CN106451621B

CN106451621B - 一种充电系统、快速充电保护装置及方法

Info

Publication number: CN106451621B
Application number: CN201610888794.9A
Authority: CN
Inventors: 王富明; 刘小勇; 黄昌松
Original assignee: Meizu Technology Co Ltd
Current assignee: Meizu Technology Co Ltd
Priority date: 2016-10-11
Filing date: 2016-10-11
Publication date: 2019-08-20
Anticipated expiration: 2036-10-11
Also published as: CN106451621A

Abstract

本发明涉及一种充电系统、快速充电保护装置及方法，该快速充电保护装置包括：第一温度检测单元，用于检测便携设备的充电输入接口的温度；调节单元，耦合于便携设备的充电输入接口的电源线与数据线之间，且用于根据所检测的充电输入接口的温度，通过调整充电输入接口的电源线与数据线之间的阻抗来调整充电输入接口的数据线的电平；执行单元，耦合于充电设备的充电输出接口的电源线与数据线之间，且用于根据所述充电输出接口的数据线的电平，调整所述充电输出接口的电源线的输出功率。实施本发明的技术方案，不仅能克服串联阻抗导致的热量累计的问题，还能克服并联阻抗导致的热量累计的问题。

Description

一种充电系统、快速充电保护装置及方法

技术领域

本发明涉及快速充电技术领域，尤其涉及一种充电系统、快速充电保护装置及方法。

背景技术

随着便携设备，特别是智能便携设备配置的提升，对电量的消耗量也越来越大。近年来，相同体积下电池容量提升技术遇到瓶颈，已经不能满足智能便携设备的续航要求，导致的结果是便携设备的充电频率越发频繁，充电次数的增加导致花在充电上的时间也越来越长，影响充电效率。为了缩短充电时间，需要使用较大的充电电流对电池充电。便携设备中普遍使用MICRO USB或者type C接口作为充电输入接口，由于较小的接触体积和较大的接触插拔力，随着插接次数的增加，容易造成线缆连接器端口插针的磨损。再有，由于线缆和便携设备以及充电设备的充电接口均是开放的，容易进入具有导电能力的杂质。

首先参照图1所示的充电系统，该充电系统包含充电设备10、便携设备30及线缆20。充电设备10的连接器11经由兼容类型的连接器21连接到线缆20的一端。线缆20的另一端经由兼容类型的连接器22连接到便携设备30的连接器31。当线缆20耦合到充电设备10和便携设备30时，充电设备10的连接器11将表现为至便携设备30的充电输出接口，便携设备30的连接器31将表现为充电输入接口。

该充电设备10能够经由连接器11提供充电电流。充电设备10可以具有电源插头13以获得来自常规电力插座的电力，以及使用常规组件(未示出)以将交流电(AC)转换成预定电压的直流电(DC)，该预定电压适用于经由线缆20对便携设备30进行充电。充电设备10还可以包含电池12，该电池12用于在没有可以使用的AC电源或充电设备10不包括电源插头13的情况下来提供充电电流。

便携设备30是能够经由连接器31接收充电电流的任何便携式设备，以及对便携设备30内的电池32进行充电。

用户希望他们的便携设备30执行越来越多的功能以及用尽量短的时间补充足够的电量。在给定能量密度和体积下，为了减少用户花在充电上的时间，可行的方式是加大充电电流。以便于在合理的时间内完成电池进行充电。在充电中使用的大多数流行的接口中的一种接口是包含标准的USB线缆20的USB接口。一种此类标准的USB线缆是MICRO B线缆或者TYPE C线缆，大量便携设备30支持该类USB线缆。然而，当USB线缆用于对便携设备进行充电时，会出现如下情况：

由于较小的接触体积和较大的接触插拔力，随着插接次数的增加，容易造成线缆和连接器11与21、22和31之间的磨损、破损或短路。再有，由于线缆20和便携设备30以及充电设备10的接口均是开放的，容易从连接器11、21、22、31进入具有导电能力的杂质。杂质在线缆20的连接器21、22位置中呈现串联阻抗和并联阻抗两种方式。根据公式P＝I²*R，串联阻抗和并联阻抗的发热量会与电流的平方倍数增加。例如，电流增加3倍，发热量会增大9倍。

结合图2，充电设备10在连接器11的电源线(VBUS)处产生源电流Isource和源电压Vsource。源电流Isource流过线缆20的连接器21、22的电源线到达便携设备30的连接器31的电源线。便携设备30的等效电阻Rload耦合到连接器31的电源线和地(GND)针脚之间，吸入的电流被称为负载电流Iload。该负载电流Iload经由连接器31的GND针脚进而耦合到连接器22、21、11的GND针脚以及充电设备10的接地回路。耦合在连接器11与21之间的等效串联阻抗为RS121、RS122，等效并联阻抗为Rp12，耦合在连接器22与31之间的等效串联阻抗为RS231、RS323，等效并联阻抗为RP23。

现有技术通常在便携设备30的连接器处放置温度传感器，检测到充电接口过热时停止充电。但是，这只能克服串联阻抗变大导致的热量累积问题，对并联阻抗变小造成的热量累积问题无能为力，因为：并联阻抗减小造成的直接后果是并联电流增加，如图2所示，I_P1或者I_P2发生在连接器11与21、22与31之间，在便携设备30外面，与便携设备30的充电输入口处的等效电阻R_LOAD呈并联关系。故而关闭便携设备充电即断开R_LOAD并不能起到关断并联电流I_P1或者I_P2的作用。自然地，也不能起到阻断连接器11与21、22与31之间发热排除风险的作用。

而热量累积导致的一般后果是线缆和便携设备的连接位置产生过热变形、自身功能丧失等，严重后果是由于热量传递造成用户烫伤，财物烧坏等人身或财产损失。更严重后果是由于热量传递导致电池过热爆炸或引燃或引爆便携设备周围的易燃易爆物品，危及周围人群的生命安全或造成巨额财产损失。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种不会产生热量累积的充电系统、快速充电保护装置及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种快速充电保护装置，包括：

第一温度检测单元，用于检测便携设备的充电输入接口的温度；

调节单元，耦合于便携设备的充电输入接口的电源线与数据线之间，且用于根据所检测的充电输入接口的温度，通过调整充电输入接口的电源线与数据线之间的阻抗来调整充电输入接口的数据线的电平；

执行单元，耦合于充电设备的充电输出接口的电源线与数据线之间，且用于根据所述充电输出接口的数据线的电平，调整所述充电输出接口的电源线的输出功率。

进一步地，还包括：

第二温度检测单元，用于检测充电设备的充电输出接口的温度；而且，

所述执行单元，还用于根据所检测的充电输出接口的温度，调整所述充电输出接口的电源线的输出功率。

进一步地，

所述执行单元，用于按照通用串行总线连接器标准规定的等级，调整所述充电输出接口的电源线的输出功率；和/或

所述调节单元，用于按照预设的与所述电源线输出功率等级相对应的档位，调整充电输入接口的电源线与数据线之间的阻抗。

进一步地，所述调节单元包括第一开关、第一控制单元，其中，所述第一开关的输入端连接所述便携设备的充电输入接口的电源线，所述第一开关的输出端连接所述便携设备的充电输入接口的数据线，所述第一开关的控制输入端连接所述第一控制单元的控制输出端，所述第一控制单元的输入端连接所述第一温度检测单元的输出端。

进一步地，还包括：

电压箍位单元，耦合于便携设备的充电输入接口的数据线与所述第一控制单元，且用于将所述充电输入接口的数据线进入所述第一控制单元的电压箍位到预设电压。

进一步地，所述执行单元包括第二开关、第二控制单元，其中，所述第二开关的输入端连接充电设备的电压输出端，所述第二开关的输出端连接充电设备的充电输出接口的电源线，所述第二开关的控制输入端连接所述第二控制单元的第一控制输出端，所述第二控制单元的输入端连接充电设备的充电输出接口的数据线。

进一步地，所述充电设备的充电输出接口的电源线和地之间连接有稳压电容，而且，所述快速充电保护装置还包括第三开关，所述第三开关的输入端连接所述充电输出接口的电源线，所述第三开关的输出端接地，所述第三开关的控制端连接所述第二控制单元的第二控制输出端。

本发明还提供一种充电系统，其特征在于，包括充电设备、便携设备及以上所述的快速充电保护装置。

本发明还提供一种快速充电保护方法，包括：

检测便携设备的充电输入接口的温度；

根据所检测的充电输入接口的温度，通过调整充电输入接口的电源线与数据线之间的阻抗来调整充电输入接口的数据线的电平；

根据充电设备的充电输出接口的数据线的电平，调整所述充电输出接口的电源线的输出功率。

进一步地，还包括：

检测充电设备的充电输出接口的温度；

根据所检测的充电输出接口的温度，调整所述充电输出接口的电源线的输出功率。

本发明与现有技术相比具有如下优点：实施本发明的快速充电保护装置，由于其第一温度检测单元可检测便携设备的充电输入接口的温度；其调节单元可根据所检测的充电输入接口的温度，通过调整充电输入接口的电源线与数据线之间的阻抗来调整充电输入接口的数据线的电平；其执行单元可根据所述充电输出接口的数据线的电平，调整所述充电输出接口的电源线的输出功率。因此，当便携设备的充电输入接口的温度过高时，可降低或关断充电设备的充电输出接口的电源线的输出功率，进而能将充电设备的充电输出接口的电源线处产生的源电压Vsource和源电流Isource在短时间内降低到接近0V的水平。根据P＝V²/R(并联阻抗发热)和P＝I²*R(串联阻抗发热)可知，不仅能克服串联阻抗导致的热量累计的问题，还能克服并联阻抗导致的热量累计的问题，相当于线缆上的连接器的热源被迅速拿掉，随着热源被拿掉，温度也将会迅速降低到安全水平。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是现有技术的充电设备与电子终端的充电示意框图；

图2是现有技术的线缆、充电设备与便携设备的连接示意框图；

图3是本发明提供的一种快速充电保护装置的第一实施例的示意框图；

图4A是本发明提供的一种快速充电保护装置的第二实施例的部分示意框图；

图4B是本发明提供的一种快速充电保护装置的第二实施例的部分示意框图；

图5是本发明提供的一种快速充电保护方法的第一实施例的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图3所示，在本发明提供的一种快速充电保护装置的第一实施例中，该实施例的快速充电保护装置包括第一温度检测单元307、调节单元305、执行单元108。其中，第一温度检测单元307和调节单元305设置在便携设备30中，而且，第一温度检测单元307用于检测便携设备的充电输入接口31的温度。调节单元305耦合于便携设备的充电输入接口31的电源线(VBUS)与第一数据线(D-)，且用于根据所检测的充电输入接口31的温度，通过调整充电输入接口31的电源线与数据线之间的阻抗来调整充电输入接口31的数据线的电平，例如，当充电输入接口31的温度过高时，可降低电源线与数据线之间的阻抗，从而抬高数据线的电平。执行单元108设置在充电设备中，而且，执行单元108耦合于充电设备的充电输出接口11的电源线(VBUS)与第一数据线(D-)，且用于根据所述充电输出接口11的数据线的电平，调整所述充电输出接口11的电源线的输出功率。在此需说明的是，由于便携设备的电源线、数据线分别与充电设备的电源线、数据线通过线缆对应连接，因此，当便携设备的充电输入接口31的数据线的电平抬高后，充电设备的充电输出接口11的数据线的电平也将抬高，此时，执行单元可降低或是关断所述充电输出接口11的电源线的输出功率。

需说明的是，虽然该实施例是以充电输入端口和充电输出端口的第一数据线(D-)为例进行说明的，但应理解，在其它实施例中，也可使用充电输入端口和充电输出端口的第二数据线(D+)。

进一步地，该实施例的快速充电保护装置还包括设置在充电设备中的第二温度检测单元106，该第二温度检测单元106用于检测充电设备的充电输出接口11的温度，同时，执行单元108还用于根据所检测的充电输出接口11的温度调整所述充电输出接口11的电源线的输出功率。例如，当所检测的充电设备的充电输出接口11的温度大于预设温度值时，执行单元108可关断所述充电输出接口11的电源线的输出功率。

优选地，执行单元108用于按照通用串行总线连接器标准规定的等级，调整所述充电输出接口11的电源线的输出功率。调节单元305用于按照预设的与所述电源线输出功率等级相对应的档位，调整充电输入接口31的电源线与数据线之间的阻抗。

如图4A、4B所示，在本发明提供的一种快速充电保护装置的第二实施例中，该实施例的快速充电保护装置包括设置在便携设备中的第一温度检测单元307、调节单元305、电压箍位单元306及设置在充电设备中的执行单元108和第二温度检测单元106。其中，调节单元305包括第一开关3051和第一控制单元，而且，该第一控制单元集成在充电控制单元301中。执行单元108包括第二开关1081、第二控制单元1082和第三开关1083。具体地，第一开关3051、第二开关1081和第三开关1083可包括BJT/MOS/IGBT等电子开关以及与之连接的限流元件。

如图4A所示，在便携设备中，电源开关304的输入端与充电输入接口31的电源线连接，电源开关304的输出端与充电执行单元302的输入端连接，电源开关304的控制输入端与充电控制单元301的第一控制输出端连接，充电执行单元302的第一电源输出端与充电控制单元301的电源输入端连接，其第二电源输出端与电池303连接，充电执行单元302的控制输入端与充电控制单元301的第二控制输出端连接。充电输入接口31附近放置第一温度检测单元307，该第一温度检测单元307的输出端连接到充电控制单元301的信号输入端。充电输入接口31的电源线与第一数据线(D-)之间插入第一开关3051，第一开关3051的输入端连接电源线，其输出端连接第一数据线(D-)，第一开关3051的控制输入端连接充电控制单元301的第一控制输出端。电压箍位单元306的信号输入端连接充电输入接口31的第一数据线(D-)、第二数据线(D+)，电压箍位单元306的输出端连接充电控制单元301。电压箍位单元306的控制输入端(未示出)连接USB 3.3V电源。

应理解，在其它实施例中，充电控制单元301可以被集成到便携终端的主控制单元或者主电源管理单元中，电源开关304可以被集成到充电执行单元302中，这均与本发明的思路一致。

如图4B所示，在充电设备中，第二温度检测单元106设置在充电设备的充电输出接口11的附近，且其输出端连接第二控制单元1082的第一输入端。第二控制单元1082的第二输入端连接充电输出接口11的第一数据线(D-)或第二数据线(D+)。AC-DC单元101的输入端(未示出)连接110V～220V交流电，其控制输入端连接AC-DC控制单元102的控制输出端。DC-DC单元104的输入端连接电池105或者DC输入端口(未示出)，其控制输入端连接到DC-DC控制单元107的控制输出端。第二开关1081的输入端连接AC-DC单元101的输出端及DC-DC单元104的输出端，其输出端连接充电输出接口11的电源线，其控制输入端连接第二控制单元1082的第一控制输出端。稳压电容111连接在充电输出接口11的电源线与地之间。第三开关1083的输入端连接充电输出接口11的电源线，其输出端接地，其控制输入端连接第二控制单元1082的第二控制输出端。

应理解，在其它实施例中，第二控制单元1082可以集成在AC-DC控制单元102中，也可以集成在DC-DC控制单元107中，这均与本发明的思路一致。

下面说明该实施例的快速充电保护装置的工作原理：

充电设备和便携设备具有上述快速充电保护装置后，在一个通用的充电行为中，充电控制单元301通过放置在便携设备的充电输入接口31附近的第一温度检测单元307感知充电输入接口31的温度，当充电控制单元301感知到充电输入接口31的温度超过预设值时，通过其第一控制输出端将第一开关3051打开，将第一数据线(D-)与电源线(VBUS)之间的阻抗降低到预设水平，从而将第一数据线(D-)的电平抬高到间于最低阀值到电源线的电压之间，为确保足够的鲁棒性，需要将最低识别电压抬高，一个可靠的实施示例是将第一数据线(D-)的电平抬高到(USB接口信号工作电压+0.3V)～所述充电电源线电压之间。电压箍位单元306用于将充电输入接口31的数据线进入充电控制单元301的电压箍位到预设电压(例如，箍位到不高于USB接口信号工作电压)，以确保充电控制单元301不被过压损坏。

便携设备的数据线(D-、D+)通过线缆的数据线连接充电设备的数据线。配置在充电设备当中的第二控制单元1082的控制输入端感知到第一数据线(D-)上的电平间于最低阀值到电源线的电压之间时，控制第二开关1081关断AC-DC单元101或者DC-DC单元104与充电输出接口11的电源线的连接。同时，开启第三开关1083，将稳压电容111上的残余能量在短时间内泄放，因此，充电设备的充电输出接口11的电源线(VBUS)处产生的源电压Vsource和源电流Isource在短时间内被降低到接近0V的水平。根据P＝V²/R(并联阻抗发热)和P＝I²*R(串联阻抗发热)，线缆上的连接器的热源被迅速拿掉，随着热源被拿掉，温度也将迅速降低到安全水平。

另外，被配置在充电输出接口11附近的第二温度检测单元106检测充电输出接口11的温度信号，并传输给第二控制单元1082。当第二控制单元1082感知到充电输出接口11的温度上升到预设水平时，控制第二开关1081关断AC-DC单元101或者DC-DC单元104与充电输出接口11的电源线的连接。同时，开启第三开关1083，将稳压电容111上的残余能量在短时间内泄放。因此，Vsoure、Isource在短时间内降低到接近0V的水平。根据P＝V²/R(并联阻抗发热)和P＝I²*R(串联阻抗发热)，线缆上的连接器22和31的热源被迅速拿掉，随着热源被拿掉，温度也将迅速降低到安全水平。

本发明还构造一种充电系统，该充电系统包括充电设备、便携设备及以上所述的快速充电保护装置。充电设备的示例包含：USB充电设备、台式计算机和便携式计算机。便携设备的一些示例包含便携式电话、mp3播放器、笔记本电脑、智能手表、智能手环、平板电脑和个人游戏机。

图5是本发明提供的一种快速充电保护方法的第一实施例的流程图，该实施例的快速充电保护方法包括以下步骤：

步骤S11：检测便携设备的充电输入接口的温度。

在该步骤中，可通过配置在便携设备的充电输入接口附近的温度检测单元来检测充电输入接口的温度，该温度检测单元可包括正温度系数元件或者负温度系数元件。

步骤S12：根据所检测的充电输入接口的温度，通过调整充电输入接口的电源线与数据线之间的阻抗来调整充电输入接口的数据线的电平。

在该步骤中，可在充电输入接口的电源线与数据线之间设置第一开关，该第一开关包括BJT/MOS/IGBT等电子开关以及与之连接的限流元件。例如，当检测到充电输入接口的温度大于预设值时，可开启第一开关以降低充电输入接口的电源线与数据线之间的阻抗，从而抬高充电输入接口的数据线的电平，例如抬高到最低阀值至电源线的电压之间。

步骤S13：根据充电设备的充电输出接口的数据线的电平，调整所述充电输出接口的电源线的输出功率。

在该步骤中，由于充电设备的充电输出接口的电源线(VBUS)、数据线(D-、D+)、接地线(GND)与便携设备的充电输入接口的电源线(VBUS)、数据线(D-、D+)、接地线(GND)通过线缆对应连接，所以，当充电输入接口的数据线的电平变化时，充电输出接口的数据线的电平也会相应变化。另外，可在充电设备的电源输出端(例如DC-DC单元的输出端或AC-DC单元的输出端)与充电输出接口的电源线之间设置第二开关，且在正常充电时，该第二开关为开启状态。优选地，还可在充电输出接口的电源线和地之间连接有稳压电容时，还可在充电输出接口的电源线和地之间设置第三开关。例如，当感知到充电输出接口的数据线的电平抬高时，例如抬高到最低阀值至电源线的电压之间，可关断第二开关以降低或关断充电输出接口的电源线的输出功率，同时，开启第三开关以将稳压电容上的残余能量在短时间内泄放。

进一步地，本发明的快速充电保护方法还可包括：

步骤S14：检测充电设备的充电输出接口的温度。

在该步骤中，可通过配置在充电设备的充电输出接口附近的温度检测单元来检测充电输入接口的温度，该温度检测单元可包括正温度系数元件或者负温度系数元件。

步骤S15：根据所检测的充电输出接口的温度，调整所述充电输出接口的电源线的输出功率。

在该步骤中，例如，当检测到充电输出接口的温度大于预设值时，可关断第二开关以降低或关断充电输出接口的电源线的输出功率，同时，开启第三开关以将稳压电容上的残余能量在短时间内泄放。

以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明的权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims

1.一种快速充电保护装置，其特征在于，包括：

执行单元，耦合于充电设备的充电输出接口的电源线与数据线之间，且用于根据所述充电输出接口的数据线的电平，调整所述充电输出接口的电源线的输出功率；

第二温度检测单元，用于检测充电设备的充电输出接口的温度。

2.根据权利要求1所述的快速充电保护装置，其特征在于，

3.根据权利要求1或2所述的快速充电保护装置，其特征在于，

4.根据权利要求1或2所述的快速充电保护装置，其特征在于，所述调节单元包括第一开关、第一控制单元，其中，所述第一开关的输入端连接所述便携设备的充电输入接口的电源线，所述第一开关的输出端连接所述便携设备的充电输入接口的数据线，所述第一开关的控制输入端连接所述第一控制单元的控制输出端，所述第一控制单元的输入端连接所述第一温度检测单元的输出端。

5.根据权利要求4所述的快速充电保护装置，其特征在于，还包括：

电压箍位单元，耦合于便携设备的充电输入接口的数据线与所述第一控制单元，用于将所述充电输入接口的数据线进入所述第一控制单元的电压箍位到预设电压。

6.根据权利要求1或2所述的快速充电保护装置，其特征在于，所述执行单元包括第二开关、第二控制单元，其中，所述第二开关的输入端连接充电设备的电源输出端，所述第二开关的输出端连接充电设备的充电输出接口的电源线，所述第二开关的控制输入端连接所述第二控制单元的第一控制输出端，所述第二控制单元的输入端连接充电设备的充电输出接口的数据线。

7.根据权利要求6所述的快速充电保护装置，其特征在于，所述充电设备的充电输出接口的电源线和地之间连接有稳压电容，而且，所述快速充电保护装置还包括第三开关，所述第三开关的输入端连接所述充电输出接口的电源线，所述第三开关的输出端接地，所述第三开关的控制端连接所述第二控制单元的第二控制输出端。

8.一种充电系统，其特征在于，包括充电设备、便携设备及权利要求1-7任一项所述的快速充电保护装置。

9.一种快速充电保护方法，其特征在于，包括：

检测便携设备的充电输入接口的温度；

根据充电设备的充电输出接口的数据线的电平，调整所述充电输出接口的电源线的输出功率；

检测充电设备的充电输出接口的温度。

10.根据权利要求9所述的快速充电保护方法，其特征在于，还包括：