CN204481525U - 基于多电池的电源电路及具有所述电源电路的电子产品 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于多电池的电源电路及具有所述电源电路的电子产品，所述电池设置有N块，通过N块电池的正极输出的N路供电电压各自经由一路防反偏二极管传输至用电负载；在每一块电池的充电回路中分别连接有一个开关电路，连接在第一块电池的充电回路中的第一开关电路在充电接口上有充电电源接入时连通第一块电池的充电回路；后续的N-1路开关电路控制后续的N-1块电池依次在其前一块电池充满电后充电。由此，不仅可以防止电子产品在正常使用过程中出现电池间倒灌充电的问题，而且通过采用对多块电池逐一顺次充电的设计方式，可以保证每一块电池都能充满电，继而实现了电池容量的进一步提升，有助于延长电子产品的续航时间。

Description

基于多电池的电源电路及具有所述电源电路的电子产品

技术领域

 本实用新型属于电源电路技术领域，具体地说，是涉及一种基于多块电池设计的电源电路以及采用这种电源电路设计的电子产品。

背景技术

随着科技的进步，穿戴类电子产品被越来越多的消费者所青睐并广泛使用，其所能实现的功能也日益增多。由于功能的增多，需要在穿戴类电子产品中集成的电子部件也随之增加，继而导致该类电子产品的用电量随之增大。为了保证穿戴类电子产品的续航时间不会因功能的增多而明显减少，需要提升该类产品内部电池的容量，以满足消费者长时间连续使用的需求。

目前，为了提高电池容量，最常见的方法是采用两块或者更多块的电池并联构成电源电路，一同为电子产品内部的用电负载供电。这种电池并联方案所存在的问题是：必须挑选电池特性和电池电压完全相同的多块电池才能直接进行并联设计，一旦并联在一起的两块电池电压不同或者内部特性不完全相同，则在使用过程中会出现电压高的电池向电压低的电池充电的现象，因此不能输出每一块电池应有的电池容量，导致电池利用率的降低。此外，在电子产品的设计阶段，想要挑选出电池特性和电池电压完全相同的多块电池也是相对比较困难的，因此采用这种电池并联方案所设计的电源电路，其实际应用情况并不十分理想。

发明内容

本实用新型为了解决现有采用将多块电池直接并联来提升电池容量的技术方案所存在的上述问题，提出了一种基于多块电池的电源电路设计方案，不仅避免了在使用过程中电压高的电池向电压低的电池倒灌充电的问题，实现了每一块电池容量利用率的最大化，而且在电池类型的选择上也降低了要求，减小了电路设计的难度。

为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案予以实现：

一种基于多电池的电源电路，所述电池为充电电池，设置有N块，N为大于1的正整数；通过N块电池的正极输出的N路供电电压一一对应地经由N路防反偏二极管传输至用电负载；在每一块电池的充电回路中分别连接有一个开关电路，其中，连接在第一块电池的充电回路中的第一开关电路在充电接口上有充电电源接入时，连通第一块电池的充电回路，利用所述充电电源为第一块电池充电；连接在第i+1块电池的充电回路中的第i+1开关电路在第i块电池充满电时动作，连通第i+1块电池的充电回路，利用所述充电电源为第i+1块电池充电，所述i=1,2，……，N-1。

为了实现N块电池的逐一顺次充电，在所述电源电路中设置有N-1个比较电路，分别与除所述第一开关电路以外的其他N-1个开关电路一一对应连接，当第i个比较电路检测到第i块电池的正极电压经分压后大于第i参考电压时，判定第i块电池充满电，输出开关信号控制第i+1个开关电路动作，连通第i+1块电池的充电回路。

作为所述比较电路的一种优选电路结构设计，在每一个所述的比较电路中均设置有一个比较器，将所述第i块电池的正极电压经由一电阻分压网络分压后形成的分压值作用于第i个比较器的同相输入端，将一直流电源经另一电阻分压网路分压后形成的第i参考电压作用于第i个比较器的反相输入端，配置两路所述电阻分压网络中的分压电阻的阻值，使第i块电池仅在充满电时，其正极电压的分压值大于所述的第i参考电压；通过第i个比较器的输出端输出所述开关信号至所述的第i+1个开关电路。

进一步的，所述直流电源连接每一个比较器的供电端子，为比较器供电；每一个比较器的输出端各自通过上拉电阻连接所述的直流电源，稳定通过比较器输出的高电平幅值。

优选的，所述直流电源可以由传输至所述用电负载的供电电压通过稳压电路转换生成。

优选的，所述N路防反偏二极管的阳极与N块电池的正极一对一连接，N路防反偏二极管的阴极连接至同一路充放电接口；在每一路防反偏二极管的两端分别并联一个所述的开关电路。

作为所述开关电路的一种优选电路结构设计，在每一个所述的开关电路中均设置有一个P沟道MOS管和一个N沟道MOS管，所述P沟道MOS管的漏极连接电池的正极，源极连接所述的充放电接口，栅极连接N沟道MOS管的漏极，并通过限流电阻连接所述的充放电接口；所述N沟道MOS管的源极接地，栅极接收所述的充电电源或者所述比较电路输出的开关信号。

进一步的，所述充放电接口可以直接与所述的充电接口和用电负载连接，也可以与一充电管理芯片连接，即，在所述电源电路中可以进一步设置一充电管理芯片，分别连接所述的充电接口、充放电接口和用电负载，所述充电管理芯片在检测到所述充电接口上有充电电源接入时，将充电电源分别传输至所述的充放电接口和用电负载，为所述电池充电，并为用电负载供电；当所述充电管理芯片检测到所述充电接口上无充电电源接入时，将电池通过所述充放电接口输出的供电电压传输至所述的用电负载，利用电池为用电负载供电。

根据上述基于多电池的电源电路结构设计，本实用新型还提出了一种采用所述基于多电池的电源电路设计的电子产品，设置有电源电路和用电负载，其中，在所述电源电路中设置有N块充电电池，N为大于1的正整数；通过N块电池的正极输出的N路供电电压一一对应地经由N路防反偏二极管传输至用电负载；在每一块电池的充电回路中分别连接有一个开关电路，其中，连接在第一块电池的充电回路中的第一开关电路在充电接口上有充电电源接入时，连通第一块电池的充电回路，利用所述充电电源为第一块电池充电；连接在第i+1块电池的充电回路中的第i+1开关电路在第i块电池充满电时动作，连通第i+1块电池的充电回路，利用所述充电电源为第i+1块电池充电，所述i=1,2，……，N-1。由此可以保证在前一块电池充满电后，后一块电池才开始充电，实现了一种N块电池逐一顺次充电的充电管理过程。

 与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是：本实用新型针对电子产品中设置有多块电池的情况设计电源电路，通过在每一块电池的正极连接防反偏二极管，可以防止电子产品在正常使用的过程中出现电压高的电池向电压低的电池倒灌充电的问题，不仅可以保证每一块电池都能输出其应有的电池容量，最大限度地提升电池容量的利用率，而且在电池的选型上也没有过高的要求，即便所选用的电池在内部特性和输出电压上不完全相同，只要差异不大都能满足设计要求，由此降低了电池选型上的难度，简化了硬件设计。此外，本实用新型通过在每一块电池的充电回路中设置开关电路，通过开关电路控制每一块电池的充电时序，使后一块电池仅在前一块电池充满电的情况下才开始充电，由此可以保证每一块电池都能充满电，继而实现了电池容量的进一步提升，有助于延长电子产品的续航时间，尤其适合应用在穿戴类电子产品中。

结合附图阅读本实用新型实施方式的详细描述后，本实用新型的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本实用新型所提出的基于多电池的电源电路的一种实施例的电路原理框图；

图2是图1所示电源电路的一种具体实施例的电路原理图；

图3是充电管理芯片及其外围电路的一种实施例的电路原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细地说明。

本实施例针对内置有多块电池的电子产品设计电源电路，为了保证每一块电池都能输出其应有的电池容量，本实施例在每一块电池的供电电压输出线路中分别增设一颗防反偏二极管，利用二极管的反向截止特性，来防止电子产品在使用过程中，电压高的电池向电压低的电池倒灌充电，进而实现了电池容量的最大化利用。

参见图1所示，以设置有N块电池（所述N块电池均为可充电电池，例如N块锂电池）的电子产品为例进行说明，所述N为大于1的正整数，则需要采用N个防反偏二极管D1、D2、……DN与N块电池一一对应连接，具体可以将N个防反偏二极管D1、D2、……DN的阳极分别与N块电池的正极一对一连接，将N个防反偏二极管D1、D2、……DN的阴极均连接至充放电接口VBAT。当其中一块电池的输出电压高于其他电池的输出电压时，由于防反偏二极管的存在，电压低的电池将停止输出供电电压，由电压高的电池单独向电子产品内部的用电负载供电；并且，通过电压高的电池输出的电流不会流向电压低的电池，由此可以保证每一块电池都能输出其应有的电池容量，确保了电池容量的充分利用。

此外，为了保证每一块电池在电子产品充电过程中都能充满电，本实施例在每一块电池的充电回路中分别增设一个开关电路，如图1所示，具体可以将N个开关电路的开关通路一一对应地并联在N个防反偏二极管D1、D2、……DN的两端，利用电子产品的充电接口VBUS引入的充电电源控制第一开关电路（开关电路1）动作，在外部有充电电源接入时，连通第一块电池（电池1）的充电回路，利用外部的充电电源首先为电池1充电。此时，其他各路开关电路保持关断状态，从而使得剩余的N-1块电池不会进入充电模式。

对于第二开关电路（开关电路2），设计其在电池1充满电时导通，连通第二块电池（电池2）的充电回路，利用外部的充电电源为电池2充电，直到电池2充满电时，第三开关电路（开关电路3）动作，继而控制充电电源为第三块电池（电池3）充电……以此类推，直到第N-1块电池充满电后，第N开关电路（开关电路N）导通，控制充电电源为电池N充电。由此，便实现了N块电池的逐一顺次充电。

本实施例通过采用后一块电池在前一块电池充满电后再进入充电模式的设计方案，由此可以保证电子产品中的每一块电池都能充满电，相比传统采用电池直接并联的设计方式，可以最大程度地提升电池组的整体充电量，延长电子产品的续航时间。

为了控制开关电路2至开关电路N能够在前一块电池充满电后再行导通，本实施例在电源电路中设置N-1路比较电路，如图1所示，定义为比较电路1、比较电路2、……、比较电路N-1。将N-1路比较电路与除开关电路1以外的其他N-1路开关电路一一对应连接，分别对所述的N-1路开关电路进行通断控制。具体来讲，可以根据电池1充满电时对应的电池电压VBAT_1事先确定一个合适的第一参考电压Vref_1，利用比较电路1检测电池1的正极电压，所述正极电压即等于电池电压VBAT_1（以下用VBAT_1表示电池1的正极电压）。当电池1的正极电压VBAT_1经分压后得到的分压值小于所述的第一参考电压Vref_1时，认为电池1还未充满电，比较电路1输出无效的开关信号ON/OFF_1（例如低电平信号）至开关电路2，控制开关电路2维持关断状态，此时，电池2处于不充电也不放电的状态，可以直接利用外部的充电电源为电子产品中的用电负载供电。当电池1充电一段时间后，其正极电压VBAT_1经分压后得到的分压值大于等于所述的第一参考电压Vref_1时，认为电池1已充满电，比较电路1输出有效的开关信号ON/OFF_1（例如高电平信号）至开关电路2，控制开关电路2导通，连通电池2的充电回路，使充电电源开始为电池2充电。此时，用电负载所需的工作电源可以仍由外部的充电电源提供。同理，根据电池2、电池3、……、电池N-1充满电时所对应的电池电压VBAT_2、VBAT_3、……VBAT_N-1，分别预先确定与之对应的合适的参考电压Vref_2、Vref_3、……、Vref_N-1。通过比较电路2检测电池2的正极电压VBAT_2，结合参考电压Vref_2判断电池2是否充满电，并在检测到电池2充满电时，控制开关电路3导通，使充电电源为电池3充电。以此类推，直到比较电路N-1检测到电池N-1充满电后，控制开关电路N导通，利用充电电源为电池N充电，直到N块电池都充满电，由此实现了N块电池依次顺序充电的控制过程。

作为本实施例的一种优选电路设计方案，所述比较电路可以采用比较器配合简单的外围电路设计而成，所述开关电路可以采用一颗N沟道MOS管和一颗P沟道MOS管连接而成。以电子产品中设置有两块电池J1、J2为例，对本实施例的比较电路和开关电路的具体组建结构进行详细说明，参见图2所示。

图2中，P沟道MOS管Q1配合N沟道MOS管Q2构成第一开关电路，连接在第一块电池J1的充电回路中。具体来讲，可以将P沟道MOS管Q1的源极和漏极并联在防反偏二极管D1的两端，利用P沟道MOS管Q1的漏极和防反偏二极管D1的阳极连接第一块电池J1的正极，将P沟道MOS管Q1的源极和防反偏二极管D1的阴极连接至充放电接口VBAT，P沟道MOS管Q1的栅极一路通过限流电阻R2连接至所述的充放电接口VBAT，另一路连接N沟道MOS管Q2的漏极。将所述N沟道MOS管Q2的源极接地，栅极连接电子产品的充电接口VBUS，或者将通过电子产品的充电接口VBUS引入的充电电源利用电阻R3和电阻R4分压后，再施加到所述N沟道MOS管Q2的栅极。

同理，采用P沟道MOS管Q3配合N沟道MOS管Q4构成第二开关电路，连接在第二块电池J2的充电回路中。具体来讲，可以将P沟道MOS管Q3的源极和漏极并联在防反偏二极管D2的两端，其中，P沟道MOS管Q3的漏极和防反偏二极管D2的阳极连接第二块电池J1的正极，P沟道MOS管Q3的源极和防反偏二极管D2的阴极连接至充放电接口VBAT，P沟道MOS管Q3的栅极一路通过限流电阻R1连接至所述的充放电接口VBAT，另一路连接N沟道MOS管Q4的漏极。将所述N沟道MOS管Q4的源极接地，栅极连接比较电路，接收比较电路输出的开关信号。

在本实施例的比较电路中设置有一比较器U1，将所述比较器U1的同相输入端+连接至第一电阻分压网络的分压节点，利用第一电阻分压网络对第一块电池J1的正极电压VBAT_1进行分压；将所述比较器U1的反相输入端-连接至第二电阻分压网络的分压节点，利用第二电阻分压网络对一直流电源VCC进行分压后，得到第一参考电压Vref_1。在本实施例中，可以采用电阻R8、R9连接形成第一电阻分压网络，连接在第一块电池J1的正极与系统地之间；采用电阻R6、R7连接形成第二电阻分压网络，连接在直流电源VCC与系统地之间。配置分压电阻R6、R7以及分压电阻R8、R9的阻值，使第一块电池J1的正极电压VBAT_1仅在第一块电池J1充满电时，其在电阻R8、R9的中间节点处所形成的分压值大于直流电源VCC在电阻R6、R7的中间节点处所形成的第一参考电压Vref_1。

在本实施例中，可以设定每一块电池在充电到达其满容量的90%以上时即认为充满电，根据第一块电池J1在充电到达其满容量的90%时所对应的正极电压VBAT_1经分压电阻R8、R8所形成的分压值来确定第一参考电压Vref_1的幅值，进而根据直流电源VCC的电压值配置分压电阻R6、R7的阻值，使直流电源VCC经分压电阻R6、R7分压后所形成的分压值刚好等于所确定出的第一参考电压Vref_1的幅值。由此便可实现电源电路对电池J1是否充满电的自动检测和识别。

图2中，连接在比较器U1的反相输入端-与系统地之间的旁路电容C1可以滤除干扰，起到使第一参考电压Vref_1稳定的作用。

在本实施例中，所述直流电源VCC可以采用在电子产品内部设置一个稳压电路，利用传输至用电负载的供电电压（所述供电电压可能由电池提供，也可能由外部输入的充电电源提供）经所述稳压电路进行稳压转换的方式生成，例如通过稳压电路转换生成的3.0V直流电压。同时，利用所述直流电源VCC为比较器U1供电，并通过上拉电阻R5连接至比较器U1的输出端，将比较器U1的输出端通过限流电阻R4连接至N沟道MOS管Q2的栅极，对N沟道MOS管Q2进行通断控制。将所述直流电源VCC通过旁路电容C2接地，利用电容C2的滤波作用可以使直流电源VCC更加稳定，以提升整个电源电路工作的稳定性。

图2所示电源电路的工作原理是：当电子产品没有外接充电电源时，利用电池J1、J2输出供电电压为电子产品内部的用电负载供电。当电池J1的输出电压大于电池J2的输出电压时，防反偏二极管D1导通，防反偏二极管D2反向截止，由于防反偏二极管D2的存在，可以保证电池J1的电压不会倒灌为电池J2充电，此时，用电负载所需的供电电压全由电池J1提供。当电池J1的输出电压降低到与电池J2的输出电压相等时，二极管D1、D2导通，利用两块电池J1、J2为用电负载供电。反之，当电池J2的输出电压大于电池J1的输出电压时，二极管D1反向截止，避免通过电池J2输出的电流向电池J1倒灌充电，由此便保证了两块电池J1 、J2均能输出其应有的电池容量。

当电子产品的充电接口VBUS上有外部充电电源接入时，第一开关电路中的N沟道MOS管Q2饱和导通，拉低P沟道MOS管Q1的栅极电位，使P沟道MOS管Q1饱和导通，连通电池J1的充电回路，此时，充电电源输出的充电电流经由充放电接口VBAT、P沟道MOS的源极和漏极传输至电池J1的正极，为电池J1充电。

在电池J1还未充满电时，由于电池J1的正极电压VBAT_1经分压电阻R9、R8分压后形成的分压值小于第一参考电压Vref_1，因而此时，比较器U1的反相输入端电压大于其同相输入端电压，比较器U1输出低电平，控制第二开关电路中的N沟道MOS管Q4截止。由于N沟道MOS管Q4截止，因此P沟道MOS管Q3的栅极电压通过电阻R1上拉至与其源极电压相等，因而P沟道MOS管Q3截止，电池J2不充电。在此期间，由于外部的充电电源的电压幅值大于电池J1的正极电压，因此二极管D2反向截止，利用充电电源为电子产品内部的用电负载供电。

当电池J1充满电时，电池J1的正极电压VBAT_1经分压电阻R9、R8分压后形成的分压值大于第一参考电压Vref_1，此时，比较器U1的反相输入端电压小于其同相输入端电压，比较器U1输出高电平，并在上拉电阻R5和直流电源VCC的上拉作用下，稳定在直流电源VCC的电压幅值上，由此控制第二开关电路中的N沟道MOS管Q4饱和导通。N沟道MOS管Q4饱和导通后，拉低P沟道MOS管Q3的栅极电位，使P沟道MOS管Q3转入饱和导通状态，连通电池J2的充电回路，使充电电源开始为电池J2充电。在电池J2充电的过程中，由于第一开关电路始终保持导通状态，因此充电电源还可以继续为电池J1充电，直至电池J1充电到饱和。

当外部的充电电源从充电接口VBUS上拔出后，第一开关电路中的N沟道MOS管Q2立即转入截止状态，此时P沟道MOS管Q1截止，切断电池J1的充电回路，利用电池J1、J2为用电负载供电。在电池J1的正极电压VBAT_1下降，并经分压电阻R9、R8分压后所形成的分压值小于第一参考电压Vref_1时，比较器U1输出低电平，控制第二开关电路关断，切断电池J2的充电回路。

为了保证电池J1、J2充电过程的安全性，本实施例优选在所述电子产品中增设充电管理芯片，如图3所示，分别连接所述的充电接口VBUS、充放电接口VBAT和用电负载。当充电管理芯片检测到充电接口VBUS上有充电电源接入时，一方面将充电电源输出的电流传输至充放电接口VBAT，为电池J1、J2充电；另一方面，将充电电源传输至用电负载，为用电负载供电。当充电管理芯片检测到充电接口VBUS上没有充电电源接入时，将所述充放电接口VBAT与用电负载连通，利用电池J1、J2输出的电池电压为用电负载供电。

当然，对于本实施例的开关电路也可以采用三极管、可控硅等除MOS管以外的其他开关元件设计而成；对于所述的比较电路也可以采用除比较器U1以外的其他电路结构设计实现，本实施例并不仅限于以上举例。

图2仅列举了两块电池J1、J2的电路连接结构，对于内置有更多块电池的电子产品来说，可以仿照图2中用于控制电池J2充放电的电路设计方式进行多路扩展，以实现对其他各块电池的充放电控制，本实施例在此不再展开说明。

当然，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于多电池的电源电路，其特征在于：所述电池设置有N块，N为大于1的正整数；通过N块电池的正极输出的N路供电电压一一对应地经由N路防反偏二极管传输至用电负载；在每一块电池的充电回路中分别连接有一个开关电路，其中，连接在第一块电池的充电回路中的第一开关电路在充电接口上有充电电源接入时，连通第一块电池的充电回路，通过所述充电电源为第一块电池充电；连接在第i+1块电池的充电回路中的第i+1开关电路在第i块电池充满电时动作，连通第i+1块电池的充电回路，通过所述充电电源为第i+1块电池充电，所述i=1,2，……，N-1。

2.根据权利要求1所述的基于多电池的电源电路，其特征在于：在所述电源电路中设置有N-1个比较电路，分别与除所述第一开关电路以外的其他N-1个开关电路一一对应连接，当第i个比较电路检测到第i块电池的正极电压经分压后大于第i参考电压时，判定第i块电池充满电，输出开关信号控制第i+1个开关电路动作，连通第i+1块电池的充电回路。

3.根据权利要求2所述的基于多电池的电源电路，其特征在于：在每一个所述的比较电路中均设置有一个比较器，所述第i块电池的正极电压经由一电阻分压网络分压后形成的分压值作用于第i个比较器的同相输入端，将一直流电源经另一电阻分压网路分压后形成的第i参考电压作用于第i个比较器的反相输入端，配置两路所述电阻分压网络中的分压电阻的阻值，使第i块电池仅在充满电时，其正极电压的分压值大于所述的第i参考电压；通过第i个比较器的输出端输出所述开关信号至所述的第i+1个开关电路。

4.根据权利要求3所述的基于多电池的电源电路，其特征在于：所述直流电源连接每一个比较器的供电端子，为比较器供电；每一个比较器的输出端各自通过上拉电阻连接所述的直流电源。

5.根据权利要求4所述的基于多电池的电源电路，其特征在于：所述直流电源由传输至所述用电负载的供电电压通过稳压电路转换生成。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的基于多电池的电源电路，其特征在于：所述N路防反偏二极管的阳极与N块电池的正极一对一连接，N路防反偏二极管的阴极连接至同一路充放电接口；在每一路防反偏二极管的两端分别并联一个所述的开关电路。

7.根据权利要求6所述的基于多电池的电源电路，其特征在于：在每一个所述的开关电路中均设置有一个P沟道MOS管和一个N沟道MOS管，所述P沟道MOS管的漏极连接电池的正极，源极连接所述的充放电接口，栅极连接N沟道MOS管的漏极，并通过限流电阻连接所述的充放电接口；所述N沟道MOS管的源极接地，栅极接收所述的充电电源或者所述比较电路输出的开关信号。

8.根据权利要求6所述的基于多电池的电源电路，其特征在于：在所述电源电路中还设置有一充电管理芯片，分别连接所述的充电接口、充放电接口和用电负载，所述充电管理芯片在检测到所述充电接口上有充电电源接入时，将充电电源分别传输至所述的充放电接口和用电负载，为所述电池充电，并为用电负载供电；当所述充电管理芯片检测到所述充电接口上无充电电源接入时，将电池通过所述充放电接口输出的供电电压传输至所述的用电负载。

9.根据权利要求6所述的基于多电池的电源电路，其特征在于：所述充放电接口分别连接所述的充电接口和用电负载。

10.一种电子产品，设置有电源电路和用电负载，其特征在于：所述电源电路为如权利要求1至9中任一项所述的基于多电池的电源电路。