專利名稱：多種充電方式的電源管理系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有多種充電方式的電源管理系統(tǒng)，尤其涉及一種為鋰離子蓄電池充電的電源管理系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
鋰離子電池已經(jīng)廣泛應(yīng)用于日常生活中的數(shù)字化便攜設(shè)備，如手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、筆記本電腦等，也逐漸滲透到軍事、國(guó)防、通信等各個(gè)領(lǐng)域的用電設(shè)備，如微型武器、無線傳感器/執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)、偵察機(jī)器人等。鋰離子電池一般靠市電充電，對(duì)于各種移動(dòng)設(shè)備、常用于戶外的用電負(fù)載或不方便人工充電的負(fù)載來說，存在著充電方式單一、使用不方便的缺點(diǎn)。
如將光伏電池、USB接口也能作為電源為鋰離子電池充電，將大大增加充電器的靈活性。
光伏電池是以半導(dǎo)體P-N結(jié)上接受太陽光照產(chǎn)生伏特效應(yīng)為基礎(chǔ)，直接將光能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)化器件。其工作原理是當(dāng)太陽光照射到半導(dǎo)體表面，半導(dǎo)體內(nèi)部N區(qū)和P區(qū)中原子的價(jià)電子受到光子的作用獲得超過禁帶寬度的能量而被激發(fā)，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，稱為光生載流子。在P-N結(jié)附近的光生載流子在P-N結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，電子和空穴分離，在P-N結(jié)兩邊產(chǎn)生異性電荷的積累形成光生電動(dòng)勢(shì)。光伏電池在P-N結(jié)兩側(cè)引出電極，形成回路，則在外電路形成電流。光伏電池一般由多個(gè)P-N結(jié)串并聯(lián)形成，通過改變P-N結(jié)的串并聯(lián)個(gè)數(shù)可以獲得不同數(shù)值的輸出功率。光伏能源是一種清潔、可再生能源。在室外，利用光伏電池為鋰離子電池充電，將大大增加充電器的靈活性。例如，日常生活中的數(shù)字化便攜設(shè)備(如手機(jī)，數(shù)碼相機(jī)、MP3播放器和PDA)等，如果在室外電池電量用完，采用光伏電池供電，無疑是一種行之有效的解決方案。例如，國(guó)防、軍事通訊領(lǐng)域應(yīng)用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有節(jié)點(diǎn)數(shù)目眾多、部署環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，人工充電是不現(xiàn)實(shí)的，采用光伏能源供電，將有效解決其能源瓶頸。
USB標(biāo)準(zhǔn)最有價(jià)值卻很少被提及的特征之一就是可利用USB接口作為電源對(duì)外部設(shè)備供電。USB主機(jī)，如PC機(jī)和筆記本電腦，每個(gè)USB插孔都能支持500mA的電流輸出，也可以說成能驅(qū)動(dòng)5個(gè)單位負(fù)載(在USB專業(yè)術(shù)語中，一個(gè)單位負(fù)載指的是100mA)。自帶電源的USB集線器也能驅(qū)動(dòng)5個(gè)單位負(fù)載?？偩€驅(qū)動(dòng)的USB集線器能保證驅(qū)動(dòng)1個(gè)單位負(fù)載。由USB主機(jī)或帶電源的集線器提供的最小可用電壓為4.5V，由USB總線驅(qū)動(dòng)的集線器提供的最小電壓為4.35V。因此，USB接口能夠?yàn)橥獠吭O(shè)備供電，并能為鋰離子電池充電。利用USB接口給鋰離子電池充電，比交流適配器更加小巧、輕便，為電源提供一種新的電量來源。
專利CN 200420033271.9公開一種采用USB接口的手機(jī)充電器，專利CN200520056079.6公開一種太陽能手機(jī)充電器，均采用單一充電方式為鋰離子電池充電。將市電充電、光伏電池充電和USB接口充電三種方式結(jié)合起來，不同場(chǎng)合采用不同充電方式，能夠優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，使用起來靈活方便，這種多功能充電器在現(xiàn)有文獻(xiàn)或發(fā)明專利還未見報(bào)道。
另外，現(xiàn)有的充電器只具備充電功能，用電時(shí)直接用鋰離子電池供電。如果鋰離子電池深度放電，將鋰離子電池充電至負(fù)載需要的電壓需要一段時(shí)間，這樣設(shè)備不能立即開始工作。一些用電設(shè)備，如無線傳感器/執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、機(jī)器人等，需要連續(xù)工作，這些功能單一的充電器不能持續(xù)提供電能。如將充電電源調(diào)整成負(fù)載需要的電壓，在為鋰離子電池充電的同時(shí)，直接為負(fù)載供電，將解決上述問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)充電方式單一、無法持續(xù)供電的缺點(diǎn)，提供一種市電充電、光伏電池充電和USB充電三種方式結(jié)合，并能為負(fù)載提供連續(xù)穩(wěn)定電壓輸出的電源管理系統(tǒng)。將交流適配器、USB接口、光伏電池三種能源之一與本發(fā)明電源管理系統(tǒng)配合使用，能夠形成一個(gè)既能為鋰離子電池充電，又能為負(fù)載連續(xù)供電的穩(wěn)定電壓源。
本發(fā)明電源管理系統(tǒng)主要包含電源管理電路、鋰離子電池和電氣連接裝置。本發(fā)明選用的鋰離子電池產(chǎn)品為SL-3100A。電氣連接裝置包括充電接口A、充電接口B和電源輸出接口。由于只有在室外才會(huì)應(yīng)用到光伏電池，所以，交流適配器與光伏電池共用一個(gè)電氣連接裝置——充電接口A。在室內(nèi)，可選用交流適配器或USB接口，交流適配器與充電接口A連接，或USB接口與充電接口B連接，負(fù)載與電源輸出接口連接，通過本發(fā)明電源管理系統(tǒng)為鋰離子電池充電，同時(shí)為負(fù)載供電。在室外無市電和USB接口的情況下，用光伏電池為鋰離子電池充電，同時(shí)為負(fù)載供電，連接方式為光伏電池與充電接口A連接，負(fù)載與電源輸出接口連接。本發(fā)明電源管理系統(tǒng)提供可調(diào)電壓輸出，將充電電源電壓進(jìn)行調(diào)整，能為多種不同電壓需求的負(fù)載供電。
電源管理電路，主要包含智能充電電路、能源切換電路、電源電壓調(diào)整電路。
智能充電電路主要由充電芯片及外圍電路構(gòu)成。充電芯片能夠?qū)崿F(xiàn)恒流-恒壓充電制式。外圍電路包含過壓和欠壓保護(hù)電路，即充電電源只有在安全電壓范圍內(nèi)才能為鋰離子電池充電，起到保護(hù)充電芯片及鋰離子電池的作用。外圍電路還能夠?qū)崿F(xiàn)充電狀態(tài)顯示、檢測(cè)環(huán)境溫度以及在極限溫度下阻斷充電通路、調(diào)整最大充電電流等功能。
能源切換電路實(shí)現(xiàn)的功能為在有充電電源接入的條件下，切斷鋰離子電池的放電通路，直接用充電電源為負(fù)載供電，這樣，不僅能夠減少鋰離子電池的累計(jì)用電量，增加鋰離子電池的使用壽命，而且當(dāng)鋰離子電池深度放電，不能在短時(shí)間內(nèi)充電到負(fù)載所需要的電壓，用電負(fù)載也能利用充電電源提供的電量立即開始工作；當(dāng)無外接電源時(shí)，鋰離子電池為負(fù)載供電。
電源電壓調(diào)整電路能夠根據(jù)負(fù)載的用電需求，調(diào)整電源電壓的輸出，以便電源與負(fù)載相匹配。
交流適配器、光伏電池、USB接口三種能源中的任意一種與本發(fā)明電源管理系統(tǒng)配合使用可形成一個(gè)完整的可連續(xù)供電的小型電源。
綜上所述，與現(xiàn)有的電源管理系統(tǒng)相比，本發(fā)明的電源管理系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)1、電源管理系統(tǒng)能夠在不同場(chǎng)合采用不同的充電電源為鋰離子電池充電，同時(shí)為負(fù)載供電，具有很大的靈活性。
2、在室內(nèi)應(yīng)用時(shí)，可采用USB接口為鋰離子電池充電，比交流適配器小巧、輕便。
3、在室外無市電和USB接口的條件下，能利用光伏電池充電。
4、電源系統(tǒng)能為各種不同電壓需求的負(fù)載供電，具有應(yīng)用廣泛性。
5、在鋰離子電池深度放電時(shí)，負(fù)載也能利用充電電源提供的電能立即開始工作，具有實(shí)用性。
6、電路邏輯設(shè)計(jì)合理，充分考慮了鋰離子電池具有不安全因素，設(shè)計(jì)了智能充電電路和保護(hù)電路，能夠有效防止鋰離子電池?fù)p害，甚至爆炸。
該電源管理系統(tǒng)體積小，攜帶方便，易于推廣，可應(yīng)用日常生活中的便攜設(shè)備，如手機(jī)、筆記本電腦等，也可以應(yīng)用到遠(yuǎn)離電網(wǎng)、野外作業(yè)的軍事、國(guó)防、通信等技術(shù)領(lǐng)域中的微型裝置，如無線傳感器/執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)、微型武器、偵察機(jī)器人等，具有廣泛的應(yīng)用前景。


圖1是本發(fā)明電源管理系統(tǒng)示意圖。
圖2是電源管理電路示意圖，圖中201充電電路，202電源切換電路，203電源電壓調(diào)整電路；圖3是電源管理電路原理圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明電源管理系統(tǒng)在室內(nèi)可選用交流適配器或USB接口為鋰離子電池充電，同時(shí)為負(fù)載供電。如圖1所示，交流適配器與充電接口A連接，或?qū)SB接口與充電接口B連接，負(fù)載與電源輸出接口連接。如選用700mAh的鋰離子電池，以傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為負(fù)載(平均工作電流為10mA)，用交流適配器充電(充電電流設(shè)置為500mA)或用USB接口(能驅(qū)動(dòng)5個(gè)單位負(fù)載)為傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電的同時(shí)為鋰離子電池充電，2小時(shí)左右即可充滿。
在室外無市電和USB接口的情況下，用光伏電池為鋰離子電池充電同時(shí)為負(fù)載供電。如圖1所示，連接方式為將光伏電池與充電接口A連接，負(fù)載與電源輸出接口連接。仍選用700mAh的鋰離子電池，以傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為負(fù)載(平均工作電流為10mA)。光伏電池的尺寸為130mm×115mm，最佳工作電流為300mA(AM1.5，t＝25℃)。在標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)下，需要2-3小時(shí)將鋰離子電池充滿。
電源管理電路示意框圖如圖2所示，主要包含智能充電電路201、能源切換電路202、電源電壓調(diào)整電路203，各電路模塊原理圖見圖3及以下詳細(xì)說明。
如圖3所示，智能充電電路201主要由充電芯片MAX1874及其外圍電路構(gòu)成。交流適配器或光伏電池的輸入端與DC引腳相接。USB接口的輸入端接USB引腳。BATT引腳接鋰離子電池正極。DC引腳和DCLV引腳之間連接MOSFET Q1。DCOK外接上拉電阻R1，并與Q1柵極相接。LED D3和分壓電阻R2串聯(lián)，正極與CHG引腳相接，負(fù)極接BYP引腳。外接熱敏電阻R3接在REF引腳與THRM引腳之間。DC1引腳與REF引腳之間接電阻R4，與GND之間接電阻R5。USEL引腳可接低電平也可接高電平，接高電平時(shí)與USB引腳連接，接低電平時(shí)與GND引腳連接。充電芯片MAX1874內(nèi)部邏輯電路能夠?qū)崿F(xiàn)恒流-恒壓充電制式。只有當(dāng)3.5V≤VDC≤6.2V時(shí)，即在安全充電電壓范圍，DCOK輸出低電平，Q1導(dǎo)通，DC引腳外接電源才能通過DCLV將電能充到鋰離子電池中，這樣起到對(duì)充電芯片過壓/欠壓保護(hù)作用。當(dāng)芯片充電時(shí)，CHG低電平輸出，指示燈LED D3亮，當(dāng)芯片不充電時(shí)，指示燈D3滅，這樣起到指示充電狀態(tài)的作用。通過調(diào)整R3阻值大小，可以設(shè)置允許溫度范圍，當(dāng)超過允許溫度范圍，THRM端停止為鋰離子電池充電。當(dāng)DC引腳接入電源時(shí)，設(shè)置R4、R5阻值大小調(diào)整DC端最大充電電流。當(dāng)用USB接口充電時(shí)，可以根據(jù)USB的電流能力，設(shè)置相應(yīng)的USEL端高低電平來調(diào)整充電電流USEL引腳接高電平，選擇500mA最大充電電流，USEL引腳接低電平，選擇100mA最大充電電流。
如圖3所示，能源切換電路202主要由MAX1874的外接MOSFET Q1、Q2、Q3以及肖特基二極管D1、D2組成。MOSFET Q1、Q2、Q3分別接在MAX1874的DC引腳、USB引腳、BATT引腳與MAX8880的IN引腳之間。Q1、Q2的柵極分別接在DCOK引腳、UOK引腳、PON引腳上。D1、D2分別串接在MAX1874的DCLV引腳、USB引腳與MAX8880的IN引腳之間。當(dāng)DC端或USB端有電源接入時(shí)，POK端關(guān)閉Q3，鋰離子電池與負(fù)載斷開，DCOK或UOK輸出低電平，相應(yīng)的MOSFET Q1或Q2導(dǎo)通，充電電源可以通過D1或D2形成的通路向負(fù)載供電。這樣，不僅能減少鋰離子電池的累計(jì)用電量，增加鋰離子電池的使用壽命，而且當(dāng)鋰離子電池深度放電，不能在短時(shí)間內(nèi)充電到負(fù)載所需要的電壓，用電負(fù)載也能利用充電電源提供的電量立即開始工作。D1和D2能夠阻斷供電電路和輸入端之間的反向電流。
如圖3所示，電源電壓調(diào)整電路203主要由穩(wěn)壓芯片MAX8880及外接電阻實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出和電壓調(diào)整。IN引腳與D1、D2的負(fù)極以及Q3的漏極相接，OUT引腳接用電負(fù)載。電阻R6接在OUT引腳與FB引腳之間，電阻R7接在FB與GND之間。MAX8880能實(shí)現(xiàn)為負(fù)載提供穩(wěn)定的電壓輸出。根據(jù)負(fù)載的電壓需求，通過調(diào)整外接電阻R6和R7的阻值大小來調(diào)整輸出電壓的大小。
權(quán)利要求
1.一種多種充電方式的電源管理系統(tǒng)，其特征在于包含電源管理電路、鋰離子電池和電氣連接裝置，電氣連接裝置包括2個(gè)充電接口A、B和1個(gè)電源輸出接口；在室內(nèi)，交流適配器與充電接口A連接，或USB接口與充電接口B連接，在室外，光伏電池與充電接口A連接，負(fù)載與電源輸出接口連接；電源管理電路主要包含智能充電電路(201)、能源切換電路(202)、電源電壓調(diào)整電路(203)；智能充電電路(201)由芯片MAX1874及外圍電路構(gòu)成，DC引腳為交流適配器和光伏電池共用輸入端，即充電接口A，USB引腳為USB接口的輸入端，即充電接口B；能源切換電路(202)由充電電路(201)中MAX1874外接MOSFET Q1、Q2、Q3及肖特基二極管D1、D2組成；能源切換電路(202)的輸出端與電源電壓調(diào)整電路(203)的輸入端連接，即D1、D2的負(fù)極及Q3的漏極與MAX8880的IN引腳連接，通過改變MAX8880的外接電阻阻值可調(diào)整輸出電壓大小。
2.按照權(quán)利要求1所述的多種充電方式的電源管理系統(tǒng)，其特征在于智能充電電路(201)中，交流適配器或光伏電池的輸入端與DC引腳相接，USB接口的輸入端接USB引腳，BATT引腳接鋰離子電池正極，DC引腳和DCLV引腳之間連接MOSFET Q1，DCOK外接上拉電阻R1，并與Q1柵極相接；LED D3和分壓電阻R2串聯(lián)，正極與CHG引腳相接，負(fù)極接BYP引腳；外接熱敏電阻R3接在THRM引腳與GND引腳之間；DC1引腳與REF引腳之間接電阻R4，與GND之間接電阻R5；USEL引腳可接低電平也可接高電平；只有當(dāng)3.5V≤VDC≤6.2V時(shí)，即在安全充電電壓范圍，DCOK輸出低電平，Q1導(dǎo)通，DC引腳外接電源才能通過DCLV將電能充到鋰離子電池中。
3.按照權(quán)利要求1所述的多種充電方式的電源管理系統(tǒng)，其特征在于能源切換電路(202)中，MOSFET Q1、Q2、Q3分別接在MAX1874的DC引腳、USB引腳、BATT引腳與MAX8880的IN引腳之間；Q1、Q2的柵極分別接在DCOK引腳、UOK引腳、PON引腳上；D1、D2分別串接在MAX1874的DCLV引腳、USB引腳與MAX8880的IN引腳之間。
4.按照權(quán)利要求1所述的多種充電方式的電源管理系統(tǒng)，其特征在于電源電壓調(diào)整電路(203)中，IN引腳與D1、D2的負(fù)極以及Q3的漏極相接，OUT引腳接用電負(fù)載；電阻R6接在OUT引腳與FB引腳之間，電阻R7接在FB與GND之間；根據(jù)負(fù)載的電壓需求，通過調(diào)節(jié)外接電阻R6和R7的阻值大小來調(diào)整輸出電壓的大小。
全文摘要
一種多種充電方式的電源管理系統(tǒng)，包括電源管理電路、鋰離子電池和電氣連接裝置。電氣連接裝置包括2個(gè)充電接口和1個(gè)電源輸出接口。在室內(nèi)，交流適配器與充電接口A連接，或USB接口與充電接口B連接；在室外，光伏電池與充電接口A連接，負(fù)載與電源輸出接口連接。電源管理電路包含智能充電電路(201)、能源切換電路(202)、電源電壓調(diào)整電路(203)。智能充電電路(201)由芯片MAX1874及外圍電路構(gòu)成，DC引腳為交流適配器和光伏電池共用輸入端，即充電接口A，USB引腳為USB接口的輸入端，即充電接口B。能源切換電路(202)由充電電路(201)中MAX1874外接MOSFET Q1、Q2、Q3及肖特基二極管D1、D2組成。能源切換電路(202)的輸出端接電源電壓調(diào)整電路(203)的輸入端。
文檔編號(hào)H02J7/35GK1949620SQ20061011426
公開日2007年4月18日 申請(qǐng)日期2006年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月3日
發(fā)明者于紅云, 李艷秋 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電工研究所