CN107979151A - 基于Top Switch Ⅱ芯片的数控动态输出充电器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于Top Switch Ⅱ芯片的数控动态输出充电器，包括整流电路、主输出电路、开关电源电路、信号调理电路和处理模块；整流电路接通交流电源并输出一次直流电至主输出电路和开关电源电路，主输出电路根据开关电源电路输出的开关信号和一次直流电进行处理后输出二次直流电供充电负载充电使用，并输出电压反馈信号和电流反馈信号至开关电源电路；处理模块根据预设值及信号调理电路对二次直流电进行调理得到的采样信号，控制开关电源电路调节输出至主输出电路的开关信号的脉宽，以调节二次直流电的恒压值或恒流值。如此，可动态调节恒定的电压值大小或恒定的电流值大小，满足多种充电方式，电能利用率高。

Description

基于Top Switch Ⅱ芯片的数控动态输出充电器

技术领域

本发明涉及充电技术领域，特别是涉及一种基于Top Switch Ⅱ芯片的数控动态输出充电器。

背景技术

充电器采用智能动态调整充电技术，可以实现对充电负载的恒流充电或恒压充电。传统的充电器一般采用脉冲宽度调制，通过调节电压反馈回路上的可调电阻，确定一个目标输出电压，通过分压电阻，确定一个电压基准；比较电压反馈值与电压基准，根据比较结果控制脉宽，达到输出电压恒定的目的；通过调节电流反馈回路上的可调电阻，采用与稳定输出电压相同的方式实现输出电流恒定。

传统的充电器采用的动态调整方式，通过可调电阻调节好输出电压的恒定值和输出电流的恒定值后，整个充电过程中只能确定一个恒压值与一个恒流值，实现常规的两阶段式充电曲线。充电方式单一，电能利用率低。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种支持多种充电方式、电能利用率高的基于Top Switch Ⅱ芯片的数控动态输出充电器。

一种基于Top Switch Ⅱ芯片的数控动态输出充电器，包括整流电路、主输出电路、开关电源电路、信号调理电路和处理模块，所述整流电路的输入端连接交流电源，所述整流电路的输出端连接所述主输出电路和所述开关电源电路，所述主输出电路连接所述信号调理电路和所述开关电源电路，且用于连接充电负载，所述处理模块连接所述开关电源电路和所述信号调理电路；

所述整流电路对输入的交流电进行整流得到一次直流电并输出至所述主输出电路和所述开关电源电路，所述主输出电路根据所述开关电源电路输出的开关信号和所述一次直流电进行处理后输出二次直流电至所述充电负载和所述信号调理电路，并输出电压反馈信号和电流反馈信号至所述开关电源电路；

所述信号调理电路对所述二次直流电进行调理并输出采样信号至所述处理模块，所述处理模块根据所述采样信号与预设值输出第一电压信号和第二电压信号至所述开关电源电路，所述开关电源电路根据所述第一电压信号和所述电压反馈信号调节所述开关信号的脉宽并输出至所述主输出电路，以调节所述二次直流电的恒压值，或者根据所述第二电压信号和所述电流反馈信号调节所述开关信号的脉宽并输出至所述主输出电路，以调节所述二次直流电的恒流值。

上述基于Top Switch Ⅱ芯片的数控动态输出充电器，整流电路接通交流电源并输出一次直流电至开关电源电路以提供启动电压，同时输出一次直流电至主输出电路，主输出电路根据开关电源电路输出的开关信号和一次直流电进行处理后输出二次直流电供充电负载充电使用，并输出电压反馈信号和电流反馈信号至开关电源电路；同时信号调理电路对二次直流电进行调理得到的采样信号；处理模块根据采样信号和预设值控制开关电源电路调节开关信号的脉宽，以调节主输出电路输出的二次直流电的恒压值或恒流值。如此，基于Top Switch Ⅱ芯片的数控动态输出充电器对充电负载进行充电的过程中，可动态调节恒定的电压值大小或恒定的电流值大小，灵活性高，可满足多种充电方式，电能利用率高。

附图说明

图1为一实施例中基于Top Switch Ⅱ芯片的数控动态输出充电器的结构框图；

图2为另一实施例中基于Top Switch Ⅱ芯片的数控动态输出充电器的结构图。

具体实施方式

参考图1，一实施例中的基于Top Switch Ⅱ芯片的数控动态输出充电器，包括整流电路110、主输出电路130、开关电源电路140、信号调理电路150和处理模块160，整流电路110的输入端连接交流电源，整流电路110的输出端连接主输出电路130和开关电源电路140，主输出电路130连接信号调理电路150和开关电源电路140，且用于连接充电负载，处理模块160连接开关电源电路140和信号调理电路150。

整流电路110对输入的交流电进行整流得到一次直流电并输出至主输出电路130和开关电源电路140，主输出电路130根据开关电源电路140输出的开关信号和一次直流电进行处理后输出二次直流电至充电负载和信号调理电路150，并输出电压反馈信号和电流反馈信号至开关电源电路140。二次直流电用于供充电负载充电使用，同时，信号调理电路150可以对二次直流电进行调理采样。其中，电压反馈信号指对二次直流电的电压进行采样后得到的信号，电流反馈信号指对二次直流电的电流进行采样后得到的信号。

信号调理电路150对二次直流电进行调理并输出采样信号至处理模块160，处理模块160根据采样信号与预设值输出第一电压信号和第二电压信号至开关电源电路140，开关电源电路140根据第一电压信号和电压反馈信号调节开关信号的脉宽并输出至主输出电路130，以调节二次直流电的恒压值，或者根据第二电压信号和电流反馈信号调节开关信号的脉宽并输出至主输出电路130，以调节二次直流电的恒流值。

整流电路110用于将交流电转换为直流电，可以采用整流桥实现，整流电路110输出一次直流电至开关电源电路140，用于给开关电源电路140提供启动电压。主输出电路130根据开关电源电路140输出的开关信号和一次直流电进行的处理包括功率耦合和整流滤波。可以理解，在其他实施例中，主输出电路130对开关信号的处理还可以包括其他处理，以得到更佳的直流电。

信号调理电路150输出的采样信号为二次直流电调理成电压小信号之后的信号，供处理模块160检测判断。预设值指预先设置的对应当前充电时刻的基准电压值或基准电流值，可以通过预存储充电曲线、根据充电曲线和当前的充电时刻对应获取，或者根据预存储的充电时刻与充电电压、充电电流的对应关系直接获取，其中，充电曲线可以是根据充电负载的种类、容量、串并联组合方式、数量等信息确定。第一电压信号和第二电压信号为两路独立的信号，处理模块160具体根据采样信号和预设值调节第一电压信号对应的电压值大小，或调节第二电压信号对应的电压值大小，使开关电源电路140根据第一电压信号的电压值和电压反馈信号调节开关信号的脉宽，并输出调节后的开关信号至主输出电路130以进行恒压调节，根据第二电压信号的电压值和电流反馈信号调节开关信号的脉宽，并输出调节后的开关信号至主输出电路130以进行恒流调节。

处理模块160根据采样信号和预设值调节第一电压信号或第二电压信号对应的电压值大小的过程包括：处理模块160可以预先存储充电曲线，根据信号调理电路150输出的采样信号的电压大小以及采样信号与二次直流的对应关系计算出二次直流电的物理量电压大小，根据物理量电压大小对照充电曲线可以分析当前所处的充电阶段。若当前所处的充电阶段为恒压阶段，则处理模块160根据充电曲线对应当前充电时刻的基准电压值与计算得到的物理量电压大小比较，根据比较结果动态改变输出到开关电源电路140的第一电压信号对应的电压大小；若当前所处的充电阶段为恒流阶段，则处理模块160根据充电曲线对应当前充电时刻的基准电流值与计算得到的物理量电压大小对应的电流值比较，根据比较结果动态改变输出到开关电源电路140的第二电压信号对应的电压大小。

上述基于Top Switch Ⅱ芯片的数控动态输出充电器，整流电路110接通交流电源并输出一次直流电至开关电源电路140以提供启动电压，同时输出一次直流电至主输出电路130，主输出电路130根据开关电源电路140输出的开关信号和一次直流电进行处理后输出二次直流电供充电负载充电使用，并输出电压反馈信号和电流反馈信号至开关电源电路140；同时信号调理电路150对二次直流电进行调理得到的采样信号；处理模块160根据采样信号和预设值控制开关电源电路140调节开关信号的脉宽，以调节主输出电路130输出的二次直流电的恒压值或恒流值。如此，基于Top Switch Ⅱ芯片的数控动态输出充电器对充电负载进行充电的过程中，可动态调节恒定的电压值大小或恒定的电流值大小，灵活性高，可满足多种充电方式，电能利用率高。

在一实施例中，第一电压信号和第二电压信号为0-5V(伏)模拟电压信号。第一电压信号和第二电压信号对应的具体电压值由处理模块160根据采样信号与预设值动态调整。第一电压信号和第二电压信号的电压取值范围可根据处理模块160的工作电压和脉冲宽度调制信号的工作电压确定，可以理解，在其他实施例中，第一电压信号和第二电压信号还可以为其他数值范围的模拟电压信号。

在一实施例中，主输出电路130包括功率耦合器和滤波整流器，功率耦合器一端连接整流电路110和开关电源电路140，功率耦合器另一端连接滤波整流器一端，滤波整流器另一端连接信号调理电路150。通过功率耦合器进行功率耦合，并通过滤波整流器进行整流滤波得到的二次直流电质量佳。可以理解，在其他实施例中，主输出电路130还可以包括其他器件以便得到更佳的二次直流电。

在一实施例中，开关电源电路140根据第一电压信号和电压反馈信号调节开关信号的脉宽并输出至主输出电路130之前、以及根据第二电压信号和电流反馈信号调节开关信号的脉宽并输出至主输出电路130之前，开关电源电路140根据第一自调信号调节开关信号的脉宽并输出至主输出电路130，以使二次直流电的电压恒定在初始电压值；开关电源电路140根据第二自调信号调节开关信号的脉宽并输出至主输出电路130，以使二次直流电的电流恒定在初始电流值。

第一自调信号和第二自调信号为两路独立的信号。第一自调信号和第二自调信号的输出可以采用人工操作可调电阻实现，也可以预先设置。

在处理模块160根据采样信号控制开关电源电路140调节开关信号的脉宽之前，开关电源电路140自调开关信号的脉宽，以使主输出电路130输出的二次直流电的电压恒定在初始电压值、电流恒定在初始电流值。如此，采用硬件方式限定基于Top Switch Ⅱ芯片的数控动态输出充电器输出的最大电压电流，之后处理模块160控制开关电源电路140进行的恒流和恒压调节分别在初始电压值和初始电流值的范围内，实现硬件限压限流保护，避免器件烧坏，可提高基于Top Switch Ⅱ芯片的数控动态输出充电器的使用安全性。

在一实施例中，参考图2，开关电源电路140包括脉宽调制开关U2、光耦U1、比较器U3、并联稳压器U4、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R5、第四电阻R8、第五电阻R10、第六电阻R9、第七电阻R7、第一可调电阻VR1和第二可调电阻VR2。

光耦U1的发光二极管的阳极连接第一电阻R1一端和第二电阻R2一端，第一电阻R1另一端连接电源输入端VCC，第二电阻R2另一端连接光耦U1的发光二级管的阴极和并联稳压器U4的阴极。光耦U1的受光器的输入端连接电源端，光耦U1的受光器的输出端连接脉宽调制开关U2，脉宽调制开关U2连接整流电路110和主输出电路130。本实施例中，光耦U1的受光器的输入端具体连接主输出电路130，主输出电路130可以输出7-12V的电压至光耦U1的受光器的输入端。

并联稳压器U4的调节端通过第三电阻R5连接主输出电路130，通过第四电阻R8连接比较器U3的输出端，通过第五电阻R10连接处理模块160，且通过第一可调电阻VR1接地，并联稳压器U4的阳极接地。比较器U3的正相输入端通过第六电阻R9连接处理模块160，且通过第二可调电阻VR2接地，比较器U3的反相输入端通过第七电阻R7连接主输出电路130。

本实施例中，脉宽调制开关U2为TOP Switch Ⅱ芯片。继续参考图2，整流电路110连接TOP Switch Ⅱ芯片的L脚；光耦U1的受光器的输出端连接TOP Switch Ⅱ芯片的C脚和F脚；主输出电路130连接TOP Switch Ⅱ芯片的D脚；OP Switch Ⅱ芯片的X脚和S脚接地。通过采用TOP Switch Ⅱ芯片实现脉宽调节，效率高。可以理解，在其他实施例中，脉宽调制开关U1还可以为其他型号的芯片。

第三电阻R5连接主输出电路130以采集电压反馈信号。第七电阻R7连接主输出电路130以采集电流反馈信号。具体地，本实施例中，开关电源电路140的工作过程包括初始自调过程和动态调节过程，具体如下：

初始自调过程：处理模块160输出的第一电压信号和第二电压信号的电压值不变，手动调节第一可调电阻VR1阻值大小，从而主输出电路130输出的电压经第三电阻R5及第一可调电阻VR1分压后连接到并联稳压器U4的电压大小改变。当连接到并联稳压器U4的电压超过2.5V时，并联稳压器U4的阳极和阴极导通，光耦U1的发光二极管的阳极和阴极导通，使光耦U1的受光器的输入端和输出端导通，来自主输出电路130中的7-12V辅助电压进入到TOP Switch Ⅱ芯片的C脚和F脚，使TOP Switch Ⅱ芯片的D脚和S脚短暂断开，从而通过TOPSwitch Ⅱ芯片的D脚输出至主输出电路130的开关信号的脉宽减小，进而可减小二次直流电的电压值。当连接到并联稳压器U4的电压低于2.5V时，并联稳压器U4的阳极和阴极不导通，光耦U1的发光二级管的阳极和阴极不导通，从而光耦U1的受光器的输入端和输出端不导通，来自主输出电路130中的7-12V辅助电压不能进入到TOP Switch Ⅱ芯片的C脚和F脚，使TOP Switch Ⅱ芯片的D脚和S脚短暂导通，也即增大开关信号的脉宽，进而可增大二次直流电的电压值。手动调节第二可调电阻VR2的阻值大小，比较器U3的正相输入端的电压大小改变。当正相输入端的电压高于反相输入端的电压时，比较器U3的输出端输出高电平，使并联稳压器U4的调节端电压超过2.5V，从而使TOP Switch Ⅱ芯片的D脚和S脚短暂断开，也即降低TOP Switch Ⅱ芯片的开关信号的脉宽，进而可减小二次直流电的电流值。当正相输入端的电压低于反相输入端的电压时，比较器U3的输出端输出低电平，使并联稳压器U4的调节端电压低于2.5V，从而使TOP Switch Ⅱ芯片的D脚和S脚短暂导通，也即增大开关信号的脉宽，进而可增大二次直流电的电流值。

动态调节过程：开关电源电路140的第一可调电阻VR1和第二可调电阻VR2的阻值不变，经处理模块160控制，增大与第五电阻R10一端相连的第一电压信号的电压值，从而改变主输出电路输出的电压经第三电阻R5及第一可调电阻VR1分压后连接到并联稳压器U4的调节端的电压大小。当并联稳压器U4的调节端的电压超过2.5V时，并联稳压器U4的阳极和阴极导通，使TOP Switch Ⅱ芯片的D脚和S脚短暂断开，也即降低TOP Switch Ⅱ芯片的开关信号的脉宽，进而可减小二次直流电的电压值。反之，处理模块160减小与第五电阻R10一端相连的第一电压信号的电压值，可增二次直流电的电压值。处理模块160增大与第六电阻R9一端相连的第二电压信号的电压值，从而改变比较器U3的正相输入端的电压大小。当正相输入端的电压高于反相输入端的电压时，比较器U3的输出端输出高电平，使并联稳压器U4的调节端电压超过2.5V，从而使TOP Switch Ⅱ芯片的D脚和S脚短暂断开，也即降低TOPSwitch Ⅱ芯片的开关信号的脉宽，进而可减小二次直流电的电流值。当正相输入端的电压低于反相输入端的电压时，比较器U3的输出端输出低电平，使并联稳压器U4的调节端电压低于2.5V，从而使TOP Switch Ⅱ芯片的D脚和S脚短暂导通，也即增大开关信号的脉宽，进而可增大二次直流电的电流值。

在一实施例中，第一可调电阻VR1和第二可调电阻VR2均为滑动变阻器。滑动变阻器方便调节电阻值，使用便利性高。可以理解，在其他实施例中，第一可调电阻VR1和第二可调电阻VR2还可以为其他类型的可变电阻，例如电位器、电阻箱等。

本实施例中，光耦U1为PC817芯片，比较器U3为LM358芯片，并联稳压器U4为可调节精密并联稳压器，具体为TL431芯片。可以理解，在其他实施例中，光耦U1、比较器U3和并联稳压器U4也可以为其他型号。

在一实施例中，信号调理电路150包括第八电阻R3、第九电阻R6和第十电阻R4。第八电阻R3和第九电阻R6串联，且公共端连接第十电阻R4一端，第八电阻R3另一端连接主输出电路130，第九电阻R6另一端接地，第十电阻R4另一端连接处理模块160。通过第八电阻R3、第九电阻R6和第十电阻R4组成分压电路，将二次直流电调理为电压值降低的采样信号，以供处理模块160检测判断，结构简单且易于实现。

在一实施例中，处理模块160包括单片机，单片机连接信号调理电路150和开关电源电路140。通过向单片机内部烧录程序，以及预先存储充电曲线或预设值，实现根据采样信号动态调整第一电压信号和第二电压信号的电压值大小。具体地，处理模块160包括单片机和外围电路，外围电路用于支持单片机正常工作。

在一实施例中，请继续参考图2，上述基于Top Switch Ⅱ芯片的数控动态输出充电器还包括输出开关电路170，主输出电路130通过输出开关电路170连接信号调理电路150和充电负载，输出开关电路170还连接处理模块160。处理模块160输出控制信号至输出开关电路170，以控制输出开关电路170的通断。如此，处理模块160可以控制主输出电路130输出的导通与断开，从而控制充电工作状态，提高基于Top Switch Ⅱ芯片的数控动态输出充电器的使用便利性。

在一实施例中，上述基于Top Switch Ⅱ芯片的数控动态输出充电器还包括连接处理模块160的显示器。处理模块160根据采样信号获取二次直流电的物理量电压大小后输出至显示器进行显示。处理模块160还可以根据采样信号判断当前所处的充电阶段后输出至显示器进行显示。如此，用户可直接通过查看显示器获取信息，提高基于Top Switch Ⅱ芯片的数控动态输出充电器的使用遍历性。

在一实施例中，上述基于Top Switch Ⅱ芯片的数控动态输出充电器还包括变压器，变压器的一次侧连接交流电源，变压器的二次侧连接整流电路110的输入端。通过变压器对接入的交流电进行变压处理，方便整流电路110进行整流。

本实施例中，变压器为隔离变压器。通过采用隔离变压器，可提高抗干扰性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于Top Switch Ⅱ芯片的数控动态输出充电器，其特征在于，包括整流电路、主输出电路、开关电源电路、信号调理电路和处理模块，所述整流电路的输入端连接交流电源，所述整流电路的输出端连接所述主输出电路和所述开关电源电路，所述主输出电路连接所述信号调理电路和所述开关电源电路，且用于连接充电负载，所述处理模块连接所述开关电源电路和所述信号调理电路；

所述整流电路对输入的交流电进行整流得到一次直流电并输出至所述主输出电路和所述开关电源电路，所述主输出电路根据所述开关电源电路输出的开关信号和所述一次直流电进行处理后输出二次直流电至所述充电负载和所述信号调理电路，并输出电压反馈信号和电流反馈信号至所述开关电源电路；

所述信号调理电路对所述二次直流电进行调理并输出采样信号至所述处理模块，所述处理模块根据所述采样信号与预设值输出第一电压信号和第二电压信号至所述开关电源电路，所述开关电源电路根据所述第一电压信号和所述电压反馈信号调节所述开关信号的脉宽并输出至所述主输出电路，以调节所述二次直流电的恒压值，或者根据所述第二电压信号和所述电流反馈信号调节所述开关信号的脉宽并输出至所述主输出电路，以调节所述二次直流电的恒流值。

2.根据权利要求1所述的基于Top Switch Ⅱ芯片的数控动态输出充电器，其特征在于，所述开关电源电路根据所述第一电压信号和所述电压反馈信号调节所述开关信号的脉宽并输出至所述主输出电路之前、以及根据所述第二电压信号和所述电流反馈信号调节所述开关信号的脉宽并输出至所述主输出电路之前，所述开关电源电路根据第一自调信号调节所述开关信号的脉宽并输出至所述主输出电路，以使所述二次直流电的电压恒定在初始电压值；所述开关电源电路根据第二自调信号调节所述开关信号的脉宽并输出至所述主输出电路，以使所述二次直流电的电流恒定在初始电流值。

3.根据权利要求2所述的基于Top Switch Ⅱ芯片的数控动态输出充电器，其特征在于，所述开关电源电路包括脉宽调制开关、光耦、比较器、并联稳压器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第一可调电阻和第二可调电阻；

所述光耦的发光二极管的阳极连接所述第一电阻一端和所述第二电阻一端，所述第一电阻另一端连接电源输入端，所述第二电阻另一端连接所述光耦的发光二级管的阴极和所述并联稳压器的阴极，所述光耦的受光器的输入端连接电源端，所述光耦的受光器的输出端连接所述脉宽调制开关，所述脉宽调制开关连接所述整流电路和所述主输出电路；

所述并联稳压器的调节端通过所述第三电阻连接所述主输出电路，通过所述第四电阻连接所述比较器的输出端，通过所述第五电阻连接所述处理模块，且通过所述第一可调电阻接地，所述并联稳压器的阳极接地；

所述比较器的正相输入端通过所述第六电阻连接所述处理模块，且通过所述第二可调电阻接地，所述比较器的反相输入端通过所述第七电阻连接所述主输出电路。

4.根据权利要求3所述的基于Top Switch Ⅱ芯片的数控动态输出充电器，其特征在于，所述脉宽调制开关为TOP Switch Ⅱ芯片。

5.根据权利要求3所述的基于Top Switch Ⅱ芯片的数控动态输出充电器，其特征在于，所述第一可调电阻和所述第二可调电阻均为滑动变阻器。

6.根据权利要求1所述的基于Top Switch Ⅱ芯片的数控动态输出充电器，其特征在于，所述主输出电路包括功率耦合器和滤波整流器，所述功率耦合器一端连接所述整流电路和所述开关电源电路，所述功率耦合器另一端连接所述滤波整流器一端，所述滤波整流器另一端连接所述信号调理电路。

7.根据权利要求1所述的基于Top Switch Ⅱ芯片的数控动态输出充电器，其特征在于，所述信号调理电路包括第八电阻、第九电阻和第十电阻；

所述第八电阻和所述第九电阻串联，且公共端连接所述第十电阻一端，所述第八电阻另一端连接所述主输出电路，所述第九电阻另一端接地，所述第十电阻另一端连接所述处理模块。

8.根据权利要求1所述的基于Top Switch Ⅱ芯片的数控动态输出充电器，其特征在于，还包括输出开关电路，所述主输出电路通过所述输出开关电路连接所述信号调理电路和所述充电负载，所述输出开关电路还连接所述处理模块；

所述处理模块输出控制信号至所述输出开关电路，以控制所述输出开关电路的通断。

9.根据权利要求1所述的基于Top Switch Ⅱ芯片的数控动态输出充电器，其特征在于，所述处理模块包括单片机，所述单片机连接所述信号调理电路和所述开关电源电路。

10.根据权利要求1所述的基于Top Switch Ⅱ芯片的数控动态输出充电器，其特征在于，还包括变压器，所述变压器的一次侧连接所述交流电源，所述变压器的二次侧连接所述整流电路的输入端。