CN221150986U - 一种智能快充装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种智能快充装置，包括有Type‑C适配接口、协议芯片单元、充电芯片单元、电池单元和EC控制单元，电池单元以及外围检测电路。所述协议芯片单元、充电芯片单元、电池单元分别与所述EC控制单元相连。所述充电单元前端与协议芯片单元相连后端与电池单元相连。该装置兼容单芯到3串电芯电池充电。当使用不同节芯电池时，通过EC控制器写入对应充电信息实现。本装置具有更高的集成度和兼容性，系统成本更低，便于快速充电技术的普及应用。

Description

一种智能快充装置

技术领域

本实用新型涉及快充装置技术领域，尤其涉及一种智能快充装置。

背景技术

随着智能手机的快速普及和应用，手机耗电越来越快，因此手机的快速充电技术(以下简称快充)得到极大重视和推广。各家手机厂家纷纷推出了各自的快充技术例如，华为的SCP/FCP、OPPO的VOOC、三星的AFC、小米采用的QC和苹果采用的PD标准等。在这些快充标准中，使用比较广泛的有QC和PD标准。其中，QC(Quick Charger)标准是由高通主导，先后推出了QC2.0(支持5/9/12/20V,2A,<18W)、QC3.0/3.0+(支持5/9/12/20V,20mV-step,3A/5A,～30W)、以及最新的QC5.0(支持3.3～20V,3A/5A,<100W)等；另外一个是由USB联盟主导的PD(Power Deliver)协议标准，随着USB Type-C接口的广泛使用，逐步形成全行业的标准。PD协议先后推出了PD2.0(支持5V/2A-10W,12V/1.5A-18W,12V/3A-36W)、PD3.0(支持20V/3A-60W,20V/5A-100W)、PD3.0-PPS(Programmable Power Supply)(支持5～20V,20mV/50mA-step,<100W)等。尤其是PPS可编程电源标准的推出，极大地推进了手机的快充技术。

从上述快充标准来看，为了提高电池充电功率和速度，需要通过提高充电头输出的电压和电流两种方式。如果过于提高电流(>3A/5A)等,则要求更换更强电流能力的线缆(更好的材质或更粗的线材)，从而增加成本。因此只能通过提高输出电压(>12V/20V)来进一步增加输出功率。另一方面，充电电池由于材料技术的限制，目前主流的锂电池最大充电电压基本维持在4.2～4.35V左右。因此，无论输入电压多高，转换到电池输入端的电压基本不变。这就给快速充电提出了难题。目前常用的快充方案有：(1)提高电池的输入电压，例如使用串联的两节电池。(2)提高充电的电流，例如,高达4A(<20W)、6A(<30W)或8A(<40W)。

实用新型内容

本实用新型目的就是为了弥补已有技术输入电压和电流的问题，以及快充下串联电池兼容性的问题，提供一种智能快充装置，本实用新型适用于平板，笔记本电脑，物联网设备等，可用于解决设备在现有快充充电速度慢和基础上电芯兼容差问题。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种智能快充装置，包括有Type-C适配接口、协议芯片单元、充电芯片单元和电池单元，所述的协议芯片单元包括有NMOS管S1、NMOS管S2、VBUS检测控制模块和PD/QC协议识别模块，Type-C接口的VBUS端口分别连接NMOS管S1的漏极和VBUS检测控制模块的输入端，NMOS管S1的源极连接NMOS管S2的源极，NMOS管S2的漏极接充电芯片单元的输入端，NMOS管S1和NMOS管S2的栅极一起连接VBUS检测控制模块的控制端，Type-C接口的DP端口、DM端口、CC1端口和CC2端口电性连接所述PD/QC协议识别模块；所述的充电芯片单元包括有PWM控制管理模块、NMOS管Q1、NMOS管Q2、NMOS管Q3、NMOS管Q4、储能电感和电参数检测模块，PWM控制管理模块控制着NMOS管Q1、NMOS管Q2、NMOS管Q3和NMOS管Q4，NMOS管Q1的漏极接NMOS管Q2的源极并共同接储能电感的一端，NMOS管Q2的源极接地，NMOS管Q3的源极接地，NMOS管Q3的漏极接NMOS管Q4的源极并共同接储能电感的另一端，NMOS管Q4的漏极接系统输出供电，PWM控制管理模块输出端连接所述电池单元输入端。

还包括有EC控制单元，所述的EC控制单元均通过I2C总线与协议芯片单元、充电芯片单元和电池单元电连接。

所述的充电芯片单元还包括有DAC模块、ADC模块，所述的电参数检测模块连接有参数外围检测电路，参数外围检测电路与NMOS管S2的漏极连接。

所述的电池单元包括有保护板、电量计、控制单元和电芯。

本实用新型的优点是：本实用新型兼容单芯到3串电芯电池充电，当使用不同节芯电池时，通过EC控制单元写入对应充电信息实现；本实用新型具有更高的集成度和兼容性，系统成本更低，便于快速充电技术的普及应用。

本实用新型的电池模块包含保护板与电量计，保护板在检测到超过设定电压电流时，切断线路停止给电池充放电，确保电池端过压过流时电池的安全性。电量计内提前写入电芯的充放电曲线，通过电池电压值内部换成可以得到实时的电量情况，EC通过读取固定的寄存器值可以得到电池的电量。

本实用新型电池模块内包含控制单元，当多电芯串联充放电时控制单元可以均衡的给每颗电芯充放电，当电芯之间的压差超过设定值时，会实时微调电芯充放电策略，确保电芯的安全。

本实用新型的EC控制单元连接协议芯片单元、充电芯片单元、电池单元。通过I2C(同步串行总线)寻址可以获取协议芯片端电压电流信息、电池单元内电量信息，然后下达充放电指令给充电芯片单元相关寄存器，并跟进实时信息调整充放电参数，确保整个系统稳定运行。

本实用新型可以在充电的同时，另外输出一路电源给系统使用，并可以智能分配电流，给电池充电的同时亦能给系统供电。系统端可以使用ARM(一个32位精简指令集处理器架构)或X86(微处理器执行的计算机语言指令集)平台。

附图说明

图1为本实用新型单电芯快速充电方法的基本结构示意图；

图2为本实用新型中兼容1-3串电芯快速充电方法的基本结构示意图；

图3为充电芯片模块内部结构示意图；

图4为VBUS检测控制模块电路图；

图5为Type-C适配接口电路图；

图6为PD/QC协议识别模块；

图7为PWM控制管理模块、电参数检测模块以及参数外围检测电路图。

具体实施方式

如图1、2、3所示，一种智能快充装置，包括有Type-C适配接口1、协议芯片单元2、充电芯片单元3和电池单元4，所述的协议芯片单元2包括有NMOS管S1、NMOS管S2、VBUS检测控制模块和PD/QC协议识别模块，Type-C适配接口1的VBUS端口分别连接NMOS管S1的漏极和VBUS检测控制模块的输入端，NMOS管S1的源极连接NMOS管S2的源极，NMOS管S2的漏极接充电芯片单元3的输入端，NMOS管S1和NMOS管S2的栅极一起连接VBUS检测控制模块的控制端，Type-C适配接口1的DP端口、DM端口、CC1端口和CC2端口电性连接所述PD/QC协议识别模块，用于与适配器的协议握手，S1和S2的栅极一起接协议芯片单元2内部的VBUS检测控制部分，S1和S2构成串联形式且同开同关，正常工作的同时避免后级异常电流倒灌到前端适配器；所述的充电芯片单元3包括有PWM控制管理模块、NMOS管Q1、NMOS管Q2、NMOS管Q3、NMOS管Q4、储能电感和电参数检测模块，PWM控制管理模块控制着NMOS管Q1、NMOS管Q2、NMOS管Q3和NMOS管Q4，可以实现将协议芯片单元2过来的电升压或降压给电池单元4充电，也可以实现将电池单元4过来的电升压或降压给系统后级供电。NMOS管Q1的漏极接NMOS管Q2的源极并共同接储能电感的一端，NMOS管Q2的源极接地，NMOS管Q3的源极接地，NMOS管Q3的漏极接NMOS管Q4的源极并共同接储能电感的另一端，NMOS管Q4的漏极接系统输出供电，PWM控制管理模块输出端连接所述电池单元4输入端。

还包括有EC控制单元5，所述的EC控制单元5均通过I2C总线与协议芯片单元2、充电芯片单元3和电池单元4电连接。

所述的充电芯片单元3还包括有DAC模块(数字信号与模拟信号转换)、ADC模块(模拟信号与数字信号转换)配合内部各部分数据转换确保单元正常运行，所述的电参数检测模块连接有参数外围检测电路，参数外围检测电路与NMOS管S2的漏极连接。电参数检测模块，搭配外围检测电路能及时发现过压、过流、过温等异常数据并迅速做出关断充电或者降低充电功率等响应。

本实用新型中，VBUS检测控制模块和PD/QC协议识别模块之间是独立运行的，只是包含在同一颗芯片里。PWM控制管理模块、电参数检测模块、DAC模块、ADC模块也是同属于一颗芯片内，通过内部逻辑机制协调运行。各电路图如4-7所示。

所述的电池单元4包括有保护板、电量计、控制单元和电芯，保护板在检测到超过设定电压电流时，切断线路停止给电池充放电，确保电池端过压过流时电池的安全性。电量计内提前写入电芯的充放电曲线，通过电池电压值内部换成可以得到实时的电量情况，EC通过读取固定的寄存器值可以得到电池的电量。

电池模块内包含控制单元，当多电芯串联充放电时控制单元可以均衡的给每颗电芯充放电，当电芯之间的压差超过设定值时，会实时微调电芯充放电策略，确保电芯的安全。

EC控制单元5连接协议芯片单元2、充电芯片单元3、电池单元4。通过I2C(同步串行总线)寻址可以获取协议芯片端电压电流信息、电池单元4内电量信息，然后下达充放电指令给充电芯片单元3相关寄存器，并跟进实时信息调整充放电参数，确保整个系统稳定运行。

工作原理：

当Type-C口有适配器接入时，当适配器是标准Type-C的PD协议时，通过CC1和CC2pin脚进行协议识别，输出电压从初始的5V升压至20V。当适配器是高通QC协议时，通过DP,DM pin脚进行协议识别，输出电压从初始的5V开始，上升到9V或12V。识别无异常后，协议芯片控制MOS打开，将电放到后级charger电路。

协议芯片单元2，通过USB接口的CC1/CC2或者D+/D-引脚和充电头适配器连接，协议沟通所需要的电压和电流。PD协议通常需要满足PD2.0/3.0及PPS功能，通过PPS功能可以动态调整VBUS的输出电压(5V～20V,20mV step)。QC协议通常需要支持至少QC 2.0/3.0标准，以方便兼容一些老的适配器。识别无异常后，协议芯片控制MOS打开，将电供给充电芯片单元3。

充电芯片单元3接收到协议芯片单元2过来的电后，通过参数外围检测电路检测硬件配置信息，确认搭配的电池是几串电芯。如果此时电池完全没电，充电芯片单元3会控制输出对应默认的VSYS电压给系统端激活EC控制单元5。如果此时电池有电且高于默认输出的VSYS电压时，会优先以电池电压供给系统端激活EC控制单元5。以电池为3串电芯时为例单节电芯工作电压一般为3V～4.35V，3串电池为9V～13.05V。当电池完全没电或未接电池时，充电芯片单元3会输出默认9.22V的电压到系统端，当电池有电时，会以电池供电给系统端。EC控制单元5未下发充电信息给充电芯片单元3前不会给电池充电。

EC控制单元5被激活后，通过I2C界面给充电芯片单元3的寄存器写入充电电压和电流，由于电池特性的原因，充电会分为几个阶段以保证电池的寿命。在充电的几个阶段pre-charge，CC，CV中，充电芯片单元3会实时检测电池充电状态并调整充电电压和电流。以电池为3串电芯时为例，电池电压低于9.6V时，以350mA电流进行预充电，电池电压高于9.6V后进行3A恒流充电,电池快充满时进行恒压充电直到电量达到100％。

充电芯片单元3提供多种保护机制，包含看门狗机制，当看门狗超时后，将不会充电，充电电流置零。

Charger芯片SC8886输入最大工作耐压为29V，不管输入是5V,9V,12V,20V都能正常工作。以输入为20V，电池为3串电芯时为例，EC控制单元5下指令给charger芯片，通过配置对应的寄存器值，给电池的最大充电电压设置为13.2V，给电池的最大充电功率控制在40W左右，充电时芯片内部保护线路会进行实时监测，如果有过流或过压超过了超过电池预设的保护值时，系统会停止充电，以免损坏电池或线路元器件。一般40WH的电池，充满电的时间在1.5H左右。

当电池处于充电状态时，电池的电压会上升，电池保护板上的电量平衡管理芯片会均匀将电量分给每节电芯。通过电量计内部预设的充电曲线换算成电池的电量，EC通过I2C通讯界面获取电量信息，电池充满后EC会下指令给charger芯片停止充电。电池保护板上的保护芯片会实时监测，侦测到过流或过压会将MOS断开停止充电，确保电池的安全性。

EC控制单元5it8911不仅起着电源管理和控制作用，而且把充放电信息和电量信息反馈到系统端显示。

上述的实施方式与实施例，只是为了清楚说明本实用新型所述装置的组成及使用方法，但本实用新型的保护范围并不局限于此，如采用不同的封装结构，不同的外壳等均落入本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种智能快充装置，其特征在于：包括有Type-C适配接口、协议芯片单元、充电芯片单元和电池单元，所述的协议芯片单元包括有NMOS管S1、NMOS管S2、VBUS检测控制模块和PD/QC协议识别模块，Type-C接口的VBUS端口分别连接NMOS管S1的漏极和VBUS检测控制模块的输入端，NMOS管S1的源极连接NMOS管S2的源极，NMOS管S2的漏极接充电芯片单元的输入端，NMOS管S1和NMOS管S2的栅极一起连接VBUS检测控制模块的控制端，Type-C接口电性连接所述PD/QC协议识别模块；所述的充电芯片单元包括有PWM控制管理模块、NMOS管Q1、NMOS管Q2、NMOS管Q3、NMOS管Q4、储能电感和电参数检测模块，PWM控制管理模块控制着NMOS管Q1、NMOS管Q2、NMOS管Q3和NMOS管Q4，NMOS管Q1的漏极接NMOS管Q2的源极并共同接储能电感的一端，NMOS管Q2的源极接地，NMOS管Q3的源极接地，NMOS管Q3的漏极接NMOS管Q4的源极并共同接储能电感的另一端，NMOS管Q4的漏极接系统输出供电，PWM控制管理模块输出端连接所述电池单元输入端。

2.根据权利要求1所述的一种智能快充装置，其特征在于：还包括有EC控制单元，所述的EC控制单元均通过I2C总线与协议芯片单元、充电芯片单元和电池单元电连接。

3.根据权利要求1所述的一种智能快充装置，其特征在于：所述的充电芯片单元还包括有DAC模块、ADC模块，所述的电参数检测模块连接有参数外围检测电路。

4.根据权利要求3所述的一种智能快充装置，其特征在于：所述的参数外围检测电路与NMOS管S2的漏极连接。

5.根据权利要求1所述的一种智能快充装置，其特征在于：所述的电池单元包括有保护板、电量计、控制单元和电芯。

6.根据权利要求1所述的一种智能快充装置，其特征在于：所述的Type-C接口的DP端口、DM端口、CC1端口和CC2端口电性连接所述PD/QC协议识别模块。