CN203416013U - 一种带充电器的后备电源控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型适用于电源领域，提供一种带充电器的后备电源控制系统，该后备电源可单独为手机等电子设备充电，也可以通过交流源为自身的后备电池和外部电子设备进行充电，当该后备电源系统接入交流电源时，如果侦测到输出端连接着手机等外设，则优先为手机充电，当手机充电完成时，则自动切换给内部电池充电；此外该后备电源系统还具有后备电池的电量显示功能及LED手电照明功能。它包括交流转直流的充电器系统、后备电池充电管理系统、升压系统、按钮控制系统、外设检测电路和LED照明驱动五个部分。该后备电源系统具有高度集成性，极低的待机功耗，外部电路结构简单、容易实现，而且大幅降低了成本。

Description

一种带充电器的后备电源控制系统

技术领域

本实用新型涉及电源技术领域，特别涉及一种带充电器的后备电源的控制系统。 

背景技术

随着数码时代的到来，各种便携式电子设备如手机、数码相机、MP3的普及。越来越多的功能被集成到手机等电子设备中，因此这些便携式电子设备的耗电量也急剧增加，对电池容量有了更高的要求。但是为了美观与方便携带，其体积却越来越小，留给电池的空间并没有增大。为了解决以上矛盾，满足人们对电池容量的需求，特别是差旅时对电源的需求，便携式电子设备的后备电源应运而生。 

后备电源自身的电池拥有普通手机电池电量的3～5倍以上，可多次单独对手机等电子设备充电，能够满足人们在较长一段时间内的电量需求。但是由于目前后备电源出现的时间还很短，目前市场上的后备电源系统主要通过分立器件和单片机控制来实现，其充电系统、放电系统和按钮控制系统都是单独的，因此体积很大，不方便携带；待机功耗较大，影响了后备电池的利用效率；且成本很高，抑制了需求的增长，此外多数后备电源在充电阶段不能同时或者优先给外设充电，影响了人们的习惯性需求。 

实用新型内容

本实用新型提供了一种带充电器的后备电源的控制系统，其解决了现有的体积大，成本高，优先充电的问题。 

一方面，提供一种带充电器的后备电源的控制系统，所述系统包括： 

交流转直流的充电器系统、后备电池充电管理系统、升压系统、按钮和输 出口USB；其中，所述交流转直流的充电器系统与所述后备电池充电管理系统连接，所述后备电池充电管理系统分别与所述升压系统和所述按钮连接，所述后备电池充电管理系统还与输出口USB连接。 

可选的，所述后备电源的控制系统具体包括：整流桥、交流转直流的控制芯片、控制芯片、变压器、升压系统和按钮； 

其中，整流桥包括：四个整流二极管，所述整流桥的输入端为交流电输入，所述整流桥的正输出端接第一电容的上极板及第一电阻、第二电阻的一端，同时所述整流桥的正输出端连接第二电容的上极板和所述变压器原边绕组NP的同名端，所述整流桥的负输出端和第一电容的下极板接地； 

第一电阻的另一端连接第一二极管的阴极、第三电容的上极板以及控制芯片的VDD引脚；第三电容的下极板接地； 

第一二极管的阳极接所述变压器的辅助绕组NA的异名端，所述变压器辅助绕组NA的同名端接地； 

第二电阻的另一端接第二电容的下极板，同时第二电阻的另一端连接第二二极管的阴极； 

第二二极管的阳极连接所述变压器的原边绕组NP的异名端和所述控制芯片的drain引脚；所述控制芯片的CS引脚通过第三电阻连接地，所述控制芯片的gnd引脚接地； 

所述变压器的副边绕组NS的同名端接地，所述副边绕组NS的异名端连接第三二极管的阳极，第三二极管的阴极连接所述控制芯片的EN脚，同时第三二极管的阴极连接第四电容的正极板，第四电容的负极板接地；第三二极管的阴极分别接四个LED显示灯的阳极及所述控制芯片的VCC引脚，同时第三二极管的阴极接扩展驱动PMOS管的源极； 

所述四个LED显示灯的阴极分别接所述控制芯片的L1、L2、L3、L4引脚；所述扩展驱动PMOS管的栅极接所述控制芯片的EXT1引脚，所述扩展驱动PMOS管的漏极接电池的正极及电感的一端，所述扩展驱动PMOS管的漏极与 所述控制芯片的char引脚相连接；所述电池的负极接地； 

所述电感的另一端接第四二极管的阳极和扩展驱动NMOS管的漏极；第四二极管的阴极接第五二极管的阴极以及第五电容的正极板和第四电阻的一端，同时第四二极管的阴极与输出口USB的正极相连接； 

第五电容的负极板接地；第四电阻的另一端接第五电阻的一端和所述控制芯片的VFB引脚，第五电阻的另一端接地； 

所述扩展NMOS驱动管的栅极接所述控制芯片的EXT引脚，所述扩展驱动NMOS管的源极接地； 

所述输出口USB的负极接NMOS开关管的漏极，同时所述输出口USB连接所述控制芯片的MT引脚，所述NMOS开关管的栅极接所述控制芯片的STB引脚，所述NMOS开关管的源极接地；所述按钮的一端接所述控制芯片的KEY引脚，所述按钮的另一端接地。 

可选的，LED照明灯的正极接所述控制芯片的LED引脚，所述LED照明灯的负极接地。 

通过上述技术方案可以看出，本实用新型具有很高的集成度和极低的待机功耗，很大程度上缩小了后备电源的体积，降低了成本。 

附图说明

图1为本实用新型提出的后备电源系统应用图。 

图2为控制芯片200的内部框图。 

图3为交流转直流的控制芯片300的内部框图。 

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。 

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本 实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施的限制。 

其次，本实用新型利用示意图进行详细描述，在详述本实用新型实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是实例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。 

本实用新型提供一种带充电器的后备电源的控制系统，该系统如图1所示，包括：交流转直流的充电器系统、后备电池充电管理系统、升压系统和按钮；其中，交流转直流的充电器系统与后备电池充电管理系统连接，后备电池充电管理系统分别与升压系统和按钮连接，该后备电池充电管理系统还与输出口USB连接。 

该后备电源的控制系统具体包括：整流桥、交流转直流的控制芯片300、控制芯片200、变压器133、升压系统和按钮109； 

其中，整流桥包括：整流二极管121、122、123、124，整流桥的输入端为交流电输入(交流电可以为：85-265V AC)，整流桥的正输出端接第一电容125的上极板及第一电阻126、第二电阻128的一端，同时整流桥的正输出端连接第二电容129的上极板和变压器133原边绕组NP的同名端，整流桥的负输出端和第一电容125的下极板接地；第一电阻126的另一端连接第一二极管131的阴极、第三电容127的上极板以及控制芯片300的VDD引脚；第三电容127的下极板接地，二极管131的阳极接变压器133的辅助绕组NA的异名端，变压器133辅助绕组NA的同名端接地；第二电阻128的另一端接第二电容129的下极板，同时连接第二二极管130的阴极；第二二极管130的阳极连接变压器133的原边绕组NP的异名端和控制芯片300的drain引脚；控制芯片300的CS引脚通过第三电阻132连接原边地，控制芯片300的gnd引脚接地； 

变压器133的副边绕组NS的同名端接地，NS的异名端连接第三二极管102 的阳极，第三二极管102的阴极连接控制芯片200的EN脚，同时第三二极管102的阴极连接第四电容103的正极板，第四电容103的负极板接地；第三二极管102的阴极接LED显示灯104、105、106、107的阳极及控制芯片200的VCC引脚，同时第三二极管102的阴极接扩展驱动PMOS管110的源极，第四电容103的负极板接地；LED显示灯104、105、106、107的阴极分别接控制芯片200的L1、L2、L3、L4引脚；扩展驱动PMOS管110的栅极接控制芯片200的EXT1引脚，扩展驱动PMOS管110的漏极接电池111的正极及电感120的一端，并扩展驱动PMOS管110的漏极与控制芯片200的char引脚相连接；电池111的负极接地；电感120的另一端接第四二极管112的阳极和扩展驱动NMOS管116的漏极；第四二极管112的阴极接第五二极管119的阴极以及第五电容115的正极板和第四电阻113的一端，同时第四二极管112的阴极与输出口USB118的正极相连接，第五电容115的负极板接地；第四电阻113的另一端接第五电阻114的一端和控制芯片200的VFB引脚，第五电阻114的另一端接地；扩展NMOS驱动管116的栅极接控制芯片200的EXT引脚，扩展驱动NMOS管116的源极接地；输出口USB118的负极接NMOS开关管117的漏极，同时输出口USB连接控制芯片200的MT引脚，NMOS开关管117的栅极接控制芯片200的STB引脚，NMOS开关管117的源极接地；按钮109的一端接控制芯片200的KEY引脚，按钮109的另一端接地。 

上述交流转直流的控制芯片300有4个管脚，VDD为芯片的供电脚，同时通过内部电阻分压作为原边反馈的反馈电压，用于控制副边直流输出电压的值；drain为内置功率开关管NMOS的漏端；CS为原边电流侦测引脚，连接内置功率开关管NMOS的源端；gnd为原边地。 

控制芯片200有16个管脚，VCC为芯片的电源脚及给后备电池充电的输入脚；L1～L4为电池电量显示引脚，外接LED显示灯；LED为手电照明引脚（可选），外接高亮度LED；KEY为按钮控制引脚；GND为地；STB为升压系统待机引脚，当输出短路或者外部电子设备充电完成后STB输出低电平，切 断外设与后备电源系统的连接，以获得极低的待机功耗；VFB为升压系统的反馈引脚，用于调节升压系统的输出电压；EXT为升压系统的驱动扩展引脚，用户可通过外置NMOS管来提高升压系统的电流输出能力，以更快的给外部设备充电；SW接内置开关管NMOS的漏极；char接后备电池正极，内置开关管通过该引脚给后备电池充电；EXT1为后备电池充电的驱动扩展引脚，用户可通过外置PMOS管来提高后备电池的充电电流；EN为芯片充电的使能端，当EN为高时，芯片正常工作，当后备电源没在充电，即USB_IN输入引脚没接电时，EN为低电平，芯片进入待机，以降低功耗；MT为外设侦测引脚，在充电阶段，通过侦测输出电流的大小来判断输出端是否连接手机，以及手机充电是否完成等，当输出接有手机等在充电时，输出电流较大，而当外设充电完成时，输出电流则很小甚至接近零。插上交流电后，系统周期性地检测是否有外设接入，STB周期性地每隔一段较长时间T输出一个脉冲宽度为Δt的窄脉冲，且在Δt的窄脉冲时间内切断对内置电池的充电，以便MT侦测是否连接外设，一旦侦测到有外设接入，则STB固定输出高电平，并一直切断对内置电池的充电，优先给外设充电；当MT侦测到输出电流小于一定值时，即外设充电完成后，系统自动切换给内置电池充电，并且系统又进入到周期性地检测是否有外设接入的工作状态，一旦有新的外设再次接入，则再次优先为新外设充电，如此反复，由于Δt<<T，因此周期性地侦测几乎不会影响到整个充电时间的长短。 

可选的，LED照明灯108的正极接控制芯片200的LED引脚，LED照明灯108的负极接地。 

当后备电源系统的输入端接上交流电时，交流转直流的充电器系统开始启动，经整流桥整流后的直流电压经电阻126给电容127充电，使得控制芯片300的VDD电压逐渐上升，当VDD电压上升到控制芯片300的开启阈值电压时，控制芯片300启动，并开始工作。系统正常工作时，变压器133的原理决定了(VDD+Vz)：(Vo+Vz)=NA：NS，（其中Vz为二极管131）因此VDD间接地反映了输出电压Vo的大小，当Vo和VDD远远大于Vz时可近似为VDD=Vo* （NA/NS）芯片工作在断续模式，即每个周期都要把变压器存储的能量全部释放，芯片的关断机制唯一由逐周期的过流保护(OCP)来关断，这样每个开关周期从原边向副边传递的能量固定为(I2*LP)/2，其中I为原边峰值电流，LP为变压器133的原边感量。芯片内部利用匹配的电阻对VDD进行分压来作为原边反馈电压，根据反馈电压的大小调节内置开关管的关断时间，从而使副边输出电压Vo稳定在设定的值。此外该系统还具有恒流功能，当Vo低于设定值时，由于每个周期传递的能量固定为(I2*LP)/2，芯片根据VDD电压来调节工作频率，使得工作频率F与VDD成正比，即F=K*(VDD)，K为比例系数，是个定值，这样系统的输出功率P=F*(I2*LP)/2=K*(VDD)*(I2*LP)/2。忽略Vz的影响，VDD=Vo*（NA/NS），则P=K*Vo*（NA/NS）*(I2*LP)/2,而P=Vo*Io，则Io=K*（NA/NS）*(I2*LP)/2是个定值。 

当交流转直流的充电器系统的副边输出电压建立后，系统通过控制芯片200的内置开关管和外置开关管110开始给后备电池充电，同时系统会周期性地检测是否有外设接入，STB周期性地每隔一段较长时间T输出一个脉冲宽度为Δt的窄脉冲，且在Δt的窄脉冲时间内切断对内置电池的充电，以便MT侦测是否连接外设。当有外设接入时，在检测时间Δt内，电流会通过二极管119给电子设备充电，此时电流流经开关管117到地，而开关管117导通时等效于一个电阻，这样流经117的电流会在117的源漏间产生一定的压降，MT引脚侦测到该压降后，STB固定输出高电平，并一直切断对内置电池的充电，优先给外设充电；当手机充电完成后，流经117的电流很小，因此MT侦测到该电压小于一定值时，就认为外设充电已经完成，转而对内置电池进行充电，并且系统又进入到周期性地检测是否有外设接入的工作状态，一旦有新的外设再次接入，则再次优先为新外设充电。由于Δt<<T，因此周期性地侦测几乎不会影响到整个充电时间的长短。因为充电器可直接给外设充电，所以在充电过程中升压系统将被禁用。扩展驱动管110与控制芯片200的内置驱动管并联，用于提高充电电流。充电过程中电量显示灯L1～L4起电量指示作用，当电池电量 <25%时四颗指示灯都闪烁，当25%<电量<50%是LI常亮，其余三颗闪烁，当50%<电量<75%时，L1、L2常亮，L3、L4闪烁，当75%<电量<100%时L1、L2、L3常量，L4闪烁，当电池完全充满时，四颗灯常亮。按钮109用于控制照明LED108的开关，以及在非充电阶段显示电量的开关，同时可用于控制升压系统的开关。 

当后备电源系统的输入端没有连接交流电时，系统需要单独给电子设备充电时，按一下按钮109，系统会自动显示后备电池111的电量，持续显示5秒钟，同时如果111的电量大于10%，则升压系统开始工作，通过USB输出端口118为外部电子设备充电。当外设充电完成后升压系统会停止工作，自动进入待机状态，STB输出低电平，关闭开关管117，从而获得极低的待机功耗。当外设发生过载甚至短路时STB也会自动输出低电平以关闭117，并且每隔5秒打开一次，持续约1ms用于侦测过载或者短路状态是否消除，如果已消除，则恢复正常工作，如果未消除，则自动进入下个循环，以保护整个后备电源系统。扩展驱动管116与200内置的驱动管并联，用于提高给外设充电的电流。 

如图2所示、控制芯片200的内部框图。芯片内部分为六个功能模块，分别是电量检测、手电控制、按钮信号检测、充电控制、外设检测和升压环路控制。电量检测电路205根据检测到的后备电池电量，分别控制开关管201～204的状态，从而使得外部四个LED显示灯处于常亮或者闪烁状态，以对应相应的电池电量。手电控制电路206在接收到按钮要打开手电照明的信号224后，打开照明开关208，并通过调节压控电阻207的阻值，使得照明LED的电流为固定值(50mA)，当按钮信号224要求关闭手电时，206会关闭照明LED驱动管208。 

充电控制电路214用于驱动充电功率管215以获得恒定的电流给后备电池充电，同时它还通过驱动缓冲器227来驱动外部的功率管，使得用户可以根据需要来增加后备电池的充电电流。外设检测电路228用于周期性地检测系统的输出是否连接手机等外设，如果连接有外设，则在充电时通过充电控制电路214 切断充电功率管215，从而优先给外设进行充电；当检测到外设充电完成时，则打开电功率管215转而对内置电池充电，同时再次进入到周期性地检测外设的工作状态。升压环路控制模块216通过反馈电压VFB经过内部误差放大器和比较器及控制逻辑来控制输出驱动信号的占空比，即开关管219的导通占空比，从而使输出电压稳定在设定的值，同时它还经过驱动放大器218来驱动外部的开关管，使得用户可以根据需要来增加给外设充电的电流。电流侦测电阻220用于侦测开关管219的峰值电流，以便进行逐周期的过流保护和电流环路的采样，保证系统的稳定性。当外设充电完成时，升压系统自动关闭，进入待机状态。此外升压控制模块还会通过驱动缓冲器217输出控制信号STB，以便在外设充电结束或者发生过载、短路等情况时，切断外设与后备电源的连接，从而保护后备电源系统。 

按钮信号检测电路211用于根据用户输入的按钮信号来决手电照明、电量检测、升压系统等的开关。在充电阶段即EN为高电平时，电量检测模块连续工作、升压系统被禁用，二者均不受按钮控制；此时按钮只控制手电照明，连按两下开启，再连按两下则关闭。在非充电阶段，即EN为低电平时，按一下按钮，则电量显示5秒，且升压系统开始工作；连按两下开启照明，再连按两下则关闭；长按3秒则关闭升压系统。 

图三是原边反馈型交流转直流控制芯片的内部框图。VDD引脚作为芯片的电源脚，连接内建电源产生电路313，用于产生5V的内建电源给内部各模块供电，同时它还作为原边反馈信号，通过电阻301、电阻302分压产生反馈电压，作为运放303的负相输入端，运放303的正相输入端为基准参考电压，运放303的输出作为恒压控制电路304的控制信号，通过内部触发器306和逻辑电路311和驱动电路312来控制开关管314的关断时间，从而控制输出电压，使其稳定在设定值；此外VDD的分压还用于调节振荡器308的震荡频率，当输出电压小于设定值时，振荡器的频率与VDD成正比，从而使系统工作于恒流模式，当输出电压达到设定值附近时，恒压控制开始代替横流控制，芯片工作于恒压 模式，振荡器频率也稳定在设定的值。CS引脚作为原边电流侦测引脚，经过内部RC滤波器309后传输给过流比较器310的输入端，比较器310的另一输入端接基准参考电压，用于控制原边电流的峰值，当原边电流达到设定值时，比较器310的输出翻转，开关管314关闭，关闭时间由恒压控制304或恒流控制311决定。 

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。 

Claims (3)

1.一种带充电器的后备电源控制系统，其特征在于，所述系统包括： 

交流转直流的充电器系统、后备电池充电管理系统、升压系统、按钮和输出口USB；其中，所述交流转直流的充电器系统与所述后备电池充电管理系统连接，所述后备电池充电管理系统分别与所述升压系统和所述按钮连接，所述后备电池充电管理系统还与输出口USB连接。 

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述后备电源的控制系统具体包括：整流桥、交流转直流的控制芯片、控制芯片、变压器、升压系统和按钮； 

其中，整流桥包括：四个整流二极管，所述整流桥的输入端为交流电输入，所述整流桥的正输出端接第一电容的上极板及第一电阻、第二电阻的一端，同时所述整流桥的正输出端连接第二电容的上极板和所述变压器原边绕组NP的同名端，所述整流桥的负输出端和第一电容的下极板接地； 

第一电阻的另一端连接第一二极管的阴极、第三电容的上极板以及控制芯片的VDD引脚；第三电容的下极板接地； 

第一二极管的阳极接所述变压器的辅助绕组NA的异名端，所述变压器辅助绕组NA的同名端接地； 

第二电阻的另一端接第二电容的下极板，同时第二电阻的另一端连接第二二极管的阴极； 

第二二极管的阳极连接所述变压器的原边绕组NP的异名端和所述控制芯片的drain引脚；所述控制芯片的CS引脚通过第三电阻连接地，所述控制芯片的gnd引脚接地； 

所述变压器的副边绕组NS的同名端接地，所述副边绕组NS的异名端连接第三二极管的阳极，第三二极管的阴极连接所述控制芯片的EN脚，同时第三二极管的阴极连接第四电容的正极板，第四电容的负极板接地；第三二极管的阴极分别接四个LED显示灯的阳极及所述控制芯片的VCC引脚，同时第三二 极管的阴极接扩展驱动PMOS管的源极； 

所述四个LED显示灯的阴极分别接所述控制芯片的L1、L2、L3、L4引脚；所述扩展驱动PMOS管的栅极接所述控制芯片的EXT1引脚，所述扩展驱动PMOS管的漏极接电池的正极及电感的一端，所述扩展驱动PMOS管的漏极与所述控制芯片的char引脚相连接；所述电池的负极接地； 

所述电感的另一端接第四二极管的阳极和扩展驱动NMOS管的漏极；第四二极管的阴极接第五二极管的阴极以及第五电容的正极板和第四电阻的一端，同时第四二极管的阴极与输出口USB的正极相连接； 

第五电容的负极板接地；第四电阻的另一端接第五电阻的一端和所述控制芯片的VFB引脚，第五电阻的另一端接地； 

所述扩展NMOS驱动管的栅极接所述控制芯片的EXT引脚，所述扩展驱动NMOS管的源极接地； 

所述输出口USB的负极接NMOS开关管的漏极，同时所述输出口USB连接所述控制芯片的MT引脚，所述NMOS开关管的栅极接所述控制芯片的STB引脚，所述NMOS开关管的源极接地；所述按钮的一端接所述控制芯片的KEY引脚，所述按钮的另一端接地。 

3.根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于， 

LED照明灯的正极接所述控制芯片的LED引脚，所述LED照明灯的负极接地。 

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