智能设备的充电装置的制作方法

本实用新型涉及电源和充电技术领域，具体涉及机器人、无人机等智能设备的充电装置。

背景技术：

如今越来越多的电子设备靠可充电电池进行供电，常见的可充电电池包括镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、聚合物锂离子电池和磷酸铁锂电池等。对不同电池的充电有不同的充电方法，本质上都是需要充电电路提供所需要的稳定的充电电流和电压，使得电池能够快速安全的进行充电。

目前的充电器一般有两种，一种是脉宽调制(PWM)方式，即通过开关的方式，在一个周期内的某一段时间直接把电源电压加到电池上，这种方式控制简单，但对电池的寿命影响比较大；还有一种是目前主流的充电方式，即通过控制线性调节器或者开关型直流变换器，输出所需电流或者电压。

技术实现要素：

本实用新型针对现在无电池管理专用芯片的电子系统，采用控制开关型直流变换器的方式，充分利用系统微控制器的现有资源，通过数字控制方式，灵活、低成本实现对电池的充电。本实用新型由以下技术方案实现：

一种智能设备的充电装置，其特征在于：包括微控制器、直流变换器、电压传感器及电流传感器；电压传感器的一端连接可充电电池的正极，另一端连接微控制器的第一ADC输入端；电流传感器的一端连接可充电电池的负极，另一端连接微控制器的第二ADC输入端；直流变换器的控制端连接微控制器的脉宽调制信号输出端，输入端连接电源V_IN，输出端连接可充电电池的正极。

作为具体的技术方案，所述微控制器包括第一ADC模块、第二ADC模块、第一减法器、第二减法器、第一数字PID模块、第二数字PID模块及数字PWM模块；所述第一减法器的一个输入连接第二ADC模块的输出，另一个输入接一个设定的充电电流Iref，输出连接第一数字PID模块；第二接减法器的一个输入连接第一ADC模块的输出，另一个输入连接第一数字PID模块的输出，输出连接第二数字PID模块；数字PWM模块的输入连接第二数字PID模块的输出，输出连接直流变换器的输入端。

作为具体的技术方案，所述电压传感器包括电压采集电阻R1及R2；所述电压采集电阻R1和电阻R2串接于可充电电池的正极与地之间，电压采集电阻R1和电阻R2的节点连接所述第一ADC模块。

作为具体的技术方案，所述电流传感器包括电流采集电阻Rs及放大器；电流采集电阻Rs一端连接可充电电池的负极及放大器的输入端，另一端接地，放大器的输出端连接所述第二ADC模块。

作为具体的技术方案，所述直流变换器包括驱动器、开关管Q1、二极管D1、电感L及电容Co；驱动器的输入端连接所述数字PWM模块的输出；开关管Q1为PMOS管，G极连接驱动器的输出端，S极连接电源V_IN，D极连接电感L一端，电感L另一端连接可充电电池的正极；二极管D1的正极接地，负极连接开关管Q1的D极；电容Co一端连接电感L的另一端，另一端接地。

本实用新型的有益效果在于：跟传统的通过PWM控制功率开关导通直接把输入电压加到电池上这种充电方法相比，本实用新型能实现对充电电流和电压的精确控制，降低了对充电适配器的要求，提高了充电的安全和电池使用寿命。此外，本实用新型还可以用于适配器电压低于电池电压的情况。跟用使用专用充电控制芯片系统相比，本实用新型实现简单，成本低。而且本实用新型配置灵活方便，对于不同适配器电压V_IN或者不同节数的电池，只需要根据情况重新计算两个PID方程，简单改变软件参数就可以实现。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的充电装置的模块构成图。

图2为本实用新型实施例提供的充电装置的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明：

如图1所示，本实施例提供的充电装置包括微控制器101、直流变换器102、电压传感器103及电流传感器105。电压传感器103的一端连接可充电电池104的正极，另一端连接微控制器101的第一ADC输入端；电流传感器105的一端连接可充电电池104的负极，另一端连接微控制器101的第二ADC输入端；微控制器101的脉宽调制(PWM)信号输出端连接直流变换器的控制端，直流变换器的输入端连接电源V_IN，直流变换器的输出端连接可充电电池的正极。

如图2所示，具体地，微控制器101包括第一ADC模块204、第二ADC模块205、第一减法器、第二减法器、第一数字PID模块201(数字PID1)、第二数字PID模块202(数字PID2)及数字PWM模块203；电压传感器103包括电压采集电阻R1及电压采集电阻R2；电流传感器105包括电流采集电阻Rs及放大器；直流变换器102包括驱动器、开关管Q1、二极管D1、电感L及电容Co。电压采集电阻R1和电阻R2串接于可充电电池104的正极与地之间，电压采集电阻R1和电阻R2的节点连接第一ADC模块204；电流采集电阻Rs一端连接可充电电池104的负极及放大器的输入端，另一端接地，放大器的输出端连接第二ADC模块205；第一减法器的一个输入连接第二ADC模块205的输出，另一个输入接一个设定的充电电流Iref，输出连接第一数字PID模块201；第二接减法器的一个输入连接第一ADC模块204的输出，另一个输入连接第一数字PID模块201的输出，输出连接第二数字PID模块202；数字PWM模块203的输入连接第二数字PID模块202的输出，输出连接驱动器的输入端；开关管Q1为PMOS管，其G极连接驱动器的输出端，S极连接电源V_IN，D极连接电感L一端，电感L另一端连接可充电电池的正极；二极管D1的正极接地，负极连接开关管Q1的D极；电容Co一端连接电感L的另一端，另一端接地。

结合图1及图2，上述实施例提供的充电装置的充电系统的工作原理及工作过程(对电池的充电方法)说明如下：

在有单片机、DSP和应用处理器等微控制器(MCU)的电子系统中，把电池电压和充电电流通过传感器采集后，经过模数转换器(ADC)转换为数字信号，对其进行数字PID处理后产生脉宽调制(PWM)信号控制直流变换器，使充电电流和充电电压稳定在设定的值。

具体地，整个充电控制系统是一个双环控制系统，内环为电压控制，外环为电流控制。通过电阻Rs采样充电电流，经放大器放大后送给ADC进行转换。转换后的充电电流跟设定的充电电流Iref相减，数字PID1对电流差值进行运算后生成参考电压Vref，作为电压控制环路的参考电压。参考电压Vref的最大值设置为充电终止电压，可以实现充电的恒压控制。电池电压通过R1和R2分压后给ADC进行转换，转换后的电池电压跟充电电流控制环路产生的考电压Vref相减后，数字PID2对电压差值进行运算后生成脉冲宽度信号，送给数字PWM模块产生所需要的脉宽调制(PWM)信号。PWM信号送到直流变换器的驱动器的控制端，最终实现对充电电流和电压的控制。

为了实现对充电电流和电压的稳定控制，充电电流控制环的带宽设计为远小于电压控制环的带宽(工程上一般十分之一可认为远小于)。由于充电控制系统对瞬态要求不高，系统的带宽可以设计的比较低，从而减轻了数字PID1和PID2的运算负担。

数字PID1算法的生成过程如下：在s域，由电池数学模型和电流控制环路的其他参数，得到环路传输函数，再根据所需带宽和环路稳定性要求，得到s域的PID控制方程；把此方程离散化后，便得到所需的数字PID算法。数字PID2算法的生成过程也类似，由所用的直流变换器拓扑交流模型和电压控制环路的其他参数，得到环路传输函数，再根据所需带宽和环路稳定性要求，得到s域的PID控制方程；把此方程离散化后，便得到所需的数字PID算法。

需要说明的是，图2所示的降压直流变换器、电流传感器和电压传感器只是方便举例说明，实际上其他的直流变换器拓扑和其他电流电压检测方法对本实用新型也同样适用。

本实用新型的有益效果在于：

跟传统的通过PWM控制功率开关导通直接把输入电压加到电池上这种充电方法相比，本实用新型能实现对充电电流和电压的精确控制，降低了对充电适配器的要求，提高了充电的安全和电池使用寿命。此外，本实用新型还可以用于适配器电压低于电池电压的情况。

跟用使用专用充电控制芯片系统相比，本实用新型实现简单，成本低。而且本实用新型配置灵活方便，对于不同适配器电压V_IN或者不同节数的电池，只需要根据情况重新计算两个PID方程，简单改变软件参数就可以实现。

本实用新型设计的控制带宽比较小，大大降低了对两个PID计算的需求，计算开销很小，对微控制器的要求极低。当然，本实用新型也适用控制带宽大的情况。

本实用新型设计的充电控制系统代码量极小，增加的成本对微控制器可以忽略。结合上述情况，整个充电系统的整体成本很低。

以上实施例仅为充分公开而非限制本实用新型，凡基于本实用新型的创作主旨、未经创造性劳动的等效技术特征的替换，应当视为本申请揭露的范围。