一种电压检测电路，电池电量提示系统及电压检测方法与流程

本发明涉及电子电路，具体涉及电压检测电路，电池电量提示系统及电压检测方法。

背景技术：

对电动工具，因在一些工作场合可能没有市电电源，或者采用电源线给工作带来不便，因此内置电池的便携式电动工具具有较大的优势。然而，电池电量突然的不够用会给工作造成困扰。因此，电池电量水平的指示以便于及时充电、防止突然断电也是至关重要的。

在一种便携式电动工具的电路控制中，为了降低研发成本、方便拓展控制功能，采用了数字芯片。图1示出了一种对比技术中的基于数字芯片的电池电量检测方案。在该方案中，数字电路输出多个指示不同参考量的数字信号，采用多个数模(a/d)转换器，将多个数字信号转换成模拟参考信号，然后将多个模拟参考信号分别与指示电池电量水平的电压信号vs进行比较，再将多个比较信号输入数字电路，进行电池电量的判定。

在这种方式中，数字电路需要提供多个数字参考信号，并接收多个比较信号来实现电量的检测，占用了数字芯片较多的管脚。当检测的精度要求提高时，数字芯片的管脚甚至不能再满足要求。而且占用过多的管脚也妨碍数字芯片其它功能的拓展。另外，该方案额外采用了多个a/d转换器和多个比较器，大大增加了系统的体积和成本。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于提出一种可消除对比技术中一个或多个缺陷的基于数字电路的电压检测电路，电池电量提示系统及电压检测方法。

本发明的一个方面提出了一种基于数字电路的电压检测电路，包括：

数字电路，具有第一输出端、一输入端和第二输出端，其中第一输出端输出数字信号；

转换电路，具有输入端和输出端，转换电路的输入端耦接数字电路的第一输出端；

比较电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中比较电路的第一输入端接收表征待检测电压的电压信号，比较电路的第二输入端耦接转换电路的输出端，比较电路的输出端耦接数字电路的输入端；

其中数字电路基于比较电路的输出信号获得待检测电压水平，并在数字电路的第二输出端提供控制信号，其中控制信号基于待检测电压的水平产生。

在一个实施例中，数字电路包括微控制单元(mcu)。

在一个实施例中，其中数字电路制作在微控制晶片上，转换电路和比较电路制作在模拟晶片上，微控制晶片和模拟晶片位于一芯片封装中。

在一个实施例中，数字电路第一输出端输出的数字信号通过调节占空比提供不同阈值的参考电压。

在一个实施例中，数字电路在一个检测周期中分时段输出不同占空比的数字信号，检测周期循坏。

在一个实施例中，转换电路包括微分电路。

在一个实施例中，转换电路包括：

电阻，具有第一端和第二端，电阻的第一端耦接数字电路的第一输出端；以及

电容，具有第一端和第二端，其中电容的第一端耦接电阻的第二端和比较电路的第二输入端，电容的第二端耦接接地端。

在一个实施例中，控制信号输入至照明驱动电路的输入端，控制信号的频率与待检测电压水平成相反关系。

在一个实施例中，待检测电压表征电池剩余电量。

本发明的另一个方面提出了一种电池电量提示系统，包括：

如上任一实施例所述的电压检测电路，其中待检测电压为电池的输出电压；以及

照明驱动电路，具有输入端和输出端，其中照明驱动电路的输入端耦接数字电路的第二输出端，照明驱动电路的输出端耦接led灯。

在一个实施例中，在运行中，当电池的输出电压高于第一阈值时，led灯常亮；当电池的输出电压低于第一阈值时，led灯以第一频率闪烁；当电池的输出电压低于第二阈值时，led灯以第二频率闪烁，其中第一阈值大于第二阈值，第一频率低于第二频率。

本发明的又一个方面提出了一种基于数字电路的电压检测方法，包括：

分时段提供不同占空比的数字信号；

将数字信号进行滤波获得滤波信号；

将待检测电压信号与滤波信号进行比较；

基于比较结果获得待检测电压水平。

上述实施例中的电压检测电路，电池电量提示系统及电压检测方法，其检测仅占用了数字电路的两个管脚即可实现，有利于数字电路其它功能的扩展。同时降低了系统的复杂度、体积和成本，有利于系统集成，且数字电路输出的频率控制信号有利于通过一照明器件同时实现照明及电量提示复用，降低了外置照明器件的数量，降低了漏电概率，提高了工作环境较恶劣的便携式电动工具的可靠性。

附图说明

图1示出了一种对比技术中的基于数字芯片的电池电量检测方案；

图2示出了根据本发明一实施例的基于数字电路的电压检测电路示意图；

图3示出了根据本发明一实施例的电池电量提示系统示意图；

图4示出了根据本发明一实施例的运行波形示意图；

图5示出了根据本发明一实施例的便携式电动工具的示意图；

图6示出了根据本发明一实施例的基于数字电路的电压检测方法流程示意图。

不同示意图中相同的标号代表相同或相似的部件或组成。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

该部分的描述只针对几个典型的实施例，本发明并不局限于实施例描述的范围。相同或相近的现有技术手段与实施例中的一些技术特征进行相互替换也在本发明描述和保护的范围内。

说明书中的“耦接”包含直接连接，也包含间接连接，如通过电传导媒介如导体的连接，其中该电传导媒介可含有寄生电感或寄生电容。还可包括在可实现相同或相似功能目的的基础上通过其他有源器件或无源器件的连接，如通过开关、跟随电路等电路或部件的连接。

图2示出了根据本发明一实施例的基于数字电路的电压检测电路示意图。电压检测电路包括数字电路21，转换电路22和比较电路23，用于检测待检测电压的电压水平。其中转换电路22和比较电路23为模拟电路。数字电路21具有第一输出端do1、一输入端din和第二输出端ctrl，其中第一输出端输出一个数字信号do1。在一个实施例中，第一输出端输出的数字信号do1通过调节占空比提供不同阈值的参考电压。在一个具体的实施例中，数字电路在一个检测周期中分时段输出不同占空比的数字信号do1，用于分时段提供不同阈值的参考电压，然后循环重复检测周期，参见图4所示的信号do1，将在后面详细描述。

转换电路22具有输入端和输出端，其中转换电路22的输入端耦接数字电路21的第一输出端do1，转换电路22的输出端提供转换电压vf，为模拟参考信号。模拟参考信号vf的电压水平对应数字电路21提供的数字信号do1代表的参考电压水平。在一个实施例中，转换电路包括滤波电路，模拟参考信号vf正比于数字信号do1的占空比。当然，由于数字信号do1的占空比在一个检测周期中变化以提供多个不同的占空比，模拟参考信号vf也是一个变化的值，且模拟参考信号vf可与数字信号do1的占空比有一定的迟滞效应。

在一个实施例中，转换电路22包括滤波电路，用于输出滤波电压vf。在一个实施例中，滤波电路包括微分电路。在图示的实施例中，转换电路包括电阻r和电容c。其中电阻r具有第一端和第二端，电阻r的第一端耦接数字电路21的第一输出端do1。电容c具有第一端和第二端，其中电容c的第一端耦接电阻r的第二端和比较电路23的第二输入端，电容c的第二端耦接接地端。

当然，转换电路22还可采用任何其他适用的结构，用于将数字信号do1转换成模拟信号vf。在一个实施例中，模拟参考信号vf受数字信号do1的占空比控制，优选地，参考信号vf正比于do1的占空比。

比较电路23具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中比较电路23的第一输入端接收表征待检测电压的电压信号vs，比较电路23的第二输入端耦接转换电路22的输出端，比较电路23的输出端耦接数字电路21的输入端din。数字电路21基于比较电路23的输出信号din获得信号vs的水平，从而获得待检测电压的水平，并在数字电路21的第二输出端ctrl提供控制信号，其中控制信号ctrl基于待检测电压的水平产生。在一个实施例中，控制信号ctrl的占空比正比于表征待检测电压的电压信号vs。

在图示的实施例中，比较电路23的第一输入端为反相输入端，比较电路23的第二输入端为同相输入端，当电压信号vs低于模拟参考信号vf时，比较器输出高电平。通过变化的模拟参考信号vf再对应比较电路23的输出情况，数字电路21可获得待检测电压的水平。当然，在另一个实施例中，比较电路的接收表征待检测电压的电压信号vs的第一输入端可为同相输入端，比较电路的第二输入端为反相输入端，通过相应改变数字电路中的判断标准即可实现相同的检测。

在一个实施例中，待检测电压表征电池剩余电量。在一个实施例中，控制信号ctrl输入至照明驱动电路的输入端，通过控制信号ctrl指示电量的水平。在一个实施例中，控制信号ctrl的频率与待检测电压水平成相反关系，即待检测电压越低，照明器件的闪烁频率越快，提示电池电量越少，给了使用者直观的电量提示。

在一个实施例中，数字电路21包括微控制单元(mcu)。在一些实施例中，数字电路可为cpld(complexprogrammablelogicdevice)芯片或arm(advancedriscmicroprocessor)芯片或dsp(digitalsingnalprocessor)芯片或fpga(field－programmablegatearray)芯片。

通过这样的检测方式和检测结构，通过分时段基于一数字信号提供不同的参考信号，并通过分时段检测比较电路23的输出状态来获得待检测电压的水平，仅占用了数字电路21的两个管脚即可实现，有利于数字电路其它功能的扩展。且无需采用额外的数模转换芯片，也无需采用多个比较电路，降低了系统的复杂度、体积和成本，有利于系统集成，有利于提高便携式电动工具这种工作环境较恶劣如潮湿、振动这种类型的工具的可靠性，适于应用于电动工具之中。

在一个实施例中，数字电路21制作在一微控制晶片上，转换电路22和比较电路23制作在一模拟晶片上，微控制晶片和模拟晶片通过多晶片封装工艺制作于一芯片封装中。这样，系统电路系统通过一封装芯片即可实现，提高了系统的集成度，提高了便携式电动工具的电路可靠性，适于应用于电动工具之中。

图3示出了根据本发明一实施例的电池电量提示系统示意图。该电池电量提示系统包括电压检测电路和照明驱动电路34。电压检测电路检测表征电池剩余电量的电池31的输出电压vbat，并根据电池31的输出电压vbat提供控制信号ctrl用于驱动照明器件35进行电池电量的提示，其中待检测电压为电池31的输出电压vbat。电压检测电路包括数字电路21，转换电路22和比较电路23，具体可参照图2对应的实施例及本申请中其他部位的关于电压检测电路的描述。

电压检测电路还可进一步包括采样电路32，用于接收电池31的输出电压vbat，获得采样信号vs。这样，信号vs能表征待检测电压vbat。在一个实施例中，采样电路包括电压分压电路，数字电路可根据电压分压电路的分压比例相应控制数字信号do1的占空比，用于准确地获得待检测电压vbat的电压水平。

电压检测电路还可进一步包括电压变换电路，用于将电池的输出电压vbat进过变换，提供适合驱动数字电路21的电源电压。

数字电路21可根据比较电路23输出的信号，结合数字电路本身输出的数字信号do1，判断待检测电压vbat的水平，并进一步根据反映电池剩余电量的待检测电压vbat的水平来输出照明驱动信号ctrl。在一个优选的实施例中，照明驱动信号ctrl通过频率提示电池的电量，电量越低，提示灯闪烁频率越快。

照明驱动电路34具有输入端和输出端，其中照明驱动电路34的输入端耦接数字电路21的第二输出端ctrl，照明驱动电路34的输出端耦接发光二极管(led)用于驱动led灯35。

照明驱动电路34包括晶体管q，其中晶体管q的控制端耦接数字电路21的第二输出端用于接收控制信号ctrl，晶体管q的第一端耦接led灯35的阴极，晶体管q的阳极耦接电池的输出端用于接收电源电压vbat。晶体管q的第二端耦接接地端或其他基准电压端。这样，led灯35的导通和关断与数字电路21的第二输出端输出的控制信号ctrl相对应。当控制信号ctrl为高电平时，晶体管q导通，led灯点亮。当控制信号ctrl为低电平时，晶体管q关断，led灯熄灭。通过控制控制信号ctrl的频率，可以相应调节led灯的闪烁频率。

照明驱动电路34还可进一步包括如图所示的由两个电阻组成的分压电路或其他的电路，用于将数字信号ctrl的幅值进行变换，提供适于驱动晶体管q的控制端电压。照明驱动电路34还可进一步包括其它的电路如保护电路，因与本申请发明主题关联系不大，这里不再赘述。

在一个实施例中，控制信号ctrl的频率与待检测电压水平vbat或vs成相反关系，即随着待检测电压水平vbat的降低，led灯闪烁频率增大。当电压vbat高于第一阈值电压时，led保持常亮，当电压vbat低于第一阈值电压时，led灯开始闪烁，随着电压vbat进一步降低到低于第二阈值电压时，led闪烁频率加快，其中第二阈值电压低于第一阈值电压，第一阈值电压低于电池电压vbat的正常电压水平。led闪烁频率可为多档，随着电池电压vbat的降低而增大闪烁频率。这样，led可作为照明和电量指示复用灯，在电量正常时，仅用于提供照明；当电量较低时，用于提示电量水平，使得用户可以及时进行充电，确保正常工作。这种照明和电量指示复用灯通过仅有的一个灯代替了现有技术中常用的一个照明灯外加多个指示电量水平的电量指示灯的多灯方案。

当然，当电压vbat高于第一阈值电压时，led灯也可以保持常灭状态，仅用于提示电量水平。在另一个实施例中，当电压vbat高于第一阈值电压时，可通过一外置开关来控制led为常亮或常灭，用于选择led灯是否作为照明及电量指示复用灯。

电池电量提示系统中，除了数字电路21外，均为模拟电路，方便将该模拟电路与便携式电动工具电路系统中的其它模拟电路一起制作在一芯片内，这样，便携式电动工具电路系统仅包括两个芯片。在一个实施例中，便携式电动工具电路系统包括一通用数字芯片和一定制模拟芯片。便携式电动工具电路系统还可进一步包括一个照明及电量指示复用灯及其它少量的功能器件，减少了系统的芯片数量和需要连接的电导体，降低了系统的复杂度，有利于系统可靠性的提高，也有利于电路连接点的密封降低漏电概率。对于可能应用在潮湿、高温、振动环境中的电动工具而言，电路系统的简单化具有非常大的意义。

图4示出了根据本发明一实施例的波形示意图。数字电路第一输出端输出的数字信号do1在每个检测周期中ts分时段输出多个脉冲，使得数字信号do1具有多个不同的占空比。图示的数字信号do1在一个检测周期ts中占空比依次升高，用于提供幅度不断上升的参考信号。当然，在其他的实施例中，数字信号do1在一个检测周期ts中占空比也可以依次降低。在图示的实施例中，在一个检测周期ts中，每个脉冲对应的占空比都比前一个脉冲的占空比高。当然，在其它的实施例中，在一个检测周期ts中，也可以每两个或多个脉冲的占空比相同，但比前一组脉冲的占空比高。数字信号do1可以在下一个检测周期中重复上一检测周期中的数字信号波形，重复循环。当然，数字信号do1也可以在多个检测周期中呈现不同的波形。

参看情形41，当数字信号do1的占空比依次升高时，转换电路输出的模拟参考信号vf逐渐升高，在时间t1，模拟参考信号vf高于表征待检测电压的电压信号vs，比较电路输出的信号din由第一电平转换为第二电平。图示的信号din为由低电平变换为高电平时，获得需要的时间点t1。当然在其他的实施例中，可在din为由高电平变换为低电平，获得需要的时间点。数字电路接收信号din，根据信号din由第一电平转换为第二电平的时间t1，确定t1对应的数字信号do1的占空比，从而确定电压vs水平。并根据电压vs水平在每个检测周期ts末输出对应的频率控制信号ctrl。在图示的实施例中，控制信号ctrl在每个检测周期ts末根据该检测周期的检测结果进行调整和输出。当然，在其它的实施例中，控制信号ctrl也可以在检测得输入信号din由第一电平转换为第二电平的时间t1后立即进行调整。在图示的实施例中，控制信号ctrl具有第一频率f1。

参看情形42，当电压信号vs进一步降低时，信号din由第一电平转换为第二电平的时间t2在一个检测周期中提前，此时对应的数字信号do1占空比降低，数字电路控制输出的控制信号ctrl具有第二频率f2，其中第二频率f2高于第一频率f1。

参看情形43，当表征待检测电压的电压信号vs进一步降低时，信号din由第一电平转换为第二电平的时间t3对应的数字信号do1占空比也进一步降低，控制信号ctrl的频率进一步加大。

结合图3所示的电量提示系统，从图4实施例所示的波形图上可得，当检测得的表征电量的信号vs越低，led灯闪烁频率越快，给使用者直观的电量水平提示。

若电压信号vs大于或等于最大do1信号中最大占空比对应的模拟参考信号，可控制输出恒高电平的控制信号ctrl，用于控制led灯常亮。这样，系统外部仅可通过一个灯来同时实现照明和电量指示复用。

当然，在另一个实施例中，若电压信号vs大于或等于最大do1信号中最大占空比对应的模拟参考信号，可控制输出恒低电平的控制信号ctrl，用于控制led灯常灭。

图4中所示的信号do1和ctrl的脉冲宽度和频率仅用于示例。在实际应用中，控制信号ctrl的频率可远低于数字信号do1的频率。

在其他的实施例中，控制信号ctrl也可以采用其他的方式提示电池的电量水平。例如，当电量越低，led灯单次关断的时间越长，来进行电量的提示。该方式也可以在低电量时电量提示系统尽可能占用少的电能，提高系统电池利用率。

数字电路在一个检测周期ts中分时段输出不同占空比的数字信号，检测周期ts循坏。这样，可以实现对待检测电压不间断的检测。

图5示出了根据本发明一实施例的便携式电动工具的示意图。如图所示，便携式电能工具50前端包含一个照明及电量指示复用灯51，用于同时提供作业照明及指示电池的电量水平。优选的，电能工具包含有且仅有一个照明及电量指示复用灯51，而没有其它的照明灯或电量指示灯。该照明及电量指示复用灯31具有闪烁功能，用于指示电量的水平。在一个实施例中，闪烁的频率对应指示电池电量水平，而且随着电量的降低，闪烁的频率加快。通过一个灯同时提供照明和电量指示的功能，在灯和电路模块之间仅需设置一根电线，避免了现有技术中便携式电动工具外部设置多个led灯分别用于指示照明和电量水平从而在便携工具内部设置多根电线的缺陷，提高了系统的电路简单度和可靠性，且便于设置密封结构，有效地避免了漏电等可能，适于便携式电动工具使用。

图6示出了根据本发明一实施例的基于数字电路的电压检测方法流程示意图。该电压检测方法包括在第一步骤601，分时段提供不同占空比的数字信号。在一个实施例中，数字电路分时段提供占空比逐渐升高的数字信号。电压检测方法包括在第二步骤602，将数字信号进行滤波获得滤波信号，将数字信号转换成模拟信号。电压检测方法包括在第三步骤603，将待检测电压信号与滤波信号进行比较。该电压检测方法包括在第四步骤604，基于比较结果获得待检测电压水平。在一个实施例中，根据比较结果由预定的第一电平转换成第二电平时对应的数字信号的占空比来确定待检测电压的水平。基于数字电路的电压检测方法具体可参见图2-图4对应实施例的说明，在此不再赘述。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。