专利名称：多种充电方式的电源管理系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有多种充电方式的电源管理系统，尤其涉及一种为锂离子蓄电池充电的电源管理系统。
背景技术：
锂离子电池已经广泛应用于日常生活中的数字化便携设备，如手机、数码相机、笔记本电脑等，也逐渐渗透到军事、国防、通信等各个领域的用电设备，如微型武器、无线传感器/执行器网络、侦察机器人等。锂离子电池一般靠市电充电，对于各种移动设备、常用于户外的用电负载或不方便人工充电的负载来说，存在着充电方式单一、使用不方便的缺点。
如将光伏电池、USB接口也能作为电源为锂离子电池充电，将大大增加充电器的灵活性。
光伏电池是以半导体P-N结上接受太阳光照产生伏特效应为基础，直接将光能转化为电能的能量转化器件。其工作原理是当太阳光照射到半导体表面，半导体内部N区和P区中原子的价电子受到光子的作用获得超过禁带宽度的能量而被激发，产生电子空穴对，称为光生载流子。在P-N结附近的光生载流子在P-N结内建电场的作用下，电子和空穴分离，在P-N结两边产生异性电荷的积累形成光生电动势。光伏电池在P-N结两侧引出电极，形成回路，则在外电路形成电流。光伏电池一般由多个P-N结串并联形成，通过改变P-N结的串并联个数可以获得不同数值的输出功率。光伏能源是一种清洁、可再生能源。在室外，利用光伏电池为锂离子电池充电，将大大增加充电器的灵活性。例如，日常生活中的数字化便携设备(如手机，数码相机、MP3播放器和PDA)等，如果在室外电池电量用完，采用光伏电池供电，无疑是一种行之有效的解决方案。例如，国防、军事通讯领域应用的无线传感器网络，具有节点数目众多、部署环境复杂等特点，人工充电是不现实的，采用光伏能源供电，将有效解决其能源瓶颈。
USB标准最有价值却很少被提及的特征之一就是可利用USB接口作为电源对外部设备供电。USB主机，如PC机和笔记本电脑，每个USB插孔都能支持500mA的电流输出，也可以说成能驱动5个单位负载(在USB专业术语中，一个单位负载指的是100mA)。自带电源的USB集线器也能驱动5个单位负载。总线驱动的USB集线器能保证驱动1个单位负载。由USB主机或带电源的集线器提供的最小可用电压为4.5V，由USB总线驱动的集线器提供的最小电压为4.35V。因此，USB接口能够为外部设备供电，并能为锂离子电池充电。利用USB接口给锂离子电池充电，比交流适配器更加小巧、轻便，为电源提供一种新的电量来源。
专利CN 200420033271.9公开一种采用USB接口的手机充电器，专利CN200520056079.6公开一种太阳能手机充电器，均采用单一充电方式为锂离子电池充电。将市电充电、光伏电池充电和USB接口充电三种方式结合起来，不同场合采用不同充电方式，能够优势互补，使用起来灵活方便，这种多功能充电器在现有文献或发明专利还未见报道。
另外，现有的充电器只具备充电功能，用电时直接用锂离子电池供电。如果锂离子电池深度放电，将锂离子电池充电至负载需要的电压需要一段时间，这样设备不能立即开始工作。一些用电设备，如无线传感器/执行器网络节点、机器人等，需要连续工作，这些功能单一的充电器不能持续提供电能。如将充电电源调整成负载需要的电压，在为锂离子电池充电的同时，直接为负载供电，将解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术充电方式单一、无法持续供电的缺点，提供一种市电充电、光伏电池充电和USB充电三种方式结合，并能为负载提供连续稳定电压输出的电源管理系统。将交流适配器、USB接口、光伏电池三种能源之一与本发明电源管理系统配合使用，能够形成一个既能为锂离子电池充电，又能为负载连续供电的稳定电压源。
本发明电源管理系统主要包含电源管理电路、锂离子电池和电气连接装置。本发明选用的锂离子电池产品为SL-3100A。电气连接装置包括充电接口A、充电接口B和电源输出接口。由于只有在室外才会应用到光伏电池，所以，交流适配器与光伏电池共用一个电气连接装置——充电接口A。在室内，可选用交流适配器或USB接口，交流适配器与充电接口A连接，或USB接口与充电接口B连接，负载与电源输出接口连接，通过本发明电源管理系统为锂离子电池充电，同时为负载供电。在室外无市电和USB接口的情况下，用光伏电池为锂离子电池充电，同时为负载供电，连接方式为光伏电池与充电接口A连接，负载与电源输出接口连接。本发明电源管理系统提供可调电压输出，将充电电源电压进行调整，能为多种不同电压需求的负载供电。
电源管理电路，主要包含智能充电电路、能源切换电路、电源电压调整电路。
智能充电电路主要由充电芯片及外围电路构成。充电芯片能够实现恒流-恒压充电制式。外围电路包含过压和欠压保护电路，即充电电源只有在安全电压范围内才能为锂离子电池充电，起到保护充电芯片及锂离子电池的作用。外围电路还能够实现充电状态显示、检测环境温度以及在极限温度下阻断充电通路、调整最大充电电流等功能。
能源切换电路实现的功能为在有充电电源接入的条件下，切断锂离子电池的放电通路，直接用充电电源为负载供电，这样，不仅能够减少锂离子电池的累计用电量，增加锂离子电池的使用寿命，而且当锂离子电池深度放电，不能在短时间内充电到负载所需要的电压，用电负载也能利用充电电源提供的电量立即开始工作；当无外接电源时，锂离子电池为负载供电。
电源电压调整电路能够根据负载的用电需求，调整电源电压的输出，以便电源与负载相匹配。
交流适配器、光伏电池、USB接口三种能源中的任意一种与本发明电源管理系统配合使用可形成一个完整的可连续供电的小型电源。
综上所述，与现有的电源管理系统相比，本发明的电源管理系统具有以下优点1、电源管理系统能够在不同场合采用不同的充电电源为锂离子电池充电，同时为负载供电，具有很大的灵活性。
2、在室内应用时，可采用USB接口为锂离子电池充电，比交流适配器小巧、轻便。
3、在室外无市电和USB接口的条件下，能利用光伏电池充电。
4、电源系统能为各种不同电压需求的负载供电，具有应用广泛性。
5、在锂离子电池深度放电时，负载也能利用充电电源提供的电能立即开始工作，具有实用性。
6、电路逻辑设计合理，充分考虑了锂离子电池具有不安全因素，设计了智能充电电路和保护电路，能够有效防止锂离子电池损害，甚至爆炸。
该电源管理系统体积小，携带方便，易于推广，可应用日常生活中的便携设备，如手机、笔记本电脑等，也可以应用到远离电网、野外作业的军事、国防、通信等技术领域中的微型装置，如无线传感器/执行器网络、微型武器、侦察机器人等，具有广泛的应用前景。
图1是本发明电源管理系统示意图。
图2是电源管理电路示意图，图中201充电电路，202电源切换电路，203电源电压调整电路；图3是电源管理电路原理图。
具体实施例方式
本发明电源管理系统在室内可选用交流适配器或USB接口为锂离子电池充电，同时为负载供电。如图1所示，交流适配器与充电接口A连接，或将USB接口与充电接口B连接，负载与电源输出接口连接。如选用700mAh的锂离子电池，以传感器网络节点为负载(平均工作电流为10mA)，用交流适配器充电(充电电流设置为500mA)或用USB接口(能驱动5个单位负载)为传感器网络节点供电的同时为锂离子电池充电，2小时左右即可充满。
在室外无市电和USB接口的情况下，用光伏电池为锂离子电池充电同时为负载供电。如图1所示，连接方式为将光伏电池与充电接口A连接，负载与电源输出接口连接。仍选用700mAh的锂离子电池，以传感器网络节点为负载(平均工作电流为10mA)。光伏电池的尺寸为130mm×115mm，最佳工作电流为300mA(AM1.5，t＝25℃)。在标准光强下，需要2-3小时将锂离子电池充满。
电源管理电路示意框图如图2所示，主要包含智能充电电路201、能源切换电路202、电源电压调整电路203，各电路模块原理图见图3及以下详细说明。
如图3所示，智能充电电路201主要由充电芯片MAX1874及其外围电路构成。交流适配器或光伏电池的输入端与DC引脚相接。USB接口的输入端接USB引脚。BATT引脚接锂离子电池正极。DC引脚和DCLV引脚之间连接MOSFET Q1。DCOK外接上拉电阻R1，并与Q1栅极相接。LED D3和分压电阻R2串联，正极与CHG引脚相接，负极接BYP引脚。外接热敏电阻R3接在REF引脚与THRM引脚之间。DC1引脚与REF引脚之间接电阻R4，与GND之间接电阻R5。USEL引脚可接低电平也可接高电平，接高电平时与USB引脚连接，接低电平时与GND引脚连接。充电芯片MAX1874内部逻辑电路能够实现恒流-恒压充电制式。只有当3.5V≤VDC≤6.2V时，即在安全充电电压范围，DCOK输出低电平，Q1导通，DC引脚外接电源才能通过DCLV将电能充到锂离子电池中，这样起到对充电芯片过压/欠压保护作用。当芯片充电时，CHG低电平输出，指示灯LED D3亮，当芯片不充电时，指示灯D3灭，这样起到指示充电状态的作用。通过调整R3阻值大小，可以设置允许温度范围，当超过允许温度范围，THRM端停止为锂离子电池充电。当DC引脚接入电源时，设置R4、R5阻值大小调整DC端最大充电电流。当用USB接口充电时，可以根据USB的电流能力，设置相应的USEL端高低电平来调整充电电流USEL引脚接高电平，选择500mA最大充电电流，USEL引脚接低电平，选择100mA最大充电电流。
如图3所示，能源切换电路202主要由MAX1874的外接MOSFET Q1、Q2、Q3以及肖特基二极管D1、D2组成。MOSFET Q1、Q2、Q3分别接在MAX1874的DC引脚、USB引脚、BATT引脚与MAX8880的IN引脚之间。Q1、Q2的栅极分别接在DCOK引脚、UOK引脚、PON引脚上。D1、D2分别串接在MAX1874的DCLV引脚、USB引脚与MAX8880的IN引脚之间。当DC端或USB端有电源接入时，POK端关闭Q3，锂离子电池与负载断开，DCOK或UOK输出低电平，相应的MOSFET Q1或Q2导通，充电电源可以通过D1或D2形成的通路向负载供电。这样，不仅能减少锂离子电池的累计用电量，增加锂离子电池的使用寿命，而且当锂离子电池深度放电，不能在短时间内充电到负载所需要的电压，用电负载也能利用充电电源提供的电量立即开始工作。D1和D2能够阻断供电电路和输入端之间的反向电流。
如图3所示，电源电压调整电路203主要由稳压芯片MAX8880及外接电阻实现稳压输出和电压调整。IN引脚与D1、D2的负极以及Q3的漏极相接，OUT引脚接用电负载。电阻R6接在OUT引脚与FB引脚之间，电阻R7接在FB与GND之间。MAX8880能实现为负载提供稳定的电压输出。根据负载的电压需求，通过调整外接电阻R6和R7的阻值大小来调整输出电压的大小。
权利要求
1.一种多种充电方式的电源管理系统，其特征在于包含电源管理电路、锂离子电池和电气连接装置，电气连接装置包括2个充电接口A、B和1个电源输出接口；在室内，交流适配器与充电接口A连接，或USB接口与充电接口B连接，在室外，光伏电池与充电接口A连接，负载与电源输出接口连接；电源管理电路主要包含智能充电电路(201)、能源切换电路(202)、电源电压调整电路(203)；智能充电电路(201)由芯片MAX1874及外围电路构成，DC引脚为交流适配器和光伏电池共用输入端，即充电接口A，USB引脚为USB接口的输入端，即充电接口B；能源切换电路(202)由充电电路(201)中MAX1874外接MOSFET Q1、Q2、Q3及肖特基二极管D1、D2组成；能源切换电路(202)的输出端与电源电压调整电路(203)的输入端连接，即D1、D2的负极及Q3的漏极与MAX8880的IN引脚连接，通过改变MAX8880的外接电阻阻值可调整输出电压大小。
2.按照权利要求1所述的多种充电方式的电源管理系统，其特征在于智能充电电路(201)中，交流适配器或光伏电池的输入端与DC引脚相接，USB接口的输入端接USB引脚，BATT引脚接锂离子电池正极，DC引脚和DCLV引脚之间连接MOSFET Q1，DCOK外接上拉电阻R1，并与Q1栅极相接；LED D3和分压电阻R2串联，正极与CHG引脚相接，负极接BYP引脚；外接热敏电阻R3接在THRM引脚与GND引脚之间；DC1引脚与REF引脚之间接电阻R4，与GND之间接电阻R5；USEL引脚可接低电平也可接高电平；只有当3.5V≤VDC≤6.2V时，即在安全充电电压范围，DCOK输出低电平，Q1导通，DC引脚外接电源才能通过DCLV将电能充到锂离子电池中。
3.按照权利要求1所述的多种充电方式的电源管理系统，其特征在于能源切换电路(202)中，MOSFET Q1、Q2、Q3分别接在MAX1874的DC引脚、USB引脚、BATT引脚与MAX8880的IN引脚之间；Q1、Q2的栅极分别接在DCOK引脚、UOK引脚、PON引脚上；D1、D2分别串接在MAX1874的DCLV引脚、USB引脚与MAX8880的IN引脚之间。
4.按照权利要求1所述的多种充电方式的电源管理系统，其特征在于电源电压调整电路(203)中，IN引脚与D1、D2的负极以及Q3的漏极相接，OUT引脚接用电负载；电阻R6接在OUT引脚与FB引脚之间，电阻R7接在FB与GND之间；根据负载的电压需求，通过调节外接电阻R6和R7的阻值大小来调整输出电压的大小。
全文摘要
一种多种充电方式的电源管理系统，包括电源管理电路、锂离子电池和电气连接装置。电气连接装置包括2个充电接口和1个电源输出接口。在室内，交流适配器与充电接口A连接，或USB接口与充电接口B连接；在室外，光伏电池与充电接口A连接，负载与电源输出接口连接。电源管理电路包含智能充电电路(201)、能源切换电路(202)、电源电压调整电路(203)。智能充电电路(201)由芯片MAX1874及外围电路构成，DC引脚为交流适配器和光伏电池共用输入端，即充电接口A，USB引脚为USB接口的输入端，即充电接口B。能源切换电路(202)由充电电路(201)中MAX1874外接MOSFET Q1、Q2、Q3及肖特基二极管D1、D2组成。能源切换电路(202)的输出端接电源电压调整电路(203)的输入端。
文档编号H02J7/35GK1949620SQ20061011426
公开日2007年4月18日 申请日期2006年11月3日 优先权日2006年11月3日
发明者于红云, 李艳秋 申请人:中国科学院电工研究所