一种基于固定占空比的模拟一次电池放电特性的电压调节电路和方法

技术领域

本发明涉及电池设计技术领域，特别是一种基于固定占空比的模拟一次电池放电特性的电压调节电路和方法。

背景技术

由于锂电池的能量密度远大于传统的一次电池，使用锂电池替代传统的一次电池在同样的体积下可以用更长的时间，减少了充电次数，提升用户体验，因此市场上有锂电池替代一次电池的A型、AA型、AAA型、AAAA型、C型、D型、SC型电池面市。

现有的锂电池替代一次电池的方案为:将锂电池通过DC-DC转换，变为固定的1.5或9V输出。这种方案存在一个问题是：设备使用现有方案的锂电池替代一次电池无法准确获取电池剩余电量信息，导致出现忽然断电的风险。具体原因分析如下：

使用现有一次电池的设备，如无线麦克风、万用表、手持式仪表、遥控器等，都需要进行电量检测，在设备出现或快出现低电量时提早提醒用户：“电池电量低了，请及时更换电池”，以避免由于电池突然没电引发的不便、问题甚至事故。目前采用一次电池供电的设备，都是基于电池电压进行电量估算和测量，例如采用1.5V电池的设备，在电池电压为1.5V时判定电池还处于满电的状态，当电池降至1.15V(该阀值因不同产品略有差别)则判定电池没电，且可能在1.2~1.3V时就提醒用户要及时更换电池。但是采用锂电池经过DC-DC恒压1.5V输出的传统方案，只要电池的电压能提供DC-DC电路工作，就稳定在1.5V，而在锂电池没有电时，则DC-DC直接关闭输出，导致设备直接断电。

也即，现有采用恒压DC-DC输出的方案，存在电压恒定输出在1.5V，但没电时直接掉到0V，没有中间过渡，导致设备忽然掉电的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一次电池放电特性的电压调节电路和方法，能够避免锂电池供电忽然断电导致的损失。

本发明采用以下方案实现：一种基于固定占空比的模拟一次电池放电特性的电压调节方法，具体包括以下步骤：

将锂电池的输出电压按照固定占空比转换为模拟的设定的一次电池电压。

进一步地，所述固定占空比的计算采用下式：

固定占空比=设定的一次电池的满电量标称电压/锂电池的满电量标称电压。

进一步地，当采用标称4.2V的三元锂电池模拟1.5V输出一次电池时，占空比固定为35.7%±0.2%。

进一步地，当采用标称3.6V的磷酸铁锂电池模拟1.5V输出一次电池时，占空比固定为41.7%±0.2%。

本发明还提供了一种基于固定占空比的模拟一次电池放电特性的电压调节电路，包括锂电池，具体包括固定占空比PWM电路以及功率输出电路；

所述固定占空比PWM电路与锂电池、功率输出电路电性相连，所述功率输出电路还与锂电池电性相连；所述固定占空比PWM电路通过向功率输出电路输出设定的固定占空比来实现将锂电池的输出电压转换为模拟的设定的一次电池电压。

进一步地，所述固定占空比PWM电路采用PWM发生电路，包括由555定时器、单片机、多谐振荡器、运放或比较器构成的PWM电路。

进一步地，所述功率输出电路为降压电路、升压电路或者升降压电路。

进一步地，所述功率输出电路采用DAC电路。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

1、本发明通过设定固定占空比将锂电池的电压实时转换为模拟目标一次电池的电压，电压随着电量的减小而相应减小，避免忽然断电导致的损失。

2、本发明能提供更简洁、更低成本的电路方案实现，使得相同体积下能够放入更大容量的锂电池，提供更大规格的续航能力，同等电量条件下成本低于现有方案。

3、本发明的电路由于完全开环控制，只要求输出一路固定占空比的信号，因此控制极其简单，即使用单片机，也可以是最小管脚，例如SOT23-6封装单片机，单片机资源也可以使用最小资源，因此成本也可以做到极低。

附图说明

图1为本发明实施例的原理示意图。

图2为本发明实施例的电路示意图1。

图3为本发明实施例的电路示意图2。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，本实施例提供了一种基于固定占空比的模拟一次电池放电特性的电压调节方法，具体包括以下步骤：

将锂电池的输出电压按照固定占空比转换为模拟的设定的一次电池电压。

在本实施例中，所述固定占空比的计算采用下式：

固定占空比=设定的一次电池的满电量标称电压/锂电池的满电量标称电压。

在本实施例中，当采用标称4.2V的三元锂电池模拟1.5V输出一次电池时，占空比固定为35.7%±0.2%。

在本实施例中，当采用标称3.6V的磷酸铁锂电池模拟1.5V输出一次电池时，占空比固定为41.7%±0.2%。

本实施例还提供了一种基于固定占空比的模拟一次电池放电特性的电压调节电路，包括锂电池，具体包括固定占空比PWM电路以及功率输出电路；

所述固定占空比PWM电路与锂电池、功率输出电路电性相连，所述功率输出电路还与锂电池电性相连；所述固定占空比PWM电路通过向功率输出电路输出设定的固定占空比来实现将锂电池的输出电压转换为模拟的设定的一次电池电压。

在本实施例中，所述固定占空比PWM电路可以采用市面上现有的PWM发生电路，包括由555定时器、单片机、多谐振荡器、运放或比较器构成的PWM电路。

进一步的，所述固定占空比PWM电路采用单片机控制时，所述单片机为低功耗单片机，单片机开启PWM后，其余电路均处于休眠状态。

所述电路由于完全开环控制，因此控制极其简单，即使用单片机，也可以是最小管脚，例如SOT23-6封装单片机，单片机资源也可以使用最小资源，因此成本也可以做到极低。

在本实施例中，所述功率输出电路为降压电路、升压电路或者升降压电路。

在本实施例中，所述功率输出电路还可以是基于三极管或MOS管的降压开关电路、DAC电路等。

本实施例的固定占空比输出对应的电压变化如下：

对于单节4.2V锂电池，对应的输出电压为1.5V，输出比例固定为1.5/4.2*100%=35.7%。当电池电压下降至3.6V时，对应的输出为3.6*35.7%= 1.2852V。如此，就实现了随着锂电池的电量下降，电压也不断下降，对应的模拟一次电池的输出电压也相应按照比例下降，从而避免了用一次电池的设备忽然断电的风险。

由于锂电池的内阻小，因此在PWM工作条件下，输出阻抗相当于电感+元件内阻，因此电压随负载波动仍然在一次电池指标范围内，但本电路由于简单易实现，成本可以做到同类产品最低。

其中，以MOS管实现的功率输出电路的原理框图见图2。图2中MOS管、二极管、电感、电容构成BUCK降压电路。图2中功率输出电路的二极管也可以采用MOS管，通过同步整流降低开关损耗。

进一步地，本实施例中，所述固定占空比PWM电路可采用低功耗MCU，如图3所示。图3中，U1型号为PIC10F320，用于产生固定PWM信号，控制PMOS管Q1通断，经过L1、C1后产生经过固定占空比降压后的电压。输出电压Vp=Vbat*D，采用标称三元4.2V的三元锂电池的占空比D设置为35.7%，即Vp=35.7%*Vbat。

本实施例举的都是降压的例子，同样的方案也可以用于升压、升降压。在固定占空比基础上，功率级可以采用boost电路、buck-boost电路等，属于业界公知技术，这里就不再赘述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。