CN114142552A - 一种恒功率充电电路、电子设备及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种恒功率充电电路、电子设备及系统，该恒功率充电电路用于向法拉电容充电，且包括：电源模块，用于提供电路所需的工作电压；MCU，其接收电源模块输出的供电功率、及法拉电容上采样的充电电压，且根据供电功率和充电电压计算充电电流；PID控制模块，其对充电电流采用PID算法控制，PID调节结果作为PWM的占空比；电压生成模块，其接收对应PWM的占空比的PWM电流信号，生成电压信号；充电控制模块，其输入端接收电压信号，并控制对法拉电容充电。本发明通过简单且便捷的控制方式实现法拉电流的恒功率充电；且该电路采用硬件少，占用体积小。
Description
技术领域
本发明属于充电控制技术领域，具体涉及一种恒功率充电电路及电子设备。
背景技术
法拉电容具有比电池无法比拟的优势：充电速度快、循环使用寿命长、没有记忆效应、安全系数高、超低温特性好等优点，使其广泛应用在目前很多电子设备上（例如、大功率音箱、电动玩具汽车、数码相机等）。
在需要大功率瞬间放电的情况下通常会使用法拉电容来供电，法拉电容的特性决定了其具有恒流充电和恒功率充电两种充电方式。例如，对于一个100F、20V的超级电容模组，若采用20V/10A的电源进行充电，在恒流充电模式下，最大充电电流为10A；而在恒功率充电模式下，充电功率可以维持在200W，如图1所示，恒流充电至20V时所需要时间约为182s，而恒功率充电至20V时所需要时间约为100s，表明恒功率充电方式比恒电流充电方式在时间上更具有优势。
在现在技术的恒功率控制方案中，有的采用IR2104半桥驱动器组成BUCK电路进行控制，但是由于IR2104芯片的工作频率偏低，所以负载侧使用的电感就比较大，造成体积非常大，在一些需求板载体积小的地方是受限的。
因此，受限于体积大、控制不方便等问题，目前在法拉电容上的充电方式更多的选择恒流充电方式。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种恒功率充电电路，能够通过简单且便捷的控制方式，实现法拉电流的恒功率充电；且该电路采用硬件少，占用体积小。
为了解决上述技术问题，本发明所提出如下技术方案予以解决：
本申请涉及一种恒功率充电电路，其用于向法拉电容充电，其特征在于，所述恒功率充电电路包括：
电源模块，用于提供电路所需的工作电压；
MCU，其接收所述电源模块输出的供电功率、及所述法拉电容上采样的充电电压，且根据所述供电功率和所述充电电压计算充电电流；
PID控制模块，其对所述充电电流采用PID算法控制，PID调节结果作为PWM的占空比；
电压生成模块，其接收对应所述PWM的占空比的PWM电流信号，生成电压信号；
充电控制模块，其输入端接收所述电压信号，并控制对所述法拉电容充电。
在本申请中，所述恒功率充电电路包括：
采样模块，其对所述电源模块输出的输出电压和输出电流进行采样，获取电压AD值和电流AD值；
根据所述电压AD值和电流AD值获取所述供电功率。
在本申请中，所述电压生成模块包括有分压支路，用于将所述PWM电流信号转换为所述电压信号，所述分压支路的输出端与所述充电控制模块的输入端连接。
在本申请中，所述电压生成模块还包括滤波电路，其设置在所述分压支路的输出端和所述充电控制模块的输入端之间。
在本申请中，所述滤波电路为电容，所述电容的一端连接在所述输出端和所述输入端的连接点处，另一端接地。
在本申请中，所述电压生成模块集成于所述MCU内、或者独立于所述MCU设置。
在本申请中，所述采样模块采用AD8217芯片实现。
在本申请中，所述充电控制模块采用BQ24640电源芯片实现。
本发明提供的恒功率充电电路，具有如下有益效果和优点：
（1）通过对电源模块的供电功率和法拉电容上充电电压，通过PID算法获取法拉电容恒功率充电所需的PWM电流信号，并根据该PWM电流信号，通过充电控制模块对法拉电容实现恒功率充电，提高法拉电容的充电效率；
（2）该充电电路涉及硬件部件少，对于产品的封装体积也会小，有助于提供产品小型化及轻量化；
（3）控制过程简单，便于实现及实施。
本申请涉及一种电子设备，其包括法拉电容；和如上所述的恒功率充电电路，用于对所述法拉电容恒功率充电。
本申请涉及一种系统，其特征在于，包括如上所述的电子设备。
结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简要介绍，显而易见地，下面描述的附图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附图。
图1为对100F、20V的超级电容模组使用20V、10A的电源进行恒电流充电及恒功率充电时时间与电压的曲线图；
图2为本发明提出的恒功率充电电路一种实施例的原理框图；
图3为本发明提出的恒功率充电电路实施例中采样模块一个实施例的电路图；
图4为本发明提出的恒功率充电电路实施例中充电控制模块一实施例的电路图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，其示出对于法拉电容，恒功率充电方式比恒电流充电能够节省时间，更快完成充电。
因此，为了实现对法拉电容恒功率充电，提高充电效率，在本申请中，涉及一种恒功率充电电路，其用于对法拉电容恒功率充电。
参见图2，其示出恒功率充电电路的原理框图。
恒功率充电电路包括电源模块10、MCU 20、PID控制模块21、电压生成模块40和充电控制模块30。
电源模块10用于向充电电路提供所需的工作电压。
电源模块10可以为直接提供24V DC电压的模块。
也可以为将外部电源转换为24VDC，此时电源模块10包括电源输入端CN1、前置滤波电路和电压转换器。
电源输出端连接前置滤波电路，前置滤波电路的输出端连接电压转换器。
前置滤波电路采用第一电解电容和第一电容并联，第一电容的正极通过第一电阻与电压转换器的输入端连接，电压转换器的输出端输出24V DC，电压转换器的输入端和输出端分别通过第二电容和第二电解电容接地。
MCU 20是充电电路的核心部分，其用于完成供电功率的计算及PID控制模块21的PID控制算法。
MCU 20可以选择集成芯片及外围电路来实现，例如可以选择KEA128。
需要说明的是，为了能够计算供电功率，需要采集电源模块10输出的电压和电流。
在本申请中，设置有采样模块，其对电源模块10输出的输出电压和输出电流进行采样，获取电压AD值和电流AD值。
电压AD值和电流AD值能够输入至MCU 20，用于计算供电功率。
采样模块也可以为一个整体模块，其能够同时采集电源模块10输出的输出电压和输出电流。
参见图3，该采样模块可以选择AD8217芯片。
电源模块10的输出电压为VCC_Vin，其通过电阻R2和电阻R3串联形成的分压电路采集输出电压Ad_V_power。
通过设定分压电路上电阻R2和R3的电阻值的大小实现采样时的系数，例如，R3/（R2+R3）。
设置采样模块的采样周期为T。
在不同采样时刻下分别获取到一个Ad_V_power，即，Ad_V_power（n）,其中n为采样时刻。
AD8217芯片的+IN端连接VCC_Vin和限流电阻R1的一端，-IN端连接限流电阻R1的另一端和电压输出端VCC_Vout；OUT端输出采样的电流AD值Ad_I_power。
其中VCC_Vout可以用于为充电控制模块供电。
替代地，采样模块也可以包括两个模块：电压采样模块和电流采样模块。
电压采样模块用于采集电源模块10输出的输出电压，电流采样模块用于采集电源模块10输出的输出电流。
电压采样模块可以选择使用如上所述的分压电路。
电流采样模块可以利用差分运放及其电阻搭建而成；或者也可以采用MAX4173芯片进行电流检测。
MCU 20接收电压AD值和电流AD值，并计算供电功率。
PID控制模块21集成于MCU 20上，用于对法拉电容上的充电电流进行PID调节控制。
为了计算在恒定的供电功率下法拉电容上所需要的充电电流，还需要采集法拉电容上的充电电压，其中，法拉电容上的充电电压是缓慢上升的。
通过设置电容电压采样模块50，用于在法拉电容充电过程中，根据电容电压采样周期对法拉电容的电压进行采样，获取充电电压；也可以进行多次采样，获取多个电容电压采样值，通过对多个电容电压采样值进行平均值计算，作为充电电压。
电容电压采样模块50可以利用现有的分立元件构成。
PID控制模块21用于对法拉电容上的充电电流进行PID调节控制，MCU 20根据供电功率和充电电压计算出所需要设置的充电电流。
对充电电流通过PID控制器进行调节，输出范围限定PWM的范围，PID调节的结果作为PWM的占空比，并根据PWM的占空比获取到对应的PWM电流信号。
其中，PID控制器的PID调节是常用的控制算法，在此不做赘述。
根据PWM的占空比，可以利用PWM生成器生成PWM波，其对应PWM电流信号。
PID控制模块 21及PWM生成器都可以集成于MCU 20中。
电压生成模块40用于接收PWM电流信号，并生成对应的电压信号。
参见图4，电压生成模块40包括分压支路，用于将PWM电流信号转换为电压信号。
分压支路可以包括电阻R6，充电控制模块30根据电压信号控制对法拉电容的充电。
电阻R6一端连接PWM电流信号，另一端连接充电控制模块30的输入端。
电压生成模块50还可以包括滤波电路，用于对PWM电流信号进行滤波，该滤波电路连接在分压支路和充电控制模块30的输入端之间。
该滤波电路可以包括电容C4，其一端连接在电阻R6另一端与充电控制模块30的输入端ISET连接的连接点处，电容C4的另一端接地。
PWM电流信号通过电阻R6和电容C4，转换成一个稳定的电压值输入至充电控制模块30的输入端。
电压生成模块40也可以为DA转换器。
该电压生成模块40可以集成于MCU内，也可以独立MCU设置。
由于法拉电容上的电压是缓慢上升的，因此，通过实时计算PWM电流信号，并通过改变PWM占空比，来改变输入法拉电容上的充电电流，以实现恒功率充电。
在本申请中，参见图4，充电控制模块30采用BQ24640 电源芯片实现。
电压生成模块40生成的电压信号输入至BQ24640 电源芯片的引脚ISET，VFB引脚用于对法拉电容进行充电。
现有技术中，BQ24640 多用于对法拉电容的恒电流充电，在本申请中，根据MCU 20计算得到的PWM电流信号，利用BQ24640 电源芯片实现对法拉电容的恒功率充电。
需要说明的是，图4中仅示出BQ24640 电源芯片的与本申请相关的引脚ISET和VFB，其他的引脚处外围电路设置是BQ24640 电源芯片的常规设置，在此并未示出。
替代地，也可以采用LM-3481电源芯片来实现，FB引脚连接经过滤波后的PWM电流信号。
对法拉电容恒功率充电能够提高充电效率，且不需要复杂的外围电路。
整个控制方式简单方便，且硬件数量少，提高板载利用空间，有助于产品小型化及轻量化。
实施例二
本申请涉及一种电子设备，其可以为大功率音箱、电动玩具汽车、数码相机等需要充电的设备。
该电子设备中具有法拉电容和用于对法拉电容充电的恒功率充电电路。
本实施例中的恒功率充电电路为实施例一中所述的恒功率充电电路。
恒功率充电电路的结构及工作原理参见如上所述部分。
实施例三
本申请还涉及一种系统，其包括如上所述电子设备，该系统可以为智能家居系统（其涉及例如音箱、智能眼镜等）、游戏主机等。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种恒功率充电电路，其用于向法拉电容充电，其特征在于，所述恒功率充电电路包括：
电源模块，用于提供电路所需的工作电压；
MCU，其接收所述电源模块输出的供电功率、及所述法拉电容上采样的充电电压，且根据所述供电功率和所述充电电压计算充电电流；
PID控制模块，其对所述充电电流采用PID算法控制，PID调节结果作为PWM的占空比；
电压生成模块，其接收对应所述PWM的占空比的PWM电流信号，生成电压信号；
充电控制模块，其输入端接收所述电压信号，并控制对所述法拉电容充电。
2.根据权利要求1所述的恒功率充电电路，其特征在于，所述恒功率充电电路包括：
采样模块，其对所述电源模块输出的输出电压和输出电流进行采样，获取电压AD值和电流AD值；
根据所述电压AD值和电流AD值获取所述供电功率。
3. 根据权利要求1所述的恒功率充电电路，其特征在于， 所述电压生成模块包括有分压支路，用于将所述PWM电流信号转换为所述电压信号，所述分压支路的输出端与所述充电控制模块的输入端连接。
4.根据权利要求3所述的恒功率充电电路，其特征在于，所述电压生成模块还包括滤波电路，其设置在所述分压支路的输出端和所述充电控制模块的输入端之间。
5.根据权利要求4所述的恒功率充电电路，其特征在于，所述滤波电路为电容，所述电容的一端连接在所述输出端和所述输入端的连接点处，另一端接地。
6. 根据权利求1所述的恒功率充电电路，其特征在于， 所述电压生成模块集成于所述MCU内、或者独立于所述MCU设置。
7.根据权利要求2所述的恒功率充电电路，其特征在于，所述采样模块采用AD8217芯片实现。
8.根据权利要求1所述的恒功率充电电路，其特征在于，所述充电控制模块采用BQ24640电源芯片实现。
9. 一种电子设备，其特征在于，包括：
法拉电容；和
如权利要求1至8中任一项所述的恒功率充电电路，用于对所述法拉电容恒功率充电。
10.一种系统，其特征在于，包括如权利要求9所述的电子设备。
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