电压均衡电路及充电设备的制作方法

1.本发明涉及服务器电压均衡技术领域，具体涉及电压均衡电路及充电设备。


背景技术：

2.随着各种电子产品的飞速发展，对供电的需求越来越高。相应地，对于一些具有储能功能的元件的需求也就越来越高，例如，超级电容作为一种介于传统电容器和电池之间具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原赝电容电荷储存电能，可以反复充放电数十万次，具有低温性能好、充放电快、环境友好等优点。
3.超级电容的电压通常不高，在实际应用时常通过将两个及两个以上的超级电容串联以达到更高的电压，串联的超级电容电路很容易出现电压不均衡的情况。现有技术中，对超级电容的电压均衡包括主动均压和被动均压两种方法，主动均压电路工作通常会在超级电容放电、电容电压较低的时候开启均压，这样可能会导致浪费电容的能量。被动均压电路一般通过给每个电容并联一个大阻值的电阻来实现均压，但是若并联的电阻阻值较大，均压能力会较弱，若并联的电阻阻值较小，则会产生持续的电流，该电流跟漏电流相同，会持续损耗电容存储的能量。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明实施例提供了电压均衡电路及充电设备，以解决因电容储存能量损耗、均压线路频繁工作而导致的电池性能降低的问题。
5.根据第一方面，本发明实施例提供了一种电压均衡电路，包括：电容模块，包含至少一个目标电容，当所述目标电容大于一个时，各个所述目标电容串联；
6.电压监控模块，与所述目标电容一一对应设置，所述电压监控模块用于监控对应的所述目标电容的电压；
7.均衡模块，与所述目标电容一一对应设置，具有均衡电阻单元、运算放大器以及放电单元，所述均衡电阻单元与所述目标电容对应的电源连接，所述运算放大器的控制端与所述电压监控模块的输出端连接，所述运算放大器的一端与均衡电阻单元连接，所述运算放大器的另一端与所述目标电容连接，所述放电单元与所述运算放大器的输出端连接，用于与所述目标电容形成放电回路。
8.本实施例提供的电压均衡电路，设置的电压监控模块用于监控电容模块中目标电容的电压，同时与目标电容一一对应设置了均衡模块。当电压监控模块监测到其对应的目标电容的电压超过预设电压阈值时，均衡模块可将该目标电容的电压释放，并通过均衡电阻单元均衡电容模块两端的电压，实现电压均衡。通过针对性地启动均衡模块，避免电压均衡功能的频繁启动，可以更有效地延长电容寿命。
9.结合第一方面，在第一方面第一实施方式中，所述均衡电阻单元包括：
10.串联的第一电阻与第二电阻，所述第一电阻与所述第二电阻确定对所述电源的均压范围；
11.其中，所述运算放大器的一端接入所述第一电阻与所述第二电阻的连接端。
12.本实施例提供的电压均衡电路，设置了用于分压的第一电阻和第二电阻，可帮助确定电源的均压范围，使得电容模块两端电压达到均衡。
13.结合第一方面第一实施方式，在第一方面第三实施方式中，所述放电单元包括：
14.第一可控开关以及第三电阻；
15.所述第一可控开关的第一端与所述运算放大器的输出端连接，所述第一可控开关的第二端与所述目标电容的一端连接，所述第一可控开关的第三端与所述第三电阻的一端连接，所述第三电阻的另一端与所述目标电容的另一端连接。
16.本实施例提供的电压均衡电路，通过串联的第一可控开关和第三电阻实现当目标电容的电压超过电压阈值时启动放电功能，避免电压过高，从而降低电容的损耗。
17.结合第一方面第一实施方式，在第一方面第四实施方式中，所述均衡模块还包括：
18.第四电阻，所述第四电阻的一端连接所述运算放大器的输出端，所述第四电阻的另一端连接所述目标电容。
19.结合第一方面，在第一方面第五实施方式中，还包括：
20.逻辑选择模块，所述逻辑选择模块的输入端分别与各个电压监控模块的输出端连接，所述逻辑选择模块的输出端与所述运算放大器的控制端连接，所述逻辑选择模块用于在任一所述电压监控模块监测出电压超过电压阈值时输出控制信号，以控制对应的均衡模块动作。
21.本实施例提供的电压均衡电路，通过逻辑选择模块，以实现任一电压监控模块监测出电压超过电压阈值时输出控制信号，以控制对应的均衡模块动作，有选择性地开启对应均衡模块，降低均衡模块的损耗。
22.结合第一方面第三实施方式，在第一方面第六实施方式中，所述逻辑选择模块包括：
23.第二可控开关，与所述电压监控模块一一对应；
24.第三可控开关，第一端与各个所述第二可控开关的第三端连接，所述第三可控开关的第二端与所述电源连接，所述第三可控开关的第三端与所述运算放大器的控制端连接。
25.本实施例提供的电压均衡电路，通过设置可控开关实现逻辑选择模块的逻辑或，以实现当任一电压监控模块监测出电压超过电压阈值时输出控制信号，以控制对应的均衡模块动作，有选择性地开启对应均衡模块，避免频繁开启均衡模块，从而降低均衡模块的损耗。
26.结合第一方面第六实施方式，所述第二可控开关为nmos管，所述第三可控开关为pmos管，所述nmos管的第一端连接所述电压监控模块的输出端，所述nmos管的第二端连接所述pmos管的第一端，所述pmos管的第二端连接所述电源，所述pmos管的第三端连接所述运算放大器的控制端。
27.结合第一方面第五实施方式，所述电压监控模块包括：
28.串联的第五电阻与第六电阻；
29.电压监控器，所述电压监控器的第一端与所述电源连接，所述电压监控器的第二端与所述第五电阻和第六电阻的连接端连接，所述电压监控器的输出端连接所述逻辑选择
模块。
30.本实施例提供的电压均衡电路，通过串联的第五电阻和第六电阻实现分压，电压监控器与目标电容对应，用于监控对应目标电容的电压，以在目标电容的电压超过电压阈值时输出信号以开启均衡模块。
31.结合第一方面，当所述电容模块包括两个目标电容时，所述电压均衡电路包括第一运算放大器和第二运算放大器，所述第一运算放大器的正向输入端连接所述第二运算放大器的反向输入端，所述第一运算放大器和第二运算放大器的连接端连接所述目标电容的连接端。
32.本实施例提供的电压均衡电路，通过调整运算放大器的正反向输入与连接关系，使得电容模块的电压均衡在预设范围内，避免频繁的电压均衡。
33.根据第二方面，本发明实施例提供了一种充电设备，包括：
34.设备本体；以及结合第一方面所述的电压均衡电路，电压均衡电路设置在设备本体内。
35.本实施例提供的电压均衡电路，可设置于可充电的设备中，以便在设备充电时实现电压均衡功能，从而减小电池的损耗，延长电池寿命。
附图说明
36.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
37.图1示出了本发明实施例中电压均衡电路的模块示意图；
38.图2示出了本发明实施例中电压均衡电路的结构示意图；
39.图3示出了本发明实施例中电压均衡电路的工作流程图。
具体实施方式
40.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.在本实施例中提供了一种电压均衡电路，可用于电子设备，图1示出了本发明实施例中电压均衡电路的模块示意图，如图1所示，该电路包括电容模块、电压监控模块和均衡模块。其中，电容模块中包含至少一个目标电容，当目标电容大于一个时，各个目标电容串联，目标电容可以为电容、超级电容等可充放电的储能元件。电压监控模块与目标电容一一对应，电压监控模块可用于监控其对应的目标电容的电压。
42.电压监控模块的功能可以通过逻辑可控芯片实现，例如电压监控器，每个电压监控模块与目标电容对应设置。当电压监控模块监控的目标电容的电压超过电压阈值时，电压监控模块的输出端输出控制信号使得与目标电容对应的均衡模块启动。
43.均衡模块与目标电容一一对应，均衡模块可包括均衡电阻单元、运算放大器以及
放电单元。均衡电阻单元与目标电容对应的电源连接，运算放大器的控制端与电压监控模块的输出端连接，运算放大器的一端与均衡电阻单元连接，运算放大器的另一端与目标电容连接，放电单元与运算放大器的输出端连接，与目标电容形成放电回路。其中，该均衡模块依据电压监控模块对目标电容的监控情况开启，当目标电容的电压超过电压阈值，均衡模块中的运算放大器的控制端接收到控制信号，运算放大器输出的信号可控制其对应的放电单元开启放电功能。
44.其中，放电单元受运算放大器的输出信号控制，开启放电功能。放电单元可以通过开关与电阻的串联电路，也可以通过给目标电容并联一个大阻值电阻来实现，具体方法不做限定。均衡电阻单元用于分压输入运算放大器的电压，可通过串联两个电阻实现分压。
45.当电压监控模块监控到目标电容的电压超过电压监控模块的预设电压阈值时，与该目标电容对应的均衡模块中的均衡电阻单元分压运算放大器的一个输入端的电压，运算放大器的另一输入端连接目标电容的一端，通过比较运算放大器的两个输入端的电压确定运算放大器输出端的电压，从而决定与运算放大器的输出端相连的放电单元是否可开启。当放电单元开启，放电单元将该目标电容的电压释放，且通过均衡电阻单元均衡该电容模块两端的电压，使电压在预设范围内。
46.本实施例提供的电压均衡电路，设置了电压监控模块用于监控电容模块中目标电容的电压，同时与目标电容一一对应设置了均衡模块。当电压监控模块监测到其对应的目标电容的电压超过预设电压阈值时，均衡模块可将该目标电容的电压释放，并通过均衡电阻单元均衡电容模块两端的电压，实现电压均衡。通过针对性地启动均衡模块，避免电压均衡功能的频繁启动，可以更有效地延长电容寿命。
47.在一些可选实施方式中，均衡电阻单元包括串联的第一电阻与第二电阻，第一电阻与第二电阻确定对电源的均压范围。其中，运算放大器的一端接入第一电阻与第二电阻的连接端。具体地，设置第一电阻和第二电阻的电阻值大小不同，通过调整第一电阻和第二电阻的电阻值差调整电压范围，电阻值差越大，均压后的电压波动范围越大。
48.在一些可选实施方式中，放电单元包括第一可控开关以及第三电阻。第一可控开关的第一端与运算放大器的输出端连接，第一可控开关的第二端与目标电容的一端连接，第一可控开关的第三端与第三电阻的一端连接，第三电阻的另一端与目标电容的另一端连接。放电单元受运算放大器的输出信号控制，开启放电功能。放电单元可以通过开关与电阻的串联电路，也可以通过给目标电容并联一个大阻值电阻来实现，具体方法不做限定。
49.在本实施例中提供了一种电压均衡电路，可用于电子设备，图2示出了本发明实施例中电压均衡电路的结构示意图，如图2所示，以电容模块包含目标电容c1和目标电容c2为例。
50.目标电容c1的正极连接节点400，节点400也可以连接到外部电源，目标电容c1的负极连接节点200。目标电容c2的正极连接节点200，目标电容c2的负极连接节点100，节点100也可以连接到外部电源，外部电源可以为电池、充电器等。
51.与目标电容c1对应的均衡模块包括均衡电阻单元、运算放大器u1和放电单元。均衡电阻单元包括串联的第一电阻r5和第二电阻r6，放电单元包括第一可控开关q1与第三电阻r1。与目标电容c2对应的均衡模块包括均衡电阻单元、第二运算放大器u2和放电单元。均衡电阻单元包括串联的电阻r7和电阻r8，放电单元包括可控开关q2与电阻r2。
52.第一电阻r5和第二电阻r6的连接端连接运算放大器u1的一端，第一电阻r5和第二电阻r6用于分压，且第一电阻r5的阻值与第二电阻r6的阻值的比值在预设范围内，从而使得电压的调节有一定迟滞。例如可以设定第一电阻r5的电阻值略大于第二电阻r6，如图所示，第一电阻r5的阻值为102k，第二电阻的阻值为100k。电阻r7和电阻r8的连接端连接第二运算放大器u2的一端，电阻r7和电阻r8用于分压，且电阻r7的阻值与电阻r8的阻值的比值在预设范围内，从而使得电压的调节有一定迟滞。
53.第一电阻r5、第二电阻r6、电阻r7和电阻r8可以用于确定电源的均压范围。例如可以设定第一电阻r5的电阻值略大于第二电阻r6，电阻r8的电阻值略大于电阻r7，如图所示，第一电阻r5的阻值为102k，第二电阻r6的阻值为100k，电阻r7的阻值为100k，电阻r8的阻值为102k。最终电压均衡后，节点200比节点400的电压在49.5％-50.5％之间。可以通过调整r5、r6、r7和r8的电阻值差，来调节该电压范围的大小，电阻值差越大，均压后电压的波动范围也越大，反之越小。节点200的电压和节点400的电压比值需要满足：
[0054][0055]
运算放大器u1的输出端连接第一可控开关q1的第一端，第一可控开关q1的第二端连接目标电容c1的一端，第一可控开关q1的第三端连接第三电阻r1的一端，第三电阻r1的另一端连接目标电容c1的负极。第一可控开关q1可以为开关管，例如pmos管。当第一可控开关为pmos管，第一端为栅极，第二端为漏极，第三端为源极。
[0056]
第二运算放大器u2的输出端连接可控开关q2的第一端，可控开关q2的第二端连接目标电容c2的一端，可控开关q2的第三端连接电阻r2的一端，电阻r2的另一端连接目标电容c2的负极。可控开关q2可以为开关管，例如pmos管。当可控开关为pmos管，第一端为栅极，第二端为漏极，第三端为源极。
[0057]
第一运算放大器u1的正向输入端连接第二运算放大器u2的反向输入端，第一运算放大器u1和第二运算放大器u2的连接端连接目标电容c1和目标电容c2的连接端。
[0058]
在一些可选实施方式中，均衡模块还包括第四电阻，第四电阻的一端连接运算放大器的输出端，第四电阻的另一端连接目标电容。
[0059]
以图2为例，与目标电容c1对应的均衡模块还可以包括第四电阻r3，第四电阻r3为上拉电阻，一端连接运算放大器u1的输出端，另一端连接目标电容c1，第四电阻r3用于将运算放大器u1的输出信号上拉到节点400。
[0060]
与目标电容c2对应的均衡模块还可以包括电阻r4，电阻r4为上拉电阻，一端连接第二运算放大器u2的输出端，另一端连接目标电容c2，电阻r4用于将第二运算放大器u2的输出信号上拉到节点200。
[0061]
在一些可选实施方式中，电压监控模块包括串联的第五电阻与第六电阻以及电压监控器，电压监控器的第一端与电源连接，电压监控器的第二端与第五电阻和第六电阻的连接端连接，电压监控器的输出端连接逻辑选择模块。
[0062]
电压监控模块与目标电容一一对应设置，当电压监控模块监测到其对应的目标电容的电压超过电压阈值时，电压监控模块的输出端输出信号控制逻辑选择模块中对应的开关开启。
[0063]
如图2所示，与目标电容c1对应的电压监控模块中包含第五电阻r9、第六电阻r10
以及电压监控器u3。其中，第五电阻r9与第六电阻r10串联，电压监控器u3的第一端vcc与电源连接，电压监控器u3的第二端sense与第五电阻r9和第六电阻r10的连接端连接。与目标电容c2对应的电压监控模块中包含电阻r11、电阻r12以及电压监控器u4。其中，电阻r11与电阻r12串联，电压监控器u4的第一端vcc与电源连接，电压监控器u4的第二端sense与电阻r11和电阻r12的连接端连接。电压监控器的型号不做限定，例如可以为图2所示，电压监控器u3和电压监控器u4为tps3897a。
[0064]
在一些可选实施方式中，电压均衡电路还可以包括逻辑选择模块，逻辑选择模块的输入端分别连接各个电压监控模块的输出端，逻辑选择模块的输出端与运算放大器的控制端连接。逻辑选择模块用于实现在任一电压监控模块监测出目标电容的电压超过电压监控器的电压阈值时输出控制信号，以控制对应的均衡模块动作，其中，控制信号可以为高电平信号。
[0065]
当电压监控模块监控到对应的目标电容超出电压阈值时，电压监控模块输出的电压至逻辑选择模块的控制端，逻辑选择模块输出的电压可控制均衡模块开启。逻辑选择模块可实现开启对应目标电容对应的均衡模块，可通过或门实现逻辑或。
[0066]
在一些可选实施方式中，逻辑选择模块可以包括第二可控开关和第三可控开关，其中，第二可控开关与电压监控模块一一对应。第三可控开关的第一端与各个第二可控开关的第二端连接，第三可控开关的第二端与电源连接，第三可控开关的第三端与运算放大器的控制端连接，逻辑选择模块的结构主要用于实现逻辑或。
[0067]
如图2所示，第二可控开关q3的第一端连接电压监控器u3的输出端，第二可控开关q4的第一端连接电压监控器u4。第二可控开关q3的第二端连接第三可控开关q5的第一端，第二可控开关q4的第二端连接第三可控开关q5的第一端，第三可控开关q5的第二端与电源连接，第三可控开关q5的第三端与运算放大器u1和运算放大器u2的控制端连接。
[0068]
第二可控开关q3、q4以及第三可控开关q5可以为开关管，如mos管，如图2所示，第二可控开关q3和q4可以为nmos管，第三可控开关q5可以为pmos管。第二可控开关q3的第一端为栅极，连接电压监控器u3的输出端，第二可控开关q3的第二端为漏极，连接第三可控开关q5的第一端栅极，第二可控开关q3的第三端源极连接第六电阻r10的一端。第二可控开关q4的第一端为栅极，连接电压监控器u4的输出端，第二可控开关q4的第二端为漏极，连接第三可控开关q5的第一端栅极，第二可控开关q4的第三端源极连接电阻r12的一端。
[0069]
图3示出了本发明实施例中电压均衡电路的工作流程图，当电容模块开始充电，由电压监控模块监控对应的目标电容。为了在实际使用中提高电容的寿命，充电的目标电压会比最高耐压低，例如：充电目标电压设定为5v，单个目标电容的2.5v，电压监控器的电压阈值可以预设为2.4v。电压监控器u3和电压检测器u4分别监测目标电容c1和目标电容c2两端的电压，通过第五电阻r9与第六电阻r10分压电压监控器u3的第二端sense的电压，即分压节点101的电压。电阻r11与电阻r12分压电压监控器u4的第二端sense的电压，即分压节点103的电压。当分压节点101的电压超过电压监控器u3的电压阈值，电压监控器u3输出端的电压为高电平。当分压节点103的电压超过电压监控器u4的电压阈值，电压监控器u4输出端的电压为高电平。
[0070]
由于电压监控器u1和电压监控器u2的输出端分别连接第二可控开关q3和q4，当任一电压监控器输出端的电压为高电平时，第二可控开关q3或q4导通。当第二可控开关q3导
通，第三可控开关q5的第一端所接节点105的电压为低电平，节点105的通过电阻r13上拉到节点400。当第二可控开关q4导通，节点105的电压为低电平。即当电压监控器u1或电压监控器u2任一输出端输出高电平，节点105为低电平。当节点105为低电平，第三可控开关q5开启，第三可控开关q5的第三端所接节点300为高电平。当节点105为高电平，则表示目标电容未超过电压阈值，第三可控开关q5关闭，对应的电压监控模块继续监控。
[0071]
当节点300为高电平，与超出电压阈值的目标电容对应的均衡模块开始工作。若目标电容u1超出电压阈值，运算放大器u1工作，第一电阻r5和第二电阻r6分压，运算放大器u1的输出信号通过第四电阻r3上拉到目标电容c1的正极所接节点400。
[0072]
当运算放大器u1反向输入端的电压小于其正向输入端的电压，那么运算放大器u1的输出端输出高电平，若第一可控开关q1为pmos管，则第一可控开关q1关闭，即放电单元不启动。
[0073]
当运算放大器u1的反向输入端的电压大于其正向输入端的电压，那么运算放大器u1的输出端输出低电平，第一可控开关q1开启，即放电单元启动。第一可控开关q1和第三电阻r1将目标电容c1的电压释放，降低节点400的电压，运算放大器u1的反向输入端所接节点的电压也降低，以实现运算放大器u1反向输入端的电压低于其正向输入端的电压。
[0074]
若目标电容u2超出电压阈值，运算放大器u2工作，电阻r7和电阻r8分压，运算放大器u2的输出信号通过电阻r4上拉到目标电容c2的正极所接节点200。
[0075]
当运算放大器u2的反向输入端的电压小于其正向输入端的电压，那么运算放大器u1的输出端输出高电平，若可控开关q2为pmos管，则第一可控开关q1关闭，即放电单元不启动。
[0076]
当运算放大器u2的反向输入端的电压大于其正向输入端的电压，那么运算放大器u2的输出端输出低电平，可控开关q2开启，即放电单元启动。可控开关q2和电阻r2将目标电容c2的电压释放，降低节点200的电压，以实现运算放大器u2反向输入端的电压低于其正向输入端的电压。
[0077]
直到电压达到平衡，均衡模块停止工作，电容模块继续充电直至充电完成，若充电未完成，由电压监控模块持续监控对应的目标电容。
[0078]
本实施例提供的电压均衡电路，与目标电容对应设置了电压监控模块和均衡模块，还设置了逻辑选择模块，以实现任一电压监控模块监测到其对应的目标电容超过电压阈值时，对应的均衡模块即可开启进行放电以及均衡功能。设置对应的均衡模块，且调整运算放大器的正反向输入端的电平值，使电容模块的公共节点的电压达到均衡值，并且有一定迟滞，避免频繁启动电压均衡功能，在一定程度上延长了电容寿命。
[0079]
本发明实施例还提供了一种充电设备，包括设备本体以及上述实施例的电压均衡电路，设备可以为手机、电动自行车、电动汽车等需要充电的设备，电压均衡电路设置在设备本体内，以便在设备充电时实现电压均衡功能，从而减小电池的损耗，延长电池寿命。
[0080]
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。