CN110120691A - 一种充电底座 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种充电底座，包括集成的电子开关芯片U3，高温防护单元、低温防护单元以及使能管脚控制单元；高温防护单元连接使能管脚控制单元，用于在检测到芯片U3的温度高于高温阈值时，向使能管脚控制单元输出第一信号；低温防护单元连接使能管脚控制单元，用于在检测到芯片U3的温度低于低温阈值时，向使能管脚控制单元输出第二信号；使能管脚控制单元与芯片U3的使能管脚EN相连，用于在检测到高温防护单元输出第一信号或低温防护单元输出第二信号时，向使能管脚EN输出低电平，以使芯片U3失能。该充电底座可以防止芯片及相关电子器件的老化和失效，延长电子设备的使用寿命；而且可避免火灾的发生，提高安全性。

Description

一种充电底座
技术领域
本发明实施例涉及电子技术领域，具体涉及一种充电底座。
背景技术
内置电池是电子设备(如电动牙刷、电动刮胡刀、智能手表等)的常备部件，用于为电子设备提供电能。由于需求不同，内置电池附加了很多功能，如防尘、防水、结构紧凑等，而且大部分的内置电池固定在电子设备上，不能拆卸，因此，在电子设备上设置有与外置充电器相匹配的充电底座为其充电。
目前通用的充电底座包括底座壳、电子开关芯片和pogo pin充电触点，电子开关芯片设置在底座壳内，pogo pin充电触点嵌置在底座壳上，并与电子开关芯片电连接。在实际使用过程中，pogo pin充电触点容易被硬币等导电部件短接，造成充电底座短路。
因此，相关技术人员在充电底座中增设了短路和过载保护电路，用于将电子开关芯片的输出电流限制在最大设定电流值。如图1所示，在电源VBUS与电子开关芯片的引脚VIN之间设置正温度系数热敏电阻PTC，引脚EN与引脚VIN之间串接电阻R1，当VIN存在时，电子开关芯片即刻使能；引脚FAULT是输出错误管脚，用于指示当前电子开关芯片的工作状态。引脚FAULT与引脚VIN之间串接电阻R3，当电子开关芯片正常工作时，引脚FAULT通过电阻R3上拉到VIN，引脚FAULT输出高电平；当电子开关芯片存在过流、过温等异常情况时，引脚FAULT输出低电平。引脚VOUT是电源输出管脚，当电子开关芯片正常工作时，VIN和VOUT之间的MOS管(集成在电子开关芯片的内部)导通。引脚ILIM与地之间串接电阻R2，引脚ILIM通过电阻R2设置最大的输出电流。
虽然该保护电路能够将电子开关芯片的输出电流限制在最大设定电流值。但是，当充电底座出现持续短路或者持续过载时，由于耗散功率太大导致发热严重，电子开关芯片因温度较高(可达80-100℃)而进入热关断模式，停止输出，防止自身损坏。当电子开关芯片的温度降低到设定的阈值后，重新开启输出。如果短路或过载故障依然存在，当电子开关芯片再次进入热关断模式，如此反复，直到故障移除。
图2是充电底座在现有保护电路保护下且未排除短路或过载故障时的输出曲线图。图中，VOUT表示充电底座的输出电压，IOUT表示充电底座的输出电流。假设充电底座的最大电流设定为3A，在短路情况下，IOUT开启的时间间隔约为7-8ms，电子开关芯片频繁开启造成大量的热量，在室温为20℃时，实测电子开关芯片的表面温度可达到80-100℃。芯片和电路板上其它电子器件长期在如此高的温度下运行，容易老化和失效，同时会加速充电底座上的线缆和底座壳体老化，降低了充电底座乃至电子设备的使用寿命，甚至会引起火灾。
发明内容
为此，本发明实施例提供一种充电底座、方法及充电底座，以解决现有技术中由于芯片频繁进入热关断模式而导致的电子器件容易老化和失效以及安全性差的问题。
为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
本发明实施例提供一种充电底座，包括集成的电子开关芯片U3，所述充电底座还包括高温防护单元、低温防护单元以及使能管脚控制单元；
所述高温防护单元连接所述使能管脚控制单元，用于在检测到芯片U3的温度高于高温阈值时，向所述使能管脚控制单元输出第一信号；
所述低温防护单元连接所述使能管脚控制单元，用于在检测到芯片U3的温度低于低温阈值时，向所述使能管脚控制单元输出第二信号；
所述使能管脚控制单元与所述芯片U3的使能管脚EN相连，用于在检测到所述高温防护单元输出第一信号或所述低温防护单元输出第二信号时，向所述使能管脚EN输出低电平，以使所述芯片U3失能。
其中，所述高温防护单元包括：第一参考电压电路、温度检测电路以及第一运算放大器U1；
所述第一参考电压电路连接第一运算放大器U1的反相输入端，所述温度检测电路连接第一运算放大器U1的同相输入端；
其中，所述温度检测电路用于：在检测到温度高于高温阈值时，向第一运算放大器U1的同相输入端输入的电压小于第一参考电压电路向第一运算放大器U1的反相输入端输入的电压，以使第一运算放大器U1输出低电平作为所述第一信号。
其中，所述低温防护单元包括第二参考电压电路、温度检测电路以及第二运算放大器U2；
所述第二参考电压电路连接第二运算放大器U2的同相输入端，所述温度检测电路连接第二运算放大器U2的反相输入端；
其中，所述温度检测电路用于：在检测到温度低于低温阈值时，向第二运算放大器U2的反相输入端输入的电压大于第二参考电压电路向第二运算放大器U2的同相输入端输入的电压，以使第一运算放大器U1输出低电平作为所述第二信号。
其中，所述温度检测电路复用在所述高温防护单元以及所述低温防护单元中。
其中，所述第一参考电压电路包括电阻R3以及电阻R4，所述第二参考电压电路包括电阻R5以及电阻R6，所述温度检测电路包括电阻R1以及负温度系数热敏电阻R2；
其中，电阻R3的一端连接第一节点N1，另一端连接参考电压VREF；电阻R4的一端连接第一节点N1，另一端接地；第一运算放大器U1的反相输入端连接第一节点N1；
电阻R1的一端连接第二节点N2，另一端连接参考电压VREF；电阻R2的一端连接第二节点N2，另一端接地；第一运算放大器U1的同相输入端连接第二节点N2；第二运算放大器U2的反相输入端连接第二节点N2；
电阻R5的一端连接第三节点N3，另一端连接参考电压VREF；电阻R6的一端连接第三节点N3，另一端接地；第二运算放大器U2的同相输入端连接第一节点N1。
其中，所述使能管脚控制单元包括与门U4；
第一运算放大器U1以及第二运算放大器U2的输出端连接所述与门U4两个输入端，与门U4的输出端连接所述使能管脚EN。
其中，所述充电底座还包括限流单元；
所述限流单元的一端连接所电源输入端VBUS，另一端连接所述VIN管脚，用于在所述芯片U3过载或输出短路时进行限流。
其中，所述充电底座还包括电源输入端防护单元以及电源输出端防护单元；
所述电源输入端防护单元的一端连接所述电源输入端VBUS，另一端接地，用于对所述电源输入端VBUS进行静电和浪涌防护；
所述电源输出端防护单元的一端连接所述芯片U1的电源输出端VOUT，另一端接地，用于对所述电源输出端VOUT进行静电防护。
其中，所述充电底座还包括电阻R8，所述电阻R8的一端连接所述芯片U3的ILIM管脚，另一端接地，用于设置所述芯片U3的最大输出电流。
其中，所述充电底座为可穿戴设备的充电底座。
本发明实施例具有如下优点：
本发明实施例提供的充电底座包括高温防护单元、低温防护单元以及使能管脚控制单元，高温防护单元在检测到芯片U3的温度高于高温阈值时，向所述使能管脚控制单元输出第一信号，低温防护单元在检测到芯片U3的温度低于低温阈值时，向所述使能管脚控制单元输出第二信号；使能管脚控制单元在检测到所述高温防护单元输出第一信号或所述低温防护单元输出第二信号时，向所述使能管脚EN输出低电平，以使所述芯片U3失能，引脚VIN和引脚VOUT断开连接；当芯片的温度恢复至合理温度区间时，芯片开启。换言之，当芯片的温度高于某值或低于某值，芯片处于断开状态，从而使芯片在合理的温度区间内运行。当芯片的输出端出现过载或短路导致芯片温度升高时，充电底座能够及时关闭芯片的输出，避免芯片进入热关断模式；当芯片温度降下来或者短路、过载等故障消除后，重新恢复运行，有效地避免了芯片及相关电子器件的老化和失效，延长了电子设备的使用寿命；而且可避免火灾的发生，提高安全性。同时又能避免在芯片过低温度下运行，可有效地保护芯片及锂电池。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
图1为现有充电底座中的保护电路的示意图；
图2为充电底座在现有保护电路保护下且未排除短路或过载故障时的输出曲线图，图中，实现表示引脚VOUT输出的电流曲线，虚线表示引脚FAULT输出的电压曲线，粗点划线表示引脚VOUT输出的电压曲线，横坐标表示时间，纵坐标表示电压值；
图3为本发明实施例提供的充电底座的电路框图；
图4为本发明实施例提供的充电底座的电路图；
图5为本发明实施例提供的一种基准电压电路的结构图。
图中：1-高温防护单元，11-第一参考电压电路，12-温度检测电路，2-低温防护单元，21-第二参考电压电路，22-温度检测电路，3-使能管脚控制单元，U1-第一运算放大器，U2-第二运算放大器，U3-芯片，U4-与门，4-电压处理电路。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例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。
本实施例提供一种充电底座。如图3所示，充电底座还包括高温防护单元1、低温防护单元2以及使能管脚控制单元3；其中，
高温防护单元1连接使能管脚控制单元，用于在检测到芯片U3的温度高于高温阈值时，向使能管脚控制单元输出第一信号；
低温防护单元2连接使能管脚控制单元，用于在检测到芯片U3的温度低于低温阈值时，向使能管脚控制单元输出第二信号；
使能管脚控制单元3与芯片U3的使能管脚EN相连，用于在检测到高温防护单元输出第一信号或低温防护单元输出第二信号时，向使能管脚EN输出低电平，以使芯片U3失能。
如图4所示，高温防护单元1包括第一参考电压电路11、温度检测电路12以及第一运算放大器U1；
第一参考电压电路11连接第一运算放大器U1的反相输入端，温度检测电路12连接第一运算放大器U1的同相输入端；
其中，温度检测电路12用于在检测到温度高于高温阈值时，向第一运算放大器U1的同相输入端输入的电压小于第一参考电压电路向第一运算放大器U1的反相输入端输入的电压，以使第一运算放大器U1输出低电平作为第一信号。
低温防护单元包括第二参考电压电路21、温度检测电路22以及第二运算放大器U2；
第二参考电压电路21连接第二运算放大器U2的同相输入端，温度检测电路22连接第二运算放大器U2的反相输入端；
其中，温度检测电路22用于在检测到温度低于低温阈值时，向第二运算放大器U2的反相输入端输入的电压大于第二参考电压电路向第二运算放大器U2的同相输入端输入的电压，以使第一运算放大器U1输出低电平作为第二信号。
温度检测电路12和温度检测电路22复用在高温防护单元1以及低温防护单元2中。
在一种可选的实施方式中，第一参考电压电路11包括电阻R3以及电阻R4，第二参考电压电路包括电阻R5以及电阻R6，温度检测电路包括电阻R1以及负温度系数热敏电阻R2；
其中，电阻R3的一端连接第一节点N1，另一端连接参考电压VREF；电阻R4的一端连接第一节点N1，另一端接地；第一运算放大器U1的反相输入端连接第一节点N1。电阻R3和电阻R4为高精度电阻，电阻R3和电阻R4产生的分压为第一参考电压，通过调整电阻R3和电阻R4可以改变第一参考电压的电压值。电阻R3和电阻R4的阻值通常预先设定，从而在第一运算放大器U1的反相输入端获得恒定的电压值。
电阻R1的一端连接第二节点N2，另一端连接参考电压VREF；电阻R2的一端连接第二节点N2，另一端接地；第一运算放大器U1的同相输入端连接第二节点N2；第二运算放大器U2的反相输入端连接第二节点N2。电阻R1为高精度电阻，电阻R2为负温度系数热敏电阻(或称NTC电阻)，电阻R2的阻值是随温度的升高而降低。通用的负温度系数热敏电阻在常温(25℃)下的阻值是10K或100K，在其它不同温度下的阻值可以通过查询正温度系数热敏电阻的阻值数据表获得。由于电阻R1的阻值固定，电阻R2的阻值随温度变化而变化，被输送至第一运算放大器U1的同相输入端以及第二运算放大器U2的反相输入端的电压随温度的变化而变化。当温度升高时，电阻R2的阻值降低，温度检测电路12/22的输出电压下降；反之，温度检测电路12/22的输出电压升高。
电阻R5的一端连接第三节点N3，另一端连接参考电压VREF；电阻R6的一端连接第三节点N3，另一端接地；第二运算放大器U2的同相输入端连接第一节点N1。电阻R5和电阻R6为高精度电阻，电阻R5和电阻R6产生分压为第二参考电压，通过调整电阻R5和电阻R6可以改变第二参考电压的电压值。电阻R5和电阻R6的阻值通常预先设定，从而在第二运算放大器U2的同相输入端获得恒定的电压值。
使能管脚控制单元3包括与门U4；第一运算放大器U1以及第二运算放大器U2的输出端连接与门U4两个输入端，与门U4的输出端连接使能管脚EN。
在另一种可选的实施方式中，充电底座还包括限流单元R10；限流单元R10的一端连接所电源输入端VBUS，另一端连接VIN管脚，用于在芯片U3过载或输出短路时进行限流。
在又一种可选的实施方式中，充电底座还包括电源输入端防护单元D1以及电源输出端防护单元D2；其中，电源输入端防护单元D1的一端连接电源输入端VBUS，另一端接地，用于对电源输入端VBUS进行静电和浪涌防护。
电源输出端防护单元D2的一端连接芯片U1的电源输出端VOUT，另一端接地，用于对电源输出端VOUT进行静电防护。
在再一种可选的实施方式中，充电底座还包括电阻R8，电阻R8的一端连接芯片U3的ILIM管脚，另一端接地，用于设置芯片U3的最大输出电流。在芯片U3的引脚EN与地之间串接电阻R7。
芯片U3采用但不限于型号为TPS25200的芯片，或者常用的电源开关芯片或者电子保险丝芯片。芯片U3的引脚VIN与电源VBUS电连接，引脚EN是使能引脚，引脚FAULT是输出错误引脚，用于指示当前芯片U3的工作状态，当芯片U3发生过流、过热等异常情况时，引脚FAULT输出低电平；当芯片U3正常运行时，引脚FAULT输出高电平；引脚VOUT为输出管脚，当芯片U3正常运行时，引脚VIN和引脚VOUT之间的MOS管(集成在芯片U3的内部)导通；引脚ILIM通过电阻R8设置芯片U3输出电流的最大值。
基准电压VREF通过电压基准电路4获得。具体地，如图5所示，电源VBUS与电压基准芯片U4的输入端电连接，芯片U4的输出端输出基准电压VREF。电压基准芯片U4采用型号为REF3425的芯片，也可以采用电压参考芯片或者电压基准芯片。
上述各实施例提供的充电底座为可穿戴设备的充电底座。
下面详细介绍充电底座的工作原理：
当温度为室温时，温度检测电路12/22输出的电压大于第一参考电压电路5输出的电压，即第一运算放大器U1同相输入端的电压大于反相输入端的电压，第一运算放大器U1的输出端输出高电平。
在温度升高的过程中，温度检测电路12/22输出的电压降低，假设温度升高至60℃时，温度检测电路12/22输出的电压与第一参考电压电路5输出的电压相等，即第一运算放大器U1同相输入端的电压与反相输入端的电压相等。若温度继续升高，温度检测电路12/22输出的电压小于第一参考电压电路5输出的电压，即第一运算放大器U1同相输入端的电压小于反相输入端的电压，那么第一运算放大器U1的输出端输出低电平。与门U4输出低电平，芯片U3关闭。
例如，假设基准电压VREF为2.5V，电阻R1和电阻R3的阻值均为10K，电阻R2在常温(25℃)时的阻值为10K；高温防护的温度为60℃，查询热敏电阻数据表电阻R2在60℃时的阻值为2.47K。当温度小于60℃时，电阻R2的阻值大于2.47K，那么第一运算放大器U1同相输入端的电压大于反相输入端的电压，因此，当温度不超过60℃时，第一运算放大器U1输出高电平。当温度大于60℃时，第一运算放大器U1输出低电平。
在温度降低的过程中，温度检测电路12/22输出的电压升高，假设温度降低至0℃时，温度检测电路12/22输出的电压与第二参考电压电路5输出的电压相等，即第二运算放大器U2同相输入端的电压与反相输入端的电压相等。若温度继续降低，温度检测电路12/22输出的电压大于第二参考电压电路6输出的电压，即第二运算放大器U2反相输入端的电压大于同相输入端的电压，那么第二运算放大器U2的输出端输出低电平。与门U4输出低电平，芯片U3关闭。
例如，假设基准电压VREF为2.5V，电阻R1和电阻R5的阻值均为10K，电阻R2在常温(25℃)时的阻值为10K；低温防护的温度为0℃，查询热敏电阻数据表电阻R2在0℃时的阻值为32.7K。当温度大于0℃时，电阻R2的阻值小于32.7K，那么第二运算放大器U2同相输入端的电压大于反相输入端的电压，因此，当温度不低于0℃时，第二运算放大器U2输出高电平。当温度小于0℃时，第二运算放大器U2输出低电平。
当第一运算放大器U1和第二运算放大器U2任意之一输出低电平，与门U4输出低电平，芯片U3处于断开状态，避免芯片继续发热或者系统环境温度过低，从而使芯片在合理温度区间运行。因此，当芯片的输出端发生短路或过载等故障时，芯片发热，当温度超过设定的温度时，充电底座及时关断芯片，阻止芯片继续发热。当温度降低至合理区间或者短路、过载故障排除时，芯片恢复运行。
另外，由于该充电底座设置了合理的温度区间，当温度低于预设的温度时，芯片处于断开状态，即该充电底座既能提高热保护，还能提高过冷保护。因此，将该充电底座应用于锂电池供电设备时，可以对锂电池提供有效地保护，从而延长锂电池的寿命。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种充电底座，包括集成的电子开关芯片U3，其特征在于，所述充电底座还包括高温防护单元、低温防护单元以及使能管脚控制单元；
所述高温防护单元连接所述使能管脚控制单元，用于在检测到芯片U3的温度高于高温阈值时，向所述使能管脚控制单元输出第一信号；
所述低温防护单元连接所述使能管脚控制单元，用于在检测到芯片U3的温度低于低温阈值时，向所述使能管脚控制单元输出第二信号；
所述使能管脚控制单元与所述芯片U3的使能管脚EN相连，用于在检测到所述高温防护单元输出第一信号或所述低温防护单元输出第二信号时，向所述使能管脚EN输出低电平，以使所述芯片U3失能。
2.根据权利要求1所述的充电底座，其特征在于，所述高温防护单元包括：第一参考电压电路、温度检测电路以及第一运算放大器U1；
所述第一参考电压电路连接第一运算放大器U1的反相输入端，所述温度检测电路连接第一运算放大器U1的同相输入端；
其中，所述温度检测电路用于：在检测到温度高于高温阈值时，向第一运算放大器U1的同相输入端输入的电压小于第一参考电压电路向第一运算放大器U1的反相输入端输入的电压，以使第一运算放大器U1输出低电平作为所述第一信号。
3.根据权利要求1或2所述的充电底座，其特征在于，所述低温防护单元包括第二参考电压电路、温度检测电路以及第二运算放大器U2；
所述第二参考电压电路连接第二运算放大器U2的同相输入端，所述温度检测电路连接第二运算放大器U2的反相输入端；
其中，所述温度检测电路用于：在检测到温度低于低温阈值时，向第二运算放大器U2的反相输入端输入的电压大于第二参考电压电路向第二运算放大器U2的同相输入端输入的电压，以使第一运算放大器U1输出低电平作为所述第二信号。
4.根据权利要求2或3所述的充电底座，其特征在于，所述温度检测电路复用在所述高温防护单元以及所述低温防护单元中。
5.根据权利要求4所述的充电底座，其特征在于，所述第一参考电压电路包括电阻R3以及电阻R4，所述第二参考电压电路包括电阻R5以及电阻R6，所述温度检测电路包括电阻R1以及负温度系数热敏电阻R2；
其中，电阻R3的一端连接第一节点N1，另一端连接参考电压VREF；电阻R4的一端连接第一节点N1，另一端接地；第一运算放大器U1的反相输入端连接第一节点N1；
电阻R1的一端连接第二节点N2，另一端连接参考电压VREF；电阻R2的一端连接第二节点N2，另一端接地；第一运算放大器U1的同相输入端连接第二节点N2；第二运算放大器U2的反相输入端连接第二节点N2；
电阻R5的一端连接第三节点N3，另一端连接参考电压VREF；电阻R6的一端连接第三节点N3，另一端接地；第二运算放大器U2的同相输入端连接第一节点N1。
6.根据权利要求5所述的充电底座，其特征在于，所述使能管脚控制单元包括与门U4；
第一运算放大器U1以及第二运算放大器U2的输出端连接所述与门U4两个输入端，与门U4的输出端连接所述使能管脚EN。
7.根据权利要求1所述的充电底座，其特征在于，所述充电底座还包括限流单元；
所述限流单元的一端连接所电源输入端VBUS，另一端连接所述VIN管脚，用于在所述芯片U3过载或输出短路时进行限流。
8.根据权利要求1所述的充电底座，其特征在于，所述充电底座还包括电源输入端防护单元以及电源输出端防护单元；
所述电源输入端防护单元的一端连接所述电源输入端VBUS，另一端接地，用于对所述电源输入端VBUS进行静电和浪涌防护；
所述电源输出端防护单元的一端连接所述芯片U1的电源输出端VOUT，另一端接地，用于对所述电源输出端VOUT进行静电防护。
9.根据权利要求1所述的充电底座，其特征在于，所述充电底座还包括电阻R8，所述电阻R8的一端连接所述芯片U3的ILIM管脚，另一端接地，用于设置所述芯片U3的最大输出电流。
10.根据权利要求1-9任一所述的充电底座，其特征在于，所述充电底座为可穿戴设备的充电底座。
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