CN105207328A - 多功能充电模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多功能充电模块，包括电源电路、控制电路、充电电路、放电电路和检测电路，所述的电源电路与控制电路相连，所述的控制电路分别与充电电路和放电电路相连，所述的充电电路和放电电路分别连接到检测电路，所述的检测电路连接到控制电路。本发明的多功能充电模块，成本较低，使用可靠，是具有电压、电流、温度控制，放电完毕自动转入充电状态的功能，方便使用，延长电池使用寿命。

Description

多功能充电模块

技术领域

本发明涉及一种多功能充电模块。

背景技术

锂离子电池因高能量密度的特点越来越受到人们的欢迎。但是，再强劲的锂离子电池也有能量耗尽的一刻，只有跟充电器完美的配合，它才能发挥最大潜能。于是，在锂离子电池大放异彩的今天，充电器芯片也得到了越来越多的关注。

1、多方面的挑战

锂离子电池的容量还在不断地增大。而且，在很多场合中，多节锂离子电池要串联或并联在一起供电。在这种情况下，快速充电能力就成为了衡量充电器IC的重要因素。而充电器IC的充电速度主要由充电电流来决定，所以各家厂商都在尽力加大充电器IC的快充电流。其次，充电器IC的效率也是个重要问题。特别是在能源紧缺的大环境下，如何提高充电器的效率就显得尤为重要了。另外，充电器IC的灵活性，因为锂离子电池的充电过程是非常复杂的，这就要求充电器IC能有相适应的办法。而且，各种终端设备的用电情况也不相同，使得充电器要有很强的适应能力。第四，则是充电的安全问题。近两年内，有关锂离子电池自燃、***的事故经常出现。虽然大多事件跟充电无关，但充电的过程中这个危险也同样存在。过流或过压的情况都会使锂离子电池的温度陡然升高，最后燃烧***。所以，安全性问题是绝对要倍加重视的。最后，充电器的小型化趋势明显，这就同时意味着充电器IC在功能更加丰富的同时，继续缩小自己的尺寸。

2、活跃的充电器IC市场

虽然挑战诸多，但充电器IC的市场还是非常诱人的。据有关方面统计，中国去年全年就生产了几亿个充电器，而这个数字在今后还会继续增长。所以，各个电源芯片厂家纷纷推出各式充电器芯片。在本年内，就有多款芯片问世。这其中，有Freescale公司的MC3467x系列，Maxim公司的MAX17005/MAX17006/MAX17015，Linear公司的LTC4061，TI公司的bq24083等。它们除了具备快速充电，高效率和多重防护能力外，并还有着自己的特点。比如，MC3467x系列就内置了寄存器，可以根据客户的需求，在生产流程结束时对管脚输出、功能集和充电参数、LED指示灯进行定制，从而组合成数百种配置，满足多种应用。

3、精确控制

前面提过，锂离子电池的充电过程比较复杂。在充电初期，充电器要以恒定电流充电，直到电池电压达到充电电压限度。该阶段一般能完成60％～70％的充电量。然后，电池再以恒定电压进行充电。此恒压值一般处于4.1～4.2V之间，电压准确率要在±1％之内。此处就是体现充电器IC功力的地方，优秀的充电器IC，其电压准确率都很高。以MC3467x系列为例，MC34671和MC34673在-20～+70℃温度范围内的输出电压精度为±0.7％(室温下为±0.2％)，在-40℃～+85℃温度范围内的充电电流精度为±5％和±6％。精确的电压控制使得电池在不受损害的条件下，可以充至最大电量。这样既延长了电池寿命，又减小了能耗损失。

在恒流和恒压充电方式之外，锂离子电池还存在一种充电模式，那就是涓流充电。这种方式存在的原因是存放很长时间的已放电电池可能处于深放电状态，对其进行大电流充电，会造成一定损害。在这种情况下，在进行完全充电过程之前要先来一段时间的小电流充电。对于MC3467x系列来说，当电池电压小于涓流模式阈值电压的时候，涓流充电模式启动，芯片以恒流充电电流20％的大小来进行充电。

对于充电器IC来说，对充电过程的控制是最为重要的。以MC3467x系列为例，在最后的恒压充电过程中，当充电电流降至EOC(充电截至)电流的时候，充电IC会通过CHG信号通知用户电池已充满，但是充电过程并没有终止，芯片会继续输出精确的锂电池充电终止电压4.2V，并对电池电压继续监控，当其低于再充电电压阈值时(负载电流大于恒流充电电流导致电池放电，电压下降)，充电器会重新发出充电信号，将电池恢复到满充状态。

对于充电器IC来说，充电电流是可以设定的。通过调整外接电阻，就可改变输出电流。另外，像EOC电流、再充电阈值、涓流充电压阈值也都是可以设定的。这样，就使得充电器IC的适应性大为增加。

4、多重防护

对于充电器来说，最容易出现的问题就是错接AC适配器，过高的输入电压会损害充电器。为此，很多充电器都调高了可接收的输入电压。如MC3467x系列，其能接收的输入电压就为28V。这样就使用户不用担心错接AC适配器。

当然，防护的重点还是在充电过程中。首先，要防止充电电压超过锂电池额定电压。其次，要防止恒流充电时的电流过大。再次，在大电流充电的场合，充电器要有检测电池温度的电路及温升速度(ΔT/Δt)电路，若电池达到某一设定温度或温升速度时，会自动终止充电，防止出现不安全情况；为了安全，充电器还设有充电定时器，以防止充电时间过长所带来的损害。对于具体的产品来说，像MC3467x系列，其就具有过压保护、超时检测、充电电流热过载保护等功能。并且，这些功能的阈值参数也可以设定，极大方便了用户的调试和使用。

充电器IC的发展趋势就是精确、安全和小型化。同时，还有更加多的数字技术融入其中。像是I2C接口，已经出现在很多芯片其中了。而且，取电方式也从单一的适配器向USB兼容方向发展。相信随着微电子技术以及电池技术的发展，充电器IC还会有更大的发展空间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多功能充电模块，该充电模块成本较低，可靠性高，应用范围广。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：多功能充电模块，包括电源电路、控制电路、充电电路、放电电路和检测电路，所述的电源电路与控制电路相连，所述的控制电路分别与充电电路和放电电路相连，所述的充电电路和放电电路分别连接到检测电路，所述的检测电路连接到控制电路。

进一步地，所述的控制电路采用型号为HT46R47的单片机进行控制。

进一步地，所述的电源电路采用UCC3895电源管理芯片构成。

进一步地，所述的控制电路包括主芯片电路，所述的主芯片电路包括HT46R47单片机U3，晶振Y1，电容C5和C6和电源VCC；所述单片机U3的12脚VCC端口连接到电源VCC，单片机U3的13脚OSC1端口串接晶振Y1连接到单片机U3的14脚OSC2端口，单片机U3的13脚OSC1端口和晶振Y1的公共端串接电容C5后接地，单片机U3的14脚OSC2端口和晶振Y1的公共端串接电容C6后接地，单片机U3的9脚GND端口接地。

进一步地，所述的检测电路包括电流检测电路、电压检测电路和温度检测电路。

进一步地，所述的电流检测电路包括运算放大器A1，电阻R4、R14、R15和R17，电容C4、C7；所述运算放大器A1的正端串接电阻R15接地，运算放大器A1的正端和电阻R15公共端串接电阻R14连接检测信号，运算放大器的负端串接电阻R4接地，运算放大器的负端和电阻R4的公共端分别并接电容C4和电阻R17连接到运算放大器的输出端，运算放大器的输出端、电容C4和电阻R17的公共端分别并接到单片机U3的8脚PB0/AN0端口和电容C7的一端，电容C7的另一端接地。

进一步地，所述的电压检测电路包括电阻R8、R3和电容C10，电阻R8的一端连接检测信号，另一端连接到单片机U3的7脚PB1/AN1端口，电阻R8和单片机U3的7脚PB1/AN1端口的公共端分别并接电阻R3和电容C10后接地。

进一步地，所述的温度检测电路包括电源VCC，热敏电阻RT1，电阻R5；所述热敏电阻RT1的一端连接到电源VCC，另一端串接电阻R5接地，所述敏电阻RT1和电阻R5的公共端连接到单片机U3的5脚PB3/AN3端口。

进一步地，所述的控制电路还包括放电、充电PWM控制电路，所述的放电、充电PWM控制电路包括三极管Q1和电阻R1，所述三极管Q1的集电极连接到电源电路，发射极接地，基极串接电阻R1后连接到单片机的10脚PD0/PWM端口。

本发明的多功能充电模块是一个多用充电模块，使它能够更加适应人们的需求，其设计是将220V电压转换成3--6V直流稳压电源，可以作为小型电器的外接电源，亦可以对1--5节镍氢电池进行恒流充电。本发明的多功能充电模块，成本较低，使用可靠，是具有电压、电流、温度控制，放电完毕自动转入充电状态的功能，方便使用，延长电池使用寿命。

附图说明

图1为本发明的模块组成示意图；

图2为充电器主电路原理图；

图3为控制电路主芯片电路；

图4为电流检测电路；

图5为电压检测电路；

图6为温度检测电路；

图7为放电、充电PWM控制电路；

图8为充电过程电压曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的方法进行详细的描述。

多功能充电模块，包括电源电路、控制电路、充电电路、放电电路和检测电路，所述的电源电路与控制电路相连，所述的控制电路分别与充电电路和放电电路相连，所述的充电电路和放电电路分别连接到检测电路，所述的检测电路连接到控制电路。

所述的控制电路采用型号为HT46R47的单片机进行控制。

所述的电源电路采用UCC3895电源管理芯片构成。

所述的控制电路包括主芯片电路，所述的主芯片电路包括HT46R47单片机U3，晶振Y1，电容C5和C6和电源VCC；所述单片机U3的12脚VCC端口连接到电源VCC，单片机U3的13脚OSC1端口串接晶振Y1连接到单片机U3的14脚OSC2端口，单片机U3的13脚OSC1端口和晶振Y1的公共端串接电容C5后接地，单片机U3的14脚OSC2端口和晶振Y1的公共端串接电容C6后接地，单片机U3的9脚GND端口接地。

所述的检测电路包括电流检测电路、电压检测电路和温度检测电路。

所述的电流检测电路包括运算放大器A1，电阻R4、R14、R15和R17，电容C4、C7；所述运算放大器A1的正端串接电阻R15接地，运算放大器A1的正端和电阻R15公共端串接电阻R14连接检测信号，运算放大器的负端串接电阻R4接地，运算放大器的负端和电阻R4的公共端分别并接电容C4和电阻R17连接到运算放大器的输出端，运算放大器的输出端、电容C4和电阻R17的公共端分别并接到单片机U3的8脚PB0/AN0端口和电容C7的一端，电容C7的另一端接地。

所述的电压检测电路包括电阻R8、R3和电容C10，电阻R8的一端连接检测信号，另一端连接到单片机U3的7脚PB1/AN1端口，电阻R8和单片机U3的7脚PB1/AN1端口的公共端分别并接电阻R3和电容C10后接地。

所述的温度检测电路包括电源VCC，热敏电阻RT1，电阻R5；所述热敏电阻RT1的一端连接到电源VCC，另一端串接电阻R5接地，所述敏电阻RT1和电阻R5的公共端连接到单片机U3的5脚PB3/AN3端口。

所述的控制电路还包括放电、充电PWM控制电路，所述的放电、充电PWM控制电路包括三极管Q1和电阻R1，所述三极管Q1的集电极连接到电源电路，发射极接地，基极串接电阻R1后连接到单片机的10脚PD0/PWM端口。

电源电路只要用于将市电220V、50Hz的交流电源经电源电路转稳压变为14V的直流电，再经过7805型稳压芯片稳压后作为其他电路单元的工作电源。充电电路则以继电器以及单片机等完成充电过程，整个控制过程是通过单片机PWM控制信号进行调整。根据特定算法计算当前输出PWM控制信号占空比。再通过光电耦合器送给电源管理芯片进行PWM的调整；而放电电路则用于消除镍镉电池的“记忆效应”。

记忆效应是指如果电池属镍镉电池，长期不彻底充电、放电，易在电池内留下痕迹，降低电池容量，这种现象称为电池记忆效应。意思是说，电池好像记忆用户日常的充、放电幅度和模式，日久就很难改变这种模式，不能再做大幅度充电或放电。锂离子电池不存在这种效应。

充电第一段为恒流充电，充电电压由电压检测电路检测送给单片机，如果检测电压达到设定电压则，进行一下段恒压充电。整个控制过程通过单片机PWM控制信号进行调整，恒压充电过程中，电流会逐渐下降，当电流下降到设定值时，充电基本完成，进行第三段涓流充电。恒流充电中，充电电流可以根据充电电池的容量调整，考虑到充电中不同电池受电不同，防止误充，过充的现象特意加有电池温度检测功能。实现对电池全方位检测。

1、电源电路

单元电路的第一部分主要是将电压转换，供给其他单元电路工作，通过控制电路，控制电流，稳定输出，为后续的充放电电路提供稳定的电压供给。

采用UCC3895电源管理芯片构成电源电路，如图2所示为充电器主电路原理图

UCC3895是TI公司生产的专用于PWM移向全桥DC\DC变换控制的新型芯片，可工作于电压模式，也可工作在电流模式下并且可实现输出脉冲占空比从0到100％的相移控制，软启动和软停止可按要求进行调节，单片机与UCC3895共同组成控制器部分，相对于只是用单片机控制器的方式具有响应速度快，控制精度高，软件设简单，运行稳定等特点。

电源电路只要将市电220V、50Hz的交流电源转换降压整流滤波变为14V的直流电，再经7805型稳压稳压管稳定后作为其他电路单元的工作电源。

2、控制电路

本多用充电模块通过单片机进行智能控制，从而实现数字化、智能化、通用化和低功耗。采用HT46R47单片控制，4脚为工作控制，当检测到电池电压正常才启动，如果检测电压不在充电范围内停止工作。1、2、3脚为充电状态指示显示。充电放电控制由10脚PWM控制。5、6、7、8脚分别为电流检测端、电压检测端、电源电压检测端和温度检测端。如图3所示为控制电路主芯片电路。

电流检测，实时检测充电电流，对充电电流控制，可以对电池恒流充电，涓流充电等，多种模式充电。如图4所示为电流检测电路。

电压检测，实时检测充电电压，防止充电电压过高过充，如图5所示为电压检测电路。

温度检测，当电池温度过高，立即关断充电，防止充电对电池损坏。如图6所示为温度检测电路。

3、放电电路

消除电池的“记忆效应”，避免每次充电时造成的电池容量衰减，延长电池的使用寿命。放点电路结束，充电电路开始。

放电控制电：由单片机及周围元器件组成。放电电流由单片机检测决定，一般放电电流为电池容量的1/5。开始放电时按下开始按钮，单片机检测当前电压并开始放电当检测到电压到达预设值时，将充电电池接入充电电路。此时放电结束，充电开始。如图7所示为放电、充电PWM控制输出电路。

4、充电电路

通过控制电路稳定输出恒定电流，当电池端输出高电压时，表示充电结束，此时电路停止充电，避免不必要的电量浪费，实现真正的智能充电。为补偿自放电，使蓄电池保持在近似完全充电状态的连续小电流充电。又称维护充电(浮充)。电信装置、信号***等的直流电源***的蓄电池，在完全充电后多处于涓流充电状态，以备放电时使用。是用来弥补电池在充满电后由于自放电而造成的容量损失。

充电电路由单片机及周围元器件组成。工作模式为恒流充电。当电压达到预设值时，进行恒压充电，当电流到达预设值时，进行第三段涓流充电。如图8所示为充电过程电压曲线。

Claims (9)

1.多功能充电模块，其特征在于：包括电源电路、控制电路、充电电路、放电电路和检测电路，所述的电源电路与控制电路相连，所述的控制电路分别与充电电路和放电电路相连，所述的充电电路和放电电路分别连接到检测电路，所述的检测电路连接到控制电路。

2.根据权利要求1所述的多功能充电模块，其特征在于：所述的控制电路采用型号为HT46R47的单片机进行控制。

3.根据权利要求1所述的多功能充电模块，其特征在于：所述的电源电路采用UCC3895电源管理芯片构成。

4.根据权利要求2所述的多功能充电模块，其特征在于：所述的控制电路包括主芯片电路，所述的主芯片电路包括HT46R47单片机U3，晶振Y1，电容C5和C6和电源VCC；所述单片机U3的12脚VCC端口连接到电源VCC，单片机U3的13脚OSC1端口串接晶振Y1连接到单片机U3的14脚OSC2端口，单片机U3的13脚OSC1端口和晶振Y1的公共端串接电容C5后接地，单片机U3的14脚OSC2端口和晶振Y1的公共端串接电容C6后接地，单片机U3的9脚GND端口接地。

5.根据权利要求2所述的多功能充电模块，其特征在于：所述的检测电路包括电流检测电路、电压检测电路和温度检测电路。

6.根据权利要求5所述的多功能充电模块，其特征在于：所述的电流检测电路包括运算放大器A1，电阻R4、R14、R15和R17，电容C4、C7；所述运算放大器A1的正端串接电阻R15接地，运算放大器A1的正端和电阻R15公共端串接电阻R14连接检测信号，运算放大器的负端串接电阻R4接地，运算放大器的负端和电阻R4的公共端分别并接电容C4和电阻R17连接到运算放大器的输出端，运算放大器的输出端、电容C4和电阻R17的公共端分别并接到单片机U3的8脚PB0/AN0端口和电容C7的一端，电容C7的另一端接地。

7.根据权利要求5所述的多功能充电模块，其特征在于：所述的电压检测电路包括电阻R8、R3和电容C10，电阻R8的一端连接检测信号，另一端连接到单片机U3的7脚PB1/AN1端口，电阻R8和单片机U3的7脚PB1/AN1端口的公共端分别并接电阻R3和电容C10后接地。

8.根据权利要求5所述的多功能充电模块，其特征在于：所述的温度检测电路包括电源VCC，热敏电阻RT1，电阻R5；所述热敏电阻RT1的一端连接到电源VCC，另一端串接电阻R5接地，所述敏电阻RT1和电阻R5的公共端连接到单片机U3的5脚PB3/AN3端口。

9.根据权利要求2所述的多功能充电模块，其特征在于：所述的控制电路还包括放电、充电PWM控制电路，所述的放电、充电PWM控制电路包括三极管Q1和电阻R1，所述三极管Q1的集电极连接到电源电路，发射极接地，基极串接电阻R1后连接到单片机的10脚PD0/PWM端口。