电池供电设备及其防掉电保护电路的制作方法

1.本技术涉及电池供电技术领域，尤其是涉及一种电池供电设备及其防掉电保护电路。


背景技术：

2.手持设备由于体积小，多数使用可拆卸的单节电池供电，为了拆装方便，电池是与弹簧或弹性极片构成的电极进行物理接触，从而为设备供电的。基于这种连接方式，当设备遇到剧烈震动时，由于这种电极具有弹性，可能会使电池与电极瞬间断开，从而使得设备在这一瞬间因为没有电源供电而产生掉电关机的现象，给设备用户造成一些无法预料的损失。
3.目前，市面上的产品针对防掉电问题的解决方案主要有两种种，第一种是通过优化或增加结构设计，降低电池断开的几率，如cn102572023a中公开的防掉电的电池仓结构，这种方法会增加结构成本；另一种是通过软件降低设备功耗，减小设备掉电的几率，例如cn105353862b公开的一种防掉电保护方法，但是这种方法也会增加设备内存消耗，降低程序运行效率。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本技术提供一种避免增加成本和内存消耗的前提下，可有效避免电池瞬时松动掉电带来的损害电池和设备寿命的防掉电保护电路及包括所述防掉电保护电路的电池供电设备。
5.本技术提供了如下技术方案：
6.一种防掉电保护电路，包括与电池连接的储能电路，以及与所述储能电路连接的转换电路；
7.所述储能电路连接于所述电池的正极、负极和转换电路之间，用于在所述电池对供电负载供电过程中存储电能，在所述电池与所述供电负载中断供电时释放电能；
8.所述转换电路用于将所述储能电路释放的电能转换成所述供电负载所需的供电输出电压。
9.在一些实施例中，所述防掉电保护电路还包括连接在所述电池与所述储能电路之间的防反接电路；
10.所述防反接电路包括连接于所述电池的正极、负极和所述储能电路之间的开关元件，所述电池处于正向安装状态时，所述开关元件将所述电池与所述供电负载之间导通，所述电池处于反向安装状态时，所述开关元件将所述电池与所述供电负载之间断开。
11.在一些实施例中，所述开关元件包括pmos晶体管，所述pmos晶体管的漏极与所述电池的正极连接，源极与所述储能电路连接，栅极与所述电池的负极连接；
12.或者，所述开关元件包括nmos晶体管，所述nmos晶体管的源极与所述电池的负极连接，所述nmos晶体管的漏极与所述储能电路连接，所述nmos晶体管的栅极与所述电池的
正极连接；
13.或者，所述开关元件包括二极管，所述二极管的阳极连与所述电池的正极连接，所述二极管的阴极与所述储能电路连接。
14.在一些实施例中，所述pmos晶体管的栅极与源极之间还设有双向稳压管。
15.在一些实施例中，所述储能电路包括与所述防反接电路并联连接至少一储能电容。
16.在一些实施例中，所述转换电路包括直流升压电路；
17.所述直流升压电路的输入端与所述储能电路连接，输出端输出所述供电输出电压。
18.在一些实施例中，所述直流升压电路包括电源芯片、连接于所述电源芯片的功率开关端和所述储能电路之间的电感、与所述电源芯片的电压输出端连接的反馈电路；
19.所述电源芯片的电压输入端为所述直流升压电路的输入端，电压输出端为所述直流升压电路的输出端，接地端与所述电池的负极连接；
20.所述电感的第一端与所述储能电路连接，第二端与所述电源芯片的功率开关端连接；
21.所述反馈电路包括串联连接于所述电源芯片的电压输出端和接地端之间的第一分压电阻和第二分压电阻，所述第一分压电阻和所述第二分压电阻之间的结点与所述电源芯片的反馈端连接。
22.在一些实施例中，所述直流升压电路还包括连接于所述电源芯片的电压输入端和使能端之间的上拉电阻，所述上拉电阻与所述电压输入端之间的结点与所述电感的第二端连接。
23.一种电池供电设备，包括电池安装位、装设于所述电池安装位上的电池及上述任意一所述的防掉电保护电路；
24.所述电池安装位的两端设有用于分别与所述电池的正极和负极连接的连接端子。
25.在一些实施例中，所述的电池供电设备还包括开关控制电路；
26.所述开关控制电路与所述转换电路连接，用于控制所述转换电路的供电输出端与所述电池供电设备的供电负载之间的导通和断开。
27.由上可见，在本技术提供的防掉电保护电路及电池供电设备中，通过储能电路和转换电路的设置，当受到外力冲击等情况出现电池瞬间松动而掉电时，可通过储能电路释放电能和转换电路进行电压转换以替代电池提供供电负载所需的供电输出电压，当电池恢复上电时则自动切换到电池供电状态，如此，可以避免电池瞬时掉电造成设备工作中断，瞬间放电导致损毁设备、损害电池寿命等问题，电路设计整体简单、可靠性高，且无需软件控制，可避免增加软件内存消耗，有利于提高电池供电设备内部系统的运行速率。
附图说明
28.图1为本技术一些实施例提供的防掉电保护电路的结构框图；
29.图2为本技术另一些实施例提供的防掉电保护电路的结构框图；
30.图3为本技术一些实施例提供的防掉电保护电路的电路结构示意图；
31.图4为本技术一些实施例提供的电池供电设备的结构示意图；
32.图5为本技术另一些实施例提供的电池供电设备的结构示意图。
具体实施方式
33.以下结合说明书附图及具体实施例对本技术技术方案做进一步的详细阐述。
34.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本技术的实现方式。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。在本技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
35.在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，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，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
36.图1为依据本技术提供的防掉电保护电路的结构框图，本技术提供的防掉电保护电路主要应用于电池供电设备。防掉电保护电路包括与电池连接的储能电路12，以及与储能电路12连接的转换电路13。储能电路12连接于电池的正极、负极和转换电路13之间，用于在电池对供电负载供电过程中存储电能，在电池与供电负载中断供电时释放电能；转换电路13用于将储能电路12释放的电能转换成供电负载所需的供电输出电压。
37.这里需要说明的是，上述电池为电池供电设备的供电电池，其为单节电池或多节串联的电池。电池可以为锂电池等干电池，一般以可拆卸的方式安装在电池供电设备中。电池供电设备为供电电压相对较低的(如5v)的手持设备。
38.由上可见，在本技术提供的防掉电保护电路及电池供电设备中，通过储能电路和转换电路的设置，当受到外力冲击等情况出现电池瞬间松动而掉电时，可通过储能电路释放电能和转换电路进行电压转换以替代电池提供供电负载所需的供电输出电压，当电池恢复上电时则自动切换到电池供电状态，如此，可以避免电池瞬时掉电造成设备工作中断，瞬间放电导致损毁设备、损害电池寿命等问题，电路设计整体简单、可靠性高，且无需软件控制，可避免增加软件内存消耗，有利于提高电池供电设备内部系统的运行速率。
39.在一些实施例中，如图2所示，防掉电保护电路还进一步包括连接在上述电池与储能电路12之间的防反接电路11。防反接电路11包括连接于上述电池的正极、负极和储能电路12之间的开关元件(图2中未示意出)。上述电池处于正向安装状态时，该开关元件将电池与上述供电负载之间导通，电池处于反向安装状态时，开关元件将电池与供电负载之间断开。可见，在本技术提供的防掉电保护电路中，通过防反接电路的设置，可以在电池反向安装时将所述电池与所述供电负载之间自动断开，避免电池反接造成供电短路的问题。
40.在一些实施例中，防掉电保护电路还包括电路基板，防反接电路11、储能电路12以及转换电路13均设置在电路基板上，从而构成防掉电保护电路板。电路基板还设置有与电池正极连接的正极连接端子，以及与电池负极连接的负极连接端子。在电路基板上，防反接电路11连接在正极连接端子与负极连接端子之间，以通过正极连接端、负极连接端子与电池的正极、负极连接。
41.需要说明的是，电池处于反向安装状态是指电池与电极连接端子极性反接，即是
电池的正极与电极连接端子中的电池的负极连接，而电池的负极与电极连接端子中的电池的正极连接。电池的正极与电极连接端子中的电池的正极连接，而电池的负极与电极连接端子中的电池的负极连接，则表示电池与电极连接端子之间为正确连接方式，此情况下，电池可通过防掉电保护电路为负载提供供电输出电压。
42.防反接电路12中的开关元件可以包括pmos晶体管、nmos晶体管或二极管中任意一个。其中，pmos晶体管是指p型金属氧化物半导体，其对应的英文表达为positive channel metal oxide semiconductor，而nmos晶体管是n型金属氧化物半导体，其对应英文为negative channel metal oxide semiconductor。
43.具体的，在一些实施例中，防反接电路12的开关元件包括pmos晶体管，该pmos晶体管的漏极连接到电池的正极，pmos晶体管的源极与储能电路13连接，如当储能电路13由储能电容构成时，pmos晶体管的源极与储能电容的正端连接，pmos晶体管的栅极连接到电池的负极。
44.具体的，在一些实施例中，防反接电路12的开关元件包括nmos晶体管，nmos晶体管的源极连接到上述电池的负极，nmos晶体管的漏极与储能电路13连接，如当储能电路13由储能电容构成时，nmos晶体管的源极与储能电容的负端连接，nmos晶体管的栅极连接到上述电池的正极。
45.在一些实施例中，防反接电路12的开关元件包括二极管，该二极管的阳极连接到上述电池的正极，该二极管的阴极连接到储能电路13，如当储能电路13由储能电容构成时，二极管的阴极与储能电容的正端连接。
46.为了进一步降低防掉电保护电路的功耗，在一些实施例中，本技术选择包含pmos晶体管的电路来构成防反接电路11.具体如图3所示，pmos晶体管q1的漏极d连接到电路基板11的电池的正极，pmos晶体管q1的源极s连接到储能电路13的正端，pmos晶体管q1的栅极g连接到电池的负极。此外，防反接电路12还进一步包括电阻r1，电阻r1连接在pmos晶体管的栅极g与电池的负极之间。pmosq1的漏极与源极s之间具有体二极管，体二极管的阳极为pmos晶体管q1的漏极，体二极管的阴极为pmos晶体管q1的源极s，pmos晶体管q1的栅极g与源极s之间还设置有双向稳压管。
47.在电池与电极连接端子之间极性反接时，pmos晶体管断开，则断开了供电负载的供电回路，反之，pmos晶体管导通，电池通过防掉电保护电路1为负载(如电池供电设备内部的系统功能电路、开关控制电路等)供电
48.在一些实施例中，储能电路12包括至少一个储能电容，储能电容的第一端为储能电路12的正端，正端连接到电池的正极，储能电容的第二端为储能电路12的负端，负端连接到所述电池的负极。具体如图3所示，在本实施例中储能电容的数量为4个，分为并联的c1、c2、c3、c4。储能电路12的正端是指储能电容的电压相对另一端较高的一端，则另一端为储能电路12的负端。
49.在一些实施例中，转换电路13为直流升压电路，该直流升压电路的输入端连接到所述储能电路12的正端，输出端输出电池供电设备所需的供电输出电压。
50.继续参考图3所示，在一些实施例中，直流升压电路包括电源芯片u1、连接于电源芯片u1的功率开关端(sw1、sw2)和储能电路12之间的电感l1、与电源芯片u1的电压输出端vout连接的反馈电路。电源芯片u1的电压输入端vi n为直流升压电路的输入端，电压输出
端vout为直流升压电路的输出端，接地端(模拟地agnp，功率地pgnd与电池的负极连接。电感l1的第一端与储能电路12连接，第二端与电源芯片u1的功率开关端连接；反馈电路包括串联连接于电源芯片u1的电压输出端vout和接地端之间的第一分压电阻r3和第二分压电阻r4，第一分压电阻r3和第二分压电阻r4之间的结点与r电源芯片u1的反馈端fb连接。进一步的，直流升压电路还包括连接于电源芯片u1的电压输入端vi n和使能端en之间的上拉电阻r2，上拉电阻与电压输入端vi n之间的结点与电感l1的第二端连接。
51.在一些实施例中，直流升压电路还进一步包括与电源芯片u1的电压输入端连接的输入滤波电路，以及与电源芯片u1的电压输出端连接的输出滤波电路。输入滤波电路至少包括一个输入滤波电容，如图3中电容c5、c6均为输入滤波电容，输入滤波电容的第一端与电源芯片u1的电压输入端vi n连接，第二端与接地端连接。输出滤波电路至少包括一个输出滤波电容，如图3中电容c7、c8、c9均为输出滤波电容，输出滤波电容的第一端与电源芯片u1的电压输出端vout连接，第二端与接地端连接。
52.下面将结合图2所示的实施例具体阐述本技术提供的防掉电保护电路的工作过程和掉电保护原理。
53.防反接电路12通过mos晶体管组成防反接保护电路，保证电池安装正确时能正常供电，且电池装反时也不会对设备造成损坏。储能电路13由数量为n、容值为c的钽电容组成，其储存的电能，可以保证在电池断开的这一瞬间，电池供电设备仍能够正常工作。其数量n与容值c依据电池供电设备的功耗p、剧烈震动时电池断开时间t、电池最小放电电压ul、直流升压电路的输入电压最小值vl、直流升压电路的转换效率η而定，具体确定关系如下：
54.c*(ul-vl)/2*n*η≥p*t
55.转换电路14为直流升压电路，具体由dc-dc电源芯片u1和其外围电路组成，在正常工作时(电池未极性反接时)，可将转换电路14将电池电源转换成稳定的供电电压为电池供电设备供电；当电池供电设备遇到剧烈震动，在电池脱离电极连接端子的这一瞬间，转换电路14则会使用储能电路13中的电能，将其转换为供电电压继续为电池供电设备供电，直到电池接触电极后，改用电池电源为电池供电设备供电。转换电路14的输入电压最小值vl低于预设值，因此可以充分利用储能电路13储存的电能，保证设备在电池脱离电极连接端子瞬间有足够的时间继续保持正常工作，避免电池供电设备断电。
56.继续参考图2，电池bat1型号为cr123a，供电范围在ul～uh输出电源li_power+，经过防反接电路，输出li_power。防反接电路由mos管q1和电阻r1组成，其中q1的管脚pin3接li_power+，管脚pin2接li_power，管脚pin1通过电阻r1接电池负极。电池正装时，管脚pin1(g极)的电压vg＝0，由于q1内部的寄生二极管方向为从d极到s极，管脚pin2(s极)有电压，故vs》0，所以vgs《0，此时q1导通，允许电流通过，设备可以正常工作；当电池反装时，vg》0,vs＝0，所以vgs》o，此时q1不导通，电流截止，所以不会损坏设备。
57.经过防反接电路后，电源li_power并联储能电路，其由若干个钽电容组成，钽电容的正极接li_power，负极接地。储能电路可以储存的总电能e＝cv2/2*n，其中c为单个钽电容的容值，v为li_power电压，n为钽电容数量。
58.之后电源li_power进入转换电路，经过转换电路输出稳压电源sys_power，为后面的电路供电，保证设备的正常工作。转换电路允许输入的电压范围是vl～vh，且电源转换效率为η。该电路以电源芯片u1为中心，并包括外围电路。
59.外围电路包括电感l1，电容c5、c6,以及电阻r2。电源芯片u1的管脚pin8接li_power，电感l1与电阻r2并联后连接在li_power与电源芯片u1之间，具体连接时，电感l1的一端与电阻r2的一端并联，另一端与电源芯片u1的管脚pin6以及pin7连接，作为电源芯片u1的外围电感。电阻r2的另一端与电源芯片u1的管脚pin5连接，作为电源芯片u1的管脚pin6的上拉电阻。电容c5、c6的一端与li_power连接，另一端接地，作为li_power进入电源芯片u1时的滤波电容。
60.外围电路还包括电阻r3、r4，电容c7、c8和c9。电阻r3的一端并联电源芯片u1的管脚pin3和pin4，然后连接sys_power，另一端接电源芯片u1的管脚pin2，电阻r4一端与电源芯片u1的管脚pin2连接，另一端接地，电阻r3和r4作为电源芯片u1的反馈网络电阻。电容c7、c8和c9作为电源芯片u1输出电压sys_power的滤波电容，一端与sys_power连接，另一端接地。电源芯片u1的管脚pin1、pin9均接地。
61.当设备遇到剧烈震动时，电池脱离电极，即bat1从电路中断开，此时li_power+＝0，设备有储能电路存储的电能供电，此时li_power的电压v会因为电能消耗而逐渐降低，
62.直到li_power的电压v等于转换电路的最小输入电压vl，这个过程中，储能电路能为设备提供的电能e＝c*(v-vl)/2*n*η。在该示例方案中，vl＝0.5v，因此该方案能充分利用储能电路中存储的电能，以延长储能电路的供电时间，降低了设备的掉电概率。
63.由上可见，依据本技术实施例提供的防掉电保护电路具备以下有益效果：
64.1、仅增加转换电路提供稳压电源为设备供电，可以有效利用储能电路存储的电能；
65.2、只需通过电路设计来避免设备的冲击掉电，无需添加结构设计；
66.3、可降低成本；无需软件控制，较小软件内存消耗，提高运行速率。
67.此外，在一些实施例中，本技术还提供了一种电池供电设备，具体如图4所示，本技术提供的电池供电设备包括电池安装位3、装设于电池安装位3上的电池2及依据本技术任一实施例中的防掉电保护电路1。电池安装位3的两端设有用于分别与电池2的正极和负极连接的连接端子(图4中未示意出)，该连接端子与电池的正极、负极之间物理连接，例如通过弹片或弹簧连接。电池可从电池安装位3中拆卸。电池安装位3为安装电池2的盒子或电池2的承载物。电池2通过防掉电保护电路1给电池供电设备中的供电负载4进行供电，供电负载4为电池供电设备内部的系统功能模块，该系统功能模块正常工作时，电池供电设备实现相应的功能。
68.在一些实施例中，如图5所示，电池供电设备还包括开关控制电路5，开关控制电路5与转换电路14连接，用于控制转换电路14的供电输出端与电池供电设备的供电负载之间的导通和断开。
69.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术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技术揭露的技术范围之内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。