本發(fā)明涉及充電系統(tǒng)技術領域，尤其涉及一種應用于可穿戴設備上的智能充電系統(tǒng)以及利用該充電系統(tǒng)實現(xiàn)的充電方法。

背景技術：

隨著科技的發(fā)展，可穿戴產品越來越多，比如智能手環(huán)、虛擬眼鏡、動作捕捉設備等等，但是可穿戴產品為了增加佩戴的舒適度，會追求體積小，重量輕。

在可穿戴技術里，除了上述的追求體積小一級佩戴的舒適度，大家關注的另外一個重點為電池，現(xiàn)有技術中的可穿戴產通常為了適合穿戴，會設計成曲面結構，這就需要內部的元器件，特別是電池也能設計成弧形結構，這樣的結構，加之為了讓可穿戴產品更加輕便，會對電池的體積也進行限制，基于上述原因，大大降低了電池的續(xù)航能力，這樣，使得可穿戴產品經常需要充電，而一般的可穿戴產品的電池都需要單獨設計一個電源充電電路，使用單獨的控制芯片進行控制，這樣大大增加了充電電路設計的復雜性，且使用的元器件多，在電路的性能穩(wěn)定上造成了一定的影響，另外增加的元器件也就意味著增加了電路板的面積，增大了整個可穿戴產品的體積，對可穿戴產品的結構設計造成了局限性，使可穿戴產品體積大，重量也增重。

技術實現(xiàn)要素：

針對上述技術中存在的不足之處，本發(fā)明提供一種可穿戴設備智能充電系統(tǒng)，通過利用主控單片機的空余引腳進行充電電路的設置，即使是對于不滿足充電電路連接的主控單片機也可以通過設置一個放大器和比較器連接的外圍電路以達到同樣的目的，大大減少了充電電路的元器件，節(jié)省了主控電路板的空間，從而能到到減小可穿戴產品的體積以及重量的目的。

為了達到上述目的，本發(fā)明一種可穿戴設備智能充電系統(tǒng)，包括主控單片機、晶體管、電感、二極管和電阻，所述晶體管采用N溝道的晶體管，主控單片機上第一引腳和第二引腳分別接在電阻的輸入端和輸出端，主控單片機的第二引腳以及電阻的輸出端與電池的正極連接，電池的負極接地，電阻的正極還與電感的負極連接，電感的正極分別與二極管的陰極和晶體管的源極電連接，二極管的陽極接地，所述晶體管的柵極與主控單片機的第三引腳電連接，所述晶體管的漏極與外部輸入端連接，所述第一引腳、第二引腳和第三引腳都是空余引腳。

其中，所述主控單片機上設置有比較器和放大器，所述比較器的正極連接第一引腳，所述放大器的負極連接第二引腳，所述比較器的負極與放大器的輸出端連接，所述放大器的正極連接V_ref。

其中，當主控單片機的各個空余的引腳沒有放大器與比較器相連接的電路結構時，在所述主控單片機的外圍電路上追加一個放大器和一個比較器，連接關系為比較器的負極與放大器的輸出端連接，比較器的正極與電阻的正極連接，所述放大器的正極連接Vref，所述放大器的負極與電池連接。

其中，所述主控單片機采用NORDIC公司的nRF52832，第一引腳、第二引腳和第三引腳都是該芯片的多余的I/O口。

本發(fā)明還公開一種可穿戴設備智能充電的方法，包括上述的可穿戴設備智能充電系統(tǒng)，通過上述可穿戴設備智能充電系統(tǒng)的充電過程包括預充電階段、恒流充電階段和恒壓充電階段；

預充電階段：當主控單片機檢測到電池的電壓小于電池額定值時，設置充電電流為Ipre，直到電池電壓超過電池額定值；

恒流充電階段：為了充電工作的穩(wěn)定性，我們設置固定導通時間，即晶體管的開通時間固定，檢測充電電流動態(tài)變化關斷時間；

恒壓充電階段：當檢測到電池電壓為電池最大值時進入恒壓充電階段，充電電流快速降低，充電電壓緩慢增加，且不超過電池最大值，為了充電工作的穩(wěn)定性，我們設置固定關閉時間，即晶體管的關閉時間固定，檢測充電電流的動態(tài)變化。

其中，所述預充電階段：分別設置預充電電流、恒流充電電流、恒壓充電關斷電流為：Ipre、Icti、Ictv，C為電池的容量，三者的關系為：

I_cti＝0.5C

I_pre＝0.2I_cti

I_ctv＝0.125Icti

其中，預充電預設最長充電時間，當預充電時間超過最長充電時間時，電池電壓還不到電池額定值時，主控單片機會認為電池故障，停止充電并報警。

其中，恒流充電過程中，分成t0、t1和t2三個時間段，

在t0時刻：主控單片機的第三引腳輸出高電平，晶體管關斷、通過電阻的電流I_r的大小下降；

在t1時刻：電阻的電壓Vr＜Vref，比較器偏轉，輸出低電平，晶體管開通；

在t1-t2時刻：時長固定，I_r線性增加；

在t2時刻：比較器偏轉，回到t0狀態(tài)，完成一周期的充電控。

其中，在恒壓充電階段，也分成t0、t1和t2三個時間段，控制部分分別為：

在t0時刻，主控單片機或者第三引腳輸出高電平，晶體管關斷，通過電阻的電流Ir線性下降；

在t0～t1時刻，時長固定為；

在t1時刻，比較器偏轉輸出低電平，晶體管導通，Ir線性增加；

在t2時刻第一引腳或者比較器的正極輸出電流增加到比較器偏轉，此時回到t0狀態(tài)。

其中，所述恒壓充電實現(xiàn)過程為：

當在t0時晶體管導通，電感電流IL線性增加，到電池電壓時觸發(fā)比較器偏轉，晶體管關閉，I_l線性減小；

當電池電壓增加時，比較器的負極與放大器的輸出端的電壓值下降，比較器提前偏轉，晶體管提前關閉，電感電流平均值減小，即充電電流減小。

本發(fā)明的有益效果是：

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明可穿戴設備智能充電系統(tǒng)不需要額外的追加一個充電電源控制芯片，直接在已有的可穿戴設備的主控單片機上，利用其空余的引腳，設計一個電池的充電電路，大大減少了控制電路中需要的的元器件，從而減小了主控電路板占用面積，時主控電路板更小巧，提升了整個可穿戴產品的可設計度，使之能設計地更為小巧輕便，符合可穿戴智能產品的設計理念，同時整個充電系統(tǒng)的結構簡單，工作原理也簡單，靈活性強，在主控單片機沒有符合要求的電路連接端口的情況下，還可以利用其空余引腳在外圍電路上設計一個放大器和比較器，并按照上述的連接關系進行連接，也能達到同樣的目的。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的充電電路結構示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例的恒流充電控制結構示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例的恒流充電PWM信號時序圖；

圖4為本發(fā)明實施例的恒壓充電控制電路圖；

圖5為本發(fā)明實施例的恒壓充電Vset與電感電流示意圖。

具體實施方式

為了更清楚地表述本發(fā)明，下面結合附圖對本發(fā)明作進一步地描述。

請參閱圖1，本發(fā)明公開一種可穿戴設備智能充電系統(tǒng)，包括主控單片機U、晶體管M、電感L、二極管D和電阻R，晶體管M采用N溝道的晶體管，主控單片機U上的第一引腳P1和第二引腳P2分別接在電阻R的輸入端和輸出端，主控單片機U的第二引腳P2以及電阻R的輸出端與電池B的正極連接，第一引腳P1的電流為I1，第二引腳P2流出的電流為I2，電池B的負極接地，電阻R的正極還與電感L的負極連接，電感L的正極分別與二極管D的陰極和晶體管M的源極電連接，二極管D的陽極接地，晶體管M的柵極與主控單片機U的第三引腳P3電連接，晶體管M的漏極與外部輸入端Vin連接，第一引腳P1、第二引腳P2和第三引腳P3都是空余引腳。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明連接關系簡單，只需要在已有的主控單片機U上，利用其空余的引腳，即可完成整個充電電路的設計，大大減少了控制電路中需要的的元器件，從而減小了主控電路板占用面積，時主控電路板更小巧，提升了整個可穿戴產品的可設計度，使之能設計地更為小巧輕便，符合可穿戴智能產品的設計理念。

在本實施例中，主控單片機U采用NORDIC公司的nRF52832藍牙控制芯片，其中第一引腳P1、第二引腳P2和第三引腳P3都是該芯片的多余的I/O口，在nRF52832藍牙控制芯片的第一引腳P1與第二引腳片P2之間，設置有一個比較器F1和一個放大器F2，比較器F1的正極連接第一引腳P1，放大器F2的負極連接第二引腳P2，比較器F1的負極與放大器F2的輸出端連接，放大器F2的正極連接V_ref。

在本實施例中，主控單片機U也可以采用其他的控制芯片，其連接引腳的內設置有上述的比較器F1和放大器F2即可，但是，當所選用的主控單片機U的各個引腳中沒有上述符合要求的輸出I/O引腳的時候，也可以利用其空余引腳在外圍電路上設計一個放大器F2和比較器F1，并按照上述的連接關系進行連接，也能達到同樣的目的。本發(fā)明的可穿戴智能充電系統(tǒng)的工作原理也簡單，靈活性強，在主控單片機沒有符合要求的電路連接端口的情況下，在外圍電路上追加一個放大器F2和一個比較器F1，連接關系為比較器F1的負極與放大器F2的輸出端連接，比較器F1的正極與電阻R的正極連接，放大器F2的正極連接Vref，放大器F2的負極與電池連接。

請參閱圖2，在本實施例中，以主控單片機U采用NORDIC公司的nRF52832藍牙控制芯片的連接關系為例進行分析，整個充電過程包括預充電階段、恒流充電階段和恒壓充電階段，通過主控單片機

U采集充電電流和電池電壓，用PWM波控制晶體管的開關，實現(xiàn)充電，其中，

充電電流檢測：

電池的充電電壓：

V_b＝V_I2

為了實現(xiàn)三個階段充電，分別設置預充電電流、恒流充電電流、恒壓充電關斷電流為：Ipre、Icti、Ictv，其中，C為電池B的電量：

I_cti＝0.5C

I_pre＝0.2I_cti

I_ctv＝0.125Icti

預充電階段：當主控單片機U檢測到電池B的電壓Vb小于電池額定值3.3V時，設置充電電流為Ipre，直到電池電壓超過電池B的額定值3.3V；在本實施例中，預充電預設最長充電時間為30min，當預充電時間超過30min時，電池B的電壓Vb還不到3.3V時，主控單片機U會認為電池B故障，停止充電并報警。

若預充電過程完成，沒有出現(xiàn)故障，則進入恒流充電階段，本階段為電池B儲能的主要階段，為了充電工作的穩(wěn)定性，我們設置固定導通時間，即晶體管M的開通時間固定，檢測充電電流動態(tài)變化關斷時間；

請參閱圖3，在恒流充電過程中，分成t0、t1和t2三個時間段，各個時間段的具體控制過程為：

在t0時刻：主控單片機U的第三引腳P3輸出高電平，晶體管M關斷、通過電阻R的電流I_R的大小下降；

在t1時刻：電阻的電壓V_R＜Vref，比較器F1偏轉，輸出低電平，晶體管M開通；

在t1-t2時刻：時長固定為T_on，I_R線性增加；

在t2時刻：比較器F1偏轉，回到t0狀態(tài)，完成一周期的充電控制。

請參閱圖4-圖5，當完成了恒流充電過程時，進入恒壓充電階段之前，會檢測電池B兩端的電壓，當檢測到電池B為4.15V時，進入恒壓充電階段，充電電流快速降低，充電電壓緩慢增加，且不得超過4.2V。為了充電工作的穩(wěn)定性，我們設置固定關閉時間，即晶體管M的關閉時間，檢測充電電流動態(tài)變化。

在恒壓充電階段，也分成t0、t1和t2三個時間段，控制部分分別為：

在t0時刻，主控單片機U或者第三引腳P3輸出高電平，晶體管M關斷，通過電阻R的電流I_R線性下降；

在t0～t1時刻，時長固定為；

在t1時刻，比較器F1偏轉輸出低電平，晶體管M導通，I_R線性增加；

在t2時刻第一引腳P1或者比較器F1的正極輸出電流I1增加到比較器偏轉為止，此時回到t0狀態(tài)。

在本實施例中，恒壓充電實現(xiàn)過程為：

當在t0時晶體管M導通，電感電流I_L線性增加，到電池電壓Vb的最大值時，觸發(fā)比較器F1偏轉，晶體管M關閉，I_L線性減小；

當電池電壓Vb增加時，比較器F1的負極與放大器F2的輸出端的電壓值Vset下降，比較器F1提前偏轉，晶體管M提前關閉，電感電流I_l平均值減小，即充電電流減小。

本發(fā)明的優(yōu)勢在于：

1)可穿戴設備智能充電系統(tǒng)不需要額外的追加一個充電電源控制芯片，直接在已有的可穿戴設備的主控單片機上，利用其空余的引腳，設計一個電池的充電電路，大大減少了控制電路中需要的的元器件，從而減小了主控電路板占用面積，時主控電路板更小巧，提升了整個可穿戴產品的可設計度，使之能設計地更為小巧輕便，符合可穿戴智能產品的設計理念；

2)同時整個充電系統(tǒng)的結構簡單，工作原理也簡單，靈活性強，在主控單片機沒有符合要求的電路連接端口的情況下，還可以利用其空余引腳在外圍電路上設計一個放大器和比較器，并按照上述的連接關系進行連接，也能達到同樣的目的；

3)在充電過程中，在恒流階段使用固定電流控制模式，在恒壓階段采用固定電壓控制模式，控制方式簡單，新穎，且充電效果好。

以上公開的僅為本發(fā)明的幾個具體實施例，但是本發(fā)明并非局限于此，任何本領域的技術人員能思之的變化都應落入本發(fā)明的保護范圍。