直流等压恒流充电UPS保护电路的制作方法

本实用新型涉及电子电路技术领域，特别是指一种直流等压恒流充电UPS保护电路。

背景技术：

现代社会电子产品发展日新月异，特别数码产品创新层出不穷。电池产品的核心动力能源也要求越来越高，特别是备用电源、移动电源应用也越来越广，深入到各行各业。比如监控电源，需要12V输入，12V输出，同时给备用电池充电。其他大量的工业设备也是需要12V不间断电源供电。外部电源停电或者断电不能影响设备工作，需要无缝切换到备用电池供电，中途无法人工切换或者有切换时间。

目前市面只有大功率220V交流市电UPS电源，低压直流小功率UPS电源是市场空白，各行各业对低压直流不间断供电的需求找不到合理成熟解决方案，只能采用最原始的且不安全的低级解决办法，也就是由充电器输入与负载和电池三者直接并联供电，结果电池充电或者设备工作耗电都直接将充电器输入电压拉低，造成电池高频率被动充放电而寿命极度缩短，电池电量利用率极低，充电器供电不稳定导致设备工作不稳定等等弊病。

现有传统的不间断电源供电办法的弊病：以运用最广泛的12V备用电池供电解决办法为例，锂电池充电器、设备负载、电池组三者直接并联。(其他电池组电压的原理类似)如图1所示的传统方法，锂电池充电和供电接线图，电池、负载、充电器三者直接并联供电和充电。

虽然充电器与电池组之间有3节锂电池串联保护电路，但是保护电路只保护一些极限值，比如：短路、过充、低压、过流等基本保护，对于正常工作电流范围内的变化无法进行识别保护。且保护电路的保护极限值都远远大于正常工作值，比如工作电流为3A的保护电路，如果设置刚好3A会受到开机瞬间大电流的影响无法正常开机，所以一般都设置保护电流都在6-10A左右，且无论哪种保护都只做一个动作，就是切断电源，使得在线设备直接关机。

由于锂电池对电压及其敏感，单节3.7V的锂电池充满电压4.2V，增加0.1V都会对锂电池造成永久性的损坏。所以，3节串联的12V锂电池组市面均采用12.6V精确电压锂电池充电器。由于此时充电器将负担电池充电和负载两部分供电，假设设备需要12V2A供电维持正常工作，锂电池充电只允许最大1A充电，由此，产生下列不良反应:

假设使用12.6V1A充电器，可以满足锂电池最大充电电流不超过1A的限制。但是明显，无法让设备开机，功率不足以满足设备工作和电池组充电功率叠加。如果采用小电流充电器，那么锂电池充电电流得到控制，但是负载可能工作不正常，因为充电器要负担电池组充电和设备供电2个负荷，充电器电压也被大幅度拉下，由于锂电池组是高精度电压充电，充电器电压被拉下后，电池组永远充不满电。另外，当充电器功率不足以给设备供电时候，变成同时电池组也在并联向负载供电，充放电严重分离不清，处于一种严重的矛盾状态，电池组的充电电流会随着负载功率大小变化而变化，电池组可能处于一种高频率被动充电和被动放电的状态。

实践使用证明：电池长期处于一种被动高频率反复充电和放电的严重不正常状态，电池寿命大幅度缩短，一般电芯正常使用寿命大约在3-5年，这样使用后寿命大约3-6个月就报废了。

假设使用12.6V3A充电器，表面上可以满足设备工作和锂电池充电，但实际设备工作是动态的，并非静态；假设设备关机情况下或者是待机情况下，功耗极低，那么充电器剩余功率会接近极限值3A对锂电池充电，导致锂电池充电电流过大损坏电池或者极度缩短电池寿命。

b，假设经过停电，电池已经全部耗电完(此时电池低压大约8V)，外部电源重新来电情况下，由于锂电池的内阻极低，一般在50毫欧左右，设备2A满足工作，可以近视看成内阻为12V/2A＝6欧姆以上，市电重新来电，此时，锂电池组由于内阻极低，将抢占充电器的大部分电量，将充电器电压拉低接近锂电池本身电压8V，并以接近3A电流对电池组充电，使得设备可能不正常工作，电池组也因为充电电流过大寿命严重缩短。

传统的电池充放电保护电路方法的弊端如此之多，但由于没有一个完美解决方案，却是现有用户主要采用的办法，依靠用户频繁更换损坏电池组为代价满足工作需要。

因此，有必要设计一种新的直流等压恒流充电UPS保护电路，以解决上述技术问题。

技术实现要素：

针对背景技术中存在的问题，本实用新型的目的是提供一种直流等压恒流充电UPS保护电路，以解决需要无人监管的备用电池充放电管理问题，确保没有人工参与情况下锂电池的安全使用。

本实用新型的技术方案是这样实现的：一种直流等压恒流充电UPS保护电路，包括电池组、保护电路、恒流充电电路、二极管D1、二极管D2和电源适配器，其中，电源适配器的正极和负载电阻R的正极连接电池组的正极，电池组的负极连接保护电路的一端，保护电路的另一端连接二极管D1的负极和二极管D2的正极，二极管D1的正极连接负载电阻R的负极，二极管D2的负极连接恒流充电电路，恒流充电电路连接适配器的负极，所述恒流充电电路中包括充电状态显示电路，充电状态显示电路中设有LED灯。

在上述技术方案中，所述电池组为多节串联的锂电池组。

在上述技术方案中，所述保护电路中的芯片为华泰HTL6023。

在上述技术方案中，所述二极管D1和二极管D2选用肖特基二极管，压降为0.3V。

在上述技术方案中，所述电源适配器的功率大于或等于电池充电功率与设备负载额定功率总和。

在上述技术方案中，所述电源适配器定制电压为12.9V，串锂电池组充满电压为12.6V。

在上述技术方案中，所述LED灯为绿色LED灯和红色LED灯。

本实用新型直流等压恒流充电UPS保护电路，包括电池组、保护电路、恒流充电电路、二极管D1、二极管D2和电源适配器，电源适配器的正极和负载电阻R的正极连接电池组的正极，电池组的负极连接保护电路的一端，保护电路的另一端连接二极管D1的负极和二极管D2的正极，二极管D1的正极连接负载电阻R的负极，二极管D2的负极连接恒流充电电路，恒流充电电路连接适配器的负极，恒流充电电路中包括充电状态显示电路，充电状态显示电路中设有LED灯，通过增加恒流充电电路和二极管D1、二极管D2，以解决需要无人监管的备用电池充放电管理问题，确保没有人工参与情况下锂电池的安全使用，且节省成本。

附图说明

图1为现有技术电路原理图；

图2为本实用新型模块功能原理图；

图3为本实用新型电路结构图；

图4为图3中HTL6023电路放大图；

图5为本实用新型电路中元件参数表。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图2所示，本实用新型所述的一种直流等压恒流充电UPS保护电路，包括电池组、保护电路、恒流充电电路、二极管D1、二极管D2和电源适配器。

其中，上述各电子元件为：电池组为多节串联的锂电池组，串联锂电池组充满电压为12.6V；二极管D1和二极管D2选用肖特基二极管，压降为0.3V；电源适配器的功率大于或等于电池充电功率与设备负载额定功率总和，电源适配器定制电压为12.9V。

上述各电子元件的连接为：电源适配器的正极和负载电阻R的正极连接电池组的正极，电池组的负极连接保护电路的一端，保护电路的另一端连接二极管D1的负极和二极管D2的正极，二极管D1的正极连接负载电阻R的负极，二极管D2的负极连接恒流充电电路，恒流充电电路连接适配器的负极。

进一步的，恒流充电电路中包括充电状态显示电路，充电状态显示电路中设有LED灯，在本实施例中，LED灯为绿色LED灯和红色LED灯，以达到醒目的提醒功能。

详细的分析图2：为了方便说明，选用最典型的案例假设设备12V/2A额定功率，容量为12V/2.2AH的锂电池组，最大允许12.6V/1A充电。

1.外部市电正常供电情况：当外部市电正常供电情况下，输入电压为12.9V，首先直接供电给12V设备负载，12.9V输入短电压高于电池组电压，电流方向为：适配器输入正极--→电池组正极---→电池组负极---→保护电路---→D2二极管--→恒流充电电路--→适配器输入负极。此时，二极管D2导通，D1截止，恒流充电电路处于工作状态，充电电流不会再随着负载状态的变化而增大，充电红灯LED灯亮，当充电电流小于50ma显示绿灯表示充满，电池组单节电池电压达到4.25V也会保护切断。由于经过恒流模块，充电电流得到控制，并可以根据实际情况按需设定最大充电电流。充电不会占用过多用电资源而影响设备供电，情况得到解决。

由于本案的等压恒流充电UPS模块设置为恒流1A充电，此时，内阻可以近视看成12V/1A＝12欧姆，设备工作时候内阻＝12V/2A＝6欧姆(设备内阻是固有特性，可以相对近似看成固定不变的参数)，并联后即使最大功率3A也刚好满足，如果想需要设备更稳定，可以加大适配器功率，比如12.9V5A的，可以看出，加大适配器功率不会对电池组充电电流有影响，因为是恒流的，只会更稳定。

2.外部市电停电的情况：当外部市电停电，输入端口也是输出端口，此时，变成了电池供电，具体：电流从电池正极--→负载---→D1二极管--→保护电路---→电池负极。此时D2二级管截止状态，恒流充电模块不工作。充电指示灯显示绿灯非充电状态。

如图3和图4所示为本实用新型电路结构图，各元件参数如图5所示，并具体的说明如下：

1.虚线框内为市面现有成熟3节锂电池串联保护电路，该电路主芯片为：华泰HTL6023，如图4放大图所示，(3串保护芯片很多，比亚迪的BYD3452系列，全世界用量最大的是日本精工芯片S8254AAF系列等等，都是同类型同样功能芯片，都可以代替此电路虚线框部分)，市面所有这类型芯片主体功能都可以完成短路，低压、过充、过流等出现异常情况的极限参数的保护。

2.虚线框以外是本实用新型创新设计部分，等压恒流充电UPS电路主要元件包括TL431、LM358、AO4406三个元件，具体的使用原理如下：

TL431稳压二极管将电源电压稳压到0.25V，然后分两路分压给LM358芯片两路比较器作为基准电压，R2，R3分压后，输入到LM358的B路比较器3脚，2脚从R7采样的电压与3脚电压放大后作为比较，通过比较控制N-MOS管AO4406的充电电流，达到恒流充电目的。目前设定参数为0.5A充电电流。(通过改变R2、R3可以改变恒流充电电流)

TL431稳压后通过R5，R6分压提供给LM358的A路比较器的6脚作为基准电压，通过5脚采样R7的电压放大后比较，7脚是通过比较后的结果输出高低电平，当充电电流大于50ma，输出高电平，发光二极管红灯亮，绿灯熄灭；当电流低于50ma，输出低电平，绿灯亮，红灯熄灭；以此作为充电状态显示。(改变R5、R6的阻值可以改变转灯电流)

R7作为采样电阻在整个串联回路中，电流越大，电阻两端电压越高，电流越小，分压越小。(通过改变R7阻值也可以改变充电电流和转灯电流)

附加说明：

等压充电，由于3串锂电池组充满电压是12.6V，电池组与输入电压之间经过了一个隔离肖特基二极管0.3V压降，所以选用12.6V加0.3v等于12.9V的电源适配器，当然，低于这个电压也不影响电路正常工作，只是锂电池组不能完全充满而已。输出也是电池组电压直接输出，最大限度实现同电压输入输出并确保工作稳定，输入：12.9V/3A开关电源输出12V；(或者输出可以稳压至其他电压)；

实现UPS原理分析：由于适配器与电池组通过二极管对负载是并联接法，不会出现适配器与电池组对负载同时供电，或者都有供电电，因为适配器电压永远比电池组输出电压高0.6V压差，只要适配器不断电，电池组就不会有输出。举例如下：

1.当外接适配器输入12.9V，

2.锂电池组充满最高电压＝12.9V-0.3V二极管D1压降＝12.6V。

3.假设锂电池组对负载供电最高电压＝12.6V-0.3V二极管D2压降＝12.3V。

4.很明显，适配器比电池组输出给负载的电压高0.6V压差(12.9V-12.3V＝0.6V)，也就是说，无论电路何种状态，适配器输出给负载的电压永远比电池组输出给负载的电压高0.6V以上，所以，外部供电正常情况下，电池组电压由于电势低，只要满足适配器功率>＝负载功率+电池组充电功率。永远不会出现适配器和电池组对负载同时供电或者电流倒流现象，电池组会处于充电或者充满截止和输出截止状态，只有外部电源断电情况下才会电池组供电，真正实现UPS供电功能。

采用等电压UPS，而不采用其他电压供电的UPS方案，是因为电路变得简洁，如果其他电压会需要转换电压而大幅增加成本，也增加体积；其他电压转换会有转换效率。12V是工业通用电源电压，用户可以不用改变原有设计方案就可以直接替换实施。

支持大功率输出。等电压UPS供电成本最低的解决方案，以恒流12.6V/1A为例产生增加的费用不到2元钱，远比其他解决方案成本低很多，由于电池组、负载、适配器整个电路处于同一闭环电路中，外部电源断电直接切换到电池供电，没有切换时间，为无缝切换，充电电路与设备供电电路独立，互不影响，为真正意义的UPS不间断电源供电。

成本比较：采用本案的直流等压恒流充电UPS保护电路，增加的成本不到2元钱(以1A恒流电路为例，1个LM358价格6分，AO4406MOS管0.5元，两个二极管SS34共0.3元其他阻容元件0.2元，增加PCB面积和加工费大约0.6元，合计1.66元)但是实际上为客户节省的费用十分明显。采用传统原来的旧方法，需要使用12.6V/3A充电器一个(单价30元)，采用本案产品后，等压UPS充电模块增加成本2元，但是可以使用12V3A的普通开关电源适配器(市面单价10元)，直接可以节省18元。

本实用新型直流等压恒流充电UPS保护电路，相较于现有技术具有以下有益效果：

1.虽然等压恒流充电UPS模块增加了成本，但是采用普通开关电源12V/3A的节省的成本远远大于UPS模块增加的费用，故整体成本大幅降低。

2.在传统锂电池保护电路基础上，增加了恒流充电保护锂电池，不至于大电流将电池充坏，充电电流可以按需设定。

3.充电与设备供电分离，互不影响，在恒流基础上，增加了不间断供电的UPS功能。使得电池组任何时候都在安全充电范围内，设备也保证了稳定工作。不需要人工去管理，可以常年在线使用。

4.有完整的充电管理环节，充电红灯，充满转绿。

5.不改变原有保护电路接口功能，也是输入输出同一个端口。

6.因为增加了隔离的肖特基二极管，有0.3V压降。采用定制12.9V适配器充电，12.9V-0.3V二极管压降＝12.6V可以完整充满锂电池组。其他12V电压也可以充，不影响使用，只是可能充不满。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。