一种具有软启动输出及短路保护的电池正端控制电路的制作方法

1.本发明涉及锂离子电池供电的电子产品应用领域，更具体地说，涉及一种具有软启动输出及短路保护的电池正端控制电路。


背景技术：

2.在多节串联锂离子电池保护电路中，电池保护有正端保护和负端保护两种方式，较常见的为负端保护，如手机电池和一些不带有通信功能的电动自行车电池和电动工具电池；带有通信功能的电池常使用正端保护功能，如笔记本电脑电池和一些带有通信功能的电动自行车电池，象笔记本电脑电池由于电压和电流都较小，采用了p沟道场效应管为保护开关；但象电动自行车电池由于电压较高且电流较大，会采用低阻抗的n沟道增强型场效应管为保护开关，但由于n沟道增强型场效应管要采用比电池正极更高的电压来驱动，因此保护电路中除了电池管理芯片外，还需要增加一个升压芯片，典型的如采用ti的bq76940为电池前端检测芯片，再加bq76200为正端保护控制的升压驱动芯片，再加单片机构成的13节串联的电动自行车锂离子电池电路，随着锂离子电池市场的不断发展，对电池的功能要求越来越多，许多锂离子电池产品会带有通信功能，而外部设备与电池的通信功能多数都是需要共地才能实现的，而如果保护电路是在电池负端的话，一旦电池保护了，就会导致无法通信，因此越来越多的锂离子电池产品采用了正端保护方式。
3.当带有通信功能的锂离子电池产品采用正端保护方式时，为了满足耐压与大电流的要求，会采用低阻抗的n沟道增强型场效应管为保护开关，但由于n沟道增强型场效应管要采用比电池正极更高的电压来驱动，因此行业内常用的设计方案中，保护电路除了电池管理芯片外，还需要增加一个升压芯片，典型的如采用ti的bq76200芯片为正端保护控制的升压驱动芯片，这类芯片的成本较高，功能单一，只具有升压驱动功能，不具备短路保护功能，也无法实现软启动输出。


技术实现要素：

4.1.要解决的技术问题
5.针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种具有软启动输出及短路保护的电池正端控制电路，它可以直接利用单片机的pwm引脚并增加几个元件来产生升压作用，升压产生的高压用于正端保护的n沟道场效应管的驱动，并具有输出短路保护和软启动功能，不仅成本较低，并增加了电池的安全性。
6.2.技术方案
7.为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案：
8.一种具有软启动输出及短路保护的电池正端控制电路，包括：
9.单片机，所述单片机设置有pwm引脚、co引脚、do引脚、dage引脚和gnd引脚，所述gnd引脚连接gnd接地端；
10.电池，所示电池设置有电池正极端和电池负极端，所述电池负极端与gnd接地端连
接；
11.升压电荷泵电路，产生高于所述电池正极端的驱动电压，所述电池正极端与升压电荷泵电路的输入端连接，所述pwm引脚与升压电荷泵电路连接；
12.充电控制电路，用以实现充电控制，所述升压电荷泵电路的输出端与充电控制电路的输入端连接，所述co引脚与充电控制电路连接；
13.放电控制电路，用以实现放电控制，所述充电控制电路的输出端与放电控制电路的输入端连接，所述do引脚与放电控制电路连接；
14.输出短路保护电路，用以实现软启动输出，同时具有输出短路保护功能，所述充电控制电路的输出端与放电控制电路的输入端连接；
15.打嗝自动恢复输出功能电路，所述打嗝自动恢复输出功能电路的输入端与放电控制电路连接，所述dage引脚与打嗝自动恢复输出功能电路连接；以及
16.调整二极管vd7，用以消除电感类负载在输出回路关断时产生的反电动势，所述调整二极管vd7与输出短路保护电路的输出端连接。本发明可以直接利用单片机的pwm引脚并增加几个元件来产生升压作用，升压产生的高压用于正端保护的n沟道场效应管的驱动，并具有输出短路保护和软启动功能，不仅成本较低，并增加了电池的安全性。
17.作为本发明的一种优选方案，所述升压电荷泵电路包括二极管vd1、二极管vd2、电容c1、电容c2、电阻r1、电阻r2、三极管v4、三极管v3和三极管v5，所述电池正极端分别与电阻r1的输入端、三极管v4的集电极和电容c1的输入端连接，所述电阻r1的输出端分别与三极管v5的集电极、三极管v3的基极和三极管v4的基极连接，所述三极管v5的发射极与gnd接地端连接，所述三极管v5的基极分别与pwm引脚和电阻r2的输入端连接，所述电阻r2的输出端与gnd接地端连接，所述三极管v3的发射极分别与电容c2的输出端和三极管v4的发射极连接，所述三极管v3的集电极与gnd接地端连接，所述二极管vd2的输入端与+15v外接电压连接，所述二极管vd2的输出端分别与电容c2的输入端和二极管vd1的输入端连接，所述二极管vd1的输出端和电容c1的输出端连接。
18.作为本发明的一种优选方案，所述充电控制电路包括三极管v2、三极管v7、三极管v9、电阻r3、电阻r5、电阻r7、电阻r8和电阻r12，所述电池正极端分别与电阻r5的输入端和三极管v2的发射极连接，所述三极管v2的基极与电阻r5的输出端连接，且三极管v2的基极与电阻r5的输出端连接后还与三极管v7的集电极连接，所述二极管vd1的输出端和电容c1的输出端连接后还分别与电阻r7的输入端、三极管v7的发射极连接，所述电阻r7的输出端与三极管v7的基极连接，且电阻r7的输出端与三极管v7的基极连接后还与电阻r8的输入端连接，所述电阻r8的输出端与三极管v9的发射极连接，所述三极管v9的发射极与gnd接地端连接，所述co引脚与电阻r12的输入端连接，所述电阻r12的输出端分别与三极管v9的基极和电阻r3的输入端连接，所述电阻r3的输出端与gnd接地端连接。
19.作为本发明的一种优选方案，所述放电控制电路包括三极管v1、三极管v6、三极管v8、电阻r4、电阻r6、电阻r9、电阻r10、二极管vd4和调整二极管vd5，所述三极管v2的集电极与三极管v1的集电极连接，所述三极管v1的发射极与电阻r6的输入端连接是，所述三极管v1的基极与电阻r6的输出端连接，且三极管v1的基极与电阻r6的输出端连接后还与三极管v8的集电极连接，所述二极管vd1的输出端和电容c1的输出端连接后还分别与三极管v8的发射极和电阻r9的输入端连接，所述三极管v8的基极分别与电阻r9的输出端和电阻r4的输
入端连接，所述电阻r4的输出端与三极管v6的集电极连接，所述三极管v6的发射极与gnd接地端连接，所述三极管v6的基极分别与调整二极管vd5的输入端、电阻r10的输入端和二极管vd4的输入端连接，所述调整二极管vd5的输出端与gnd接地端连接，所述电阻r10的输出端与gnd接地端连接，所述二极管vd4的输出端与do引脚连接。
20.作为本发明的一种优选方案，所述输出短路保护电路包括电感l1、电阻r11、二极管vd6和电容c3，所述三极管v1的发射极还分别与电感l1的输入端和二极管vd6的输入端连接，所述二极管vd6的输出端与gnd接地端连接，所述电感l1的输出端分别与电阻r11的输入端和电容c3的输入端连接，所述电阻r11的输出端与电阻r10的输入端连接，所述电容c3的输出端与gnd接地端连接。
21.作为本发明的一种优选方案，所述调整二极管vd7与电容c3并联。
22.作为本发明的一种优选方案，所述打嗝自动恢复输出功能电路包括电阻r13和二极管vd3，所述dage引脚与电阻r13的输入端连接，所述电阻r13的输出端与二极管vd3的输入端连接，所述二极管vd3的输出端分别与电阻r10的输入端、调整二极管vd5的输入端、三极管v6的基极和二极管vd4的输入端连接。
23.3.有益效果
24.相比于现有技术，本发明的优点在于：
25.本发明可以直接利用单片机的pwm引脚并增加几个元件来产生升压作用，升压产生的高压用于正端保护的n沟道场效应管的驱动，并具有输出短路保护和软启动功能，不仅成本较低，并增加了电池的安全性。
附图说明
26.图1为本发明一种具有软启动输出及短路保护的电池正端控制电路的第一电路原理图；
27.图2为本发明一种具有软启动输出及短路保护的电池正端控制电路的第二电路原理图；
28.图3为本发明一种具有软启动输出及短路保护的电池正端控制电路中单片机处引脚处的电路原理图。
29.图中标号说明：
30.1、升压电荷泵电路；2、充电控制电路；3、放电控制电路；4、输出短路保护电路；5、打嗝自动恢复输出功能电路。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，
因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
33.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
34.实施例：
35.请参阅图1-3，一种具有软启动输出及短路保护的电池正端控制电路，包括：
36.单片机，单片机设置有pwm引脚、co引脚、do引脚、dage引脚和gnd引脚，gnd引脚连接gnd接地端；
37.电池，所示电池设置有电池正极端和电池负极端，电池负极端与gnd接地端连接；
38.升压电荷泵电路1，产生高于电池正极端的驱动电压，电池正极端与升压电荷泵电路1的输入端连接，pwm引脚与升压电荷泵电路1连接，具体的，升压电荷泵电路1包括二极管vd1、二极管vd2、电容c1、电容c2、电阻r1、电阻r2、三极管v4、三极管v3和三极管v5，电池正极端分别与电阻r1的输入端、三极管v4的集电极和电容c1的输入端连接，电阻r1的输出端分别与三极管v5的集电极、三极管v3的基极和三极管v4的基极连接，三极管v5的发射极与gnd接地端连接，三极管v5的基极分别与pwm引脚和电阻r2的输入端连接，电阻r2的输出端与gnd接地端连接，三极管v3的发射极分别与电容c2的输出端和三极管v4的发射极连接，三极管v3的集电极与gnd接地端连接，二极管vd2的输入端与+15v外接电压连接，二极管vd2的输出端分别与电容c2的输入端和二极管vd1的输入端连接，二极管vd1的输出端和电容c1的输出端连接；
39.充电控制电路2，用以实现充电控制，升压电荷泵电路1的输出端与充电控制电路2的输入端连接，co引脚与充电控制电路2连接，具体的，充电控制电路2包括三极管v2、三极管v7、三极管v9、电阻r3、电阻r5、电阻r7、电阻r8和电阻r12，电池正极端分别与电阻r5的输入端和三极管v2的发射极连接，三极管v2的基极与电阻r5的输出端连接，且三极管v2的基极与电阻r5的输出端连接后还与三极管v7的集电极连接，二极管vd1的输出端和电容c1的输出端连接后还分别与电阻r7的输入端、三极管v7的发射极连接，电阻r7的输出端与三极管v7的基极连接，且电阻r7的输出端与三极管v7的基极连接后还与电阻r8的输入端连接，电阻r8的输出端与三极管v9的发射极连接，三极管v9的发射极与gnd接地端连接，co引脚与电阻r12的输入端连接，电阻r12的输出端分别与三极管v9的基极和电阻r3的输入端连接，电阻r3的输出端与gnd接地端连接；
40.放电控制电路3，用以实现放电控制，充电控制电路2的输出端与放电控制电路3的输入端连接，do引脚与放电控制电路3连接，具体的，放电控制电路3包括三极管v1、三极管v6、三极管v8、电阻r4、电阻r6、电阻r9、电阻r10、二极管vd4和调整二极管vd5，三极管v2的集电极与三极管v1的集电极连接，三极管v1的发射极与电阻r6的输入端连接是，三极管v1的基极与电阻r6的输出端连接，且三极管v1的基极与电阻r6的输出端连接后还与三极管v8的集电极连接，二极管vd1的输出端和电容c1的输出端连接后还分别与三极管v8的发射极和电阻r9的输入端连接，三极管v8的基极分别与电阻r9的输出端和电阻r4的输入端连接，
电阻r4的输出端与三极管v6的集电极连接，三极管v6的发射极与gnd接地端连接，三极管v6的基极分别与调整二极管vd5的输入端、电阻r10的输入端和二极管vd4的输入端连接，调整二极管vd5的输出端与gnd接地端连接，电阻r10的输出端与gnd接地端连接，二极管vd4的输出端与do引脚连接；
41.输出短路保护电路4，用以实现软启动输出，同时具有输出短路保护功能，充电控制电路2的输出端与放电控制电路3的输入端连接，具体的，输出短路保护电路4包括电感l1、电阻r11、二极管vd6和电容c3，三极管v1的发射极还分别与电感l1的输入端和二极管vd6的输入端连接，二极管vd6的输出端与gnd接地端连接，电感l1的输出端分别与电阻r11的输入端和电容c3的输入端连接，电阻r11的输出端与电阻r10的输入端连接，电容c3的输出端与gnd接地端连接；
42.打嗝自动恢复输出功能电路5，打嗝自动恢复输出功能电路5的输入端与放电控制电路3连接，dage引脚与打嗝自动恢复输出功能电路5连接，具体的，打嗝自动恢复输出功能电路5包括电阻r13和二极管vd3，dage引脚与电阻r13的输入端连接，电阻r13的输出端与二极管vd3的输入端连接，二极管vd3的输出端分别与电阻r10的输入端、调整二极管vd5的输入端、三极管v6的基极和二极管vd4的输入端连接；
43.调整二极管vd7，用以消除电感类负载在输出回路关断时产生的反电动势，调整二极管vd7与输出短路保护电路4的输出端连接，具体的，调整二极管vd7与电容c3并联。
44.具体的，本发明的工作原理如下：
45.在正常状态下，单片机的pwm信号产生方波信号输出，pwm信号为高电平时三极管v5导通，使三极管v3导通，电容c2两端被充电到15v电压；pwm信号为低电平时，三极管v5截止关断，三极管v4基极为高电平，三极管v4导通，电容c2的下端为电池正极电压，电容c2的上端被抬高到比电池正极高15v的电压，这时电容c2会通过二极管vd1对电容c1充电，使电容c1两端电压在12v以上，该电压用来给接在正端的三极管v1和三极管v2做驱动用电源；
46.在正常工作状态时，单片机的dage引脚为低电平，co引脚和do引脚为高电平，此时co引脚和do引脚的高电平通过驱动电路，使三极管v1和三极管v2均得到高电压，三极管v1和三极管v2都保持在导通状态，电池既可以充电也可以放电，电池输出端的高电压通过电阻r11反馈回来使三极管v6有驱动电压，三极管v6保持在导通状态；
47.当正常工作状态的电池由于某种原因进入到放电异常状态时(例如过放电或者负载电流过大或者放电时电池温度过高等)，需要关断放电电路时，单片机的do引脚变为低电平，此时三极管v6和三极管v8都会关断，并驱动三极管v1关断，切断了电池的放电回路，使电池进入放电保护关断状态；
48.当电池的放电异常状态解除时，单片机将do引脚输出由窄脉冲宽度渐变为宽脉冲宽度最后再变为持续的高电平信号，同时由dage引脚产生一个瞬间(几百us至几十ms之间)的正脉冲信号，当dage引脚与do引脚同时为高电平时，三极管v6导通，驱动三极管v8导通，再驱动三极管v1导通，此时电池正极会经过三极管v2、三极管v1和电感l1与输出端连接，当输出端的负载为正常状态时，输出端则会维持在高电压，该高电压通过电阻r11反馈回来使三极管v6保持在导通状态，电池就会恢复正常放电状态，由于恢复正常放电状态时，do引脚的脉冲宽度是由窄渐渐变宽的，输出电压则会由低渐变到高，因此该电路具有软启动输出功能；
49.当正常工作状态的电池由于某种原因进入到充电异常状态时(例如过充电或者充电电流过大或者充电时电池温度过高等)，需要关断充电电路时，单片机的co引脚变为低电平，此时三极管v9和三极管v7都会关断，并驱动三极管v2关断，切断了电池的充电回路，使电池进入充电保护关断状态；
50.当正常工作状态的电池出现负载短路时，此时输出端电压会被短路负载拉到很低，电阻r11和电阻r10两个串联电阻分压后的电压很低，会低于三极管v6的开启电压值，此时三极管v6会关断，并驱动三极管v8关断，再驱动三极管v1关断，切断了电池的放电回路，使电池进入短路保护关断状态，此时电池可以定时(如2秒一次)进行打嗝和软启动来自动恢复，每隔一段时间(如2秒)单片机将do引脚输出由窄脉冲宽度渐变为宽脉冲宽度最后再变为持续的高电平信号，同时由dage引脚产生一个瞬间(几百us至几十ms之间)的正脉冲信号，当dage引脚与do引脚同时为高电平时，三极管v6导通，驱动三极管v8导通，再驱动三极管v1导通，此时电池正极会经过三极管v2、三极管v1和电感l1与输出端连接，当输出端的负载为短路故障状态时，由于三极管v6无法保持高电压，在dage引脚产生的瞬间高电平过去后，三极管v6会仍然处于关断状态，并驱动三极管v1保持在关断状态，放电回路会继续关断；当负载恢复为正常状态时，输出端则会维持在高电压，该高电压通过电阻r11反馈回来使三极管v6有驱动电压，三极管v6保持在导通状态，电池就会恢复正常放电状态。
51.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。