一种充电电路的制作方法

1.本实用新型专利涉及电容或电池的充电，尤其适用于超级电容或电池的充电。


背景技术：

2.超级电容，是一种通过极化电解质储能的电化学元件，为介于传统电容器和电池之间的特殊电源，具有功率密度高、充电时间短、寿命长、工作温度范围宽等优点。但是，其峰值电流受内阻限制，小尺寸超级电容耐压低，一般是2.5～2.7v，剧烈充电或过冲电压均会导致超级电容寿命降低或损坏。
3.电池在日常生活中不可或缺，随着数码产品如手机、笔记本电脑等产品的广泛使用，锂离子电池以其优异的性能在电池产品中得到广泛应用，并逐步向其他产品应用领域发展。
4.电池在电压过充或过放时会破坏电池的材料，让电池的容量产生永久性地下降，更甚会使电池外壳破裂，并且电池内部会发生化学反应，令电池正负极短路，导致内部瞬间释放能量引发爆炸，电容在电压过充或过放时也存在同样的问题。
5.一般情况下，超级电容或电池其充电电路中都会设置用于防止电压过充的保护电路，对超级电容或电池提供保护，这样不仅减小了对前端输入源的影响，还加强了超级电容或电池的寿命。目前，利用各种电子元器件组成的防止电池过充电的充电保护电路也得到普遍应用。
6.但现有的超级电容或电池等储能单元管理系统中，充电模块与保护模块电路使用较为复杂，有采用元器件费用较高，整个模块占用空间较大的缺陷。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本实用新型要解决的技术问题是提供一种充电电路，既可以对超级电容或电池等储能单元进行恒流充电，又可以对超级电容或电池等储能单元提供恒压维持保护，解决储能单元过充问题，而且电路简单，可以节省空间、节约成本。
8.为解决上述技术问题，本实用新型提供的技术方案如下：
9.一种充电电路，其特征在于：包括充电单元、逻辑控制单元和充电保护单元；逻辑控制单元用于采样母线电压，并且在母线电压为高电压输入时，使能充电单元工作，用于为储能单元进行恒流充电；充电保护单元用于在充电过程中采集储能单元的端电压，当储能单元的端电压达预设值时，关断充电电路工作，使储能单元的端电压维持在设定的恒定电压。
10.作为充电单元的一种具体的实施方式，其特征在于：包括buck芯片ic1、电容c4、电容c5、电容c8、电感l1、二极管d4和电阻r5；电容c5的一端和buck芯片ic1的vin脚连接在一起后用于输入母线电压，电容c4的一端连接buck芯片ic1的boot脚，电感l1一端同时连接电容c4的另一端和buck芯片ic1的sw脚，电感l1的另一端同时连接二极管d4的阳极和电容c8的一端，二极管d4的阴极用于连接储能单元的正端hv，buck芯片ic1的fb脚同时连接电容c8
的另一端和电阻r5的一端，buck芯片ic1的fb脚还用于连接储能单元的负端，电容c5的另一端、buck芯片ic1的gnd脚和电阻r5的另一端接地，buck芯片ic1的en脚用于接收逻辑控制单元输出的使能信号。
11.作为逻辑控制单元的一种具体的实施方式，其特征在于：包括电阻r10、电阻r11和电容c3；电阻r10的一端和电容c3的一端连接在一起作为逻辑控制单元的输入端，用于采样母线电压，电阻r10的另一端和电阻r11的一端连接在一起输出控制充电电路工作的使能信号，电容c3的另一端和电阻r11的另一端接地。
12.作为上述逻辑控制单元具体实施方式的改进，其特征在于：还包括电阻r13、电阻r14和三极管q4，适用于还包括放电芯片的充电电路，电阻r13连接逻辑控制单元的输入端，电阻r13的另一端同时连接电阻r14的一端和三极管q4的基极，三极管q4的集电极输出使能放电芯片工作的使能信号，三极管q4的发射极和电阻r14的另一端接地。
13.作为充电保护单元的第一种具体的实施方式，其特征在于：包括稳压源u1、mos管q1、三极管q3、稳压二极管d1、稳压二极管d3、电容c1、电容c2、电阻r1、电阻r2、电阻r4、电阻r5、电阻r6、电阻r7和电阻r9；电阻r1的一端和电阻r6的一端连接在一起后用于连接储能单元的正端hv，稳压源u1的输出端同时连接电容c1的一端、电阻r4的一端和稳压二极管d1的阴极，稳压源u1的采样端同时连接电阻r1的另一端、电阻r2的一端、电容c1的另一端和电容c2的一端，稳压二极管d1的阳极同时连接mos管q1的栅极和电阻r7的一端，电阻r5的一端同时连接电阻r4的另一端和电阻r6的另一端，电阻r5的另一端同时连接稳压二极管d3的阴极和mos管q1的漏极，稳压二极管d3的阳极同时连接三极管q3的基极和电阻r9的一端，三极管q3的集电极用于连接充电单元中主控芯片的使能脚en，稳压源u1的输入端、电容c2的另一端、电阻r2的另一端、mos管q1的源极、电阻r7的另一端、三极管q3的发射极，以及电阻r9的另一端接地。
14.作为充电保护单元的第二种具体的实施方式，其特征在于：包括稳压源u1、mos管q1、稳压二极管d1、二极管d3、电容c1、电容c2、电阻r1、电阻r2、电阻r4、电阻r5、电阻r6和电阻r7；电阻r1的一端和电阻r6的一端连接在一起后用于连接储能单元的正端hv，稳压源u1的输出端同时连接电容c1的一端、电阻r4的一端和稳压二极管d1的阴极，稳压源u1的采样端同时连接电阻r1的另一端、电阻r2的一端、电容c1的另一端和电容c2的一端，稳压二极管d1的阳极同时连接mos管q1的栅极和电阻r7的一端，电阻r5的一端同时连接电阻r4的另一端和电阻r6的另一端，电阻r5的另一端同时连接二极管d3的阳极，二极管d3的阴极用于连接充电单元中主控芯片的反馈脚fb，稳压源u1的输入端、电容c2的另一端、电阻r2的另一端、mos管q1的源极、电阻r7的另一端接地。
15.优选地，上述充电保护单元第一种和第二种具体实施方式中的稳压源u1为tl431。
16.作为上述充电保护单元第一种和第二种具体实施方式的改进，其特征在于：还包括回差电路，回差电路连接于稳压源u1的采样端与稳压二极管d1的阳极之间，用于为储能单元的端电压在上升与预设值之间的变化值，以及下降与预设值之间的变化值设置一个电压差。
17.作为上述回差电路的一种具体的实施方式，其特征在于：包括mos管q2、稳压二级管d2、电阻r8和电阻r3；稳压二级管d2的阴极连接稳压二极管d1的阳极，稳压二级管d2的阳极同时连接mos管q2的栅极和电阻r8的一端，mos管q2的源极和电阻r8的另一端接地，mos管
q2的漏极连接电阻r3的一端，电阻r3的另一端连接稳压源u1的采样端。
18.作为充电保护单元第三种具体的实施方式，其特征在于：包括稳压源u1、电阻r1、电阻r2、电阻r3和电阻r5；电阻r2的一端和r3的一端连接在一起后用于连接储能单元的正端hv，稳压源u1的输出端连电阻接r3的另一端，稳压源u1的采样端同时连接电阻r2的另一端和电阻r1的一端，稳压源u1的输入端、电阻r1的另一端、电阻r5一端和充电单元中主控芯片的反馈脚fb连接在一起后用于连接储能单元的负端，电阻r5另一端接地。
19.本实用新型的工作原理后面会结合具体实施例进行详细说明，此处不赘述，与现有技术相比，本实用新型可以为电容或电池等储能单元进行恒流充电和恒压维持保护，功能完整，搭建电路简便，可根据需求设置充电电流的大小，以及电容或电池充满后电压的大小，同时减小电池管理单元的系统体积，降低成本，具有的有益效果进一步说明如下：
20.(1)本实用新型的充电电路采用恒流充电方式，为超容提供稳定的充电电流，能防超容充电过热问题；
21.(2)本实用新型在充电过程中，加入充电保护单元，维持其充满后的电压，防止超容充电时超过其耐压，加强对其外围电路及寿命的保护；
22.(3)本实用新型具体的实施电路与常见的电容充电电路相比，器件选型容易，电路简单，由于mos管q1和三极管q2均为低压小电流器件，可以节省空间，节约成本。
附图说明
23.图1为本实用新型充电电路的原理框图；
24.图2-1为本实用新型充电电路第一实施例充电单元的原理图；
25.图2-2为本实用新型充电电路第一实施例逻辑控制单元的原理图；
26.图2-3为本实用新型充电电路第一实施例充电保护单元的原理图；
27.图3为本实用新型充电电路第二实施例中充电保护单元的原理图；
28.图4为本实用新型充电电路第三实施例中充电保护单元的原理图。
具体实施方式
29.图1为本实用新型充电电路的原理框图，包括充电单元、充电保护单元和逻辑控制单元，用于为超级电容或电池等储能单元充电；逻辑控制单元用于采样母线电压，并且在母线电压为高电压输入时，使能充电单元工作，用于为储能单元进行恒流充电；充电保护单元用于在充电过程中采集储能单元的端电压，当储能单元的端电压达预设值时，关断充电电路工作，使储能单元的端电压维持在设定的恒定电压。
30.本实用新型充电电路逻辑简单，搭建方便，可根据需求调节充电电流，降低系统体积，节约成本。为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例及相关附图，对本实用新型进一步详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
31.第一实施例
32.本实施例各单元电路的原理框图如图2-1、图2-2和图2-3所示，具体如下：
33.图2-1为本实用新型充电电路第一实施例充电单元的原理图，其中的电容c9为储能单元，图中的充电单元包括buck芯片ic1、电容c4、电容c5、电容c8、电感l1、二极管d4和电
阻r5；电容c5的一端和buck芯片ic1的vin脚连接在一起后用于输入母线电压，电容c4的一端连接buck芯片ic1的boot脚，电感l1一端同时连接电容c4的另一端和buck芯片ic1的sw脚，电感l1的另一端同时连接二极管d4的阳极和电容c8的一端，二极管d4的阴极用于连接储能单元的正端hv，buck芯片ic1的fb脚同时连接电容c8的另一端和电阻r5的一端，buck芯片ic1的fb脚还用于连接储能单元的负端，电容c5的另一端、buck芯片ic1的gnd脚和电阻r5的另一端接地，buck芯片ic1的en脚用于接收逻辑控制单元输出的使能信号。
34.其中buck芯片ic1为充电单元中的主控芯片，buck芯片ic1的选择为本领域技术人员的公知常识，如可以选用圣邦微公司的sgm61230型号的芯片；buck芯片ic1在本实用新型中的应用也为本领域技术人员的公知常识，buck芯片ic1的各引脚功能如下：
35.vin脚：供电引脚，为buck芯片ic1提供工作电压；
36.boot脚：为buck芯片ic1内部高侧开关提供所需的驱动电压；
37.sw脚：buck芯片ic1内部变换器上、下功率场效应管的连接点；
38.fb脚：电压反馈引脚，用于反馈输出电压信号；
39.gnd脚：接地基准引脚；
40.en脚：启用引脚，使能buck芯片ic1工作的引脚，具体地，当该引脚输入的使能信号电压达到buck芯片ic1的工作电压时，buck芯片ic1工作，反之则不工作。
41.图2-2为本实用新型充电电路第一实施例逻辑控制单元的原理图，图中的逻辑控制单元包括电阻r10、电阻r11和电容c3；电阻r10的一端和电容c3的一端连接在一起作为逻辑控制单元的输入端，用于采样母线电压，电阻r10的另一端和电阻r11的一端连接在一起输出控制充电电路工作的使能信号，电容c3的另一端和电阻r11的另一端接地。图2-2中还包括电阻r13、电阻r14和三极管q4，适用于还包括放电芯片的充电电路，电阻r13连接逻辑控制单元的输入端，电阻r13的另一端同时连接电阻r14的一端和三极管q4的基极，三极管q4的集电极输出使能放电芯片工作的使能信号，三极管q4的发射极和电阻r14的另一端接地。
42.图2-3为本实用新型充电电路第一实施例充电保护单元的原理图，充电保护单元包括稳压源u1、mos管q1、三极管q3、稳压二极管d1、稳压二极管d3、电容c1、电容c2、电阻r1、电阻r2、电阻r4、电阻r5、电阻r6、电阻r7、电阻r9和回差电路；电阻r1的一端和电阻r6的一端连接在一起后用于连接储能单元的正端hv，稳压源u1的输出端同时连接电容c1的一端、电阻r4的一端和稳压二极管d1的阴极，稳压源u1的采样端同时连接电阻r1的另一端、电阻r2的一端、电容c1的另一端和电容c2的一端，稳压二极管d1的阳极同时连接mos管q1的栅极和电阻r7的一端，电阻r5的一端同时连接电阻r4的另一端和电阻r6的另一端，电阻r5的另一端同时连接稳压二极管d3的阴极和mos管q1的漏极，稳压二极管d3的阳极同时连接三极管q3的基极和电阻r9的一端，三极管q3的集电极用于连接buck芯片ic1的使能脚en，稳压源u1的输入端、电容c2的另一端、电阻r2的另一端、mos管q1的源极、电阻r7的另一端、三极管q3的发射极，以及电阻r9的另一端接地，回差电路连接于稳压源u1的采样端与稳压二极管d1的阳极之间，用于为储能单元的端电压在上升与预设值之间的变化值，以及下降与预设值之间的变化值设置一个电压差。
43.图2中的回差电路包括mos管q2、稳压二级管d2、电阻r8和电阻r3；稳压二级管d2的阴极连接稳压二极管d1的阳极，稳压二级管d2的阳极同时连接mos管q2的栅极和电阻r8的
一端，mos管q2的源极和电阻r8的另一端接地，mos管q2的漏极连接电阻r3的一端，电阻r3的另一端连接稳压源u1的采样端。
44.本实施例的充电电路的工作原理为：buck芯片ic1为降压ic，内置主功率管和续流二极管，buck芯片ic1通过电感l1后对对输入的母线电压vin进行降压，给超级电容或电池等储能单元c9进行充电，电阻r5是充电时的反馈电阻，通过控制充电时流过电阻r5的电流就可以控制buck芯片ic1 fb脚的反馈电压，从而使超级电容或电池等储能单元c9恒流充电。二极管d4作用是防止buck芯片ic1不工作时，储能单元c9上的电压反灌到buck芯片ic1内部，对其造成影响。电容c5为输入电容，对输入的母线电压vin起稳定滤波作用；电容c4为boot脚电容，为buck芯片ic1内部高侧开关提供所需的驱动电压；电容c8起滤波储能作用。
45.本实施例的辑控制单元的工作原理为：(1)当采样的母线电压vin为高电压时，母线电压vin被电阻r10与电阻r11分压，使buck芯片ic1的en脚达到其工作电压，buck芯片ic1工作，对储能单元c9进行充电；同时母线电压vin还通过电阻r13与电阻r14分压，使三级管q4的基极为高电压，三极管q4导通，把放电芯片使能脚en2的电压拉低，使放电芯片停止工作。(2)当采样的母线电压vin为低电压时，母线电压vin被电阻r10与电阻r11分压，buck芯片ic1的en脚无法达到其工作电压，buck芯片ic1不工作，关闭对储能单元c9的充电功能；同时母线电压vin还通过电阻r13与电阻r14分压，使三级管q4的基极为低电压，三极管q4不导通，放电芯片使能脚en2的电压没有被拉低，放电芯片正常工作。
46.本实施例的充电保护电路的工作原理如下：
47.稳压源u1一般情况下使用tl431，内部设有参考值，稳压源u1的采样端采样电阻r2一端的电压，储能单元c9的正端hv的电压经过电阻r1和电阻r2进行分压，因此通过设定电阻r1和电阻r2的阻值可以设定充电保护电路的电压预设值。
48.当储能单元c9的正端hv的电压高于预设值时，稳压源u1的输出端为低电平，mos管q1栅极和mos管q2栅极均为低电平，mos管q1和mos管q2不导通，由于mos管q1的漏极连接稳压二极管d3的阴极，mos管q1不导通后，稳压二极管d3的阴极电压被储能单元c9的正端hv的电压抬高，使稳压二极管d3击穿导通，三极管q3基极电压为高电平，三极管q3导通。由于三级管q3的集电极连接buck芯片ic1的使能脚en，三极管q3导通后，使能脚en被拉低，buck芯片ic1不工作，从而防止储能单元c9过充。
49.mos管q2、稳压二级管d2、电阻r8和电阻r3构成的回差电路的工作原理为：当mos管q2导通时，电阻r3接入电路中，稳压源u1采样端采样的电压变为电阻r2和电阻r3并联后的电压。该回差电路可以有效避免在充电保护的过程中，由于储能单元c9到达设定电压的临界点，造成buck芯片ic1工作频率混乱的问题。
50.当储能单元c9的正端hv电压低于预设值时，稳压源u1输出端为高电平，mos管q1栅极和mos管q2栅极均为高电平，mos管q1和mos管q2导通，稳压二极管d3阴极为低电平，无法使稳压二极管d3反向击穿，三极管q3基极电压为低电平，三极管q3不导通，因此buck芯片ic1使能脚en为高电平，充电电路正常工作。
51.本实施例mos管q1和mos管q2均为低压小电流器件，稳压源u1选用tl431，其余为电容电阻器件，与目前现有的通过多个线性放大器来实现放电保护的电路相比，电路简便，体积小且成本低，具有极高的产品实用性和商业推广价值。
52.第二实施例
53.本实施例与第二实施例相比，不同之处在于，充电保护单元不同，本实施例的充电保护单元如图3所示，与图2的区别在于：将稳压二极管d3更换为二极管d3，且位置发生改变，连接关系变为二极管d3的阳极与mos管q1的漏极和电阻r5一端连接，二极管d3的阴极与buck芯片ic1的fb脚连接，其它连接关系不变。
54.本实施例的充电保护电路的工作原理为：
55.当储能单元的正端hv电压高于预设值时，稳压源u1输出端为低电平，mos管q1栅极和mos管q2栅极均为低电平，mos管q1和mos管q2不导通，由于mos管q1的漏极连接二极管d3的阳极，mos管q1不导通后，二极管d3的阳极极电压被hv电压抬高，使二极管d3导通，导致buck芯片ic1的fb脚电压抬高，buck芯片ic1停止工作，从而防止超级电容或电池过充。
56.第三实施例
57.本实施例与第二实施例相比，不同之处同样在于，充电保护单元不同，本实施例的充电保护单元如图4所示，其电路主要包括稳压源u1、电阻r1、电阻r2、电阻r3和电阻r5。
58.其连接关系如下：
59.电阻r2的一端和r3的一端连接在一起后用于连接储能单元的正端hv，稳压源u1的输出端连电阻接r3的另一端，稳压源u1的采样端同时连接电阻r2的另一端和电阻r1的一端，稳压源u1的输入端、电阻r1的另一端、电阻r5的一端和buck芯片ic1的fb脚连接在一起后用于连接储能单元的负端，电阻r5的另一端接地。
60.本实施例的充电保护电路的工作原理为：
61.稳压源u1一般情况下使用tl431，内部设有参考值，稳压源u1的采样端采样电阻r1的一端的电压，储能单元的正端hv电压经过电阻r1和电阻r2进行分压，因此通过设定电阻r1和电阻r2的阻值可以设定充电保护电路的电压预设值，一般电阻r1与电阻r2阻值较高，电阻r3阻值较低。
62.当储能单元的正端hv电压高于预设值时，稳压源u1的输入端与输出端导通，电阻r3连接进入电路，导致流过电阻r5的电流增大，使得buck芯片ic1的的fb脚采样点电压抬高，buck芯片ic1停止工作，从而防止超级电容或电池过充。
63.以上仅是本实用新型优选的实施方式，本实用新型所属领域的技术人员还可以对上述具体实施方式进行变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本实用新型构成任何限制。