CN204243849U - 一种自动控制的直流充电器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种自动控制的直流充电器，包括充电器、设有AD转换器和时钟器的单片机以及连接于充电器与AD转换器之间的电流采样电路，还包括连接于单片机输出端与充电器的输入端之间的开关电路，开关电路包括可控硅驱动器、可控硅、轻触无自锁开关，其中，可控硅、轻触无自锁开关并联连接在交流电火线与充电器的输入端之间，可控硅驱动器一端与单片机输出端连接，可控硅驱动器另一端与可控硅的栅极连接。本实用新型的充电器能有效防止过充，最大化保持电池充电放电能力，提高耐用性。同时，在充电器不充电的时候，能及时断开初级交流电，避免不必要的能源损耗，节能环保。

Description

一种自动控制的直流充电器

技术领域

本实用新型涉及直流充电器技术领域，更具体地说，特别涉及一种自动控制的直流充电器。

背景技术

互联网时代、数码时代、智能时代，人们的生活里不能缺少智能手机、平板电脑、移动电源等，然而由于电池容量有限再加这些设备的使用量越来越大，充电工作量也变得越来越大，问题也越来越多，甚至是充电事故频发。主要表现为以下两个方面：

长期过充，电池储量快速下降。近年来电池大都采用锂离子电池，根据锂离子电池的充放电特性，不宜长时间过充，过充会导致电池发热、储能下降。由于需要追求外观轻薄，同时也要考虑产品成本，生产厂家在设计产品的时候往往把电池设计得很薄很小，满电量的电池对电话频繁的用户来说，常常只能支撑半天使用。所以白天续充是必须的过程，受工作时间限制，也只能是短时间补充，现代人繁忙的情景常常是刚补充了一点就要出发。夜间充电成了最有保障时段，也是现代人晚上睡觉前必须的工作，而一部手机电池从空到满的充电时间大约也就是2-3小时，也就是说，夜间充电6-7个小时是过充，对睡眠时间长的人可能长达8-10个小时，过充现象非常严重，对电池的损害不言而喻，安全问题更是不容忽视。

充电器长期空载带电。人们忙于工作，早晨记得带上必须的手机、移动电源，却忘了带上充电器和线，充电器依然在电源插座上插着。而办公室这边就只能再备一套，下班回家的时候，这一套也是长时间空载带电。更有甚者，忘记带上充电器这样的事情常常发生在长期出差或旅游出发的时候，且没有人愿意走到半路上掉头回来取充电器，也没有这个时间，到了目的地只能临时买一个充电器用。在强调节能环保的现代经济社会里，大量的充电器空载带电能耗问题需要一个解决方案。同时，充电器长期空载带电，对自身电子元件的损耗也不容忽视，而且作为感性负载长期带电，如遇电网浪涌或雷击，安全隐患非常之大。由于市场竞争的原因，很多充电器厂家采用质量低下的电子元件，更是省掉必要的防浪涌、防雷击部分，加上很多建筑质量不够好的场所，没有必要的防雷措施，电线布线很不规范，不容易纠正。因此，充电器空载带来的安全隐患必须从充电器自身解决。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种在充电器不充电的时候，能及时断开初级交流电，避免不必要的能源损耗，达到节能环保，并且防止诸如雷击、电网异常浪涌或因充电器长期带电造成的质量下降等原因带来的安全问题的自动控制的直流充电器。

为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种自动控制的直流充电器，包括充电器、设有AD转换器和时钟器的单片机以及连接于充电器与AD转换器之间的电流采样电路，还包括连接于单片机输出端与充电器的输入端之间的开关电路，所述开关电路包括可控硅驱动器、可控硅、轻触无自锁开关，其中，所述可控硅、轻触无自锁开关并联连接在交流电火线与充电器的输入端之间，所述可控硅驱动器一端与单片机输出端连接，可控硅驱动器另一端与可控硅的栅极连接。

优选地，还包括连接于单片机与充电器的输出端之间的预约开关电路，以及与单片机连接的轻触按钮。

优选地，所述预约开关电路为MOS管或三极管。 

优选地，还包括对开关电路的控制信号进行逻辑或运算的开关控制电路，所述开关控制电路连接于单片机的输出端和可控硅驱动器的输入端之间。

优选地，所述开关控制电路包括连接于单片机的输出端和可控硅驱动器的输入端之间的多个并联的二极管，以及还包括一个电阻为10kΩ的下拉电阻，下拉电阻一端连接至可控硅驱动器的输入端，电阻另一端接充电器负极。

优选地，还包括与单片机连接的显示屏。

优选地，所述显示屏为与单片机连接的液晶显示屏或数码管。

优选地，还包括与单片机连接的LED提示灯。

优选地，所述电流采样电路为连接于单片机与充电器之间的电流采样电阻。

优选地，所述充电器为手机、MP3、MP4、平板电脑、数码相机、移动电源或电动自行车的充电器。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：本实用新型的充电器能使电池合理充电，有效防止过充，最大化保持电池充电放电能力，提高耐用性。同时，在充电器不充电的时候，能及时断开初级交流电，避免不必要的能源损耗，达到节能环保，并且防止诸如雷击、电网异常浪涌或因充电器长期带电造成的质量下降等原因带来的安全问题。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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的附图。

图1是本实用新型所述自动控制的直流充电器的框架图。

图2是可控硅驱动器的电路图。

图3是本实用新型所述自动控制的直流充电器中可控硅作为开关电路的电路图。

图4是充电器和充电线头的逻辑划分示意图。

图5是本实用新型所述自动控制的直流充电器的产品结构示意图。

附图标记说明：1、充电器，2、轻触无自锁开关，3、可控硅，4、可控硅驱动器，5、电流采样电阻，6、预约开关电路，7、单片机，8、液晶屏，9、轻触按钮，10、LED灯，11、充电线头。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的优选实施例进行详细阐述，以使本实用新型的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本实用新型的保护范围做出更为清楚明确的界定。

参阅图1所示，本实用新型提供一种自动控制的直流充电器，包括充电器1，设有AD转换器(即模拟量到数字量转换功能)和时钟器的单片机7以及连接于充电器1与AD转换器之间的电流采样电路，还包括连接于单片机7输出端与充电器1的输入端之间的开关电路，所述开关电路包括可控硅驱动器4、可控硅3、轻触无自锁开关2，其中，所述可控硅3、轻触无自锁开关2并联连接在交流电火线L与充电器1的输入端之间，所述可控硅驱动器4一端与单片机7输出端连接，可控硅驱动器4另一端与可控硅3的栅极连接。

本实用新型还可包括连接于单片机7与充电器1的输出端之间的预约开关电路6，以及与单片机7连接的轻触按钮9。所述预约开关电路6为MOS管或三极管。

本实用新型还可包括对开关电路的控制信号进行逻辑或运算的开关控制电路，所述开关控制电路连接于单片机7的输出端和可控硅驱动器4的输入端之间。所述开关控制电路包括连接于单片机7的输出端和可控硅驱动器4的输入端之间的多个并联的二极管12，以及还包括一个电阻为10kΩ的下拉电阻13，下拉电阻13一端连接至可控硅驱动器4的输入端，电阻13另一端接充电器负极。从而可以带多个负载充电，并且只要任何一个负载没有充满电，可控硅3都保持导通状态，所有负载都充满的情况下，可控硅3才关闭。

本实用新型还可包括与单片机7连接的显示屏。所述显示屏为与单片机7连接的液晶显示屏8或数码管。 

本实用新型还可包括与单片机7连接的LED提示灯10。

在本实用新型中，所述电流采样电路为连接于单片机7与充电器1之间的电流采样电阻5。

本实用新型中的充电器1为手机、MP3、MP4、平板电脑、数码相机、移动电源或电动自行车的充电器。

本实用新型中轻触无自锁开关2是手动开，自动断的开关。轻触无自锁开关2和可控硅3并联，没电时可控硅3不导通，按压轻触无自锁开关2后，单片机7通电，单片机7的AC-Off脚D3击发可控硅3导通，轻触无自锁开关2则会自动断开。

本实用新型中的单片机7为MCU，时钟器本身是MCU自身工作的必须部分，也是实现预约充电(Charge-Booking)和充电流截止(Charge-Stop)的计时器；AD转换器的功能用以实时检测充电电流的大小，其转换结果作为是否有充电负载，进而作为实现Charge-Stop和AC-Off(自动断开充电器初级交流电)的依据，同时其值的大小可以用显示屏的形式反应给用户，如LED提示灯10的闪烁速度或者直接液晶屏8或数码管的数字显示，让用户直接了解充电速度，增加用户体验的友好程度。实现Charge-Stop用到MCU的一个输出脚D1控制一个预约开关电路6(MOS管或三极管，因为MOS管具有控制电流低、输出压降小的特点，所以推荐使用MOS管)作为直流充电负载的开关；实现AC-Off用到MCU的一个输出脚D3控制一个可控硅驱动器4进而驱动可控硅3作为充电器初级AC的开关。另外需要一个轻触无自锁开关2与可控硅3次级并联，当充电器已经断电的情况下，短时接通供电，MCU启动后相应控制脚触发可控硅3导通。本实施例之所以选择轻触开关的无自锁功能，是因为在AC接通后需要将AC的开关功能完全交给可控硅，这样才能实现AC-Off。另外设计一个与单片机7连接的轻触按钮9，给用户进行预约充电时间选择。

本实用新型采用一个轻触无自锁开关2与可控硅3的次级并联作为充电器交流电输入的开关，可手动接通、自动上锁、自动断开的半自动交流预约开关电路6，实现充电器空载或电池充满后自动断开充电器交流输入(即AC-Off)。其原理如下所示：

首先、按下轻触无自锁开关2导通，使充电器1得电；然后，充电器1输出直流电启动单片机7(MCU)，进而由内部程序置AC-Off脚D3高电平，通过可控硅驱动器4导通可控硅3，轻触无自锁开关2松开；最后，当单片机7(MCU)检测到电池充满或者充电空载(如手机被拔掉)时，置AC-Off脚D3低电平，充电器1的初级AC即被断开。

本实用新型采用单片机7(MCU)计时并提供轻触按钮作为用户操作界面，提供给用 户预约充电(Charge-Booking)的功能。一方面该功能解决了夜间负载待机状态充电，由于Charge-Stop过早发生，用户第二天早上使用时由待机能耗产生的电池电量下降。另外一方面，当一个充电器需要带多个负载而且多个负载的充电电流总和超过充电器的最大负载能力时，可以设计多个Charge-Booking模块，让多个负载在不同时间段充电来解决。

本实用新型采用单片机7(MCU)的一个输出脚D1控制一个预约开关电路6作为直流充电负载的开关，以实现Charge-Stop的功能。同时，在充电负载电路上串联一个电流采样电阻5(其阻值大小和功率可根据实际充电对象而定)，供MCU测量计算充电电流的大小，作为实现Charge-Stop和AC-Off的依据。其原理如下所示：

首先、预约充电时间到或者用户直接开启充电，置MCU相应脚D1高电平导通MOS管；然后、利用MCU的AD转换脚D2实时检测电流采样电阻5的压降，并且换算为充电电流的大小，同时可以用一定形式的显示；最后、当充电电流很小(具体值可通过实验获得)，可判断为电池充满。此时，置MCU相应脚D1低电平实现Charge-Stop。

本实用新型的开关电路(AC-Off功能)具有相对独立性并且结构简单，在现有常规充电器的原理基础上增加很少的元件即可实现。如图4所示，产品设计时，如果充电线缆上有空闲线传递AC-Off信号，可以考虑模块划分，以降低生产检测的复杂性，例如手机等产品的USB充电线通常是4芯线，其中D+和D-俩条线在充电时闲置，可以用其中之一传递AC-Off信号；当一个充电器需要带多个负载时，需要将多个AC-Off信号做逻辑或运算后方可实施AC-Off；这种情况下，下半部分可以做在充电线头上或者线中间，带一个供用户操作的轻触按钮，和充电器依然可以是4芯线连接，其中D+线芯被用在AC-Off信号传递，故当被用做数据线的时候需要将MCU的AC-Off脚置为输入模式，这样就不影响数据传输，同时，Charge-Stop在数据传输的时候应该被禁止，这样手机或其它设备在数据传输的时候还是在充电，也就是说，轻触按钮除了给用户设置Charge-Booking的时间外，还要给用户设置出专用于数据传输的状态，当然，也是通过按动该按钮退出数据传输状态；上半部分在常规充电器基础上只增加一小部分电路，成本增加也很小，用户界面在常规充电器基础上增加一个轻触无自锁开关。充电器带多个负载是通过上述开关控制电路来实现的，在充电器带多个负载的情况下，只要任何一个负载没有充满电，可控硅3都保持导通状态，所有负载都充满的情况下，可控硅3才关闭。

本实用新型中所涉及的检测充电电流的功能，其原理是在充电线路上串联一个电流采样电阻5，阻值大小根据充电的最大电流、充电器的负载电压以及充电时可允许的最大压降计算得来。如一个手机充电器最大电流不会超过2A，负载电压在5V左右，通常要求实际充电电压不能低于4.8V，则采样电阻的最大压降不能超过0.2V，根据欧姆定律，采样 电阻的大小不能超过R＝0.2V/2A＝0.1欧姆。实际设计时，选择更小的采样电阻(0.05欧姆，即50毫欧)，进而压降更小，充电效率更高。但是因为压降小，要求MCU的AD转换精度足够高才可以胜任，如转换精度是12位二进制(2的12次方为4096)的MCU，充电电压是5V，则AD转换的分辨率可以达到5/4096＝0.001221V，对应的电流是0.001221/0.05＝0.0244A＝24.4mA，以这样的精度作为依据控制充电过程是足够的，因为通常来说手机电池的充电电流在100mA左右就基本充满，被认为是涓流充电了。如转换精度是10位二进制(2的10次方为1024)的MCU，充电电压是5V，则AD转换分辨率可以达到5/1024＝0.00488V，对应的电流是0.00488/0.05＝0.0976A＝97.6mA，基本接近100mA，以这样的精度作为依据控制充电过程是不够的，因为检测电路本身还有波动和干扰，无法分辨涓流充电时间。所以需要采用有AD转换精度12位以上的单片机，采样电阻为50毫欧。当然，如果充电效率的要求可以降低，如给电动自行车设计充电方案，采样电阻可以适当加大，MCU分辨率可以适当降低，设计者可参照以上计算过程。这里顺便说明一下，如果充电电压不是MCU的工作电压的时候，需要加上必要的DC-DC变压和稳压电路，这里不再赘述。50毫欧的采样电阻，最大电流为2A，则采样电阻的功率至少为2*0.05＝0.1瓦，从冗余设计原则考虑，采用四分之一瓦的插件或贴片电阻即可。下表1为5V充电电压，50毫欧采样电阻，最大允许充电电流为2A的12位AD转换值对应表供参考：

表1

毫欧/压降	AD最大值	充电电压(V)	电压分辨率(V)
				0.05	4096	5	0.001220703
充电电流(A)	AD值	压降
				2	82	0.1
1	41	0.05
				0.5	20	0.025
0.4	16	0.02
				0.3	12	0.015
0.2	8	0.01
				0.1	4	0.005
0.05	2	0.0025

本实用新型中所涉及的开关电路(AC-Off)是指由一个轻触无自锁开关2和受MCU控制的可控硅AC交流开关电路并联组成的手动接通、自动上锁、自动断开的半自动交流开关电路。其中轻触无自锁开关2尽量选择触脚间距比较大、带塑料按键帽的轻触开关，以12*12*7.5mm按钮为例，具有较大触脚间距，操作性比较容易，与交流线路也距离较大比较适合。可控硅电路选择过零触发双向可控硅输出光耦MOC3061系列的经典开关电路。

MOC3061系列有MOC3061、MOC3062和MOC3063。它们的差别只是触发侧电流不同，MOC3061最大触发电流为15mA，MOC3062为10mA，MOC3063为5mA。由于采用了光电隔离，并且能用TTL电平驱动，它很容易与单片机(MCU)接口。本实施例使用MOC3063，驱动电流小，对MCU的负荷最小。该系列芯片引脚及内部电路如图2所示，由输入、输出两部分组成。1、2脚为输入端，输入级是一个砷化镓红外发光二极管(LED)，该二极管在5-15mA正向电流作用下，发出足够的红外光，触发输出部分。3、5脚为空脚，4、6脚为输出端，输出级为具有过零检测的光控双向可控硅。当红外发光二极管发射红外光时，光控双向可控硅触发导通。主要性能参数：可靠触发电流IFT＝5-15mA；保持Ih＝100uA；超阻断电压600V；重复冲击电流峰值1A；关断状态额定电压上升率dV/dt＝100V/us。该器件的极限参数表及电学特性表如下表2：

表2

如图3所示，为本实用新型中可控硅作为AC-Off开关电路的原理：图中R1为限流电阻，可按公式R1＝(VCC-VF)/IFT计算。式中VF为红外发光二极管的正向电压，可取1.2～1.4V；IFT为红外发光二极管的触发电流，可按前列表格选择，若工作温度在25℃以下，IFT应适当增加；R2为双向可控硅的门极电阻，当可控硅灵敏度较高时，门极阻抗也 很高，并联R2可以提高抗干扰能力；R3是触发功率双向可控硅的限流电阻，其值由交流电网电压峰值及触发器输出端允许重复冲击电流峰值决定，可按公式R3＝VP/ITSM选取，其中VP为交流电路中的峰值电压，ITSM为峰值重复浪涌电流(一般可取1A)，电阻R2和R3可用300欧姆。另外39欧姆电阻和0.01uF电容组成浪涌吸收电路，防止浪涌电压损坏双向可控硅。双向可控硅视应用环境选择，如作为手机或平板电脑等数码产品的充电器，1A电流的双向可控硅就足够，如作为电动自行车的充电器，可以适当加大双向可控硅的额定电流，从成本考虑也可依据实验结果。

在产品设计方案上。根据本实用新型的原理方案所提供的功能和接口，可以按照充电对象、用户习惯和市场需求以及成本因素有选择地进行产品设计。

实施例一：只有AC-Off功能。例如电动自行车的电池比较大，充电时间比较长，不需要预约充电(Charge-Booking)；也没有一个充电器带多个充电负载的需要，所以不需要单独的Charge-Stop，AC-Off发生Charge-Stop即发生。另外，由于电动自行车的电池电压都高于5V，即使电池电量所剩无几也能反向驱动可控硅导通，能够设计成充电线缆插上随即开始充电，不需要用户按动那个轻触无自锁开关，只有当电池电量低到连一个可控硅都不能驱动，才需要手动按一下轻触无自锁开关。

实施例二：Charge-Stop功能和AC-Off功能，省掉Charge-Booking。此种情况支持一个充电器同时带多个负载，但不能分时段逐个进行充电，故要求充电器的额定电流足够大。此种设计的目的在于省掉Charge-Booking所需的轻触按钮9，从用户使用方面降低复杂度，充分适应大多数用户群体；同时也降低了成本，可以集成设计在充电器内部，无需特殊的充电线缆。

实施例三：AC-Off、Charge-Stop、Charge-Booking都集中设计在充电器端，无需特殊的充电线缆。此种情况也是支持一个充电器同时带多个负载，但Charge-Booking针对所有充电负载同时进行，不能对所有充电负载分时段。也就是说，充电器上的所有充电接口共享一个用于Charge-Booking的轻触按钮，当然充电器上还有一个AC-Off的轻触无自锁开关，用户界面相对复杂，但还是可行。

实施例四：充电器端只有AC-Off，Charge-Stop和Charge-Booking集成设计在充电线缆上(如图4)，并设置默认状态。该设计包括了所有功能，并且从生产和使用角度进行模块划分，既降低了生产的复杂度和总体成本，又给用户独立的操作界面，降低了操作的复杂度。发明人针对该情形，设计的产品如图5所示：

在图5的充电线头11与充电器1对接后，可以进行预约充电，而且在电池充满电后可以自动停充，上面有两个指示灯和一个轻触按钮9，两个指示灯(LED提示灯10)一个 是红色一个是绿色，当插上电源时，绿灯闪烁(快闪)，提示可以直接接手机等待充电设备充电，而且在接上手机后，绿灯闪烁频率比未接手机时闪烁频率慢(慢闪)。按压一次轻触按钮9则红绿灯常亮，这时是预约6小时，预约后过两个小时变为绿灯常亮，再过两个小时变为红灯常亮，再过两个小时即预约的6小时到了之后是绿灯闪烁状态，提示开始充电，并且每次都是这样循环，在充电时如果按压轻触按钮9，则又回到红绿常亮状态。如果只想预约四个小时，则需要再按压一次轻触按钮9，则是绿灯常亮，这时是预约4个小时，预约后过两个小时是变为红灯常亮，再过两个小时变为绿灯闪烁，提示开始充电。如果只想预约两个小时，则需要继续再按压一次轻触按钮，则是红灯常亮，这时是预约2小时，2小时后绿灯闪烁提示开始充电。

充电线头11可以单独接手机等待充电设备使用，单独使用的话，在绿灯闪烁时，提示可以直接充电，这是如果没有接充电设备进行充电，则闪灯30秒会自动灭灯，如果要直接进行充电而不是预约，则需要按到绿灯闪烁状态才可以进行充电。

本实用新型具体应用在对手机、MP3、Mp4、平板电脑、数码相机、移动电源以及电动自行车等产品的充电器进行改良设计，使得电池能够合理的充电，有效防止过充，最大化保持电池充电放电能力，提高耐用性。同时，在充电器不充电的时候，及时断开初级交流电，避免不必要的能源损耗，达到节能环保，并且防止诸如雷击、电网异常浪涌或因充电器长期带电造成的质量下降等原因带来的安全问题。

虽然结合附图描述了本实用新型的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本实用新型的权利要求所描述的保护范围，都应当在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自动控制的直流充电器，包括充电器(1)、设有AD转换器和时钟器的单片机(7)以及连接于充电器(1)与AD转换器之间的电流采样电路，其特征在于：还包括连接于单片机(7)输出端与充电器(1)的输入端之间的开关电路，所述开关电路包括可控硅驱动器(4)、可控硅(3)、轻触无自锁开关(2)，其中，所述可控硅(3)、轻触无自锁开关(2)并联连接在交流电火线(L)与充电器(1)的输入端之间，所述可控硅驱动器(4)一端与单片机(7)输出端连接，可控硅驱动器(4)另一端与可控硅(3)的栅极连接。

2.根据权利要求1所述的自动控制的直流充电器，其特征在于：还包括连接于单片机(7)与充电器(1)的输出端之间的预约开关电路(6)，以及与单片机(7)连接的轻触按钮(9)。

3.根据权利要求2所述的自动控制的直流充电器，其特征在于：所述预约开关电路(6)为MOS管或三极管。

4.根据权利要求2或3所述的自动控制的直流充电器，其特征在于：还包括对开关电路的控制信号进行逻辑或运算的开关控制电路，所述开关控制电路连接于单片机(7)的输出端和可控硅驱动器(4)的输入端之间。

5.根据权利要求4所述的自动控制的直流充电器，其特征在于：所述开关控制电路包括连接于单片机(7)的输出端和可控硅驱动器(4)的输入端之间的多个并联的二极管(12)，以及还包括一个电阻为10kΩ的下拉电阻(13)，下拉电阻(13)一端连接至可控硅驱动器(4)的输入端，电阻(13)另一端接充电器负极。

6.根据权利要求1至3任意一项所述的自动控制的直流充电器，其特征在于：还包括与单片机(7)连接的显示屏。

7.根据权利要求6所述的自动控制的直流充电器，其特征在于：所述显示屏为与单片机(7)连接的液晶显示屏(8)或数码管。

8.根据权利要求1至3任意一项所述的自动控制的直流充电器，其特征在于：还包括与单片机(7)连接的LED提示灯(10)。

9.根据权利要求1至3任意一项所述的自动控制的直流充电器，其特征在于：所述电流采样电路为连接于单片机(7)与充电器(1)之间的电流采样电阻(5)。

10.根据权利要求1至3任意一项所述的自动控制的直流充电器，其特征在于：所述充电器(1)为手机、MP3、MP4、平板电脑、数码相机、移动电源或电动自行车的充电器。