电池放电电路及放电方法
【专利摘要】本发明公开了电池放电电路及放电方法。该电池放电电路包括开关电路、第一误差放大器和脉宽调制电路。开关电路耦接在电池与负载之间，通过至少一个开关管的导通与关断将电池中的能量传递至负载。第一误差放大电路基于电池电压与第一参考电压之间的误差产生第一补偿信号。脉宽调制电路在电池电压小于第一参考电压时基于第一补偿信号产生控制信号，以控制开关电路中的开关管。
【专利说明】电池放电电路及放电方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及电子电路，尤其涉及电池放电电路及放电方法。
【背景技术】
[0002]在现有的电池管理应用中，为了防止电池被过放电，通常在电池电压小于一阈值电压时，将电池与电池放电电路断开。然而，在放电电流较大时，这种过放电保护方式会导
致一些问题。
[0003]如图1所示，电池可以等效为由电容与电阻串联而成，电池放电电路耦接在电池与负载之间，将电池中存储的能量传递至负载。图2为图1所示电池放电电路在大放电电流情况下的工作波形图。从图2可以看出，当放电电流Idchg较大时，电池内阻两端的电压也较大，电池电压Vbat快速减小至阈值电压Vth，过放电保护被触发。电池与电池放电电路被断开，使得放电电流Idchg变为零，电池内阻两端的电压也变为零。电池的内阻效应和弛豫效应，将导致电池电压Vbat再次增大。这实际上意味着，在放电电流较大时，虽然电池电压Vbat减小至阈值电压Vth，但此时电池中仍剩余许多能量。由于电池与电池放电电路被断开，这些剩余的能量无法获得利用。
【发明内容】
[0004]针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供能充分利用电池中存储能量的电池放电电路和放电方法。
[0005]根据本发明实施例的一种用于电池放电电路的控制器，该电池放电电路包括耦接在电池与负载之间、具有至少一个开关管的开关电路，其中该控制器包括:第一误差放大电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端接收电池电压，第二输入端接收第一参考电压，第一误差放大电路基于电池电压与第一参考电压之间的误差，在输出端产生第一补偿信号；以及脉宽调制电路，耦接至误差放大电路的输出端以接收第一补偿信号，并在电池电压小于第一参考电压时基于第一补偿信号产生控制信号，以控制开关电路中的开关管。
[0006]根据本发明实施例的一种电池放电电路，包括:开关电路，耦接在电池与负载之间，具有至少一个开关管，通过该至少一个开关管的导通与关断将电池中的能量传递至负载；以及如前所述的控制器。
[0007]根据本发明实施例的一种电池放电方法，包括:通过包括至少一个开关管的开关电路将电池中的能量传递至负载；检测电池电压是否小于第一参考电压；以及若电池电压小于第一参考电压，则调整控制开关电路中开关管的控制信号，以将电池电压调节至第一参考电压。
[0008]根据本发明的实施例，在电池电压小于第一参考电压时，调整控制信号以将电池电压调节至第一参考电压。放电电流在控制信号的作用下逐渐减小，电池中存储的能量被缓慢但充分地传递至负载。同时，电池电压被调节至第一参考电压，也有效避免了电池被过放电。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1示出了现有的电池放电电路的框图；
[0010]图2为图1所示电池放电电路在大放电电流情况下的工作波形图；
[0011]图3为根据本发明一实施例的电池放电电路300的框图；
[0012]图4为根据本发明一实施例的图3所示电池放电电路300的工作波形图；
[0013]图5为根据本发明一实施例的电池放电电路500的框图；
[0014]图6为根据本发明一实施例的电池放电电路的电路原理图；
[0015]图7为根据本发明一实施例的电池放电方法的工作流程图。
【具体实施方式】
[0016]下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是，不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。
[0017]在整个说明书中，对“ 一个实施例”、“实施例”、“ 一个示例”或“示例”的提及意味着:结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称“元件” “连接到”或“耦接”到另一元件时，它可以是直接连接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
[0018]图3为根据本发明一实施例的电池放电电路300的框图。电池放电电路300包括开关电路301和控制器。开关电路301耦接在电池与负载之间，具有至少一个开关管。开关电路301通过该至少一个开关管的导通与关断将电池中的能量传递至负载。本领域技术人员可以理解，开关电路301可采用任何直流/直流变换或直流/交流变换拓扑结构，例如升压变换器、降压变换器等。
[0019]控制器包括第一误差放大电路302和脉宽调制电路303。第一误差放大电路302具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端I禹接至电池以接收电池电压Vbat,第二输入端接收第一参考电压Vrefl。第一误差放大电路302基于电池电压Vbat与第一参考电压Vrefl之间的误差，在输出端产生第一补偿信号COMPl。脉宽调制电路303耦接至误差放大电路302的输出端以接收第一补偿信号C0MP1,并在电池电压Vbat小于参考电压Vrefl时基于第一补偿信号COMPl产生控制信号CTRL，以控制开关电路301中的开关管。
[0020]在一个实施例中，为了防止电池被过放电，当电池电压Vbat小于阈值电压Vth时，开关电路301与电池被断开。其中阈值电压Vth小于参考电压Vrefl。[0021]图4为根据本发明一实施例的图3所示电池放电电路300的工作波形图。如图4所示，在放电电流Idchg的作用下，电池电压Vbat不断减小。当电池电压Vbat减小至小于参考电压Vrefl时，误差放大电路302通过脉宽调制电路303调整控制信号CTRL，从而将电池电压Vbat调节至参考电压Vrefl。在控制信号CTRL的作用下，放电电流Idchg逐渐减小，电池放电电路300持续将电池中的能量提供至负载，电池的续航时间被延长。同时，电池电压Vbat被调节至第一参考电压Vrefl，也有效避免了电池被过放电。
[0022]图5为根据本发明一实施例的电池放电电路500的框图。与图3所示电池放电电路300相比，电池放电电路500中的控制器进一步包括选择电路504和第二误差放大电路505。代表开关电路501输出信号(例如输出电流、输出电压或输出功率)的反馈信号FB被提供至第二误差放大电路505。第二误差放大电路505具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端接收第二参考电压Vref2，第二输入端接收反馈信号FB。第二误差放大电路505基于第二参考电压Vref2与反馈信号FB之间的误差，在输出端产生第二补偿信号C0MP2。选择电路504具有第一输入端、第二输入端和输出端,其中第一输入端稱接至第一误差放大电路503的输出端以接收第一补偿信号C0MP1，第二输入端耦接至第二误差放大电路505的输出端以接收第二补偿信号C0MP2，输出端耦接至脉宽调制电路502。选择电路504基于电池电压Vbat，将第一补偿信号COMPl或第二补偿信号作为补偿信号COMP提供至输出端。脉宽调制电路502基于补偿信号COMP产生控制信号CTRL以控制开关电路501中的开关管。
[0023]当电池电压Vbat大于或等于第一参考电压Vrefl时，选择电路504将第二补偿信号C0MP2提供至脉宽调制电路502。脉宽调制电路502基于第二补偿信号C0MP2产生控制信号CTRL，从而将输出信号调节至期望值。当电池电压Vbat小于第一参考电压Vrefl时，选择电路504将第一补偿信号COMPl提供至脉宽调制电路502。脉宽调制电路502基于第一补偿信号COMPl产生控制信号CTRL，从而将电池电压Vbat调节至第一参考电压Vrefl。
[0024]图6为根据本发明一实施例的电池放电电路的电路原理图。其中开关电路601采用降压变换器拓扑，包括输入电容器Cin、输出电容器Cout、电感器L、开关管S和二极管DR0
[0025]脉宽调制电路602包括振荡器621、比较器COMl和触发器FF。振荡器621产生周期性的时钟信号CLK和斜坡信号Vslope。比较器COMl具有同相输入端、反相输入端和输出端，其中同相输入端接收斜坡信号Vslope与电流采样信号Isense之和，其中电流采样信号Isense代表流过开关管S的电流。比较器COMl的反相输入端耦接至选择电路604的输出端以接收补偿信号C0MP。比较器COMl将斜坡信号Vslope与电流采样信号Isense之和与补偿信号COMP进行比较，在输出端产生复位信号RST。触发器FF具有置位端、复位端和输出端，其中置位端耦接至振荡器621以接收时钟信号CLK，复位端耦接至比较器COMl的输出端以接收复位信号RST。触发器FF基于时钟信号CLK和复位信号RST，在输出端产生控制信号CTRL以控制开关管S。
[0026]第一误差放大电路603和第二误差放大电路605分别包括误差放大器EAl和EA2。误差放大器EAl具有同相输入端、反相输入端和输出端,其中同相输入端接收电池电压Vbat,反相输入端接收第一参考电压Vrefl,输出端提供第一补偿信号C0MP1。误差放大器EA2具有同相输入端、反相输入端和输出端，其中同相输入端接收第二参考电压Vref2，反相输入端接收反馈信号FB，输出端提供第二补偿信号C0MP2。
[0027]选择电路604包括二极管Dl和D2。二极管Dl和D2均具有阴极和阳极，其中二极管Dl的阴极耦接至第一误差放大电路603的输出端以接收第一补偿信号C0MP1，二极管D2的阴极耦接至第二误差放大电路605的输出端以接收第二补偿信号C0MP2。二极管Dl和D2的阳极耦接在一起，并耦接至脉宽调制电路602以提供补偿信号C0MP。
[0028]当电池电压Vbat大于或等于第一参考电压Vrefl时，第一补偿信号COMPl大于第二补偿信号C0MP2。二极管Dl关断而二极管D2导通，选择电路604将第二补偿信号C0MP2提供至脉宽调制电路602。脉宽调制电路602基于第二补偿信号C0MP2产生控制信号CTRL，从而将输出信号调节至期望值。当电池电压Vbat小于第一参考电压Vrefl时，第一补偿信号COMPl小于第二补偿信号C0MP2。二极管Dl导通而二极管D2关断，选择电路604将第一补偿信号COMPl提供至脉宽调制电路602。脉宽调制电路602基于第一补偿信号COMPl产生控制信号CTRL，从而将电池电压Vbat调节至第一参考电压Vrefl。
[0029]图7为根据本发明一实施例的电池放电方法的工作流程图，包括步骤S701?S704。
[0030]在步骤S701，通过包括至少一个开关管的开关电路将电池中的能量传递至负载。
[0031]在步骤S702，检测电池电压Vbat是否小于第一参考电压Vrefl。若电池电压Vbat小于第一参考电压Vrefl，则至步骤S703，否则至步骤S704。
[0032]在步骤S703，调整控制开关电路中开关管的控制信号CTRL以将电池电压Vbat调节至第一参考电压Vrefl。
[0033]在步骤S704，调整控制信号CTRL以将开关电路的输出信号(例如输出电压、输出电流或输出功率)调节至期望值。
[0034]在一个实施例中，该电池放电方法还包括:检测电池电压Vbat是否小于阈值电压Vth，其中阈值电压Vth小于第一参考电压Vrefl ;以及若电池电压Vbat小于阈值电压Vth，则将开关电路与电池断开，或者将开关电路关闭。
[0035]虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。
【权利要求】
1.一种用于电池放电电路的控制器，该电池放电电路包括耦接在电池与负载之间、具有至少一个开关管的开关电路，其中该控制器包括: 第一误差放大电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端接收电池电压，第二输入端接收第一参考电压，第一误差放大电路基于电池电压与第一参考电压之间的误差，在输出端产生第一补偿信号；以及 脉宽调制电路，耦接至误差放大电路的输出端以接收第一补偿信号，并在电池电压小于第一参考电压时基于第一补偿信号产生控制信号，以控制开关电路中的开关管。
2.如权利要求1所述的控制器，还包括: 第二误差放大电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端接收第二参考电压，第二输入端接收代表开关电路输出信号的反馈信号，第二误差放大电路基于第二参考电压与反馈信号之间的误差，在输出端产生第二补偿信号；以及 选择电路，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端稱接至第一误差方文大电路的输出端以接收第一补偿信号，第二输入端耦接至第二误差放大电路的输出端以接收第二补偿信号，输出端耦接至脉宽调制电路以提供补偿信号，选择电路基于电池电压，将第一补偿信号或第二补偿信号作为补偿信号提供至输出端； 其中脉宽调制电路基于补偿信号产生控制信号以控制开关电路中的开关管。
3.如权利要求2所述的控制器，其中所述选择电路包括第一二极管和第二二极管，第一二极管和第二二极管均具有阴极和阳极，其中第一二极管的阴极耦接至第一误差放大电路的输出端以接收第一补偿信号，第二二极管的阴极耦接至第二误差放大电路的输出端以接收第二补偿信号，第一二极管和第二二极管的阳极耦接在一起，并耦接至脉宽调制电路以提供补偿信号。
4.如权利要求2所述的控制器，其中所述脉宽调制电路包括: 振荡器，产生时钟信号和斜坡信号； 比较器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端接收斜坡信号与代表流过开关电路中开关管电流的电流采样信号之和，第二输入端耦接至选择电路的输出端以接收补偿信号，比较器将斜坡信号与电流采样信号之和与补偿信号进行比较，在输出端产生复位信号；以及 触发器，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端耦接至振荡器以接收时钟信号，第二输入端耦接至比较器的输出端以接收复位信号，触发器基于时钟信号和复位信号，在输出端产生控制信号。
5.一种电池放电电路，包括: 开关电路，耦接在电池与负载之间，具有至少一个开关管，通过该至少一个开关管的导通与关断将电池中的能量传递至负载；以及 如权利要求1至4中任一项所述的控制器。
6.一种电池放电方法，包括: 通过包括至少一个开关管的开关电路将电池中的能量传递至负载； 检测电池电压是否小于第一参考电压；以及 若电池电压小于第一参考电压，则调整控制开关电路中开关管的控制信号，以将电池电压调节至第一参考电压。
7.如权利要求6所述的放电方法，还包括: 若电池电压大于第一参考电压，则调整控制信号以将开关电路的输出信号调节至期望值。
8.如权利要求7所述的放电方法，还包括: 基于电池电压和第一参考电压之间的误差，产生第一补偿信号； 采样开关电路的输出信号，产生反馈信号； 基于第二参考电压和反馈信号之间的误差，产生第二补偿信号； 基于电池电压，选择第一补偿信号或第二补偿信号作为补偿信号； 根据补偿信号产生控制信号以控制开关电路中的开关管。
9.如权利要求8所述的放电方法，其中根据补偿信号产生控制信号的步骤包括: 产生时钟信号和斜坡信号； 采样流过开关电路中开关管电流，产生电流采样信号； 将斜坡信号与电流采样信号之和与补偿信号进行比较，产生复位信号；以及 基于时钟信号和复位信号，产生控制信号。
10.如权利要求6所述的放电方法，还包括: 检测电池电压是否小于阈值电压，其中阈值电压小于第一参考电压；以及 若电池电压小于阈值电压，则将开关电路与电池断开，或者将开关电路关闭。
【文档编号】H02J7/00GK103501032SQ201310472688
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年10月11日 优先权日:2013年10月11日
【发明者】徐敏, 赵启明 申请人:成都芯源系统有限公司