高充电转换效率的真无线蓝牙耳机充电系统的制作方法

1.本发明涉及一种真无线蓝牙耳机充电系统技术领域，尤其是指一种高充电转换效率的真无线蓝牙耳机充电系统。


背景技术：

2.近几年，tws蓝牙耳机越来越火，其由两只耳机加一个充电盒组成。为了考虑便携，整个产品外形也是越做越小，续航时间要求却越来越长，甚至有些tws蓝牙耳机把这个续航时间作为了一个卖点，以此获取更好的市场认可与接受度。
3.现有的蓝牙耳机和充电盒之间一般是单向通信。还有，当前的这些蓝牙耳机都是先将充电盒里3.7伏用dc/dc升压到5伏，然后再送到耳机，在耳机端通过降压电路将5伏转成电池所需要的电压(通常为3.0伏至4.2伏)充到耳机的电池里面。在这个过程中，dc/dc为开关模式，效率通常能做到95%以上，因耳机与充电盒开关同步问题(开关不同步，会使电能无法正常传递)，耳机里面的充电电路为线性工作模式，平均效率在65%左右。在这个电压一升一降的转换过程中，总的电能损失了35%以上。
4.然而充电盒电池储存的电能本就有限，在实际使用中却是要损失1/3以上的能量，更是不符合节能要求。并且，在有限的空间里将续航时间做到更长，提高充电盒对耳机充电转换效率是必需要解决的首要问题。这就需要有一个新的方案来解决这个痛点。
5.因此，本发明专利申请中，申请人精心研究一种高充电转换效率的真无线蓝牙耳机充电系统来解决了上述问题。


技术实现要素：

6.本发明针对上述现有技术所存在不足，主要目的在于提供一种高充电转换效率的真无线蓝牙耳机充电系统，其取消蓝牙耳机端内传统的降压电路，降低电能损失，继而提高蓝牙耳机充电盒对蓝牙耳机的充电转换效率，而且，实现充电盒主控电路和蓝牙耳机主控电路之间的单线双向通信，无需额外的通信线路，降低电路设计成本，具有较好的经济效益。
7.为实现上述之目的，本发明采取如下技术方案：一种高充电转换效率的真无线蓝牙耳机充电系统，包括有蓝牙耳机充电盒电路以及蓝牙耳机电路，其中：所述第一电池为可充电电池，所述蓝牙耳机充电盒电路包括有第一电池、dc/dc转换电路、第一充电开关单元、第一端口、第二端口、第一通信电路以及充电盒主控电路；所述第一电池连接dc/dc转换电路的输入端，所述dc/dc转换电路的输出端通过第一充电开关单元分别连接第一端口和第二端口，所述第一通信电路连接第一端口，所述充电盒主控电路分别连接dc/dc转换电路、第一充电开关单元以及第一通信电路；所述蓝牙耳机电路包括有第二电池、第二充电开关单元、第二通信电路、蓝牙耳机主控电路、连接于第一端口的第三端口以及连接于第二端口的第四端口，所述第二电池为
可充电电池，所述第二电池通过第二充电开关单元分别连接第三端口和第四端口，所述第二通信电路连接第三端口，所述蓝牙耳机主控电路分别连接第二充电开关单元和第二通信电路，所述蓝牙耳机主控电路还连接第二电池以监测第二电池的充电电压；所述充电盒主控电路通过第一通信电路和第二通信电路与蓝牙耳机主控电路相互连接。
8.作为一种优选方案，所述充电盒主控电路包括有充电盒主控芯片u2，所述充电盒主控芯片u2具有gpio1引脚、adc_in1引脚、gpio2引脚、adc_in2引脚、uart_rx引脚以及uart_tx引脚；所述gpio1引脚和adc_in1引脚分别连接dc/dc转换电路，所述gpio2引脚和adc_in2引脚分别连接第一充电开关单元，所述uart_rx引脚和uart_tx引脚分别连接第一通信电路。
9.作为一种优选方案，所述第一通信电路包括有第一开关管、第二开关管、电阻r10和电阻r7；第一开关管的控制端连接uart_tx引脚，第一开关管的第一端连接第二开关管的控制端且连接第一端口，第一开关管的第二端连接第二开关管的第二端且接地，所述uart_rx引脚连接第二开关管的第一端，所述电阻r7具有第一电阻连接端和用于连接电源vcc的第二电阻连接端，所述第一电阻连接端连接第二开关管的第一端，所述第二电阻连接端通过电阻r10连接第一端口。
10.作为一种优选方案，所述第一充电开关单元包括有第三开关管和电阻r6，所述dc/dc转换电路的输出端包括有第一输出端和第二输出端；所述第一输出端连接第三开关管的第二端，所述第三开关管的第二端通过电阻r6连接第三开关管的控制端，所述第三开关管的控制端连接gpio2引脚，所述第一端口连接第三开关管的第一端，第三开关管的第一端连接adc_in2引脚。
11.作为一种优选方案，所述蓝牙耳机主控电路包括有蓝牙耳机主控芯片u3，所述蓝牙耳机主控芯片u3具有vbat引脚、gpio引脚、uart_rx1引脚以及uart_tx1引脚；所述vbat引脚连接第二电池的正极，所述gpio引脚连接第二充电开关单元，所述蓝牙耳机主控芯片u3的uart_rx1引脚和uart_tx1引脚分别连接第二通信电路。
12.作为一种优选方案，所述第二通信电路包括第四开关管、第五开关管以及电阻r8；第四开关管的控制端连接蓝牙耳机主控芯片u3的uart_tx1引脚，第四开关管的第一端连接第五开关管的控制端且连接第三端口，第四开关管的第二端连接第五开关管的第二端且接地，所述蓝牙耳机主控芯片u3的uart_rx1引脚连接第五开关管的第一端，所述电阻r8具有第三电阻连接端和用于连接电源vcc的第四电阻连接端，所述第三电阻连接端连接第五开关管的第一端。
13.作为一种优选方案，所述第二充电开关单元包括有第六开关管、第七开关管、第八开关管、电阻r9以及电阻r11；所述第三端口连接第六开关管的第一端，第六开关管的第一端通过电阻r9连接第八开关管的控制端且第八开关管的控制端连接gpio引脚，所述第四端口、第八开关管的第二端以及第二电池的负极均接地，所述第七开关管的第一端连接第二电池的正极；所述第六开关管的第二端和第七开关管的第二端均通过电阻r11连接第八开关管
的第一端，所述第六开关管的控制端和第七开关管的控制端均连接第八开关管的第一端。
14.作为一种优选方案，所述dc/dc转换电路分别通过电流采样电路和电压采样电路连接充电盒主控电路。
15.作为一种优选方案，所述dc/dc转换电路包括有dc/dc芯片u1、第九开关管、电感l1、二极管d1、电容c2、电容c3、电容c4、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4以及电阻r5；所述dc/dc芯片u1具有第一引脚至第八引脚，第一电池的正负极并联有电容c1，第八引脚连接第一电池的正极，电感l1的一端连接第八引脚，电感l1的另一端连接二极管d1的正极，第九开关管的第一端连接二极管d1的正极，第六引脚连接第九开关管的控制端，二极管d1的负极通过电容 c3接地，二极管d1的负极通过电容 c4连接第一引脚；所述电流采样电路包括有采样电阻r3，所述采样电阻r3的一端接地，采样电阻r3的另一端连接充电盒主控电路的adc_in1引脚，所述第一引脚连接采样电阻r3的另一端且第一引脚连接第二端口；所述电压采样电路包括有相串联的采样电阻r4和采样电阻r5，二极管d1的负极连接采样电阻r4的非串联节点，采样电阻r4和采样电阻r5的串联节点连接第三引脚，采样电阻r5的非串联节点连接充电盒主控电路的adc_in1引脚；第四引脚、第五引脚以及第九开关管的第二端均连接第一电池的负极且接地；所述gpio1引脚连接第七引脚，第七引脚通过电阻r2接地，第二引脚通过电容c2和电阻r1接地。
16.本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言：其主要是通过蓝牙耳机主控电路和第二充电开关单元的配合，取消蓝牙耳机端内传统的降压电路，降低电能损失，继而提高蓝牙耳机充电盒对蓝牙耳机的充电转换效率，而且，第一通信电路通过第一端口和第三端口连接第二通信电路，复用第一端口和第三端口，实现充电盒主控电路和蓝牙耳机主控电路之间的单线双向通信，无需额外的通信线路，降低电路设计成本，具有较好的经济效益；其次是，通过dc/dc转换电路的输出端通过电流采样电路和电压采样电路分别连接充电盒主控电路，通过采样电流和电压，使得充电盒主控电路更好地控制dc/dc芯片u1和第三开关管的开关，继而更好地控制充电过程；以及，整体电路结构设计巧妙合理，各电路性能稳定和安全可靠。
17.为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对其进行详细说明。
附图说明
18.图1是本发明之实施例的大致控制框图；图2是本发明之实施例的电路原理图。
19.附图标号说明：10、蓝牙耳机充电盒电路11、第一电池121、电流采样电路
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122、电压采样电路13、第一充电开关单元
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14、第一端口
15、第二端口
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16、第一通信电路17、充电接口20、蓝牙耳机电路21、第二电池
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22、第二充电开关单元23、第三端口
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24、第四端口25、第二通信电路。
具体实施方式
20.下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步描述。
21.如图1和图2所示，一种高充电转换效率的真无线蓝牙耳机充电系统，其主要应用于真无线蓝牙耳机，包括有蓝牙耳机充电盒电路10以及蓝牙耳机电路20，其中：所述蓝牙耳机充电盒电路10包括有第一电池11、dc/dc转换电路、第一充电开关单元13、第一端口14、第二端口15、第一通信电路16以及充电盒主控电路；所述第一电池11连接dc/dc转换电路的输入端，所述dc/dc转换电路的输出端通过第一充电开关单元13分别连接第一端口14和第二端口15，所述第一通信电路16连接第一端口14，所述充电盒主控电路分别连接dc/dc转换电路、第一充电开关单元13以及第一通信电路16。优选地，所述第一电池11为可充电电池，还包括有用于给第一电池11充电的充电接口17，所述充电接口17的两端分别连接第一电池11的正负极。优选地，所述充电接口17为usb充电接口17。
22.所述蓝牙耳机电路20包括有第二电池21、第二充电开关单元22、第二通信电路25、蓝牙耳机主控电路、连接于第一端口14的第三端口23以及连接于第二端口15的第四端口24，所述第二电池21为可充电电池，所述第二电池21通过第二充电开关单元22分别连接第三端口23和第四端口24，所述第二通信电路25连接第三端口23，所述蓝牙耳机主控电路分别连接第二充电开关单元22和第二通信电路25，所述蓝牙耳机主控电路还连接第二电池21以监测第二电池21的充电电压；所述充电盒主控电路通过第一通信电路16和第二通信电路25与蓝牙耳机主控电路相互连接。
23.在本实施例中，所述充电盒主控电路包括有充电盒主控芯片u2，所述充电盒主控芯片u2具有gpio1引脚、adc_in1引脚、gpio2引脚、adc_in2引脚、uart_rx引脚以及uart_tx引脚；所述gpio1引脚和adc_in1引脚分别连接dc/dc转换电路，所述gpio2引脚和adc_in2引脚分别连接第一充电开关单元13，所述uart_rx引脚和uart_tx引脚分别连接第一通信电路16。
24.在本实施例中，所述第一通信电路16包括有第一开关管、第二开关管、电阻r10和电阻r7；第一开关管的控制端连接uart_tx引脚，第一开关管的第一端连接第二开关管的控制端且连接第一端口14，第一开关管的第二端连接第二开关管的第二端且接地，所述uart_rx引脚连接第二开关管的第一端，所述电阻r7具有第一电阻连接端和用于连接电源vcc的第二电阻连接端，所述第一电阻连接端连接第二开关管的第一端，所述第二电阻连接
端通过电阻r10连接第一端口14。
25.在本实施例中，所述第一充电开关单元13包括有第三开关管和电阻r6，所述dc/dc转换电路的输出端包括有第一输出端和第二输出端；所述第一输出端连接第三开关管的第二端，所述第三开关管的第二端通过电阻r6连接第三开关管的控制端，所述第三开关管的控制端连接gpio2引脚，所述第一端口14连接第三开关管的第一端，第三开关管的第一端连接adc_in2引脚。
26.所述dc/dc转换电路分别通过电流采样电路121和电压采样电路122连接充电盒主控电路。在本实施例中，所述dc/dc转换电路包括有dc/dc芯片u1、第九开关管、电感l1、二极管d1、电容c2、电容c3、电容c4、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4以及电阻r5；所述dc/dc芯片u1具有第一引脚至第八引脚，第一电池11的正负极并联有电容c1，第八引脚连接第一电池11的正极，电感l1的一端连接第八引脚，电感l1的另一端连接二极管d1的正极，第九开关管的第一端连接二极管d1的正极，第六引脚连接第九开关管的控制端，二极管d1的负极通过电容 c3接地，二极管d1的负极通过电容 c4连接第一引脚；所述输入端包括第一输入端和第二输入端，所述第一输入端为第八引脚，所述第四引脚为第二输入端，所述电阻r4的非串联节点为第一输出端，所述第一引脚为第二输出端。
27.在本实施例中，所述第一引脚为电流采样引脚(isen引脚)，所述电流采样电路121包括有采样电阻r3，所述采样电阻r3的一端接地，采样电阻r3的另一端连接充电盒主控电路的adc_in1引脚，所述第一引脚连接采样电阻r3的另一端且第一引脚连接第二端口15；在本实施例中，所述第三引脚为电压采样引脚(fb引脚)，所述电压采样电路122包括有相串联的采样电阻r4和采样电阻r5，二极管d1的负极连接采样电阻r4的非串联节点，采样电阻r4和采样电阻r5的串联节点连接第三引脚，采样电阻r5的非串联节点连接充电盒主控电路的adc_in1引脚；第四引脚、第五引脚以及第九开关管的第二端均连接第一电池11的负极且接地；所述gpio1引脚连接第七引脚，第七引脚通过电阻r2接地，第二引脚通过电容c2和电阻r1接地。
28.在本实施例中，所述蓝牙耳机主控电路包括有蓝牙耳机主控芯片u3，所述蓝牙耳机主控芯片u3具有vbat引脚、gpio引脚、uart_rx1引脚以及uart_tx1引脚；所述vbat引脚连接第二电池21的正极，所述gpio引脚连接第二充电开关单元22，所述蓝牙耳机主控芯片u3的uart_rx1引脚和uart_tx1引脚分别连接第二通信电路25。
29.所述第二通信电路25包括第四开关管、第五开关管以及电阻r8；第四开关管的控制端连接蓝牙耳机主控芯片u3的uart_tx1引脚，第四开关管的第一端连接第五开关管的控制端且连接第三端口23，第四开关管的第二端连接第五开关管的第二端且接地，所述蓝牙耳机主控芯片u3的uart_rx1引脚连接第五开关管的第一端，所述电阻r8具有第三电阻连接端和用于连接电源vcc的第四电阻连接端，所述第三电阻连接端连接第五开关管的第一端。
30.所述第二充电开关单元22包括有第六开关管、第七开关管、第八开关管、电阻r9以及电阻r11；所述第三端口23连接第六开关管的第一端，第六开关管的第一端通过电阻r9连接第八开关管的控制端且第八开关管的控制端连接gpio引脚，所述第四端口24、第八开关管的第二端以及第二电池21的负极均接地，所述第七开关管的第一端连接第二电池21的正
极；所述第六开关管的第二端和第七开关管的第二端均通过电阻r11连接第八开关管的第一端，所述第六开关管的控制端和第七开关管的控制端均连接第八开关管的第一端。
31.接下来大致说明下本实施例的工作原理：当蓝牙耳机被置于蓝牙耳机充电盒内后，金属顶针与对应的金属触点电接触，即，蓝牙耳机充电盒电路10的第一端口14与蓝牙耳机电路20的第三端口23连接，蓝牙耳机充电盒电路10的第二端口15与蓝牙耳机电路20的第四端口24连接。
32.电源vcc则会依次经过电阻r10、第一端口14和第三端口23传输到第五开关管的控制端，第五开关管导通；此时，如果第二电池21仍然有电量时，则蓝牙耳机主控芯片u3的uart_rx1引脚的电位由高变低，接着，蓝牙耳机主控芯片u3通过vbat引脚来检测第二电池21当前的电池电量。
33.当检测完第二电池21当前的电池电量后，蓝牙耳机主控芯片u3的uart_tx1引脚发出第一信息指令（与此同时，蓝牙耳机主控芯片u3的uart_rx1引脚也会接收到第一信息指令，但是不作任何处理），这个第一信息指令会依次通过第四开关管、第三端口23和第一端口14传输到第二开关管的控制端，第二开关管导通或开漏到地，继而充电盒主控芯片u2的uart_rx引脚能够接收到上述第一信息指令。
34.接着，充电盒主控芯片u2开始初始化，进行读取第一电池11的电池电量、温度和各部分电路状态，在确认没问题后，充电盒主控芯片u2的uart_tx引脚发出第二信息指令，这个第二信息指令会依次通过第一开关管、第一端口14和第三端口23传输到第五开关管的控制端，第五开关管导通，蓝牙耳机主控芯片u3的uart_rx1引脚的电位由高变低，即蓝牙耳机主控芯片u3能够接收到时第二信息指令，完成充电盒主控芯片u2和蓝牙耳机主控芯片u3两者的信息交互。此处需要说明的是，如果蓝牙耳机主控芯片u3仍然与移动终端蓝牙连接的话，移动终端也能够收到第一电池11的电池电量、温度和各部分电路状态的信息。
35.在确认蓝牙耳机充电盒电路10和蓝牙耳机电路20都没有问题的情况下，蓝牙耳机主控芯片u3的gpio引脚输出高电位至第八开关管的控制端，第八开关管导通，继而第六开关管和第七开关管依次导通，完成第二充电开关单元22的导通。接着，蓝牙耳机主控芯片u3的uart_tx1引脚发出第三信息指令（与此同时，蓝牙耳机主控芯片u3的uart_rx1引脚也会接收到第三信息指令，但是不作任何处理），这个第三信息指令会依次通过第四开关管、第三端口23和第一端口14传输到第二开关管的控制端，第二开关管导通或开漏到地，继而充电盒主控芯片u2的uart_rx引脚能够接收到上述第三信息指令。
36.当充电盒主控芯片u2在接收到第三信息指令后，充电盒主控芯片u2先通过gpio1引脚控制dc/dc芯片u1打开，再通过gpio2引脚控制第三开关管打开，完成充电初始化并开始对第二电池21充电。在对第二电池21充电过程中，充电盒主控芯片u2通过adc_in1引脚监控采样电阻r3两端的电压，以此监控充电电流，第二电池21两端实时的充电电压则由蓝牙耳机主控芯片u3从vbat引脚采集并依次通过第四开关管、第三端口23和第一端口14和第二开关管上报给充电盒主控芯片u2。当充电电流掉到预设电流的0.1c时，依次关闭dc/dc芯片u1、第三开关管、第六开关管和第七开关管，完成对第二电池21的充电。
37.当蓝牙耳机被置于蓝牙耳机充电盒内后，如果第二电池21没有电量时，充电盒主控芯片u2就不会收到蓝牙耳机主控芯片u3发来的信息指令， 此时，充电盒主控芯片u2就会
控制dc/dc芯片u1和第三开关管打开，先让第二电池21充电，使得其能够让蓝牙耳机主控芯片u3得电工作，继而才能够对第二电池21的电池电量进行检查。
38.在本实施例中，所述第一开关管为nmos管q2，所述第二开关管为nmos管q4，所述第四开关管为nmos管q9，所述第五开关管为nmos管q8，所述第八开关管为nmos管q7，所述第九开关管为nmos管q1，当然，第一开关管、第二开关管、第四开关管、第五开关管、第八开关管以及第九开关管也可以npn三极管（集电极相当于漏极，基极相当于栅极，发射极相当于源极）；所述第三开关管为pmos管q3，所述第六开关管为pmos管q5，所述第七开关管为pmos管q6，当然，第三开关管、第六开关管以及第七开关管也可以pnp三极管（集电极相当于漏极，基极相当于栅极，发射极相当于源极）。
39.接下来大致说明下本实施例的充电转换效率和现有技术的充电转换效率的区别：本实施例的充电转换效率如下：假设电感l1的内阻为0.1欧、二极管d1的正向压降为0.15伏，所有开关管的内阻为50毫欧、充电电流为0.1安培、第一电池11bt1的电压为3.7伏，第二电池21的电压为3.0伏(此处为最低电池电压v6且为效率最低状态)计算。定义pmos管q3的源极和漏极之间的电压为第一电压v1，定义pmos管q5的源极和漏极之间的电压为第二电压v2，定义pmos管q6的源极和漏极之间的电压为第三电压v3，定义采样电阻r3两端的电压为第四电压v4，定义二极管d1的正向压降为第五电压v5，定义输出总功率为输出总功率p1，定义电感l1的功率为功率p2，定义nmos管q1的功率为功率p3，定义输入功率为输入功率p4，定义输入电流为电流i1，定义通过电感l1的电流为i2，定义通过nmos管q1的电流为i3；v1= v2= v3=0.1安培乘以0.01欧=0.001伏；v4=0.1安培乘以0.01欧=0.001伏；所述输出总功率p1为输出总电压与充电电流的乘积，其中，输出总电压为v1、v2、v3、v4、v5以及v6六者的总和，充电电流为0.1安培。
40.因此，所述输出总功率：p1=（v6 v1 v2 v3 v4 v5）*0.1=（3 0.005 0.005 0.005 0.001 0.15）*0.1=0.3166瓦特。
41.根据能量守恒定律可得：p4= p2 p3 p1，其中，p4=3.7*i1；因此，3.7*i1=（i2的平方*0.1） （i3的平方*0.1） 0.3166瓦特。
42.其中，在输入升压回路中，第一电池11、电感l1和nmos管q1三者为串联，因此，i1=i2=i3=0.089183安培；总效率：（3.0伏乘以0.1安培）除以（3.0伏乘以0.089183安培）=90.91%。
43.现有技术的充电转换效率如下：在相同条件下，现有蓝牙耳机为线性充电，整个回路中的电流都为0.1安培，dc/dc的输出始终为5.0伏，定义输出总功率为p0，定义输入电流为i0，定义通过电感l1的电流为i21，定义通过nmos管q1的电流为i31；定义二极管d1的正向压降为电压v0且为0.15伏；充电转换效率计算如下：输出总功率为p总=(5.0伏 v0)乘以0.1安培=(5 0.15)乘以0.1安培=0.515瓦特；
在此情况下，dc/dc输入升压回路中电流为：i0=i21=i31=0.1450705安培；总效率为： (3.0伏乘以0.1安培)除以(3.7伏乘以0.1450705安培)=55.89%，以此来看，本实施例的电路效率最高可提升为：90.91%
‑
55.89%=35%。
44.需要说明的是，本实施例在能量转换过程中只有降压或升压，不会有升压或降压同时存在。同时，本实施例是通过充电盒主控芯片u2控制控制dc/dc芯片u1和第三开关管两者的打开，可以将充电效率提高到90%以上。另外，第二充电开关单元22只有在充电时才接通。在蓝牙耳机端内只有第二充电开关单元22中第六开关管和第七开关管两者的内阻造成损耗，还有就是本实施例的蓝牙耳机主控芯片u3和充电盒主控芯片u2会耗电，但是蓝牙耳机主控芯片u3和充电盒主控芯片u2两者的损耗是可以被忽略的。
45.本发明设计要点在于，其主要是通过蓝牙耳机主控电路和第二充电开关单元的配合，取消蓝牙耳机端内传统的降压电路，降低电能损失，继而提高蓝牙耳机充电盒对蓝牙耳机的充电转换效率，而且，第一通信电路通过第一端口和第三端口连接第二通信电路，复用第一端口和第三端口，实现充电盒主控电路和蓝牙耳机主控电路之间的单线双向通信，无需额外的通信线路，降低电路设计成本，具有较好的经济效益；其次是，通过dc/dc转换电路的输出端通过电流采样电路和电压采样电路分别连接充电盒主控电路，通过采样电流和电压，使得充电盒主控电路更好地控制dc/dc芯片u1和第三开关管的开关，继而更好地控制充电过程；以及，整体电路结构设计巧妙合理，各电路性能稳定和安全可靠。
46.以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。