專利名稱：一種充電裝置及控制方法
技術領域：
本發明涉及電學領域，特別是關于一種充電裝置及控制方法。
背景技術：
開關電源廣泛應用于照相機、攝像機、PDA、手提電腦、便攜式監測設備等電子產品 中。隨著便攜式產品的日益發展和廣泛應用，對開關電源電壓輸出種類有了更多的需求，對 其體積和穩定性提出了更高的要求。在當前的便攜式電子產品中普遍配備可充電鋰離子電池，不同的產品工作電壓不 同、功率不同，所要求的電池輸出電壓及容量不同。現有的充電管理芯片有多種，根據能夠 充電的串聯鋰離子電池節數分單節鋰離子電池充電芯片、二節鋰離子電池充電芯片及多 節鋰離子電池充電芯片，但最多僅能對六節鋰離子電池進行充電。對于電源電壓要求高于 六節串聯鋰離子電池的便攜式應用來說，無現成可以用的集成充電管理芯片。對多節串聯充電電池充電，目前的方案是市電經EMI濾波、橋式整流濾波變成直 流電送入功率變換電路(DC/DC)，功率變換電路在PWM控制器和單片機控制下輸出穩定的 直流電壓。其中有兩種方案如圖1所示為現有技術1中的充電電路圖，該圖中的單片機控制完成輸出電壓電 流的采樣，然后通過控制算法和DA轉換得到輸出到PWM控制器的反饋模擬量，從而控制PWM 控制器輸出波形的占空比達到調節電壓的目的，但是該方案的問題在于，需要變壓器、橋式 整流電路，產品體積大，不易小型化，對便攜式設備不太實用，需要對輸出電壓電流進行模 數轉換，經過控制算法，最后由DA轉換輸出PWM控制器所需要的反饋模擬量。控制器所需 要的反饋模擬量是單片機系統對輸出電壓采樣經過一定算法后實時輸出的，如果程序有問 題則導致反饋電壓失常，會對電源系統帶來災難性故障，如若反饋電壓變的比正常值低，則 輸出電壓可能會達到系統不可接受的高電壓，因此該種方案對系統可靠性的要求很高，從 而帶來系統成本的增加。如圖2所示為現有技術2中的充電電路圖，該充電的控制方法基本與上述方案相 同，只是PWM控制器的輸入模擬反饋量不是來自DA轉換器的輸出而是直接來自輸出采樣電 阻。其工作過程是單片機采樣輸出電壓電流，通過控制算法改變數字電位器的電阻值，從 而改變電壓反饋比例，以此得到不同的輸出電壓，該方案的問題在于，數字電位器的輸出分 辨率較低，一般在10位以下，因而不能對輸出電壓進行精細控制，同時它也需要變壓器、橋 式整流電路，產品體積大，不易小型化，對便攜式設備不太實用。

發明內容
本發明實施例提供一種充電裝置及控制方法，用于解決現有技術中充電控制延 遲，并且輸出的控制量分辨率低等問題。本發明實施例提供一種充電裝置，包括PWM驅動單元，檢測單元，控制單元，第一分壓電阻和第二分壓電阻；
所述PWM驅動單元輸出充電電壓，該充電電壓通過第一分壓電阻后反饋回所述 PWM驅動單元，所述檢測單元檢測所述PWM驅動單元輸出的充電電壓，將檢測結果傳送給所 述控制單元，所述控制單元根據所述檢測結果計算輸出更新的控制電壓，所述更新的控制 電壓通過所述第二分壓電阻與經過所述第一分壓電阻的充電電壓合并為一路電壓，反饋回 所述PWM驅動單元調整所述PWM驅動單元輸出充電電壓。根據本發明實施例所述的充電裝置的一個進一步的方面，還包括輸入緩沖單元， 分別與所述PWM驅動單元和控制單元相連接，在所述控制單元的控制下向所述PWM驅動單 元供電。根據本發明實施例所述的充電裝置的再一個進一步的方面，所述檢測單元檢測 PWM驅動單元輸出的充電電壓和充電電流，將所述檢測到的充電電流和檢測到的充電電壓 傳送給所述控制單元。根據本發明實施例所述的充電裝置的另一個進一步的方面，所述控制單元進一步 包括基準電壓模塊，數字模擬轉換器，單片機，運算放大器；所述基準電壓向所述數字模 擬轉換器提供基準電壓，所述單片機獲取所述檢測單元傳送來的檢測結果，根據所述檢測 結果計算得到需要更新的控制電壓，通過所述數字模擬轉化器和運算放大器輸出模擬量更 新的控制電壓，將所述更新的控制電壓輸出到所述第二分壓電阻。根據本發明實施例所述的充電裝置的另一個進一步的方面，所述單片機將所 述檢測結果與設定值比較，如果不相等則利用如下公式計算出更新的控制電壓Va = [2. 5* (R24+R11) -Vc*Rl 1]/R24,其中Va為當前充電所需的充電電壓，Vc為更新的控制電 壓，R24為第二分壓電阻，Rll為第一分壓電阻。根據本發明實施例所述的充電裝置的另一個進一步的方面，所述數字模擬轉換器 為乘法型數字模擬轉換器。本發明實施例還提供了 一種充電控制方法，PWM驅動單元輸出充電電壓，該充電電壓通過第一分壓電阻后反饋回所述PWM驅 動單元；檢測單元檢測所述輸出的充電電壓，將檢測結果傳送給控制單元；所述控制單元根據所述檢測結果計算輸出更新的控制電壓；所述更新的控制電壓通過所述第二分壓電阻與經過所述第一分壓電阻的充電電 壓合并為一路電壓，反饋回所述PWM驅動單元。根據本發明實施例所述的充電控制方法的再一個進一步的方面，在檢測單元檢測 所述輸出的充電電壓，將檢測結果傳送給控制單元中還包括，檢測單元檢測所述輸出的充 電電流，將檢測結果傳送給控制單元。根據本發明實施例所述的充電控制方法的另一個進一步的方面，在所述控制單元 根據所述檢測結果計算輸出更新的控制電壓中，控制單元將檢測結果與設定值比較，如果 不相等則利用如下公式計算得出更新的控制電壓Va= [2. 5*(RM+Rll)_Vc*Rll]/R24，其中Va為當前充電所需的充電電壓，Vc為 更新的控制電壓，R24為第二分壓電阻，Rll為第一分壓電阻。通過本發明實施例，通過分壓電阻直接反饋輸出的充電電壓，并且通過調節分壓 電阻虛地端的電勢，可以快速的對PWM驅動單元進行控制，從而實現對充電過程快速和精確的控制。


為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以 根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1所示為現有技術1中的充電電路圖；圖2所示為現有技術2中的充電電路圖；圖3所示為本發明實施例一種充電裝置的結構示意圖；圖4所示為本發明實施例一種充電裝置的具體電路圖；圖5所示為本發明實施例控制單元中單片機的電路圖；圖6A、圖6B和圖6C所示為本發明實施例的輔助電源電路圖；圖7所示為本發明實施例一種充電控制方法的流程圖。
具體實施例方式下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于 本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發明保護的范圍。如圖3所示為本發明實施例一種充電裝置的結構示意圖。PWM驅動單元301，檢測單元302，控制單元303，第一分壓電阻304，第二分壓電阻 305。所述PWM驅動單元301輸出充電電壓，該充電電壓通過第一分壓電阻304后反饋 回所述PWM驅動單元301，所述檢測單元302檢測所述PWM驅動單元301輸出的充電電壓，將 檢測結果傳送給所述控制單元303，所述控制單元303根據所述檢測結果計算輸出更新的 控制電壓，所述更新的控制電壓通過所述第二分壓電阻305與經過所述第一分壓電阻304 的充電電壓合并為一路電壓，反饋回所述PWM驅動單元301調整所述PWM驅動單元301輸 出充電電壓。通過上述實施例，PWM驅動單元301經過第一分壓電阻的反饋電壓是直接反饋，反 應速度迅速，可以很快的穩定PWM驅動單元輸出的充電電壓，并且通過調節控制電壓可以 調節反饋給PWM驅動單元的電壓，從而可以精確控制輸出的充電電壓。如圖4所示為本發明實施例一種充電裝置的具體電路圖。包括輸入緩沖單元401，PWM驅動單元402，檢測單元403，控制單元404。其中輸入緩沖單元401，與所述控制單元404相連接，用于在所述控制單元404的 控制下向PWM驅動單元402進行供電，以避免給所述充電裝置的部件造成沖擊。所述PWM驅動單元402，其中L2、Q2、D5及U8構成boost電路主體，U8的6腳輸 出PWM波控制Q2的通與關，Q2關斷時存儲在L2上的能量通過D5向后級電路輸出。反饋 電壓在經電阻Rl 1與電阻R24，在B點反饋到U8 (可以采用芯片TU842D-8)的電壓反饋引腳上。檢測單元403，其中充電電壓VFB通過分壓電阻取得；充電電流IFB由采樣電阻 R6、放大器U4、電阻R16、R13及電容以6組成的電路取得，輸出端J2與負載(充電電池)相連接。控制單元404，包括基準電壓模塊4041，例如采用REF5040A芯片輸出4. 096V的 基準電壓；數字模擬轉換器4042，例如采用乘法型DAC7811芯片，該乘法型DAC7811芯片可 以輸出12位精度的電壓信號(當然可以根據控制精度的要求選用更高精度的乘法型數字 模擬轉換器，如16位精度的乘法型數字模擬轉換器、18位精度的乘法型數字模擬轉換器等 等)，根據單片機4043(如圖5所示)輸出的控制信號，例如同步信號(^ ^)，時鐘信號 (SCLK)，數據輸入信號(SDIN)，數據輸出信號(SDO)，進行數模轉換，將輸入的數字電壓控 制信號轉換為模擬信號，輸出給運算放大器(0ΡΑ22^)4044 ；運算放大器輸出控制電壓(圖 中C點電壓)，經過分壓電阻R24到達B點，B點電壓由A點輸出電壓、電阻R11、電阻RM 及C點電壓決定，同時在系統穩定運行時B點電壓被TU842的2腳鉗位在2. 5V，C點電壓 為固定值。由此可得輸出電壓即A點電壓表達式為(設A點電壓為Va，C點電壓為Vc)Va = [2. 5*(R24+R11)_Vc*Rl1]/R24(式 1)由式1可見，在Rll (第一分壓電阻)、R24 (第二分壓電阻)確定的情況下，通過改 變Vc即可改變系統的電壓輸出Va。其中，如圖5所示的單片機，其接收檢測單元輸出的檢測到的充電電壓VFB和充電 電流IFB，向控制單元中的DAC7811芯片輸出控制信號，利用自身集成的12位AD轉換器實 現對充電電流和充電電壓的采樣，在電池充電的過程中，單片機將所述檢測得到的輸出電 壓或輸出電流與設定值相比較，如果輸出電壓或者輸出電流與設定值不相等，例如大于所 述設定值或者小于所述設定值，其中設定值為當前充電所需的電壓或電流，則根據上述式1 通過控制算法得到更新的控制電壓，即如果輸出電壓或者輸出電流大于設定值則升高控制 電壓，通過上式1計算得知升高控制電壓即可以降低輸出電壓(若要降低輸出電流，同樣是 通過降低輸出電壓來間接降低輸出電流)，在這里上式1中的Va為當前充電所需的充電電 壓或對應的所需充電電流的充電電壓值，如果輸出電壓或輸出電流小于設定值則可以降低 控制電壓，通過上式1計算可知降低控制電壓可以升高輸出電壓(若要升高輸出電流，同樣 是通過升高輸出電壓來間接升高輸出電流)，在這里上式1中的Va為當前充電所需的充電 電壓或對應所需充電電流的充電電壓值，然后通過DAC7811芯片和運算放大器輸出控制電 壓，該控制電壓通過第二分壓電阻RM調節B點電壓，從而調節PWM驅動單元的反饋，實現 控制輸出充電電壓的目的。對于充電裝置中的各單元所需要的驅動電壓可以通過圖6A、圖6B和圖6C中的 輔助電源獲得，所述充電裝置由外部15V直流電源供電(圖中Vin)，上電后輔助電源工 作，得到系統需要的+3. 3V、+5V和-5V電壓源。由兩片集成直流到直流(DCDC)轉換芯片 TPS5430DDA及其外圍電感、電阻電容和二極管組成的電源電路把外部直流電源分別轉換成 +3. 3V和+5V ；由集成DOTC轉換芯片MAX735及其外圍電感、電容及二極管組成的電路將+5V 轉換成-5V。+3. 3V給系統的單片機和數模轉換器DAC7811的數字接口供電；+5V給運算放大器 0PA2228和基準電壓模塊REF5040A供電；-5V給運算放大器0PA22^供電。
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如圖7所示為本發明實施例一種充電控制方法的流程圖。步驟701，PWM驅動單元輸出充電電壓，該充電電壓通過第一分壓電阻后反饋回所 述PWM驅動單元，進行穩定輸出充電電壓的操作。 步驟702，檢測單元檢測所述輸出的充電電壓和充電電流，將檢測結果傳送給控制單元。步驟703，所述控制單元根據所述檢測結果計算輸出更新的控制電壓。步驟704，所述更新的控制電壓通過所述第二分壓電阻與經過所述第一分壓電阻 的充電電壓合并為一路電壓，反饋回所述PWM驅動單元。在所述步驟701之前還可以包括，在控制單元的控制下向所述PWM驅動單元供電， 從而可以避免供電電流對充電裝置部件造成沖擊。其中所述控制單元中的單片機根據所述檢測結果計算輸出更新的控制電壓中，利 用檢測結果與設定值比較，如果未達到設定值或者超過了設定值(也就是不相等)，則根據 下式計算得出更新的控制電壓，Va = [2. 5* (R24+R11) -Vc*Rl 1]/R24,其中Va為當前充電需 要的充電電壓，控制單元控制電壓輸出的C點電壓為Vc，Rll為第一分壓電阻，RM為第二 分壓電阻，由于當前充電所需的充電電壓已知，可以計算出需要在C點輸出的更新的控制 電壓，控制單元可以根據計算結果輸出控制電壓到C點。通過上述實施例，由于采用了直流-直流輸入，利用現在市場上的直流電源(例如 12V或15V電源)作為外部供電即可實現對多節鋰離子電池進行充電，省缺了交流到直流 (ACDC)轉換部分，減少了產品體積，從而更適應便攜式產品的要求。通過計算獲得更新的控制電壓，此更新的控制電壓并不是反饋到PWM驅動單元的 電壓反饋輸入端，而是反饋到分壓電阻，改變虛地電阻電勢。在交流分析中此電路與純硬件 模擬反饋的等效電路等同，因此在動態響應上較模擬量采樣轉換，計算后再通過數模轉換 輸出模擬量反饋到控制器的控制方式要快。本方案與現有技術中數字電位器型方案相比，由于采用了乘法型數字模擬轉換 器，因此可實現高精度等級的輸出控制電壓，可以實現16位、18位甚至更高的控制精度。以上所述的具體實施方式
，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步 詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施方式
而已，并不用于限定本發明 的保護范圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含 在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種充電裝置，其特征在于包括PWM驅動單元，檢測單元，控制單元，第一分壓電阻和第二分壓電阻；所述PWM驅動單元輸出充電電壓，該充電電壓通過第一分壓電阻后反饋回所述PWM驅 動單元，所述檢測單元檢測所述PWM驅動單元輸出的充電電壓，將檢測結果傳送給所述控 制單元，所述控制單元根據所述檢測結果計算輸出更新的控制電壓，所述更新的控制電壓 通過所述第二分壓電阻與經過所述第一分壓電阻的充電電壓合并為一路電壓，反饋回所述 PWM驅動單元調整所述PWM驅動單元輸出充電電壓。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括輸入緩沖單元，分別與所述PWM驅 動單元和控制單元相連接，在所述控制單元的控制下向所述PWM驅動單元供電。
3.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述檢測單元檢測PWM驅動單元輸出的充 電電壓和充電電流，將所述檢測到的充電電流和檢測到的充電電壓傳送給所述控制單元。
4.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述控制單元進一步包括基準電壓模 塊，數字模擬轉換器，單片機，運算放大器；所述基準電壓向所述數字模擬轉換器提供基準 電壓，所述單片機獲取所述檢測單元傳送來的檢測結果，根據所述檢測結果計算得到需更 新的控制電壓，通過所述數字模擬轉換器和運算放大器輸出模擬量的更新的控制電壓，將 所述更新的控制電壓輸出到所述第二分壓電阻。
5.根據權利要求4所述的裝置，其特征在于，所述單片機將所述檢測結果與設定值比 較，如果不相等則利用如下公式計算出更新的控制電壓Va = [2. 5* (R24+R11) -Vc*Rl 1]/R24,其中Va為當前充電需要的充電電壓，Vc為更新 的控制電壓，R24為第二分壓電阻，Rll為第一分壓電阻。
6.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述數字模擬轉換器為乘法型數字模擬 轉換器。
7.一種充電控制方法，其特征在于，PWM驅動單元輸出充電電壓，該充電電壓通過第一分壓電阻后反饋回所述PWM驅動單元；檢測單元檢測所述輸出的充電電壓，將檢測結果傳送給控制單元；所述控制單元根據所述檢測結果計算輸出更新的控制電壓；所述更新的控制電壓通過所述第二分壓電阻與經過所述第一分壓電阻的充電電壓合 并為一路電壓，反饋回所述PWM驅動單元。
8.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，在檢測單元檢測所述輸出的充電電壓，將 檢測結果傳送給控制單元中還包括，檢測單元檢測所述輸出的充電電流，將檢測結果傳送 給控制單元。
9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，在所述控制單元根據所述檢測結果計算 輸出更新的控制電壓中，控制單元將檢測結果與設定值比較，如果不相等則利用如下公式 計算得到更新的控制電壓Va = [2.5*(R24+Rll)-Vc*Rll]/R24，其中Va為當前充電所需的充電電壓，Vc為更新 的控制電壓，R24為第二分壓電阻，Rll為第一分壓電阻。
全文摘要
本發明涉及電學領域，特別是關于一種充電裝置及控制方法，其中裝置包括PWM驅動單元輸出充電電壓，該充電電壓通過第一分壓電阻后反饋回所述PWM驅動單元，檢測單元檢測PWM驅動單元輸出的充電電壓，將檢測結果傳送給控制單元，控制單元根據檢測結果計算輸出更新的控制電壓，更新的控制電壓通過第二分壓電阻與經過第一分壓電阻的充電電壓合并為一路電壓，反饋回PWM驅動單元調整PWM驅動單元輸出充電電壓。通過本發明實施例的分壓電阻直接反饋輸出的充電電壓，并且通過調節分壓電阻虛地端的電勢，可以快速的對PWM驅動單元的控制，從而實現對充電過程快速和精確的控制。
文檔編號H02J7/00GK102082457SQ20111004057
公開日2011年6月1日 申請日期2011年2月17日 優先權日2011年2月17日
發明者劉丙午, 劉軍, 周麗, 申貴成, 郭鍵 申請人:北京物資學院