CN111953053A - 一种单接口实现双向充放电的控制电路及电源产品 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单接口实现双向充放电的控制电路及电源产品，单接口实现双向充放电的控制电路包括第一开关电路、第二开关电路、主控电路、放电插入检测电路、充电插入检测电路和外接接口，第一开关电路和第二开关电路的控制端分别与主控电路的控制输出端连接，第一开关电路和第二开关电路构成双向导通开关电路，双向导通开关电路串接在可充电电源的输入/输出端与外接接口之间，放电插入检测电路和充电插入检测电路的输出端分别接主控电路的输入端，放电插入检测电路用于检测外接接口是否有放电插入，充电插入检测电路用于检测外接接口是否有充电插入。本发明实现单个接口既可以接充电器充电又可以接用电设备放电的功能，成本低，电路体积小。
Description
技术领域
本发明属于充放电控制电路领域，具体地涉及一种单接口实现双向充放电的控制电路及电源产品。
背景技术
在移动电源产品或储能产品中，都会有对外输出放电和对内输入给可充电电池(主要是锂电池)充电的设计要求，目前市场上很多产品均是把电池充电输入和对外放电输出使用不同的两类接口和两组电路实现，该方案除了会造成成本的增加外，在产品体积要求较高或接口位置有限的产品设计中，还会存在较大的困扰。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单接口实现双向充放电的控制电路及电源产品用以解决上述存在的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种单接口实现双向充放电的控制电路，包括第一开关电路、第二开关电路、主控电路、放电插入检测电路、充电插入检测电路和外接接口，第一开关电路和第二开关电路的控制端分别与主控电路的控制输出端连接，第一开关电路和第二开关电路构成双向导通开关电路，双向导通开关电路串接在可充电电源的输入/输出端与外接接口之间，放电插入检测电路和充电插入检测电路的输出端分别接主控电路的输入端，放电插入检测电路用于检测外接接口是否有放电插入，充电插入检测电路用于检测外接接口是否有充电插入。
进一步的，所述第一开关电路由PMOS管Q1构成，第二开关电路由PMOS管Q2构成，PMOS管Q1的源极与PMOS管Q2的源极连接，PMOS管Q1的漏极接可充电电源的正极，PMOS管Q2的漏极接外接接口的正极。
更进一步的，还包括电流采样电路、第一比较电路和第二比较电路，电流采样电路用于采集PMOS管Q1和Q2所在回路的电流大小，电流采样电路的放电电流采样的输出端分别接主控电路和第一比较电路的输入端，电流采样电路的充电电流采样的输出端分别接主控电路和第二比较电路的输入端，第一比较电路和第二比较电路的输出端分别接第一开关电路和第二开关电路的控制端。
更进一步的，还包括第一放大电路和第二放大电路，电流采样电路的放电电流采样的输出端通过第一放大电路分别接主控电路和第一比较电路的输入端，电流采样电路的充电电流采样的输出端通过第二放大电路分别接主控电路和第二比较电路的输入端。
进一步的，还包括短路判断电路和第三开关电路，短路判断电路的输入端接电流采样电路的放电电流采样的输出端，短路判断电路的输出端分别接第三开关电路的控制端和主控电路的输入端，第三开关电路被配置为当短路判断电路判断到输出回路短路时，控制第二开关电路断开。
更进一步的，所述短路判断电路采用比较器来实现。
进一步的，还包括外接接口反接检测电路，外接接口反接检测电路用于当检测到外接接口充电插入反接时，输出信号控制第二开关电路断开，并输出信号给主控电路。
进一步的，所述放电插入检测电路包括电阻R1和二极管D1，电阻R1的第一端接一电源，电阻R1的第二端接二极管D1的正端，二极管D1的负端接外接接口的正极，电阻R1的第二端为该放电插入检测电路的输出端，充电插入检测电路包括稳压管Z1、二极管D9、电阻R5和R15，稳压管Z1的负端接外接接口的正极，稳压管Z1的正端依次串联二极管D9、电阻R5和R15接外接接口的负极，电阻R5和R15之间的节点为该充电插入检测电路的输出端。
更进一步的，所述稳压管Z1的正端接主控电路的开机电路的控制输入端，用于将外接接口充电插入时的输入电源提供给主控电路的开机电路，实现插入充电时自动开机供电。
本发明还提供了一种电源产品，设有上述的单接口实现双向充放电的控制电路。
本发明的有益技术效果：
本发明实现单个接口既可以接充电器充电又可以接用电设备放电的功能，从而节省产品设计成本，电路体积小，解决产品体积要求较高或接口位置有限的问题。
本发明还具有过流保护、短路保护、外接接口充电插入反接保护等保护功能，安全性和可靠性高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明具体实施例的电路图。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1所示，一种单接口实现双向充放电的控制电路，包括第一开关电路、第二开关电路、主控电路、放电插入检测电路、充电插入检测电路和外接接口X1，第一开关电路和第二开关电路的控制端分别与主控电路的控制输出端连接，第一开关电路和第二开关电路构成双向导通开关电路，双向导通开关电路串接在可充电电源的输入/输出端与外接接口X1之间，本具体实施例中，可充电电源为锂电池，锂电池的正极BAT+(输入/输出端)通过双向导通开关电路接外接接口X1的正极1，外接接口X1的负极2接地GND，锂电池的负极接地GND，但并不限于此，在其它实施例中，电源也可以是其它可充电的电池。
放电插入检测电路和充电插入检测电路的输出端分别接主控电路的输入端，放电插入检测电路用于检测外接接口是否有放电插入(用电设备接入)，充电插入检测电路用于检测外接接口是否有充电插入(即充电设备，如充电器接入)。
本具体实施例中，主控电路采用MCU处理器U3来实现，具体电路结构请详见图1，此不再细说，当然，在其它实施例中，主控电路也可以采用其它处理器来实现。
本具体实施例中，所述第一开关电路由PMOS管Q1构成，第二开关电路由PMOS管Q2构成，PMOS管Q1的源极与PMOS管Q2的源极连接，PMOS管Q1的漏极接锂电池的正极BAT+，PMOS管Q2的漏极接外接接口X1的正极1，更具体的电路连接请详见图1，此不再细说。第一开关电路和第二开关电路均采用PMOS管来实现，电路结构简单，易于实现，损耗低，成本低，但并不限于此，在其它实施例中，也可以采用其它开关管，如NMOS管或IGBT管等来实现。
优选的，本具体实施例中，第一开关电路还包括NPN三极管Q3，NPN三极管Q3的集电极串联电阻R9接PMOS管Q1的栅极，NPN三极管Q3的发射极接外接接口X1的负极2，NPN三极管Q3的基极串联二极管D3和电阻R11接MCU处理器U3的第9脚(控制输出端)，NPN三极管Q3的基极串联电阻R19接NPN三极管Q3的发射极，采用该电路结构，驱动更稳定，但并不以此为限。
优选的，本具体实施例中，第二开关电路还包括NPN三极管Q4，NPN三极管Q4的集电极串联电阻R10接PMOS管Q2的栅极，NPN三极管Q4的发射极接外接接口X1的负极2，NPN三极管Q4的基极串联二极管D4和电阻R12接MCU处理器U3的第8脚(控制输出端)，NPN三极管Q4的基极串联电阻R20接NPN三极管Q4的发射极，采用该电路结构，驱动更稳定，但并不以此为限。
本具体实施例中，所述放电插入检测电路包括电阻R1和二极管D1，电阻R1的第一端接一电源，本实施例中为+5V，由产品的电源电路提供，但并不限于此，电阻R1的第二端接二极管D1的正端，二极管D1的负端接外接接口X1的正极1，电阻R1的第二端为该放电插入检测电路的输出端接MCU处理器U3的第12脚(输入端)，采用该放电插入检测电路，电路结构简单，易于实现，但并不限于此，在其它实施例中，放电插入检测电路也可以采用现有的其它放电插入检测电路来实现。
本具体实施例中，充电插入检测电路包括稳压管Z1、二极管D9、电阻R5和R15，稳压管Z1的负端接外接接口X1的正极1，稳压管Z1的正端依次串联二极管D9、电阻R5和R15接外接接口X1的负极2，电阻R5和R15之间的节点为该充电插入检测电路的输出端接MCU处理器U3的第13脚(输入端)，采用该充电插入检测电路，电路结构简单，易于实现，但并不限于此，在其它实施例中，充电插入检测电路也可以采用现有的其它充电插入检测电路来实现。
进一步的，本实施例中，所述稳压管Z1的正端接MCU处理器U3的开机电路的控制输入端，用于在产品关机时，将外接接口X1充电插入时的输入电源提供给MCU处理器U3的开机电路，使MCU处理器U3工作。MCU处理器U3的开机电路可以采用现有的各种电源电路，具体可以参考现有技术，此不再细说。
进一步的，还包括电流采样电路、第一比较电路和第二比较电路，电流采样电路用于采集PMOS管Q1和Q2所在回路的电流大小，电流采样电路的放电电流采样的输出端分别接主控电路和第一比较电路的输入端，电流采样电路的充电电流采样的输出端分别接主控电路和和第二比较电路的输入端，第一比较电路和第二比较电路的输出端分别接第一开关电路和第二开关电路的控制端。
本具体实施例中，还包括第一放大电路和第二放大电路，电流采样电路的放电电流采样的输出端通过第一放大电路分别接主控电路和第一比较电路的输入端，电流采样电路的充电电流采样的输出端通过第二放大电路分别接主控电路和第二比较电路的输入端。第一放大电路和第二放大电路用于对采样电流进行放大，提高稳定性和精确度，当然，在有些采样电流较大的实施例中，也可以不需要第一放大电路和第二放大电路。
本具体实施例中，电流采样电路采用电流采样电阻RS1来实现，结构简单，成本低，但并不限于此。具体的，电流采样电阻RS1的第一端接地，电流采样电阻RS1的第二端接外接接口X1的负极2。
本具体实施例中，第一比较电路采用型号为LMV331的比较器U4来实现，比较器U4的第4脚(输出端)依次串联电阻R17和二极管D7接NPN三极管Q3的基极，比较器U4的第1脚(输入端)接第一放大电路的输出端，更具体的电路结构请详见图1，此不再细说。当然，在其它实施例中，第一比较电路也可以采用现有的其它比较电路来实现。
优选的，本具体实施例中，第二放大电路和和第二比较电路采用型号为LM258的运算放大器U5来实现，使得电路结构更简单，器件更少。具体的，运算放大器U5的第5脚为第二放大电路的输入端接电流采样电路的充电电流采样的输出端GND，运算放大器U5的第7脚为第二放大电路的输出端串联电阻R26接MCU处理器U3的第7脚(输入端)和运算放大器U5的第3脚(第二比较电路的输入端)，运算放大器U5的第1脚为第二比较电路的输出端依次串联电阻R18和二极管D8接NPN三极管Q4的基极，更具体的电路结构请详见图1，此不再细说。当然，在其它实施例中，第二放大电路也可以采用现有的其它放大电路来实现，第二比较电路也可以采用现有的其它比较电路来实现。
进一步的，本具体实施例中，还包括短路判断电路和第三开关电路，短路判断电路的输入端接电流采样电路的放电电流采样的输出端CH-，短路判断电路的输出端分别接第三开关电路的控制端和主控电路的输入端，第三开关电路被配置为当短路判断电路判断到输出回路短路时，控制第二开关电路断开。
优选的，本实施例中，第一放大电路和短路判断电路采用型号为LM258的运算放大器U2来实现，使得电路结构更简单，器件更少，但并不限于此，第三开关电路采用NPN三极管Q5来实现，电路结构简单，成本低，但并不以此为限。
具体的，运算放大器U2的第5脚为第一放大电路的输入端接电流采样电路的放电电流采样的输出端CH-，运算放大器U2的第7脚为第一放大电路的输出端串联电阻R6后一路接MCU处理器U3的第6脚(输入端)，另一路接比较器U4的第1脚，运算放大器U2的第3脚为短路判断电路的输入端接电流采样电路的放电电流采样的输出端CH-，运算放大器U2的第1脚为短路判断电路的输出端，一路串联二极管D2接MCU处理器U3的第6脚，另一路接NPN三极管Q5的基极，NPN三极管Q5的发射极接地，NPN三极管Q5的集电极接NPN三极管Q4的基极，更具体的电路结构请详见图1，此不再细说。
进一步的，本具体实施例中，还包括外接接口反接检测电路，外接接口反接检测电路用于当检测到外接接口X1充电插入反接时，输出信号控制第二开关电路断开，并输出信号给MCU处理器U3。
本具体实施例中，外接接口反接检测电路采用光耦U1来实现，电路结构简单，且具有隔离作用，避免干扰，提高稳定性和可靠性，但并不限于此。
具体的，光耦U1采用光敏三极管型的光耦，光耦U1的发光二极管的正端串联电阻R2接二极管D6的负端，二极管D6的正端接外接接口X1的负极2，光耦U1的发光二极管的负端接外接接口X1的正极1，光耦U1的光敏三极管的发射极接地，光耦U1的光敏三极管的集电极接NPN三极管Q4的基极和MCU处理器U3的第10脚(输入端)。
本具体实施例中，还包括报警电路，报警电路与MCU处理器U3连接，用于进行异常警报，具体的，报警电路由蜂鸣器B1和NPN三极管Q6组成，具体电路请详见图1，此不再细说。
工作过程：
产品开机后，系统上电自检正常，外接接口X1未连接充电器或用电设备时，MCU处理器U3的第8、9、10脚均为高阻状态，比较器U4的第4脚和运算放大器U5的第1脚也因无充放电电流输出为低电平，故NPN三极管Q3、NPN三极管Q4、PMOS管Q1、PMOS管Q2均处于关闭状态。
输出放电功能：当外接接口X1接入的是用电设备，相当于在输出端并联了一个电阻R，因用电设备内阻较小，MCU处理器U3的第12脚的电压通过二极管D1瞬间被拉低，MCU处理器U3检测到这个拉低的信号后认为有放电设备插入，此时第8脚输出高电平，通过电阻R12、二极管D4使NPN三极管Q4、PMOS管Q2导通，锂电池的正极电流通过PMOS管Q1内部二极管、PMOS管Q2、用电设备、电流采样电阻RS1回到锂电池负极，给用电设备供电，电流采样电阻RS1上会取样电流产生电压，通过运算放大器U2的第5脚输入，进行放大后，由第7脚输出，一路输入到比较器U4的第1脚，与比较器U4的第3脚的基准电压比较，超过第3脚基准后，由第4脚输出高电平，通过电阻R17、二极管D7开启NPN三极管Q3和PMOS管Q1，从而将锂电池电压完整加在用电设备上，设备正常工作，防止PMOS管Q1内部二极管过热损坏(3脚基准电压可以调整，设定有一定的放电电流后开启PMOS管Q1，防止干扰，导致误动作，提高安全性和可靠性)；另一路输出给MCU处理器U3的第6脚，由MCU处理器U3进行相应的处理运算。
过载(过流)保护：当外部连接的设备功率超过该外接接口X1的设定功率时，MCU处理器U3判断到运算放大器U2的第7脚输出的电压超过设定值，则MCU处理器U3的第8脚输出低电平，从而关闭NPN三极管Q4和PMOS管Q2，关断输出，实现过载(过流)保护。
当然，为了提高可靠性，避免干扰造成误动作，还可以经过一段时间后MCU处理器U3的第8脚再次输出高电平，开启NPN三极管Q4和PMOS管Q2，再次检测过载(过流)情况是否消失，如仍未消失，则执行上述动作再次保护，连续3次(可设定)开启后又保护则直接锁死，只能移除设备并关机后再开机恢复。此时MCU处理器U3通过蜂鸣器B1蜂鸣告警。
短路保护：当外部连接的用设备故障短路时，通过电流采样电阻RS1取样电流产生电压，并输出给运算放大器U2的第3脚，运算放大器U2将其与第2脚短路基准比较后，通过第1脚输出高电平，一路通过电阻R24直接开启NPN三极管Q5，强制关闭NPN三极管Q4和PMOS管Q2，关断输出，提高可靠性；另外，通过二极管D2、D5和D10自锁运算放大器U2并通知MCU处理器U3，MCU处理器U3识别到短路信号后关闭第8脚高电平，实现短路保护。
当然，为了提高可靠性，避免干扰造成误动作，还可以经过一段时间后，MCU处理器U3会强制将第6脚拉成低电平，从而使运算放大器U2复位、关闭NPN三极管Q5并使第8脚再次输出高电平，开启NPN三极管Q4和PMOS管Q2，再次检测短路情况是否消失，如仍未消失，则执行上述动作再次保护，连续3次(可设定)开启后又保护则直接锁死，只能移除设备并关机后再开机恢复。此时MCU处理器U3通过蜂鸣器B1蜂鸣告警。
输入充电功能：当外接接口X1接入的是充电器时，因充电器输入电压较高(都会比锂电池电压高)，此时，稳压二极管Z1导通，通过二极管D9、电阻R5和电阻R15分压加在MCU处理器U3的第13脚上，MCU处理器U3的第13脚检测到这个输入信号在设定值内时，确认配套充电器插入，此时第9脚输出高电平，通过电阻R11、二极管D3使NPN三极管Q3、PMOS管Q1导通，充电器的正极电流通过PMOS管Q2内部二极管、PMOS管Q1、锂电池、电流采样电阻RS1回到充电器负极，给锂电池充电，电流采样电阻RS1上会取样电流产生电压，通过运算放大器U5的第5脚输入，进行放大后，由第7脚输出一路给运算放大器U5的第3脚，与第2脚的基准电压比较，超过第2脚基准后，由第1脚输出高电平，通过电阻R18、二极管D8开启NPN三极管Q4和PMOS管Q2，从而将充电器电压完整加在锂电池上，锂电池正常充电，防止PMOS管Q2内部二极管过热损坏(第2脚基准电压可以调整，设定有一定的充电电流后开启PMOS管Q2，防止干扰，导致误动作，提高安全性和可靠性)；另一路输出给MCU处理器U3的第7脚，由MCU处理器U3进行相应的处理运算。
充饱关断：当锂电池充电进入恒压状态，充电电流逐渐减小，减小到设定值后，MCU处理器U3将第9脚置位为低电平，从而关闭NPN三极管Q3和PMOS管Q1，关断充电(此时因充电电流消失，NPN三极管Q4和PMOS管Q2也会自动关闭)。
充电过流保护保护：当MCU处理器U3的第7脚检测到充电电流超出规定值时，将第9脚置位为低电平，从而关闭NPN三极管Q3和PMOS管Q1，关断充电。
当然，为了提高可靠性，避免干扰造成误动作，还可以经过一段时间后，MCU处理器U3的第9脚会再次输出高电平，开启NPN三极管Q3和PMOS管Q1，再次检测充电过流情况是否消失，如仍未消失，则执行上述动作再次保护，连续3次(可设定)开启后又保护则直接锁死，只能移除充电器并关机后再开机恢复。此时MCU处理器U3通过蜂鸣器B1蜂鸣告警。
在关机状态下，产品同样可以充电，当配套充电器插入外接接口X1后，稳压二极管Z1导通，一路加到MCU处理器U3的开机电路的控制输入端执行供电开机，另一路通过二极管D9、电阻R5和电阻R15分压加在MCU处理器U3的第13脚上，MCU处理器U3的第13脚检测到充电输入信号时，确认配套充电器插入，后续过程同上输入充电功能的描述。
当充电器拔出后，因充电电流消失，NPN三极管Q4、PMOS管Q2关闭，同时MCU处理器U3的第7脚也检测到无充电电流，将9脚置位为低电平，从而关闭NPN三极管Q3、PMOS管Q1，因PMOS管Q1、PMOS管Q2同时关闭，输出端无电压，MCU处理器U3供电消失关机。
充电器反接保护：当外接接口X1插入充电器，且正负极性反向时，此时，反向电压通过二极管D6、电阻R2使光耦U1工作、输出低电平，强制关闭NPN三极管Q4、PMOS管Q1，切断回路，同时通知MCU处理器U3外部有电源反向接入，从而告警并杜绝锂电池和外部电源造成的大电流短路和失控问题。
本发明还提供了一种电源产品，设有上述的单接口实现双向充放电的控制电路。电源产品可以是移动电源等。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种单接口实现双向充放电的控制电路，其特征在于：包括第一开关电路、第二开关电路、主控电路、放电插入检测电路、充电插入检测电路和外接接口，第一开关电路和第二开关电路的控制端分别与主控电路的控制输出端连接，第一开关电路和第二开关电路构成双向导通开关电路，双向导通开关电路串接在可充电电源的输入/输出端与外接接口之间，放电插入检测电路和充电插入检测电路的输出端分别接主控电路的输入端，放电插入检测电路用于检测外接接口是否有放电插入，充电插入检测电路用于检测外接接口是否有充电插入。
2.根据权利要求1所述的单接口实现双向充放电的控制电路，其特征在于：所述第一开关电路由PMOS管Q1构成，第二开关电路由PMOS管Q2构成，PMOS管Q1的源极与PMOS管Q2的源极连接，PMOS管Q1的漏极接可充电电源的正极，PMOS管Q2的漏极接外接接口的正极。
3.根据权利要求2所述的单接口实现双向充放电的控制电路，其特征在于：还包括电流采样电路、第一比较电路和第二比较电路，电流采样电路用于采集PMOS管Q1和Q2所在回路的电流大小，电流采样电路的放电电流采样的输出端分别接主控电路和第一比较电路的输入端，电流采样电路的充电电流采样的输出端分别接主控电路和第二比较电路的输入端，第一比较电路和第二比较电路的输出端分别接第一开关电路和第二开关电路的控制端。
4.根据权利要求3所述的单接口实现双向充放电的控制电路，其特征在于：还包括第一放大电路和第二放大电路，电流采样电路的放电电流采样的输出端通过第一放大电路分别接主控电路和第一比较电路的输入端，电流采样电路的充电电流采样的输出端通过第二放大电路分别接主控电路和第二比较电路的输入端。
5.根据权利要求3所述的单接口实现双向充放电的控制电路，其特征在于：还包括短路判断电路和第三开关电路，短路判断电路的输入端接电流采样电路的放电电流采样的输出端，短路判断电路的输出端分别接第三开关电路的控制端和主控电路的输入端，第三开关电路被配置为当短路判断电路判断到输出回路短路时，控制第二开关电路断开。
6.根据权利要求5所述的单接口实现双向充放电的控制电路，其特征在于：所述短路判断电路采用比较器来实现。
7.根据权利要求2所述的单接口实现双向充放电的控制电路，其特征在于：还包括外接接口反接检测电路，外接接口反接检测电路用于当检测到外接接口充电插入反接时，输出信号控制第二开关电路断开，并输出信号给主控电路。
8.根据权利要求1所述的单接口实现双向充放电的控制电路，其特征在于：所述放电插入检测电路包括电阻R1和二极管D1，电阻R1的第一端接一电源，电阻R1的第二端接二极管D1的正端，二极管D1的负端接外接接口的正极，电阻R1的第二端为该放电插入检测电路的输出端，充电插入检测电路包括稳压管Z1、二极管D9、电阻R5和R15，稳压管Z1的负端接外接接口的正极，稳压管Z1的正端依次串联二极管D9、电阻R5和R15接外接接口的负极，电阻R5和R15之间的节点为该充电插入检测电路的输出端。
9.根据权利要求8所述的单接口实现双向充放电的控制电路，其特征在于：所述稳压管Z1的正端接主控电路的开机电路的控制输入端，用于将外接接口充电插入时的输入电源提供给主控电路的开机电路，实现插入充电时自动开机供电。
10.一种电源产品，其特征在于：设有权利要求1-9任意一项所述的单接口实现双向充放电的控制电路。
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