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(shè)備功能日趨復(fù)雜化，功耗也隨之上升，開(kāi)始新增支持邊充邊用等需求；在智能穿戴設(shè)備中除具備原始定制充電方式外，增加標(biāo)準(zhǔn)接口的充電方式成為產(chǎn)品迭代趨勢(shì)。以具備常規(guī)PogoPIN 充電產(chǎn)品為例，智能穿戴設(shè)備除自身具備壓觸式充電外，增加標(biāo)準(zhǔn)充電接口的好處在于，擺脫上述獨(dú)特性設(shè)計(jì)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(yīng)不同場(chǎng)景下的需求。

現(xiàn)有技術(shù)方案中，王錕提出的一種多充電方式手電筒的設(shè)計(jì)，可以通過(guò)多種充電方式進(jìn)行充電，還可充當(dāng)充電器的角色，從而實(shí)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(duì)手機(jī)電池的充電過(guò)程實(shí)施智能化控制，在電池的使用上也能提供更多的保護(hù)[2]；陳其良提出了一種以PIC 單片機(jī)為核心的數(shù)字式充電設(shè)備安全功能檢測(cè)系統(tǒng)，大提高了數(shù)據(jù)處理能力和測(cè)試精度、操作簡(jiǎn)便、測(cè)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(shí)間、充電溫度變化以及過(guò)程中的充電容量變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以有效指導(dǎo)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(dú)立工作，但在一款智能充電設(shè)備上設(shè)計(jì)兩種或以上充電方式均為簡(jiǎn)單的功能堆疊，或者采用集成的芯片方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)于兩種或多種充電方式的識(shí)別和區(qū)分，從而無(wú)法針對(duì)性地開(kāi)發(fā)相應(yīng)功能；同時(shí)，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(shè)計(jì)還未有充分考慮并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避。因此“壓觸式充電”和“標(biāo)準(zhǔn)接口充電”之間的識(shí)別和切換，以及安全性設(shè)計(jì)成為需要重點(diǎn)關(guān)注的方向，當(dāng)前各家的技術(shù)方案中，暫未對(duì)這一方面進(jìn)行充分的設(shè)計(jì)和安全上的措施。為此，本文提出了一種適用于充電倉(cāng)充電+標(biāo)準(zhǔn)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(shí)別、電流與電壓防反設(shè)計(jì)、安全充電等技術(shù)特征。

1 安全充電方案硬件設(shè)計(jì)

如圖1 所示，硬件原理框圖分為兩部分：序號(hào)1 為充電倉(cāng)，序號(hào)2 為入倉(cāng)設(shè)備。

圖1 硬件原理框圖

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

入倉(cāng)設(shè)備為用戶使用的穿戴類設(shè)備，如小型無(wú)人機(jī)、無(wú)線麥克風(fēng)、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(diǎn)的壓觸式充電，和標(biāo)準(zhǔn)接口式充電，如Type-C、Micro-USB 等。標(biāo)準(zhǔn)接口可實(shí)現(xiàn)向電池充電和向系統(tǒng)供電的功能，充電路徑為標(biāo)準(zhǔn)接口→OVP 芯片→防反電路→Switch 芯片→Charger 芯片→Battery；充電路徑為標(biāo)準(zhǔn)接口→OVP 芯片→防反電路→Switch 芯片→主控/Power Path →Vsys。

標(biāo)準(zhǔn)接口的后級(jí)為OVP 芯片，用于防護(hù)供電路徑上電壓過(guò)高的情況；觸點(diǎn)與OVP 的后級(jí)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(jí)的Switch 芯片。Switch 后級(jí)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(shí)別邏輯

■2.1 識(shí)別方法一

當(dāng)采用壓觸式充電方式時(shí)，不需要考慮過(guò)長(zhǎng)時(shí)間充電對(duì)電池帶來(lái)的影響，不存在過(guò)充場(chǎng)景；當(dāng)采用標(biāo)準(zhǔn)接口充電方式時(shí)，用戶邊充邊用為常規(guī)場(chǎng)景，因此存在過(guò)長(zhǎng)時(shí)間充電的情況，該情況將導(dǎo)致電池浮充，從而存在安全隱患。充電方式識(shí)別的目的在于區(qū)分兩種充電方式：壓觸式充電和標(biāo)準(zhǔn)接口充電，并以識(shí)別的結(jié)果為依據(jù)來(lái)執(zhí)行不同的充電安全策略。

如圖2 所示共有4 個(gè)電平采集拓?fù)湮恢命c(diǎn)：點(diǎn)A 在OVP 芯片至防反電路模塊的路徑上，點(diǎn)B 位于觸點(diǎn)至防反電路模塊的路徑上，點(diǎn)C 在防反電路模塊至Switch 芯片的路徑上，點(diǎn)D 在Switch 芯片至主控的路徑上。當(dāng)Switch芯片打開(kāi)時(shí)，C 點(diǎn)和D 點(diǎn)的電平狀態(tài)是一致的；當(dāng)Switch芯片關(guān)閉時(shí)，D 點(diǎn)將一直位置低電平狀態(tài)。采用這4 個(gè)電平采集點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)兩種識(shí)別方法。在正常充電場(chǎng)景中，Switch 芯片是維持打開(kāi)的，本部分將主要介紹Switch 芯片打開(kāi)的場(chǎng)景，即C、D 點(diǎn)電平始終保持一致。

圖2 充電方式識(shí)別方法一

如圖2 所示的方法1：將在A 點(diǎn)、B 點(diǎn)和D 點(diǎn)采集到的電平信息，分別反饋至主控的IO3、 IO2、IO1 口上，當(dāng)主控對(duì)IO1 狀態(tài)識(shí)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(shí)別方法一流程圖

■2.2 識(shí)別方法二

在更多場(chǎng)景中，主控的IO 資源都是有限的，存在沒(méi)有充足IO 資源，導(dǎo)致不具備對(duì)每一路的電平狀態(tài)進(jìn)行采集和識(shí)別的情況，因此方法二使用2 個(gè)IO 口資源來(lái)實(shí)現(xiàn)充電方式的識(shí)別功能。

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

圖4 充電方式識(shí)別方法二

圖5 識(shí)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(biāo)準(zhǔn)接口充電，B 為1 即為壓觸式充電。

3 安全充電實(shí)現(xiàn)方法

■3.1 防反電路設(shè)計(jì)

由于本方案采用兩種供電方式，為避免在標(biāo)準(zhǔn)接口供電時(shí)，觸點(diǎn)上有電平存在，造成入倉(cāng)設(shè)備在外部短路的情況，在硬件方案上增加了防反電路的設(shè)計(jì)。

防反電路原理圖如圖6 所示，標(biāo)準(zhǔn)接口和觸點(diǎn)分別是兩種5V 供電輸入路徑；標(biāo)準(zhǔn)接口后級(jí)分兩路，分別為Q1 的PMOS 管的D 極和R1 電阻；R1 后級(jí)分兩路，分別為R2 電阻和Q2 的PMOS 的G 極；R2 電阻后級(jí)接地。同理，觸點(diǎn)的后級(jí)分兩路，分別為Q2 的PMOS 管的D 極和R4 電阻；R4 后級(jí)分兩路，分別為R3 電 阻 和Q1 的PMOS 的G 極；R2電阻后級(jí)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(luò)，該網(wǎng)絡(luò)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(gòu)成1:100 的分壓電路，R4 和R3 也構(gòu)成1:100 的分壓電路，因此R1 和R4 兩個(gè)PIN 腳的壓差在0.05V 左右；C1、C3 容值為100nF，用于防止電壓過(guò)沖，并保證較快的響應(yīng)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(guò)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(lái)控制另一側(cè)供電路徑上PMOS 管的啟閉狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)5V 電平在另一側(cè)路徑上的通斷。具體方法是：當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)接口處接入5V 供電時(shí)，R1 兩側(cè)的壓差在0.05V 左右，Q1 的PMOS 為開(kāi)啟狀態(tài)；此時(shí)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(kāi)啟電壓，因此Q2 管子將關(guān)閉，此時(shí)觸點(diǎn)一路的電平將保持為0；當(dāng)觸點(diǎn)處接入5V 供電時(shí)，R4 兩側(cè)的壓差在0.05V 左右，Q2 的PMOS 為開(kāi)啟狀態(tài)；此時(shí)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(kāi)啟電壓，因此Q1管子將關(guān)閉，此時(shí)觸點(diǎn)一路的電平將保持為0；進(jìn)而上述兩種保護(hù)電路相互實(shí)現(xiàn)了防止對(duì)側(cè)電壓反灌的效果。

■3.2 安全充電設(shè)計(jì)

由于本方案實(shí)現(xiàn)了用戶邊充邊用的需求，即利用標(biāo)準(zhǔn)接口，可連同常規(guī)電源進(jìn)行充電；但這帶來(lái)了另外的隱患：過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的充電將大大增加電池鼓包的風(fēng)險(xiǎn)。因此本方案從硬件和軟件兩個(gè)維度進(jìn)行了安全充電的設(shè)計(jì)。

圖4 所示的充電方案框圖中，在防反電路和Charger之間設(shè)計(jì)有一顆Switch 芯片，該芯片可由主控控制其通斷，進(jìn)而對(duì)Charger 輸入端的供電進(jìn)行控制。當(dāng)用戶利用標(biāo)準(zhǔn)接口，插入電源進(jìn)行充電，主控將記錄充電時(shí)長(zhǎng)信息，即當(dāng)插入接口后立即啟動(dòng)計(jì)時(shí)，當(dāng)累計(jì)時(shí)長(zhǎng)達(dá)到7×24h 之后，主控將發(fā)送指令控制Switch 芯片關(guān)閉，進(jìn)而切斷Charger的電源輸入路徑，實(shí)現(xiàn)了停止充電；此時(shí)，主控及系統(tǒng)的工作將由電池Battery 來(lái)負(fù)責(zé)供電。

當(dāng)主控獲取到電池的電量從滿電降低至60%左右時(shí)，主控將再次發(fā)送指令至Switch 芯片，Switch 芯片導(dǎo)通后，標(biāo)準(zhǔn)接口輸入的電源將負(fù)責(zé)主控和整個(gè)系統(tǒng)的供電；此時(shí)，充電IC 將關(guān)閉使能，電池的電量將維持在60%左右，確保電池處于一個(gè)較安全的電量值，即僅供電而不充電。

如圖7 所示，當(dāng)A、B、C、D 均為0 時(shí)，對(duì)應(yīng)IO1、IO2、IO3 分別為低、低、低，此時(shí)由電池供電；當(dāng)A、B、C、D 分別為1、0、1、1 時(shí)，對(duì)應(yīng)IO1、IO2、IO3 分別為高、低、高，此時(shí)由VIN_5V 供電；當(dāng)A、B、C、D 分別為1、0、1、0 時(shí)，對(duì)應(yīng)IO1、IO2、IO3 分別為低、低、高，此時(shí)由VIN_5V 供電。

圖7 安全充電策略流程

■3.3 路徑切換設(shè)計(jì)

上述充電安全設(shè)計(jì)的實(shí)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(dòng)態(tài)管理電路，即VIN_5V供電和BAT 供電的自動(dòng)切換。在本方案中，路徑動(dòng)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(shè)計(jì)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(jí)分三路，分別連通D1 二極管的陽(yáng)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(shè)計(jì)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(dòng)作；C2 的電容為10pF，用于防止電壓過(guò)沖，并保證較快的響應(yīng)速度；C1 容值為10μF，用于保證輸出至VSYS 的電源穩(wěn)定；當(dāng)VIN_5V 存在時(shí)，Q1 管子關(guān)閉，此時(shí)VSYS 電壓即為VIN_5V，此時(shí)由5V 供電；當(dāng)VIN_5V不存在時(shí)，Q1 管子開(kāi)啟，此時(shí)VSYS 電壓即為BAT 電壓，由電池供電。

4 結(jié)論

本文提出了一種適用于充電倉(cāng)充電+標(biāo)準(zhǔn)接口充電兩種充電方式的安全充電方案。方案中，通過(guò)檢測(cè)充電路徑上多個(gè)位置點(diǎn)的電平信息，軟件上開(kāi)發(fā)相應(yīng)的判斷邏輯，可在較少PIN 數(shù)的情況下實(shí)現(xiàn)多種充電方式的自動(dòng)識(shí)別。

本方案中，還提供了一種防反電路的設(shè)計(jì)，基于兩顆背對(duì)背的PMOS 管，通過(guò)互鎖設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)在除供電路徑之外的其他路徑無(wú)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(shè)計(jì)，依靠Switch 芯片，可以實(shí)現(xiàn)邊充邊用場(chǎng)景下的過(guò)長(zhǎng)時(shí)間充電保護(hù)，從而降低因長(zhǎng)期浮充導(dǎo)致的電池鼓包等問(wèn)題。