专利名称：一种锂电池充电管理线路的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及锂电池的充电保护电路。
背景技术：
锂电池作为一种高效能源载体被广泛应用于通讯、电子行业，特别是手机、PDA等个人通讯工具上。锂电池可充电并重复使用，其充电保护电路一直是电池行业的不断革新的方向之一。现有的充电电路存在以下问题1、电池在完全放空的情况下，当电池电压过低，同时因充电电压和阻流电阻固定，会导致起始充电电流过大，会减短电池寿命；2、当电池发生异常时无保护措施，例如内部有二节短路会导致充电电流严重加大，最终会使电池过度发热而损坏电池，严重时会使电池爆炸或引起火灾；3、当电池节数过多，因充满和放空时电池电压压差变大，要想使充满时电流小于一定值，则起始充电电流会过大，同样会使电池寿命缩短；4、电池充满后再长期浮充会消耗内部电解液，使电池容量减小，严重影响电池使用寿命。
在上述的情况下，如无完善的充电电路和充电保护装置，电池容易产生爆炸损坏设备，更有可能引起火灾，同时过充过放现象会使电池寿命严重缩短。目前的锂电池充电管理方案有三种第一种是使用降压型PWM转换器，配合运算放大器实现CC/CV充电，如日本精工的8521系列、理光的R1224系列；第二种是半导体厂商推出的专用充电管理芯片，如TI的bq系列；第三种为使用MCU做充电管理的控制器，单片机不断地扫描周边的硬件电路，经过判断后进入相应的充电模式直到完成充电。
在目前这三种方案中，第三种方案是最灵活的，本实用新型是对该方案的一种改进。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是提供一种成本低、使用安全、可靠的充电管理电路。
本实用新型是通过以下技术方案实现的
设计一种锂电池充电管理线路，充电管理线路包括有微处理控制芯片MCU，微处理控制芯片MCU具有PWM功能。MCU的引脚与恒流恒压控制电路联接；MCU的引脚通过电源监测与异常保护电路与充电电源联接；MCU引脚也与充电电池正端联接，充电电池的正端与地之间也设置有电池电压检测电路；所述充电管理线路还包括有充电电池反接、反充保护以及充电电池异常保护电路。
MCU的13PIN的PWM信号端联接的恒流恒压控制电路包括MOSFET管U1A和电阻R11、R15、电容C6、C7组成的分压电路以及三极管Q2、Q3、Q6组成的全波推动电路，PWM信号端通过电阻R34与三极管Q6的基极联接，三极管的集电极通过电阻R17与三极管Q2、Q3的基极联接，三极管Q2的发射极与MOSFET管UIA的漏极联接，三极管Q3的集电极联接分压电路。微处理控制芯片MCU的电流反馈输入的16PIN、18PIN分别与电流采样放大电路、采样电阻短路保护电路联接，设置在充电回路上的电流检测电阻R28、R10的两端与差动放大器U2A、U2B的正负输入端联接，差动放大器U2A、U2B的输出经电阻电容滤波后接至MCU的18PIN、16PIN。微处理控制芯片MCU的反馈输入的16PIN、18PIN分别通过稳压二极管D5、D6接地。
MCU的19PIN与电阻R43、R44的分压支路联接，其中分压之路上还并联有和滤波电容C12和稳压二极管D7。
充电电池的正端与地之间设置的电池电压检测电路包括有分压电阻R3与R27，其分压支路上联接有MOSFET管Q1，MOSFET管Q1的漏极通过电阻与充电电源联接，分压电阻R27与滤波电容C5以及稳压二极管D4并联，其分压输出端VBAT接至MCU的17PIN。
在充电管理线路的输出端口设置一个防止电池反接的二极管D2，充电电池包B+/B-端也设有一个防止电池包反充的二极管D1；微处理控制芯片MCU还与温度检测电路联接，MCU的14PIN通过R39、NTC电阻R20及滤波电容C9组成一个温度检测电路，热敏电阻R20及滤波电容C9位于电池包内；在MCU的10PIN通过电阻R14、R19、R18、R13以及三极管Q4、MOSFET U1B组成一个防止反向的电路。MCU的7PIN通过三极管Q5、Q7组成的电路与电池正负端B+、B-间的保护模块联接组成充电激活电路。
本实用新型与现有技术相比具有以下显著优点
本实用新型提供的充电管理线路的微处理芯片MCU本身带有A/D转换及PWM功能，通过A/D端口不断地扫描外围硬件电路，获取数据后进行判定，从而控制程序的以完成相应的CC/CV充电、输入电源电压异常保护、电池异常保护，电池反接、电池反充保护、电流采样电阻短路保护、预充电、阶梯电流充电等功能。该管理电路的某些参数的改动可以通过改动软件实现而不需要改变周边的硬件电路，方便灵活，成本低而且安全性高。
图1是本实用新型电路原理示意图；图2是本实用新型的充电控制程序图。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本实用新型作进一步详述。
参见图1，一种锂电池充电管理线路，包括充电电源和充电电池，在充电电源与充电电池之间联接有充电管理线路，充电管理线路包括微处理控制芯片MCU，MCU具有PWM功能，微处理芯片MCU分别与恒流恒压控制电路、电源异常保护电路、以及充电电池反接、反充保护以及充电电池异常保护电路联接微处理芯片MCU的19PIN的电压供给设置有保护。19PIN的电压是由充电电源经电阻R43、R44的分压所提供，其中分压电阻R43及R44分压支路上还并联有和滤波电容C12和稳压二极管D7。在充电电源正端和地之间接入分压电阻R43及R44的分压比选择为3∶1，精度为1％，且两电阻阻值不要超过100K，否则无法为A/D提供足够大的电流，造成A/D不准，同时也不能大小，太小则会造成该支路消耗电流太大。最好选择几十K的电阻。根据分压关系MCU的19PIN所得的电压即为实际输入电压的1/4，根据实际情况及误差在软件中确定输入电压的最小值及最大值，超出界限即马上停止充电并报警；若C12短路，则power端A/D值为0，亦停止充电并报警。D7是为了防止电压超过5V损坏MCU而设。
MCU的13PIN与恒流恒压控制电路联接，恒流恒压控制电路包括MOSFET管UIA和电阻R11、R15、电容C6、C7组成的分压电路以及三极管Q2、Q3、Q6组成的全波推动电路，PWM信号端通过电阻R34与三极管Q6的基极联接，三极管的集电极通过电阻R17与三极管Q2、Q3的基极联接，三极管Q2的发射极与MOSFET管U1A的漏极联接，三极管Q3的集电极联接分压电路。分压电路的作用在于保护MOSFET U1A Vgs电压不超过最大值而造成损坏。因为选择的MCU具有PWM功能，可发出约150KHz频率的PWM方波，因此在对外围的硬件端口扫描后，如一切正常，由MCU的13PIN发出PWM信号，通过三极管驱动作为开关的MOSFET管UIA，在电池电压为达到恒压点以前，采用恒流方式充电，达到后即采用恒压方式充电。
微处理控制芯片MCU的电流反馈输入的16PIN、18PIN分别与电流采样放大电路以及电阻短路保护电路联接，设置在充电回路上的电流检测电阻R28、R10的两端与差动放大器U2A、U2B的正负输入端联接，差动放大器U2A、U2B的输出经电阻电容滤波后接至MCU的18PIN、16PIN。MCU的反馈输入的16PIN、18PIN分别通过二极管D5、D6接地。
在通常状态下，由运放把R28两端的电压差进行放大然后反馈给MCU，MCU根据反馈值调整PWM正脉宽的占空比从而实现恒流；若R28短路，MCU的18PIN检测到的电流反馈值为0，正常情况MCU马上加大13PIN发出PWM的正占空比，但持续短路的话，反馈值始终为0，电路故障则无法实现恒流。MCU的反馈输入的18PIN通过二极管D6接地，为防止电压超过5V损坏MCU而设。
同样在电池正端加入了另一个电流检测电阻R10，以实现对R28短路的检测。当MCU不断加大13PIN发出PWM的正占空比试图让电流反馈值达到预定值时，从R10流过的电流也会增加，运放把流过R10的电流进行放大并反馈给MCU，当MCU的16PIN检测到流过R10的电流超过预定值时，便停止充电并报警。同理，MCU的反馈输入的16PIN通过二极管D5接地，也是为了防止电压超过5V损坏MCU而设。
本实用新型充电管理线路在充电电池的正端与地之间设置有电池电压保护电路，包括有分压电阻R3与R27，其分压支路上联接有MOSFET管Q1，MOSFET管Q1的漏极通过电阻与充电电源联接，分压电阻R27与滤波电容C5以及稳压二极管D4并联，其分压输出端VBAT接至MCU的17PIN。
在充电电池正端和地之间接入的分压电阻R3及R2地分压比选择为1.8∶1，精度为1％，在该支路中所设的MOSFET管Q1，其作用在于防止在未充电的情况下电池通过R3、R27放电造成自耗电过大，只有在充电电源接通Q1导通时才能使此回路导通。C5为滤波电容，D4为稳压二极管。根据分压关系，MCU的17PIN VBAT端测得的电压即为实际输入电压的1/2.8，根据实际情况及误差在软件中确定正常电池电压的最小值及最大值，超出界限即马上停止充电并报警；若C5短路，则MCU检测值为0，亦停止充电并报警。D4是为了防止电压超过5V损坏MCU而设。
电池反接保护是在充电管理线路的输出端口设置一个防止电池反接的二极管D2，如果电池反接，则电池通过D2形成回路，由于回路几乎没有负载，电池本身的保护模块因放电过流而保护，从而实现了反接保护的目的。
而电池反充保护是在充电电池B+/B-端也设有一个防止电池包被反充二极管D1，如果电池在特殊情况下被反向充电，则电流通过D1形成回路从而对电池进行保护。
充电电池异常保护、充满电池接入识别保护是通过管理电路程序实现的当充电电池接入时，如电池电压在正常的范围内，管理电路此时会记下电池的电压，充电一个小时后，正常情况下电池电压应相应当升高ΔV，根据电池的容量、充电电流大小已经实测数据确定ΔV的大小，如果在充电一小时后电池电压并未上升，则认为电池异常，管理电路停止充电并报警。
当充电电池接入时，如果电池电压不在正常的范围内时，为了防止因过放等原因保护电路断开回路，所述MCU的7PIN通过三极管Q5、Q7组成的电路与电池正负端B+、B-间的保护模块联接组成充电激活电路，如果电池因为过流、过放等原因，MCU第7PIN输出高电平进行激活。
MCU第7PIN输出高电平则会开启一个小电流去激活保护模块，延迟一段时间后关断，重新检测电池，若电池电压在正常范围内，则认为激活了电池，反之，则有可能无电池或电池不正常，即停止充电并报警。
当充电电池接入时，若两节电池的电压超过8.20V，则认为电池处于充满状态，在这种情况下，对电池频繁充电会减短电池的寿命，因此，管理电路对高于8.20V的电池不予充电。
微处理控制芯片MCU还与温度检测电路联接，MCU的14PIN通过R39、NTC电阻R20及滤波电容C9组成一个温度检测电路，热敏电阻R20及滤波电容C9位于电池包内。MCU不断扫描14PIN温度反馈值，当温度上升到一定值时停止充电。
在MCU的10PIN通过电阻R14、R19、R18、R13以及三极管Q4、MOSFET U1B组成一个防止反向的电路。当充电完成或出错时，10PIN输出低电平使U1B截止，从而防止电池电压反馈至充电端给MCU供电造成很大的自耗。
本实施例是以两节充电电池为例设计的，实际应用中，充电电池几节串连充电是可以随时调整的。
本实用新型还可以实现预充电、阶梯电流充电。当电池接入时，若MCU测得两节电池的电压小于6.8V，此时电池处于放电程度较深的状态，为了减小大电流充电对电池的冲击，用400mA小电流对电池进行充电，此过程称为预充电。当电池电压高于6.8V后，MCU的13PIN的PWM信号每隔3～5秒加宽一定的间隔，此时电流则对应地加宽30～50mA直至电流升至1.2A，称之为阶梯电流充电。这样做类似于软启动，目的也是为了减小突然的大电流对电池的冲击和损害，延长电池的寿命。
整个充电控制线路的工作过程参见图2充电管理线路联接上充电电池，首先判断充电条件是否正常，然后检测充电电源是否正常，不正常则报警；再进入充电电池检测程序和温度检测程序，不正常则报警，正常则开始充电，进入恒流恒压检测程序先判断VBT端电压是否大于6.8V，否，则进行涓流充电过程，是，则进行恒流充电，恒流充电时判断VBT端电压是否大于8.3V，是，则进行恒压充电过程，恒压充电过程中判断电流I是否小于150mA，是则充电结束，否则，就重新检测继续完成充电过程。
权利要求1.一种锂电池充电管理线路，包括充电电源和充电电池，在充电电源与充电电池之间联接有充电管理线路，其特征在于充电管理线路包括有微处理控制芯片MCU，MCU的引脚与恒流恒压控制电路联接；MCU的引脚通过电源监测与异常保护电路和充电电源联接；MCU引脚也与充电电池正端联接，充电电池的正端与地之间也设置有电池电压检测电路；所述充电管理线路还包括有充电电池反接、反充保护以及充电电池异常保护电路。
2.根据权利要求1所述的锂电池充电管理线路，其特征在于所述的微处理控制芯片MCU具有PWM功能，MCU的13PIN的PWM信号端联接的恒流恒压控制电路包括MOSFET管U1A和电阻R11、R15、电容C6、C7组成的分压电路以及三极管Q2、Q3、Q6组成的全波推动电路，PWM信号端通过电阻R34与三极管Q6的基极联接，三极管的集电极通过电阻R17与三极管Q2、Q3的基极联接，三极管Q2的发射极与MOSFET管UIA的漏极联接，三极管Q3的集电极联接分压电路。
3.根据权利要求2所述的锂电池充电管理线路，其特征在于所述的微处理控制芯片MCU的电流反馈输入的16PIN、18PIN分别与电流采样放大电路、采样电阻短路保护电路联接，设置在充电回路上的电流检测电阻R28、R10的两端与差动放大器U2A、U2B的正负输入端联接，差动放大器U2A、U2B的输出经电阻电容滤波后接至MCU的18PIN、16PIN。
4.根据权利要求3所述的锂电池充电管理线路，其特征在于所述的微处理控制芯片MCU的反馈输入的16PIN、18PIN分别通过稳压二极管D5、D6接地。
5.根据权利要求1所述的锂电池充电管理线路，其特征在于所述的MCU的19PIN与电阻R43、R44的分压支路联接，其中分压之路上还并联有和滤波电容C12和稳压二极管D7。
6.根据权利要求1所述的锂电池充电管理线路，其特征在于所述的充电电池的正端与地之间设置的电池电压检测电路包括有分压电阻R3与R27，其分压支路上联接有MOSFET管Q1，MOSFET管Q1的漏极通过电阻与充电电源联接，分压电阻R27与滤波电容C5以及稳压二极管D4并联，其分压输出端VBAT接至MCU的17PIN。
7.根据权利要求1所述的锂电池充电管理线路，其特征在于在充电管理线路的输出端口设置一个防止电池反接的二极管D2，充电电池包B+/B-端也设有一个防止电池包反充的二极管D1。
8.根据权利要求1所述的锂电池充电管理线路，其特征在于微处理控制芯片MCU还与温度检测电路联接，MCU的14PIN通过R39、NTC电阻R20及滤波电容C9组成一个温度检测电路，热敏电阻R20及滤波电容C9位于电池包内。
9.根据权利要求1所述的锂电池充电管理线路，其特征在于在MCU的10PIN通过电阻R14、R19、R18、R13以及三极管Q4、MOSFET U1B组成一个防止反向的电路。当充电完成或出错时，10PIN输出低电平使U1B截止，从而防止电池电压反馈至充电端给MCU供电造成很大的自耗。
10.根据权利要求1所述的锂电池充电管理线路，其特征在于所述MCU的7PIN通过三极管Q5、Q7组成的电路与电池正负端B+、B-间的保护模块联接组成充电激活电路。
专利摘要本实用新型公开了一种锂电池充电管理线路，充电管理线路包括具有PWM功能的微处理控制芯片MCU，微处理芯片MCU分别与恒流恒压控制电路、电源异常保护电路相联接，充电管理线路还包括有充电电池反接、反充保护以及充电电池异常保护电路。本实用新型通过MCU程序的控制完成了CC/CV充电、输入电源电压异常保护、电池异常保护，电池反接、电池反充保护、电流采样电阻短路保护、预充电、阶梯电流充电等功能。该充电管理电路的成本低而且安全性高，参数的改动可以通过改动软件实现而不需要改变周边的硬件电路，方便灵活。
文档编号H02H7/18GK2877107SQ20062005380
公开日2007年3月7日 申请日期2006年1月11日 优先权日2006年1月11日
发明者戴清明 申请人:惠州市蓝微电子有限公司