支持多路充電并具備電池保護功能的安全供電設計

毛昊楨，李清，徐旭紅，朱亞林

（科大訊飛股份有限公司，安徽合肥， 230088）

0 引言

隨著智能穿戴設備功能日趨復雜化，功耗也隨之上升，開始新增支持邊充邊用等需求；在智能穿戴設備中除具備原始定制充電方式外，增加標準接口的充電方式成為產(chǎn)品迭代趨勢。以具備常規(guī)PogoPIN 充電產(chǎn)品為例，智能穿戴設備除自身具備壓觸式充電外，增加標準充電接口的好處在于，擺脫上述獨特性設計充電方式的束縛，使產(chǎn)品具備兩種或多種充電方式，更好適應不同場景下的需求。

現(xiàn)有技術方案中，王錕提出的一種多充電方式手電筒的設計，可以通過多種充電方式進行充電，還可充當充電器的角色，從而實現(xiàn)在不同環(huán)境下充電[1]；韓娜從平滑直流、帶續(xù)流功能的平滑直流、脈沖寬度調(diào)試研究了針對手機電池的充電過程實施智能化控制，在電池的使用上也能提供更多的保護[2]；陳其良提出了一種以PIC 單片機為核心的數(shù)字式充電設備安全功能檢測系統(tǒng)，大提高了數(shù)據(jù)處理能力和測試精度、操作簡便、測試周期短[3]；張旭研究了電池在恒流充電、恒壓充電、恒流-恒壓和變電流充電下的充電時間、充電溫度變化以及過程中的充電容量變化，實驗結果可以有效指導電池的充電策略制定[4~10]。

上述研究中，已經(jīng)逐步具備了多種充電方式，且多種充電方式可獨立工作，但在一款智能充電設備上設計兩種或以上充電方式均為簡單的功能堆疊，或者采用集成的芯片方案進行設計，無法實現(xiàn)對于兩種或多種充電方式的識別和區(qū)分，從而無法針對性地開發(fā)相應功能；同時，兩種充電方式之間存在的電流倒灌或者電壓反串等安全性設計還未有充分考慮并進行風險規(guī)避。因此“壓觸式充電”和“標準接口充電”之間的識別和切換，以及安全性設計成為需要重點關注的方向，當前各家的技術方案中，暫未對這一方面進行充分的設計和安全上的措施。為此，本文提出了一種適用于充電倉充電+標準接口充電兩種充電方式的電路，該電路除具備上述充電功能外，還具備充電方式識別、電流與電壓防反設計、安全充電等技術特征。

1 安全充電方案硬件設計

如圖1 所示，硬件原理框圖分為兩部分：序號1 為充電倉，序號2 為入倉設備。

圖1 硬件原理框圖

充電倉為儲能設備，用于向入倉設備提供電能，輸出電壓由充電倉自身內(nèi)部升壓芯片控制，輸出電流由入倉設備的需求來決定。充電倉與入倉設備以pogoPIN 與觸點的壓合接觸方式進行導通，可用于實現(xiàn)充電、供電、通信、喚醒識別等功能操作。充電功能為充電倉向入倉設備的電池進行充電，以支持設備出倉工作需求；供電功能為利用充電倉向入倉設備的系統(tǒng)功能進行供電，以節(jié)省設備入倉后消耗自身電池的電能；通信功能為充電倉與入倉設備之間進行充電參數(shù)配置、電量信息反饋、軟件燒錄、時間同步等工作；喚醒識別功能為入倉設備在放進充電倉進行充電后，既需要滿足在倉內(nèi)充電的需求，也需要滿足與標準接口的充電方式進行區(qū)分識別的功能。其中，充電路徑為充電倉→觸點→防反電路→Switch 芯片→Charger 芯片→Battery；供電路徑為充電倉→觸點→防反電路→Switch 芯片→主控/Power Path →Vsys；通信路徑為充電倉→觸點→主控；喚醒識別路徑為充電倉→觸點→主控。

入倉設備為用戶使用的穿戴類設備，如小型無人機、無線麥克風、智能手環(huán)/手表等各類智能終端。該終端有兩種充電接口，分別為pogoPIN 與觸點的壓觸式充電，和標準接口式充電，如Type-C、Micro-USB 等。標準接口可實現(xiàn)向電池充電和向系統(tǒng)供電的功能，充電路徑為標準接口→OVP 芯片→防反電路→Switch 芯片→Charger 芯片→Battery；充電路徑為標準接口→OVP 芯片→防反電路→Switch 芯片→主控/Power Path →Vsys。

標準接口的后級為OVP 芯片，用于防護供電路徑上電壓過高的情況；觸點與OVP 的后級均為防反電路，二者從不同路徑輸入防反電路，并從同一路徑輸出至后級的Switch 芯片。Switch 后級有三條路徑，Switch 芯片至Charger 芯片路徑為充電路徑，用于向電池充電；Switch芯片至主控路徑為向主控供電的路徑，用于支持主控工作；Switch 芯片至Power Path 路徑為向系統(tǒng)供電的VSYS 路徑，用于向主控之外的其余系統(tǒng)部分工作。同理，在Charger芯片至電池的路徑上，也存在向主控和Power Path 供電的路徑。

2 充電方式識別邏輯

■2.1 識別方法一

當采用壓觸式充電方式時，不需要考慮過長時間充電對電池帶來的影響，不存在過充場景；當采用標準接口充電方式時，用戶邊充邊用為常規(guī)場景，因此存在過長時間充電的情況，該情況將導致電池浮充，從而存在安全隱患。充電方式識別的目的在于區(qū)分兩種充電方式：壓觸式充電和標準接口充電，并以識別的結果為依據(jù)來執(zhí)行不同的充電安全策略。

如圖2 所示共有4 個電平采集拓撲位置點：點A 在OVP 芯片至防反電路模塊的路徑上，點B 位于觸點至防反電路模塊的路徑上，點C 在防反電路模塊至Switch 芯片的路徑上，點D 在Switch 芯片至主控的路徑上。當Switch芯片打開時，C 點和D 點的電平狀態(tài)是一致的；當Switch芯片關閉時，D 點將一直位置低電平狀態(tài)。采用這4 個電平采集點，可實現(xiàn)兩種識別方法。在正常充電場景中，Switch 芯片是維持打開的，本部分將主要介紹Switch 芯片打開的場景，即C、D 點電平始終保持一致。

圖2 充電方式識別方法一

如圖2 所示的方法1：將在A 點、B 點和D 點采集到的電平信息，分別反饋至主控的IO3、 IO2、IO1 口上，當主控對IO1 狀態(tài)識別到有5V 存在后，再執(zhí)行判斷IO2 和IO3 的電平狀態(tài)，哪一路為高，則采用哪種充電方式，具體流程如圖3 所示。

圖3 識別方法一流程圖

■2.2 識別方法二

在更多場景中，主控的IO 資源都是有限的，存在沒有充足IO 資源，導致不具備對每一路的電平狀態(tài)進行采集和識別的情況，因此方法二使用2 個IO 口資源來實現(xiàn)充電方式的識別功能。

如圖4 所示的方法2：將在B 點和D 點采集到的電平信息，分別反饋至主控的IO2 和IO1 口上，當主控對IO1狀態(tài)識別到有5V 存在后，執(zhí)行判斷IO2 的電平狀態(tài)，當IO2 電平為高時，則確認為壓觸式充電方式，當IO2 電平為低時，確認為標準接口的充電方式，具體流程如圖5 所示。

圖4 充電方式識別方法二

圖5 識別方法二流程圖

圖5 的表格中，“1”為高電平，“0”為低電平，A 為1 即為標準接口充電，B 為1 即為壓觸式充電。

3 安全充電實現(xiàn)方法

■3.1 防反電路設計

由于本方案采用兩種供電方式，為避免在標準接口供電時，觸點上有電平存在，造成入倉設備在外部短路的情況，在硬件方案上增加了防反電路的設計。

防反電路原理圖如圖6 所示，標準接口和觸點分別是兩種5V 供電輸入路徑；標準接口后級分兩路，分別為Q1 的PMOS 管的D 極和R1 電阻；R1 后級分兩路，分別為R2 電阻和Q2 的PMOS 的G 極；R2 電阻后級接地。同理，觸點的后級分兩路，分別為Q2 的PMOS 管的D 極和R4 電阻；R4 后級分兩路，分別為R3 電 阻 和Q1 的PMOS 的G 極；R2電阻后級接地。Q1 的PMOS 的S 極、Q2 的PMOS 的S 極、C1 電容的一腳、C2 電容的一腳、C3 的一腳連通到同一網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡名稱為VIN_5V。

圖6 防反電路原理圖

在此電路中，R1、R4 阻值為1kΩ，R2、R4 阻值為100kΩ，R1 與R2 構成1:100 的分壓電路，R4 和R3 也構成1:100 的分壓電路，因此R1 和R4 兩個PIN 腳的壓差在0.05V 左右；C1、C3 容值為100nF，用于防止電壓過沖，并保證較快的響應速度；C2 容值為4.7μF，用于保證輸出至VIN_5V 的電源穩(wěn)定；Q1 和Q2 位正向壓降小，過流能力≥1A，且VGS（th）≤-0.4V 的PMOS 管。

上述電路的控制方法在于，利用電阻分壓，獲得較小的壓差，來控制另一側供電路徑上PMOS 管的啟閉狀態(tài)，進而實現(xiàn)5V 電平在另一側路徑上的通斷。具體方法是：當標準接口處接入5V 供電時，R1 兩側的壓差在0.05V 左右，Q1 的PMOS 為開啟狀態(tài)；此時VIN_5V 處已經(jīng)存在了5V的電壓，由于Q2 的PMOS 管的G 極和S 極壓差較低，不夠VGS（th）開啟電壓，因此Q2 管子將關閉，此時觸點一路的電平將保持為0；當觸點處接入5V 供電時，R4 兩側的壓差在0.05V 左右，Q2 的PMOS 為開啟狀態(tài)；此時VIN_5V 處已經(jīng)存在了5V 的電壓，由于Q1 的PMOS 管的G 極和S 極壓差較低，不夠VGS（th）開啟電壓，因此Q1管子將關閉，此時觸點一路的電平將保持為0；進而上述兩種保護電路相互實現(xiàn)了防止對側電壓反灌的效果。

■3.2 安全充電設計

由于本方案實現(xiàn)了用戶邊充邊用的需求，即利用標準接口，可連同常規(guī)電源進行充電；但這帶來了另外的隱患：過長時間的充電將大大增加電池鼓包的風險。因此本方案從硬件和軟件兩個維度進行了安全充電的設計。

圖4 所示的充電方案框圖中，在防反電路和Charger之間設計有一顆Switch 芯片，該芯片可由主控控制其通斷，進而對Charger 輸入端的供電進行控制。當用戶利用標準接口，插入電源進行充電，主控將記錄充電時長信息，即當插入接口后立即啟動計時，當累計時長達到7×24h 之后，主控將發(fā)送指令控制Switch 芯片關閉，進而切斷Charger的電源輸入路徑，實現(xiàn)了停止充電；此時，主控及系統(tǒng)的工作將由電池Battery 來負責供電。

當主控獲取到電池的電量從滿電降低至60%左右時，主控將再次發(fā)送指令至Switch 芯片，Switch 芯片導通后，標準接口輸入的電源將負責主控和整個系統(tǒng)的供電；此時，充電IC 將關閉使能，電池的電量將維持在60%左右，確保電池處于一個較安全的電量值，即僅供電而不充電。

如圖7 所示，當A、B、C、D 均為0 時，對應IO1、IO2、IO3 分別為低、低、低，此時由電池供電；當A、B、C、D 分別為1、0、1、1 時，對應IO1、IO2、IO3 分別為高、低、高，此時由VIN_5V 供電；當A、B、C、D 分別為1、0、1、0 時，對應IO1、IO2、IO3 分別為低、低、高，此時由VIN_5V 供電。

圖7 安全充電策略流程

■3.3 路徑切換設計

上述充電安全設計的實現(xiàn)，在軟硬件上除了依靠Switch及其控制邏輯外，還依靠供電路徑動態(tài)管理電路，即VIN_5V供電和BAT 供電的自動切換。在本方案中，路徑動態(tài)管理共有兩處，分別是主控和自行搭建的路徑切換電路。

路徑切換電路設計如圖8 所示，VIN_5V 為Switch 芯片后端電壓，BAT 為電池電壓，VSYS 為系統(tǒng)電壓。VIN_5V后級分三路，分別連通D1 二極管的陽極、電阻R1 和R2的一極，R1 的另一極連通Q1 的PMOS 的G 極和U2 電容的一極，R2 的另一極連通地；BAT 連同Q1 的PMOS 管的D 極；C1 電容的一極與地相連；C1 電容的另一極、D1二極管的陰極、Q1 的PMOS 的S 極、C2 電容的一極均與VSYS 系統(tǒng)電壓相連。

圖8 路徑切換電路設計原理圖

在此電路中，R1 和R2 均為100kΩ 的電阻，用于輔助PMOS 管的平穩(wěn)啟閉動作；C2 的電容為10pF，用于防止電壓過沖，并保證較快的響應速度；C1 容值為10μF，用于保證輸出至VSYS 的電源穩(wěn)定；當VIN_5V 存在時，Q1 管子關閉，此時VSYS 電壓即為VIN_5V，此時由5V 供電；當VIN_5V不存在時，Q1 管子開啟，此時VSYS 電壓即為BAT 電壓，由電池供電。

4 結論

本文提出了一種適用于充電倉充電+標準接口充電兩種充電方式的安全充電方案。方案中，通過檢測充電路徑上多個位置點的電平信息，軟件上開發(fā)相應的判斷邏輯，可在較少PIN 數(shù)的情況下實現(xiàn)多種充電方式的自動識別。

本方案中，還提供了一種防反電路的設計，基于兩顆背對背的PMOS 管，通過互鎖設計，可以實現(xiàn)在除供電路徑之外的其他路徑無高電壓存在，用于確保系統(tǒng)在支持多種充電方式的前提下，防止電流倒灌或者電壓反串的情況。

本方案兼顧安全充電的設計，依靠Switch 芯片，可以實現(xiàn)邊充邊用場景下的過長時間充電保護，從而降低因長期浮充導致的電池鼓包等問題。