CN114039394B - 一种电源管理系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了包括依次连接的外部电源、滤波整流模块和第一管理模块，第一管理模块连接电池和控制芯片，控制芯片通过第二管理模块与电池连接，控制芯片通过第三管理模块与负载连接，第一管理模块和第二管理模块的电路结构相同，通过将第一管理模块连接控制芯片和电池、第二管理模块连接控制芯片和电池、第三管理模块连接在控制芯片和负载之间，根据电路是否有接外部电源或电池的电量，控制芯片控制第一开关管、第二开关管和第三开关管的打开和/或关闭，可以控制电池的充电或放电过程，可以有效避免电池边充边放的问题，也可以降低电池过热，通过灵活控制开关管可以实现电流的稳定输出，一定程度上提高了电源管理系统的工作稳定性。

Description

一种电源管理系统及方法
技术领域
本发明涉及电源管理技术领域，尤其涉及一种电源管理系统及方法。
背景技术
目前常用的电子设备通常带有电池，当电子设备充电时，电源将电能经过充电开关输送至电池模组，以对电池模块中的电池模组进行充电。而当电子设备在充电过程中也有负载在运行，那么电能从电源输送至电池模组，再由电池模组输送至电池管理芯片。当电子设备在充电过程中也有负载在运行时，电池模块既要接收电源模块输送的输入电流，又要向电池管理芯片提供输出电流，在输出功率较大的情况下，会加剧电池模块发热，影响电池模块的寿命。因此，亟需对现有技术的电源管理电路进行进一步改进，以解决上述问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种可以有效避免负载在运行时，电池边充边放电出现的电池过热情况、提升电池寿命的电源管理系统及方法，来解决上述存在的技术问题，具体采用以下技术方案来实现。
第一方面，本发明提供了一种电源管理系统，包括依次连接的外部电源、滤波整流模块和第一管理模块，所述第一管理模块连接电池和控制芯片，所述控制芯片通过第二管理模块与所述电池连接，所述控制芯片通过第三管理模块与负载连接，所述第一管理模块和所述第二管理模块的电路结构相同；
所述第一管理模块包括第一输入端、第一开关管、第一电阻、第一三极管、第二电阻、第三电阻、第二三极管、第四电阻、第五电阻和第一输出端，所述第一输入端连接至所述滤波整流模块和所述外部电源，所述第一输入端连接所述第一开关管的源极，所述第一开关管的漏极连接所述第一电阻的一端，所述第一电阻的另一端连接所述第一三极管的发射极，所述第一三极管的集电极连接所述第二电阻，所述第二电阻连接至所述第一三极管的基极和所述第三电阻，所述第三电阻连接所述第二三极管的发射极，所述第二三极管的集电极连接所述第四电阻，所述第四电阻与所述第五电阻串联，所述第五电阻连接至所述第二三极管的基极和所述第一输出端；
所述第三管理模块包括第三输入端、第三开关管、第一电容、第二电容、启动电阻和第三输出端，所述第三输入端与所述第二管理模块的第二输出端连接，所述第三开关管的栅极与所述控制芯片的控制端口连接，所述第三开关管的源极连接至所述第三输入端和所述第一电容，所述第三开关管的漏极连接所述第一电容和所述启动电阻，所述启动电阻和所述第二电容组成第三输出端用于连接负载。
作为上述技术方案的进一步改进，所述第二管理模块包括第二输入端、第二开关管、第六电阻、第三三极管、第七电阻、第八电阻、第四三极管、第九电阻、第十电阻和第二输出端，所述第二输入端与所述电池连接，所述第二输入端与所述第二开关管的源极连接，所述第二开关的栅极与所述控制芯片连接，所述第二开关的漏极与所述第六电阻连接，所述第六电阻与所述第三三极管的发射极连接，所述第三三极管的集电极连接所述第七电阻，所述第三三极管的基极连接所述第七电阻和所述第八电阻，所述第八电阻连接所述第四三极管的集电极，所述第四三极管的集电极依次连接所述第九电阻和所述第十电阻，所述第十电阻连接所述第四三极管的基极和所述第二输出端，所述第二输出端连接电池。
作为上述技术方案的进一步改进，所述第六电阻、所述第七电阻、所述第八电阻、所述第九电阻和所述第十电阻为稳压电阻，所述第二开关管为NMOS管，所述第二管理模块用于给所述控制芯片供电。
作为上述技术方案的进一步改进，所述第一电阻、所述第二电阻、所述第三电阻、所述第四电阻和所述第五电阻为稳压电阻，所述第一开关管为NMOS管，所述第一管理模块用于给所述电池充电。
作为上述技术方案的进一步改进，所述电源管理系统还包括与所述控制芯片连接的显示模块，所述显示模块用于显示所述电池的充放电状态。
第二方面，本发明还提供了一种电源管理方法，包括以下步骤：
当未连接外部电源时，控制芯片控制第一开关管关闭、第二开关管和第三开关管打开，电池通过第二管理模块给第三管理模块的第一电容充电，当第二电容的电压达到负载的开启电压时，所述负载开始工作，所述电池给所述负载供电；
当所述电池的电量不足时，所述控制芯片接收到所述负载的电路电压或电流变化时，所述控制芯片控制所述第二开关管和所述第三开关管关闭，显示模块显示所述电池的电量信息，以提醒用户充电；
当连接所述外部电源时，所述控制芯片控制所述第一开关管打开、所述第二开关管和所述第三开关管关闭，所述外部电源经过滤波整流模块处理后给所述电池充电。
本发明提供了一种电源管理系统及方法，相对于现有技术，具有以下有益效果：
通过将第一管理模块连接控制芯片和电池、第二管理模块连接控制芯片和电池、第三管理模块连接在控制芯片和负载之间，第一管理模块和第二管理模块的电路结构相同，第三管理模块中包括第一电容和第二电容，根据电路是否有接外部电源或电池的电量，控制芯片控制第一管理模块中的第一开关管、第二管理模块中的第二开关管和第三管理模块中的第三开关管的打开和/或关闭，可以控制电池的充电或放电过程，可以有效避免电池边充边放的问题，也可以降低电池过热，通过灵活控制开关管可以实现电流的稳定输出，一定程度上提高了电源管理系统的工作稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的电源管理系统的结构框图；
图2为本发明实施例提供的第一管理模块的电路图；
图3为本发明实施例提供的第二管理模块的电路图；
图4为本发明实施例提供的第三管理模块的电路图；
图5为本发明实施例提供的电源管理方法的流程图。
主要元件符号说明如下：
10-外部电源；11-滤波整流模块；12-第一管理模块；13-电池；14-控制芯片；15-第二管理模块；16-第三管理模块；17-负载；18-显示模块；19-第一输入端；20-第一开关管；21-第一电阻；22-第一三极管；23-第二电阻；24-第三电阻；25-第二三极管；26-第四电阻；27-第五电阻；28-第一输出端；30-第二输入端；31-第二开关管；32-第六电阻；33-第三三极管；34-第七电阻；35-第八电阻；36-第四三极管；37-第九电阻；38-第十电阻；39-第二输出端；40-第三输入端；41-第三开关管；42-第一电容；43-第二电容；44-启动电阻；45-第三输出端。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参阅图1，本发明提供了一种电源管理系统，包括依次连接的外部电源10、滤波整流模块11和第一管理模块12，所述第一管理模块12连接电池13和控制芯片14，所述控制芯片14通过第二管理模块15与所述电池13连接，所述控制芯片14通过第三管理模块16与负载17连接，所述第一管理模块12和所述第二管理模块15的电路结构相同；
所述第一管理模12块包括第一输入端19、第一开关管20、第一电阻21、第一三极管22、第二电阻23、第三电阻24、第二三极管25、第四电阻26、第五电阻27和第一输出端28，所述第一输入端19连接至所述滤波整流模块11和所述外部电源10，所述第一输入端19连接所述第一开关管20的源极，所述第一开关管20的漏极连接所述第一电阻21的一端，所述第一电阻21的另一端连接所述第一三极管22的发射极，所述第一三极管22的集电极连接所述第二电阻23，所述第二电阻23连接至所述第一三极管22的基极和所述第三电阻24，所述第三电阻24连接所述第二三极管25的发射极，所述第二三极管25的集电极连接所述第四电阻26，所述第四电阻26与所述第五电阻27串联，所述第五电阻27连接至所述第二三极管25的基极和所述第一输出端28；
所述第三管理模块16包括第三输入端40、第三开关管41、第一电容42、第二电容43、启动电阻44和第三输出端45，所述第三输入端40与所述第二管理模块15的第二输出端45连接，所述第三开关管41的栅极与所述控制芯片14的控制端口连接，所述第三开关管41的源极连接至所述第三输入端40和所述第一电容42，所述第三开关管41的漏极连接所述第一电容42和所述启动电阻44，所述启动电阻44和所述第二电容43组成第三输出端45用于连接负载17。
参阅图2和图4，本实施例中，外部电源10一般为交流侧的高电压，也可以是直流电压，外部电源10可以是将输入的交流220V或380V电压转换为所需的低压交流电。滤波整流模块11可以包括整流电路、滤波电路和稳压电路，整流是将低电压交流电转换成脉冲直流电，滤波是能减小电压的脉冲使输出电压平滑，稳压电路能使输出的直流电压基本不受电网波动和负载变动的影响。所述第一电阻21、所述第二电阻23、所述第三电阻24、所述第四电阻26和所述第五电阻27为稳压电阻，所述第一开关管20为NMOS管，所述第一管理模块12用于给所述电池13充电。电池13可以是锂电池或其他可充放电的电池，控制芯片14可以是中央处理器或微处理器等，第一管理模块12与第二管理模块15的电路结构相同，但两者的作用不同。第一管理模块12连接控制芯片14和电池13，第二管理模块15连接电池13和控制芯片14。
另外，NMOS(Negative channel-Metal-Oxide-Semiconductor，N型金属氧化物半导体)，NMOS的Vgs大于一定的值会导通，适合用于源极接地的情况即底端驱动，一般栅极电压达到4V或10V，NMOS导通后会有导通电阻存在，这样电流会在这个电阻上消耗能量，这部分消耗的能量为导通损耗，选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗。第一三极管22记为K1和第二三极管25记为K2是具有一定放大系数的三极管，第一输入端19记为A1与滤波整流模块11、外部电源10连接，第一输出端28记为A2与电池13连接，第一开关管20记为M1，第一开关管20的栅极记为G1与控制芯片14连接。第一开关管20的源极与第一输入端19连接，第一开关管20的漏极与第一电阻21记为R11连接，第一三极管22的集电极与第二电阻23记为R12连接，第三电阻24记为R13与第二三极管25的发射极连接，第四电阻26记为R14和第五电阻27记为R15串联。
需要说明的是，第三开关管41记为M3为NMOS管，第一电容42记为C31为滤波电容，第三开关管41的栅极记为G3与控制芯片14的控制端口连接，第三输入端40记为C3与第二管理模块15连接，启动电阻44记为R31，第二电容43记为C32为启动电容，启动电阻44和启动电容用于连接负载17，第三管理模块16连接在控制芯片14和负载17之间可以对负载17的电压或电流输入进行灵活控制，以提供安全稳定的电流。
参阅图3，可选地，所述第二管理模块15包括第二输入端30、第二开关管31、第六电阻32、第三三极管33、第七电阻34、第八电阻35、第四三极管36、第九电阻37、第十电阻38和第二输出端39，所述第二输入端30与所述电池13连接，所述第二输入端30与所述第二开关管31的源极连接，所述第二开关31的栅极与所述控制芯片14连接，所述第二开关管31的漏极与所述第六电阻32连接，所述第六电阻32与所述第三三极管33的发射极连接，所述第三三极管33的集电极连接所述第七电阻34，所述第三三极管33的基极连接所述第七电阻34和所述第八电阻35，所述第八电阻35连接所述第四三极管36的集电极，所述第四三极管36的集电极依次连接所述第九电阻37和所述第十电阻38，所述第十电阻38连接所述第四三极管36的基极和所述第二输出端30，所述第二输出端30连接电池13。
本实施例中，所述第六电阻32记为R21、所述第七电阻34记为R22、所述第八电阻35记为R23、所述第九电阻37记为R24和所述第十电阻38记为R25为稳压电阻，所述第二开关管31为NMOS管，所述第二管理模块15用于给所述控制芯片14供电。第二开关管31记为M2的连接方式与第一开关管20相同，第二开关管31的栅极记为G2与控制芯片14内部的控制端口连接，第二输入端30记为B1与电池13的端口连接，第二输出端39记为B2与第三管理模块16的第三输入端40连接，第二输入端30与第二输出端39的电路结构可以作为供电单元，第三三极管33记为K3和第四三极管36记为K4为具有一定放大系数的三极管。第二管理模块15可以将电池13的输出电压给控制芯片14以保证控制芯片14正常工作。
可选地，所述电源管理系统还包括与所述控制芯片14连接的显示模块18，所述显示模块18用于显示所述电池13的充放电状态。
本实施例中，显示模块18与控制芯片14连接，可以显示电池13的充电状态或放电状态，充电状态可以是充电中或充电完成等，放电状态可以是剩余多少电量或电压输出多少等，也可以是显示电池13的电量信息或安全状况等，便于很直观地显示电源管理情况。
参阅图5，本发明还提供了一种电源管理方法，包括以下步骤：
S1：当未连接外部电源时，控制芯片控制第一开关管关闭、第二开关管和第三开关管打开，电池通过第二管理模块给第三管理模块的第一电容充电，当第二电容的电压达到负载的开启电压时，所述负载开始工作，所述电池给所述负载供电；
S2：当所述电池的电量不足时，所述控制芯片接收到所述负载的电路电压或电流变化时，所述控制芯片控制所述第二开关管和所述第三开关管关闭，显示模块显示所述电池的电量信息，以提醒用户充电；
S3：当连接所述外部电源时，所述控制芯片控制所述第一开关管打开、所述第二开关管和所述第三开关管关闭，所述外部电源经过滤波整流模块处理后给所述电池充电。
本实施例中，当未连接外部电源时，即电池的输入端未输入电压，此时控制芯片将第一开关管M1关闭，并将第二开关管M2和第三开关管M3打开，电池通过第二管理模块为第三管理模块的启动电阻充电即第一电容C31处于充电状态，当启动电容C32的电压达到负载的开启电压时，使负载开始工作，此时电池给控制芯片和负载供电。当电池的电量不足时，控制芯片接收到负载电路电压或电流发生变化时，控制芯片控制第二开关管M2和第三开关管M3关闭，从而防止电池出现过放的问题，同时会在显示模块显示电池的电量信息，提醒用户充电。
需要说明的是，当连接外部电源时，此时控制芯片会控制第一开关管M1打开，第二开关管M2和第三开关管M3关闭，使充电电路即外部电源-滤波整流模块-第一管理模块-电池所在电路打开，外部电源经过滤波整流模块为电池充电，由于放电电路即电池-第二管理模块-控制芯片-第三管理模块-负载所在电路关闭，电池无法为负载提供电流，保持充电会在哪个台，这样可以从根本上杜绝了电池边充边放的问题，大幅提升了电池的使用寿命，同时本电路设计简单，成本低廉，适合大规模推广使用。
本发明提供一种电源管理系统及方法，通过将第一管理模块连接控制芯片和电池、第二管理模块连接控制芯片和电池、第三管理模块连接在控制芯片和负载之间，第一管理模块和第二管理模块的电路结构相同，第三管理模块中包括第一电容和第二电容，根据电路是否有接外部电源或电池的电量，控制芯片控制第一管理模块中的第一开关管、第二管理模块中的第二开关管和第三管理模块中的第三开关管的打开和/或关闭，可以控制电池的充电或放电过程，可以有效避免电池边充边放的问题，也可以降低电池过热，通过灵活控制开关管可以实现电流的稳定输出，一定程度上提高了电源管理系统的工作稳定性。
在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，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 (4)

1.一种电源管理系统，其特征在于，包括依次连接的外部电源、滤波整流模块和第一管理模块，所述第一管理模块连接电池和控制芯片，所述控制芯片通过第二管理模块与所述电池连接，所述控制芯片通过第三管理模块与负载连接，所述第一管理模块和所述第二管理模块的电路结构相同；
所述第一管理模块包括第一输入端、第一开关管、第一电阻、第一三极管、第二电阻、第三电阻、第二三极管、第四电阻、第五电阻和第一输出端，所述第一输入端连接至所述滤波整流模块和所述外部电源，所述第一输入端连接所述第一开关管的源极，所述第一开关管的漏极连接所述第一电阻的一端，所述第一电阻的另一端连接所述第一三极管的发射极，所述第一三极管的集电极连接所述第二电阻，所述第二电阻连接至所述第一三极管的基极和所述第三电阻，所述第三电阻连接所述第二三极管的发射极，所述第二三极管的集电极连接所述第四电阻，所述第四电阻与所述第五电阻串联，所述第五电阻连接至所述第二三极管的基极和所述第一输出端；
所述第三管理模块包括第三输入端、第三开关管、第一电容、第二电容、启动电阻和第三输出端，所述第三输入端与所述第二管理模块的第二输出端连接，所述第三开关管的栅极与所述控制芯片的控制端口连接，所述第三开关管的源极连接至所述第三输入端和所述第一电容，所述第三开关管的漏极连接所述第一电容和所述启动电阻，所述启动电阻和所述第二电容组成第三输出端用于连接负载；
所述第二管理模块包括第二输入端、第二开关管、第六电阻、第三三极管、第七电阻、第八电阻、第四三极管、第九电阻、第十电阻和第二输出端，所述第二输入端与所述电池连接，所述第二输入端与所述第二开关管的源极连接，所述第二开关的栅极与所述控制芯片连接，所述第二开关的漏极与所述第六电阻连接，所述第六电阻与所述第三三极管的发射极连接，所述第三三极管的集电极连接所述第七电阻，所述第三三极管的基极连接所述第七电阻和所述第八电阻，所述第八电阻连接所述第四三极管的集电极，所述第四三极管的集电极依次连接所述第九电阻和所述第十电阻，所述第十电阻连接所述第四三极管的基极和所述第二输出端，所述第二输出端连接电池；
其中，所述电源管理系统的电源管理方法包括以下步骤：
当未连接外部电源时，控制芯片控制第一开关管关闭、第二开关管和第三开关管打开，电池通过第二管理模块给第三管理模块的第一电容充电，当第二电容的电压达到负载的开启电压时，所述负载开始工作，所述电池给所述负载供电；
当所述电池的电量不足时，所述控制芯片接收到所述负载的电路电压或电流变化时，所述控制芯片控制所述第二开关管和所述第三开关管关闭，显示模块显示所述电池的电量信息，以提醒用户充电；
当连接所述外部电源时，所述控制芯片控制所述第一开关管打开、所述第二开关管和所述第三开关管关闭，所述外部电源经过滤波整流模块处理后给所述电池充电。
2.根据权利要求1所述的电源管理系统，其特征在于，所述第六电阻、所述第七电阻、所述第八电阻、所述第九电阻和所述第十电阻为稳压电阻，所述第二开关管为NMOS管，所述第二管理模块用于给所述控制芯片供电。
3.根据权利要求1所述的电源管理系统，其特征在于，所述第一电阻、所述第二电阻、所述第三电阻、所述第四电阻和所述第五电阻为稳压电阻，所述第一开关管为NMOS管，所述第一管理模块用于给所述电池充电。
4.根据权利要求1所述的电源管理系统，其特征在于，所述电源管理系统还包括与所述控制芯片连接的显示模块，所述显示模块用于显示所述电池的充放电状态。
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