CN2842844Y

CN2842844Y - 便携式光电数码电源

Info

Publication number: CN2842844Y
Application number: CN 200520076866
Authority: CN
Inventors: 李继元; 杜小枫
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-10-31
Filing date: 2005-10-31
Publication date: 2006-11-29
Anticipated expiration: 2015-10-31

Abstract

便携式光电数码电源，包括合页式机壳、设置于机壳内表面的光伏电池、设置于机壳内的蓄电池以及设置于机壳外表的显示屏、指示灯、按键、开关和输入、输出插口，其特征是光伏电池输出接蓄电池共同构成蓄电模块，蓄电模块还分别通过开关插口与交流市电及车载电源连接，蓄电模块输出接附有控制软件的微处理器模块，微处理器模块输出接充电管理模块，充电管理模块输出接用电负载，微处理器模块、充电管理模块由蓄电模块通过电源转化模块供电，蓄电模块还通过开关接升压模块，升压模块输出接微处理器模块，微处理器模块和充电管理模块还分别与显示装置连接。

Description

便携式光电数码电源

技术领域

本实用新型涉及数字电源，特别是一种便携式光电数码电源，属于光、电子技术领域。

背景技术

目前市场流行的PSP(便携式游戏机)、PDA(掌上电脑)、GSM(智能移动电话)、DC(数码照相机)、DV(数码摄象机)、DVD(便携式视频播放器)等数码类产品越来越多。这些设备的共同特点是；必须通过220V交流电的转换条件才能达到正常使用的目的。这些设备在供电时涉及到许多不同的参数，如；电池种类，电池容量、电气指标和电源管理。这些不同的供电参数变化和制造商差异性设计，使得现有的数码产品在供电设备之间相互不具有通用性。实际上，绝大部分数码电器需要在移动过程中使用，当能量匮乏，又没有220V的交流供电场合，数码电器立刻无法正常工作。此外，采用蓄电池组的方法移动供电，由于缺乏通用的供电模式，大多数设备仍然不能得到电量补充，给用户带来不便。

目前有多种采用光伏电池的移动充电技术方案，例如ZL0243162.4、ZL03221033.7、ZL01245810.4等技术方案，综述以上方案，存在以下不足：方案未对充电对象“手机”的充电方式、管理模式、电源种类等进行细分。比如，充电方式，锂离子电池要求的充电方式是恒流恒压方式，电源的输入要求采用恒流恒压源。管理模式，由于现代流行的手机，除了通信还附加了许多诸如；PSP(游戏)、PDA(掌上电脑)、MP3(音频播放)、DC(数码拍照)、等功能。这些功能使得手机的功率增大，对电源电路的管理要求甚严，例如，要求充电器具备输入电流调节功能，用于限制电源的总输入电流，包括负载电流和充电电流，当手机终端内部检测电路，测到输入电流大于所设定的限流门限时，若输入部分不能自动调节，多数手机终端设备的主控器将拒绝外来充电；电源种类，例如；PSP(便携式游戏机)、PDA(掌上电脑)、GSM(智能移动电话)、DC(数码照相机)、电源种类是以一节锂离子电池(3.7V)为基础的类型，DV(数码摄象机)、MP4(硬盘播放器)是以两节锂离子电池串行(7.4V)为基础的类型，DVD(便携式视频播放器)是以三节锂离子电池串行(10.8V)为基础的类型，PC是以四节锂离子电池串行(14.8V)为基础的类型。如果不进行恰当细分，无法集合到精确的数字电压对其实施充电效果。此外，为防止损害设备，多数手机终端设备要求充电器必须具备安全充电条件，必须对充电速率、充电时间、充电温度设计有相应的保护措施。而采用单一光伏电池作为充电器方案(ZL0243162.4、ZL03221033.7)只能给部分手机做简单的充电转换，显然不能满足为上述“智能”移动电话充电的条件。折叠式充电器(ZL0243162.4)的方案，虽能够积聚到一定光伏能量，但不经过专门的DC转换线路设计，充电的安全性又很差，是无法给具有严格电源管理电路的数码设备充电的。另外，光伏电池转换效果较低，积聚到一定光伏能量，需要较大的电池板面积，从而破坏了整体便携性效果。同样，ZL03221033.7方案，由于光伏电池转换效果较低，直接带负载能力有限，在不扩充光伏电池功率情况下，很难驱动上述智能移动电话所需要的增长型功率。ZL01245810.4的方案，虽采用了DC转换器，较前两种方案有所改进，但仅是给出了一种光伏电池对自身内部蓄电池做DC的充电转换形式，但在对外输出时，它仅是提供了一种简单的直流输出源。同样，没有按充电方式所遵循原则向负载提供恒流恒压方式，即必须提供一种稳定的恒流恒压源。因此，在充电安全上是存在隐患的，以上方案都缺乏前述所要求的“充电方式、管理模式、电源种类”等智能充电器必要条件。原则上，在对于现代流行数码手机做充电转换时它是无能为力的，所以通用性和充电效果存在很多问题

上述方案其效果不足可以验证，无法给手机充电的品种有：

诺基亚(NOKIA)3658/6680/6681系列

索爱(SONY-ERICSSON)K/750C/E730/K500C/S700C系列

摩托罗拉(motolora)A760/A768i/UBS4P/V3系列

三星(samsung)E/628/E738系列

西门子(simens)C/55/M55/CXV65等系列

上述品牌手机占了全球市场的绝大分额，充电方案不能包括上述品牌，则方案明显存在不足。由于不能智能地控制充电过程，没有多路数字控制的集成电压信号，很容易被那些具有严格电源管理电路的数码产品所拒绝(例如拍照手机)，实现不了充电的目的。

发明内容

为了克服使用上的障碍，本实用新型的目的是解除对上述数码产品供电方式限制，提供一种便携式光电数码电源，它利用光伏电池和蓄电池组结合起来的光电转换技术，将太阳光线辐射和其它具有红外光线的辐射能量，通过光伏电池的作用进行有效的转换，以发电、存储、再生、输出等形式构成装置，重点解决常规电源不能对移动的数码电器实现供电的需求。

本实用新型的目的是这样实现的：便携式光电数码电源，包括合页式机壳、设置于机壳内表面的光伏电池、设置于机壳内的蓄电池以及设置于机壳外表的显示屏、指示灯、按键、开关和输入、输出插口，其特征是光伏电池输出接蓄电池共同构成蓄电模块，蓄电模块还分别通过开关插口与交流市电及车载电源连接，蓄电模块输出接附有控制软件的微处理器模块，微处理器模块输出接充电管理模块，充电管理模块输出接用电负载，微处理器模块、充电管理模块由蓄电模块通过电源转化模块供电，蓄电模块还通过开关接升压模块，升压模块输出接微处理器模块，微处理器模块和充电管理模块还分别与显示装置连接。上述连接在控制软件的调度下，构成了具有预充、恒流恒压、充电保护、自动断电和充电提示的智能型充电器装置。

蓄电模块含硅光电池E、220V交直流转换器、12V车载直流转换器以及输入接口、转换开关、保护二极管、电阻组成的辅助电路和蓄电池组B1、B2，以组合不同参数的电源电压提供给单片机调制用；微处理器模块中含附有控制软件的单片机以及外围电路，根据输入的不同电压参数，发出不同的控制指令，控制指令主要是通过调整单片机脉宽调制信号PWM的脉宽实现的，通过改变PWM信号的占空比和利用PWM信号的占空比变化，从而得到一组可选用的精确数字电压，经过充电管理模块调整后对外输出；充电管理模块含充电管理芯片以及P沟道场效应管、滤波电容器、输出接口、保护检测电阻组成的外围电路；升压模块含DC-DC升压控制变换芯片及外围电路；电源转化模块中含电源转化芯片及滤波电路，将蓄电模块供电转换为微处理器和充电管理模块的电源。

光伏电池为至少设置一组两块分别为1.2W/4.9V，转化效率为＞15％的光伏电池串联构成，蓄电池为至少设置一组两块分别7.4V/2000mAh的锂电池构成，两块锂电池通过开关设置成串、并联两种格式，并联设置时，通过光伏电池E，接受转化的直流电源输入，也可以通过交流电源适配器接受交流市电或车载直流电源输入，串联设置时，蓄满电能的B1～B2装置可以通过开关接升压模块在高位向系统方便地输出各种调制的电压，同时，另一块通过电源转化模块向微处理器模块、充电管理模块电源供电。

本实用新型的优点及效果：本实用新型充分利用蓄电池组在3.7V截止时仍保留20％残留电量的放电曲线的特征，将内部蓄电池组残留电量和外部光伏电池转化能源相结合，借助光伏电池补充作用，通过扩流，分段升压的光电转换方法，然后由设计的微处理器程序依据电源种类所细分的不同特点，智能地调节出适合充电要求的数字集成控制电压，以解决各类数码设备充电机相互之间不能通用的问题，从而解除对上述数码产品供电方式的限制，将应用扩大到对主流数码相机、数码摄象机、移动式DVD等设备，构成具有典型或一般充电特性为主要效果的实施方案，特别是给定功率的笔记本电脑，例如(30W)成功供电的方案。经过改进，本实用新型能给上述所表征的任一款手机实现充电支持。由微处理器、充电管理芯片、电源转化等共同构成了具有预充功能、恒流恒压功能、充电保护功能、自动断电功能和充电完成提示功能的智慧型充电电路。本实用新型的单片机、充电器模块外围电路及其简单，非常适合紧凑设计需要。通过触摸按键，能方便地循环调用各档电压输出。其次，通过切换开关，能扩展和组合多种电压变换形式，方便地将输出功率逐步提高，成为一种多用途、功率大的袖珍式光电数码电源装置。

附图说明

图1为本实用新型机壳结构示意图；

图2为本实用新型机壳内布置和安装的示意图；

图3为本实用新型扩充安装光伏电池结构示意图；

图4为本实用新型电路原理框图；

图5为本实用新型电路图；

图6为本实用新型的单片机控制流程图；

图7为本实用新型的单片机引脚功能标号表。

具体实施方式

参看图1，合页式机壳打开(合页设弹簧转轴14)，两页内表分别是采用透明树脂封装光伏电池板1(硅晶片)，电池组内部带有充电保护电路。机壳内分层布置和安装如图2(合页式机壳合拢)，自上至下为面板层2(含框3，面板上有显示屏11、触摸按键12、电量指示灯13，与各种电源和设备对应的输入、输出插口设置于机壳侧面)；光伏电池板层1；电路层7(含锂电池8、9，印刷电路板10)；底板层17。光伏电池板数量可扩充，如图3成多页折叠合页式机壳。锂电池数量亦可扩充。

参看图4，光伏电池E为两块分别为1.2W/4.9V，转化效率为＞15％的硅光电池串联构成，蓄电池B1、B2为两块分别7.4V/2000mAh的锂电池构成，两块锂电池通过开关设置成串、并联两种格式，并联设置时，通过光伏电池E接受转化的直流电源输入、也可以通过交流电源适配器接受交流市电或车载直流电源输入，串联设置时，蓄满电能的B1～B2装置可以通过开关接升压模块在高位向系统方便地输出各种调制的电压，同时，另一块通过电源转化模块向微处理器模块、充电管理模块电源供电。

E+B1时，是针对7.4V以下的一类以采用Li-Ion电池为电源的数码电器，其中包括手机、数码相机、数码摄象机等；E+B1+B2时，是针对10.8V以下的一类以采用Li-Ion电池为电源的数码电器，其中包括有移动DVD、MP4硬盘播放器等数码电器；E+B1+B2再经过升压模块将电源输出提升到24V，将涵盖PC手提电脑产品。

图5是集成在印制板上的整机电路。左上是光伏电池及蓄电池共同构成的蓄电模块电路。该电路主要由E硅光电池、220V交直流转换器、12V车载直流转换器输入接口JF1、转换开关S1、若干保护器件和蓄电池组B1、B2组成。其中，220V交直流转换器、12V车载直流转换器采用插入式连接，当需要给内部B1蓄电时，通过JF1口插入，和D8器件的正极连接，再经过D8器件引到蓄电池组的正极，外部设备主要通过D8器件给蓄电池组的B1蓄电。

E硅光电池是一组太阳能组件，将组件首尾串联后，正极直接和D9器件连接，经过D9器件进到蓄电池组B1的正端。E的电能通过D9器件给蓄电池组的B1蓄电，D8、D9器件的作用是避免电池组B1向E硅光电池组件或外部蓄电设备反向放电。电路在JF1口的正极端并接了电阻R1，在蓄电池组B1的输出端并接了电阻R2、R3，分别和单片机的P6.6、P6.7口相连。单片机P6.6口通过设置的R1电阻检测蓄电设备的DC充电信号，如果测到电流大于设定值(≥2A)时，立即切断电源报警，若正常给予充电。充满后单片机则通过控制D7器件的LED发光显示通知用户。R2、R3电阻为单片机P6.7口提供蓄电池组B1的电量数据采样，检测B1是否存在欠电，如果欠电，单片机则通过D10器件的LED发光显示，通知用户采取蓄电措施。JF1的负极通过R4接地，为B1充电的回路上作过流保护。转换开关S1连接于蓄电池组B1的两端，通过此开关，将两组7.4V的蓄电池组串、并联组成如图所示的BAT+1、BAT+2电压。蓄电模块的主要用途是组合不同参数的电源电压提供给单片机调制用，例如提供的BAT+1、BAT+2、BAT+3电压。意义如下；

E+B1＝BAT+1；是针对7.4V以下的一类以采用Li-Ion电池为电源的数码电器，其中包括手机、数码相机、数码摄象机等。

E+B1+B2＝BAT+2；是针对10.8V以下的一类以采用Li-Ion电池为电源的数码电器，其中包括有移动DVD、MP4硬盘播放器等数码电器等。

E+B1+B2→升压＝BAT+3；可以涵盖PC类手提电脑产品。

图5右上是升压模块电路。电路由采用独立开关模式的直流升压芯片VS1、变阻器VR、S2开关组成。模块VS1的引脚1连接于BAT+2的正端，为电源输入端，引脚2接地，引脚3为电源输出端，和单片机P5.1口连接，模块的输入电压为16V。经过开关S2，能将BAT+2上送来的低电压(16V)，实现提升的目的。在模块的第4和第5脚之间外接一个可变电阻VR，能调节输出电压范围，使提升的电压固定为一种稳定幅度的电压(BAT+3)。但经过单片机调制后P5.1口送出的(BAT+3)电压在工作方式上有所改变，是一种待用基准电压，通过此基准电压可以控制大功率器件的输出。S2开关仅在那些需要大于16V的输出场合下使用，升压电路也可根据实际需要进行组合，可参考选用(Max或Linear-LTC)专用的DC-DC转换器芯片升压芯片。

图5左中是微处理器模块电路。由单片机、键控电路K1、R7、LED距阵列显示器电路、JT1晶振电路等组成。选用单片机(Elan)EM78P458，工作电路可结合参阅图7引脚功能标号表。

标注P5.0号的I/O口为键控电路输出，按键K1连接限流电阻R7向单片机发键选指令，R7的另一端联接于单片机的工作电压端VCC。

标注P5.1口为PWM输出调制端，联接于蓄电模块电路的BAT+1、2，BAT+1、2端提供的电压参数经过单片机P5.1口，按编制的不同脉宽信号调制处理程序，通过改变输入电压信号的占空比方式得到输出电压的精确值，再经过R5电阻输出供给后面的充电管理模块。

标注P5.2～P6.0口，为LED距阵列显示输出口，P5.5～P5.7口分别由上拉电阻R8、9、10通过D1～D7的LED管的连接和引脚标号为P5.2～P5.4口相接。能分别根据键控电路所指示的不同输出电压发光指示，引导用户正确选用，其中P6.0口和充电管理芯片(BQ-2057)STAT引脚反向接连接实现充电状态的显示。

JT1为晶振电路器件，主要控制单片机的机器周期和功能复位，两端并有谐振电容C1、C2，分别连接于单片机OSC1、OSC2端口上。

单片机VDD口(第16脚)连接于LM7805模块第3引脚的VCC，并通过C8的电容接地，为单片机提供稳定的工作电压。

标注P6.3～P6.7口，为输入信号控制口。P6.3口和充电管理模块的BAT脚连接，通过BAT脚，采集被充电的负载电池电压变化信号，控制充电过程。P6.4口为电源防短路保护口，通过JF2输出回路负极端的电阻R11监测回路是否存在短路？如有，开启电路保护。

P6.5口为电源输出检查端口，由于同一输出口集中不同的电压在使用，为防止误操作，通过检测并联在JF2输出端的电阻R12处是否有(DC-IN)电源线插入？当判定JF2插入输出线，R12有电流流过，则按键动作失效，不可以扫描电压，反之有效。

标注P6.6、P6.7口分别为内部电量检测、和外部DC蓄电指示信号，分别和蓄电模块中的R1、R2、R3相连作用。

单片机的主要工作原理是通过PWM方式调制出不同的脉宽信号供输出选用，其次是作为充电器的控制器使用，控制充电管理芯片(BQ-2057)的充电过程。以上请同时参阅流程图6。

图5右中是充电管理模块电路。主要由充电管理芯片(BQ-2057)、P沟道场效应管Q1、滤波电容器C5、JF2输出接口等组成。(BQ-2057)的引脚描述如下；VCC：工作电源输入，和电源模块的BAT+1、2、3相连并经过C4的去耦电容接地。BAT：锂电池电压输入，和单片机的P6.3口和Q1管的输出端相连。CC：充电控制输出，通过电阻R6和输出管Q1的栅极相连。VSS：工作电源地输入。STAT：充电状态输出，和单片机的P6.3口相连。SNS：充电电流感测输入，和R5、Q1管的输入端并联。COM：充电速率控制，和工作电压端VCC相连。TS温度感测输入(本实施例为空脚，未设置)。R5为输出感测电阻，单片机的P5.1口经过R5和(SNS)脚相连，输出时通过SNS和VCC引脚的回路检测，获得充电电流的反馈，以监控充电电流，C5为滤波电容，在JF2输出口的正极端和Q1管的输出端并联，R11，R12分别担任检测任务，和单片机的P6.3口P6.5相连后接地。

充电管理芯片(BQ-2057)的工作原理描述如下；它具有三个充电控制过程：预充、恒流、和恒压阶段，工作时，首先检测电压VCC。如果过低进入睡眠状态，正常则以恒流IREG10％预充电。预充过程结束后，进入恒流充电阶段，此时通过R5监控充电电流，不符合会自动调整。当检测充电电压达到恒压VREG值时进入恒压充电阶段，此时(BQ-2057)会通过VBAT、VSS引脚监测电池组的电压，当充电电流达到终止门限电流I(TERM)时，自动停止充电，低于终止门限电压V(RCH)时，自动开始充电。充电状态由单片机的P6.0口通过识别STAT口提供的状态管理信号，报告当前的充电状态(充电、充满、和故障)，并由D10红绿双色灯显示指示(红色，指示正在充电、绿色，指示充满、红色闪烁，指示故障)。单片机主要通过P6.0口的A/D转换器，采集STAT口的状态信号，通过识别STAT口的充电、停止、故障的三种状态信号实现仪器的智能管理。

图5左下是LED显示电路。D1～D6，为输出电压指示灯，由单片机的控制，显示各档输出的电压。D7、D10为充电状态指示灯，由单片机监测电源管理模块的第5引脚STAT口的电压信号，报告当前被充对象的充电状态，分别用做出正在充电、充满、和故障的显示。

图5右下是电源转化模块。由LM7805和C6、C7两个电容器组成，引脚1为电源输入端，和BAT+连接，引脚2接地，引脚3为电源输出端VCC，和单片机及电源管理模块的VCC端连接，提供单片机及电源管理模块的+5V工作电压。C6、C 7分别并接与图V-IN，V-OUT和GND的两端，减少输入输出时的电路纹波系数。电路将输入的电压转换为5V电压作为单片机和充电管理芯片的工作电源。共同构成具有预充功能、恒流恒压功能、充电保护功能、自动断电功能和充电完成提示功能的智能型充电器特征。

本实用新型电路集合了“E～B1～B2”三组电源，其中E采用单片规格为4.9V，转化效率为＞15％的标准光伏电池，将2片以串联的方式接入，电源板接有防逆流保护元件D2。B1、B2则采用2节7.4V Li--Ion离子电池组，其中一节担任扩充任务，电源板装有切换开关，当开关拨至并联位置，B1～B2并联，E1、或外部DC电源完成对2节7.4V Li--Ion离子电池的蓄电任务，当开关拨至串联位置，B1～B2串联，经过提升或否，蓄满电能的B1～B2装置可以在高位经系统输出各种调制的电压，通过这种方式可以很容易分段组合出：U1、U2、U3的BAT+电压方式，且无须增加附加复杂的电路和元件成本。

电路保护主要根据图6控制流程，单片机首先通过检测充电管理模块的JF2口处的R12电阻取样，判定是否有电源线处在插入状态？如有插入，则禁止按键动作输出电压。R12和单片机上的P6.5口(DC OUT CHECK)相连，通过对R12的管理判断，控制按键是否动作，然后，再通过对输出回路R11的检测，判断输出回路是否存在短路过载现象，如有，则切断输出回路并报警。短路过载保护由连接到单片机上的P6.4口(CHECKBAT)的R11采样电流完成，当测到大于设定的门限值，单片机断电告警。输出过程单片机将通过监测R2、R3电阻的分压比变化，来自动检测和确定系统内部是否处于欠电状态如存在欠电状态则提示告警。正常，则通过R7的K1键控信号循环选择出各种不同的输出电压，如；3、4.5、5、6.6、8.5V……等数值，同时通过单片机的P5.2～P6.0口(LED2、LED3、LED4)等组成LDE矩阵列显示输出的电压数值。此外，内部蓄电输入过程，单片机P6.7口(DC IN CHECK)根据连接于蓄电模块JF1接口处的R1，通过对R1的监测，检测输入回路是否存在短路，有则关闭输入，开启保护。

此外，对负载的充电过程的管理则由单片机的P6.0口根据充电管理模块第5引脚STAT的信号反馈，监控和显示当前的充电状态(充电、充满、和故障)，当把TS引脚连接到VSS时可以禁止BQ2057的充电功能。

本实用新型电路模块中选用了公知的芯片和电路设计，一般技术人员根据本申请的思路和流程，即可方便的实施。

Claims

1、便携式光电数码电源，包括合页式机壳、设置于机壳内表面的光伏电池、设置于机壳内的蓄电池以及设置于机壳外表的显示屏、指示灯、按键、开关和输入、输出插口，其特征是光伏电池输出接蓄电池共同构成蓄电模块，蓄电模块还分别通过开关插口与交流市电及车载电源连接，蓄电模块输出接附有控制软件的微处理器模块，微处理器模块输出接充电管理模块，充电管理模块输出接用电负载，微处理器模块、充电管理模块由蓄电模块通过电源转化模块供电，蓄电模块还通过开关接升压模块，升压模块输出接微处理器模块，微处理器模块和充电管理模块还分别与显示装置连接，上述连接在控制软件的调度下，构成了具有预充、恒流恒压、充电保护、自动断电和充电提示的智能型充电器装置。

2、根据权利要求1所述便携式光电数码电源，其特征是：

蓄电模块含硅光电池E、220V交直流转换器、12V车载直流转换器以及输入接口、转换开关、保护二极管、电阻组成的辅助电路和蓄电池组，以组合不同参数的电源电压提供给单片机调制用；微处理器模块中含附有控制软件的单片机以及外围电路，根据输入的不同电压参数，发出不同的控制指令，控制指令主要是通过调整单片机脉宽调制信号PWM的脉宽实现的，通过改变PWM信号的占空比和利用PWM信号的占空比变化，从而得到一组可选用的精确数字电压，经过充电管理模块调整后对外输出；充电管理模块含充电管理芯片以及P沟道场效应管、滤波电容器、输出接口、保护检测电阻组成的外围电路；升压模块含DC-DC升压控制变换芯片及外围电路；电源转化模块中含电源转化芯片及滤波电路，将蓄电模块供电转换为微处理器和充电管理模块的电源。

3、根据权利要求1或2所述便携式光电数码电源，其特征是光伏电池为至少设置一组两块分别为1.2W/4.9V，转化效率为＞15％的光伏电池串联构成，蓄电池为至少设置一组两块分别7.4V/2000mAh的锂电池B1、B2构成，两块锂电池通过开关设置成串、并联两种格式，并联设置时，通过光伏电池E，接受转化的直流电源输入，也可以通过交流电源适配器接受交流市电或车载直流电源输入，串联设置时，蓄满电能的B1～B2装置可以通过开关接升压模块在高位输出各种调制的电压，同时，另一块通过电源转化模块向微处理器模块、充电管理模块电源供电。