用于多功能便携式电源充电器的安全电路的制作方法

本申请为2015年9月9日提交的美国专利申请14/848,668，“用于多功能便携式电源充电器的安全电路”的非临时申请并且要求该美国专利申请的优先权，其全文通过引用并入本文中。

技术领域

本发明一般涉及电源充电设备，更具体地，涉及一种具有高供电容量的多功能便携式电源充电器，该充电器可用于在标准的外部电源不方便时对便携式电子设备、笔记本电脑以及跨接启动(jump starting)的车载电池充电。

背景技术：

当前的消费者通常拥有多个出于便携性以及在路上(on-the-go)使用的目的而专门设计的电子设备，包括，例如移动电话或智能电话、如或MP3播放器等便携式音乐播放器、平板电脑、便携式游戏装置等。这些设备均需要频繁充电。此类电子设备通常利用电缆将设备连接到电源，如墙壁插座、汽车充电器、飞机充电器或电脑。然而，对于每个电源，经常需要单独的电缆。此外，当将设备与外部电源连接以进行充电时，很难继续使用该设备，因为其需要保持与电源连接。

类似地，通常需要单独的充电电缆来将电子设备与特定的电源连接。例如，消费者具有一条用于在具有AC墙壁插座的家里对手机充电的电缆，以及另一条用于在具有直流汽车充电插座的车内对手机充电的电缆，也许还有用于使用电脑或在飞机上对手机充电的电缆。此外，不同电子设备经常使用不同连接端口和接口，以致单条充电电缆无法与多个设备兼容。因此，精通技术的消费者(具有多个电子设备)，经常具有多条充电电缆来保持跟踪，并且在出门时找到用于容纳每条适用的充电电缆的地方。

即便如此，消费者可能由于恶劣天气或停电而不具有足够的电能来对手机充电，或可能并不总是处于容易获得电源的地方，或者即便如此，可能不具有可与特定电源一起使用的合适电缆或适配器。此外，消费者可能并不总是处于容易获得电源的地方，例如，如果他们在公园，或者消费者可能不具有可与特定电源一起使用的合适电缆或适配器，例如，他们在办公室，但是把充电电缆留在了家里，或者可能由于恶劣天气或停电而不具有足够的电能来对手机或其它设备进行充电。

有时，电子设备在其由于电池容量不足而掉电前需要小量电量来完成一项任务。例如，正在使用移动电话通话的用户可能希望完成该通话，但是找不到电源来插进去，可能没有足够的时间来获得电源，或可能当时身上没带合适的充电电缆。如前所述，如果将手机插入传统电源，如墙壁插座，则很难如愿继续使用该手机。因此，需要一种电源充电器，即使是具有小的电能提升，该电源充电器如电子设备一样便携，并优选容易与电子设备以及合适的充电电缆一起携带，从而便于在路上使用。

进一步地，为在路上使用而设计的便携式电源充电器必须适合用于多种条件，因为它们经常最需要用在得不到标准外部电源的地方，并且因此经常需要用在完全没有电的时候。例如，当人们在散步、露营、在公园、在商场或在体育赛场时，在紧急情况下可能需要使用电话，这时便携式电源充电器就特别有用。在此类情形中，用户并不想要携带太多物件，因此除了电子设备(例如，智能手机)外，可能无法携带大的电源充电器(即使是便携式的)以及一条或多条充电电缆。因此，这就需要易于携带在身边且不占用太多空间的便携式电源充电器。

更进一步地，目前市场上获得的许多便携式电源充电器具有各种形状、尺寸以及设计。然而，这些电源充电器普遍具有受限的电池容量，因此限制了能够充电的设备以及能够提供的电量。通常，此类便携式电池充电器仅设计用于对便携式电子设备充电，如智能手机、便携式音乐播放器以及可能的平板。很少有便携式电池充电器能够用于对笔记本电脑充电，这是因为在它们自己的内部电池中具有的供电容量通常不足。甚至更少有便携式电池充电器能够用于跨接启动车载电池，而市场上可获得的那些充电器不是太多而不能携带在人们的口袋、钱包或背包中，就是不能提供充足的电量来充分地跨接启动车载电池并且对其充电。

对于市场上的车载电池充电器，此类设备通常也不能用于对便携式电子设备以及笔记本电脑充电。

鉴于上述情况，需要一种能够用于对车载电池、笔记本电脑以及各种便携式电子设备充电的便携式充电器，便携式电子设备包括但不限于智能电话、移动电话、数据平板电脑、音乐播放器、照相机、摄像机、游戏装置、电子书、蓝牙耳机以及耳塞、GPS设备等，单独地或同时以不同组合，同时本身仍是易于携带的。因此，需要这样一种充电器，其具有高充电容量—即，在10000至15000mAh数量级—同时仍是便携式的、具有紧凑的体积，并且容易在各种条件以及位置中使用，以对车载电池充电、对电脑充电、以及同时对一个或多个电子设备充电，包括但不限于，在家里或办公室、车内或飞机上、以及在路上，而不影响操作、性能或外观。更进一步地，需要一种便携式充电器，其能够轻易从外部电源充电，这为便携式充电器提供了增加的灵活性以及方便性。因此，本发明的总体目标是提供一种便携式充电器，其基于目前市场上的传统电源充电器，特别是车载电池充电器来进行改进，并且克服与此类现有技术中的充电器相关的问题以及缺点。

技术实现要素：

根据本发明，一种轻量便携式充电器被设置用于对不同设备充电，包括跨接启动车载电池、对笔记本电脑以及各种电子设备充电，所述电子设备包括但不限于智能电话、移动电话、数据平板电脑、音乐播放器、照相机、摄像机、游戏装置、电子书、蓝牙耳机以及耳塞、GPS设备等，单独地或同时以不同组合。一般而言，此便携式充电器包括内部可充电电池单元以及至少一个电源连接端口，所述内部可充电电池单元用于在必要时与需要增加电能的一个或多个设备连接并对该一个或多个设备进行充电，所述电源连接端口用于将充电器单元与至少一个此类设备或外部电源或两者连接。

此外，所述便携式充电器可包括能够用作电能输入、电能输出或电能输入输出的一个或多个电源连接端口，以便用于从外部电源对内部电池充电，所述外部电源通过连接端口与充电器连接，或用于对通过连接端口与充电器连接的电子设备充电。所述便携式充电器可进一步同时与外部电源以及一个或多个电子设备连接，即使使用相同的电源连接端口，这并不影响操作充电器从外部电源接收电量或供应电量至电子设备。

在本发明的优选实施例中，所述电源充电器设置有USB连接端口、直流连接端口、以及点火连接端口。需要时，所述USB连接端口能够用作电能输出，以及用于通过使用合适的充电电缆以及适配器装置将电源充电器与电子设备和/或外部电源连接。在某些实施例中，可以设置多个USB端口。此外，虽然显示并且描述为USB端口，但是所述端口可使用其它公知的连接接口，如微型USB接口、迷你USB接口、苹果的闪电(Lightning)接口、苹果的30引脚接口，这并不脱离本发明的精神和原则。

需要时，所述直流连接端口能够用作电能输入，以及用于通过使用具有交流/直流适配器的充电电缆将电源充电器与外部电源连接。在本发明的实施例中，可设置单独的直流输入以及直流输出。所述点火连接端口被设置为，通过使用跨接电缆将便携式充电器连接至车载电池，以进行跨接启动，所述跨接电缆具有插入该端口的正极以及负极鳄鱼夹。特别设计的端盖设置在跨接电缆的端部上，以适配点火端口的插槽。

根据本文所述以及所示设计的电源充电器由于充电器外壳的尺寸小并且紧凑而方便携带。尽管电源充电器的尺寸小，但是供电容量是非常高的，因此电池单元能够适用于多种需要充电的设备，如有必要，可同时包括多个设备。在优选的实施例中，所述电池单元包括可充电锂离子电池，其具有约57165mWh至约57720mWh范围的供电容量。这样的供电容量允许便携式充电器还用于对便携式电子设备进行充电。此外，此供电容量级别使得本发明尤其适合用于跨接启动车载电池。

所述便携式电源充电器还包括由充电器壳体上的电源开关所控制的应急照明灯。

所述便携式电源充电器还包括电源指示器，其指示电源充电器中的内部可充电电池单元的剩余容量。例如，在本发明的实施例中，所述电源指示器包括四个LED灯串，但是也能够包括更多或更少的灯，这并不脱离本发明的原则和精神。当电池处于“满”容量时—即，电量在约76％和约100％之间—所有灯都会亮起来。当电池电能减少时，这些灯会由于电能的使用而相应地逐个减少—例如，三个灯表示电能在约51％和约75％之间；两个等表示电能在约26％和约50％之间；一个灯表示电能低于或等于约25％。替代地，所述电源指示器装置能够包括为内部可充电电池单元提供电池容量水平(capacity level)的数字接口，或者提供电池电量信息的其它公知装置。所述电源充电器还包括控制器或微处理器，包括处理单元，配置用于执行指令并且完成与电源充电器相关的操作。例如，处理单元能够跟踪电池单元的容量水平、存储数据或提供导管装置，通过该导管装置，能够在电子设备之间交换数据，如在智能手机和电脑之间交换数据。所述处理单元与电池单元连通，以确定电池剩下多少容量。确定所述容量水平后，所述处理单元能够与电源指示器装置连通，以提供用户如下信息，即内部可充电电池单元剩下多少容量以及充电器是否需要与外部电源连接以进行充电。

在电源充电器的某些实施例中，与内部电池单元操作性连接的连接器电缆能够与充电器壳体一起设置，而在一些实施例中，可存储在形成于充电器壳体中的腔体内部，可将它们从腔体中移除，以与需要充电的电子设备连接。更进一步地，这样的充电电缆是可拆卸的以及可更换的，以便不同的连接器接口—例如，USB、微型USB、迷你USB、苹果的闪电接口、或苹果的30引脚接口—能够与便携式电源充电器一起使用。

在电源充电器的某些实施例中，无线发送器和/或接收器能够包括在充电器壳体中，用于对具有合适无线接收器的便携式电子设备的内部电池进行无线充电，或从无线充电站对电源充电器的内部电池进行无线充电，如在悬而未决的美国专利申请14/220,524中所示以及所述的设计，该美国专利申请日为2014年3月20日，其通过引用并入本文中。

附图说明

本发明的某些示例性实施例，如上面所简述的，通过以下附图来进行说明。

图1示出了便携式充电器的透视图；

图2示出了图1中的便携式充电器的前视图；

图3示出了第二便携式充电器的透视图；

图4示出了图3中的第二便携式充电器的前视图；

图5示出了图3中的便携式充电器的分解组装图；

图6示出了图1或图3中的任一便携式充电器的安全电路的示意图；

图7示出了图1或图3中的任一便携式充电器的微处理器引脚；

图8示出了图1或图3中的任一便携式充电器的反极性检测器；

图9示出了图1或图3中的任一便携式充电器的反向电流保护器；

图10示出了图1或图3中的任一便携式充电器的温控电路；

图11示出了图1或图3中的任一便携式充电器的使用以及操作的方法流程图。

具体实施方式

图1以及2示出了一种便携式充电器10，其能够跨接启动12V的车载电池以及对5V的便携式电子设备充电。便携式充电器10包括壳体12。壳体12的外部为至少一个5V的USB输出插孔14。壳体12的外部还有不同形状的正极以及负极12V的跨接电缆插孔16、18、跨接启动按钮20、电源启动按钮22、19V的直流充电插孔24、电池电量指示器LEDs 26以及灯27(例如LED或荧光灯)。参考图3-4，在另一实施例中，便携式充电器90包括第二灯92(例如LED或荧光灯)以及直流输出插孔94。便携式充电器90的其它元件以与参考图1-2所述的那些元件类似的方式编号，并且与参考图1-2所述的那些元件类似。

图5示出了便携式充电器10的分解组装图。在壳体12内部，便携式充电器10容纳充电器电池30(例如，锂离子电池)、电源40以及安全电路50，电源40操作性连接到充电器电池30的至少一个端子、至少一个用于提供+5V的USB电源的USB输出插孔14以及用于提供约+12V直流电源的跨接电缆插孔，安全电路50将电源30与跨接电缆插孔16、18连接。所有这些元件在任一便携式充电器10或90之间是通用的，因此，参考图5对图1-2所示的便携式充电器10进行的描述同样适用于图3-4所示的便携式充电器90。

在某些实施例中，充电器电池30能够是串联连接的三个单体锂离子聚合物电池，每个单体的额定电压为3.7V(总电压为11.1V)，能够达到400A的峰值电流，超过57000mWh的容量，具有支持19V充电电压的充电电路。这样的规格使得便携式充电器10为中等尺寸的，即，沿任一边小于30cm，同时还能够对12V的车载电池实现至少三次跨接启动尝试。电源40允许高达400Amp的峰值电流，以用于跨接启动与车辆连接的汽车电池。此外，电源40提供5V的直流输出至USB插孔。

一般来说，如果正负跨接电缆插孔两端具有至少约11V的电压差，则安全电路50启用跨接电缆插孔与充电器电池端子操作性连接。如果出现以下切断条件，则安全电路50至少中断充电器插孔与充电器电池的操作性连接：正极以及负极冲充电器插孔两端的电压不足；正极以及负极充电器插孔的极性反向；流向充电器电池的电流反向；或者充电器电池的温度过高。

为了执行上述功能，安全电路50启动跨接启动安全校验序列100(如下文参考图11进一步所述)，来响应用户对跨接启动按钮20的驱动。当成功完成跨接启动安全校验序列时，便携式充电器10便将12V的直流电流从充电器电池30提供至充电器插孔16、18。此外，当成功完成跨接启动安全校验序列时，便携式充电器10便随时准备在预定时间段期间提供12V的直流电流。例如，在该预定时间段期间，便携式充电器10将12V的直流电流从充电器电池30提供至充电器插孔16、18，以响应用户对跨接启动按钮20的第二驱动。例如，该预定时间段足以用于三次离散的跨接启动尝试。根据某些实施例，在三次离散的跨接启动尝试后，便携式充电器10中止准备。

参考图6-10，安全电路50包括跨接启动继电器52、微处理器54、与微处理器操作性连接以启用或禁用跨接启动继电器的电压输入分析器56、差分电压放大器58、反极性检测器60、反向电流保护器62以及热敏电阻器64。

更具体地，微处理器54的端口PD1被操作性连接来驱动晶体管66，晶体管66使跨接启动继电器52通电或断电。微处理器54还被配置来执行指令并且完成与电源充电器相关的操作。例如，处理单元能够跟踪电池单元的容量水平(capacity level)、存储数据或提供导管装置，通过该导管装置，能够在电子设备之间交换数据，如在智能手机和电脑之间交换数据。处理单元与电池单元连通，以确定电池剩下多少容量。确定容量水平后，为了显示如下信息，即内部可充电电池单元剩下多少容量以及充电器是否需要与外部电源连接以进行充电，处理单元能够与电源指示器装置26连通。

图6示出了电压输入分析器56，其被操作性连接在跨接电缆插孔16、18之间。电压输入分析器56包括分压器，以便其将待充电车载电池的部分端电压发送至微处理器54的端口PA0。如果有充足的电压差(跨接电缆插孔与电池连接)，则来自电压输入分析器56的部分电压将会取消微处理器端口PA0处默认的低信号，其结果是，微处理器54将具有为使跨接启动继电器52通电或启用跨接启动继电器52而所需的输入中的一个。因此，只有当充电器电池30电压满足条件时，安全电路50才能够使得跨接电缆插孔16、18与充电器电池30操作性连接。

图6还示出了差分电流放大器58，其比较充电器电池30的负极端电压与待充电车载电池的负极端电压，并且如果充电电流超过容差阈值，则发送高信号至微处理器54的端口PC7。此外，如果差分电流放大器输出超过齐纳二极管(Zener diode)68的击穿电压，则该输出传送电波至晶体管70，以在微处理器54的端口PA3处产生低信号。这两个信号使得微处理器不能使跨接启动继电器52通电或启用跨接启动继电器52。因此，只有当负极端电压在预定容差阈值内匹配时，安全电路50才能够使得跨接电缆插孔16、18与充电器电池30操作性连接。

图7示出了微处理器54，其包括以下端口-PA3：A/D端口电池温度检测；PA2：A/D端口电池电压检测；PA1：ADI 5V的USB电流检测；PA0：校验外部电压检测；VSS：接地端；PC6：V2充电电压检测；PC7：V4电池电流输出检测；PC0：V5充电电压以及电池电压检测；PC1：V3返回至充电电流检测；PD0：开/关端口；PD1：继电器控制端口；PB0：反向电池检测；PB1：LED开/关控制；PB2：跨接按钮控制；PB3：灯光按钮控制；PB4：跨接绿光控制；PB5：跨接红光控制；PD2：关/闭灯光控制；PD3：USB输出控制；PC2：关/闭按钮电压控制；PWM1：PWM信号输出；PC4：LED电池指示器控制；VDD：VCC；以及PA6-PA4：LED电池指示器控制。

图8示出反极性检测器60，其可包括串联连接在接地和正极跨接电缆插孔16之间的发光二极管72，还可包括与发光二极管光通信并且串联连接在接地和微处理器54的反极性检测端子PB0之间的光敏晶体管74。如果跨接电缆接反了，即正极跨接电缆插孔与待充电的负极端子连接，则将通过对发光二极管72通电以及经由光敏晶体管74的相应传导来检测到反极性。这会在微处理器的端口PB0产生低信号，该低信号会取消掉为使跨接启动继电器52通电或启用跨接启动继电器52而所需的输入。因此，如果跨接电缆插孔与车载电池接反了，则安全电路50禁用跨接电缆插孔16、18与充电器电池30的操作性连接。

图9示出了反向电流保护器62，其可包括在充电器电池30的负极端子和负极跨接电缆插孔18之间操作性连接的运算放大器76。如果运算放大器76两端的电压差反向，则反向电流保护器62会发送高信号至微处理器54的端口PC1，微处理器54会取消掉为使跨接启动继电器52通电或启用跨接启动继电器52而所需的输入。因此，如果车载电池开始将电流送回通过充电器电池时，则安全电路50会禁用跨接电缆插孔16、18与充电器电池30的操作性连接。

图10示出了热敏电阻器64(或等效的温度检测电路)安装在充电器电池30附近并且与微处理器54操作性连接，以在充电器电池温度超过预定阈值的情况下在PA5处提供低信号。因此，如果充电器电池温度超过预定温度，则安全电路50会禁用跨接电缆插孔16、18与充电器电池30的操作性连接。

图11示出了跨接启动安全序列100的流程图。在步骤101，按下便携式充电器10上的跨接启动按钮20。按下跨接启动按钮20启动跨接启动安全校验序列100。在步骤102，安全电路50使用反极性检测器60校验跨接电缆的极性。如果电缆连接错误，则跨接启动按钮20将会发出快速的红色闪光104。如果电缆连接正确，则安全电路50将会使用电压输入分析器56来校验108充电器电池30的电压是否足够。为了评估充电器电池的正极端子与该电池的负极端子之间的电压差，即便携式充电器10会被用于跨接启动的电压差，电压输入分析器电路56发送信号至微处理器54的引脚PA0、PC5，微处理器54接收来自充电器电池30的正极端子的部分电压。如果没有检测到电压，则安全电路50将发送信号给微处理器54，以禁用跨接启动继电器52。另一方面，如果微处理器54感测到至少最小的电压差，则其接着将启用跨接启动继电器52。因此，倘若充电器电池的电压也是满足条件的，如果跨接启动电缆从跨接电缆插孔正确连接至待充电的车载电池，则跨接启动按钮20发出约4s的绿色闪光。接着4至5s后，便携式充电器10将会进入112跨接启动准备状态。当跨接启动按钮20从闪烁的绿光变为稳定的绿光时，便携式充电器便准备尝试汽车启动。为了允许多次跨接启动尝试(例如，至少3次尝试)，在预定时间段期间(例如长达5分钟)，微处理器54会将安全电路50以及便携式充电器10保持在准备跨接启动的状态中。如果在5分钟过去之前没有尝试跨接启动，则微处理器54会通过禁用继电器52来关闭便携式充电器10。另一方面，如果尝试了跨接启动，而发送机无法启动，则在关闭便携式充电器10之前，微处理器54将允许预定次数的尝试(例如，总次数为3)。

从跨接启动准备状态开始，能够通过第二次按下跨接启动按钮20来启动充电。一旦充电已经启动，安全电路50便使用差分电流放大器58来持续监测114过电流，并且还使用反向电流保护器62来监测116反向电流。

如果在跨接启动期间，来自充电器电池30的牵引电流(current draw)大于30A的时间持续超过30s，则安全电路50会使跨接启动按钮20发出快速的红色闪光以及使电源按钮22发出快速的蓝色闪光。用于跨接启动、运行车灯、配件等的设计峰值牵引电流约为70A。因此，当检测到成功的启动时，微处理器54将允许高达70A的牵引电流持续长达4s。

如果跨接启动按钮20显示快闪的红光，则用户能够第三次按下跨接启动按钮132，以切断便携式充电器10。用户接着能够校验电缆连接，并且能够再次按下101跨接启动按钮，以重启跨接启动安全校验序列。此外，安全电路50使用热敏电阻器64来监测118过温度。如果便携式充电器感测到充电器电池30的过温度条件，则四个电池电量LED将全部快速闪烁134几秒钟。在充电器电池30冷却到安全温度之前，即低于65℃之前，将禁用跨接启动序列。

因此，本发明的实施例提供了一种便携式充电器，其能够跨接启动12V的车载电池以及对5V的便携式电子设备充电。该便携式充电器包括：充电器电池；与充电器电池的至少一个端子操作性连接的电源；与电源操作性连接的安全电路；经由安全电路与电源操作性连接的至少一个USB输出插孔，用于提供+5V的USB电源；以及经由安全电路与电源操作性连接的正极以及负极跨接电缆插孔，用于提供+12V的直流电源来跨接启动车载电池。

尽管已经参考附图描述了本发明的示例性实施例，但是本领域技术人员将理解与通过所附权利要求限定的本发明范围一致的形式或细节方面的变形。