CN1303160A - 锂离子电池充电器 - Google Patents

Abstract

一种锂离子电池充电器,由适配卡座及充电基座组成,工作电路基于恒流——恒压充电模式,其结构特点是:1、适配卡座通过其下方装有金属接片的凸座置入供放置某一规格待充电池的位于充电基座壳体上方的凹座内,另一规格的待充电池置于适配卡座上方的凹座内,2、调整管共用的恒流源、恒压源电路组成可分别开闭的低压差精密恒流恒压充电电路,3、由与非门IC3A～IC3D及运放IC4、IC5A～IC5D为核心组成的监控电路,对充电全过程实施监控并显示。

Description

锂离子电池充电器

本发明涉及一种用于锂离子电池充电的电池充电器，特别是涉及可配备适配卡座的低压差精密锂离子电池充电器。

锂离子电池(以下简称锂电池)因其价格贵昂，且对过充、过放电敏感，特殊用途(如用于移动电话)的锂电池虽其内部已具有保护电路，但仍对充电器有严格的要求。已知的锂电池充电模式是恒流——恒压充电，技术刊物《电子报》99年14期所载《锂离子电池充电器》一文介绍锂离子电池充电控制芯片LM3420及其应用，推荐LM3420和稳压ICLM317或LM2575的配合应用实现恒流——恒压充电，但是该电路结构的充电器其充电回路串入电流采样电阻后，稳压IC本身已失去对充电电压的稳压作用，而仅起受控电压调节元件的作用，实验证明，该充电器所实现的恒流充电电流和恒压充电电压的电压调整率和电流调整率均较差(劣于5％)；其次，上述稳压IC本身的输入输出压差大于2.5V，为该充电器提供的最小输入直流电压必须大于电池最大安全充电电压、电流采样电阻最大压降与2.5V之和，如果对用于移动电话的单体3.6V锂电池充电，选择充电电压4.2V，电流采样电阻最大压降0.3V，则充电器最小输入电压应大于7V，而使用锂电池的移动电话附带的原装电源适配器(把市电变换为低压直流电压的变换器)输出的直流电压在5V～6V间，可见所述充电器无法使用原电源适配器。原文没有介绍充电器所必须的监控显示电路。

目前品种繁多的充电器市场尚没有严格符合锂电池充电模式的供锂电池充电的专用或兼用充电器，而且这些充电器只能对某一规格的电池充电，若需为另一规格的电池充电，必须更换充电器，这给消费者带来不便，充电器生产厂家也因此投资大，管理难，产品更新慢。

本发明的目的是提供一种可按不同电池规格配置适配卡座的低压差锂电池充电器，其电路由通用元器件组成，以精密恒流——恒压充电模式工作，并可对空载——恒流充电——恒压充电——满充电——空载的工作过程自动监控、显示。

为实现上述目的，本发明由适配卡座和充电基座组成，充电基座由壳体和置于其内部的以恒流——恒压充电模式工作的电路组成，工作电路包括开闭可控的恒流恒压源电路、监控电路、电源端口和充电端口，其结构特点如下：

1、已知的充电基座壳体上表面有一供放置某一规格待充电池的凹座，凹座一内侧有一组数目和间距和该电池电极的数目和间距相等、之间互相绝缘的金属弹片，金属弹片和工作电路的电气连接使该电池置入凹座后，电池与电路之间能正确传输充电电流和电池信号。本发明增加供放置另一规格待充电池的适配卡座，适配卡座下方有一形状同某一规格待充电池的凸座，凸座一外侧有一组金属接片，其数目及间距与某一规格电池电极的数目及间距相等且之间互相绝缘，适配卡座可通过凸座以放置某一规格待充电池的方法置入充电基座壳体上表面的凹座内，凸座一侧的金属接片与充电基座壳体上表面的凹座一内侧的金属弹片一一电气接触良好，适配卡座上表面有一可放置另一规格待充电池的另一凹座，其一内侧装配和另一规格待充电池电极的数目和间距相等、之间互相绝缘的金属弹片，并可和置入后的另一规格待充电池电极一一电气接触良好，适配卡座凸座一侧的金属接片和其上表面凹座一内侧的金属弹片有一一对应的电气连接，以保证适配卡座置入充电基座壳体上表面的凹座后，已置入适配卡座上表面凹座内的另一规格待充电池和充电器电路之间能正确传送充电电流和电池信号。

2、开闭可控的恒流恒压源电路包括恒流源电路部分和恒压源电路部分，两部分均包含采样、比较、放大、接口、调整环节和电子开关，其中调整环节的一只调整三极管为两套电路共用，它和电流采样电阻是串接在充电主回路上仅有的二只元件。恒流源电路内置的基准电压输入到放大器的一个输入端，成正比于充电电流的电流采样电阻的电压输入到放大器的另一相反相位输入端，输入到放大器的基准电压和采样电阻电压有共同的电位参考点，放大器的两相位相反的输入端和两输入电压的连接以能使电路构成电流负反馈为原则，放大器把两输入端差值电压放大，其输出端通过接口电路和调整环节三极管的基极连接，该三极管的C、E极串联在充电主回路，电子开关连接在放大器之前、之后或前后，以控制恒流源电路的开通和关闭，当关闭时，接口电路使放大器和调整三极管分离，电子开关受控于监控电路；恒压源电路各环节的连接关系和恒流源电路相同，其采样电压来自充电端口的充电主回路的充电电压，内置的基准电压与采样电压和放大器两个相反相位的输入端的连接以使电路构成电压负反馈为原则。

3、监控电路包括充电端口监测电路、脉冲发生电路、恒流恒压转换电路、门控电路、满充电检测电路、状态显示电路和基准电压电路。充电端口监测电路包括积分电路、比较器和或非门，积分电路也可选用平均值电路，或非门也可选用或门，充电端口的充电电压经积分电路送入比较器的一个输入端，基准电压电路输出的基准电压和比较器的另一个输入端连接，比较器的输出端和或非门的一个输入端连接，或非门的另一输入端则通过充电端口和待充电池信号、即待充锂电池所特有的一带电位(零电位或非零电位)的电极连接，作为充电端口监测电路的输出端，或非门输出端输出表明非充电状态和充电状态的两种逻辑电平，非充电状态包括空载和故障状态，充电状态包括恒流、恒压和满充电状态；脉冲发生电路为一占空比可调的多谐振荡器，它受控于充电端口监测电路，只在非充电状态才输出脉冲；恒流恒压转换电路为一比较器，充电端口的充电电压经分压后送到比较器的一输入端，基准电压则输入至比较器另一输入端，比较器的输出端输出表明恒流充电状态和恒压充电、满充电状态的两种逻辑电平；门控电路由逻辑门电路组成，其三个输入端分别和充电端口监测电路的输出端、恒流恒压转换电路的输出端和脉冲发生电路的输出端连接，对三种输入电平进行逻辑运算，输出以两种逻辑电平区别恒压充电、满充电状态和恒流充电、非充电状态的一路控制恒压源电路的电子开关，以使恒压源电路在恒压充电、满充电阶段开通，其他工作阶段关闭，以两种逻辑电平区别恒压充电、满充电状态和恒流充电状态及以脉冲电平表明非充电状态的另一路控制恒流电路的电子开关，以使恒流源电路在恒流充电阶段开通，在非充电阶段按脉冲频率交替开闭，在其他工作阶段关闭；满充电检测电路包括电压放大器和比较器，串联在充电主回路的电流采样电阻电压输入到电压放大器的输入端，电压放大器输出端和比较器的一输入端连接，比较器的另一输入端输入基准电压，比较器的输出端输出表明恒流、恒压充电阶段和满充电、非充电阶段的两种逻辑电平；状态显示电路由三只发光二极管及各自串联的限流电阻组成，每路跨接在具有发光二极管驱动能力的两逻辑电平或脉冲电平之间，以实现恒流充电阶段，仅一只发光二极管发亮，恒压充电阶段仅另一只发光二极管发亮，满充电阶段仅第三只发光二极管发亮，非充电阶段仅其中一只发光二极管闪烁，连接到状态显示电路的电平来自充电端口监测电路的比较器输出端、脉冲发生电路输出端、恒流恒压转换电路输出端和满充电检测电路的比较器输出端；基准电压电路为基准电压集成电路，也可由以稳压二极管为核心的分立元件组成。

本发明具有以下显著的优点：

1、对于拥有多种规格待充电池的用户，只需配备多种相应规格的适配卡座，共用一只充电基座即可轮换对多种电池充电，因适配卡座相对便宜得多，利于消费者；对充电器生产厂家而言，采用充电基座和适配卡座的配合生产，可节省大量投资，便于管理，生产效率高，产品的更新换代也快，尤其对用于移动电话的充电器的产、销、购更具实际意义。

2、只有一只调整三极管共用的两套各自独立的开闭可控的恒流源、恒压源电路用以提供充电电流和充电电压的电路设计，其优点有四：首先，在充电主回路只有一只电流采样电阻和一只调整三极管，实现了充电器的低压差特点，如果对单体额定电压3.6V锂电池充电，选择恒压充电电压4.2V，电流采样电阻最大压降0.3V，调整三极管最小压降0.7V，那么充电器最小输入直流电压只需5.2V，因此本发明作为移动电话电池充电器时，可利用移动电话随配的输出直流电压在5V～6V间的电源适配器为本充电器提供外电源；其次，两套电路除调整管外各自独立，可提供高稳定度(两套电路的电压调整率和电流调整率均优于1％)的充电电流和充电电压，当选用最高安全充电电流和最高安全充电电压时，不必担心因电流、电压的向上波动而损坏被充电池，在恒压充电后期也不会因充电电压的向下波动导致电池电流的反向泄漏而难以使电池达到额定容量，因而易于在保证电池安全的条件下实现快充电；再次，恒流源电路的输出阻抗相当高(几十M欧以上)，当负载发生短路时，输出电流仍稳定在设定值，具有短路保护作用；最后，两套电路均可由电子开关分别控制开闭，利于监控电路的操作。

3、监控电路逻辑关系明确，可对空载、恒流充电、恒压充电、满充电四种状态自动监测、识别与转换，并提供四种状态及充电端口(包括电池)故障五种显示，比较实用。

4、当充电端口(包括被充电池)在任何工作阶段发生短路故障时，监控电路立即关闭或继续关闭恒压源电路，以脉冲方式断续开通恒流源电路，输出的脉冲电流幅值被恒流源电路限制在设定的恒流值，对充电电路无损害，因此不必考虑短路保护措施；又由于满充电阶段充电电流已很小，并可继续减小趋零，故长时间充电对电池无危害，电池被充满后，不必采用常规的转入脉冲式涓流充电方式；再由于显示电路利用具有驱动能力的逻辑电平作为发光二极管的驱动源，因此电路比较简洁。

5、充电电路均由价廉的通用元件组成，成本低，大部分零件功率小，利于集成为专用器件。

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1是某一规格锂离子电池的立体示意图。

图2是图1所示电池的A向视图。

图3是充电基座立体示意图。

图4是另一规格锂离子电池的立体示意图。

图5是图4所示电池的B向视图。

图6是适配卡座立体示意图。

图7是图6所示适配卡座的C向视图。

图8是工作电路结构框图。

图9是工作电路图。

参照附图，充电基座壳体1上表面有一供放置某一规格待充电池2的凹座3，凹座3一内侧有四只间距和电池2的电极GR、B+、B-、DW的间距相等、之间互相绝缘的金属弹片71～74，71～73分别和接线端CZ2的X、Y、Z端电气连接，74不接线。

适配卡座4下方有一形状同电池2的凸座5，凸座5一外侧有四只金属接片81～84，其间距和电池2电极的间距相等、之间互相绝缘，适配卡座4可通过凸座5以放置电池2的方法置入凹座3内，凹座3一内侧的金属弹片71～74和凸座5一外侧的金属接片81～84一一电气接触良好，适配卡座4上表面有可放置另一规格待充电池7的凹座6，其一内侧装配四只和电池7电极GR＇、B+＇、B-′、DW＇间距相等互相之间绝缘的金属弹片91～94，并可和置入后的电池7的电极一一电气接触良好，金属接片81～83和金属弹片91～93分别一一对应电气连接。

开闭可控的恒流恒压源电路包括恒流源电路部分和恒压源电路部分。

恒流源电路包括由运算放大器IC1、三极管Q1～Q2、稳压二极管DW1、电阻R1～R4、电容C1～C2组成的恒流源电路和由三极管Q3～Q4、电阻R5～R8组成的两个电子开关；稳压二极管DW1和动态稳定电容C1并联，其阳极再和限流电阻R4串联后通过作为电子开关的三极管Q4的C、E极接地，DW1的阴极接电源电压正极VC，DW1两端形成基准电压后由电阻R2、R3分压，R2、R3的结点和运放IC1的同相输入端连接，串联于充电主回路的电流采样电阻R1一端接电源VC，另一端和调整三极管Q1的C极连接，还和IC1的反相输入端连接，运放IC1作为输入电压的比较放大环节，其输出端和作为接口的三极管Q2的B极连接，Q2在该电路开通时还和三极管Q1构成PNP复合调整管，Q2的E、C极分别和Q1的C、B极连接，Q1的C、E极串联在充电主回路，Q1的E极向充电端口CZ2-Y输送恒定充电电流，运放IC1的输出端还通过动态稳定电容C2和电源VC连接；作为电子开关的三极管Q3、Q4分别置于放大器IC1之后和之前，Q3的E极和电源VC连接，C极和Q2的B极连接，电阻R7、R8为Q4的上、下基极电阻，电阻R6、R5为Q3的上、下基极电阻，电阻R5、R7的另一端相连，受控于监控电路，当此连接点为高电位，Q3截止、Q4饱和，Q2的B极受控于IC1的输出端，恒流源电路开通，当此连接点为低电位，Q3饱和、Q4截止，使Q2截止而把运放IC1和三极管Q1隔离，恒流源电路关闭。

恒压源电路包括以精密可调基准电压源IC2(TL431等)为核心，三极管Q1和Q5、电阻R9～R12、电容C3组成的串联型恒压源电路和由三极管Q6～Q7、电阻R13～R16组成的两个电子开关，基准电压源IC2为三端器件，其A端接地，K端通过电阻R10接电源正极VC，R端和串联后跨接于充电端口CZ2-Y和地之间的电压采样电阻R11、R12的结点连接，IC2内部电路主要为带内置基准电压源的运放，它把R端的采样电压和内置基准电压比较、放大后由K端输出，R端和K端为反相关系，之间跨接动态稳定电容C3，IC2的K端和作为接口的三极管Q5的B极连接，由Q5和其射极电阻R9组成的射随器在该电路开通时又起着缓冲作用，Q5的C极接地，其E极还和调整三极管Q1的B极连接，Q1的E极向充电端口CZ2-Y输送恒定充电电压。作为电子开关的三极管Q6、Q7置于IC2之前和之后，Q5的射极电阻R9通过Q6的C、E极和电源VC连接，Q7的C、E极跨接在采样电阻R12两端，电阻R14、R13为Q6的上、下基极电阻，电阻R15、R16为Q7的上、下基极电阻，电阻R13、R15的另一端相连，受控于监控电路，当此连接点为高电位，Q6截止、Q7饱和，IC2的R端电位被拉低，K端为高电位，使Q5截止，IC2和Q1被分离，关闭恒压源电路，当此连接点为低电位，Q6饱和、Q7截止，恒压源电路正常工作。

充电端口监测电路包括由电阻R33、电容C5、二极管D9组成的单向积分电路，由运放IC5D、电阻R34组成的比较器和由与非门IC3D、二极管D7～D8、电阻R31～R32组成的或非门，充电端口的CZ2-Y端通过单向积分电路和运放IC5D的反相输入端连接，二极管D9并接于积分电阻R33，其阳极和IC5D的反相输入端连接，阴极连接于CZ2-Y端，IC5D的反相输入端通过积分电容C5接地，IC5D的同相输入端通过电阻R34连接基准电压VR，IC5D的输出端作为或非门NOR的输入端之一和二极管D7的阳极连接，或非门NOR的另一个输入端二极管D8的阳极和充电端口的CZ2-X端连接，还通过上拉电阻R32和电源电压VC连接，与非门IC3D连接成非门，其输入端和二极管D7～D8的阴极连接，还通过电阻R31接地，IC3D的输出端作为充电端口监测电路的输出端，当非充电状态时为低电平，充电状态时为高电平。

脉冲发生电路为以运放IC5B为核心、由二极管D3～D4、电阻R22～R26、电容C4组成的占空比可调的自激多谐振荡器，二极管D5的阳极连接与非门IC3D的输出端，阴极连接IC5B的同相输入端，脉冲发生电路仅在非充电状态工作。

恒流恒压转换电路为以运放IC5C、二极管D6、电阻R27～R30组成的单向电位滞后比较器，电阻R27～R28串联后跨接在充电端口CZ2-Y端和地之间，其结点和IC5C的反相输入端连接，IC5C的同相输入端通过电阻R29连接基准电压VR，二极管D6和电阻R30串联后跨接在IC5C的同相输入端和输出端之间，D6的阴极连接IC5C的输出端，IC5C的输出端在恒压充电和满充电状态为低电平，恒流充电状态为高电平，非充电状态为脉冲电平。

门控电路包括三只二输入端与非门IC3A～IC3C，IC3C的输入端37和运放IC5C的输出端连接，输入端38和与非IC3D的输出端连接，IC3C的输出端39分别和IC3B、IC3A的各一个输入端34、31连接，IC3B的输入端35也和IC3D的输出端连接，IC3A的输入端32则和运放IC5B的输出连接，IC3B的输出端36和恒压电路电子开关基极电阻R13、R15的结点连接，以在恒压充电和满充电状态的低电平、恒流充电和非充电状态的高电平控制恒压源电路的开通和关闭；IC3A的输出端33和恒流源电路电子开关的基极电阻R5、R7的结点连接，以在恒压充电和满充电状态的低电平、恒流充电状态的高电平、非充电状态的脉冲电平控制恒流源电路的关闭、开通或断续开通。

满充电检测电路包括由运放IC4、三极管Q8、电流采样电阻R1、电阻R17～R18组成的体现充电电流的电压放大器和由运放IC5A、二极管D1～D2、电阻R19～R21组成的单向电位滞后比较器，运放IC4的反相输入端连接于采样电阻R1和三极管Q1的C极的结点，IC4的同相输入端通过电阻R17和电源电压VC连接，电阻R17又是三极管Q8的集电极电阻，电阻R18为Q8的射极电阻，Q8的B极和运放IC4的输出端连接，Q8的E极通过电阻R19和运放IC5A的同相输入端连接，二极管D1和电阻R21串联的后跨接于运放IC5A的同相输入端和输出端之间，IC5A的同相输入端还通过二极管D2和与非门IC3D的输出端连接，二极管D1～D2的阳极均连接于IC5A的同相输入端，IC5A的反相输入端通过电阻R20连接基准电压VR，IC5A的输出端在恒流、恒压充电状态为高电平，满充电、非充电状态为低电平。

状态显示电路包括发光二极管LED1～LED3、电阻R35～R37，电阻R35和LED1的阳极串联，R35另一端和运放IC5C的输出端连接，LED1的阴极和运放IC5D的输出端连接，LED1在恒流充电阶段发亮；电阻R36和LED2阳极串联，R36另一端和运放IC5A的输出端连接，LED2的阴极和运放IC5C的输出端连接，LED2仅在恒压充电阶段发亮；电阻R37和LED3的阳极串联，R37的另一端和运IC5B的输出端连接，LED3的阴极和运放IC5A的输出端连接，LED3仅在满充电阶段发亮、在非充电状态闪烁。

基准电压电路为集成基准电压源IC6(可采用MC1403)，IC6的61端接电源电压VC，63端接地，62端输出基准电压VR(当采用MC1403时，VR=2.5V)。

上述运放IC1、IC4可采用通用运放LM741、LM747等，运放IC5A～IC5D可采用通用运放LM358、LM324等，与非门IC3A～IC3D可采用CD4011等，各集成电路按应用手接入电源电压VC和地。

电源端口为接线端CZ1，其中V端引入外部直流电源电压正极VC，并向本发明的工作电路提供电源正极电压VC，E端引入外部电源负极，还和工作电路的“地”连接。

充电端口包括接线端CZ2、充电基座壳体1上表面凹座3一内侧金属弹片71～74、适配卡座凸座5一外侧金属接片81～84、凹座6一内侧金属弹片91～94，其中CZ2的X端和71连接，81和91连接，Y端和72连接，82和92连接，Z端和73连接，83和93连接，Z端还和工作电路的“地”连接，74、84、94没有接线。当待充电池置入凹座3后，具有零电位的电池电极GR通过71和CZ2的X端连接，电池正极B+通过72和CZ2的Y端连接，电池负极B-通过73和CZ2的Z端连接；当使用适配卡座充电时，电池的GR＇极通过91、81、71和X端连接，B+＇极通过92、82、72和Y端连接，B-′极通过93、83、73和Z端连接。图9虚线框内部分为用于对只有正、负两个电极的普通用途锂电池充电的适配卡座的充电端口电气连接图，其中82和92连接，83和93连接，81通过具有常开触点的位置开关WK和83连接，当待充电池置入凹座6后，电池正、负极分别和92、93保持电气接触，并使WK常开触点闭合。

当充电器电源端口CZ1获得外加直流电源VC，而待充电池未置入充电基座壳体上的凹座3或适配卡座上的凹座6(当使用适配卡座充电时)，即充电器处于空载状态时，充电端口监测电路中或非门NOR输入端的二极管D8阳极被电阻R32上拉为高电位，故或非门NOR输出低电位，该低电位分别输入到门控电路与非门IC3B和IC3C的各一个输入端35和38、封锁了另一个输入端，使IC3B和IC3C均输出高电位。由于IC3B输出端36为高电位，作为电子开关的三极管Q7饱和、Q6截止，Q7饱和把IC2的R极电位拉低，使K极电位接近电源电压VC，接口三极管Q5截止，隔离了IC2和调整管Q1，Q6截止又使Q1的基极不能通过电阻R9获得基极电压，恒压源电路被关闭，Q1的E极，即充电端口的CZ2-Y端没有恒定充电电压。或非门NOR输出的低电位使二极管D5截止，脉冲发生电路工作，运放IC5B输出脉冲电平，由于门控电路与非门IC3A的输入端31为高电位，输入端32为脉冲电平，其输出端33输出与输入端32相位相反的脉冲电平。当IC3A的输出端33出现脉冲高电平时，作为电子开关的三极管Q4饱和、Q3截止，Q4饱和使运放IC1的同相输入端获得基准电位，Q3截止使接口三极管Q2可受控于IC1输出端，并和三极管Q1构成PNP互补复合管，此时，运放IC1把其反相输入端输入的电流采样电阻R1上的电压和基准电压比较并放大后，由其输出端控制三极管Q2的B极、即互补复合的B极电位，恒流源电路被开通，Q1的E极向充电端口的CZ2-Y输出恒定电流，对于极限情况的空载状态，Q1的E极电压接近电源电压VC；当IC3A输出端为脉冲低电平时，三极管Q3饱和、Q4截止，接口三极管Q2因Q3饱和，其基极电位被拉高而截止，运放IC1的同相输入端电位因Q4截止被拉高，IC1输出端电位上升而避免较大的灌电流，此时恒流源电路被关闭，充电端口的CZ2-Y没有任何充电电压。随着IC3A输出端的脉冲电平的出现，恒流源电路被交替开、闭，充电端口的CZ2-Y端出现电压扫描脉冲，等待着置入待充电池。或非门NOR的低电位还通过二极管D2把满充电检测电路的运放IC5A的同相输入端箝位于低电位，使IC5A输出低电位，此时LED3闪烁，显示空载状态。

在空载期间，扫描脉冲通过积分电路R33、C5进入充电端口监测电路的运放IC5D的反相输入端，选择脉冲发生电路输出的脉冲周期T=1.5秒～2秒，占空比为N＞4/5，积分电路时间常数τ≥1秒，运放IC5D反相输入端出现的脉冲电压幅值总是小于基准电压VR，其输出端保持高电位，因此发光二极管LED1不亮，发光二极管LED2也因运放IC5A输出端的低电位而不亮。虽然恒流恒压转换电路的运放IC5C的输出端、即与非门IC3C的输入端37也出现脉冲电位，但因IC3C的输入端38为低电位，该脉冲电位被封锁而不能在IC3C的输出端出现。

当电池2被置入充电基座壳体上的凹座3、或电池7被置入适配卡座上的凹座6后再置入凹座3时，电池极片GR(或GR＇)、B+(或B+＇)、B-(或B-＇)分别通过与其有关的金属片和接线端CZ2的X、Y、Z端连接，由于电极GR(GR′)在电池内部电路通过一数K欧电阻和B-(B-＇)连接，又因为电阻R32取值较大，此时或非门NOR的一输入端的二极管D8阳极电位被拉低、此时或非门的输出状态取决于运放IC5D的输出状态。

由于锂电池内部具有深放电保护电路，待充锂电池电压表现在电极B+和B-之间有两种情况：剩余电压在2.7V以上(对于单体3.6V锂电池)和零电压。当电池被置入充电凹座后，空载状态时的一个扫描脉冲足以解除电池内部的保护电路，而把电池B+、B-间电压“激活”由零跃升至2.7V以上，此时电池电压通过充电端口和由R33、C5组成的积分电路加到运放IC5D的反相输入端，由于电池剩余电压或经“激活”的电池电压均大于基准电压VR，IC5D状态翻转，输出低电位，使或非门NOR输出高电位，工作电路进入恒流充电状态。可见，对锂电池充电，当待充电池处于深放电保护状态时，没有扫描脉冲激活，充电器仍判定其为空载，充电无法进行。

充电过程可能出现的充电端口或电池故障一般发生在与电池电极B+、B-相关的金属片(包括电池电极与金属弹片、金属接片与金属弹片)之间接触不良、电池内部电路断路、电池短路等。当金属片接触不良或电池内部电路断路时，电池电压不能输送到接线端CZ2的Y、Z端，运放IC5D输出高电位，或非门NOR为低电位，脉冲发生器工作，发光二极管LED3闪烁，恒流源电路断续开通；当电池内部短路，表现在电极B+、B-之间电压很低或为零，这时CZ2的Y、Z端之间电压不足以使运放IC5D翻转，NOR仍输出低电位，LED3仍闪烁，恒流源电路断续输出幅值限制在设定的恒流值的短路电流。电池置入充电凹座后的任何充电阶段，只要LED3闪烁，提示工作电路处于故障状态，不能进入充电状态。

工作电路进入恒流充电状态的过程是：电池剩余电压(即起充电压)出现在CZ2的Y、Z端后，充电端口监测电路的或非门NOR输出高电位，开通了与非门IC3B、IC3C的另一个输入端34、37，又通过二极管D5强制脉冲发生电路停止工作，运放IC5B输出高电位，由于此时充电端口出现的起充电压远小于最高安全充电电压，恒流恒压转换电路的运放IC5C的反相输入端电位低于同相输入端的基准电压VR，IC5C输出高电位，由于与非门IC3C的两输入端37、38均为高电位，其输出端39为低电位，以致与非门IC3B、IC3A均输出高电位，IC3B输出的高电位仍关闭恒压源电路，IC3A输出的高电位则开通恒流源电路。恒流源电路以具有极高的电压放大倍数的比较放大环节所构成的电流负反馈电路，向充电主回路输送电压调整率(在允许的电源电压范围内)和负载调整率均优于1％的设定的恒定电流，通过充电端口的CZ2的Y、Z端向电池恒流充电。或非门NOR输出的高电位还使二极管D2截止，使满充电检测电路的比较器IC5A正常工作，因电压放大器的三极管Q8发射极电压VE和充电电流IL的关系为VE=IL*R18*R1/R17，此时的VE值远大于基准电压VR，IC5A输出高电位，发光二极管LED3停止闪烁。由于运放IC5C输出高电位，IC5D输出低电位，发光二极管LED1发亮，标志工作电路进入恒流充电状态。

随着恒流充电过程的继续，电池两端电压逐渐上升，当上升至设定的最高安全充电电压时，运放IC5C反相输入端电压等于同相输入端的基准电压VR，之后IC5C状态翻转，其输出端输出低电平，二极管D6同时导通，IC5C同相输入端电位被拉低，以防充电电压的微小波动导致IC5C状态不稳，以致恒流、恒压源充电电路的转换不稳定。

由于运放IC5C输出低电位，与非门IC3C因其输入端37为低电位而输出端39为高电位，此时与非门IC3B、IC3A的各两个输入端均为高电位，致使两输出端均跳变为低电位。IC3A的输出端33低电位，关闭了恒流源电路。IC3B的输出端36为低电位，作为电子开关的三极管Q6饱和，Q7截止，三极管Q5的射极电阻R9因Q6饱和而连接电源电压VC，精密基准稳压源IC2的R极因Q7截止而获取采样电压，IC2内部的运放把采样电压和内置的基准电压比较并放大，经K极输出，由三极管Q5耦合至调整三极管Q1的B极，并由Q1的E极输出设定在最高安全充电电压的恒定充电电压。由于IC2内部的放大环节有极高的电压放大倍数，加之三极管Q5的阻抗变换作用，所构成的电压负反馈恒压源电路输出的充电电压在允许的电源电压范围内，其电压调整率和负载调整率均优于1％。由于运放IC5C的输出端已为低电位，发光二极管LED1熄灭，以因为运放IC5A的输出端仍维持在高电位，故发光二极管LED2发亮，显示充电过程进入恒压充电状态。

随着恒压充电过程的进行，充电电流从恒压充电过程开始时的值、即恒流充电阶段的恒流值逐渐下降，满充电检测电路的电压放大器三极管Q8射极电压VE也随着下降，当充电电流IL下降至满充电电流标志IF时，VE值等于基准电压VR，之后运放IC5A翻转，其输出端输出低电位，二极管D1同时导通，把IC5A的同相输入端电位拉低，以提高IC5A翻转后状态的稳定性，此时发光二极管LED2熄灭，因IC5B输出端仍维持在高电位，LED3发亮，表示充电过程进入满充电状态。

在满充电阶段，充电电路仍以恒压充电方式工作，被充电池容量将超过额定容量，长时间充电，充电电流可下降至电池通过充电电路的60微安左右的反向泄漏电流，因满充电流标志IF值已很小，满充电阶段的恒压充电不会使锂电池潜在伤害，因此无必要按通常的电池充电器在充满后转入脉冲式涓充，再者，脉冲工作方式也不符合锂电池的充电模式。

满充电流标志IF的确定可先估算，再由实验校正。准确确定IF的意义不大，因为实际使用时等候充电器LED3发亮即取出电池的情况不多见。

当从充电基座的凹座3或适配卡座的凹座6取出已充电池时，充电端口CZ2的X端、即或非门NOR的输入端之一的二极管D8的阳极恢复高电位，或非门NOR输出低电位，脉冲发生电路工作；与非门IC3B输出高电位，关闭恒压源电路；与非门IC3A输出脉冲电平，恒流源电路交替开、闭，向充电端口输出扫描脉冲；运放IC5A输出端被箝位在低电位，发光二极管LED3闪烁，工作电路恢复空载状态。

如果没有设计或非门NOR的一个输入端和锂电池一带电位的电极(电极GR或DW)相关联，当已充电池被取出后，工作电路将被自锁在恒压充电状态，而不能进入空载状态。

普通用途的锂电池只有正、负两个电极，适用于这种锂电池的适配卡座4上方凹座6一内侧的金属弹片91、94可不安装。在适配卡座4加装一具有常开触点的位置开关WK，当待充电池置入凹座6后，电池正、负电极应分别与金属弹片92、93电气接触良好，开关WK应闭合，开关WK的两端分别和适配卡座4下方凸座5一外侧的金属接片81、83连接，见图9虚线框部分。如果不安装位置开关WK，接片81和83应短接，但充电器工作电路的空载状态为不定态，其余功能不变。

Claims (5)

1、一种可为锂离子电池充电的充电器，充电基座由壳体和置于其内部的以恒流——恒压充电模式工作的电路组成，壳体上表面有一供放置某一规格待充电池的凹座，凹座一内侧有一组数目和间距和该待充电池电极的数目和间距相等、之间互相绝缘的金属弹片，金属弹片和工作电路的电气连接使该电池置入凹座后，电池与电路之间能正确传输充电电流和电池信号，其特征在于：

A、供放置另一规格待充电池的适配卡座，其下方有一形状同某一规格待充电池的凸座，凸座一外侧有一组金属接片，其数目和间距与某一规格电池电极的数目和间距相等且之间互相绝缘，适配卡座可通过凸座以放置某一规格待充电池的方法置入充电基座壳体上表面的凹座内，凸座一侧的金属接片与充电基座壳体的凹座一内侧的金属弹片一一电气接触良好，适配卡座上表面有一可放置另一规格待充电池的另一凹座，其一内侧装配和另一规格待充电池电极的数目和间距相等、之间互相绝缘的金属弹片，并可和置入后的另一规格待充电池电极一一电气接触良好，适配卡座凸座一侧的金属接片和其上表面凹座一内侧的金属弹片有一一对应的电气连接，以保证适配卡座置入充电基座壳体上表面的凹座后，已置入适配卡座上表面凹座内的另一规格待充电池和充电器电路之间能正确传送充电电流和电池信号，

B、工作电路的开闭可控的恒流恒压源电路包括恒流源电路部分和恒压源电路部分，两部分电路均包含采样、比较、放大、接口、调整环节和电子开关，其中调整环节的一只调整三极管为两套电路共用，它和电流采样电阻是串接在充电主回路上仅有的二只元件；恒流源电路内置的基准电压输入到放大器的一个输入端，成正比于充电电流的电流采样电阻的电压输入到放大器的另一相反相位输入端，输入到放大器的基准电压和电流采样电阻电压有共同的电位参考点，放大器的两相位相反的输入端和两输入电压的连接以能使电路构成电流负反馈为原则，放大器把两输入端差值电压放大，其输出端通过接口电路和调整环节三极管的基极连接，调整环节三极管的C、E极串联在充电主回路，电子开关连接在放大器之前、之后或前后，以控制恒流源电路的开通和关闭，当关闭时，接口电路使放大器和调整三极管分离，电子开关受控于监控电路；恒压源电路各环节的连接关系和恒流源电路相同，其采样电压来自充电端口的充电主回路的充电电压，内置的基准电压与采样电压和放大器两个相反相位的输入端的连接以能使电路构成电压负反馈为原则，

C、工作电路的监控电路包括充电端口监测电路、脉冲发生电路、恒流恒压转换电路、门控电路、满充电检测电路、状态显示电路和基准电压电路；充电端口监测电路包括积分电路、比较器和或非门，积分电路也可选用平均值电路，或非门也可选用或门，充电端口的充电电压经积分电路送入比较器的一个输入端，基准电压电路输出的基准电压和比较器的另一个输入端连接，比较器的输出端和或非门的一个输入端连接，或非门的另一输入端则通过充电端口和待充电池信号、即待充锂电池所特有的一带电位的电极连接，作为充电端口监测电路的输出端，或非门输出端输出表明非充电状态和充电状态的两种逻辑电平；脉冲发生电路为一占空比可调的多谐振荡器，它受控于充电端口监测电路，只在非充电状态才输出脉冲；恒流恒压转换电路为一比较器，充电端口的充电电压经分压后送到比较器的一个输入端，基准电压输入到比较器的另一输入端，比较器的输出端输出表明恒流充电状态和恒压充电、满充电状态的两种逻辑电平；门控电路由逻辑门电路组成，其三个输入端分别和充电端口监测电路的输出端、恒流恒压转换电路的输出端和脉冲发生电路的输出端连接，对三种输入电平进行逻辑运算，输出以两种逻辑电平区别恒压充电、满充电状态和恒流充电、非充电状态的一路控制恒压源电路的电子开关，以使恒压源电路在恒压充电、满充电阶段开通，其他工作阶段关闭，以两种逻辑电平区别恒压充电、满充电状态和恒流充电状态及以脉冲电平表明非充电状态的另一路控制恒流源电路的电子开关，以使恒流源电路在恒流充电阶段开通，在非充电阶段按脉冲频率交替开闭，在其他工作阶段关闭；满充电检测电路包括电压放大器和比较器，串联在充电主回路的电流采样电阻的电压输入到电压放大器的输入端，电压放大器输出端和比较器的一输入端连接，比较器的另一输入端输入基准电压，比较器的输出端输出表明恒流、恒压充电阶段和满充电、非充电阶段的两种逻辑电平；状态显示电路由三只发光二极管及各自串联的限流电阻组成，每路跨接在具有发光二极管驱动能力的两种逻辑电平或脉冲电平之间，以实现恒流充电阶段仅一只发光二极管发亮，恒压充电阶段仅另一只发光二极管发亮，满充电阶段仅第三只发光二极管发亮，非充电阶段仅其中一只发光二极管闪烁，连接到状态显示电路的逻辑电平来自充电端口监测电路的比较器输出端、脉冲发生电路输出端、恒流恒压转换电路输出端和满充电检测电路的比较器输出端；基准电压电路为基准电压集成电路，也可由以稳压二极管为核心的分立元件组成。

2、根据权利要求1所述的锂离子电池充电器，充电基座壳体1上表面有供放置某一规格待充电池2的凹座3，凹座3一内侧有四只间距和电池2的电极GR、B+、B-、DW的间距相等、之间互相绝缘的金属弹片71～74，71～73分别和接线端CZ2的X、Y、Z端电气连接，其特征在于：

适配卡座4下方有一形状同电池2的凸座5，凸座5一外侧有四只金属接片81～84，其间距和电池2电极的间距相等、之间互相绝缘，适配卡座4可通过凸座5以放置电池2的方法置入凹座3内，凹座3一内侧的金属弹片71～74和凸座5一外侧的金属接片81～84一一电气接触良好，适配卡座4上表面有可放置另一规格待充电池7的凹座6，其一内侧装配四只和电池7电极GR＇、B+＇、B-′、DW＇间距相等、互相之间绝缘的金属弹片91～94，并可和置入后的电池7的电极一一电气接触良好，金属接片81～83和金属弹片91～93分别一一对应电气连接。

3、根据权利要求1所述的锂离子电池充电器，其特征在于：

A、开闭可控的恒流源电路包括由运放IC1、三极管Q1～Q2、稳压二极管DW1、电阻R1～R4、电容C1～C2组成的恒流源电路和由三极管Q3～Q4、电阻R5～R8组成的两个电子开关，稳压二极管DW1和动态稳定电容C1并联，其阳极再和限流电阻R4串联后通过作为电子开关的三极管Q4的C、E极接地，DW1的阴极接电源电压正极VC，DW1两端形成的基准电压由电阻R2、R3分压，R2、R3的结点和运放IC1的同相输入端连接，串联于充电主回路的电流采样电阻R1一端接电源正极VC，另一端和调整三极管Q1的C极连接，还和运放IC1的反相输入端连接，运放IC1作为输入电压的比较放大环节，其输出端和作为接口的三极管Q2的B极连接，Q2在该电路开通时还和Q1构成PNP复合调整管，Q2的E、C极分别和Q1的C、B极连接，Q1的C、E极串联在充电主回路，Q1的E极向充电端口的CZ2-Y输送恒定充电电流，运放IC1的输出端还通过动态稳定电容C2和电源正极VC连接；作为电子开关的三极管Q3、Q4分别置于放大器IC1之后和之前，Q3的E极和电源VC连接，C极和Q2的B极连接，电阻R7、R8为Q4的上、下基极电阻，电阻R6、R5为Q3的上、下基极电阻，电阻R5、R7的另一端相连，受控于监控电路，当此连接点为高电位，恒流源电路开通，当连接点为低电位，Q2截止而把运放IC1和三极管Q1隔离，恒流源电路关闭，

B、开闭可控的恒压源电路包括以精密可调基准电压源IC2(TLA31等)为核心，三极管Q1和Q5、电阻R9～R12、电容C3组成的串联型恒压源电路和由三极管Q6～Q7、电阻R13～R16组成的两个电子开关，基准电压源IC2为三端器件，其A端接地，K端通过电阻R10接电源正极VC，R端和串联后跨接于充电端口的CZ2-Y端和地之间的电压采样电阻R11、R12的结点连接，IC2内部电路把R端的采样电压和内置基准电压比较、放大后由K端输出，R端和K端为反相关系，之间跨接动态稳定电容C3，IC2的K端和作为接口的三极管Q5的B极连接，由Q5和其射极电阻R9组成的射随器在该电路开通时又起着缓冲作用，Q5的C极接地，其E极还和调整三极管Q1的B极连接，Q1的E极向充电端口的CZ2-Y输送恒定充电电压；作为电子开关的三极管Q7、Q6置于IC2之前和之后，Q5的射极电阻R9通过Q6的C、E极和电源VC连接，Q7的C、E极跨接在采样电阻R12两端，电阻R14，R13为Q6的上、下基极电阻，电阻R15、R16为Q7的上、下基极电阻，电阻R13、R15的另一端相连，受控于监控电路，当此连接点为高电位时，恒压源电路被关闭，当连接点为低电位时，恒压源电路正常工作，

C、充电端口监测电路包括由电阻R33、电容C5、二极管D9组成的单向积分电路，由运放IC5D、电阻R34组成的比较器和由与非门IC3D、二极管D7～D8、电阻R31～R32组成的或非门，充电端口的CZ2-Y端通过单向积分电路和运放IC5D的反相输入端连接，二极管D9并接于积分电阻R33，其阳极和IC5D的反相输入端连接，阴极连接于CZ2-Y端，IC5D的反相输入端通过积分电容C5接地，IC5D的同相输入端通过电阻R34连接基准电压VR，IC5D的输出端作为或非门NOR的输入端之一和二极管D7的阳极连接，或非门NOR的另一个输入端二极管D8的阳极和充电端口的CZ2-X端连接，还通过上拉电阻R32和电源VC连接，与非门IC3D连接成非门，其输入端和二极管D7～D8的阴极连接，还通过电阻R31接地，IC3D的输出端作为充电端口监测电路的输出端，当非充电状态时为低电平，充电状态时为高电平，

D、门控电路包括三只二输入端与非门IC3A～IC3C，IC3C的输入端37和运放IC5C的输出端连接，输入端38和与非门IC3D的输出端连接，IC3C的输出端39分别和IC3B、IC3A的各一个输入端34、31连接，IC3B的输入端35也和IC3D的输出端连接，1C3A的输入端32则和运放IC5B的输出端连接，IC3B的输出端36和恒压源电路电子开关基极电阻R13、R15的结点连接，以在恒压充电和满充电状态的低电平、恒流充电和非充电状态的高电平控制恒压源电路的开通和关闭；IC3A的输出端33和恒流源电路电子开关的基极电阻R5、R7的结点连接，以在恒压充电和满充电状态的低电平、恒流充电状态的高电平、非充电状态的脉冲电平控制恒流源电路的关闭、开通或断续开通，

E、满充电检测电路包括由运放IC4、三极管Q8、电流采样电阻R1、电阻R17～R18组成的体现充电电流值的电压放大器和由运放IC5A、二极管D1～D2、电阻R19～R21组成的单向电位滞后比较器，运放IC4的反相输入端连接于采样电阻R1和三极管Q1的C极的结点，IC4的同相输入端通过电阻R17和电源电压VC连接，电阻R17又是三极管Q8的集电极电阻，电阻R18为Q8的射极电阻，Q8的B极和运放IC4的输出端连接，Q8的E极通过电阻R19和运放IC5A同相输入端连接，二极管D1和电阻R21串联后跨接于运放IC5A的同相输入端和输出端之间，IC5A的同相输入端还通过二极管D2和与非门IC3D的输出端连接，二极管D1～D2的阳极均连接于IC5A的同相输入端，IC5A的反相输入端通过电阻R20连接基准电压VR，IC5A的输出端在恒流、恒压充电状态为高电平，满充电、非充电状态为低电平，

F、状态显示电路包括发光二极管LED1～LED3、电阻R35～R37，电阻R35和LED1的阳极串联，R35另一端和运放IC5C的输出端连接，LED1的阴极和运放IC5D的输出端连接，LED1在恒流充电阶段发亮；电阻R36和LED2阳极串联，R36另一端和运放IC5A的输出端连接，LED2的阴极和运放IC5C的输出端连接，LED2仅在恒压充电阶段发亮；电阻R37和LED3的阳极串联，R37的另一端和运放IC5B的输出端连接，LED3的阴极和运放IC5A的输出端连接，LED3仅在满充电阶段发亮、在非充电状态闪烁。

4、根据权利要求1或3所述的锂离子电池充电器，其特征在于：脉冲发生电路输出的脉冲周期T=1.5～2秒，占空比N＞4/5，充电端口监测电路的积分电路的时间常数τ≥1秒。

5、根据权利要求1或2所述的锂离子电池充电器，其特征在于：在适配卡座4加装一具有常开触点的位置开关WK，当待充电池置入凹座6后，电池正、负电极应分别与金属弹片92、93电气接触良好，开关WK应闭合，开关WK的两端分别和适配卡座4下方凸座5一外侧的金属接片81、83连接。

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