，将低电压直接升高到被充电池所需的电压值，直接对电池充电。另外，通过增加电流检测单元和电压检测单元，由控制单元监测充电电池两端的电压值和充电电流的强度来调节或确定充电状态，可以提供充电效率并防止电池损坏。此外，由于根据本发明的充电装置只有一个震荡电路，一个开关器件，不存在开关不同步现象，因此，充电转换效率较高。

根据本发明的用于电池充电的装置通过改变器件的取值，可以适应不同场合充电，例如，应用于小功率充电或大功率充电机。

为了进一步明确上述用于电池充电装置，下面根据一个具体的实施例来说明其工作原理。

图2是根据本发明的用于电池充电的装置的一种实施结构的示意电路图。

如图2所示，利用电感式升压原理对电池进行充电的工作原理具体如下(以对5V电池充电为例)：

例如,当未接入充电电池时，开关器件TR1首先被控制导通，充电电源DC IN、电感L1和TR1组成回路，L1两端的电压逐渐升高，L1将电能转换为磁能储存在L1的电感磁芯上；在L1达到饱和之前，TR1被控制断开，此时，DCIN电感L1，二极管D1和电容C2组成回路，电感L1上的磁能转换为电能经整流二极管D1对电容C2充电，在此过程中，C2两端的电压不断升高，然后经电流取样电阻R1给C3充电，C3上的电压(取样电压)经电阻R2和R3分压后反馈至PWM(脉宽调制)比较器，与三角波信号发生器产生的三角波信号进行比较，因此，比较器输出占空比受取样电压控制的方波信号，随着取样电压的升高，TR1的导通时间变短。在C3的电压逐渐升高的过程中，TR1导通时间变短，而TR1导通时间的变短起到恒压的作用，因此，C3两端的电压逐渐达到恒压状态。

当充电电池BT1被接入充电电路后，C3上的电压会被逐渐降低至接近BT1两端的电压，这时R2和R3的电压取样失去作用，R1上有较大电流流过形成压降，而为了提高充电过程的转换效率，通常电阻R1取值非常小，例如10到100毫欧，因此R1两端的压降非常小，经用于放大所述取样电流信号的电流取样放大电路将R1两端的电压放大后，同样送到PWM端与三角波比较，而当电流逐渐变大时，TR1导通时间变短。反之，当电流逐渐变小时，TR1导通时间变长，从而起到恒流作用。

同时，电压取样数据和电流取样数据还被输出到充电逻辑分析电路中。充电逻辑分析电路被设置为：

当电池电压低于最低恒流电压时，例如3.3V，则输出周期性的脉冲信号，例如，每0.5至5秒输出一个脉冲,脉冲宽度在0.1至1秒之间以控制PWM比较器，并且控制流过电池的电流很小，例如，一般为1/10的充电电流。

随着充电的进行，当电池BT1的电压上升到大于一个阈值时，例如，恒流限制电压，充电逻辑分析电路被设置为不输出信号，此时只有电流取样电路的反馈起作用，整个充电电路进入恒流充电状态。

当电池电压继续上升时，例如，上升至4.2V时(电压取样限定值)，这时电压取样电路的反馈信号大于电流取样电路的反馈信号，电流取样电路的反馈失去作用，电池BT1两端的电压被恒定在一个固定的值，充电过程进入恒压充电状态，电流逐渐变小。

当电流降低至一个阈值时，例如，小于恒流充电时的电流的1/10时，充电逻辑分析电路输出关闭信号(即高阻状态)，从而关闭PWM，停止TR1导通，完成一次充电过程。

充电完成之后，如果电池未取出，则电池会因内阻而产生自耗电，使得电池电压降低，当充电逻辑分析电路检测到电池电压低于设定值时，例如，电池充满时电压的90％时，再次启动恒压充电状态，周而复始循环，这就是浮充状态。

在图2所示的电路中，电容C1用于滤出。整流二极管D1用于防止充电过程中，电流的回流，从而能够完成升压充电。电容C2也用于充电回路的储能。电容C3主要起滤波以及稳定输出电压的作用。电流取样放大电路设置为将电阻R1两端的电压进行放大，例如，放大700倍。可采用三极管或运算放大器来实现。并联在电池两端的电阻R2和R3，用于获取充电电池的电压或开路电压。

本发明还提供了一种电子设备，该电子设备包括根据本发明的用于电池充电的装置。该电子设备例如是音响、无线耳机、移动电源、平板电脑、数字移动电话、笔记本电脑、汽车、太阳能发电系统等。

虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (16)

1.一种用于电池充电的装置，包括充电电源(110)、电磁转换单元(120)、开关器件(130)、二极管D1、电能暂存单元(180)、电流检测单元(140)、电压检测单元(150)以及控制单元(160)，其中：

所述电磁转换单元(120)的第一端与充电电源(110)正极连接，用于将所述充电电源(110)提供的电能转换为磁能存储或将磁能转换为电能以提供电池充电所需的电压；

所述开关器件(130)连接于所述电磁转换单元(120)的第二端节点N1和接地端之间，其中，当所述开关器件(130)导通时，所述电磁转换单元(120)将电能转换为磁能并进行存储，当所述开关器件(120)断开时，所述电磁转换单元(120)将磁能转换为电能以提供电池充电所需的电压；

所述二极管D1的正极连接节点N1，负极连接节点N2；

所述电能暂存单元(180)连接于节点N2和接地端之间，用于暂时存储由所述电磁转换单元(120)的磁能所转换的电能；

所述电流检测单元(140)连接于节点N2和N3之间，用于检测充电电流的强度；

所述电压检测单元(150)连接于节点N3和接地端之间，用于检测所述充电电池(170)两端的电压；

所述控制单元(160)连接于所述开关器件(130)，被设置为基于所述电流检测单元(140)所检测的电流强度和电压检测单元(160)所检测的充电电压来输出具有不同占空比的信号以控制充电电流的强度或控制所述充电电池(170)两端的电压。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电磁转换单元(120)是具有磁芯的电感。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电能暂存单元(180)是电容。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述开关器件是N沟道MOS管，其源极连接于接地端，漏极连接节点N1，栅极连接所述控制单元(160)。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电压检测单元(150)包括连接于节点N3和接地端之间的串联的第二电阻R2和第三电阻R3，其中，所述第二电阻R2和第三电阻R3之间的电压值输出至所述控制单元(160)。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制单元(140)包括充电逻辑分析电路和比较器，所述充电逻辑分析电路基于所述电流检测单元(140)所检测的电流强度和电压检测单元(150)所检测的充电电压来控制所述比较器，所述比较器基于所述充电逻辑分析电路的控制以及参考波形来输出具有不同占空比的信号，以控制充电电流的强度或控制充电电池(170)两端的电压。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述充电逻辑分析电路是单片机或逻辑门电路或比较放大电路。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电流检测单元(140)包括用于电流取样的第一电阻R1和用于放大所述第一电阻R1两端的电压信号的电流取样放大电路。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述电流取样放大电路是三极管放大电路或运算放大器电路。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括第一电容C1以及第二电容C3，所述第一电容C1并联于所述充电电源(110)两端，所述第二电容C3连接于节点N3和接地端之间。

11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括充电显示单元，所述充电显示单元连接至所述控制单元(160)以接收充电电池信息并进行显示。

12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，当所述控制单元(160)检测到充电电池(170)的电压低于第一电压阈值时，输出周期性脉冲信号以控制进行脉冲式充电。

13.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，当所述控制单元(160)检测到充电电池(170)的电压高于第一电压阈值时，控制进行恒电流式充电。

14.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，当所述控制单元(160)检测到所述充电电池(170)的电压高于第二电压阈值时，控制进行恒电压式充电，所述充电电池(170)两端电压不再上升。

15.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在恒压式充电时，当所述控制单元(160)检测到充电电流的强度低于第一电流阈值时，控制停止充电。

16.一种电子设备，其特征在于，包括权利要求1-15中任一项所述的用于电池充电的装置。