一种儿童科教玩具移动电源的制作方法

本实用新型涉及移动电源技术领域，尤其涉及一种儿童科教玩具移动电源。

背景技术：

随着人工智能的逐步发展，各类智能机械越来越普及，许多家庭都有为儿童设计的科教玩具等机械，机械的驱动必然需要锂电池和聚合物电芯电池，且机械越复杂，对于电源的供电水平要求越高，许多较大的机械通常需要大功率的移动电源才能驱动。

目前的移动电源绝大多数面向成人，应用于手机、MP3、数码相机、平板电脑和DV机等数码产品，主要考虑的因素在于便携轻便，充电速度快，以及外观设计美观。而鲜少有面向儿童的移动电源，特别是使用在儿童科教玩具等机器设备中的大功率移动电源。另外，儿童用的移动电源对安全性的要求更高，现有的产品对于儿童而言，大多数存在安全隐患。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种针对儿童的科教玩具使用的安全、可靠且功率较大的移动电源。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种儿童科教玩具移动电源，包括：可充电电池、电池电路、壳体和至少一个榫头；

所述可充电电池和所述电池电路设置在所述壳体内部，所述壳体上设有电源开关、电源充电端口和USB5V/3A放电端口；

所述电池电路包括电路保护单元和电源管理单元，所述可充电电池与所述电路保护单元连接，所述电路保护单元与所述电源管理单元连接，所述电源管理单元分别与所述电源开关、所述电源充电端口和所述USB5V/3A放电端口电连接；

所述至少一个榫头设置在所述壳体外部，用于与卯孔配合连接，所述榫头包括榫头主体和设置在所述榫头主体外侧的多个弧面凸起，每个所述弧面凸起的横截面为弧形，且所述弧面凸起的长度方向沿所述榫头的插拔方向设置，所述榫头主体通过所述弧面凸起与所述卯孔接触连接。

优选地，所述电源管理单元包括电源管理芯片、双P沟道MOSFET芯片和双N沟道MOSFET芯片、第一MOS管、第二MOS管、电感、第一电容至第九电容、第一电阻至第六电阻，和第一发光二极管至第四发光二极管；

电源充电端口与第四电容并联后，一端与电源管理芯片的输入电源检测引脚连接，另一端接信号地；电源充电端口的正极还连接至第一MOS管的漏极；第一MOS管的源极连接至电源管理芯片的芯片系统电源引脚，第一MOS管的源极还通过并联的第一电容、第二电容和第三电容连接信号地；第一MOS管的栅极连接至电源管理芯片的防反灌控制引脚；

电源管理芯片的芯片系统电源引脚同时与双P沟道MOSFET芯片的第一源极引脚和第二源极引脚连接；双P沟道MOSFET芯片的第一栅极引脚和第二栅极引脚连接后，与电源管理芯片的PMOS管硬件控制引脚连接；双P沟道MOSFET芯片的第一漏极引脚至第四漏极引脚连接后与电感的第一端连接；电感的第二端通过并联的第三电容和第四电容后连接至电路保护单元的正极；电感的第二端还与电源管理芯片的高端电流采样引脚连接，电源管理芯片的电池正极引脚连接至电路保护单元的正极；第八电容和第九电容并联后连接在电路保护单元的正极与信号地之间；

双N沟道MOSFET芯片的第一漏极引脚至第四漏极引脚与电感的第一端连接，双N沟道MOSFET芯片的第一源极引脚和第二源极引脚连接后接信号地；双N沟道MOSFET芯片的第一栅极引脚和第二栅极引脚连接后与电源管理芯片的NMOS管硬件控制引脚连接；

电源开关与第七电容并联后连接在电源管理芯片的按键信号输入引脚与信号地之间；

USB5V/3A放电端口与第五电容并联后，一端与电源管理芯片的芯片系统电源引脚连接，另一端接第二MOS管的漏极；第二MOS管的栅极和源极通过第六电容连接，且第二MOS管的栅极连接电源管理芯片的关闭USB输出引脚；第二MOS管的源极连接电源管理芯片的电流检测引脚正端；电源管理芯片的电流检测引脚正端通过并联的第五电阻和第六电阻接信号地。

优选地，所述电路保护单元包括电路保护芯片、N沟道MOSFET芯片、第七电阻、第十电容、第十一电容和可充电电池；

电路保护芯片的4个负极引脚连接后，与电路保护单元的负极连接；电路保护芯片的供电引脚与可充电电池的正极连接，并连接至电路保护单元的正极；电路保护芯片的3个接地引脚连接后与可充电电池的负极连接；可充电电池的正极还通过串联的第七电阻和第十一电容连接至可充电电池的负极；

N沟道MOSFET芯片的第一栅极引脚和第二栅极引脚与电路保护单元的负极连接，并通过第十电容连接至N沟道MOSFET芯片的第一源极引脚；N沟道MOSFET芯片的第一漏极引脚和第二漏极引脚相连；N沟道MOSFET芯片的第二源极引脚连接电源管理芯片的关闭USB输出引脚。

优选地，所述壳体还嵌设有4个LED指示灯，4个所述LED指示灯均与所述电源管理单元电连接，用于显示所述可充电电池的剩余电量。

优选地，还包括至少一个与所述榫头相匹配的卯孔；所述壳体为长方形，所述电源开关和4个所述LED指示灯设置在所述壳体正面，所述电源充电端口和USB5V/3A放电端口设置在所述壳体侧面，所述榫头和所述卯孔均设置在所述壳体背面。

优选地，所述榫头主体为中空结构。

优选地，所述榫头主体的内壁和外壁的横截面均为正方形，所述榫头主体的每个侧面上均设有两个所述弧面凸起，或

所述榫头主体的每个角上均设有一个所述弧面凸起。

优选地，所述弧面凸起的长度与所述榫头主体的长度相等，且彼此平行间隔设置。

优选地，所述榫头为90°旋转对称结构。

优选地，所述弧面凸起的高度不小于所述榫头主体宽度的五分之一，不大于所述榫头主体宽度的三分之一。

本实用新型的上述技术方案具有如下优点：本实用新型提供了一种输出电流较大、功率较大的移动电源，可用于为结构较为复杂的儿童科教玩具等机械供电，填补了市面上没有针对儿童使用的大功率移动电源的空白，且该移动电源设置了电路保护单元，可实现电池过充保护、电池短路保护和电池过放保护，安全性能好，适于儿童使用。移动电源外侧还设有至少一个榫头，可与其他设有卯孔的模块进行插接，装入儿童科教玩具，趣味性强，使用方便，不占用额外空间。

附图说明

图1是本实用新型实施例中儿童科教玩具移动电源正面示意图；

图2是本实用新型实施例中儿童科教玩具移动电源背面示意图；

图3是本实用新型实施例中电池电路示意图；

图4是本实用新型实施例中电源管理单元电路图；

图5是本实用新型实施例中电路保护单元电路图。

图中：1：电源开关；2：LED指示灯；3：USB5V/3A放电端口；4：电源充电端口；5：榫头；

100：可充电电池；200：电池电路；201：电路保护单元；202：电源管理单元。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，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做出创造性劳动的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1和图2所示，本实用新型实施例提供的一种儿童科教玩具移动电源，包括可充电电池100、电池电路200、壳体和至少一个榫头5，其具体连接关系如下：

可充电电池100和电池电路200设置在壳体内部，壳体上设有电源开关1、电源充电端口4和USB5V/3A放电端口3。

本实用新型实施例中电池电路如图3所示，电池电路200包括电路保护单元201和电源管理单元202，可充电电池100与电路保护单元201连接，电路保护单元201与电源管理单元202连接，电源管理单元202分别与电源开关1、电源充电端口4和USB5V/3A放电端口3电连接。

如图2所示，至少一个榫头5设置在壳体外部，用于与卯孔配合连接，榫头5包括榫头主体和设置在榫头主体外侧的多个弧面凸起，每个弧面凸起的横截面为弧形，且弧面凸起的长度方向沿榫头5的插拔方向设置，榫头主体通过弧面凸起与卯孔接触连接。

使用时，可利用榫头5将移动电源与其他儿童科教玩具，例如设有卯孔的插接机器人模块等，拼接在一起。然后用电源线连接移动电源到插接机器人的供电口，按动电源开关1即可为插接机器人供电，当关闭插接机器人后，移动电源自动断电。

本实用新型提供的儿童科教玩具移动电源设有USB5V/3A放电端口3，放电电流大、功率高，可满足较为复杂的机械的需求，实现对插接机器人的稳定大功率供电，且壳体的内部设有电路保护单元201，电路保护单元201对可充电电池100起到限流与保护的作用，防止可充电电池100漏电等状况对儿童造成伤害。

该移动电源设有榫头5，榫头5可插入与之配合的卯孔之中，实现移动电源与其他插接机器人模块的连接，将移动电源装入儿童科教玩具之中，节省空间，且增加趣味性。

优选地，如图2所示，榫头主体为中空结构，中空结构使得榫头5可在更大范围内形变，方便儿童自行进行插接。进一步优选地，榫头主体的内壁和外壁的横截面均为正方形，榫头主体的每个侧面上均设有两个弧面凸起，弧面凸起的长度与榫头主体的长度相等，且彼此之间平行间隔设置。榫头5为90°旋转对称结构，旋转90°后依然能够插入卯孔中，优选地，两个弧面凸起均靠近外壁的边缘处。

在另一个实施例中，也可以在方形榫头主体的每个角上均设有一个弧面凸起，榫头主体通过四个角上的凸起与卯孔接触。

进一步优选地，弧面凸起的高度不小于所述榫头主体宽度的五分之一，不大于所述榫头主体宽度的三分之一，保证榫头5与卯孔插接的结构稳定。榫头5通过弧面凸起与卯孔接触，接触面积较小，榫头5可以通过产生形变，克服因加工精度问题导致的配合困难问题，降低对加工精度的要求，但同时依然可以与卯孔插接配合，不会轻易产生晃动或者脱出卯孔。

为方便显示移动电源的电量状态，优选地，壳体正面还嵌设有4个LED指示灯2，4个LED指示灯2均与电源管理单元电连接，用于显示可充电电池100的剩余电量。

进一步优选地，为方便使用，本实施例中的移动电源还设有至少一个与榫头5相匹配的卯孔(图中未示出)。移动电源的壳体为长方形，电源开关1和4个LED指示灯2设置在壳体正面，电源充电端口4和USB5V/3A放电端口3设置在壳体侧面，榫头5和卯孔均设置在壳体背面，卯孔可设置于壳体背面凸出的凸台中(图中未示出)，避免影响壳体内部的电池电路200。

在一个优选的实施例中，如图4所示，电源管理单元202包括电源管理芯片U1、双P沟道MOSFET芯片U2、双N沟道MOSFET芯片U3、第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、电感L1、第一电容C1至第九电容C9、第一电阻R1至第六电阻R6、第一发光二极管D1至第四发光二极管D4。其中电源管理芯片U1可采用型号为ZS6300A的芯片实现，第一MOS管Q1可采用型号为CJ2333的MOS管实现，第二MOS管Q2可采用型号为CJ3420的MOS管实现。

如图4所示，第一端口P1与第四电容C4并联后，一端与电源管理芯片U1的输入电源检测引脚VIN连接，另一端接信号地GND。该第一端口P1即图1和图2中的电源充电端口4，用于与外部电源相连。

第一端口P1的正极还连接至第一MOS管Q1的漏极，第一MOS管Q1的源极连接至电源管理芯片U1的芯片系统电源引脚SYS，第一MOS管Q1的源极还通过并联的第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3连接信号地GND。第一MOS管Q1的栅极连接至电源管理芯片U1的防反灌控制引脚REVCTR，该防反灌控制引脚REVCTR为输入防反灌PMOS管控制引脚。

电源管理芯片U1的芯片系统电源引脚SYS同时与双P沟道MOSFET芯片U2的第一源极引脚S1和第二源极引脚S2连接，双P沟道MOSFET芯片U2的第一栅极引脚G1和第二栅极引脚G2连接后，与电源管理芯片U1的PMOS管硬件控制引脚PGATE连接。PMOS管硬件控制引脚PGATE为PWM同步整流PMOS管硬件控制引脚。

双P沟道MOSFET芯片U2的第一漏极引脚D1至第四漏极引脚D4连接后与电感L1的第一端连接。电感L1的第二端通过并联的第三电容R3和第四电容R4后连接至第三端口P3的正极。电感L1的第二端还与电源管理芯片U1的高端电流采样引脚SNS连接，电源管理芯片U1的电池正极引脚BAT连接至第三端口P3的正极。第八电容C8和第九电容C9并联后连接在第三端口P3的正极与信号地GND之间。第三端口P3为与图5中的电路保护单元201连接的端口，第三端口P3的正极P+即为图5中电路保护单元201的正极P+，第三端口P3的负极P-即为图5中的P-。

双N沟道MOSFET芯片U3的第一漏极引脚D1至第四漏极引脚D4与电感L1的第一端连接，双N沟道MOSFET芯片U3的第一源极引脚S1和第二源极引脚S2连接后接信号地GND；双N沟道MOSFET芯片U3的第一栅极引脚G1和第二栅极引脚G2连接后与电源管理芯片U1的NMOS管硬件控制引脚NGATE连接。NMOS管硬件控制引脚NGATE为PWM同步整流NMOS管硬件控制引脚。

按键开关K1与第七电容C7并联后连接在电源管理芯片U1的按键信号输入引脚TAP与信号地GND之间。该按键开关K1即图1中电源开关1，可用于控制移动电源开启或关闭工作状态。电源管理芯片U1的芯片功率地引脚PGND接信号地GND。

第二端口P2与第五电容C5并联后，一端与电源管理芯片U1的芯片系统电源引脚SYS连接，另一端接第二MOS管Q2的漏极。该第二端口P2即图1和图2中的USB5V/3A放电端口3，用于与负载相连。第二MOS管Q2的栅极和源极通过第六电容C6连接，且第二MOS管Q2的栅极还连接电源管理芯片U1的关闭USB输出引脚CTR，关闭USB输出引脚CTR为关闭USB输出NMOS硬件控制引脚。第二MOS管Q2的源极还连接电源管理芯片U1的电流检测引脚正端CS，电流检测引脚正端CS为RCS电阻负载回路电流检测引脚正端。电源管理芯片U1的电流检测引脚正端CS通过并联的第五电阻R5和第六电阻R6接信号地GND。

电源管理芯片U1的第一LED驱动引脚LED025至第四LED驱动引脚LED100分别通过第一发光二极管D1至第四发光二极管D4连接至第一电阻R1的第一端，第一电阻R1的第二端连接至第一MOS管Q1的源极。第一发光二极管D1至第四发光二极管D4即图1中的4个LED指示灯2。电源管理芯片U1的手电筒引脚WLED通过第二电阻R2接信号地GND。

电源管理单元202以电源管理芯片U1为核心，电源管理芯片U1可对可充电电池100进行涓流/恒流/恒压三段式充电。当可充电电池100的电压低于3V时进行涓流充电；当电压高于3V时进行恒流充电；当电压接近4.2V时进行恒压充电，此时充电的电流开始逐渐减小，当电流减小到恒流充电电流的1/10时，4个LED指示灯2全部常亮，指示可充电电池100已经充满。充满时，可充电电池100终止充电，等待可充电电池100的电压降低到一定阈值电压(VRECHG)时进行复充(Recharge)。

电源管理芯片U1具有按键开关K1启动边充边放功能，保证了USB5V/3A放电端口3连接的负载的优先供电。此处的如果充电过程中，USB5V/3A放电端口3同时接有负载要给负载供电，可通过按键开关K1激活边充边放，电源管理芯片U1会控制系统给可充电电池100充电的同时给负载供电；如果负载所需电流值VRCS>6.5mV，电源管理芯片U1会控制系统优先供电给负载，同时逐渐减小充电电流直到不充电，让全部输入电流供给负载，同时达到了输入限流的效果，如果VRCS<5.5mV，电源管理芯片U1会控制恢复可充电电池100充电。当移动电源充电时，短按按键，电源管理芯片U1会控制关闭充电，同时打开输出USB5V/3A放电端口3，检测是否有负载，例如需要用电的插接机器人模块等，接在USB5V/3A放电端口3，如果有则优先对其供电，如果没有，经过15s后恢复对可充电电池100进行充电。

电源充电端口4接到电源管理芯片U1的输入电源检测引脚VIN，当移动电源开始充电时，通过控制NMOS管硬件控制引脚NGATE、PMOS管硬件控制引脚PGATE控制硬件MOS管整流电路实现对可充电电池100的充电状态控制。通过电池正极引脚BAT实现对可充电电池100电压电流的检测，起到初步的保护作用。通过关闭USB输出引脚CTR实现对USB5V/3A放电端口3负极的第二MOS管Q2进行控制，当需要停止放电时将此断开。通过防反灌控制引脚REVCTR控制电源充电端口4到USB5V/3A放电端口3的第一MOS管Q1实现防反灌功能，当输出接负载时，打开第一MOS管Q1可以实现外接电源直接对负载进行供电，如果检测到负载有电流反灌现象，则需要立即断开第一MOS管Q1。通过四个LED指示灯2显示电量情况。

如图5所示，电路保护单元包括电路保护芯片U4、N沟道MOSFET芯片U5、第七电阻R7、第十电容C10、第十一电容C11和电池BT1，其中，电路保护芯片U4可采用型号为XB8886A的芯片实现，N沟道MOSFET芯片U5可采用型号为8205A的芯片实现。

电路保护芯片U4的4个负极引脚VM连接后，与第三端口P3的负极P-连接；电路保护芯片U4的供电引脚VDD与电池BT1的正极BAT+连接，并连接至第三端口P3的正极P+；电路保护芯片U4的3个接地引脚GND连接后与电池BT1的负极BAT-连接。该电池BT1即前述可充电电池100。电池BT1的正极BAT+还通过串联的第七电阻R7和第十一电容C11连接至电池BT1的负极BAT-。

N沟道MOSFET芯片U5的第一栅极引脚G1和第二栅极引脚G2与第三端口P3的负极P-连接，并通过第十电容C10连接至N沟道MOSFET芯片U5的第一源极引脚S1。N沟道MOSFET芯片U5的第一漏极引脚D12和第二漏极引脚D21相连。N沟道MOSFET芯片U5的第二源极引脚S2连接电源管理芯片U1的关闭USB输出引脚CTR。

电池过充保护有三个参数设置，一是电池过充检测电压(VCU)、延迟时间(tCU)、电池过充电解除电压(VCL)。

当可充电电池100的电压高于正常条件下的电池过充检测电压，并且在此状态下持续时间达到延迟时间或更长时，电路保护芯片U4将会使内部MOSFET关闭，以此中断可充电电池100负极与充电终端的连接，达到中断充电。

系统有两种恢复方式，第一种恢复方式是当可充电电池100的电压降至电池过充电解除电压以下时，电路保护芯片U4控制其内部MOSFET开启以使其恢复正常可充电状态。这种形式下，VCU的值要高于VCL的值，一高一低构成一个施密特触发形式，以给两种状态留有一定的阈值空间，防止异常切换状态。确保了系统的稳定性。例如，可设置VCU为5.7V，而VCL设置为4.9V。则充电时如果长时间充达到5.7V时系统自动断开内部MOSFET，停止充电。当人为断开移动电源，可充电电池100放电到4.9V时，才恢复到可充电状态。此时在4.9-5.7V时不可充电，以此设置了一段阈值区间。

第二种恢复方式是接通负载，此时只需要电压降至VCU以下即可。因为此时已经有负载在消耗电量，所以可以允许其在电池过充检测电压以下时即可进入可充电状态。释放机构如下：放电电流在负载连接后立即流经电路保护芯片U4内部MOSFET的内部寄生二极管并开始放电，并且电路保护芯片U4的负极引脚VM电压从接地引脚GND增加约0.7V(二极管的正向电压)瞬时电压。电路保护芯片U4检测到该电压并释放过充电状况。因此，在可充电电池100的电压等于或低于过充电检测电压的情况下，电路保护芯片U4会立即恢复正常状态，但在可充电电池100高于过充电检测电压的情况下，即使连接负载，直到电池电压低于过充电检测电压时，芯片才会恢复正常状态。另外，当连接负载并开始放电时，如果负极引脚VM端子电压等于或低于过电流检测电压，则芯片不会恢复到正常状态。

如果负极引脚VM电压等于或低于短路保护电压(Vshort)，电路保护芯片U4将会使内部MOSFET断开，使可充电电池100与电源充电端口4断开。关闭的最大延迟时间为Tshort。当负极引脚VM电压高于短路保护电压(Vshort)时(例如短路源清除时)，此状态将被释放。例如当电源充电端口4短路时，负极引脚VM检测电压瞬间低至0V，此时会导致内部瞬间断开连接。

以此，需要保证每次放电不能放电过低，不然会导致可充电电池100进入不可充电状态。所以需要在USB5V/3A放电端口3有过放检测，这也是儿童使用电源必须增加的功能。

当可充电电池100的电压低于过放电检测电压时，并且持续时间达到放电检测延迟时间或更长时间，电路保护芯片U4将关闭内部MOSFET，断开其与外界连接。这种情况称为过放电状态。内部MOSFET关断后，负极引脚VM被电路保护芯片U4的负极引脚VM和供电引脚VDD之间的电阻RVMD上拉。在过放电条件下，负极引脚VM和供电引脚VDD被IC(集成电路)内的电阻RVMD短路。当移动电源连接外界电源，并且负极引脚VM和供电引脚VDD之间的电位差变为1.3V(典型值)或更高(负载短路检测电压)时，断电条件解除。此时，内部MOSFET仍然关闭。当可充电电池100的电压变为过放电检测电压(VDL)或更高时，电路保护芯片U4将打开内部MOSFET并从过放电状态转换到正常状态。电池过放保护能够有效的防止儿童使用移动电源过度。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。