一种分立式电源充电电路论文和设计-刘金鑫

全文摘要

本实用新型涉及一种分立式电源充电电路，包括电流检测芯片U3、驱动芯片U6、场效应管U8、电感L3、电阻R5、电阻R8、电阻R17、电容C12、电容C38、二极管D1、二极管D2、接口VBUS和接口VB，其中，驱动芯片U6的接地端接地，驱动芯片U6的信号输入端与接口CHARGE_PWM连接，驱动芯片U6的使能端与接口CHARGE_EN连接，驱动芯片U6的电源输入端与接口VBUS连接。本实用新型具有充电效率高，充电电流和充电电压可控；有效防止驱动芯片误启动，提高充电电流的可靠性和安全性。

主设计要求

1.一种分立式电源充电电路，其特征在于：包括电流检测芯片U3、驱动芯片U6、场效应管U8、电感L3、电阻R5、电阻R8、电阻R17、电容C12、电容C38、二极管D1、二极管D2、接口VBUS和接口VB，其中，驱动芯片U6的接地端接地，驱动芯片U6的信号输入端与接口CHARGE_PWM连接，驱动芯片U6的使能端与接口CHARGE_EN连接，驱动芯片U6的电源输入端与接口VBUS连接，驱动芯片U6的电压输出端分别与场效应管U8的栅极及电阻R17的一端连接，电阻R17的另一端分别与场效应管U8的源极及电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端分别与接口VBUS及电流检测芯片U3的同相输入端连接，与电阻R17连接的电阻R5的一端还与电流检测芯片U3的反相输入端连接，电流检测芯片U3的电流检测AD值电压输出端与电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端分别与接口CHARGE_I连接及电容C12的一端连接，电容C12的另一端接地，电流检测芯片U3的基准电压参考值为地线端和接地端共同接地，电流检测芯片U3的供电电压输入端与接口VBUS连接；所述场效应管U8的漏极分别与二极管D1的负极及电感L3的一端连接，电感L3的另一端与二极管D2的正极连接，二极管D2的负极分别与接口VB及电容C38的一端连接，电容C38的另一端接地，接口VB与待充电电池的正极连接，待充电电池的负极与二极管D1的正极共同接地；所述接口CHARGE_PWM外接MCU的PWM端口，用于向驱动芯片U6提供PWM信号；所述接口CHARGE_EN外接MCU的输出端，用于向驱动芯片U6提供使能信号；所述接口CHARGE_I外接MCU的AD端，用于检测电流检测芯片U3的输出电压值；当驱动芯片U6的使能端从接口CHARGE_EN接收到使能信号，驱动芯片U6通过电压输出端向场效应管U8提供电压，场效应管U8由关闭状态转换为开通状态，电感L3处于储存电能状态，所述充电电路处于充电状态；反之，当驱动芯片U6的使能端未从接口CHARGE_EN接收到使能信号，驱动芯片U6不向场效应管U8提供电压，场效应管U8由开通状态转换为关闭状态，电感L3处于释放电能状态；根据从接口CHARGE_I检测到的输出电压值，调整由接口CHARGE_PWM输出至驱动芯片U6的信号输入端的PWM信号的占空比，从而调整所述接口VB输出的充电电流和充电电压。

设计方案

所述场效应管U8的漏极分别与二极管D1的负极及电感L3的一端连接，电感L3的另一端与二极管D2的正极连接，二极管D2的负极分别与接口VB及电容C38的一端连接，电容C38的另一端接地，接口VB与待充电电池的正极连接，待充电电池的负极与二极管D1的正极共同接地；

所述接口CHARGE_PWM外接MCU的PWM端口，用于向驱动芯片U6提供PWM信号；所述接口CHARGE_EN外接MCU的输出端，用于向驱动芯片U6提供使能信号；所述接口CHARGE_I外接MCU的AD端，用于检测电流检测芯片U3的输出电压值；

当驱动芯片U6的使能端从接口CHARGE_EN接收到使能信号，驱动芯片U6通过电压输出端向场效应管U8提供电压，场效应管U8由关闭状态转换为开通状态，电感L3处于储存电能状态，所述充电电路处于充电状态；反之，当驱动芯片U6的使能端未从接口CHARGE_EN接收到使能信号，驱动芯片U6不向场效应管U8提供电压，场效应管U8由开通状态转换为关闭状态，电感L3处于释放电能状态；

根据从接口CHARGE_I检测到的输出电压值，调整由接口CHARGE_PWM输出至驱动芯片U6的信号输入端的PWM信号的占空比，从而调整所述接口VB输出的充电电流和充电电压。

2.根据权利要求1所述的分立式电源充电电路，其特征在于：还包括电阻R9，电阻R9的一端与所述驱动芯片U6的信号输入端连接，电阻R9的另一端接地。

3.根据权利要求2所述的分立式电源充电电路，其特征在于：所述电阻R9为下拉电阻，用于防止驱动芯片U6误启动。

4.根据权利要求1所述的分立式电源充电电路，其特征在于：还包括电容C10，电容C10的一端与所述驱动芯片U6的电源输入端连接，电容C10的另一端接地。

5.根据权利要求4所述的分立式电源充电电路，其特征在于：所述电容C10为驱动芯片U6的退耦电容。

6.根据权利要求1所述的分立式电源充电电路，其特征在于：还包括电容C1，电容C1的一端与电流检测芯片U3的供电电压输入端连接，电容C1的另一端接地。

7.根据权利要求6所述的分立式电源充电电路，其特征在于：所述电容C1为电流检测芯片U3的退耦电容。

8.根据权利要求1所述的分立式电源充电电路，其特征在于：所述电容C12为滤波电容，电阻R5为采样电阻，二极管D1为续流二极管，电感L3为储能电感。

9.根据权利要求1或8所述的分立式电源充电电路，其特征在于：所述二极管D1为肖特基二极管。

10.根据权利要求1所述的分立式电源充电电路，其特征在于：所述接口CHARGE_I检测芯片U3的输出电流记为I_{0<\/sub>，接口VB输出的充电电流记为I′，当I_{0<\/sub>>I′，则增大信号输入端的PWM信号的占空比，当I_{0<\/sub><I′，则减小信号输入端的PWM信号的占空比，当I_{0<\/sub>＝I′，则保持信号输入端的PWM信号当前的占空比。}}}}

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及充电电路技术领域，具体是一种分立式电源充电电路。

背景技术

现有的充电电流超过1.2A以上的，基本上都是采用DC-EC充电的方式实现。这种充电方式，一旦外围电路确定后，充电电路的输出充电电流也是固定的，不可调节，导致充电效率不高，充电安全性也不高。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型的目的提供一种分立式电源充电电路，其能够解决充电及电流、电压可控的问题。

实现本实用新型的目的的技术方案为：一种分立式电源充电电路，包括电流检测芯片U3、驱动芯片U6、场效应管U8、电感L3、电阻R5、电阻R8、电阻R17、电容C12、电容C38、二极管D1、二极管 D2、接口VBUS和接口VB，其中，驱动芯片U6的接地端接地，驱动芯片U6的信号输入端与接口CHARGE_PWM连接，驱动芯片U6的使能端与接口CHARGE_EN连接，驱动芯片U6的电源输入端与接口VBUS连接，驱动芯片U6的电压输出端分别与场效应管U8的栅极及电阻R17 的一端连接，电阻R17的另一端分别与场效应管U8的源极及电阻R5 的一端连接，电阻R5的另一端分别与接口VBUS及电流检测芯片U3 的同相输入端连接，与电阻R17连接的电阻R5的一端还与电流检测芯片U3的反相输入端连接，电流检测芯片U3的电流检测AD值电压输出端与电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端分别与接口CHARGE_I 连接及电容C12的一端连接，电容C12的另一端接地，电流检测芯片 U3的基准电压参考值为地线端和接地端共同接地，电流检测芯片U3 的供电电压输入端与接口VBUS连接；

所述接口CHARGE_PWM外接MCU的PWM端口，用于向驱动芯片U6 提供PWM信号；所述接口CHARGE_EN外接MCU的输出端，用于向驱动芯片U6提供使能信号；所述接口CHARGE_I外接MCU的AD端，用于检测电流检测芯片U3的输出电压值；

当驱动芯片U6的使能端从接口CHARGE_EN接收到使能信号，驱动芯片U6通过电压输出端向场效应管U8提供电压，场效应管U8由关闭状态转换为开通状态，电感L3处于储存电能状态，所述充电电路处于充电状态；反之，当驱动芯片U6的使能端未从接口CHARGE_EN接收到使能信号，驱动芯片U6不向场效应管U8提供电压，场效应管 U8由开通状态转换为关闭状态，电感L3处于释放电能状态；

根据从接口CHARGE_I检测到的输出电压值，调整由接口 CHARGE_PWM输出至驱动芯片U6的信号输入端的PWM信号的占空比，从而调整所述接口VB输出的充电电流和充电电压。

进一步地，还包括电阻R9，电阻R9的一端与所述驱动芯片U6 的信号输入端连接，电阻R9的另一端接地。

进一步地，所述电阻R9为下拉电阻，用于防止驱动芯片U6误启动。

进一步地，还包括电容C10，电容C10的一端与所述驱动芯片U6 的电源输入端连接，电容C10的另一端接地。

进一步地，所述电容C10为驱动芯片U6的退耦电容。

进一步地，还包括电容C1，电容C1的一端与电流检测芯片U3 的供电电压输入端连接，电容C1的另一端接地。

进一步地，所述电容C1为电流检测芯片U3的退耦电容。

进一步地，所述电容C12为滤波电容，电阻R5为采样电阻，二极管D1为续流二极管，电感L3为储能电感。

进一步地，所述二极管D1为肖特基二极管。

进一步地，所述接口CHARGE_I检测芯片U3的输出电流记为I_{0<\/sub>，接口VB输出的充电电流记为I′，当I_{0<\/sub>>I′，则增大信号输入端的PWM 信号的占空比，当I _{0<\/sub><I′，则减小信号输入端的PWM信号的占空比，当I_{0<\/sub>＝I′，则保持信号输入端的PWM信号当前的占空比。}}}}

本实用新型的有益效果为：本实用新型具有以下有益的技术效果：

1、采用DC\/DC充电模式，充电效率高，充电电流和充电电压可控；

2、有效防止驱动芯片误启动，提高充电电流的可靠性和安全性。

附图说明

图1为本实用新型的充电电路图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本实用新型做进一步描述：

如图1所示，一种分立式电源充电电路，包括电流检测芯片U3、驱动芯片U6、场效应管U8、电感L3、电阻R5、电阻R8、电阻R9、电阻R17、电容C1、电容C10、电容C12、电容C38、二极管D1、二极管D2、接口VBUS和接口VB，其中，电流检测芯片U3(图中的数字1-6代表引脚的编号)的型号为INA199A1，驱动芯片U6(图中的数字1-8代表引脚的编号)的型号为INA199，驱动芯片U6的管脚NC、管脚NC1和管脚OUTB均为空载，驱动芯片U6的管脚GND接地，驱动芯片U6的管脚INA分别与接口CHARGE_PWM及电阻R9的一端连接，电阻R9的另一端接地，驱动芯片U6的管脚INB与接口CHARGE_EN连接，驱动芯片U6的管脚VCC分别与接口VBUS及电容C10的一端连接，电容C10的另一端接地，驱动芯片U6的管脚OUTA分别与场效应管 U8的栅极(图中G端)及电阻R17的一端连接，电阻R17的另一端分别与场效应管U8的源极(图中S端)及电阻R5的一端连接，电阻 R5的另一端分别与接口VBUS及电流检测芯片U3的管脚IN+连接，与电阻R17连接的电阻R5的一端还与电流检测芯片U3的管脚IN-连接，电流检测芯片U3的管脚OUT与电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端分别与接口CHARGE_I及电容C12的一端连接，电容C12的另一端接地，电流检测芯片U3的管脚REF和管脚GND共同接地，电流检测芯片U3的管脚V+分别与接口VBUS及电容C1的一端连接，电容C1 的另一端接地。

所述场效应管U8的漏极(图中D端)分别与二极管D1的负极及电感L3的一端连接，电感L3的另一端与二极管D2的正极连接，二极管D2的负极分别与接口VB及电容C38的一端连接，电容C38的另一端接地，接口VB与待充电电池(图中未示出)的正极连接，用于向待充电电池提供电压和电流，从而给待充电电池充电，待充电电池的负极与二极管D1的正极共同接地。

所述电流检测芯片U3的管脚IN+为同相输入端，管脚IN-为反相输入端，管脚V+为供电电压输入端，管脚GND为接地端，管脚REF 为基准电压参考值为地线端，管脚OUT为电流检测AD值电压输出端。

所述驱动芯片U6的管脚NC和管脚NC1均为悬空端，管脚INA为信号输入端，管脚GND为接地端，管脚INB为使能输入端，管脚OUTB 为第二输出端，管脚VCC为电源输入端，管脚OUTA为电压输出端。

所述接口CHARGE_PWM外接MCU的PWM端口，用于向驱动芯片U6 提供PWM信号。PWM信号的占空比可以通过在MCU上手动调节，从而可以控制接口VB的输出电压，也即控制向待充电电池提供的充电电压和充电电流。

所述接口CHARGE_EN外接MCU的输出端，用于向驱动芯片U6提供使能信号。

所述接口CHARGE_I外接MCU的AD端，用于检测电流检测芯片U3的输出电流值，接口CHARGE_I的输出电流值与向待充电电池提供的电流值相等，即接口CHARGE_I的输出电流值与流向接口VB的电流值相等。

所述MCU优选为单片机。

本实施例中，电容C12为滤波电容，电容C1和电容C10均为退耦电容，电阻R9为下拉电阻，电阻R5为采样电阻，二极管D1为续流二极管，优选为肖特基二极管，电感L3为储能电感。

电容C1为电流检测芯片U3的退耦电容，电容C10为驱动芯片 U6的退耦电容，电阻R9用于防止外接的MCU在上电时的I\/O口抖动而对驱动芯片U6误启动。因此，电容C1、电容C10和电阻R9是为了提高电路的可靠性和安全运行而设置的。

采样电阻R5通常为毫欧级别，本实施例中，采样电阻R5的阻值优选为10毫欧。

本实施例中，接口VBUS外接电源，优选为VBUS接口，外接电源的输出电压为5V，用于向本实用新型的电路提供电压。

本实用新型的工作原理：当接口VBUS的电流经过电阻R5，由于电阻R17两端的电平等于接口VBUS的输入电压，本实施例中，VBUS 的输入电压为直流电压5V(记为DC5V)，也即，电阻R17两端的电平均为DC5V，场效应管U8的栅极被上拉为高电平，使得场效应管U8 处于关闭状态，也即场效应管默认处于关闭状态。

当MCU通过接口CHARGE_EN向驱动芯片U6输出使能信号，从而控制驱动芯片U6通过电压输出端开始向场效应管U8提供电压，场效应管U8处于开通状态，驱动芯片U6通过场效应管U8向电感L3供电，并将电能储存在电感L3以及电容C38中。由于电感L3的自感，在场效应管U8处于开通状态时，接口VB输出给待充电电池的充电电流增大的比较缓慢，使得接口VB处的输出电压(即充电电压)不能立刻达到待充电电池所需要的充电电压(即电池的额定充电电压)，也即接口VB的输出电压小于待充电电池所需要的充电电压。当场效应管 U8开通一定时间后再关闭，由于流经电感L3的电流具有惯性作用，流经电感L3的电流仍保持不变，因此，在场效应管U8关闭后的一段时间内,电流依次通过电感L3和接口VB流向待充电电池。随后，由于待充电电池的负极(即接地端)与二极管D1共同接地，电流从电池的负极返回二极管D1的正极，电流经过二级D1后，又流向电感 L3。因此，二极管D1、电感L3和待充电电池形成一个回路。

在场效应管U8处于开通状态期间，电感L3储存能量，充电电流向待充电电池进行充电；在场效应管U8处于关闭状态期间，电感L3 释放能量。因此电感L3属于储能电感。在场效应管U8处于关闭状态期间，二极管D1用于向电感L3提供电流通路，因此二极管D1属于续流二极管。

场效应管U8处于开通状态期间，充电电压很小，对应的发热功率很小，从而充电效率较高，实现分立式充电和电源管理。

可以通过控制输出至接口CHARGE_PWM的PWM信号的占空比来控制输出电压和输出电流，即控制接口VB的输出电压，具体原理如下：

假设电阻R5的阻值为R_{0<\/sub>(例如10毫欧)，电流检测芯片U3的运放倍数为n(例如100)，流经电阻R5的电流为I_{0<\/sub>，电阻R5两端的电压为U_{0<\/sub>，从接口CHARGE_I检测出的电压值为AD-VALUE，本实施例中，通过MCU对接口CHARGE_I检测出电压，检测与接口CHARGE_I 连接的AD端为m位采样(即满量程为2 ^{m<\/sup>)，得到的电压AD-VALUE的精度为12位，采样参考电压为VREF(例如3V)，则有如下公式关系：}}}}

U_{0<\/sub>＝R_{0<\/sub>I_0<\/sub>}}

由于电阻值R_{0<\/sub>为已知，VREF为已知，因此可以计算出电流I_0<\/sub>。}

流经电阻R5的电流I_{0<\/sub>也即是流向接口VB和待充电电池的电流，假设待充电电池的充电电流设定为I′，当I_{0<\/sub>>I′，则增大PWM信号的占空比，即增大流向接口CHARGE_PWM的PWM信号的占空比，当I_{0<\/sub><I′，则减小PWM信号的占空比，即减小流向接口CHARGE_PWM的PWM信号的占空比，当I_{0<\/sub>＝I′，则保持PWM信号当前的占空比，即保持流向接口CHARGE_PWM的PWM信号当前的占空比。其中，调节PWM信号的占空比，可以手动在MCU上设置调节，也可以在专门产生PWM信号的电路上进行调节，由于产生PWM信号及调节PWM信号的占空比均为现有技术，在此就不进行赘述。}}}}

因此，通过调整PWM信号的占空比，对应的调整充电电流和充电电压，实现对待充电电池的充电。

本实用新型采用DC\/DC降压模式(也即buck模式)实现给电池 (通常为单节电芯，例如3.7锂电池或18650电池等)充电，且充电电流和充电电压可控，从而实现快速安全的充电。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本实用新型权利要求的保护范围之内。

设计图

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