一种多态切换电路及设备

技术领域

本发明涉及设备供电技术领域，具体而言，涉及一种多态切换电路及设备。

背景技术

随着电子技术的迅猛发展，各种由集成电路、晶体管、电子管等电子元器件组成，应用电子技术(包括)软件发挥作用的电子设备的应用越来越普及。一般来说，大多数电子设备是依靠电能运行的，实际使用中有多种方式可以为其供电，包括电池供电、USB供电和直流电源供电。目前的设备一般只用一种方式进行供电，但这样设置不仅供电方式单一，而且存在以下问题：

1、直流电源供电为通过市政的供电设施供电，再经过电压转换到设备符合的电压要求，除停电特殊情况外可以一直供电操作，而且设备所需的电流远远小于市政供电的电流，这样可以认为可以一直供电，没有供电不足的担心，这种供电方式要求有插座，地点相对固定，不便移动。

2、USB供电为通过计算机的USB供电，电流上限一般为500mA，对于供电电流在500mA以下的设备可以采用这种供电方式，可以通过计算机的USB口进行供电，一边进行数据操作，一边对设备供电。这种供电方式要求设备有USB接口，地点也相对固定，不便移动，同时，USB供电的使用会增加计算机的功耗。

3、电池供电为通过设备自身携带的电池对设备进行供电，可以移动，一般不受地点和环境的限制，但这种供电方式中由于电池电量有限，当电池电量用尽后就不能对设备进行操作。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种多态切换电路，该电路通过设置供电切换单元能够根据供电方式进行自动切换，实现了设备中USB供电、直流供电、干电池供电和可充电电池供电的切换，提高了供电的稳定性，能够适应不同应用场景的需要；通过设置电池充电单元，当使用可充电电池时，能够直接对可充电电池进行充电，操作简单，使用方便；通过设置控制模块与电池充电单元相配合，保障了充电过程的稳定性和安全性。

本发明的第二目的在于提供一种设备，该设备通过应用上述多态切换电路，能够使用多种方式对待充电设备进行供电，操作简便，设备整体成本低且能够适应多种应用场景的需要。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

本发明提供了一种多态切换电路，包括：用于外接电池的电池供电接口；用于外接直流电源或USB供电装置的直流供电接口；控制模块、供电切换单元和电池充电单元；所述控制模块的第四引脚和第五引脚均与所述电池充电单元相连以控制所述电池充电单元对电池进行充电；所述供电切换单元分别与所述电池供电接口和所述直流供电接口相连以实现对供电方式的切换；所述电池充电单元与所述电池供电接口相连。

现有技术中，设备的供电方式大多采用电池供电、USB供电或直流电源供电，然而，由于目前大多数设备仅采用一种方式进行供电，但这样设置供电方式单一，不能适应多种应用场景的需要。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种多态切换电路，该电路通过设置供电切换单元，能够根据实际供电方式自动进行切换，保障供电的稳定；通过设置控制模块和电池充电单元相配合，能够在可充电电池电量不足时对其进行充电，无需将可充电电池拆下，操作简单，充电效率高。

优选的，所述电池充电单元包括：充电模块、第六电阻；所述充电模块的第一引脚与所述电池供电接口的阳极相连，所述充电模块的第二引脚与所述电池供电接口的阴极相连，所述充电模块的第三引脚与所述控制模块的第五引脚相连；所述第六电阻一端与所述充电模块的第二引脚相连，另一端接地。通过控制模块对电池充电单元进行控制，当需要进行充电时，控制模块通过第五引脚控制充电模块对电池充电，保障了充电的稳定性和安全性。

优选的，所述电池充电单元还包括第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第三场效应管、第四场效应管和三极管；所述第三场效应管的第三引脚与所述充电模块的第二引脚相连，所述第三场效应管的第二引脚接地，所述第三场效应管的第一引脚与所述第七电阻的第一引脚相连；所述第四场效应管的第三引脚与所述充电模块的第二引脚相连，所述第四场效应管的第二引脚接地，所述第四场效应管的第一引脚与所述第七电阻的第一引脚相连；所述第七电阻的第二引脚与所述三极管的第三引脚相连；所述第八电阻一端与所述三极管的第三引脚相连，另一端连接有第二电源信号；所述三极管的第二引脚与所述第九电阻的第一引脚相连，所述三极管的第一引脚接地；所述第十电阻的一端与所述第九电阻的第二引脚相连，另一端连接有第三电源信号；所述第九电阻的第二引脚与所述控制模块的第四引脚相连。控制模块通过第四引脚控制电池充电单元的接地方式。当对可充电电池进行充电时，控制模块的第四引脚置高电平，此时三极管导通，第二电源信号通过第八电阻接地，第三场效应管和第四场效应管关闭，充电模块的第二引脚通过第六电阻到地，这样同时起到下地和充电电流检测的作用，提高了充电过程的安全性；当不充电时，控制模块的第四引脚置低电平，三极管截止，第二电源信号使第三场效应管和第四场效应管导通，直接连接到主地，从而保证电池供电接口的阴极接地充分，形成完整的供电回路。

优选的，所述供电切换单元包括：二极管、第一场效应管和第二场效应管；所述二极管的一端与所述直流供电接口的阳极相连，另一端连接负载的电源接口；所述第一场效应管的第一引脚与所述直流供电接口的阳极相连，所述第一场效应管的第二引脚与所述负载的电源接口相连，所述第一场效应管的第三引脚与所述电池供电接口相连；所述第二场效应管的第一引脚与所述直流供电接口的阳极相连，所述第二场效应管的第二引脚与所述第一场效应管的第二引脚相连；所述第二场效应管的第三引脚与所述第一场效应管的第三引脚相连。当直流电源或USB供电与电池同时接入时，直流电源或USB供电电源直接给负载的电源接口供电，同时第一场效应管和第二场效应管截止，电池无法对负载进行供电；当只有直流电源或USB供电时，直流电源或USB电源直接通过二极管给负载供电；当只有电池供电时，第一场效应管和第二场效应管导通，电池通过第一场效应管和第二场效应管给负载供电；通过并联第一场效应管和第二场效应管，能够减小压降，提高供电能力。

优选的，所述控制模块的第二引脚连接有用于判断电池类型的电池判断单元；所述电池判断单元与所述电池供电接口相连。进一步的，所述电池判断单元包括：电池接口模块和第一电阻；所述电池接口模块上设置有用于与可充电电池数据脚相连的第二引脚，所述电池接口模块的第二引脚与所述控制模块的第二引脚相连；所述电池接口模块的第一引脚与所述电池供电接口的阳极相连，所述电池接口模块的第三引脚与所述电池供电接口的阴极相连，所述电池接口模块的第四引脚与第五引脚接地；所述第一电阻的一端与所述电池接口模块的第二引脚相连，另一端接入有用于给所述电池接口模块供电的第一电源信号。电池判断单元能够对电池类型进行判断，控制模块通过电池接口模块对电池接口模块的第二引脚进行读取，如果没有读到变化，就默认为干电池；如果有变化该电池即为可充电电池，同时通过该引脚还能检测到可充电电池的温度，防止电池过热引发危险。

优选的，所述控制模块的第三引脚连接有电池电压监测单元；所述电池电压监测单元与所述电池供电接口相连。进一步的，所述电池电压监测单元包括：第四电阻和第五电阻；所述第四电阻的一端与所述电池供电接口的阳极相连，另一端与所述控制模块的第三引脚相连；所述第五电阻一端与所述控制模块的第三引脚相连，另一端接地。控制模块通过读取第四电阻和第五电阻分压后的电压来判断电池电压是否在合理电压范围内，同时，如果当前为可充电电池，当电压过低时，控制模块能够控制电池充电单元对其进行充电，保障其电量充足。

优选的，所述控制模块的第一引脚连接有直流电压监测单元相连；所述直流电压监测单元与所述直流供电接口相连；进一步的，所述直流电压监测单元包括：第二电阻和第三电阻；所述第二电阻一端与所述控制模块的第一引脚相连，另一端与所述直流供电接口相连；所述第三电阻一端与所述控制模块的第一引脚相连，另一端接地。通过读取第二电阻和第三电阻分压后的电压，能够判断外部供电电压是否在合理的范围之内，从而保证供电安全。

本发明还提供了一种设备，所述设备包括外壳，所述外壳内设置有上述的多态切换电路。

本发明的设备通过设置电路实现了设备中电池供电、USB供电和直流电源供电之间的切换，不再需要芯片来实现，大大的降低设备成本，节省了开资，且能够自动给可充电电池充电，操作更加简便，使用效率高。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明的多态切换电路通过设置供电切换单元能够根据供电方式进行自动切换，实现了设备中USB供电、直流供电、干电池供电和可充电电池供电的切换，提高了供电的稳定性，能够适应不同应用场景的需要；

(2)通过设置电池充电单元，当使用可充电电池时，能够直接对可充电电池进行充电，操作简单，使用方便；

(3)通过设置控制模块与电池充电单元相配合，保障了充电过程的稳定性和安全性；

(4)通过设置直流电压监测单元，能够实时监测直流供电电压，防止电压过高或过低对负载造成损坏；

(5)通过设置电池电压监测单元，当检测到电池电压不足时，能够通过控制模块控制电池充电单元向可充电电池充电或者提醒用户及时更换干电池。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例提供的多态切换电路的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的控制模块的示意图；

图3为本发明实施例提供的直流电压监测单元的电路示意图；

图4为本发明实施例提供的电池判断单元的电路示意图；

图5为本发明实施例提供的电池电压监测单元的电路示意图；

图6为本发明实施例提供的电池充电单元的电路示意图；

图7为本发明实施例提供的供电切换单元的电路示意图。

附图说明：

10-控制模块； 20-直流电压监测单元；

30-电池判断单元； 40-电池电压监测单元；

50-电池充电单元； 60-电池供电接口；

70-直流供电接口； 80-供电切换单元。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列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，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了更加清晰的对本发明中的技术方案进行阐述，下面以具体实施例的形式进行说明。

实施例

参阅图1-7所示，本实施例提供了一种多态切换电路。如图1所示，该多态切换电路包括：用于外接电池的电池供电接口60；用于外接直流电源或USB供电装置的直流供电接口70；控制模块10、供电切换单元80、电池充电单元50、电池判断单元30、电池电压监测单元40和直流电压监测单元20。

其中，控制模块10的第一引脚与直流电压监测单元20相连；控制模块10的第二引脚与用于判断电池类型的电池判断单元30相连；控制模块10的第三引脚与电池电压监测单元40相连；控制模块10的第四引脚和第五引脚均与电池充电单元50相连以控制电池充电单元50对电池进行充电。供电切换单元80分别与电池供电接口60和直流供电接口70相连以实现对供电方式的切换；电池充电单元50与电池供电接口60相连；电池判断单元30与电池供电接口60相连；电池电压监测单元40与电池供电接口60相连；直流电压监测单元20与直流供电接口70相连。

如图2所示，为本实施例的控制模块10U1，控制模块10U1的第一引脚为PC4/AIN2脚，通过USB_VMON与直流电压监测单元20相连，第二引脚为PD2/AIN3脚，通过BAT_TMON与电池判断单元30相连，第三引脚为PD3/AIN4脚，通过BAT_VMON与电池电压监测单元40相连，第四引脚为PC3脚，通过BAT_CPU与电池充电单元50相连；第五引脚为SPI_NSS/PA3脚，通过CHG_EN与电池充电单元50相连，控制模块10U1的VDD脚还连接有为控制模块10U1供电的电源信号。

如图3所示为本实施例的直流电压监测单元20，包括：第二电阻R1和第三电阻R2；第二电阻R1一端与控制模块10U1的第一引脚相连，另一端与直流供电接口70相连；第三电阻R2一端与控制模块10U1的第一引脚相连，另一端接地。工作时，控制模块10U1通过USB_VMON读取第二电阻R1和第三电阻R2分压后的电压，并根据该电压判断外部供电电压是否在合理的范围之内。

如图4所示为本实施例的电池判断单元30，包括：电池接口模块CONG1和第一电阻R0；电池接口模块CONG1上设置有用于与可充电电池数据脚相连的第二引脚，电池接口模块CONG1的第二引脚与控制模块10U1的第二引脚相连；电池接口模块CONG1的第一引脚与电池供电接口60的阳极相连，电池接口模块CONG1的第三引脚与电池供电接口60的阴极相连，电池接口模块CONG1的第四引脚与第五引脚接地；第一电阻R0的一端与电池接口模块CONG1的第二引脚相连，另一端接入有用于给电池接口模块CONG1供电的第一电源信号。工作时，控制模块10U1通过BAT_TMON对电池接口模块CONG1的第二引脚进行读取，如果没有读到电池的ADC变化，就默认为干电池；如果电池的ADC变化，该电池即为可充电电池，同时该引脚还能检测到可充电电池的温度。

如图5所示为本实施例的电池电压监测单元40，包括：第四电阻R3和第五电阻R4；第四电阻R3的一端与电池供电接口60的阳极相连，另一端与控制模块10U1的第三引脚相连；第五电阻R4一端与控制模块10U1的第三引脚相连，另一端接地。控制模块10U1通过BAT_VMON读取第四电阻R3和第五电阻R4分压后的电压来判断电池电压是否在合理电压范围内，同时，如果当前为可充电电池，当电压过低时，控制模块10U1能够控制电池充电单元50对其进行充电，保障其电量充足。

如图6所示，电池充电单元50包括：充电模块U2、第六电阻R5；充电模块U2的第一引脚与电池供电接口60的阳极相连，充电模块U2的第二引脚与电池供电接口60的阴极相连，充电模块U2的第三引脚与控制模块10U1的第五引脚相连；第六电阻R5一端与充电模块U2的第二引脚相连，另一端接地。控制模块10U1通过CHG_EN对电池充电单元50进行控制，当需要进行充电时，控制模块10U1控制充电模块U2对电池充电，当电池电压满足要求时，停止充电。需注意的是，该充电过程是建立在电池为可充电电池的基础上的，而电池类型的判断由电池判断单元30完成。

继续参阅图6，电池充电单元50还包括第七电阻R6、第八电阻R7、第九电阻R8、第十电阻R9、第三场效应管Q3、第四场效应管Q4和三极管Q5；第三场效应管Q3的第三引脚与充电模块的第二引脚相连，第三场效应管Q3的第二引脚接地，第三场效应管Q3的第一引脚与第七电阻R6的第一引脚相连；第四场效应管Q4的第三引脚与充电模块的第二引脚相连，第四场效应管Q4的第二引脚接地，第四场效应管Q4的第一引脚与第七电阻R6的第一引脚相连；第七电阻R6的第二引脚与三极管Q5的第三引脚相连；第八电阻R7一端与三极管Q5的第三引脚相连，另一端连接有第二电源信号；三极管Q5的第二引脚与第九电阻R8的第一引脚相连，三极管Q5的第一引脚接地；第十电阻R9的一端与第九电阻R8的第二引脚相连，另一端连接有第三电源信号；第九电阻R8的第二引脚与控制模块10U1的第四引脚相连。控制模块10U1通过第四引脚控制电池充电单元50的接地方式。当对可充电电池进行充电时，控制模块10U1的第四引脚置高电平，此时三极管Q5导通，第二电源信号通过第八电阻R7接地，第三场效应管Q3和第四场效应管Q4关闭，充电模块U2的第二引脚通过第六电阻R5到地，这样同时起到下地和充电电流检测的作用，提高了充电过程的安全性；当不充电时，控制模块10U1的第四引脚置低电平，三极管Q5截止，第二电源信号使第三场效应管Q3和第四场效应管Q4导通，直接连接到主地，从而保证电池供电接口60的阴极接地充分，形成完整的供电回路。

如图7所示，供电切换单元80包括：二极管D1、第一场效应管Q1和第二场效应管Q2；二极管D1的一端与直流供电接口70的阳极相连，另一端连接负载的电源接口；第一场效应管Q1的第一引脚与直流供电接口70的阳极相连，第一场效应管Q1的第二引脚与负载的电源接口相连，第一场效应管Q1的第三引脚与电池供电接口60相连；第二场效应管Q2的第一引脚与直流供电接口70的阳极相连，第二场效应管Q2的第二引脚与第一场效应管Q1的第二引脚相连；第二场效应管Q2的第三引脚与第一场效应管Q1的第三引脚相连。当直流电源或USB供电与电池同时接入时，直流电源或USB供电电源直接给负载的电源接口供电，同时第一场效应管Q1和第二场效应管Q2截止，电池无法对负载进行供电；当只有直流电源或USB供电时，直流电源或USB电源直接通过二极管D1给负载供电；当只有电池供电时，第一场效应管Q1和第二场效应管Q2导通，电池通过第一场效应管Q1和第二场效应管Q2给负载供电；另外，通过并联第一场效应管Q1和第二场效应管Q2，还能减小压降，提高供电能力。

本实施例还提供了一种设备，该设备包括外壳，外壳内设置有上述的多态切换电路。具体的，可将上述电路设置在电路板上。

需要注意的是，本实施例的直流供电接口70所连接的为直流电源或USB供电装置，本实施例的多态切换电路适用场景为干电池供电、直流供电、USB供电、可充电电池供电、直流和干电池同时供电、USB和干电池同时供电、直流和可充电电池同时供电、USB和可充电电池同时供电等的情况。

本实施例中的第一电源信号、第二电源信号和第三电源信号都用MCU_VDD表示，但是起到的作用并不相同，第一电源信号用于为电池接口模块供电，第二电源信号为第八电阻R7的上拉电源，第三电源信号为第十电阻R9的上拉电源。5V_USB为直流供电接口70给出的电源信号，VBAT_IN代表电池供电接口60的阳极信号，BAT-代表电池供电接口60的阴极信号。

本实施例中，所指的干电池均为不可充电电池。

本实施例中，第二电阻R1、第三电阻R2、第四电阻R3和第五电阻R4均为1％精度分压电阻；第六电阻R5为1％精度毫欧级别检测电阻；二极管D1为肖特基二极管；第一场效应管Q1和第二场效应管Q2为PMOS；第三场效应管Q3和第四场效应管Q4为NMOS；三极管Q5为NPN晶体管。

总之，本发明的多态切换电路实现了设备中电池供电、USB供电和直流电源供电之间的切换，且能够兼容可充电电池和不可充电电池，能够满足不同应用场景的需要。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。