CN110429687A - 一种电池充电管理电路 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例涉及一种电池充电管理电路，其中，二路选通器的第一输入端接第一基准电压输出端，第二输入端接第二基准电压输出端；选通控制信号为恒压充电结束控制信号；第一运放比较器，正极输入端接二路选通器的输出端，负极输入端接芯片电压采样引脚，输出端接信号输出引脚；在负极输入端的电压达到或高于正极输入端的电压时，电池充电进入恒压充电模式，第一运放比较器的状态信号输出端输出恒压充电标志信号；恒压充电结束控制信号生成模块，包括第三运放比较器、计时器和或逻辑处理模块，基于电流采样引脚的电压和输出恒压充电标志信号触发的恒压充电的计时，触发输出恒压充电结束控制信号。
Description
技术领域
本发明涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种电池充电管理电路
背景技术
锂电池充电电路由于其结构简单，***元器件少等特点，应用非常广泛。在充电过程中，如果充电器一直未拔出，电池会一直保持充电状态，只是充电电流较小，称之为涓流充电。由于锂电池的化学活性非常活跃，对充电环境相当敏感，如果一直保持充电状态，很容易缩短锂电池寿命，甚至出现安全故障。
传统的锂电池充电电路，如图1，仅仅做了简单的恒流充电和恒压充电的设计，在充电过程中应变能力不足，无法保证锂电池避免过充现象。
图1仅仅示意负载充电侧(变压器次边侧)的应用原理图，控制芯片1内包含一用于恒压充电的运放CV和一用于恒流充电的运放CC。Lp和Ls构成变压器，Lp为原边绕组，Ls为次边绕组，D1为续流二极管，C0为滤波电容，R1/C1构成芯片的供电网路，R3和光耦组件用于检测芯片OUT脚电压，光耦连接到原边控制侧(变压器原边侧)，若OUT电压较低，光耦产生很大的电流，原边侧仅会提供很少的能量，若OUT电压较高，光耦产生很小的电流，原边侧会提供更多的能量；R6/R7构成输出电压采样网络，C2为输出电容，Rload为负载，R8为输出电流采样电阻。
其工作原理：当***刚上电时，输出电压较低(但足够保证控制芯片能够正常工作)，芯片电压采样脚VS检测到的电压也比较低，恒压运放CV输出为高，说明这时不会进行恒压充电。变压器原边侧会提更多的能量为次边负载充电，当输出电流过大，采样电阻R8的电压很大，恒流运放CC会将输出管脚OUT电压下拉，光耦产生较大电流，原边侧会减少能量的提供，也就是说输出电流会减小，这时采样电阻R8的电压减小，输出管脚OUT电压升高，光耦电流减小，原边侧再次提供更多能量，如此循环，可将输出电流稳定于某一值，由此形成恒流充电。随着充电的进行，负载电压Uo升高，电压检测脚VS的电压升高，恒压运放可以将输出管脚OUT电压下拉，光耦产生较大电流，原边侧会减少能量的提供，之后输出电流会减小，恒压运放会将输出电压稳定在某一值，由此形成恒压充电。
输出电流和输出电压的关系如图2，***先是进行恒流充电(图中CC所示区域)，此时输出电压逐渐升高；然后是进行恒压充电(图中CV所示区域)，输出电流逐渐下降。但是，在现有方案中，恒压充电会一直维持，即使电流逐渐减小，但是一直在充电，对于锂电池来说，这无疑是影响其寿命，甚至过充引发安全故障。
发明内容
本发明的目的是提供一种电池充电管理电路，在进入恒压充电阶段后，对充电电流进行监测，当充电电流降低至预设值时，控制结束充电，同时通过芯片内置时钟对恒压充电阶段进行计时，到达计时时间强制结束充电。这样通过上述两种方式同时进行恒压充电结束的控制，可以很好的保护电池，不会再存在过度过充的情况，保护了电池的寿命和使用性能。
为此，本发明实施例提供了一种电池充电管理电路，所述电池充电管理电路用于芯片中，包括：
基准电压模块，所述基准电压模块包括第一基准电压输出端、第二基准电压输出端、第三基准电压输出端和第四基准电压输出端；
二路选通器，所述二路选通器的第一输入端接所述第一基准电压输出端，第二输入端接第二基准电压输出端；选通控制信号为恒压充电结束控制信号；所述恒压充电结束控制信号为有效信号时，所述二路选通器的输出端输出所述第二基准电压输出端的电压信号；所述恒压充电结束控制信号为无效信号时，所述二路选通器的输出端输出所述第一基准电压输出端的电压信号；
第一运放比较器，正极输入端接所述二路选通器的输出端，负极输入端接芯片电压采样引脚，输出端接信号输出引脚；在负极输入端的电压达到或高于正极输入端的电压时，电池充电进入恒压充电模式，第一运放比较器的状态信号输出端输出恒压充电标志信号；
恒压充电结束控制信号生成模块，包括第三运放比较器、计时器和或逻辑处理模块；
所述第三运放比较器的正极输入端接所述第四基准电压输出端，负极输入端接芯片的电流采样引脚，输出端接所述或逻辑处理模块的第一输入端；所述第三运放比较器对所述第四基准电压输出端输出的第四基准电压和所述电流采样引脚的电压进行比较，输出第一触发信号；
所述计时器的输入端接第一运放比较器的状态信号输出端，所述计时器的输出端接所述或逻辑处理模块的第二输入端；所述计时器根据有效的所述恒压充电标志信号启动所述计时器计时，计时结束后输出第二触发信号；
所述或逻辑处理模块对所述第一触发信号和第二触发信号执行或逻辑，输出所述恒压充电结束控制信号。
优选的，所述电路还包括：
第二运放比较器，正极输入端接所述第三基准电压输出端的电压信号，负极输入端接芯片的电流采样引脚，输出端接信号输出引脚；在负极输入端的芯片的电流采样引脚的电压达到或高于正极输入端的电压时，电池充电进入恒流充电模式。
优选的，所述基准电压模块具体还包括：参考电压源、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻；
所述参考电压源的正极接所述第一基准电压输出端；
所述第一电阻串联在所述第一基准电压输出端和所述第二基准电压输出端之间；
所述第二电阻串联在所述第二基准电压输出端和所述第三基准电压输出端之间；
所述第三电阻串联在所述第三基准电压输出端和所述第四基准电压输出端之间；
所述第四电阻串联在所述第四基准电压输出端与地之间，且所述参考电压源的负极接地。
优选的，所述第一基准电压输出端的电压值与所述第二基准电压输出端的电压值在同一数量级上，且所述第二基准电压输出端的电压值比所述第一基准电压输出端的电压值低一个恒定的第一压差。
优选的，所述第三基准电压输出端的电压值比所述第四基准电压输出端的电压值高一个数量级，且所述第三基准电压输出端的电压值比所述第四基准电压输出端的电压值高一个恒定的第二压差。
本发明实施例提供的一种电池充电管理电路，在进入恒压充电阶段后，对充电电流进行监测，当充电电流降低至预设值时，控制结束充电，同时通过芯片内置时钟对恒压充电阶段进行计时，到达计时时间强制结束充电。这样通过上述两种方式同时进行恒压充电结束的控制，可以很好的保护电池，不会再存在过度过充的情况，保护了电池的寿命和使用性能。
附图说明
图1为现有技术提供的一种锂电池充电电路的示意图；
图2为现有技术提供的充电过程的输出电流和输出电压随时间的关系曲线图；
图3为本发明实施例提供的电池充电管理电路的电路图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明实施例提供了一种电池充电管理电路，如图3所示，所述电池充电管理电路用于芯片中，包括：基准电压模块、二路选通器MUX、第一运放比较器CV、第二运放比较器CC和恒压充电结束控制信号生成模块。
基准电压模块，包括参考电压源Vref、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一基准电压输出端V1、第二基准电压输出端V2、第三基准电压输出端V3和第四基准电压输出端V4。
其中，参考电压源Vref的正极接第一基准电压输出端V1；第一电阻R1串联在第一基准电压输出端V1和第二基准电压输出端V2之间；第二电阻R2串联在第二基准电压输出端V2和第三基准电压输出端V3之间；第三电阻R3串联在第三基准电压输出端V3和第四基准电压输出端V4之间；第四电阻R4串联在第四基准电压输出端V4与地GND之间，且参考电压源Vref的负极接地GND。
在本发明的电路中，通过设置R1、R2、R3、R4的阻值，使得第一基准电压输出端V1的电压值与第二基准电压输出端V2的电压值在同一数量级上，且第二基准电压输出端V2的电压值比第一基准电压输出端V1的电压值低一个恒定的第一压差；第三基准电压输出端V3的电压值比第四基准电压输出端V4的电压值高一个数量级，且第三基准电压输出端V3的电压值比第四基准电压输出端V4的电压值高一个恒定的第二压差。
二路选通器MUX的第一输入端接第一基准电压输出端V1，第二输入端接第二基准电压输出端V2；选通控制信号为恒压充电结束控制信号Shutdown；恒压充电结束控制信号Shutdown为有效信号时，二路选通器MUX的输出端输出第二基准电压输出端V2的电压信号；恒压充电结束控制信号Shutdown为无效信号时，二路选通器MUX的输出端输出第一基准电压输出端V1的电压信号。
第一运放比较器CV的正极输入端接二路选通器的输出端，负极输入端接芯片电压采样引脚VS，输出端接信号输出引脚OUT；在负极输入端的电压达到或高于正极输入端的电压时，电池充电进入恒压充电模式，第一运放比较器的状态信号输出端输出恒压充电标志信号CV_flag。
第二运放比较器CC的正极输入端接第三基准电压输出端V3的电压信号，负极输入端接芯片的电流采样引脚IS，输出端接信号输出引脚OUT；在负极输入端的芯片的电流采样引脚IS的电压达到或高于正极输入端的电压时，电池充电进入恒流充电模式。
恒压充电结束控制信号生成模块，包括第三运放比较器Finish CMP、计时器Timer和或逻辑处理模块OR；
第三运放比较器Finish CMP的正极输入端接第四基准电压输出端V4，负极输入端接芯片的电流采样引脚IS，输出端接或逻辑处理模块OR的第一输入端；第三运放比较器Finish CMP对第四基准电压输出端V4输出的第四基准电压和电流采样引脚IS的电压进行比较，输出第一触发信号；
计时器Timer的输入端接第一运放比较器的状态信号输出端，计时器的输出端接或逻辑处理模块OR的第二输入端；计时器Timer根据有效的恒压充电标志信号CV_flag启动计时器计时，计时结束后输出第二触发信号；
或逻辑处理模块OR对第一触发信号和第二触发信号执行或逻辑，输出恒压充电结束控制信号Shutdown。
以上说明了电池充电管理电路的组成和各元器件的连接关系，下面进一步对其电池充电管理的功能实现进行说明。
以下说明中会涉及到以具体的高电平或者低电平来表示有效信号或无效信号，本领域技术人员都可以理解，在电路逻辑中，以高电平为有效或者以低电平为有效，都是本领域技术人员可以根据实际电路结构需要而设定的，不限制本发明的保护范围。
在本例中，设定第一基准电压输出端V1的电压为1.2V,第二基准电压输出端V2的电压为1.0V，第三基准电压输出端V3的电压信号为100mv,第四基准电压输出端V4的电压信号为20mv。如上所述，这些电压值仅用于具体事例，并不限定基准电压值只能按此设定。
在电池充电的初始阶段，芯片电压采样引脚VS的电压较低，第一运放比较器CV的输出为高电平，此时不进入恒压充电模式。
将本发明的电池充电管理电路与图1所示的***电路相接合，即替代图1中的控制芯片1。第二运放比较器CC的负极输入端的芯片的电流采样引脚IS的电压高于正极输入端的电压时将输出引脚OUT的电压下拉，光耦产生较大电流，原边侧会减少能量的提供，也就是说输出电流会减小，这时采样电阻R8的电压减小，输出引脚OUT电压升高，光耦电流减小，原边侧再次提供更多能量，如此循环，可将输出电流稳定于某一值，由此形成恒流充电。
随着充电的进行，负载电压Uo升高，芯片电压采样引脚VS的电压升高。
在恒流充电下，恒压充电结束控制信号Shutdown为无效信号，二路选通器MUX的输出端输出第一基准电压输出端V1的电压信号。随着恒流充电，芯片电压采样引脚VS的电压会达到或超过第一基准电压输出端V1的电压信号值，此时第一运放比较器CV将输出引脚OUT电压下拉，光耦产生较大电流，原边侧会减少能量的提供，之后输出电流会减小，电流采样引脚IS的电压小于第三基准电压输出端V3的电压，第二运放比较器CC不再产生作用，第一运放比较器CV会将输出引脚OUT的输出电压稳定在某一值，由此形成恒压充电。
在进入到恒压充电模式下，第一运放比较器CV的状态信号输出端输出的恒压充电标志信号CV_flag为有效信号，例如为高电平信号。该信号输入到计时器Timer，触发计时器Timer启动计时。
计时器Time的计时次数是预设的，例如设置为150分钟，用以控制在进入恒压充电模式下的最长允许充电时间。即到达该时间，计时器Timer输出一个高电平信号，用来控制充电结束。
同时，在进入恒压模式后，充电电流会继续减小(如降低到横流充电电流的1/10)，电流采样引脚IS的电压会进一步降低，当该电压小于第三基准电压输出端V3的电压时，第三运放比较器Finish CMP输出的第一触发信号翻转，由低电平变为高电平。
或逻辑处理模块OR对第三运放比较器Finish CMP输出的第一触发信号和计时器Time输出的第二触发信号执行或逻辑，因此在上述两个触发信号任一为高时，都会输出有效的恒压充电结束控制信号Shutdown。具体的方案中，或逻辑处理模块OR可以由或门来实现。
根据恒压充电结束控制信号Shutdown的有效信号，二路选通器MUX的输出端输出第二基准电压输出端V2的电压信号，也就是降低了第一运放比较器CV的正极输入端的输入电压，而此时芯片电压采样引脚VS的电压为恒定，且超过第二基准电压输出端V2的电压，第一运放比较器CV将输出引脚OUT电压下拉，光耦产生较大电流，控制变压器原边侧不再向负载提供能量，达到充电结束的目的。
本发明实施例提供的一种电池充电管理电路，在进入恒压充电阶段后，对充电电流进行监测，当充电电流降低至预设值时，控制结束充电，同时通过芯片内置时钟对恒压充电阶段进行计时，到达计时时间强制结束充电。这样通过上述两种方式同时进行恒压充电结束的控制，可以很好的保护电池，不会再存在过度过充的情况，保护了电池的寿命和使用性能。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种电池充电管理电路，其特征在于，所述电池充电管理电路用于芯片中，包括：
基准电压模块，所述基准电压模块包括第一基准电压输出端、第二基准电压输出端、第三基准电压输出端和第四基准电压输出端；
二路选通器，所述二路选通器的第一输入端接所述第一基准电压输出端，第二输入端接第二基准电压输出端；选通控制信号为恒压充电结束控制信号；所述恒压充电结束控制信号为有效信号时，所述二路选通器的输出端输出所述第二基准电压输出端的电压信号；所述恒压充电结束控制信号为无效信号时，所述二路选通器的输出端输出所述第一基准电压输出端的电压信号；
第一运放比较器，正极输入端接所述二路选通器的输出端，负极输入端接芯片电压采样引脚，输出端接信号输出引脚；在负极输入端的电压达到或高于正极输入端的电压时，电池充电进入恒压充电模式，第一运放比较器的状态信号输出端输出恒压充电标志信号；
恒压充电结束控制信号生成模块，包括第三运放比较器、计时器和或逻辑处理模块；
所述第三运放比较器的正极输入端接所述第四基准电压输出端，负极输入端接芯片的电流采样引脚，输出端接所述或逻辑处理模块的第一输入端；所述第三运放比较器对所述第四基准电压输出端输出的第四基准电压和所述电流采样引脚的电压进行比较，输出第一触发信号；
所述计时器的输入端接第一运放比较器的状态信号输出端，所述计时器的输出端接所述或逻辑处理模块的第二输入端；所述计时器根据有效的所述恒压充电标志信号启动所述计时器计时，计时结束后输出第二触发信号；
所述或逻辑处理模块对所述第一触发信号和第二触发信号执行或逻辑，输出所述恒压充电结束控制信号。
2.根据权利要求1所述的电池充电管理电路，其特征在于，所述电路还包括：
第二运放比较器，正极输入端接所述第三基准电压输出端的电压信号，负极输入端接芯片的电流采样引脚，输出端接信号输出引脚；在负极输入端的芯片的电流采样引脚的电压达到或高于正极输入端的电压时，电池充电进入恒流充电模式。
3.根据权利要求1所述的电池充电管理电路，其特征在于，所述基准电压模块具体还包括：参考电压源、第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻；
所述参考电压源的正极接所述第一基准电压输出端；
所述第一电阻串联在所述第一基准电压输出端和所述第二基准电压输出端之间；
所述第二电阻串联在所述第二基准电压输出端和所述第三基准电压输出端之间；
所述第三电阻串联在所述第三基准电压输出端和所述第四基准电压输出端之间；
所述第四电阻串联在所述第四基准电压输出端与地之间，且所述参考电压源的负极接地。
4.根据权利要求1或3所述的电池充电管理电路，其特征在于，所述第一基准电压输出端的电压值与所述第二基准电压输出端的电压值在同一数量级上，且所述第二基准电压输出端的电压值比所述第一基准电压输出端的电压值低一个恒定的第一压差。
5.根据权利要求1或3所述的电池充电管理电路，其特征在于，所述第三基准电压输出端的电压值比所述第四基准电压输出端的电压值高一个数量级，且所述第三基准电压输出端的电压值比所述第四基准电压输出端的电压值高一个恒定的第二压差。
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