可穿戴设备智能充电系统和充电方法与流程

本发明涉及充电系统技术领域，尤其涉及一种应用于可穿戴设备上的智能充电系统以及利用该充电系统实现的充电方法。

背景技术：

随着科技的发展，可穿戴产品越来越多，比如智能手环、虚拟眼镜、动作捕捉设备等等，但是可穿戴产品为了增加佩戴的舒适度，会追求体积小，重量轻。

在可穿戴技术里，除了上述的追求体积小一级佩戴的舒适度，大家关注的另外一个重点为电池，现有技术中的可穿戴产通常为了适合穿戴，会设计成曲面结构，这就需要内部的元器件，特别是电池也能设计成弧形结构，这样的结构，加之为了让可穿戴产品更加轻便，会对电池的体积也进行限制，基于上述原因，大大降低了电池的续航能力，这样，使得可穿戴产品经常需要充电，而一般的可穿戴产品的电池都需要单独设计一个电源充电电路，使用单独的控制芯片进行控制，这样大大增加了充电电路设计的复杂性，且使用的元器件多，在电路的性能稳定上造成了一定的影响，另外增加的元器件也就意味着增加了电路板的面积，增大了整个可穿戴产品的体积，对可穿戴产品的结构设计造成了局限性，使可穿戴产品体积大，重量也增重。

技术实现要素：

针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种可穿戴设备智能充电系统，通过利用主控单片机的空余引脚进行充电电路的设置，即使是对于不满足充电电路连接的主控单片机也可以通过设置一个放大器和比较器连接的外围电路以达到同样的目的，大大减少了充电电路的元器件，节省了主控电路板的空间，从而能到到减小可穿戴产品的体积以及重量的目的。

为了达到上述目的，本发明一种可穿戴设备智能充电系统，包括主控单片机、晶体管、电感、二极管和电阻，所述晶体管采用N沟道的晶体管，主控单片机上第一引脚和第二引脚分别接在电阻的输入端和输出端，主控单片机的第二引脚以及电阻的输出端与电池的正极连接，电池的负极接地，电阻的正极还与电感的负极连接，电感的正极分别与二极管的阴极和晶体管的源极电连接，二极管的阳极接地，所述晶体管的栅极与主控单片机的第三引脚电连接，所述晶体管的漏极与外部输入端连接，所述第一引脚、第二引脚和第三引脚都是空余引脚。

其中，所述主控单片机上设置有比较器和放大器，所述比较器的正极连接第一引脚，所述放大器的负极连接第二引脚，所述比较器的负极与放大器的输出端连接，所述放大器的正极连接V_ref。

其中，当主控单片机的各个空余的引脚没有放大器与比较器相连接的电路结构时，在所述主控单片机的外围电路上追加一个放大器和一个比较器，连接关系为比较器的负极与放大器的输出端连接，比较器的正极与电阻的正极连接，所述放大器的正极连接Vref，所述放大器的负极与电池连接。

其中，所述主控单片机采用NORDIC公司的nRF52832，第一引脚、第二引脚和第三引脚都是该芯片的多余的I/O口。

本发明还公开一种可穿戴设备智能充电的方法，包括上述的可穿戴设备智能充电系统，通过上述可穿戴设备智能充电系统的充电过程包括预充电阶段、恒流充电阶段和恒压充电阶段；

预充电阶段：当主控单片机检测到电池的电压小于电池额定值时，设置充电电流为Ipre，直到电池电压超过电池额定值；

恒流充电阶段：为了充电工作的稳定性，我们设置固定导通时间，即晶体管的开通时间固定，检测充电电流动态变化关断时间；

恒压充电阶段：当检测到电池电压为电池最大值时进入恒压充电阶段，充电电流快速降低，充电电压缓慢增加，且不超过电池最大值，为了充电工作的稳定性，我们设置固定关闭时间，即晶体管的关闭时间固定，检测充电电流的动态变化。

其中，所述预充电阶段：分别设置预充电电流、恒流充电电流、恒压充电关断电流为：Ipre、Icti、Ictv，C为电池的容量，三者的关系为：

I_cti＝0.5C

I_pre＝0.2I_cti

I_ctv＝0.125Icti

其中，预充电预设最长充电时间，当预充电时间超过最长充电时间时，电池电压还不到电池额定值时，主控单片机会认为电池故障，停止充电并报警。

其中，恒流充电过程中，分成t0、t1和t2三个时间段，

在t0时刻：主控单片机的第三引脚输出高电平，晶体管关断、通过电阻的电流I_r的大小下降；

在t1时刻：电阻的电压Vr＜Vref，比较器偏转，输出低电平，晶体管开通；

在t1-t2时刻：时长固定，I_r线性增加；

在t2时刻：比较器偏转，回到t0状态，完成一周期的充电控。

其中，在恒压充电阶段，也分成t0、t1和t2三个时间段，控制部分分别为：

在t0时刻，主控单片机或者第三引脚输出高电平，晶体管关断，通过电阻的电流Ir线性下降；

在t0～t1时刻，时长固定为；

在t1时刻，比较器偏转输出低电平，晶体管导通，Ir线性增加；

在t2时刻第一引脚或者比较器的正极输出电流增加到比较器偏转，此时回到t0状态。

其中，所述恒压充电实现过程为：

当在t0时晶体管导通，电感电流IL线性增加，到电池电压时触发比较器偏转，晶体管关闭，I_l线性减小；

当电池电压增加时，比较器的负极与放大器的输出端的电压值下降，比较器提前偏转，晶体管提前关闭，电感电流平均值减小，即充电电流减小。

本发明的有益效果是：

与现有技术相比，本发明可穿戴设备智能充电系统不需要额外的追加一个充电电源控制芯片，直接在已有的可穿戴设备的主控单片机上，利用其空余的引脚，设计一个电池的充电电路，大大减少了控制电路中需要的的元器件，从而减小了主控电路板占用面积，时主控电路板更小巧，提升了整个可穿戴产品的可设计度，使之能设计地更为小巧轻便，符合可穿戴智能产品的设计理念，同时整个充电系统的结构简单，工作原理也简单，灵活性强，在主控单片机没有符合要求的电路连接端口的情况下，还可以利用其空余引脚在外围电路上设计一个放大器和比较器，并按照上述的连接关系进行连接，也能达到同样的目的。

附图说明

图1为本发明实施例的充电电路结构示意图；

图2为本发明实施例的恒流充电控制结构示意图；

图3为本发明实施例的恒流充电PWM信号时序图；

图4为本发明实施例的恒压充电控制电路图；

图5为本发明实施例的恒压充电Vset与电感电流示意图。

具体实施方式

为了更清楚地表述本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。

请参阅图1，本发明公开一种可穿戴设备智能充电系统，包括主控单片机U、晶体管M、电感L、二极管D和电阻R，晶体管M采用N沟道的晶体管，主控单片机U上的第一引脚P1和第二引脚P2分别接在电阻R的输入端和输出端，主控单片机U的第二引脚P2以及电阻R的输出端与电池B的正极连接，第一引脚P1的电流为I1，第二引脚P2流出的电流为I2，电池B的负极接地，电阻R的正极还与电感L的负极连接，电感L的正极分别与二极管D的阴极和晶体管M的源极电连接，二极管D的阳极接地，晶体管M的栅极与主控单片机U的第三引脚P3电连接，晶体管M的漏极与外部输入端Vin连接，第一引脚P1、第二引脚P2和第三引脚P3都是空余引脚。

与现有技术相比，本发明连接关系简单，只需要在已有的主控单片机U上，利用其空余的引脚，即可完成整个充电电路的设计，大大减少了控制电路中需要的的元器件，从而减小了主控电路板占用面积，时主控电路板更小巧，提升了整个可穿戴产品的可设计度，使之能设计地更为小巧轻便，符合可穿戴智能产品的设计理念。

在本实施例中，主控单片机U采用NORDIC公司的nRF52832蓝牙控制芯片，其中第一引脚P1、第二引脚P2和第三引脚P3都是该芯片的多余的I/O口，在nRF52832蓝牙控制芯片的第一引脚P1与第二引脚片P2之间，设置有一个比较器F1和一个放大器F2，比较器F1的正极连接第一引脚P1，放大器F2的负极连接第二引脚P2，比较器F1的负极与放大器F2的输出端连接，放大器F2的正极连接V_ref。

在本实施例中，主控单片机U也可以采用其他的控制芯片，其连接引脚的内设置有上述的比较器F1和放大器F2即可，但是，当所选用的主控单片机U的各个引脚中没有上述符合要求的输出I/O引脚的时候，也可以利用其空余引脚在外围电路上设计一个放大器F2和比较器F1，并按照上述的连接关系进行连接，也能达到同样的目的。本发明的可穿戴智能充电系统的工作原理也简单，灵活性强，在主控单片机没有符合要求的电路连接端口的情况下，在外围电路上追加一个放大器F2和一个比较器F1，连接关系为比较器F1的负极与放大器F2的输出端连接，比较器F1的正极与电阻R的正极连接，放大器F2的正极连接Vref，放大器F2的负极与电池连接。

请参阅图2，在本实施例中，以主控单片机U采用NORDIC公司的nRF52832蓝牙控制芯片的连接关系为例进行分析，整个充电过程包括预充电阶段、恒流充电阶段和恒压充电阶段，通过主控单片机

U采集充电电流和电池电压，用PWM波控制晶体管的开关，实现充电，其中，

充电电流检测：

电池的充电电压：

V_b＝V_I2

为了实现三个阶段充电，分别设置预充电电流、恒流充电电流、恒压充电关断电流为：Ipre、Icti、Ictv，其中，C为电池B的电量：

I_cti＝0.5C

I_pre＝0.2I_cti

I_ctv＝0.125Icti

预充电阶段：当主控单片机U检测到电池B的电压Vb小于电池额定值3.3V时，设置充电电流为Ipre，直到电池电压超过电池B的额定值3.3V；在本实施例中，预充电预设最长充电时间为30min，当预充电时间超过30min时，电池B的电压Vb还不到3.3V时，主控单片机U会认为电池B故障，停止充电并报警。

若预充电过程完成，没有出现故障，则进入恒流充电阶段，本阶段为电池B储能的主要阶段，为了充电工作的稳定性，我们设置固定导通时间，即晶体管M的开通时间固定，检测充电电流动态变化关断时间；

请参阅图3，在恒流充电过程中，分成t0、t1和t2三个时间段，各个时间段的具体控制过程为：

在t0时刻：主控单片机U的第三引脚P3输出高电平，晶体管M关断、通过电阻R的电流I_R的大小下降；

在t1时刻：电阻的电压V_R＜Vref，比较器F1偏转，输出低电平，晶体管M开通；

在t1-t2时刻：时长固定为T_on，I_R线性增加；

在t2时刻：比较器F1偏转，回到t0状态，完成一周期的充电控制。

请参阅图4-图5，当完成了恒流充电过程时，进入恒压充电阶段之前，会检测电池B两端的电压，当检测到电池B为4.15V时，进入恒压充电阶段，充电电流快速降低，充电电压缓慢增加，且不得超过4.2V。为了充电工作的稳定性，我们设置固定关闭时间，即晶体管M的关闭时间，检测充电电流动态变化。

在恒压充电阶段，也分成t0、t1和t2三个时间段，控制部分分别为：

在t0时刻，主控单片机U或者第三引脚P3输出高电平，晶体管M关断，通过电阻R的电流I_R线性下降；

在t0～t1时刻，时长固定为；

在t1时刻，比较器F1偏转输出低电平，晶体管M导通，I_R线性增加；

在t2时刻第一引脚P1或者比较器F1的正极输出电流I1增加到比较器偏转为止，此时回到t0状态。

在本实施例中，恒压充电实现过程为：

当在t0时晶体管M导通，电感电流I_L线性增加，到电池电压Vb的最大值时，触发比较器F1偏转，晶体管M关闭，I_L线性减小；

当电池电压Vb增加时，比较器F1的负极与放大器F2的输出端的电压值Vset下降，比较器F1提前偏转，晶体管M提前关闭，电感电流I_l平均值减小，即充电电流减小。

本发明的优势在于：

1)可穿戴设备智能充电系统不需要额外的追加一个充电电源控制芯片，直接在已有的可穿戴设备的主控单片机上，利用其空余的引脚，设计一个电池的充电电路，大大减少了控制电路中需要的的元器件，从而减小了主控电路板占用面积，时主控电路板更小巧，提升了整个可穿戴产品的可设计度，使之能设计地更为小巧轻便，符合可穿戴智能产品的设计理念；

2)同时整个充电系统的结构简单，工作原理也简单，灵活性强，在主控单片机没有符合要求的电路连接端口的情况下，还可以利用其空余引脚在外围电路上设计一个放大器和比较器，并按照上述的连接关系进行连接，也能达到同样的目的；

3)在充电过程中，在恒流阶段使用固定电流控制模式，在恒压阶段采用固定电压控制模式，控制方式简单，新颖，且充电效果好。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。