CN103378617A - 一种锂电充电电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锂电充电电路，所述电路包括功率开关管和驱动电路，且该驱动电路的输出端与所述功率开关管的栅极连接，所述电路还包括具有两个输入端和一个输出端的输入电流采样单元；连接在所述输入电流采样单元输出端的电流比较单元；与所述电流比较单元连接的开关管关断控制信号产生单元；以及与所述开关管关断控制信号产生单元连接的逻辑单元。本发明通过输入电流采样单元对流过功率开关管的输入电流进行采样，并通过电流比较单元将该采样电流与内部参考电流进行比较，同时配合开关管关断控制信号产生单元和逻辑单元，根据比较结果控制功率开关管的导通时间，从而达到输出恒流的控制，进而降低了系统成本，并提高了系统效率。

Description

一种锂电充电电路

技术领域

本发明涉及开关电源领域，尤其涉及一种锂电充电电路。

背景技术

如图1所示，现有技术中一种典型的锂电充电电路，具有恒压恒流特性。该锂电充电电路的恒压(CV)环路由电阻110、111、电压误差放大器101、PMW控制器104、驱动电路112、功率MOSFET 105和电感107组成；恒流(CC)环路由输出电流检测电阻108、电流误差放大器102、PMW控制器104、功率MOSFET 105和电感107组成；电路反馈端FB的电压由输出电压VOUT在电阻110和电阻111上分压得到；电流误差放大器102检测输出电流检测电阻108上的电压并对其进行放大。该锂电充电电路的工作原理如下：

当功率MOSFET 105导通时，通过功率MOSFET 105以及电感107的电流逐渐增加，放大器103完成对流过功率MOSFET 105的电流的检测与放大，并与电压误差放大器101的输出电平VCOMP和电流误差放大器102的输出电平VSENSE进行比较，如果放大器103的输出电平VCS大于电平VCOMP和电平VSENSE中的较低者，PWM控制器104将关断功率MOSFET 105，从而实现对每个周期的电流峰值进行控制。当锂电池电压(此处为输出电压VOUT)低于正常值，反馈电压VFB也将低于电压误差放大器101的参考端REF的电平VREF，此电平经过电压误差放大器101的比较放大得到一较高的输出电平VCOMP；同时，电流误差放大器102检测输出电流检测电阻108上的电压降并放大得到电平VSENSE且其值小于VCOMP电平。此时电感电流峰值Ipk(即通过功率MOSFET 105的峰值电流)受反映输出电流平均值的电平VSENSE电压调制，若输出电流值小于额定电流值，电平VSENSE电压上升，允许的电感电流峰值也增加，从而使输出电流增加；若输出电流值大于额定电流值，电平VSENSE电压下降，允许的电感电流峰值也降低，从而使输出电流降低，达到恒流的目的。

如图2所示，上述锂电充电电路会在不同占空比(Duty1-Duty3)下自动调节电感电流峰值，从而使得输出电流相同。图3示出了图1中LX点的波形、对应的电感107电流I(LX)以及流过功率MOSFET 105的电流I(IN)。对于buck(降压)拓扑结构，输出电流IOUT等于电感电流I(LX)的平均值，因此，保持IOUT恒定亦就是保持

为恒定值(其中I(LX)_DC为电感电流谷值，I(LX)_Ripple为电感电流峰峰值)，且 $I{\left(\mathrm{LX}\right)}_{\mathrm{DC}}+\frac{1}{2}I{\left(\mathrm{LX}\right)}_{\mathrm{Ripple}}=$ $I{\left(\mathrm{IN}\right)}_{\mathrm{DC}}+\frac{1}{2}I{\left(\mathrm{IN}\right)}_{\mathrm{Ripple}}$ (其中I(IN)_DC为输入电源VIN的电流谷值或流过功率MOSFET 105的电流谷值，I(IN)_Ripple为输入电源VIN的电流峰峰值或流过功率MOSFET 105的电流峰峰值)；调制导通时间Ton或输入电流峰值I(IN)_peak即可得到恒定的

或者恒定的输出电流IOUT，而无需输出电流的信息。

由此可见，传统锂电池充电电路是通过采样输出电流检测电阻上的电压降以调制电感电流峰值，从而达到较好的恒流效果的，这就需要一个高精密电阻用作检测电阻。一般来说，高精密电阻比较昂贵，因此大大增加了整个系统的成本；此外，为了不受噪声、失调电压等的干扰，要求上述检测电阻上的电压降不得低于100mV以达到较好的抗干扰能力与电流精准度；综上，输出电流检测电阻即增加系统成本又造成能量浪费与效率降低的问题。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种锂电充电电路，以精确控制输出电流为一恒定值，且无需使用外部精密检测电阻对输出电流进行检测。

本发明所述的一种锂电充电电路，所述电路包括功率开关管和驱动电路，且该驱动电路的输出端与所述功率开关管的栅极连接，所述电路还包括：

具有两个输入端和一个输出端的输入电流采样单元，该两个输入端分别与所述功率开关管的源极和漏极连接，其输出端输出采样电流信号；

连接在所述输入电流采样单元输出端的电流比较单元，其将所述采样电流信号与一内部参考电流信号比较，并输出一比较信号；

与所述电流比较单元连接的开关管关断控制信号产生单元，其根据所述比较信号，输出相应的控制信号；以及

与所述开关管关断控制信号产生单元连接的逻辑单元，其接收所述控制信号以及一振荡器输出的振荡信号，向所述驱动电路输出逻辑信号，以关断所述功率开关管，并使该功率开关管的导通时间为所述采样电流信号的值从谷值达到内部参考电流信号的值的时间的两倍。

在上述的锂电充电电路中，所述输入电流采样单元包括：

输入电流采样晶体管，其漏极和栅极分别与所述功率开关管的漏极和栅极连接；

连接在所述输入电流采样晶体管的源极与功率开关管的源极之间的电压钳位电路；以及

电流镜像电路，其输入端与所述电压钳位电路连接，其输出端向所述电流比较单元输出采样电流信号。

在上述的锂电充电电路中，所述电压钳位电路包括：

运算放大器，其正输入端与所述功率开关管的源极连接；以及

第一MOS管，其栅极与所述运算放大器的输出端连接，其源极与所述运算放大器的负输入端相连至所述输入电流采样晶体管的源极，其漏极与所述电流镜像电路的输入端连接。

在上述的锂电充电电路中，所述电流镜像电路包括第二MOS管和第三MOS管，所述第二MOS管的栅极与漏极相连至所述电压钳位电路；所述第三MOS管的源极和栅极分别与所述第二MOS管的源极和栅极连接，其漏极与所述电流比较单元连接。

在上述的锂电充电电路中，所述电流比较单元包括：

第一比较器，其正输入端接收所述采样电流信号，其负输入端接收一内部参考电压，其输出端输出所述比较信号；以及

连接在所述第一比较器的正输入端与地之间的外部电阻；

其中，所述内部参考电压的值为所述内部参考电流信号的值与外部电阻的值的乘积。

在上述的锂电充电电路中，所述开关管关断控制信号产生单元包括：

依次串联至地的第一开关、充电电流源以及充电电容；

第二比较器，其正输入端接地，其负输入端连接至所述充电电流源和充电电容之间，其输出端输出所述控制信号；以及

依次串联在所述第二比较器的负输入端以及充电电容与地之间的第二开关和放电电流源；

其中，所述第一开关接收所述比较信号，所述第二开关通过一反相器接收所述比较信号。

在上述的锂电充电电路中，所述充电电流源与放电电流源相同，且所述充电电容的充电时间与所述采样电流信号的值从谷值达到内部参考电流信号的值的时间相等。

在上述的锂电充电电路中，所述开关管关断控制信号产生单元包括：

依次串联至地的第三开关、第一电流源以及第一电容；

依次串联至地的第四开关、第二电流源以及第二电容；以及

第三比较器，其负输入端连接至所述第一电流源和第一电容之间，其正输入端连接至所述第二电流源和第二电容之间；

其中，所述第三开关接收所述比较信号，所述第四开关通过一门运算电路接收所述比较信号，且所述门运算电路包括与门，其一个输入端通过一非门接收所述比较信号，其另一个输出端接收所述逻辑信号，其输出端与所述第四开关连接。

在上述的锂电充电电路中，所述第一电流源与第二电流源相同，且所述第一电容以及第二电容的充电时间均与所述采样电流信号的值从谷值达到内部参考电流信号的值的时间相等。

在上述的锂电充电电路中，所述第一电容与第二电容的容值相等。

由于采用了上述的技术解决方案，本发明通过输入电流采样单元对流过功率开关管的输入电流进行采样，并通过电流比较单元将该采样电流与内部参考电流进行比较，同时配合开关管关断控制信号产生单元和逻辑单元，根据比较结果控制功率开关管的导通时间，从而达到输出恒流的控制，而无需外部精密检测电阻，进而降低了系统成本，并提高了系统效率。

附图说明

图1是现有技术中一种典型的锂电充电电路的内部框图；

图2是图1的锂电充电电路在不同占空比下输出电流的示意图；

图3是图1的锂电池充电电路中LX点电压波形、电感电流以及输入电流波形的示意图；

图4是本发明的一种锂电充电电路的较佳实施例的结构示意图；

图5是本发明中输入电流采样单元以及电流比较单元的结构示意图；

图6是本发明中开关管关断控制信号产生单元的实施例一的结构示意图；

图7是本发明中开关管关断控制信号产生单元的实施例二的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

如图4所示，本发明，即一种锂电充电电路，包括功率开关管401、输入电流采样单元402、电流比较单元403、开关管关断控制信号产生单元404、电感405、逻辑单元406、振荡器407和驱动电路408，其中：

功率开关管401的源极接收输入电压VIN，其漏极与续流二极管508或同步开关管509相连，连接点为LX。

输入电流采样单元402的两个输入端分别连接在功率开关管401的源极和漏极，其输出端输出采样电流信号I(IN)_sense，该采样电流信号I(IN)_sense的值为流过功率开关管401的输入电流I(IN)的K倍(K为任意常数)。

电流比较单元403连接在输入电流采样单元402的输出端，其将采样电流信号I(IN)_sense与一内部参考电流信号IREF比较，并输出一比较信号Thalf1。

开关管关断控制信号产生单元404与电流比较单元403连接，其根据比较信号Thalf1，输出相应的控制信号Ton_termi。

逻辑单元406与开关管关断控制信号产生单元404连接，其接收控制信号Ton_termi以及振荡器407输出的振荡信号osc，向驱动电路408输出逻辑信号pon，通过驱动电路408输出驱动信号DRV关断功率开关管401，并使该功率开关管401的导通时间为采样电流信号I(IN)_sense的值从谷值达到内部参考电流信号IREF的值的时间的两倍。

如图5所示，本发明中，输入电流采样单元402包括输入电流采样晶体管501、电压钳位电路502以及电流镜像电路503，其中：

输入电流采样晶体管501的漏极和栅极分别与功率开关管401的漏极和栅极连接，即输入电流采样晶体管501的漏极连接至连接点LX，其栅极由驱动信号DRV控制；

电压钳位电路502连接在输入电流采样晶体管501的源极与功率开关管401的源极之间，它具体包括运算放大器AMP和第一MOS管M1，运算放大器AMP的正输入端与功率开关管401的源极连接，第一MOS管M1的栅极与运算放大器AMP的输出端连接，其源极与运算放大器AMP的负输入端相连至输入电流采样晶体管501的源极(即，电流采样晶体管501的源极由运算放大器AMP钳位到与功率开关管401的源极相同的电平)，其漏极与电流镜像电路503的输入端连接；

电流镜像电路503的输入端与电压钳位电路502连接，其输出端向电流比较单元403输出采样电流信号I(IN)_sense，它具体包括第二MOS管M2和第三MOS管M3，第二MOS管M2的栅极与漏极相连至电压钳位电路502，即第一MOS管M1的漏极，第三MOS管M3的源极和栅极分别与第二MOS管M2的源极和栅极连接，从而保证第二MOS管M2和第二MOS管M2的栅源电压相同，其漏极与电流比较单元403连接，从而将第二MOS管M2的电流亦即输入电流采样晶体管501的电流镜像到第三MOS管M3支路，进而将采样电流信号I(IN)_sense镜像到电流比较单元403。

电流比较单元403包括第一比较器CMP1和外部电阻Rext，其中：

第一比较器的正输入端接收采样电流信号I(IN)_sense，即与第二MOS管M2的漏极连接，其负输入端接收内部参考电压VREF，其输出端输出比较信号Thalf1；

外部电阻Rext连接在第一比较器CMP1的正输入端与地之间，内部参考电压VREF的值为内部参考电流信号IREF的值与外部电阻Rext的值的乘积。

由此可见，本实施例中，电流比较单元403是通过外部电阻Rext把采样电流信号I(IN)_sense转化为电压再与内部参考电压进行比较的，这种方法不但易于实现且更容易提高恒流精度。

如图6所示，本发明的实施例之一中，开关管关断控制信号产生单元404包括：

依次串联至地的第一开关S1、充电电流源Icharge以及充电电容C；

第二比较器CMP2，其正输入端接地，其负输入端连接至充电电流源Icharge和充电电容C之间，其输出端输出控制信号Ton_termi；以及

依次串联在第二比较器CMP2的负输入端以及充电电容C与地之间的第二开关S2和放电电流源Idischarge；

其中，第一开关S1接收比较信号Thalf1，即第一开关S1由比较信号Thalf1控制，第二开关S2通过一反相器601接收比较信号Thalf1，即第二开关S2由比较信号Thalf1的反相信号控制；充电电流源Icharge与放电电流源Idischarge相同，即Icharge＝Idischarge，且充电电容C的充电时间与采样电流信号I(IN)_sense的值从谷值达到内部参考电流信号IREF的值的时间相等。

如图7所示，本发明的实施例之二中，开关管关断控制信号产生单元404包括：

依次串联至地的第三开关S3、第一电流源I1以及第一电容C1；

依次串联至地的第四开关S4、第二电流源I2以及第二电容C2；以及

第三比较器CMP3，其负输入端连接至第一电流源I1和第一电容C1之间，其正输入端连接至第二电流源I2和第二电容C2之间；

其中，第三开关S3接收比较信号Thalf1，即第三开关S3由比较信号Thalf1控制，第四开关S4通过一门运算电路602接收比较信号Thalf1，且门运算电路602包括与门603，其一个输入端通过一非门604接收比较信号Thalf1，其另一个输出端接收逻辑信号pon，其输出端与第四开关S4连接，即第四开关S4由比较信号Thalf1和逻辑信号pon经过非与运算后得到的结果控制；第一电流源I1与第二电流源I2相同，即I1＝I2，第一电容C1与第二电容C2的容置相等，即C1＝C2，且它们的充电时间均与采样电流信号I(IN)_sense的值从谷值达到内部参考电流信号IREF的值的时间相等。

下面对本发明的工作原理进行详细介绍。

输入电流采样单元402通过与功率开关管401并联的相同的MOSFET，即输入电流采样晶体管501对流过功率开关管401的输入电流I(IN)进行采样，并将输入电流采样晶体管501的源极通过电压钳位电路502进行钳位，从而使输入电流采样晶体管501的源极电压等于功率开关管401的源极电压，以达到两者完美匹配，进而实现对输入电流I(IN)的精确采样；然后通过电流镜像电路503将采样电流信号I(IN)_sense镜像到电流比较单元403。

电流比较单元403将上述采样电流信号I(IN)_sense的值与内部参考电流信号IREF的值进行比较，得到用于控制开关管关断控制信号产生单元404的比较信号Thalf1；当第三MOS管的漏极电流在外部电阻Rext上的电压降大于内部参考电压VREF时，比较信号Thalf1翻转为高电平，即，使得第一比较器CMP1输出的信号翻转的采样电流信号I(IN)_sense的值为VREF/REXT(即内部参考电流信号IREF的值)，由于外部电阻Rext有较高的精度，因此可以得到精确的比较信号Thalf1。

开关管关断控制信号产生单元404用于产生控制功率开关管401何时关断的控制信号Ton_termi，它产生控制信号Ton_termi的方法有两种：

第一种，当比较信号Thalf1为高电平时，第一开关S1闭合，第二开关S2断开，从而通过比较信号Thalf1控制一恒流源对一电容进行充电，即充电电流源Icharge对充电电容C充电；当比较信号Thalf1从1变到0(即从高电平变到低电平)时，第一开关S1断开，充电电流源Icharge停止对充电电容C的充电，同时，第二开关S2闭合，从而控制一与充电电流源Icharge具有相同大小电流的恒流源，即放电电流源Idischarge对充电电容C进行放电；由于第二比较器CMP2的正输入端接地，因此，充电压电容C的电压与参考电平GND进行比较，当充电压电容C上的电压下降到0时，第二比较器CMP2产生用于关断功率开关管401的高电平的控制信号Ton_termi。

第二种，当比较信号Thalf1为高电平时，第三开关S3闭合，从而通过比较信号Thalf1控制恒流的第一电流源I1对第一电容C1进行充电；当比较信号Thalf1从1变到0(即从高电平变到低电平)时，第三开关S3断开，第一电流源I1停止对第一电容C1充电；当比较信号Thalf1与逻辑信号Pon的非与运算结果，即信号Thalf2为高电平时，第四开关S4闭合，从而通过信号Thalf2控制与第一电流源I1具有相同大小电流的恒流的第二电流源I2对与第一电容C1容值相等的第二电容C2进行充电；当信号Thalf2从1变到0(即从高电平变到低电平)时，第四开关S4断开，第二电流源I2停止对第二电容C2充电；由于功率开关管401刚开始导通时，比较信号Thalf1为高，信号Thalf2为低，第一电流源I1对第一电容C1进行充电，第二电容C2不充电；随着通过功率开关管401和电感405的电流逐渐增加，对功率开关管401进行检测得到的采样电流信号I(IN)_sense的值也逐渐增加；当采样电流信号I(IN)_sense与内部参考电流信号IREF的值相等时，比较信号Thalf1变低，信号Thalf2变高，第一电流源I1停止对第一电容C1充电，第二电流源I2开始对第二电容C2进行充电；第一电容C1和第二电容C2上的电压通过第三比较器CMP3进行比较，当第二电容C2上的电压等于第一电容C1上的电压时，第三比较器CMP3产生高电平的控制信号Ton_termi，用以关断功率开关管401；由此可见，本发明记录了从功率开关管401导通到采样电流信号I(IN)_sense的值)增大到等于内部参考电流信号IREF的值的这段时间的长短，并允许功率开关管401再导通相同长短的时间，然后再关断功率开关管401，即调制功率开关管401的整个导通时间为采样电流信号I(IN)_sense的值从谷值达到内部参考电流信号IREF的值的时间的两倍。

当第一电容C1和第二电容C2上的电压达到平衡时，整个电路将自动调节使第一电容C1的充电时间等于第二电容C2的充电时间，即比较信号Thalf1为高的时间与信号Thalf2为高的时间相等，均为功率开关管401导通时间的一半，并且在比较信号Thalf1从高变低时，亦即在1/2的功率开关管401导通时间处，采样电流信号I(IN)_sense的值等于内部参考电流信号IREF的值，由于采样电流信号I(IN)_sense从谷值达到内部参考电流信号IREF的值的时间与其从内部参考电流信号IREF的值达到峰值的时间相等，从而采样电流信号I(IN)_sense在功率开关管401导通时间段的平均电流等于内部参考电流信号IREF的值，亦即整个电路的输出电流IOUT恒为内部参考电流信号IREF的值的K倍，从而达到恒流输出的目的。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (10)

1.一种锂电充电电路，所述电路包括功率开关管和驱动电路，且该驱动电路的输出端与所述功率开关管的栅极连接，其特征在于，所述电路还包括：

具有两个输入端和一个输出端的输入电流采样单元，该两个输入端分别与所述功率开关管的源极和漏极连接，其输出端输出采样电流信号；

连接在所述输入电流采样单元输出端的电流比较单元，其将所述采样电流信号与一内部参考电流信号比较，并输出一比较信号；

与所述电流比较单元连接的开关管关断控制信号产生单元，其根据所述比较信号，输出相应的控制信号；以及

与所述开关管关断控制信号产生单元连接的逻辑单元，其接收所述控制信号以及一振荡器输出的振荡信号，向所述驱动电路输出逻辑信号，以关断所述功率开关管，并使该功率开关管的导通时间为所述采样电流信号的值从谷值达到内部参考电流信号的值的时间的两倍。

2.根据权利要求1所述的锂电充电电路，其特征在于，所述输入电流采样单元包括：

输入电流采样晶体管，其漏极和栅极分别与所述功率开关管的漏极和栅极连接；

连接在所述输入电流采样晶体管的源极与功率开关管的源极之间的电压钳位电路；以及

电流镜像电路，其输入端与所述电压钳位电路连接，其输出端向所述电流比较单元输出采样电流信号。

3.根据权利要求2所述的锂电充电电路，其特征在于，所述电压钳位电路包括：

运算放大器，其正输入端与所述功率开关管的源极连接；以及

第一MOS管，其栅极与所述运算放大器的输出端连接，其源极与所述运算放大器的负输入端相连至所述输入电流采样晶体管的源极，其漏极与所述电流镜像电路的输入端连接。

4.根据权利要求2或3所述的锂电充电电路，其特征在于，所述电流镜像电路包括第二MOS管和第三MOS管，所述第二MOS管的栅极与漏极相连至所述电压钳位电路；所述第三MOS管的源极和栅极分别与所述第二MOS管的源极和栅极连接，其漏极与所述电流比较单元连接。

5.根据权利要求1、2或3所述的锂电充电电路，其特征在于，所述电流比较单元包括：

第一比较器，其正输入端接收所述采样电流信号，其负输入端接收一内部参考电压，其输出端输出所述比较信号；以及

连接在所述第一比较器的正输入端与地之间的外部电阻；

其中，所述内部参考电压的值为所述内部参考电流信号的值与外部电阻的值的乘积。

6.根据权利要求1、2或3所述的锂电充电电路，其特征在于，所述开关管关断控制信号产生单元包括：

依次串联至地的第一开关、充电电流源以及充电电容；

第二比较器，其正输入端接地，其负输入端连接至所述充电电流源和充电电容之间，其输出端输出所述控制信号；以及

依次串联在所述第二比较器的负输入端以及充电电容与地之间的第二开关和放电电流源；

其中，所述第一开关接收所述比较信号，所述第二开关通过一反相器接收所述比较信号。

7.根据权利要求6所述的锂电充电电路，其特征在于，所述充电电流源与放电电流源相同，且所述充电电容的充电时间与所述采样电流信号的值从谷值达到内部参考电流信号的值的时间相等。

8.根据权利要求1、2或3所述的锂电充电电路，其特征在于，所述开关管关断控制信号产生单元包括：

依次串联至地的第三开关、第一电流源以及第一电容；

依次串联至地的第四开关、第二电流源以及第二电容；以及

第三比较器，其负输入端连接至所述第一电流源和第一电容之间，其正输入端连接至所述第二电流源和第二电容之间；

其中，所述第三开关接收所述比较信号，所述第四开关通过一门运算电路接收所述比较信号，且所述门运算电路包括与门，其一个输入端通过一非门接收所述比较信号，其另一个输出端接收所述逻辑信号，其输出端与所述第四开关连接。

9.根据权利要求8所述的锂电充电电路，其特征在于，所述第一电流源与第二电流源相同，且所述第一电容以及第二电容的充电时间均与所述采样电流信号的值从谷值达到内部参考电流信号的值的时间相等。

10.根据权利要求9所述的锂电充电电路，其特征在于，所述第一电容与第二电容的容值相等。

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