CN112398095A - 一种恒流充电保护电路 - Google Patents

Abstract

一种恒流充电保护电路，工作电压与稳压器IC3的输入端连接，所述稳压器的输出端与R5的一端和R6的一端连接，所述稳压器的调整端与R5的另一端和R6的另一端连接，R6所在支路通过开关管Q1控制开关，所述Q1的控制端与稳压器的调整端连接；所述R6的另一端还与比较器的一输入端及电池充电电路连接，所述比较器的另一输入端与参考电路输出的电压连接；所述比较器的输出端反馈于工作电压，当电池充电电路的电压大于参考电路输出的电压时比较器输出反馈信号使得工作电压关闭。通过设计比较器对充电电池的电压进行与参考电压的比对，比较器的反馈信号能够在充电电池的电压超过限压的时候进行断开控制，确保电池在充电过程中意外断开或超过限压时进行断开控制。

Description

一种恒流充电保护电路

技术领域

本发明涉及电池充电管理技术领域，尤其涉及一种恒流充电的保护电路。

背景技术

镍氢电池具有耐过充、高安全的特性，使得其作为电动汽车主电池或作为有高安全要求的车载电子产品的备用电池领域仍然占有重要地位。镍氢电池通常采用恒流充电方式，通过ADC采集电池电压以及固定限流电阻阻值的方式控制充电时间及充电电流。

电池恒流充电技术，决定了输入电压及输出电压不能有较大差值，否则容易导致充电设备效率低下，温升很高。现有的充电及相关的保护技术通常仅能对单个电池或固定节数的电池组进行充电，且充电电流无法根据负载情况自适应调节，应用领域只限于慢速充电。保护电路也仅使用控制器监测电池端的电压，配合稳压二极管做输出保护。这种保护机制反应速度慢，可能因为稳压二极管失效导致输出电压超标，引起其他电路模块异常。

综上所述，现有的镍氢电池充电技术有充电速度慢、负载适应性差、异常状态响应不及时等缺点。实际应用的时候，电路上还会出现各种类似过压，过流反接等现象。传统的镍氢电池充放电往往没有考虑到实际使用，这样容易让电池出现损坏，甚至报废。在现有的充电保护技术中，如ZL 200820138048.9的技术方案中仅是利用单一功率晶体管，在ZL201610203475.X的技术方案中仅能够实现过流保护，无法满足恒流充电的要求。

发明内容

为此，需要提供一种新型的充电保护电路，达到能够保护整个电路充电状态的安全的技术效果。

为实现上述目的，发明人提供了一种恒流充电保护电路，工作电压与稳压器IC3的输入端连接，所述稳压器的输出端与R5的一端和R6的一端连接，所述稳压器的调整端与R5的另一端和R6的另一端连接，R6所在支路通过开关管Q1控制开关，所述Q1的控制端与支路开关控制信号I_CHR连接；

所述R6的另一端还与比较器的一输入端及电池充电电路连接，所述比较器的另一输入端与参考电路输出的电压连接；

所述比较器的输出端反馈于工作电压，当电池充电电路的电压大于参考电路输出的电压时比较器输出反馈信号使得工作电压关闭。

具体地，所述反馈信号连接降压芯片IC1，所述降压芯片的一输出端与工作电压连接，反馈输入端通过电阻R1与工作电压连接，降压芯片的反馈输入端还与可变电阻IC2的一端连接，IC2的另一端接地。

具体地，所述电池充电电路包括二极管D1、保险丝FUSE1、充电电池。

可选地，所述参考电路的输入端与电压VIN连接，参考电路输出端与比较器的另一输入端连接，参考电路输出端还与电阻R15的一端连接，电阻R15的另一端通过电阻R18与可变电阻IC5连接，IC5的L端与参考电压VREF和电阻R20的一端连接，电阻R20的另一端接地。

进一步地，主控制器发出的使能信号BATV_EN与开关管Q4B的控制端和电阻R25的一端连接，电阻R25的另一端与Q4B的一工作端连接并接地，Q4B的另一工作端与R21的一端和开关管Q4A的使能端连接，R21的另一端和开关管Q4A的一工作端与电池电压VBAT连接；所述Q4A的另一工作端通过电阻R23与BAT_NTC输出连接，所述BAT_NTC是电池内部的温敏电阻分压得到的电压值。

进一步地，主控制器发出的使能信号BATV_EN与开关管Q5B的控制端和电阻R26的一端连接，电阻R26的另一端与Q5B的一工作端连接并接地，Q5B的另一工作端与R22的一端和开关管Q5A的使能端连接，R22的另一端和开关管Q5A的一工作端与电池电压VBAT连接；所述Q5A的另一工作端通过电阻R24与电阻R28的一端和电阻R27的一端连接，所述电阻R28的另一端接地，所述电阻R27的另一端与ADC_BAT连接。

具体地，主控制电路获取到电压值后计算电池节数，并根据电池节数计算负载，根据计算得到的负载，对稳压芯片IC3进行操作，更改其外围的限流电阻值，以负载能承受的最大的充电电流对电池组进行快速充电。

区别于现有技术，上述技术方案通过设计比较器对充电电池的电压进行与参考电压的比对，比较器的反馈信号能够在充电电池的电压超过限压的时候进行断开控制，确保电池在充电过程中意外断开或超过限压时进行断开控制。

附图说明

图1为本发明具体实施方式所述的恒流充电保护电路示意图；

图2为本发明具体实施方式所述的直流降压电路示意图；

图3为本发明具体实施方式所述的电池状态检测电路示意图。

具体实施方式

为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。

请参阅图1，为本发明具体实施方式的一种恒流充电保护电路，从图中我们可以看到，工作电压VDD_CHR与稳压器IC3的输入端连接，所述稳压器的输出端与R5的一端和R6的一端连接，所述稳压器的调整端与R5的另一端和R6的另一端连接，R6所在支路通过开关管Q1(即图中Q1A)控制开关；所述R6的另一端还与比较器的一输入端及电池充电电路连接，所述比较器的另一输入端与参考电路输出的电压连接；所述比较器的输出端反馈于工作电压，当电池充电电路的电压大于参考电路输出的电压时比较器输出反馈信号使得工作电压关闭。在这里，IC3可以选为LDO:LM317，一种输出可调的三端稳压器，工作电压作为恒流充电电路的输入电压，在经过稳压器输出后供给电池充电，同时还将经过稳压器输出的电路接入比较器与参考电压进行比对，比较器的反馈信号能够在稳压器的输出电压超过参考电压的时候断开工作电压，使得电池充电始终能够工作在合适区间。进一步地，所述Q1的控制端的控制方案具体如图所示，Q1的控制端与Q1B的一工作端连接，Q1B的控制端与控制信号I_CHR连接，I_CHR为主控芯片发出的控制信号。这样，主控制器可以通过拉高或拉低I_CHR引脚设置恒流充电的限流电阻，达到设置充电速度的目的。恒流充电的电流公式为：

I_charge＝V(out-adj)/(R5//R6)，其中V(out-adj)为可调LDO的输出脚与调整脚之间的固定压差，R5//R6为R5并联R6。

在其他一些具体的实施例中，反馈信号通过如下方式影响所述工作电压VDD_CHR。如图2所示的具体实施例中，所述反馈信号SHDN信号连接降压型开关电源芯片IC1的SHDN信号输入端，所述降压芯片的一输出端SW端与工作电压VDD_CHR连接，本实施例中还串联电感L1用于储能、续流及直流滤波，降压芯片IC1的反馈输入端FB(Feedback反馈电压端)还通过电阻R1与工作电压连接，降压芯片的反馈输入端FB还与可变电阻IC2的一端连接，IC2的另一端接地。从图中可以看到，可变电阻IC2的阻值通过主控制器的信号包括SDA1、SCL1来输入调节，IC2为可变电阻的专用芯片。经过上述电路后，最终VDD_CHR输出电压的计算公式为：

Vdd_chr＝Vfb*(1+R1/(R2+Ric2))。

其中Vfb为降压芯片的反馈电压。在本实施例中，主控制器通过使能CHR_EN引脚来开启电池的充电工作。

在图1所示的具体的实施例中，所述电池充电电路包括二极管D1、保险丝FUSE1、充电电池BATTERY。通过二极管能够防止电池充好电后向恒流充电电路进行放电，通过设计保险丝FUSE1来防止电流电压过大或负载短路从而烧坏电路。

其他一些可选的实施例中，这里请看图1，所述参考电路的输入端与电压VIN连接，VIN可以是直流源，参考电路输出端与比较器的另一输入端INN连接，参考电路输出端还与电阻R15的一端连接，电阻R15的另一端通过电阻R18与可变电阻IC5连接，IC5的L端与参考电压VREF和电阻R20的一端连接，电阻R20的另一端接地。可变电阻IC5可以选用数字电位器：MAX5433；数字电位器采用数控方式调节电阻值的，具有使用灵活、调节精度高、无触点、低噪声、不易污损、抗振动、抗干扰、体积小、寿命长等显著优点，可在许多领域取代机械电位器。在本实施例中，主控制器通过接口调节IC5的电阻值，记为Ric5。参考电压计算公式为：

Vinn＝Vref*(1+(R18+Ric5)/R20)

其中Vref为基准电压源的输出电压。将Vinn电压设置为稍比电池充满电后的电压稍高一些的值，这个值通常为1V-2V。比较器为运算放大器IC4构成的电压比较器，当Vinp>Vinn时，比较器输出高电平；当Vinp<Vinn时，比较器输出低电平。Vinp为恒流充电输出电压，当电池正常充电时，Vinp＝Vbat+VD1_forward；当电池意外断开时，Vinp＝Vdd_chr-Vic3_drop；正常充电时，Vinp<Vinn。当电池意外断开时Vinp>Vinn；

其中，VD1_forward为保护二极管的正向导通电压，其值通常为0.3V-0.7V；Vin3_drop为可调LDO的输入输出最小压差，以本发明使用的LM317为例，其值为1.25V。当比较器输出高电平时，为NMOS的Q2的1脚建立起导通电位，将使得Q2的2脚3脚导通。Q2的2脚通过R12连接到IC1的使能引脚SHDN，将使得IC1关闭输出电压，起到保护整个电路的作用。

在如图3所示的进一步的实施例中，还包括电池状态检测电路，其中获取电池温度的电路如左图3a所示，主控制器发出的使能信号BATV_EN与开关管Q4B的控制端和电阻R25的一端连接，电阻R25的另一端与Q4B的一工作端连接并接地，Q4B的另一工作端与R21的一端和开关管Q4A的使能端连接，R21的另一端和开关管Q4A的一工作端与电池电压VBAT连接；所述Q4A的另一工作端通过电阻R23与BAT_NTC输出连接，所述是BAT_NTC电池内部的温敏电阻分压与R23分压得到的电压值得到的电压值。上述电路通过如下方式进行电池温度获取：主控制器通过ADC读取BAT_NTC电压值，并通过计算NTC电阻值得到当前电池温度。其计算公式为：Rt＝R*EXP(B*(1/T1-1/T2))。其中，Rt为当前电阻值，T1为当前温度的开尔文值，T2为常温25度的开尔文值，R为NTC电阻在常温下的值，B为NTC电阻的热敏指数。

电池状态检测电路中，获取电池节数的电路如右图3b所示，主控制器发出的使能信号BATV_EN与开关管Q5B的控制端和电阻R26的一端连接，电阻R26的另一端与Q5B的一工作端连接并接地，Q5B的另一工作端与R22的一端和开关管Q5A的使能端连接，R22的另一端和开关管Q5A的一工作端与电池电压VBAT连接；所述Q5A的另一工作端通过电阻R24与电阻R28的一端和电阻R27的一端连接，所述电阻R28的另一端接地，所述电阻R27的另一端与ADC_BAT连接。这里的ADC_BAT是将R24与R26分压得到的电压，ADC_BAT提供给主控制器，也可以是是通过数字采集单元ADC采集到的电池电压。上述电路通过主控制器通过定时等预设模式使能BATV_EN引脚，获取到电池电压。通过计算公式：电池节数N＝ADC_BAT/C，其中C值为根据R24及R28的比例以及电池特性来确定的数，向下取整得出N的值。

获取电池温度用于主控单元判断是否满足安全充电的条件，获取电池节数用于计算电池充电电路的负载。进而，在主控制器通过软件接口对数字电位器具体如图1中IC3进行操作，更改其电阻值。通过调节数字电位器的电阻，调节直流降压电路的输出电压。开启充电后，在开始的一段时间内使用较大的充电电流对电池组快速充电。主控制器通过其引脚控制恒流充电电路的电阻选通达到控制充电电流的目的，并通过主控制器的ADC监测电池电压恢复情况。主控制器可以设置快充时间及检测电池电压恢复的情况，计时停止后再通过调节恒流充电电路的电阻恢复到慢充状态。

电池在充电过程中，主控制器通过ADC不断监测电池组温度和电压，如果温度和电压超过设定值，则主控制器通过关闭IC1的控制信号CHR_EN停止充电。除了充电过程的温度监测保护以外，主控制器通过软件接口设置IC5的电阻值以调节参考电压，并通过比较器电路，将电池端的电压与参考电压比较。当出现电池端电压超过参考电压，则判断为电池异常，比较器输出通过反相电路拉低直流降压模块芯片IC1的使能引脚，切断直流降压模块输出，主控制器也通过监测比较器输出判断有异常事件发生，并可以通过LED灯指示。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。

本领域内的技术人员应明白，上述各实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。这些实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。上述各实施例涉及的方法中的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于计算机设备可读取的存储介质中，用于执行上述各实施例方法所述的全部或部分步骤。所述计算机设备，包括但不限于：个人计算机、服务器、通用计算机、专用计算机、网络设备、嵌入式设备、可编程设备、智能移动终端、智能家居设备、穿戴式智能设备、车载智能设备等；所述的存储介质，包括但不限于：RAM、ROM、磁碟、磁带、光盘、闪存、U盘、移动硬盘、存储卡、记忆棒、网络服务器存储、网络云存储等。

上述各实施例是参照根据实施例所述的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到计算机设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机设备以特定方式工作的计算机设备可读存储器中，使得存储在该计算机设备可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机设备上，使得在计算机设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (7)

1.一种恒流充电保护电路，其特征在于，工作电压与稳压器IC3的输入端连接，所述稳压器的输出端与R5的一端和R6的一端连接，所述稳压器的调整端与R5的另一端和R6的另一端连接，R6所在支路通过开关管Q1控制开关，所述Q1的控制端与支路开关控制信号I_CHR连接；

所述R6的另一端还与比较器的一输入端及电池充电电路连接，所述比较器的另一输入端与参考电路输出的电压连接；

所述比较器的输出端反馈于工作电压，当电池充电电路的电压大于参考电路输出的电压时比较器输出反馈信号使得工作电压关闭。

2.根据权利要求1所述的恒流充电保护电路，其特征在于，所述反馈信号连接降压芯片IC1，所述降压芯片的一输出端与工作电压连接，反馈输入端通过电阻R1与工作电压连接，降压芯片的反馈输入端还与可变电阻IC2的一端连接，IC2的另一端接地。

3.根据权利要求1所述的恒流充电保护电路，其特征在于，所述电池充电电路包括二极管D1、保险丝FUSE1、充电电池。

4.根据权利要求1所述的恒流充电保护电路，其特征在于，所述参考电路的输入端与电压VIN连接，参考电路输出端与比较器的另一输入端连接，参考电路输出端还与电阻R15的一端连接，电阻R15的另一端通过电阻R18与可变电阻IC5连接，IC5的L端与参考电压VREF和电阻R20的一端连接，电阻R20的另一端接地。

5.根据权利要求1所述的恒流充电保护电路，其特征在于，主控制器发出的使能信号BATV_EN与开关管Q4B的控制端和电阻R25的一端连接，电阻R25的另一端与Q4B的一工作端连接并接地，Q4B的另一工作端与R21的一端和开关管Q4A的使能端连接，R21的另一端和开关管Q4A的一工作端与电池电压VBAT连接；所述Q4A的另一工作端通过电阻R23与BAT_NTC输出连接，所述BAT_NTC是电池内部的温敏电阻分压得到的电压值。

6.根据权利要求1所述的恒流充电保护电路，其特征在于，主控制器发出的使能信号BATV_EN与开关管Q5B的控制端和电阻R26的一端连接，电阻R26的另一端与Q5B的一工作端连接并接地，Q5B的另一工作端与R22的一端和开关管Q5A的使能端连接，R22的另一端和开关管Q5A的一工作端与电池电压VBAT连接；所述Q5A的另一工作端通过电阻R24与电阻R28的一端和电阻R27的一端连接，所述电阻R28的另一端接地，所述电阻R27的另一端与ADC_BAT连接。

7.根据权利要求6所述的恒流充电保护电路，其特征在于，主控制电路获取到电压值后计算电池节数，并根据电池节数计算负载，根据计算得到的负载，对稳压芯片IC3进行操作，更改其电阻值，以负载能承受的最大的充电电流对电池组进行快速充电。

Images