TWI393321B - 二次電池的充電控制電路 - Google Patents

Description

二次電池的充電控制電路

本發明涉及一種二次電池的充電控制電路，特別涉及一種結構簡單的恒流充電控制電路。

現在很多電子產品都採用可充電的鋰電池作為電源，由於過充電對鋰電池的壽命產生不可挽回的影響，因此，大多數的鋰電池充電均採取先恒流充電，後恒壓充電的模式保證鋰電池的充電電壓不會過高，從而保證鋰電池的使用壽命。

在2007年7月18日公開的中國大陸專利申請號為200610064700，專利名稱為“鋰電池充電控制環路”的發明公開檔中，揭露了一種充電控制環路包括一電流回饋運放、一電流電壓控制耦合電路及一充電低壓差線性穩流器(充電LDO)形成電流負反饋環路，電流控制信號經電流回饋運放、電流電壓控制耦合電路、充電LDO回饋到電流回饋運放，控制充電LDO輸出恒定電流，對電池進行恒流充電。但是，該發明採用很多的控制元件來實現恒流充電，在使用中更耗電，而且複雜的結構增加了電路的不可靠性，並且也更加容易出現故障。

因此，本發明提供一種為二次電池設計的結構簡單、成本低廉充電電路，通過一簡單的恒流充電單元和充電開關產生一恒定的充電電流給二次電池充電，其結構簡單便宜，使用可靠，故障率低。

有鑒於此，本發明將提供一種二次電池的充電控制電路，包括一恒流充電電路從充電電源獲取電能產生一大電流為二次電池快速充電，一恒流充電單元為二次電池恒流單元；一轉換開關控制恒流充電單元的導通與截止；一電流檢測器連接在恒流充電單元與轉換開關之間，產生的電勢差使得恒流充電單元導通或截止；一控制單元連接在充電電源與轉換開關之間，恒流充電單元導通或者截止引起控制單元控制轉換開關的截止或導通，從而改變電流檢測器上產生的電勢差；所述電流檢測器、恒流充電單元、控制單元、轉換開關之間相互牽制使流過所述恒流充電單元的電流保持在一設定的範圍內提供給需要充電的二次電池。

如圖1所示，是本發明充電控制電路一實施方式的方框圖。在該檢測電路中，充電電源10包括三條支路，第一條支路順次連接到一恒流充電單元21和一轉換開關22後，連接到一二次電池40；第二條支路連接到一涓流充電單元30後連接到二次電池40；第三條支路通過電流檢測器23和轉換開關22後，連接到一二次電池40。控制單元24的一端從恒流充電單元21取得，另一端連接到轉換開關22。該電流檢測器23上產生的電勢差使得該恒流充電單元21導通或截止，該控制單元24由於該恒流充電單元21的導通或者截止狀態控制該轉換開關22截止或導通， 從而改變電流檢測器23上產生的電勢差。通過電流檢測器23、恒流充電單元21、控制單元24、轉換開關22之間相互牽制使流過所述恒流充電單元21的電流保持在一設定的範圍內提供給需要充電的二次電池。控制單元24還可以從外部信號單元50接收控制信號。當控制單元24接收到有效的外部信號後，截止所述轉換開關22，從而停止恒流充電，啟動涓流充電單元30為二次電池40滿充。

如圖2所示，是圖1中實施方式的具體電路圖。充電電源10輸出一直流電壓，該直流電壓為一經過穩壓電路和濾波電路的充電電壓Vin。二次電池40輸入端的電池電壓為Vbat。

恒流充電單元21可以由一具有PNP型雙極結型電晶體功能的裝置組成，在本實施方式中，採用一PNP型雙極結型電晶體Q1實現，電流檢測器23由一檢測電阻R1組成。該PNP型雙極結型電晶體Q1的射極(A點)作為輸入端接收電壓Vin，基極(B點)連接到轉換開關22，集電極(C點)通過一集電極電阻R2接地。該檢測電租R1的兩端分別連接PNP型雙極結型電晶體Q1的射極(A點)和基極(B點)。恒流充電單元21還可以是具有能夠完成類似上述PNP型雙極結型電晶體的其他電晶體，例如，P型場效電晶體。

轉換開關22由一P型場效應管Q4和一旁置電阻R5組成，該P型場效電晶體Q4的閘極(E點)連接到控制開關24，汲極連接到PNP型雙極結型電晶體Q1的基極(B 點)，源極(F點)連接到二次電池40的輸入端；而旁置電阻R5的兩端分別連接在P型場效電晶體Q4的汲極(B點)和閘極(F點)。

控制單元24包括第一N型場效電晶體Q2和第二N型場效電晶體Q3。其中，第一N型場效應電晶體Q2的閘極連接到恒流充電單元21中PNP型雙極結型電晶體Q1的集電極(C點)，汲極通過一第一汲極電阻R3連接到PNP型雙極結型電晶體管Q1的基極(B點)，源極接地。第二N型場效應管Q3的閘極連接到第一N型場效應管Q2的汲極(D點)，汲極經過一第二汲極電阻R4連接到轉換開關22中P型場效電晶體Q4的閘極(E點)，源極接地。控制單元24接收來自外部信號單元50的信號，如Con1和Con2，其中，Con1高電位有效，Con2低電位有效。Con1和Con2可以是來自外部的過溫保護控制信號，過電壓充電保護控制信號，充電結束控制信號等。

當充電電源Vin開啟後，流過檢測電阻R1的電流從無到有，因此在檢測電阻R1的兩端形成的電勢差也逐步增大。在檢測電阻R1的兩端的電勢差達到PNP型雙極結型電晶體Q1的閾值電壓Vbe前，PNP型雙極結型電晶體Q1截止；則C點的電壓為低，第一N型場效電晶體Q2處於截止狀態，D點的電壓不會被拉低，處於高電位狀態，因此第二N型場效電晶體Q3導通，E點電壓被迅速拉低，P型場效電晶體Q4導通，因此，充電電流能經過檢測電阻R1和P型場效電晶體Q4為二次電池充電。

當檢測電阻R1的兩端形成的電勢差達到PNP型雙極結型電晶體Q1基極和射極之間的閾值電壓Vbe時，PNP型雙極結型電晶體Q1導通，C點的電壓為高，第一N型場效電晶體Q2導通，D點電壓被拉低，Q3截止，E點電壓通過檢測電阻R5和旁置電阻R5獲得一高電壓，P型場效電晶體Q4截止，因此，經過檢測電阻R1的較大充電電流被截斷。而一旦P型場效電晶體Q4截止，流過檢測電阻R1的充電電流隨即減小，又能使PNP型雙極結型電晶體Q1截止，從而回到前面所記載的狀態，使得P型場效電晶體Q4再次導通。這樣一個充電--暫停充電--充電的週期非常短，從一個較長時間來看，通過檢測電阻R1和P型場效應管Q4的充電保持在恒流充電的狀態。

在恒流充電單元21為二次電池40充電期間，由於恒流充電單元23和轉換開關22這一條支路的分流，涓流充電單元10這一條支路上流過的電流很小，基本上可以忽略不計。直到控制單元24獲得一個外部信號，例如，從Con1獲取的一個低電位信號，或者從Con2獲取的一個高電位信號均能夠使得P型場效電晶體Q4截止，從而將恒流充電單元21和轉換開關22這一條支路截止。只要Vin和Vbat之間存在電勢差，則涓流充電單元30就以涓流大小為二次電池40充電。

由於閾值電壓Vbe的值取決於矽材質或者鍺材質的特性，要保證上述恒流充電狀態，使得流過檢測電阻R1和P型場效電晶體Q4的充電電流與檢測電阻R1的阻值的乘積 不能超過閾值電壓Vbe。因此，如果採用矽材質的P型場效電晶體Q4，其閾值電壓在正常情況下Vbe為0.7V，且流過檢測電阻R1和P型場效電晶體Q4的充電電流限定在1.2A之內，則應該選擇阻值大約為0.6歐姆的檢測電阻R1。

而為了保證流過涓流電阻R6的電流較小，大約在200mA左右，因此，電阻R6的阻值應該限定在60-80歐姆左右，如68歐姆的阻值。如果充電電壓Vin的電壓大約為10-12V左右，為了保證流過三級管與場效應管的電流處於正常工作區，則集電極電阻R2，第一汲極電阻R3，旁置電阻R5應該選擇阻值比較大的電阻，如100K歐姆左右。而由於旁置電阻R5的阻值較大，第二汲極電阻R4的阻值可以選擇較小的電阻，如1K歐姆。

在本實施方式中，檢測電阻R1的阻值與PNP型雙極結型電晶體Q1的閾值電壓成正比，和充電電流的大小成反比，PNP型雙極結型電晶體Q1的閾值電壓與二次電池能承受的最大充電電流的商即為檢測電阻的最小阻值。並且，在恒流充電單元21與轉換開關22之間，即PNP型雙極結型電晶體Q1的基極(B點)可以增加一濾波電容，用於濾除通過檢測電阻R1的交流分量。

10‧‧‧充電電源

21‧‧‧恒流充電單元

22‧‧‧轉換開關

23‧‧‧電流檢測器

24‧‧‧控制單元

30‧‧‧涓流充電單元

40‧‧‧二次電池

50‧‧‧外部信號單元

圖1為本發明一實施方式的電路方框圖。

圖2為圖1中實施方式的具體電路圖。

10‧‧‧充電電源

21‧‧‧恒流充電單元

22‧‧‧轉換開關

23‧‧‧電流檢測器

24‧‧‧控制單元

30‧‧‧涓流充電單元

40‧‧‧二次電池

50‧‧‧外部信號單元

Claims (10)

1. 一種二次電池的充電控制電路，包括一恒流充電電路從充電電源獲取電能產生一大電流為二次電池快速充電；其改良在於，所述恒流充電電路包括一恒流充電單元為二次電池充電；一轉換開關控制恒流充電單元的導通與截止；一電流檢測器連接在恒流充電單元與轉換開關之間；所述電流檢測器上產生的電勢差使得所述恒流充電單元導通或截止；一控制單元連接在充電電源與轉換開關之間，所述恒流充電單元導通或者截止引起所述控制單元控制所述轉換開關的截止或導通，從而改變電流檢測器上產生的電勢差；所述電流檢測器、恒流充電單元、控制單元、轉換開關之間相互牽制使流過所述恒流充電單元的電流保持在一設定的範圍內提供給需要充電的二次電池。
2. 如申請專利範圍第1項所述的二次電池的充電控制電路，其中，所述充電控制電路還包括一涓流充電單元，所述涓流充電單元由一電阻組成，其輸入端接在充電電源的輸出端，輸出端連接二次電池的輸入端。
3. 如申請專利範圍第1項所述的二次電池的充電控制電路，其中，所述控制單元還用於接受外部控制單元的控制信號，且連接在充電電源與轉換開關之間，用於控制該轉換開關的啟動；當所述控制單元接收到有效的外部信號後，截止所述轉換開關，從而停止恒流充電。
4. 如申請專利範圍第1項所述的二次電池的充電控制電路，其中，所述恒流充電單元採用一具有PNP型雙極結型電晶 體功能的裝置，所述PNP型雙極結型電晶體的裝置為PNP型雙極結型電晶體；所述PNP型雙極結型電晶體的射極連接輸入電源與檢測電阻的輸入端，集電極通過一集電極電阻接地，基極連接檢測電阻的輸出端。
5. 如申請專利範圍第4項所述的二次電池的充電控制電路，其中，所述轉換開關包括一P型場效電晶體和一旁置電阻，所述P型場效電晶體的閘極連接到控制開關，汲極連接到所述PNP型雙極結型電晶體的基極，源極連接到二次電池的輸入端；所述旁置電阻的兩端分別連接在所述P型場效電晶體的汲極和閘極。
6. 如申請專利範圍第5項所述的二次電池的充電控制電路，其中，所述控制單元包括一第一N型場效電晶體和一第二N型場效電晶體；所述第一N型場效應管的閘極連接到所述PNP型雙極結型電晶體的集電極，汲極通過一第一汲極電阻連接到PNP型雙極結型電晶體的基極，源極接地；所述第二N型場效電晶體的閘極連接到第一N型場效電晶體的汲極，汲極經過一第二汲極電阻連接到所述P型場效電晶體的閘極，源極接地。
7. 如申請專利範圍第6項所述的二次電池的充電控制電路，其中，所述第一N型場效電晶體的閘極和第二N型場效應管的閘極均可外接控制信號，用於控制所述轉換開關的導通與截斷。
8. 如申請專利範圍第3項所述的二次電池的充電控制電路，其中，所述電流檢測器包括一檢測電阻用於測量具有PNP 型雙極結型電晶體功能裝置的射極與基極兩端的電壓；所述檢測電阻的阻值與具有PNP型雙極結型電晶體功能的裝置的閾值電壓成正比，和充電電流的大小成反比，具有PNP型雙極結型電晶體功能的裝置的閾值電壓與二次電池能承受的最大充電電流的商即為檢測電阻的最小阻值。
9. 如申請專利範圍第2項所述的二次電池的充電控制電路，其中，所述流過涓流充電單元的涓流電流小於200mA，所述涓流充電單元包括一阻值為60-100歐姆的電阻。
10. 如申請專利範圍第1項所述的二次電池的充電控制電路，其中，所述恒流充電單元與轉換開關之間增加一濾波電容，用於濾除通過電流檢測器的交流分量。