專利名稱：電池管理器的制作方法
技術領域：
本實用新型的電池管理器涉及到便攜式消費電子產品領域。
背景技術：
電池供電系統(tǒng)是便攜式消費電子產品的重要組成部分之一。隨著便攜式消費電子產品的發(fā)展，對電池供電系統(tǒng)的使用壽命、安全性以及成本的要求也越來越高。在便攜式消費電子產品中，電池供電系統(tǒng)一般都有專門的管理器對電池的充放電進行管理，以達到電池的安全、高效使用。
電池快速充電一般都采用恒流充電，根據(jù)充電電池的電壓特性曲線判斷電池是否充足，從而使電池充電過程安全、高效。目前，采用的管理方法大致分為兩種(1)采用專用線性充電管理器件進行恒流控制，并對充電過程進行實時監(jiān)控。由于充電過程中輸入電壓與電池電壓的壓差由線性器件以發(fā)熱的形式消耗掉，該方案效率不高。同時，由于采用專用器件，電路成本較高。
(2)采用降壓電路恒流充電。采用降壓電路把輸入電壓變換到適當?shù)闹翟賹﹄姵爻潆姟？捎脤Ｓ闷骷崿F(xiàn)恒流控制和充電終止控制；也可以用分離元件搭建控制實現(xiàn)恒流充電，采用單片機(MCU)控制充電過程。由于運用開關型功率變換技術，該方案效率較高。
由于成本的原因，現(xiàn)在使用最多的是恒流降壓型(Buck)變換器加單片機(MCU)控制。恒流控制時采用較大功率的電阻采樣，壓降大，效率低，且不能串于電池的放電回路。
電池的放電一般由另一通道進行管理，電池的充電和放電使用不同的回路。
由于目前實用的電池管理方案中采用充電和放電二路分離控制，需應用二組功率場效應管，成本還是較高。
實用新型內容本實用新型的目的在于提供成本較低的電池管理器方案，它實現(xiàn)了充電和放電的同一回路工作，并對變換器的恒流控制電路進行設計，以適應與放電管理的協(xié)調工作。
本實用新型的電池管理器具有放電管理和充電管理功能，其特點在于充電回路包含放電回路，采用一組由兩個漏極相聯(lián)的功率場效應管切換控制實現(xiàn)；采用由小電阻采樣輸入的比較器構成的峰值電流限制電路以及電阻電容充電實現(xiàn)功率管關斷延時電路實現(xiàn)變換器的恒流控制；采用單片機進行充電過程的管理。電路的具體組成包括功率主電路和控制電路兩部分，功率主電路由兩個功率場效應管漏極相連后依次串聯(lián)電感和電阻與電池構成串聯(lián)電路，續(xù)流二極管反向并聯(lián)在電池與電阻、電感的串聯(lián)電路上，在兩個功率場效應管與電感、電阻的串聯(lián)電路上還并聯(lián)一個小電流充電電路；控制電路包括與供電電源相連的充放電切換電路的輸出端分別連于電流峰值限制電路輸入端和單片機控制電路輸入端及放電同步整流控制電路輸入端；功率管關斷定時電路的輸出端和電流峰值限制電路輸出端各自連于信號綜合電路的輸入端，信號綜合電路輸出端和單片機控制電路輸出端各自連于驅動電路輸入端，驅動電路輸出端和放電同步整流電路輸出端各自與第一功率場效應管相連；放電截止控制電路連于第二功率場效應管。
本電池管理器電路由于在電流峰值限制電路中采用了比較器，故電流采樣信號可以很小，可串于放電回路。第一功率管控制充電的過程，充電時第二功率管處于同步整流狀態(tài)；第二功率管控制放電，放電時充電信號為低，第一功率管工作在同步整流狀態(tài)。
用單片機控制第一功率管驅動電路的使能即可控制充電過程。
本實用新型方案由于只使用一組功率器件，節(jié)約了成本，且電流采樣電阻功率小，充電效率得到了提高。


圖1、本實用新型電路框圖圖2、本實用新型具體電路原理圖圖2中符號名稱U1為78L05穩(wěn)壓器件，U2為單片機，M1為一組功率場效應管MOSFET，N為可調分流穩(wěn)壓器TL431，U3A為比較器LM393，IN為輸入輸出插頭，Q1～Q8為晶體三極管。
具體實施方法如圖1所示，本實用新型電路主要由功率主電路、充放電切換控制電路、電流峰值限制電路、功率管關斷定時電路、信號綜合、第一功率管T1驅動電路、單片機MCU控制、放電同步整流、放電截止控制電路和小電流充電回路。
充放電切換電路主要完成電池充電和放電兩種狀態(tài)的切換，當處于充電狀態(tài)時，給電流峰值限制電路和MCU控制電路等供電，即使能充電控制模塊；當處于放電狀態(tài)時，切斷電流峰值限制電路和MCU控制電路等的電源，從而減少電池擱置時通過管理器電路的放電電流。充放電切換電路由圖2中的電阻R1、R2、可調分流穩(wěn)壓器N、電阻R3、R4、R5、晶體三極管Q1、穩(wěn)壓器件U1等組成，電阻R1和R2分壓閥值在輸入電壓和電池電壓之間。設在8.7V左右，當輸入電壓高于8.7V，電阻R1，R2的分壓值高于2.5V，可調分流穩(wěn)壓器TL431的2腳輸出低，晶體三極管Q1導通，穩(wěn)壓器件U1(78L05)輸出5V，從而充電控制系統(tǒng)工作。當輸入低于8.7V時，電阻R1，R2分壓值低于2.5V，可調分流穩(wěn)壓器TL431的2腳與3腳之間高阻，晶體三極管Q1關斷，穩(wěn)壓器件U1(78L05)不消耗電流。由此充放電布爾邏輯由可調分流穩(wěn)壓器TL431的2腳提供，高為放電，低為充電。
電流峰值限制電路完成電流的峰值限制功能，當電流達到或超過設定值時切斷功率管。功率管關斷定時電路保持功率管關斷一定時間后，功率管重新開通。電流峰值限制電路和功率管關斷定時電路完成充電電流的控制功能。如圖2，本實用新型充電時Buck變換器的恒流控制原理當功率場效應管T1開通時，電流上升，電阻R8用于電流檢測，電阻R34和電阻R33分壓設定電流峰值，當電阻R8＝0.1Ω時，分壓值設為0.14V左右，當電阻R8二端電壓達到設定的閥值時，比較器輸出低，功率場效應管T1關斷，電流下降；功率場效應管T1關斷后電感L1電流從續(xù)流二極管D1續(xù)流，同時電容C5充電，充電電流流過電阻R11和電阻R11電壓超過0.7V，晶體三極管Q6導通，使功率場效應管T1維持關斷，一定時間后電容C5充電結束，電流下降到一定值，功率場效應管T1重新開通。使用適當?shù)碾姼?，使開關管工作在30kHz左右。從而使電流限定在一定范圍之內，基本達到恒流的目的。
信號綜合電路由晶體三極管Q5、Q6、電阻R23、R25、R26、R27和電阻R11等組成。當比較器U3A輸出低時，晶體三極管Q5輸出高，經(jīng)晶體三極管Q6反相后，即為低邏輯。電壓下降時，比較器U3A輸出高，晶體三極管Q5呈高阻狀態(tài)，晶體三極管Q6的導通取決于電容C5充電電流在電阻R11上形成的壓降，電容C5充電，電阻R27、R11分壓使晶體三極管Q6導通，輸出維持低邏輯。
第一功率管T1驅動電路采用晶體三極管Q7、Q8組成的圖騰柱結構，增強驅動能力，加速功率場效應管T1開通和關斷。處于放電狀態(tài)時，驅動電路呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，功率場效應管T1控制端取決于電阻R18和電阻R19組成的分壓電路。
MCU控制部分即采用單片機U2監(jiān)控電池的充電過程，當電池充滿電時(充滿電的判斷條件根據(jù)電池的特性制定)切斷第一功率管T1驅動電路的電源，停止充電，并指示充電過程結束。單片機輸入信號有充電電流、電池電壓和電池溫度。電流采樣電路由電阻R8、R9、R24和電容C2組成，電阻R9、R24和電容C2起紋波濾除的作用。電壓采樣回路由電阻R6、R7和電阻C3組成。溫度采樣由電阻R10和負溫度系數(shù)溫度傳感器NTC組成。單片機MCU輸出控制由晶體三極管Q3、Q4、電阻R28、R29和電阻R30等部分組成。當允許充電時，單片機MCU輸出高，晶體三極管Q4導通輸出高，第一功率管T1驅動電路使能；當停止充電時，單片機MCU輸出低，晶體三極管Q4截止，禁止第一功率管T1驅動電路。單片機的程序可以根據(jù)電池的充電特性曲線和使用需求定制。
放電截止控制電路由穩(wěn)壓管Z1、電阻R15、R16、R17、R20和晶體三極管Q2組成。當輸出端低于放電截止設定值時，穩(wěn)壓管Z1截斷，晶體三極管Q2截止，第二功率管T2控制極為低，第二功率管T2關斷，切斷電池輸出端。當輸出端電壓高于設定值時，晶體三極管Q2導通，第二功率管T2導通。
放電同步整流電路由電阻R18和電阻R19構成。取自充放電切換電路的信號(TL431的2腳)經(jīng)電阻R18和電阻R19分壓后加到第一功率管T1控制端。當處于放電狀態(tài)時，可調分流穩(wěn)壓器TL431的2腳輸出高，圖騰柱高阻，電阻R18、R19分壓后為高電平，第一功率管T1處于同步整流狀態(tài)。充電狀態(tài)時，可調分流穩(wěn)壓器TL431與圖騰柱之間有電阻R18，不影響圖騰柱輸出。
小電流充電回路用于電池長期欠壓時激活電池。由電阻R21和二極管D3組成。
本實用新型的充電和放電工況時電路的協(xié)調工作原理如圖2，當輸入電壓為9.4V時，可調分流穩(wěn)壓器TL431的2腳輸出低電平，晶體三極管Q1導通，5V電源工作，即處于充電狀態(tài)，單片機7腳輸出高，第一功率管T1驅動電路(晶體三極管Q7、Q8組成的圖騰柱結構)工作。由比較器LM393等構成的電流峰值限制電路以及由電容C5和電阻R27組成的功率管關斷延時電路實現(xiàn)功率電路的恒流降壓控制，其信號相或再經(jīng)晶體三極管Q6非邏輯后提供給圖騰柱驅動電路。第一功率管T1處于斬波狀態(tài)，控制電池的充電。此時，輸入電壓高于放電截止電壓，第二功率管T2處于同步整流狀態(tài)。
如圖2，電池放電時，可調分流穩(wěn)壓器TL431的2腳呈高電平，5V電源不工作，第一功率管T1的GS兩端電壓由分壓電阻R18、R19提供，第一功率管T1處于同步整流狀態(tài)。第二功率管T2管控制放電的截止。
整個電路的參數(shù)可以根據(jù)實際需求進行調整。
權利要求1.一種電池管理器，其特征在于充電回路中包含放電回路，采用一組由兩個漏極相聯(lián)的功率場效應管(MOSFET)切換控制實現(xiàn)；采用由小電阻采樣輸入的比較器構成的峰值電流限制電路以及電阻、電容(RC)充電實現(xiàn)功率管關斷延時電路實現(xiàn)變換器的恒流控制；采用單片機(MCU)進行充電過程的管理，其電路組成包括功率主電路和控制電路，功率主電路由兩個功率場效應管漏極相連后依次串聯(lián)電感和電阻與電池構成串聯(lián)電路，續(xù)流二極管反向并聯(lián)在電池與電阻、電感的串聯(lián)電路上，在兩個功率場效應管與電感、電阻的串聯(lián)電路上還并聯(lián)一個小電流充電電路；控制電路包括與供電電源相連的充放電切換電路的輸出端分別連于電流峰值限制電路輸入端和單片機控制電路輸入端及放電同步整流控制電路輸入端；功率管關斷定時電路的輸出端和電流峰值限制電路輸出端各自連于信號綜合電路的輸入端，信號綜合電路輸出端和單片機控制電路輸出端各自連于驅動電路輸入端，驅動電路輸出端和放電同步整流電路輸出端各自與第一功率場效應管相連；放電截止控制電路連于第二功率場效應管。
專利摘要一種涉及便攜式消費電子產品領域的電池管理器，采用單片機控制加Buck降壓充電方案，充電管理和放電管理共用一主回路；采用小功率電阻進行電流采樣；采用比較器構成的電流峰值限制電路以及RC充電確定功率管關斷延時電路實現(xiàn)變換器的恒流控制；采用MCU進行電池充電狀態(tài)判斷與控制。其電路的組成包括由兩個功率場效應管(M1)、電阻(R8)、電感(L1)、續(xù)流二極管(D1)和小電流充電電路組成的功率主電路和由充放電切換電路、放電同步整流電路、功率管關斷定時電路、電流峰值限制電路、單片機(MCU)控制電路、信號綜合電路、驅動電路及放電截止控制電路所組成的控制電路。本電池管理器與其它方案相比，功率器件少，成本低，充電效率高。
文檔編號G06F1/26GK2702364SQ20042002721
公開日2005年5月25日 申請日期2004年5月20日 優(yōu)先權日2004年5月20日
發(fā)明者謝少軍, 許愛國, 毛玲 申請人:南京航空航天大學