一种针对水下设备的电池充放电管理电路的制作方法

1.本实用新型涉及水下设备电池技术领域，特别涉及一种针对水下设备的电池充放电管理电路。


背景技术：

2.常用的水下设备包括水下通讯设备、水下测量设备、水下定位设备及水下潜航设备，其广泛用于海洋或湖泊中的科研、军事、工业及民用等领域。在日常使用过程中，为提高该设备携带的便捷性，一般将供电集成电池安装在该设备的内部，以满足水下作业时的供电需求，而当设备出水后，为保证电池的续航能力，需对设备内部的电路切断电源，同时还需对该设备内的锂电池进行充电和通过有线通信或无线通信的方式将设备中的数据导出至外部电脑，以供水文采集人员的分析及处理。
3.为满足该水下设备在入水时，及时对设备内部进行供电或在该设备出水时，及时对设备进行充电和实现数据通信，以及入水及出水后设备内部电源开关控制的要求，现有的技术是在水下设备上设置不同功能的电路，配合不同的专用连接器或开关配件分别实现以上功能。更为具体地，现有技术包括以下部分：
4.(1)该设备需要充电及实现数据通信时，现有技术是采用专用水密连接器为设备提供充电电源输入接口，同时在设备内部预置防倒灌电路防倒灌电路：防止设备入水后，内部电源通过充电电源输入接口倒灌到设备外部；当该设备出水后需要充电或数据需要通信时，可以将外接电源线的触点与水密连接器上的触点相连或用usb数据线与水密连接器的触点相连，从而实现对设备的充电过程或实现数据通信的过程。
5.虽然这种方式可以满足水下设备未入水的充电需求，但当水下设备入水后，与外接电源线触点相连的水密连接器便变为闲置状态，设备接口的利用率便降低，特别是对于小型水下设备，更不利于功能集成化率的提高。
6.(2)需要控制该设备入水及出水后两种状态下的电源开关时，现有技术是通过在设备壳体上预留专用的触水开关检测触点，当设备入水后，可以通过触水开关检测电路判断触水开关检测触点的通断状态，从而实现对设备电源开关控制。
7.虽然这种方式可以满足该设备入水及出水后两种状态下的电源开关动作，但触水开关开关及触水开关检测电路依然占用了水下设备的空间，从而不满足水下设备小型化设计的市场要求。
8.由此，有必要对水下设备的充电放电电路进行改进及设计，以此解决现有水下设备上的物理接口利率低及不利于设备小型化设计的问题。


技术实现要素：

9.本实用新型的目的在于提出一种针对水下设备的电池充放电管理电路，以此解决现有水下设备上的物理接口利率低及不利于设备小型化设计的问题。
10.为解决上述的技术问题，本实用新型采用以下技术方案：
11.一种针对水下设备的电池充放电管理电路，包括磁吸连接器、充电ic、触水控制电路及供电单元；所述磁吸连接器分别与充电ic、触水控制电路及供电单元电连接，充电ic及触水控制电路分别与供电单元电连接，触水控制电路上设置有电源输出vout，电源输出vout为水下设备电路供电。
12.进一步，还包括通讯单元；所述通讯单元分别与磁吸连接器及供电单元电连接。
13.进一步，所述触水控制电路包括自恢复保险丝f1、场效应管q1、达林顿管q2、三极管q3、肖特基二极管d1、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、电容c1及电容c2；
14.所述自恢复保险丝f1一端与供电单元输入网络vbat电连，保险丝f1另一端分别与电阻r3、电容c2、电容c1、电阻r1的一端及场效应管q1的源极电连，电容c1另一端接地；场效应管q1的栅极分别与电阻r1及电阻r2电连，场效应管q1的漏极与电源输出vout电连；
15.所述达林顿管q2的集电极与电阻r2电连，达林顿管q2的发射极接地，达林顿管q2的基极与电阻r4电连；电阻r4、电阻r3、电容c2及肖特基二极管d1的正极分别与三极管q3的集电极电连，三极管q3基极与电阻r5电连，三级管q3的发射极接地；肖特基二极管d1的负极与磁吸连接器上的充电电源输入vbus电连，肖特基二极管d1的负极还与电阻r5电连。
16.进一步，所述磁吸连接器上至少设置有四个金属触点，通讯单元设置有usb模块，usb模块的差分信号引脚分别与磁吸连接器上的其中两个金属触点连接，另一个金属触点接地，usb模块的一个输入引脚与充电电源输入vbus电连接。
17.进一步，所述达林顿管q2设置为pnp同极型达林三极管。
18.进一步，所述场效应管q1设置为pmos管。
19.进一步，所述三极管q3设置为npn型三极管。
20.进一步，所述供电单元设置为单节锂电池。
21.工作过程：
22.(1)水下设备未入水且未充电的状态下，电源开关的工作模式：
23.当设备未入水且未充电时，触水控制电路4中充电电源输入网络vbus上的电压为0v，而供电单元中的电荷通过自恢复保险丝f1、电阻r3、肖特基二极管d1、电阻r5及三极管q3形成了一个电流回路，之后再通过选择电流增益较低的三极管q3及阻值较大的电阻r3，使三极管q3处于截止状态。此时，肖特基二极管d1正极的电压等于锂电电池的电压，达林顿管q2则处于截止状态，而场效应管q1栅源极的电压也相等且处于截止状态，设备电源开关同时也处于关闭状态，从而达到节约电池电量的目的。
24.(2)水下设备入水后的状态下，电源开关的工作模式：
25.当设备入水后，磁吸连接器1上的金属触点接触到水介质，供电单元中的电荷通过触水控制电路中的自恢复保险丝f1、电阻r3、肖特基二极管d1及水介质形成一个电流回路；此时，肖特基二极管d1导通，肖特基二极管d1正极的电压远低于供电单元正极的电压，使达林顿管q2导通，进一步通过达林顿管q2控制场效应管q1导通，使设备的电源开关打开，以此为设备内部的剩余用电回路进行供电。
26.(3)水下设备出水且对设备内部的供电单元充电或进行usb数据通讯的工作模式：
27.当需要对出水的设备进行充电或进行usb数据通讯时，可以用设备外部的磁吸充电线与设备壳体上的磁吸连接器进行物理或电气连接，然后利用外部充电器或电脑上的usb接口将5v的充电电压输入磁吸充电线，之后充电电流通过触水开关控制电路中的充电
电源输入网络vbus电源输入网络vbus：磁吸充电线输入到充电ic中，进一步地通过充电ic控制对供电单元的充电过程。
28.此外，触水开关控制电路中的充电电源输入网络vbus上的充电电压还会作用于触水控制电路中的肖特基二极管d1负极及电阻r5的一端。由于肖特基二极管具有单向导通特性，充电电源输入网络vbus上的充电电压只会使得三极管q3导通，从而控制达林顿管q2导通，更进一步地控制场效应管q1导通，使设备的电源开关打开，以此为设备内部的剩余用电回路进行供电。与此同时，通讯单元通过通用输入引脚检测充电电源输入网络vbus的电平状态，并开机且运行预置的程序，从而借助通讯单元对设备内部的信息进行传输并通讯。
29.与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果之一：
30.1.本实用新型通过设置单一的物理接口，即磁吸连接器，磁吸连接器上预留有金属触点，可以实现充电、电源开关控制及usb数据传输功能，不仅缩减了设备上所需的物理接口数量，还提高接口的利用率，也利于开展设备的小型化集成设计；通过将磁吸连接器分别与触水控制电路及通讯单元连接，不仅能够在水下设备入水后，可以自动开启电源开关对设备内部的电路供电；还能够在设备离开水面后，可以兼备充电及数据通讯功能，广泛适用于各类电池供电的水下设备以此解决现有水下设备上单一物理接口利用率低及不利于设备小型化设计的问题。
31.2.本实用新型利用达林顿管的高电流增益特性，不仅可以降低设备入水后流经磁吸连接器金属触点的导通电流值，还有效缓解金属触点的电解氧化过程，从而提升磁吸连接器的使用寿命。
32.3.本实用新型利用npn三极管的低电流增益特性，配合肖特基二极管的单向导通特性，可以保证usb线接入后设备正常供电开机，无需其他额外操作，从而利于简化数据通讯的操作步骤。
33.4.本实用新型使用磁吸连接器作为设备对外的物理接口，不仅利于缩减水下设备的体积，还可以保证水下设备外观的平整性。
附图说明
34.图1为本实用新型中水下设备电池充放电管理电路原理框图。
35.图2为本实用新型中水下设备中的触水开关控制电路图。
36.图中，1-磁吸连接器，2-ic充电，3-供电单元，4-触水控制电路，5-通讯单元。
具体实施方式
37.如图1-2所示，为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
38.实施例
39.请参阅图1，一种针对水下设备的电池充放电管理电路，包括磁吸连接器1、充电ic2、触水控制电路4及供电单元3；磁吸连接器1分别与充电ic2、触水控制电路4及供电单元3电连接，充电ic2及触水控制电路4分别与供电单元3电连接，触水控制电路4上设置有电源输出vout，电源输出vout为水下设备电路供电；其中，磁吸连接器1上设置有金属触点；在实
际使用时，当需要为水下设备其他电路充电时，可以通过磁吸连接器1上的金属触点与触水控制电路4导通，以允许供电单元3通过触水控制电路上的电源输出vout为水下设备的其他电路供电；当需要对供电单元3进行充电时，可以通过磁吸连接器1和充电ic对供电单元3进行充电。
40.电池充放电管理电路还包括通讯单元；为便于使水下设备内部的通讯模块与外部进行数据通讯，故将通讯单元5与磁吸连接器1电连接；另外，为使通讯单元5供电后，开启工作模式，故将通讯单元与供电单元3电连接。
41.本实施例中，充电ic2、触水控制电路4、通讯单元5及供电单元3均集成于水下设备内部，磁吸连接器1设置在水下设备的外侧壁，磁吸连接器1为现有技术，其未进行改进及设计，故对其结构不作详细描述。
42.优先地，通讯单元5为mcu，即微控制单元，又称单片微型计算机或者单片机。
43.优选地，充电ic为充电集成器，其内置芯片型号为：tp4056，充电ic2的内部设置有防倒灌模块，防倒灌模块为集成电源防倒灌电源，防倒灌电路为现有技术；更为具体地，防倒灌模块上的电源输入引脚与磁吸连接器1上的充电电源输入网络vbus对应的触点电连，防倒灌模块上的电源输出引脚与供电单元3的正极电连，电源输出引脚及电源输入引脚均设置在充电ic2壳体上，充电ic2内的防倒灌模块一端接地。
44.请参阅图1及图2，为实现水下设备出水或入水时，对设备内部电路的自动切换控制，故在水下设备内部设置有触水控制电路4；具体的，触水控制电路4包括自恢复保险丝f1、场效应管q1、达林顿管q2、三极管q3、肖特基二极管d1、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、电容c1及电容c2；
45.更为具体地，自恢复保险丝f1一端与供电单元3输入网络vbat电连，保险丝f1另一端分为两支支路，第一支路与电阻r3及电容c2电连，第二支路与电容c1、电阻r1及场效应管q1的源极电连，电容c1另一端接地；在本实施例中，场效应管q1栅极分别与电阻r1及电阻r2电连，而场效应管q1的漏极与电源输出vout网络电连，以此利于电源的输出且与设备内部的其余用电回路电连；
46.其中，达林顿管q2分为集电极、发射极及基极；达林顿管q2的集电极与电阻r2电连，达林顿管q2的发射极接地，达林顿管q2的基极与电阻r4电连；电阻r4、电阻r3、电容c2及肖特基二极管d1的正极分别与三极管q3的集电极电连，三极管q3基极与电阻r5电连，三级管q3的发射极接地；肖特基二极管d1的负极与磁吸连接器1上的充电电源输入vbus电连，肖特基二极管d1的负极还与电阻r5电连；其中，肖特基二极管d1具有单向导通特性。
47.请参阅图1，为了便于实现水下设备电路或网络与水下设备外部网络通信或接通，所以在水下设备壳体上设置有磁吸连接器1，磁吸连接器1上至少设置有四个金属触点，四个金属触点为磁吸连接器上的序号1、序号2、序号3及序号4，四个金属触点分别与水下设备内部的充电电源输入网络vbus、usb差分信号网络usb_dp、usb差分信号网络usb_dm及接地网络gnd一电连；更为具体地，序号1的金属触点与设备内部的充电电源输入网络vbus电连、序号2的金属触点与usb差分信号网络usb_dp电连，序号3的金属触点与usb差分信号网络usb_dm电连，序号4的金属触点与接地网络gnd一电连。
48.请参阅图1，为了将设备通讯单元内部的数据传输至磁吸连接器1上的金属触点处时，故在通讯单元5上至少设置有四个引脚，四个引脚中的三个引脚分别为通讯单元5上的
编号1、编号2及编号3，编号1、编号2及编号3为usb功能模块差分信号，三个usb功能模块差分信号的引脚分别与磁吸连接器1上的usb_dp、usb_dm及带有接地网络cnd二的三个金属触点电连，三个金属触点分别为磁吸连接器1上的序号1、序号2及序号3；而四个引脚中的另一个引脚为通讯单元5上的编号4，编号4为usb功能模块上的通用输入引脚，usb功能模块上的通用输入引脚与充电电源输入vbus电连，充电电源输入网vbus与磁吸连接器1上的另一个金属触点电连，另一个金属触点为磁吸连接器上的序号4。
49.请参阅图2，其中，触水控制电路4中的达林顿管q2设置为pnp同极型达林三极管，达林顿管q2具有高电流增益特性，不仅可以极大地降低设备入水后流经磁吸连接器上的金属触点的导通电流值，还有效缓解金属触点的电解氧化过程，进而提升磁吸连接器的使用寿命；其中，达林顿管q2的直流电流增益不低于10000倍，即达林顿管q2的直流电流增益大于或等于10000倍；达林顿管q2的集电极和发射极之间的击穿电压不低于10v，即达林顿管q2的集电极和发射极之间的击穿电压大于或等于10v。
50.请参阅图2，其中，触水控制电路4中的场效应管q1设置为pmos管，场效应管q1的栅极阈值电压最大绝对值不高于1.5v,即场效应管q1栅极阈值电压最大绝对值小于或等于1.5v；场效应管q1的漏源极电压最大绝对值不低于10v，即场效应管q1漏源极电压最大绝对值大于或等于10v；场效应管q1允许的栅源极电压最大绝对值不低于10v，即场效应管q1允许的栅源极电压最大绝对值大于或等于10v。
51.请参阅图2，其中，触水控制电路4中的三极管q3设置为npn型三极管，三极管具有低电流增益特性，可以配合肖特基二极管d1单向导通特性，保证usb线接入后设备可以正常供电开机；其中，三极管q3的直流电流增益不高于500倍，即三极管q3的直流电流增益小于或等于500倍。
52.请参阅图2，其中，触水控制电路4中的电阻r3的阻值不低于200kω，即电阻r3的阻值大于或等于200kω；电阻r5的阻值不低于4.7kω，即电阻r5的阻值大于或等于4.7kω。
53.请参阅图2，为了对水下设备内部电路进行供电，在设备内部安装有供电单元3，其中，供电单元3可优选为单节锂电池，单节锂电池为可充放电电池，供电单元3的额定电压设置为3.7v，当需要对设备内部的用电回路进行供电时，可以借助供电单元3进行供电；当设备内的供电单元3电量用完时，可以借助外部电源实现对供电单元3进行充电的过程。
54.工作过程：
55.(1)水下设备未入水且未充电的状态下，电源开关的工作模式：
56.当设备未入水且未充电时，充电电源输入网络vbus上的电压为0v，而供电单元中的电荷通过自恢复保险丝f1、电阻r3、肖特基二极管d1、电阻r5及三极管q3形成了一个电流回路，之后再通过选择电流增益较低的三极管q3及阻值较大的电阻r3，使三极管q3处于截止状态。此时，肖特基二极管d1正极的电压等于锂电电池的电压，达林顿管q2则处于截止状态，而场效应管q1栅源极的电压也相等且处于截止状态，设备电源开关同时也处于关闭状态，从而达到节约电池电量的目的。
57.(2)水下设备入水后的状态下，电源开关的工作模式：
58.当设备入水后，磁吸连接器上的金属触点接触到水介质，供电单元中的电荷通过自恢复保险丝f1、电阻r3、肖特基二极管d1及水介质形成一个电流回路；此时，肖特基二极管d1导通，肖特基二极管d1正极的电压远低于供电单元正极的电压，使达林顿管q2导通，进
一步通过达林顿管q2控制场效应管q1导通，使设备的电源开关打开，以此为设备内部的剩余用电回路进行供电。
59.(3)水下设备出水且对设备内部的供电单元充电或进行usb数据通讯的工作模式：
60.当需要对出水的设备进行充电或进行usb数据通讯时，可以用设备外部的磁吸充电线与设备壳体上的磁吸连接器进行物理或电气连接，然后利用外部充电器或电脑上的usb接口将5v的充电电压输入磁吸充电线，之后充电电流通过充电电源输入网络vbus电源输入网络vbus：磁吸充电线输入到充电ic中，进一步地通过充电ic控制对供电单元的充电过程。
61.此外，充电电源输入网络vbus上的充电电压还会作用于触水开关控制电路中的肖特基二极管d1负极及电阻r5的一端。由于肖特基二极管具有单向导通特性，充电电源输入网络vbus上的充电电压只会使得三极管q3导通，从而控制达林顿管q2导通，更进一步地控制场效应管q1导通，使设备的电源开关打开，以此为设备内部的剩余用电回路进行供电。与此同时，通讯单元通过通用输入引脚检测充电电源输入网络vbus的电平状态，并开机且运行预置的程序，从而借助通讯单元对设备内部的信息进行传输并通讯。
62.尽管这里参照本实用新型的多个解释性实施例对本实用新型进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本技术公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本技术公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变形和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

技术特征：
1.一种针对水下设备的电池充放电管理电路，其特征在于：包括磁吸连接器(1)、充电ic(2)、触水控制电路(4)及供电单元(3)；所述磁吸连接器(1)分别与充电ic(2)、触水控制电路(4)及供电单元(3)电连接，充电ic(2)及触水控制电路(4)分别与供电单元(3)电连接，触水控制电路(4)上设置有电源输出vout，电源输出vout为水下设备电路供电。2.根据权利要求1所述的一种针对水下设备的电池充放电管理电路，其特征在于：还包括通讯单元(5)；所述通讯单元(5)分别与磁吸连接器(1)及供电单元(3)电连接。3.根据权利要求1所述的一种针对水下设备的电池充放电管理电路，其特征在于：所述触水控制电路(4)包括自恢复保险丝f1、场效应管q1、达林顿管q2、三极管q3、肖特基二极管d1、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、电容c1及电容c2；所述自恢复保险丝f1一端与供电单元(3)输入网络vbat电连，保险丝f1另一端分别与电阻r3、电容c2、电容c1、电阻r1的一端及场效应管q1的源极电连，电容c1另一端接地；场效应管q1的栅极分别与电阻r1及电阻r2电连，场效应管q1的漏极与电源输出vout电连；所述达林顿管q2的集电极与电阻r2电连，达林顿管q2的发射极接地，达林顿管q2的基极与电阻r4电连；电阻r4、电阻r3、电容c2及肖特基二极管d1的正极分别与三极管q3的集电极电连，三极管q3基极与电阻r5电连，三级管q3的发射极接地；肖特基二极管d1的负极与磁吸连接器(1)上的充电电源输入vbus电连，肖特基二极管d1的负极还与电阻r5电连。4.根据权利要求1所述的一种针对水下设备的电池充放电管理电路，其特征在于：所述磁吸连接器(1)上至少设置有四个金属触点，通讯单元(5)设置有usb模块，usb模块的差分信号引脚分别与磁吸连接器(1)上的其中两个金属触点连接，另一个金属触点接地，usb模块的一个输入引脚与充电电源输入vbus电连接。5.根据权利要求3所述的一种针对水下设备的电池充放电管理电路，其特征在于：所述达林顿管q2设置为pnp同极型达林三极管。6.根据权利要求3所述的一种针对水下设备的电池充放电管理电路，其特征在于：所述场效应管q1设置为pmos管。7.根据权利要求3所述的一种针对水下设备的电池充放电管理电路，其特征在于：所述三极管q3设置为npn型三极管。8.根据权利要求1所述的一种针对水下设备的电池充放电管理电路，其特征在于：所述供电单元(3)设置为单节锂电池。

技术总结
本实用新型涉及水下设备电池技术领域，特别涉及一种针对水下设备的电池充放电管理电路，包括磁吸连接器、充电IC、触水控制电路及供电单元；磁吸连接器分别与充电IC、触水控制电路及供单元电连接；充电IC及触水控制电路分别与供电单元电连接，触水控制电路上设置有电源输出VOUT，电源输出VOUT为水下设备电路供电；通过设置单一的物理接口，即磁吸连接器，磁吸连接器上预留有金属触点，可以实现充电、电源开关控制及USB数据传输功能，不仅缩减了设备上所需的物理接口数量，还提高接口的利用率，也利于开展设备的小型化集成设计。也利于开展设备的小型化集成设计。也利于开展设备的小型化集成设计。


技术研发人员：何俊
受保护的技术使用者：云南保利天同水下装备科技有限公司
技术研发日：2023.03.01
技术公布日：2023/7/28