CN109167413A - 一种电池充电防反接和防倒灌电路 - Google Patents

一种电池充电防反接和防倒灌电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种电池充电防反接和防倒灌电路，其特征在于，包括：输入电压正极连接端、输入电压负极连接端、电池正极连接端和电池负极连接端，所述输入电压正极连接端与所述电池正极连接端通过导线直接连接，所述输入电压负极连接端与所述电池负极连接端之间通过MOS场效应管连接，在所述MOS场效应管上连接有第一三极管、电流检测电路和第二三极管，所述第一三极管根据所述电池正极连接端和电池负极连接端反馈的电压信号控制所述MOS场效应管的导通、关断，所述电流检测电路用来检测流经所述MOS场效应管的电流方向，所述第二三极管根据所述电流检测电路反馈的信号控制所述MOS场效应管的导通、关断。本发明具有低损耗、结构简单可靠的特点。

Description

一种电池充电防反接和防倒灌电路
技术领域
本发明属于电子技术领域，具体涉及一种电池充电防反接和防倒灌保护电路，主要用于各种电池充电器系统，包括铅酸电池、锂电池、各种动力电池等领域。
背景技术
在对各类电池进行充电的系统中，充电管理电路用于输入电源对电池的充电控制，包括充电过程的电流、电压和时间等。此外，还需要防止输入电源或者电池反接，因为，电池反接极有可能损坏充电电路以及电池，甚至导致电池的爆炸，引起火灾等更严重的情况。同时，在以电池作为负载的电路中，如果没有防倒灌电路，当输入电源消失时，电池会反过来给充电管理电路供电，这样不仅使得电池的电量白白浪费，在某些场合(尤其是大电流的充电设备)，电池倒灌甚至会对充电电路造成永久性损坏。因此防倒灌保护电路在充电管理电路中也是非常重要的。
现有技术中，防反接和防倒灌一般采用以下几种方法：
1)在充电电路输出和电池之间串接一个二极管，利用二极管的单向导电性来实现防反接和防倒灌保护，如图1所示。这种接法最简单，既能防止电池反接，又能防止电池倒灌，但由于二极管正向导通压降较大，在低电压大电流的场合二极管上损失的能量很大，降低了充电电路的效率。
2)使用继电器，在充电电路的输出和电池之间串接继电器K，如图2所示。若电池接反，由于D1的作用，继电器线圈没有电流流过，K不闭合，所以没有充电电流；接上有电的电池，电池通过D1给继电器线圈供电，K闭合，正常充电；接上亏电严重的电池，电池无法驱动继电器闭合，需要按一下S令继电器开关K闭合，实现充电。这种方案能防止电池反接，当充电器的输出电流较大时(例如超过30A)，这种继电器方案损耗小，缺点是体积较大，因为有开关触点，寿命比较短。当输入电压消失时，电池电压维持K闭合，因此无法起到防倒灌作用。
3)利用MOS管的开关特性来设计防反接保护电路，如图3所示，采用N沟道MOS管。电阻R1和R2为MOS管提供电压偏置。电池正确接入时，VGS正偏压，MOS管饱和导通；电池反接的时候MOS管不能导通，所以起到防反接作用。导通时MOS管的Rds很小，以TO-252封装的IRFR1205为例，在Vdss＝55V，Id＝44A的条件下，其Rds＝0.027Ω(27mΩ)，实际损耗很小，解决了采用二极管电源防反接方案存在的压降和功耗过大的问题。电路中，R1和R2分压，为MOS管提供电压偏置，降低栅极电压，和稳压管D配合，防止栅源电压过高击穿MOS管。
4)利用单片机或者CPU及其周边电路，检测电池接线是否正确，确认正确才开始充电。这种方案需要使用单片机或CPU，系统复杂，对于原本没有单片机或CPU的充电系统，还需要额外增加这些部件，成本高。
以上各种方案中，优选MOS管方案，因为这种方案损耗小，开关速度快，所占空间小，能满足大部分应用场合的需求。但是，现有的MOS方案存在两个重大缺陷：其一，当充电器上电后，MOSFET就一直导通，这是再接电池并且不慎接反电池的话，输入电流反方向流过电池，可能引发大电流并损坏电池或充电器。其二，就算电池连接正确，输入断电时，由于电池电压一直存在，MOSFET维持导通，无法实现防倒灌功能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于电池充电系统的低损耗、结构简单、实用方便且同时具有防反接和防倒灌功能的保护电路。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案。
一种电池充电防反接和防倒灌电路，其特征在于，包括：输入电压正极连接端、输入电压负极连接端、电池正极连接端和电池负极连接端，所述输入电压正极连接端与所述电池正极连接端通过导线直接连接，所述输入电压负极连接端与所述电池负极连接端之间通过MOS场效应管连接，利用所述MOS场效应管的导通、关断来实现所述输入电压负极连接端与所述电池负极连接端之间的连接、断开，在所述MOS场效应管上连接有第一三极管、电流检测电路和第二三极管，所述第一三极管根据所述电池正极连接端和电池负极连接端的电压极性控制所述MOS场效应管的导通、关断，所述电流检测电路用来检测流经所述MOS场效应管的电流方向，所述第二三极管根据所述电流检测电路反馈的信号控制所述MOS场效应管的导通、关断。
作为上述方案的进一步说明，所述第一三极管为PNP型三极管，所述MOS场效应管为N沟道型MOS场效应管；
所述第一三极管的基极通过第一电阻与所述MOS场效应管的漏极连接，所述第一三极管的集电极通过第二电阻与所述MOS场效应管的栅极连接，所述第一三极管的发射极与所述输入电压正极连接端连接；
所述MOS场效应管的源极与所述输入电压负极连接端连接，所述MOS场效应管的漏极与所述电池负极连接端连接，在所述MOS场效应管的栅极和源极之间并联有第三电阻。
作为上述方案的进一步说明，在所述MOS场效应管的栅极和源极之间并联有稳压管。
作为上述方案的进一步说明，所述第二三极管为NPN型三极管，所述电流检测电路连接在所述MOS场效应管的源极和漏极之间，所述第二三极管的基极通过第四电阻与所述电流检测电路的输出端连接，所述第二三极管的集电极、发射极分别与所述MOS场效应管的栅极、源极连接。
作为上述方案的进一步说明，所述电流检测电路由运算放大器U1及外围电路组成，所述运算放大器的反向输入端通过第五电阻与所述MOS场效应管的漏极连接，所述运算放大器的正向输入端通过第六电阻与所述MOS场效应管的源极连接、并通过第七电阻与所述输入电压负极连接端连接，在所述运算放大器的反向输入端和输出端之间并联有第八电阻和电容。
作为上述方案的进一步说明，所述运算放大器的电源接线端子与所述输入电压正极连接端和所述输入电压负极连接端连接。
作为上述方案的进一步说明，实际工作时，只有电池有电压且以正确的极性接入时，所述第一三极管才会导通，从而导致所述MOS场效应管导通，电池才能正常充电；当电池接反时，所述第一三极管Q1因BE极反偏而截止，从而使所述MOS场效应管截止，起到了防止电池反接的作用。
作为上述方案的进一步说明，当输入电压断电时，由于电池电压的存在，所述第一三极管、所述MOS场效应管维持导通，电池通过输入端倒灌，此时流经所述MOS场效应管的电流换向，所述运算放大器及外围电路输出高电平，所述第二三极管导通，关断所述MOS场效应管，从而起到了防倒灌作用。
本发明的有益效果是：
一、利用MOS场效应管的通断来控制充电电路的通断，并巧妙设置第一三极管来控制MOS场效应管的导通，第一三极管的导通与否取决于电池的极性是否正确接入，如果电池接反，第一三极管无法导通，MOS场效应管也无法导通，从而切断输入和电池之间的电流通道，起到防电池反接的作用；同时，利用电流检测电路来检测是否倒灌，倒灌时，利用第二三极管来切断MOS场效应管，起到防止倒灌的作用；具有低损耗、结构简单可靠的特点，非常实用。
二、利用运算放大器及外围电路来进行电流检测，结构检测准确、系统简单、成本低。
附图说明
图1所示为现有的串接二极管的防反接和防倒灌电路。
图2所示为现有的采用继电器的防反接电路。
图3所示为现有的采用MOS管的防反接保护电路。
图4所示为本发明提供的电池充电防反接和防倒灌电路图。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向”、“纵向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。
此外，如有术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”特征可以明示或者隐含包括一个或者多个该特征，在本发明描述中，“至少”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除另有明确规定和限定，如有术语“组装”、“相连”、“连接”术语应作广义去理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；也可以是机械连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介相连，可以是两个元件内部相连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述的术语在本发明中的具体含义。
在发明中，除非另有规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一特征和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“之下”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅是表示第一特征水平高度高于第二特征的高度。第一特征在第二特征“之上”、“之下”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。
下面结合说明书的附图，对本发明的具体实施方式作进一步的描述，使本发明的技术方案及其有益效果更加清楚、明确。下面通过参考附图描述实施例是示例性的，旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图4所示，一种电池充电防反接和防倒灌电路，包括：输入电压正极连接端INPUT+、输入电压负极连接端INPUT-、电池正极连接端BAT+和电池负极连接端BAT-，所述输入电压正极连接端INPUT+与所述电池正极连接端BAT+通过导线直接连接，所述输入电压负极连接端INPUT-与所述电池负极连接端BAT-之间通过MOS场效应管Q2导通、关断来实现连接、断开，在所述MOS场效应管Q2上连接有第一三极管Q1、电流检测电路和第二三极管Q3，所述第一三极管Q1根据所述电池正极连接端BAT+和电池负极连接端BAT-的电压极性控制所述MOS管Q2的导通、关断，所述电流检测电路用来检测流经所述MOS场效应管Q2的电流方向，所述第二三极管Q3根据所述电流检测电路反馈的信号控制所述MOS场效应管Q2的导通、关断。
其中，所述第一三极管Q1为PNP型三极管，所述MOS场效应管Q2为N沟道型MOS场效应管，所述第二三极管Q3为NPN型三极管。第一三极管Q1的基极通过第一电阻R1与MOS场效应管的漏极连接，第一三极管Q1的集电极通过第二电阻R2与MOS场效应管的栅极连接，第一三极管Q1的发射极与输入电压正极连接端INPUT+连接；MOS场效应管Q2的源极与输入电压负极连接端INPUT-连接，MOS场效应管Q2的漏极与电池负极连接端BAT-连接，在MOS场效应管的栅极和源极之间并联有第三电阻R3和稳压管Z1；所述电流检测电路连接在所述MOS场效应管的源极和漏极之间，用来检测流经源极和漏极的电流方向。所述第二三极管Q3的基极通过电阻R4与电流检测电路的输出端连接，第二三极管Q3的集电极、发射极分别与MOS场效应管Q2的栅极、源极连接。
所述电流检测电路由运算放大器U1及外围电路组成，运算放大器U1的反向输入端2通过第五电阻R5与MOS场效应管的漏极连接，运算放大器的正向输入端3通过第六电阻R6与MOS场效应管的源极连接、并通过第七电阻R7与输入电压负极连接端INPUT-连接，在运算放大器的反向输入端2和输出端1之间并联有第八电阻R8和电容C1，运算放大器的电源输入端与输入电压正极连接端INPUT+和输入电压负极连接端INPUT-连接。
实际工作时，只有电池有电压且以正确的极性接入时，第一三极管Q1才会导通，从而导致MOS场效应管Q2导通，电池才能正常充电。此时充电电流从上到下流过MOS场效应管Q2，运算放大器U1及其周边零件组成的电流检测电路输出低电平，第二三极管Q3截止。当电池接反时，第一三极管Q1因B、E极反偏而截止，从而MOS场效应管Q2截止，起到了防止电池反接的作用。换句话说，Q1和Q2(MOSFET)导通靠的是电池的电压来触发，如果电池接反了，它们无法导通，从而切断输入和电池之间的电流通道。
当输入电压断电时，由于电池电压的存在，第一三极管Q1、MOS场效应管Q2维持导通，电池试图通过输入端倒灌，此时倒灌电流从下往上MOS场效应管Q2，运算放大器U1及其周边零件组成的电流检测电路输出高电平，第二三极管Q3导通，关断MOS场效应管Q2，从而起到了防倒灌作用。
通过上述的结构和原理的描述，所属技术领域的技术人员应当理解，本发明不局限于上述的具体实施方式，在本发明基础上采用本领域公知技术的改进和替代均落在本发明的保护范围，本发明的保护范围应由各权利要求项及其等同物限定之。具体实施方式中未阐述的部分均为现有技术或公知常识。

Claims (8)

1.一种电池充电防反接和防倒灌电路，其特征在于，包括：输入电压正极连接端、输入电压负极连接端、电池正极连接端和电池负极连接端，所述输入电压正极连接端与所述电池正极连接端通过导线直接连接，所述输入电压负极连接端与所述电池负极连接端之间通过MOS场效应管连接，利用所述MOS场效应管的导通、关断来实现所述输入电压负极连接端与所述电池负极连接端之间的连接、断开，在所述MOS场效应管上连接有第一三极管、电流检测电路和第二三极管，所述第一三极管根据所述电池正极连接端和电池负极连接端的电压极性控制所述MOS场效应管的导通、关断，所述电流检测电路用来检测流经所述MOS场效应管的电流方向，所述第二三极管根据所述电流检测电路反馈的信号控制所述MOS场效应管的导通、关断。
2.根据权利要求1所述的一种电池充电防反接和防倒灌电路，其特征在于，所述第一三极管为PNP型三极管，所述MOS场效应管为N沟道型MOS场效应管；
所述第一三极管的基极通过第一电阻与所述MOS场效应管的漏极连接，所述第一三极管的集电极通过第二电阻与所述MOS场效应管的栅极连接，所述第一三极管的发射极与所述输入电压正极连接端连接；
所述MOS场效应管的源极与所述输入电压负极连接端连接，所述MOS场效应管的漏极与所述电池负极连接端连接，在所述MOS场效应管的栅极和源极之间并联有第三电阻。
3.根据权利要求2所述的一种电池充电防反接和防倒灌电路，其特征在于，在所述MOS场效应管的栅极和源极之间并联有稳压管。
4.根据权利要求1或2所述的一种电池充电防反接和防倒灌电路，其特征在于，所述第二三极管为NPN型三极管，所述电流检测电路连接在所述MOS场效应管的源极和漏极之间，所述第二三极管的基极通过第四电阻与所述电流检测电路的输出端连接，所述第二三极管的集电极、发射极分别与所述MOS场效应管的栅极、源极连接。
5.根据权利要求4所述的一种电池充电防反接和防倒灌电路，其特征在于，所述电流检测电路由运算放大器U1及外围电路组成，所述运算放大器的反向输入端通过第五电阻与所述MOS场效应管的漏极连接，所述运算放大器的正向输入端通过第六电阻与所述MOS场效应管的源极连接、并通过第七电阻与所述输入电压负极连接端连接，在所述运算放大器的反向输入端和输出端之间并联有第八电阻和电容。
6.根据权利要求5所述的一种电池充电防反接和防倒灌电路，其特征在于，所述运算放大器的电源接线端子与所述输入电压正极连接端和所述输入电压负极连接端连接。
7.根据权利要求5所述的一种电池充电防反接和防倒灌电路，其特征在于，实际工作时，只有电池有电压且以正确的极性接入时，所述第一三极管才会导通，从而导致所述MOS场效应管导通，电池才能正常充电；当电池接反时，所述第一三极管Q1因B、E极反偏而截止，从而使所述MOS场效应管截止，起到了防止电池反接的作用。
8.根据权利要求7所述的一种电池充电防反接和防倒灌电路，其特征在于，当输入电压断电时，由于电池电压的存在，所述第一三极管、所述MOS场效应管维持导通，电池通过输入端倒灌，此时流经所述MOS场效应管的电流换向，所述运算放大器及外围电路输出高电平，所述第二三极管导通，关断所述MOS场效应管，从而起到了防倒灌作用。
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