CN110703116B - 一种充电器获取电池电量的电路及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种充电器获取电池电量的电路及其实现方法，充电IC模块和锂电池BAT串联后内置于用电设备中，充电IC将充电器DC输入的电压提供给锂电池并对充电电流进行控制；NMOS管通断状态受逻辑控制模块控制，在电池电压检测时导通，采样编码模块连接在电阻与充电IC之间，对电压进行采样并进行数模转换；LED指示电池电量，充电器DC的负极与锂电池的负极相连接地。本发明采用从用电器外部实时获取锂电池的实际电压值，本发明系统设计简洁，所需的电路器件较少；同时在系统的控制信号进行特殊设计，在有效的对锂电池电压进行检测的同时几乎不会对充电效率产生影响，保证了整体充电系统的高效工作。

Description

一种充电器获取电池电量的电路及其实现方法

技术领域

本发明涉及电路领域，尤其是一种获取电池电量的电路。

背景技术

现阶段的各类便携式电子设备蓬勃发展，手机和无线耳机等产品已经成为许多人日常生活的一部分，这类电子产品均需要电池供电以维持无线使用。而传统的干电池存在电量密度偏低，无法重复使用，以及环境污染等问题，因此越来越多的移动设备采用锂电池进行供电。

现有的锂电池充电芯片通常会设计充满保护电路，即在锂电池的电压达到预设的最大值时自动切断电源，但是长时间充电仍然可能出现安全问题，因此需要实时了解设备中锂电池的电压情况。但是电子设备的充电管理芯片通常内置于机内，以手机为例，常见的Lightning或TYPE-C充电线只提供5V的充电电压，由手机内部芯片进行降压充电，因此正常情况下无法在充电器端获知电量。

对于手机等设备可以通过点亮屏幕查看，但是生活中也存在其他的一些无法获知或较难获取电量的设备，例如笔记本电脑关机充电时，使用者需要开机才可获知电量

同时近几年来随着苹果公司的Airpods产品问世，越来越多的TWS耳机开始热销，这类产品的左右耳机都具有单独的锂电池进行供电，同时分别具有蓝牙控制芯片，在使用过程中可以将电量情况通过蓝牙发送到手机上。但是在耳机电量较低需要放回电池仓充电时，由于在电池仓中默认是关机状态，手机无法获知每个耳机的电量情况。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种充电器获取电池电量的电路，能够在不影响充电器充电效率的同时实时检测锂电池的电量情况，并将锂电池的电量实时通过LED或数字方式进行显示，方便用户即时的查看锂电池的充电情况。为达到以上目的，本发明提出的新型的充电器获取电池电量的电路设计采用如下如技术方案：

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种充电器获取电池电量的电路，包括直流电源、NMOS管Q1、NMOS管Q2、定值电阻R1、逻辑控制模块IN1、采样编码模块AD、显示模块LED、充电IC模块、锂电池BAT以及相应的外围元器件；

所述充电IC模块和锂电池BAT串联后内置于用电设备中，充电IC将充电器DC输入的5V电压转化为锂电池的额定充电电压4.2V，提供给锂电池并对充电电流进行控制；所述逻辑控制模块IN1发出周期性的，高低电平分别为0和5V的脉冲波信号；所述NMOS管Q2通断状态受逻辑控制模块IN1控制，在正常充电时导通；所述NMOS管Q1通断状态受IN1控制，在电池电压检测时导通，所述定制电阻R1与NMOS管Q1的源极串联，用于检测锂电池的电压；所述逻辑控制模块IN1控制NMOS管Q1与Q2的开关状态，逻辑控制模块IN1连接到NMOS管Q2的栅极上，即IN1产生的逻辑信号直接控制NMOS管Q2的通断状态，同时逻辑控制模块IN1输出的逻辑信号通过反相器连接到Q1的栅极上，即Q1与Q2的通断状态相反；所述采样编码模块AD连接在电阻R1与充电IC之间，对电压进行采样并进行数模转换；所述LED为指示灯,连接到采样编码模块AD上，用于指示电池电量，充电器DC的负极与锂电池的负极相连接地。

一种充电器获取电池电量的电路的实现方法为：

输入控制信号逻辑控制模块IN1采用低频率高占空比的脉冲波信号，在逻辑控制模块IN1输出的脉冲波为5V的情况下，NMOS管Q2导通，直流电源直接为充电IC供电，锂电池BAT正常充电，逻辑控制模块IN1信号经过反相器控制Q1，因此NMOS管Q1断开，不形成通路；在逻辑控制模块IN1输出的脉冲波为0时，NMOS管Q2断开，而此时Q1导通，Q2断开，因此NMOS管Q1、定值电阻R1与充电IC形成电路通路，电阻R1一侧的电压值为直流电源提供的5V，电阻R1的另一侧的电压值为锂电池的实际电压值，两者之间的压差即为经过R1产生的压降；检测电阻R1另一侧的电压值即为锂电池的实时电压值，AD采样编码模块获取该电压值，并进行模数转换后，通过LED指示灯组进行显示。

本发明的有益效果在于由于采用从用电器外部实时获取锂电池的实际电压值，本发明系统设计简洁，所需的电路器件较少；同时在系统的控制信号进行特殊设计，在有效的对锂电池电压进行检测的同时几乎不会对充电效率产生影响，保证了整体充电系统的高效工作。

附图说明

图1为本发明充电电路原理图；

图2为本发明充电电路的等效示意图；

图3为本发明充电电路控制信号的示意图；

图4为本发明充电电路在TWS上的典型应用图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明通过在直流电源与用电设备的充电IC之间增加锂电池电量检测电路，通过极少的器件实现了在不影响锂电池充电效率的情况下实时检测锂电池的电压值的功能，并通过LED或数码管进行显示，解决了很多场景的使用问题。

一种充电器获取电池电量的电路，包括直流电源、NMOS管Q1、NMOS管Q2、定值电阻R1、逻辑控制模块IN1、采样编码模块AD、显示模块LED、充电IC模块、锂电池BAT以及相应的外围元器件；

所述充电IC模块和锂电池BAT串联后内置于用电设备中，充电IC将充电器DC输入的5V电压转化为锂电池的额定充电电压，为4.2V提供给锂电池并对充电电流进行控制，将充电IC的内部其他电路结构忽略，如图2所示；所述逻辑控制模块IN1发出周期性的，高低电平分别为0和5V的脉冲波信号；所述NMOS管Q2通断状态受逻辑控制模块IN1控制，在正常充电时导通；所述NMOS管Q1通断状态受IN1控制，在电池电压检测时导通，所述定制电阻R1与NMOS管Q1的源极串联，用于检测锂电池的电压；所述逻辑控制模块IN1控制NMOS管Q1与Q2的开关状态，逻辑控制模块IN1连接到NMOS管Q2的栅极上，即IN1产生的逻辑信号直接控制NMOS管Q2的通断状态，同时逻辑控制模块IN1输出的逻辑信号通过反相器连接到Q1的栅极上，即Q1与Q2的通断状态相反；所述采样编码模块AD连接在电阻R1与充电IC之间，对电压进行采样并进行数模转换；所述LED为指示灯,连接到采样编码模块AD上，用于指示电池电量，可用其他指示器件代替，充电器DC的负极与锂电池的负极相连接地。

输入控制信号逻辑控制模块IN1采用低频率高占空比的脉冲波信号，在逻辑控制模块IN1输出的脉冲波为5V的情况下，NMOS管Q2导通，直流电源直接为充电IC供电，锂电池BAT正常充电，由于逻辑控制模块IN1信号经过反相器控制Q1，因此NMOS管Q1断开，不形成通路；在逻辑控制模块IN1输出的脉冲波为0时，NMOS管Q2断开，而此时Q1导通，Q2断开，因此NMOS管Q1、定值电阻R1与充电IC形成电路通路，电阻R1一侧的电压值为直流电源提供的5V，电阻R1的另一侧的电压值为锂电池的实际电压值，两者之间的压差即为经过R1产生的压降；因此检测电阻R1另一侧的电压值即可得知锂电池的实时电压值，AD采样编码模块获取该电压值，并进行模数转换后，通过LED指示灯组进行显示。

图1中的电路系统主要分为2部分，虚线框中的部分为本发明的锂电池电压检测电路，所述电压检测电路放置在充电器的插头上；充电IC与BAT内置在用电设备中。此外所述充电器获取电池电量的电路还包含5V的直流电源以及滤波电容等外围器件，当需要为设备充电时，所述充电器获取电池电量的电路部分进行连接，开始进行锂电池的充电。

为了保证电路基础的正常充电功能，输入控制信号IN1采用低频率高占空比的脉冲波信号，例如在本发明实施例中的1Hz，99.9％占空比的脉冲波信号，由于锂电池的电压不是突变量，因此低频率在满足电压检测的同时减少频繁切换开关带来的额外损耗和干扰，高占空比是为了减少电量检测引起的充电效率下降。在逻辑控制模块IN1输出的脉冲波为5V的情况下，NMOS管Q2导通，直流电源直接为充电IC供电，锂电池BAT正常充电，由于逻辑控制模块IN1信号经过反相器控制Q1，因此NMOS管Q1断开，不形成通路。

在IN1输出的脉冲波为0时，NMOS管Q2断开，而此时Q1导通，Q2断开，因此NMOS管Q1、定值电阻R1与充电IC形成电路通路，此时由电路中的电气关系可知，电阻R1一侧的电压值为直流电源提供的5V，电阻R1的另一侧的电压值为锂电池的实际电压值，两者之间的压差即为经过R1产生的压降。因此检测电阻R1另一侧的电压值即可得知锂电池的实时电压值，AD采样编码模块获取该电压值，并进行模数转换，通过LED指示灯组或其他器件进行显示。

如图1所示，包括直流电源、NMOS管Q1、NMOS管Q2、定值电阻R1、逻辑控制模块IN1、采样编码模块AD、显示模块LED、充电IC模块、锂电池BAT以及相应的外围元器件。其中的直流电源电压通常为5V，由充电器的插头将220V的市电通过AC-DC转换得到，在TWS应用中则是将电池仓的电池电压通过boost芯片升压得到。充电IC和锂电池BAT内置在用电设备内，为方便说明，充电IC在电路中可简化为NMOS管Q3，如图2所示，NMOS管Q3的栅极连接在直流电源上，即保证在电源插上时充电IC即开始工作，开关管的锂电池的充满电压通在4.2V左右，最低工作电压约为3V左右。NMOS管Q2的漏极接在直流电源的正极，源级连接在NMOS管Q3的漏极，其栅极连接在电压逻辑控制模块IN1上，IN1持续输出低频高占空比的脉冲波信号，例如频率为1Hz，占空比为99.9％的脉冲波信号，因此锂电池的电压不会跳变，因此每秒一次的采样频率保证可以有效的检测锂电池的电压，同时高占空比的信号可以最大程度的减少电压检测对于充电效率的影响。NMOS管Q1的漏极接在直流电源的正极，源级之后接一颗定值电阻R1，R1的值一般选取10K左右，其控制信号由逻辑控制IN1经过反相器得到。电压检测编码模块连接在在NMOS管Q3的漏极，采样该点的电压值并进行模数编码，编码结果通过连接的LED指示灯进行连接，也可用数码管等设备进行呈现。

当充电器与用电设备连接后，NMOS管Q3的栅极由于直接连接在直流电源上，因此Q3在整个工作过程中导通。此时逻辑控制信号IN1发出高电平信号，由电路的连接关系知，MOS管Q2导通，而经过反相器后的控制信号变为低电平，Q1断开，此时在直流电源为锂电池BAT充电。在该周期的最后时刻，IN1发出的逻辑电平变为低，此时Q2断开，而经过反相器的信号变为高电平，因此Q1导通，此时电阻R1左侧的电压值为直流电源提供的5V，右侧电压值为锂电池的实际电压，因此AD模块检测到的电压即为锂电池的实际电压，通过模数转化后得到的编码信息送入LED模块进行显示。而后逻辑控制信号再次变为高电平，电路正常充电。

实施例：本发明在TWS耳机上的应用

TWS(True Wireless Stereo)耳机的概念随着苹果公司推出的Airpods产品被大众所知，现阶段TWS耳机的基本结构如图4所示：图4整体展示了TWS耳机的电池仓结构，其中EPL和EPR分别是两只耳机，两只耳机内部都具有一块锂电池，因此都可以单独使用。将耳机从电池仓取出后，耳机会自动开机，内部的蓝牙模块与手机连接，播放手机上的音频同时实时将该耳机电池的电量发送到手机上。当耳机被放回电池仓中后，耳机会自动关机进入充电状态，此时内部的蓝牙模块不再工作，手机端无法获知电池的实际电量情况。耳机仓同样具有一块锂电池，当耳机放回电池仓后，内部的电池BAT3经过升压芯片产生5V电压为两只耳机充电。由于耳机的充电芯片在耳机内部，因此电池仓上的指示灯只能显示电池仓内电池BAT3的电量情况，无法指示两只耳机的电量。

为了解决这个问题，本发明的一种典型应用如下：电池仓内的锂电池经过升压芯片产生5V电压，该电压通过本发明的电压检测电路模块D3和耳机EPL内置的充电芯片D1后为左侧耳机充电，同时可实时检测到耳机EPL的锂电池电压，通过采样编码模块后由L1进行显示，或直接由电池仓内部的蓝牙芯片向手机发出信息，同理，右侧耳机EPR的电量同样可以得知。同时，电池仓自身的电量可直接由连接在电池BAT3正极的采样模块获取，由此，该TWS应用的三块锂电池的电量无论是在充电或是在正常使用中，电量都可以实时检测并获取，保证了日常使用过程中不会出现突然断电的情况。

Claims (2)

1.一种充电器获取电池电量的电路，其特征在于：

所述充电器获取电池电量的电路，包括直流电源、NMOS管Q1、NMOS管Q2、定值电阻R1、逻辑控制模块IN1、采样编码模块AD、显示模块LED、充电IC模块、锂电池BAT以及相应的外围元器件；

所述充电IC模块和锂电池BAT串联后内置于用电设备中，充电IC将充电器DC输入的5V电压转化为锂电池的额定充电电压4.2V，提供给锂电池并对充电电流进行控制；所述逻辑控制模块IN1发出周期性的，高低电平分别为0和5V的脉冲波信号；所述NMOS管Q2通断状态受逻辑控制模块IN1控制，在正常充电时导通；所述NMOS管Q1通断状态受IN1控制，在电池电压检测时导通，所述定值电阻R1与NMOS管Q1的源极串联，用于检测锂电池的电压；所述逻辑控制模块IN1控制NMOS管Q1与Q2的开关状态，逻辑控制模块IN1连接到NMOS管Q2的栅极上，即IN1产生的逻辑信号直接控制NMOS管Q2的通断状态，同时逻辑控制模块IN1输出的逻辑信号通过反相器连接到Q1的栅极上，即Q1与Q2的通断状态相反；所述采样编码模块AD连接在电阻R1与充电IC之间，对电压进行采样并进行数模转换；所述LED为指示灯,连接到采样编码模块AD上，用于指示电池电量，充电器DC的负极与锂电池的负极相连接地。

2.一种利用权利要求1所述一种充电器获取电池电量的电路的实现方法，其特征在于

包括下述步骤：

输入控制信号逻辑控制模块IN1采用低频率高占空比的脉冲波信号，在逻辑控制模块IN1输出的脉冲波为5V的情况下，NMOS管Q2导通，直流电源直接为充电IC供电，锂电池BAT正常充电，逻辑控制模块IN1信号经过反相器控制Q1，因此NMOS管Q1断开，不形成通路；在逻辑控制模块IN1输出的脉冲波为0时，NMOS管Q2断开，而此时Q1导通，Q2断开，因此NMOS管Q1、定值电阻R1与充电IC形成电路通路，电阻R1一侧的电压值为直流电源提供的5V，电阻R1的另一侧的电压值为锂电池的实际电压值，两者之间的压差即为经过R1产生的压降；检测电阻R1另一侧的电压值即为锂电池的实时电压值，AD采样编码模块获取该电压值，并进行模数转换后，通过LED指示灯组进行显示。