CN112491115A - 备用充电电池电源管理电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种备用充电电池电源管理电路，包括外部电源和负载，所述外部电源和负载之间分别连接有主供电回路以及充电电池充电供电回路，所述充电电池充电供电回路包括与所述外部电源依次连接的充电管理IC以及充电电池，所述充电电池和所述负载之间连接有电池开关，所述电池开关与所述充电管理IC之间连接有电池开关控制回路。本发明解决了备用充电电池与外部电源同时存在系统，且负载供电电压与锂电池电压相近，后端负载较大时，供电电路自动选择的问题。
Description
技术领域
本发明涉及充电电源供电技术领域，特别是一种备用充电电池电源管理电路。
背景技术
充电电池广泛应用于手机、平板电脑等智能终端产品上，在负载电流不大的情况下可以直接通过充电IC给锂电池充电的同时给后端负载供电，而用在工业5G传感器等大功率负载应用时，峰值功耗可达到25W以上，不但需要功率更大的电源适配器作为外部电源供电，需要输出更大的充电IC，而且由于锂电池充电需要恒流充电，该方法也可能会影响锂电池充电效果，减小电池使用寿命。
当有备用充电电池与外部电源同时存在系统，且负载供电电压与锂电池电压相近时，通常有以下几种方法：1、系统供电和充电使用同一条线路，即通过充电IC的输出给电池充电的同时给后端系统供电，但该方法由于充电IC的恒流输出限制了最大输出能力，在后端负载需求较大时无法满足需求，且后端的负载变化可能导致充电电池无法恒流充电，对充电电路造成干扰，影响电池使用；2、系统供电和充电使用两条线路，即一条主线路通过电压转换给后端负载供电，另一条线路通过充电电路供电，充电电池和主线路输出至同一位置给后端负载供电，该方法虽然能保证后端供电需求，但是主线路电压输出为一稳定值，而锂电池电压会随着充放电过程的进行，电池电压会上升或降低，锂电池电压可能会对主线路的反馈回路电压造成干扰，造成主线路输出异常，另外，主线路的电流输出可能会对充电电池电流倒灌，造成充电电池不能恒流充电，若在锂电池后端添加防反二极管，二极管的压降也会造成电池电压的使用范围减小，且后端负载越大压降越大，不适合大电流时的应用。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种备用充电电池电源管理电路，解决了备用充电电池与外部电源同时存在系统，且负载供电电压与锂电池电压相近，后端负载较大时，供电电路自动选择的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种备用充电电池电源管理电路，包括外部电源和负载，所述外部电源和负载之间分别连接有主供电回路以及充电电池充电供电回路，所述充电电池充电供电回路包括与所述外部电源依次连接的充电管理IC以及充电电池，所述充电电池和所述负载之间连接有电池开关，所述电池开关与所述充电管理IC之间连接有电池开关控制回路。
作为本发明的进一步改进，所述充电管理IC输出一路高低电平给MCU，用于监测所述充电电池的充电状态，所述充电电池输出一路电池电压给MCU，用于监测所述充电电池的电池电压。
作为本发明的进一步改进，所述外部电源与所述充电管理IC之间还连接有电源转换电路。
作为本发明的进一步改进，所述主供电回路包括用于将外部电源的输入电压转换为负载的目标电压的电源转换芯片，且通过配置所述电源转换芯片的ss引脚上的滤波电容C8的电容值来设置电源转换芯片的软启动时间，即经过一定时间t1后开始电压转换给负载输出工作电压。
作为本发明的进一步改进，所述电池开关控制回路包括PNP三极管Q1，所述电池开关为P沟道场效应管Q2，所述充电管理IC的电压输出端通过分压电阻R16与所述PNP三极管Q1的基极连接，PNP三极管Q1的基极还并联连接有接地的电容C5和电阻R15，PNP三极管的集电极通过电阻R14接地，PNP三极管的发射极与所述P沟道场效应管的栅极连接，并经电阻R13与P沟道场效应管的源极连接，P沟道场效应管的源极还与所述充电电池连接，P沟道场效应管的漏极与所述负载连接；外部电源上电时，通过调节电阻R16和电容C5来设置PNP三极管Q1的截止时间，即经过一定时间t2后PNP三极管Q1截止，且t2＞t1；当拔掉外部电源时，主供电回路中的储能器件使线路电压不能突变，电压维持的时间为t4，当拔掉外部电源时，通过调节电容C5和R15来设置PNP三极管Q1的导通时间，即经过一定时间t3后PNP三极管Q1导通，且t4＞t3。
本发明的有益效果是：
1、本发明实例提供了一种充电锂电池电源管理电路，实现了充电电池与外部电源供电共存时系统供电选择的方法，降低了在较大负载对充电IC的要求，增加了锂电池充电电池的使用寿命。
2、本发明中充电电池作为供电系统的备用电源，使用场效应管作为锂电池供电回路电子开关，该器件具有开关可控、电流大压降小等特点，当有外部电源供电时，电路自动切断锂电池供电电路，锂电池处于充电状态，产品使用主电路供电，当切断外部电源时，利用后端电路储能器件供电，并迅速打开锂电池供电回路，使用锂电池供电。
3、系统在使用外部电源供电时，通过电源转换电路将电压转换为充电IC的工作电压，充电IC通过恒流输出给锂电池充电，当充电IC有输入电压时，输入电压通过电阻分压后输入至三极管的基极，使三极管发射极与集电极之间处于截止状态，从而使与三极管发射极相连的场效应管源栅极处于等电位状态，最终使场效应管的栅漏极处于截止状态从而实现电子开关关闭的自动控制。
4、系统去掉外部电源供电时，三极管基极通过下拉电阻与直流地等电位，使发射极与基极产生压差，该压差使三极管发射极与集电极导通，电流从发射极流向集电极，从而使与三极管发射极相连的场效应管源栅极产生压差，最终使场效应管栅漏极处于导通状态实现电子开关打开的自动控制。
5、通过调节控制电路中的电阻电容来调节供电回路切换的时序可实现电源的热插拔效果，电源切换过程不会造成负载断电的情况。
6、由于场效应管的关断彻底断开了电池供电回路与主电源供电回路，电路硬件控制不需占用软件资源，反应迅速效率高，两者之间相互不受干扰，主供电回路不会倒灌充电电池，增加充电电池使用寿命，电池电压不会干扰主供电回路的反馈电压，增加了电源转换的稳定性，在只使用电池供电时不会因开关的内阻与压降造成太大的功耗损失，延长备用时间。
附图说明
图1为本发明实施例电源管理电路的结构示意图；
图2为本发明实施例中主供电回路电压转换硬件电路示意图；
图3为本发明实施例中充电电池充电供电回路的电源转换电路的硬件电路示意图；
图4为本发明实施例中充电及电池状态检测硬件电路示意图；
图5为本发明实施例中开关自动控制回路的硬件电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
实施例
一种备用充电电池电源管理电路，包括外部电源和负载，所述外部电源和负载之间分别连接有主供电回路以及充电电池充电供电回路，所述充电电池充电供电回路包括与所述外部电源依次连接的充电管理IC以及充电电池，所述充电电池和所述负载之间连接有电池开关，所述电池开关与所述充电管理IC之间连接有电池开关控制回路。
在本实施例中，所述充电管理IC输出一路高低电平给MCU，用于监测所述充电电池的充电状态，所述充电电池输出一路电池电压给MCU，用于监测所述充电电池的电池电压。
在本实施例中，所述外部电源与所述充电管理IC之间还连接有电源转换电路。
在本实施例中，所述主供电回路包括用于将外部电源的输入电压转换为负载的目标电压的电源转换芯片，且通过配置所述电源转换芯片的ss引脚上的滤波电容C8的电容值来设置电源转换芯片的软启动时间，即经过一定时间t1后开始电压转换给负载输出工作电压。
在本实施例中，所述电池开关控制回路包括PNP三极管Q1，所述电池开关为P沟道场效应管Q2，所述充电管理IC的电压输出端通过分压电阻R16与所述PNP三极管Q1的基极连接，PNP三极管Q1的基极还并联连接有接地的电容C5和电阻R15，PNP三极管的集电极通过电阻R14接地，PNP三极管的发射极与所述P沟道场效应管的栅极连接，并经电阻R13与P沟道场效应管的源极连接，P沟道场效应管的源极还与所述充电电池连接，P沟道场效应管的漏极与所述负载连接；外部电源上电时，通过调节电阻R16和电容C5来设置PNP三极管Q1的截止时间，即经过一定时间t2后PNP三极管Q1截止，且t2＞t1；当拔掉外部电源时，主供电回路中的储能器件使线路电压不能突变，电压维持的时间为t4，当拔掉外部电源时，通过调节电容C5和R15来设置PNP三极管Q1的导通时间，即经过一定时间t3后PNP三极管Q1导通，且t4＞t3。
下面对本实施例的原理作进一步的说明：
如图1所示，为电源管理电路的结构示意图，包括主供电回路、充电电池充电供电回路、电池开关及其电池开关控制回路，另外输出一路高低电平给MCU做电池充电状态监测，输出一路电池电压给MCU做电池电压监测。
如图2所示，为主供电回路电压转换硬件电路示意图，选用NCP3235电源转换芯片将外部输入转换为需要使用的目标电压3.7V，该芯片最大输出能力能达到15A，满足5G模组作为负载的最大功耗需求，该芯片可通过配置引脚“ISET”下拉电阻值来配置最大输出能力，可通过配置引脚“SS”滤波电容值来设置芯片软启动时间，即经过一定时间t1后开始电压转换给负载输出工作电压。
如图3所示，为电源转换电路的硬件电路示意图，将外部电源的输入电压转换为充电IC的工作电压，若外部电源供电回路已满足充电IC供电需求，则可省去该部分电路。
如图4所示，为充电管理IC，通过恒流输出方式给电池充电，可通过配置引脚“ISET”来配置恒流输出值，本示例中配置为500mA恒流充电，当进入充电状态时充电IC引脚“state2”输出高电平，由于速率要求不高，通分压后输出给MCU的IO口监测，充电完成后输出低电平，另外电池电压经过精密电阻分压后输入给MCU的ADC接口检测。
如图5所示，为充电电池的开关机开关自动控制回路，充电管理IC的电压输入端通过分压电阻与并联的接地电容与PNP三极管的基极相连，PNP三极管的集电极通过电阻接地，PNP三极管的发射极与P沟道场效应管的源极通过电阻与栅极相连。
当有外部电源上电时，充电IC的输入端由0V上升至5V，由于R16和C5的滤波作用，PNP三极管的基极电压经过一定时间t2转换为高电平，使PNP三极管的基极和发射极之间的压差减小，从而使PNP三极管的发射极与集电极之间转换为截止状态，断开R13的电流，使P沟道场效应管的源栅极等电位，使栅漏极转换为截止状态，关闭充电电池的供电回路，电池进入充电状态，使用外部电源供电。
通过调节C8的电容值来调节主供电回路的软启动时间t1，调节R16、C5来调节t2，使t2>t1，从而使PNP三极管及P沟道场效应管的关闭时间点晚于主供电回路的开启时间。
当拔掉外部电源时，锂电池断开充电回路，充电IC的输入端经过电容C5和电阻R15放电后，经过一定时间降为低电平，当降压一定时间t3后，PNP三极管的发射极与基极达到一定压差后，PNP的三极管发射极与集电极导通，电阻R13两端形成电流，P沟道场效应管产生压差使P沟道场效应管的栅极和漏极导通，打开电池供电回路。
在断开外部供电后到打开电池供电之前由于电路中的储能器件的作用，使线路电压不能突变，能维持一定时间t4，通过调节C5、R15来调节t3，使t3小于t4，从而使工作电压保持稳定。
P沟道场效应管在正常工作的参数内，栅极与源极压差越大，其内阻越小，导通时损耗越小，另外PNP三极管维持导通也需要发射极维持一定电压，调节电阻R13和R14来配置最优的场效应管内阻及维持三极管的导通。
本实施例针对备用充电电池与外部电源同时存在系统，且负载供电电压与锂电池电压相近，后端负载较大时，供电电路自动选择的问题，问题缺陷的技术实质是充电IC的供电能力有限，锂电池电压是变化的电压，而电源转换电路是一个稳定的值，两者同时供电时可能会相互干扰，而使用防反二极管隔断时会在备用充电电池供电且后端负载较大时产生较大的压降及功耗损失。本实施例解决问题的方法技术本质是利用场效应管的开关作用及场效应管导通时的低压降及低内阻，通过硬件电路检测外部电源的输入端来实现对场效应管的控制。和现有技术相比，所具有的技术特征是在外部电源供电时，电路自动关闭充电电池供电回路，充电电池进入充电状态，当无外部电源供电时，自动打开电池供电回路使用备用充电电池供电，该转换过程无需软件控制，硬件电路自动执行。
本实施例将电源管理电路分为主供电电路和备用充电锂电池供电电路，并通过检测输入端的状态来自动开关充电电池供电电路，使主供电电路和充电电路互不干扰，减小了对充电IC的要求，增加充电锂电池的使用寿命。
以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种备用充电电池电源管理电路，包括外部电源和负载，其特征在于，所述外部电源和负载之间分别连接有主供电回路以及充电电池充电供电回路，所述充电电池充电供电回路包括与所述外部电源依次连接的充电管理IC以及充电电池，所述充电电池和所述负载之间连接有电池开关，所述电池开关与所述充电管理IC之间连接有电池开关控制回路。
2.根据权利要求1所述的备用充电电池电源管理电路，其特征在于，所述充电管理IC输出一路高低电平给MCU，用于监测所述充电电池的充电状态，所述充电电池输出一路电池电压给MCU，用于监测所述充电电池的电池电压。
3.根据权利要求1所述的备用充电电池电源管理电路，其特征在于，所述外部电源与所述充电管理IC之间还连接有电源转换电路。
4.根据权利要求1所述的备用充电电池电源管理电路，其特征在于，所述主供电回路包括用于将外部电源的输入电压转换为负载的目标电压的电源转换芯片，且通过配置所述电源转换芯片的ss引脚上的滤波电容C8的电容值来设置电源转换芯片的软启动时间，即经过一定时间t1后开始电压转换给负载输出工作电压。
5.根据权利要求4所述的备用充电电池电源管理电路，其特征在于，所述电池开关控制回路包括PNP三极管Q1，所述电池开关为P沟道场效应管Q2，所述充电管理IC的电压输出端通过分压电阻R16与所述PNP三极管Q1的基极连接，PNP三极管Q1的基极还并联连接有接地的电容C5和电阻R15，PNP三极管的集电极通过电阻R14接地，PNP三极管的发射极与所述P沟道场效应管的栅极连接，并经电阻R13与P沟道场效应管的源极连接，P沟道场效应管的源极还与所述充电电池连接，P沟道场效应管的漏极与所述负载连接；外部电源上电时，通过调节电阻R16和电容C5来设置PNP三极管Q1的截止时间，即经过一定时间t2后PNP三极管Q1截止，且t2＞t1；当拔掉外部电源时，主供电回路中的储能器件使线路电压不能突变，电压维持的时间为t4，当拔掉外部电源时，通过调节电容C5和R15来设置PNP三极管Q1的导通时间，即经过一定时间t3后PNP三极管Q1导通，且t4＞t3。
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