一种用于开关型稳压器的多节电池充放电管理电路的制作方法

[0001]
本发明涉及稳压器制造技术领域，尤其涉及一种用于开关型稳压器的多节电池充放电管理电路。


背景技术：

[0002]
便携式电子设备(例如：手机，平板电脑，移动电源，蓝牙音箱等)通常都离不开锂电池。锂电池会为电子设备中的其他芯片或电路供电。因此便携式设备内部通常都有充电电路，电池放电电路。甚至在复杂的设备内还会有充放电复合式的路径管理电路。
[0003]
如图1所示，便携式设备输入供电端vin通常会经过充电管理芯片11为电池12供电，电池存储能量后，经过放电管理13电路为便携式设备其他芯片或系统14供电，放电管理14的输出端也可以作为便携式设备的输出端vsys。
[0004]
当输入端vin的输入功率大于输出端口vsys的输出功率时，多余的能量会为未充满电池12充电。当输入端vin提供的功率不能满足输出端口vsys所需要的功率时，电池端vbat会作为能量的补充，为输出端口放电。
[0005]
传统的便携式的应用输入端电压是usb供电5v电压，vbat端电池为单节锂电池，充满电压为4.2v。输出端口vsys通常不超过5v。因此对于小容量电池，充电结构通常是线性充电模式，5v转4.2v，线性最大充电电流1a。对于电池容量大的应用，采用5v转4.2v的降压式开关充电模式。电池放电的通路通常是降压或者升降压开关稳压器。
[0006]
但是随着便携式设备电池容量的需求不断增压，在原有充电电流的情况下充电时间的也会随着电池容量等比例加长。如果将大电池容量的连接方式由并联改为串联，充电时间将大大缩短。
[0007]
随着科技的进步，充电功率逐渐变大，充电输入电压也不断升高。最近几年新流行type-c接口，凭借其大功率特点将会逐渐取代传统的5v输出的usb或者5v适配器输出。由于type-c接口输入电压范围3.6v～20v。这种宽输入电压变化的充电接口，采用传统的线性或单纯降压模式充电已经不再适用。尤其传统结构对于type-c输入，多节串联锂电池的充电放电管理已经不再适用。
[0008]
现针对以上问题设计出一种用于开关型稳压器的多节电池充放电管理电路。


技术实现要素：

[0009]
本发明的目的在于提供一种用于开关型稳压器的多节电池充放电管理电路，同时具备能量的转换效率高、vout过压、短路保护、充电电流限制的优点，解决了对于type-c输入，多节串联锂电池的充电放电管理已经不再适用的问题。
[0010]
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于开关型稳压器的多节电池充放电管理电路，包括开关型稳压器、功率管pm1、采样电阻rs、采样放大器、pm1驱动保护电路，所述开关型稳压器的输出端分别连接vout、功率管pm1的漏极、pm1驱动保护电路的输入端，所述功率管pm1的源极与采样电阻rs的一端相连接，所述采样电阻rs的另一端连接多节
电池，所述功率管pm1的栅极与pm1驱动保护电路输出端相连接，所述采样放大器并联在所述采样电阻rs的两端，所述采样放大器的输出端分别与开关型稳压器的采集端、pm1驱动保护电路的采集端相连接，所述功率管pm1连接有衬底选择电路。
[0011]
进一步的，所述衬底选择电路包括一个用于电压比较的比较器和两个pmos管pm2、pm3，所述pm2、pm3的源极和衬底相连接并与所述功率管pm1的衬底相连接，所述pm2的漏极与功率管pm1漏极相连接，所述pm3的漏极与功率管pm1的源极相连接并引出v1，所述比较器的正向输入端连接vout、负向输入端连接v1，所述比较器的正向输出端连接pm3的栅极，其负向输出端连接pm2的栅极。
[0012]
进一步的，所述衬底选择电路用于衬底高电位选择，选择出pm2和pm3的衬底连接vout和v1中较高的电压。
[0013]
进一步的，开关型稳压器的拓扑结构包含、升压、降压、升降压。
[0014]
进一步的，所述降压的拓扑结构包括pwm脉宽控制电路、开关功率管、整流功率管、电感，pwm脉宽控制电路的控制端与采样放大器的输出端连接，所述pwm脉宽控制电路输出端连接功率管驱动，所述功率管驱动连接有开关功率管、整流功率管，所述开关功率管连接vin，整流功率管连接vout。
[0015]
本发明与现有技术相比具有的有益效果是：
[0016]
1.具备能量的转换效率高以及vout过压、短路保护、充电电流限制功能；当vin端输入功率小于其他系统电路所需要的功率时，pm1驱动保护电路会将pmos管pm1栅极拉低，将pm1管子开启，从而多节电池会自动为其他系统电路供电。当vin端输入功率大于其他系统电路所需要的功率，同时多节电池电压低于多节再充电电压时，vin输入通过开关稳压器和pmos管pm1为电池充电；由于多节电池充放电效率高，因此充电放电控制系统可以有效解决大容量电池便携设备中各级系统的供需能量平衡；大大提高了能量的转换效率。
附图说明
[0017]
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0018]
图1为传统便携式设备锂电池充电放电管理图；
[0019]
图2为本发明提出的一种用于开关型稳压器的多节电池充放电管理电路的电路图；
[0020]
图3为降压式开关电源的一种用于开关型稳压器的多节电池充放电管理电路的电路图。
具体实施方式
[0021]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
[0022]
参照图1-3，一种用于开关型稳压器的多节电池充放电管理电路，包括开关型稳压器、功率管pm1、采样电阻rs、采样放大器、pm1驱动保护电路，所述开关型稳压器的输出端分
别连接vout、功率管pm1的漏极、pm1驱动保护电路的输入端，所述功率管pm1的源极与采样电阻rs的一端相连接，所述采样电阻rs的另一端连接多节电池，所述功率管pm1的栅极与pm1驱动保护电路输出端相连接，所述采样放大器并联在所述采样电阻rs的两端，所述采样放大器的输出端分别与开关型稳压器的采集端、pm1驱动保护电路的采集端相连接，所述功率管pm1连接有衬底选择电路。
[0023]
所述衬底选择电路包括一个用于电压比较的比较器和两个pmos管pm2、pm3，所述pm2、pm3的源极和衬底相连接并与所述功率管pm1的衬底相连接，所述pm2的漏极与功率管pm1漏极相连接，所述pm3的漏极与功率管pm1的源极相连接并引出v1，所述比较器的正向输入端连接vout、负向输入端连接v1，所述比较器的正向输出端连接pm3的栅极，其负向输出端连接pm2的栅极。
[0024]
所述衬底选择电路用于衬底高电位选择，选择出pm2和pm3的衬底连接vout和v1中较高的电压。
[0025]
开关型稳压器的拓扑结构包含、升压、降压、升降压。
[0026]
所述降压的拓扑结构包括pwm脉宽控制电路、开关功率管、整流功率管、电感，pwm脉宽控制电路的控制端与采样放大器的输出端连接，所述pwm脉宽控制电路输出端连接功率管驱动，所述功率管驱动连接有开关功率管、整流功率管，所述开关功率管连接vin，整流功率管连接vout。
[0027]
由上文，其中pwm脉宽调制控制111连接到采样放大器103的输出，通过采样充电电流的大小实现不同占空比的输出。输出的不同占空比的开关信号通过功率管驱动电路112分别连接到开关nmos管nm1113的栅极，和同步整流nmos管114的栅极，两个栅极信号相位相反。nm1的漏极连接到输入端vin，源极连接到nm2的漏极和电感的一端，nm2的源极连接到地。电容c1116一端连接到电感的另一端即vout，另一端接地。
[0028]
两个功率管的输出通过电感将能量输出到vout。电感l1和电容c1是储能元器件。两个功率管的输出开关式的周期能量通过电感和电容转化为恒定和电压和电流输出。
[0029]
开关稳压器的输出由两部分，一部分为整个设备系统的其他芯片或电路供电。另一部分则是为多节电池电池充电。
[0030]
pm1则是控制开关稳压器的输出到多节电池的充电通路，也是锂电池向其他系统电路放电的控制通路。
[0031]
判断电池是充电状态还是放电状态，系统会自动检测。首先，当输入的功率大于其他系统电路所需要的功率时，并且电池处于为充满状态时，pm1的栅极驱动会判断记为其他系统电路提供电压，又为电池充电，指导电池处于充满状态后，停止充电。其次，当输入功率小于其他系统所需要的功率，极限的，输入直接不插电。此时，vout电压会低于vbat电压。多节电池会通过pm1向为其他系统供电。
[0032]
pm1的驱动保护电路连接pm1的栅极，此电路会同时检测vout和vbat信号，而且还受采样放大器的输出控制。
[0033]
采样电阻rs的一端连接到采样放大器的负端，同时采样放大器的负端连接到v1，rs的另一端连接到采样放大器的正端vbat，同时采样放大器的正端连接到vbat，采样放大器的输出连接到pm1的控制保护电路，和开关稳压器的控制端。用于控制vin到vout的电流和vout和vbat之间的正反电流值。
[0034]
pm1驱动保护电路，rs和采样放大器共同构成整个充放电通路的电流的而控制。pm1驱动保护电路连接vbat主要是会实时检测vbat电压，采样放大器通过检测充放电电流，将采样过来的信号通过放大器放大后，控制pm1的栅极。通过判断电池处于，涓流，恒流恒压等状态来控制pm1，从而控制为电池充电的电流。
[0035]
同时，在供电过程中pm1驱动控制保护电路还会控制放电电流并且保护vout电压超过设定电压而损坏。
[0036]
当系统不需要电池供电时会将pm1这条通路关闭，pm1的栅极会被拉倒v1和vout二者比较高的电位。同时为了防止pm1衬底和源漏极的寄生二极管导通。需要有衬底选择电路将pm1的衬底置于，vout和v1二者较高的电位。
[0037]
具体的实现方式是通过衬底选择电路实现的。
[0038]
pm1的衬底选择电路包括一个电压比较器和两个pmos管pm2，pm3。比较器的正向输入端连接vout，负向输出端连接v1，正向输出端连接pm3的栅极，负向输出端连接pm2的栅极，pm2的源极和衬底与pm3的源极和衬底连载一起。pm2的漏极连接vout，pm1的漏极连接v1。
[0039]
当vout电压高于v1电压，比较器会将pm2的栅极置于低电平，pm3的栅极置于高电平。这样，pm2导通，pm3截止。此时pm1的衬底连接到vout也就是pm1的漏极。由于vout电压高于v1电压，因此pm1的衬底跟源极形成衬底二极管处于反偏状态。
[0040]
反之，当vout电压低于v1电压，比较器会将pm2的栅极置于高电平，pm3的栅极置于低电平。这样，pm2截止，pm3导通。此时pm1的衬底连接到v1也就是pm1的源极。由于vout电压低于v1电压，因此pm1的衬底跟漏极形成衬底二极管同样处于反偏状态。
[0041]
这样就彻底关闭了vbat向其他系统电路甚至开关稳压器漏电流的通道。减小了vbat的静态电流功耗，保证了电池的续航能力。
[0042]
多节电池包含双节及双节以上锂电池组成的串联电池组。
[0043]
其他系统电路是开关稳压器用于输出电压功能电路系统，可以是单片集成的芯片，也可以是片外用于实现特定个功能组合电路结构。其输入端连接开关型稳压器的输出vout。其供电的功率可以由单个稳压器提供。当vin功率达不到该电路所需的功率时，可以由vbat反向为此系统电路供电。
[0044]
pm1驱动电路的输出接到pm1的栅极，输入控制端分别连接到vout和所述的采样放大器的输出。通过此控制驱动电路，可以有效保护pm1功率管的漏极电压和流过的电流不会超过设定的极限阈值。同时通过与pm1，采样放大器，rs采样电阻，构成电流负反馈闭环，此闭环可以有效设定vout与vbat的电流恒定在预设值范围。
[0045]
pm1驱动电路用于驱动和控制pm1的栅极电压，从而控制pm1的电流值。
[0046]
采样电阻rs和采样放大器用于监测vout到vbat之间的通路正向或者反向电流。
[0047]
rs的一端连接到采样放大器的负端，同时采样放大器的负端连接到v1，rs的另一端连接到采样放大器的正端，同时采样放大器的正端连接到vbat，采样放大器的输出连接到pm1的控制保护电路，和开关稳压器的控制端。用于控制vin到vout的电流和vout和vbat之间的正反电流值。
[0048]
彻底关闭vout和vbat之间的通路。为防止pm1的衬底对pm1的源极或漏极产生寄生正向二极管导通，需要衬底选择电路，将pm1的衬底连接到vout或v1电位较高处。
[0049]
电路可以为多节串联电池充电，同时开关稳压器也可以为其他系统供电。当vin端输入功率小于其他系统电路105所需要的功率时，pm1驱动保护电路104会将pmos管pm1栅极拉低，将pm1管子开启，从而多节电池106会自动为其他系统电路供电。当vin端输入功率大于其他系统电路105所需要的功率，同时多节电池106电压低于多节再充电电压时，vin输入通过开关稳压器101和pmos管pm1为电池充电。由于多节电池充放电效率高，因此充电放电控制系统可以有效解决大容量电池便携设备中各级系统的供需能量平衡。大大提高了能量的转换效率。此系统还包含了vout过压、短路保护，充电电流限制等保护功能。
[0050]
本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。
[0051]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。