充电单元及充电装置 |
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| 申请号 | CN201710562362.3 | 申请日 | 2017-07-11 | 公开(公告)号 | CN107508331A | 公开(公告)日 | 2017-12-22 |
| 申请人 | 道县龙威盛科技有限公司; | 发明人 | 徐建华; | ||||
| 摘要 | 本 发明 实施例 提供一种充电单元，包括：与电源单元电连接的DC-DC转换模 块 ，用于接收并处理所述电源单元输出的 电流 ；与外部设备电连接的通过端口控制 电路 电连接的第一供电端口和第二供电端口；端口控制电路包括：与DC-DC转换模块和第一供电端口电连接的充电协议模块，用于控制充电单元的输出功率；与充电协议模块和第二供电端口电连接的微控 制模 块，至少用于在外部设备通过第二供电端口接入充电单元时控制充电协议模块工作；第一供电端口为USB Type-C 接口 ，第二供电端口为USB A接口。本发明还提供了相应的充电装置，包括：与供电电源电连接的电源单元和多个并联配置的充电单元。本发明能够提高充电装置的接口使用率和充电效率，降低制造成本。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种充电单元，包括： |
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| 说明书全文 | 充电单元及充电装置技术领域[0001] 本发明涉及充电领域，具体涉及一种充电单元及充电装置。 背景技术[0002] 随着USB Type-C接口的问世，越来越多的智能设备开始引入这一接口。Type-C接口有各种优点，例如：最大数据传输速度达到10Gbit/秒；接口插座端的尺寸约为8.3mm×2.5mm纤薄设计；支持从正反两面均可插入的“正反插”功能，可承受1万次反复插拔；配备Type-C连接器的标准规格连接线可通过3A电流，同时还支持超出现有USB供电能力的USB PD，可以提供最大100W的功率。 [0003] 由于USB Type-C接口的推广，以及对充电速度的更高要求，出现了支持USB PD(USB Power Delivery功率传输协议)的充电装置。USB PD功能的充电装置能针对不同的USB Type-C设备提供合适的电压，提高对设备的充电速度。 [0004] 然而，由于Type-C接口是新型接口，未来一段时间内其对其他设备的兼容性尚存在一定问题。在该接口普及之前，还需要使用各种转换设备进行接口转换才能够顺利使用，尤其是现有技术中用到最多的USB A接口。 [0005] 在实现本发明过程中，发明人发现相关技术中至少存在如下问题：目前，在政府、酒店、医院、学校、高铁、机场、餐厅等公共场所，当充电装置(例如充电站)为多个手机、IPAD等电子产品充电时，若充电线接口全部为Type-C类型，则面对数量庞大的USB A接口设备，充电装置无法为它们进行充电；若充电装置的充电线接口全部为USB A类型，则面对越来越多的Type-C接口设备，充电装置也将无用武之地。即使充电装置有一部分充电线为Type-C接口，另一部分充电线为USB A接口，使得对应二者的设备都能够进行充电，然而若某段时间通过充电装置充电的人群使用的设备均为Type-C接口，则Type-C接口的数量可能满足不了待充电设备的数量，导致充电效率的下降；此时所有的USB A接口却为闲置状态，白白浪费了另一部分的资源。反之亦然。因此，由于人群的流动性，对二者进行数量分配也无法使充电接口的利用最大化，从而造成了充电效率的下降和资源的浪费。 发明内容[0006] 本发明实施例提供一种充电单元及充电装置，用以至少解决上述阐述的现有技术中的至少一个问题。 [0007] 本发明实施例一方面提供了一种充电单元，包括： [0008] 与电源单元电连接的DC-DC转换模块，用于接收并处理所述电源单元输出的电流； [0009] 与外部设备电连接的第一供电端口和第二供电端口，所述第一供电端口与所述第二供电端口通过端口控制电路电连接； [0010] 其中，所述端口控制电路包括： [0011] 与所述DC-DC转换模块和所述第一供电端口电连接的充电协议模块，用于控制所述充电单元的输出功率； [0012] 与所述充电协议模块和所述第二供电端口电连接的微控制模块，至少用于在外部设备通过所述第二供电端口接入所述充电单元时控制所述充电协议模块工作； [0013] 所述第一供电端口为USB Type-C接口，所述第二供电端口为USB A接口。 [0014] 本发明实施例提供的充电单元，在供电端口上提供了USB Type-C接口和USB A两种接口类型，使用户可以根据自己使用的电子设备的接口类型来选择端口。同时满足了使用USB Type-C接口和USB A两种接口的人群的需求，降低了充电单元被闲置的可能性，提升了使用效率，减少了资源浪费。 [0015] 本发明另一方面提供了一种充电装置，包括： [0016] 与供电电源电连接的电源单元，用于接收来自所述供电电源的电流并进行处理，将处理后的电流输出； [0017] 多个并联配置的上述任一实施例的充电单元。 [0018] 本发明提供的充电装置在每一组充电单元中都设置了两种接口，一个是USB Type-C接口，另一个是USB A接口，两个接口共用一个DC-DC转换模块，无论是使用Type-C接口还是Type-A接口对外部设备进行充电，都不会使充电装置的充电电路受到闲置从而导致浪费。相反，由于一组充电单元具有两种接口，可以根据外部设备的接口类型选择相应的接口类型来充电，选择性大大增加，提高了充电装置的使用率，降低了成本。附图说明 [0019] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0020] 图1是本发明一实施例的充电单元的结构示意图； [0021] 图2是本发明一具体实施例的充电单元的电路图； [0022] 图3是本发明一实施例的充电装置的系统结构框图； [0023] 图4为本发明一具体实施例的充电装置的电路图； [0024] 图5是本发明一实施例的电源单元的结构示意图。 具体实施方式[0025] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0026] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。 [0027] 还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”，不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。 [0028] 图1是本发明一实施例的充电单元1的结构示意图。如图1所示，该充电单元包括DC-DC转换模块10、第一供电端口20、第二供电端口30和端口控制电路40。 [0029] DC-DC转换模块10用于接收并处理电源单元输出的直流电，并输出至供电端口，电源单元用于向充电单元1提供电能。 [0030] 并联配置的第一供电端口20和第二供电端口30用于与外部设备连接以向该外部设备传输电流，第一供电端口20与第二供电端口30通过端口控制电路40电连接。 [0031] 其中，端口控制电路40包括：与DC-DC转换模块10和第一供电端口20电连接的充电协议模块41，该充电协议模块用于控制充电单元1的输出功率；以及与充电协议模块41和第二供电端口30电连接的微控制模块42，微控制模块42至少用于在外部设备通过第二供电端口30接入充电单元1时控制充电协议模块41使其工作。 [0032] 本发明实施例中，第一供电端口为USB Type-C接口，第二供电端口为USB A接口。 [0033] 应当注意的是，在使用充电单元时，当第一供电端口20连接了外部设备以向该外部设备充电时，此时第二供电端口30不能连接其他外部设备进行充电，反之亦然。即二者为外部设备充电时只能择一进行。 [0034] 本发明实施例提供的充电单元，在供电端口上提供了USB Type-C接口和USB A两种接口类型，使用户可以根据自己使用的电子设备的接口类型来选择端口。同时满足了使用USB Type-C接口和USB A两种接口的人群的需求，降低了充电单元被闲置的可能性，提升了使用效率，减少了资源浪费。 [0035] 在一些实施方式中，充电协议模块41支持USB PD协议。USB PD协议(USB-Power Delivery，功率传输协议)是在一条线缆中同时支持高达100W电力传输和数据通信的协议规范。如果在USB Type-C端口中实现了USB PD，就能允许USB设备间传输最高至100W(20V/5A)的功率，大大加快了对设备的充电速度。由于Type-A接口通过转换电路与Type-C接口连接，因此本实施例中，Type-A接口也能够基于USB PD协议为外部设备进行快充。 [0036] 本实施例提供的充电单元通过支持USB PD协议，能够在不超过外部设备可承受的最大电压的基础上对输出的充电电压和电流进行调整，使得充电单元可以对不同的外部设备提供不同的充电方式，包括快充，使充电效果最大化。 [0037] 在一些实施方式中，DC-DC转换模块包括：用于滤除纹波并稳压输入电压的输入滤波电路，与所述输入滤波电路连接的DC-DC降压电路，与所述DC-DC降压电路连接的储能电感。 [0038] 本实施例中，DC-DC转换模块能够与充电协议模块配合，对传输至第一供电端口和第二供电端口的输出电压进行调整。其中DC-DC降压电路可以采用同步降压型变换器EUP3270，封装采用SOP-8EP方式。EUP3270能够驱动4A连续负载并带有优良线性和负载调整率，其输入电压范围是4.5V到30V，可工作在CC(恒流)模式下或CV(恒压)模式下。 [0039] 在一些实施方式中，充电单元1还包括与端口控制电路电连接的充电指示电路50，该充电指示电路用于指示对外部设备的充电状态，从而便于用户及时掌握外部设备的充电情况。充电指示电路可以通过多个LED灯的明亮状态及颜色进行相应信息的显示。例如，充电指示电路可以与两个LED灯连接，一个LED灯为红色，另一个LED灯为绿色。当红色灯和绿色灯均灭时，表明此时该充电指示电路对应的充电单元没有插入外部设备进行充电；当红色灯亮绿色灯灭时，表明该充电单元正在为外部设备进行充电，即外部设备的电量未充满；而当红色灯灭绿色灯亮时，表明该充电单元已完成对外部设备的充电过程，即外部设备的电量已充满。如图2所示，充电指示电路50可以由1LED、1R14、1R13构成。 [0040] 下面将参照图2对本发明做进一步说明。图2是本发明一具体实施例的充电单元1的电路图。图中USB Type-C接口的标记为CON1，USB A接口的标记为1USB。USB PLUG为USB A接口的插头。USB A插头中引脚S表示该USB A口的金属外壳。1N1、1N2、1N3和1N4表示排针，其中1N1和1N3连接，1N2和1N4连接。每个器件旁边均标注了该器件对应的名称、数值大小，和/或型号、规格、封装方式等。具体标注内容详见附图，本发明具体实施方式部分对此不再进行说明。 [0041] 具体地，如图2所示，端口控制电路包括PMOS管(Q1)、协议IC(U1)即充电协议模块41和MCU(U12)即微控制模块42。充电协议模块控制充电单元输出电压的过程如下： [0042] 当PD(Power Device，受电端设备)设备即外部设备接入USB Type-C接口后，通讯信号通过CC脚(CC1或CC2，分别通过排针IN1和IN3、IN2和IN4连接)传送到协议IC(U1)。信号沟通成功后，U1的12脚PWR_ENB输出一个低电平至G脚，使得PMOS管(Q1)导通。此时U1的16脚输出一个PWM信号调制DC-DC降压电路(1U1)的3脚，输出电压信号通过R2、R3、R4、C10反馈到协议IC(U1)的3脚，U1根据反馈信号调节16脚的PWM信号，使输出电压达到PD设备需要的电压。 [0043] 当外部设备接入USB A接口后，1USB外壳与输出地接通，引脚1Wakeup由高电平变为低电平，MCU(U12)的18脚收到低电平后，输出低电平，使U1的CC脚通过1R11 5.1K到地。然后U1的12脚输出一个低电平，使得PMOS管(Q1)导通，输出默认直流5V电压。于是U1的5、6脚与输出设备通讯(通讯内容为输出电压的高低),信号沟通成功后U1的16脚输出一个PWM信号调制1U1的3脚，输出电压信号通过R2、R3、R4、C10反馈到协议IC(U1)的3脚，U1根据反馈信号调节16脚的PWM信号，从而使输出电压达到PD设备需要的电压。 [0044] DC-DC转换模块还包括与所述储能电感连接的输出滤波电容和电压反馈电路。如图2所示，在DC-DC转换模块中，1E1、1C1、1C2构成输入滤波电路，用于滤除纹波与稳压输入电压；1L1为储能电感，1E2为输出滤电容，1U1、1L1、1E2构成DC-DC降压主电路；1R5、1R6、1R4、1R2、1R3、1Z1、1Q1构成电压反馈电路；1C4为1U1的LDO储能电容。上述内容构成了高效的直流变直流降压电路。其中，1U1的3脚通过1N2接图4的1N4到U1的16脚，接收U1的16脚的PWM电压控制信号，从而在1E2两端得到输出电压。 [0046] 在一些实施方式中，充电单元1还可以包括电压检测模块60。电压检测模块60与微控制模块42电连接，用于在外部设备接入到第一供电端口或第二供电端口时检测外部设备所需的供电电压和/或检测所述第一供电端口或所述第二供电端口的输出电压。具体地，如图2所示，电压检测模块60包括电阻R15、R16、R17和电容C7。 [0047] 图3是本发明一实施例的充电装置100的系统结构框图。如图3所示，该充电装置包括： [0048] 与供电电源电连接的电源单元2，用于接收来自所述供电电源的电流并进行处理，将处理后的电流输出； [0049] 多个并联配置的上述任一实施例所述的充电单元1。 [0050] 电源单元2用于将输入的来自供电电源的交流电输出为直流电，输出的直流电电压范围在21.2-22.5V之间，例如22V。供电电源向电源单元2输入的可以是85V～265V的交流电，例如220V市电。 [0051] 在实际使用时，充电装置为下行端口(downstream facing port，DFP)，所接外部设备为上行端口(upstream facing port，UFP)。所述外部设备可以为手机、平板电脑、MP4、MP3、移动电源、虚拟现实头套(VR头套)等各种可充电的电子产品。充电装置中充电单元的数量为3个以下时，该充电装置可以是移动电源；充电单元的数量超过3个时，充电装置可以是具有多个USB输出端口的USB充电站。 [0052] 每个充电单元1均可以通过两个供电端口与外部设备连接，并向外部设备输出经过降压后具有预设电压的直流供电。预设电压值可以根据需要进行设定，例如将其设定为9V、12V或者20V。 [0053] 每个充电单元中的端口控制电路40与用于根据每个充电单元对应的外部设备的最大充电电压来控制每个充电单元的输出电压，通过打开/关闭Vbus从而控制充电单元1的输出功率。 [0054] 微控制模块42可以是MCU微控制器。当充电装置100包括的充电单元1的数量较多时，MCU微控制器的数量也可以根据实际配置情况适当增加。例如，当充电单元的数量为5时，由于一个MCU芯片可以与两个充电单元连接，此时充电装置需要至少三个MCU芯片。 [0055] 本发明提供的充电装置在每一组充电单元中都设置了两种接口，一个是USB Type-C接口，另一个是USB A接口，两个接口共用一个DC-DC转换模块，无论是使用Type-C接口还是Type-A接口对外部设备进行充电，都不会使充电装置的充电电路受到闲置从而导致浪费。相反，由于一组充电单元具有两种接口，可以根据外部设备的接口类型选择相应的接口类型来充电，选择性大大增加，提高了充电装置的使用率，降低了成本。 [0056] 此外，由于每组充电单元均支持USB PD，不但USB Type-C接口有外部设备接入时输出电压可以调整，USB A接口有外部设备接入时通过微控制模块来使充电协议模块同样可以对输出电压进行调整，使得具有USB A接口的设备也能通过快充等各类充电形式充电。 [0057] 特别地，由于外部设备的USB Type-C接口最大支持20V、5A的输出，USB Type-C接口的各个引脚能够承受的电流值有限。每个充电单元的输入功率最大为120W，使得充电装置的输出功率被限制在120W之内。因此，为保证电压的正常传输，端口控制电路会根据对应的充电单元的输出电流值和电压值的乘积是否超过功率阈值(即120W)来控制该组充电单元的充电通路是否关断，从而确定了充电装置中充电单元的导通数量。 [0058] 本发明实施例中基于USB PD协议的充电装置，可以通过USB PD协议调整充电单元的输出电压，从而稳定向外部设备充电的电流。尤其是再通过阻抗补偿处理，可以最大限度地延长恒流充电的时间，缩短恒压充电的时间，为进一步提升充电速度提供了可能。 [0059] 图4为本发明一具体实施例的充电装置的电路图。其中，该充电装置具有5组充电单元。应当注意的是，为表示出充电装置包括多个并联配置的充电单元，该电路图省去了每个充电单元中的充电协议模块和Type-C接口的电路图。 [0060] 与图2类似，图4中每个器件旁边也都标注了该器件对应的名称、数值大小，和/或型号、规格、封装方式等。其中，每组充电单元的结构、包括的器件等均相同，为了区分，第一组充电单元中大部分器件(除了微控制模块)的名称前全部标1，第二组充电单元中大部分器件的名称前全部标2，……，以此类推。具体标注内容详见附图，本发明具体实施方式部分对此不再进行说明。 [0061] 在一些实施方式中，电源单元可以包括漏电保护模块、电能计量模块和AC-DC转换模块。电流从供电电源流入电源单元，依次经过漏电保护模块、电能计量模块和AC-DC转换模块处理后输出。当被保护线路的相线直接或通过非预期负载对大地接通时，会产生剩余电流，当该剩余电流大于一定数值时，漏电保护模块就会切断该线路，以保持整个电路正常工作。电能计量模块用于实时测量和显示电源单元的电压、电流、频率因数及电能等参数。AC-DC转换模块用于将来自供电电源的交流电转换为直流电。 [0062] 在另一种实施方式中，电源单元2可以包括顺序连接的交流电源输入端21、电源开关电路22。图5是本发明一实施例的电源单元的结构示意图。如图5所示，其中所述电源开关电路22包括顺序连接的EMI滤波电路201、功率因数校正电路202、变压器203和整流滤波电路204，所述功率因数校正电路202还可以连接有待机电源电路205，所述变压器203还可以与控制器206相连接。功率因数校正电路202可以有效提高电力利用率，节能环保，使得电力的有效输出得到提高，从而达到节约电力的目的。 [0063] 优选地，控制器206为一体式集成控制器，其中集成有PFC控制器与PWM控制器。 [0064] 电源单元中的控制器206为集成式控制器，其中集成有PFC控制器与PWM控制器，独特的一体化设计，使其具有更高的性能，并可提供全面的保护功能，同时能够减少元件数目，简化设计和降低材料成本，使得其静态功耗≤0.5W，功率因数校正值≥0.90，平均能效≥0.90。 [0065] 电源单元还可以采用其他现有的装置，本发明在此不再赘述。 [0066] 在一些实施方式中，充电装置包括的充电单元的数量为10～20个。本实施例具有输出端口多、能够智能识别、充电速度快的特点，适合于政府、酒店、医院、学校、高铁、机场、餐厅等公共场所使用。 [0067] 优选地，充电装置还可以包括与电源单元连接的智能温控单元3，用于检测和控制充电装置内部的温度。例如，当充电装置机箱内温度大于45度时，负温度热敏器件TH的阻值会降低到阀值电压，工作放大器会输出高电平，MOS管导通，风扇直流5V电机开启工作，风扇高速转动，使空气快速对流，强制降低机箱内温度，保证充电装置的正常工作。 [0068] 特别地，充电装置还包括电连接至电源单元的消毒单元4，其包括内置AC-DC电源电路、紫外线杀菌灯管套及紫外线杀菌灯管。紫外线杀菌灯实际上是属于一种低压汞灯，低压汞灯是利用较低汞蒸汽压(<10-2Pa)被激化而发出紫外光，其发光谱线主要有253.7nm波长和185nm波长两条紫外线，可以使微生物细胞内核酸、原浆蛋白和酶发生化学变化而死亡。本实施例可通过蓝牙APP远程控制消毒单元，定期对充电终端进行杀菌消毒，从而防止操作者之间产生传染疾病的交叉感染。 [0069] 作为上述实施例的进一步优化，充电装置还可以包括欠压保护电路，所述欠压保护电路与MCU连接。在欠压时，使用MCU对充电过程进行暂时切断，使得充电装置的工作过程更加稳定，增加了其使用寿命。 [0070] 在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。 [0071] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。 |
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