一种混合模式充电电路及充电方法与流程

1.本发明涉及电源管理领域，特别是涉及一种混合模式充电电路及充电方法。


背景技术：

2.目前随着快充的普及，中高端手机的功率普遍大于20w。而传统的手机快充技术普遍采用高压降压充电，如图1所示，具体方法是适配器输出一个固定的高压，然后使用降压充电电路将适配器的电压降低到电池电压给电池充电。该快充技术对适配器的兼容性好，不但兼容高压快充适配器，还兼容传统5v充电器。但是当充电功率高于20w之后，高压降压快充技术在输入电压高，而电池电压较低时，存在效率不高的问题，因此在30w以上的智能手机中使用该技术会存在发热严重的问题。
3.电荷泵快充技术相比高压降压快充技术，由于其具备充电效率高的特点，因此得到了手机制造商的青睐，其中，电荷泵半压快充电路如图2所示。但是电荷泵不能实现对输入电压的连续降压，只能实现输入电压的整数分压，比如1/2分压。因此对电荷泵快充技术的使用带来了一定的限制。但是近年来，具备连续调压功能的pdpps协议正式发布，并得到大规模普及之后，具备连续调压功能的适配器市场占有率不断提高。连续调压功能也被称为连续步进调压，比如目前的pps协议每步调压幅度为10mv，调压范围3.3v～21v。具备连续调压功能的适配器和充电设备进行快充协议沟通，输出两倍于充电设备电池电压的电源电压，然后该电源电压经过电荷泵电路实现二分之一分压，直接给电池充电，从而实现了手机的大功率和高效率充电。由于电荷泵快速充电技术搭配具有连续调压功能的适配器，具有的大功率和高效率的优势，因此逐渐成为充电功率20w以上的快充手机的主流充电技术。
4.但是电荷泵快充技术也存在着一定的缺点，电荷泵快充技术必须搭配定制化的具备连续调压功能的适配器，适配器输出2倍的电池电压，才能实现电荷泵半压快速充电。而现在的快充充电器有很大部分并不支持连续调压功能。因此使用了电荷泵半压快充的智能手机，为了能够兼容普通的适配器，除了要配备一颗电荷泵快充芯片，还需要另外搭配一颗具备降压功能的充电芯片，才能实现手机同时兼容定制化的连续调压充电器和普通的快充充电器。因此相比原有的传统的降压快充电路，增加了手机的充电部分的成本，也占用了手机内部的pcb(电路板)空间。
5.为了解决现有的技术问题，亟需一种新的充电电路，同时兼容不同的快充适配器，并采用效率最优的充电方式实现快速充电。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种混合模式充电电路及充电方法，同时兼容不同的快充适配器，并采用效率最优的充电方式实现快速充电。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
8.一种混合模式充电电路，包括：适配器、混合模式充电控制电路、管m1、管m2、管m3、管m4、管m5、管m6、飞电容、功率电感以及电池；
9.所述管m1的栅极、管m2的栅极、管m3的栅极、管m4的栅极、管m5的栅极以及管m6的栅极均与所述混合模式充电控制电路连接，所述适配器的输出端与所述管m1的漏极连接，所述管m1的源极和衬底分别与所述管m2的漏极以及所述飞电容的一端连接，所述管m2的源极和衬底分别与所述管m3的漏极、所述功率电感的一端以及管m5的漏极连接，所述管m3的源极和衬底分别所述飞电容的另一端以及所述管m4的漏极连接，所述管m4的源极和衬底接地，所述功率电感的另一端分别与管m6的漏极以及所述电池连接，所述管m5源极和衬底与所述m6的源极和衬底连接；
10.所述混合模式充电控制电路用于判断所述适配器是否能支持连续调压，控制管m1、管m2、管m3、管m4、管m5以及管m6的导通或断开；当所述适配器不支持连续调压时，控制管m5以及管m6关断并控制管m1、管m2、管m3以及管m4工作在降压充电模式或者3级降压模式；当所述适配器支持连续调压时，控制所述适配器输出2倍的电池电压，并控制管m5以及管m6一直处于导通状态，并控制管m1、管m2、管m3以及管m4交替导通或断开，使充电电路工作在电荷泵降压工作模式。
11.可选地，还包括：输入电源快充协议通讯模块；所述输入电源快充协议通讯模块通过快充通讯接口与所述适配器连接。
12.可选地，还包括：电池电容；
13.所述电池电容分别与电池、功率电感以及管m6的漏极连接。
14.可选地，还包括：管m7、系统供电端以及供电电容；
15.所述管m7的栅极与所述混合模式充电控制电路连接，所述管m7的漏极分别与所述系统供电端、电感以及供电电容的一端连接，所述供电电容的另一端接地，所述管m7的源极和衬底分别与管m6的漏极以及电池连接。
16.一种混合模式充电电路的充电方法，用于实现所述的一种混合模式充电电路，所述充电方法包括：
17.判断适配器是否能支持连续调压；
18.若所述适配器不支持连续调压，则控制管m5以及管m6关断并控制管m1、管m2、管m3以及管m4工作在降压充电模式或者3级降压模式；
19.若所述适配器支持连续调压，则控制所述适配器输出2倍的电池电压，并控制管m5以及管m6一直处于导通状态，并控制管m1、管m2、管m3以及管m4交替导通或断开，使充电电路工作在电荷泵降压模式。
20.可选地，所述若所述适配器不支持连续调压，则控制管m5以及管m6关断并控制管m1、管m2、管m3以及管m4工作在降压充电模式或者3级降压模式，具体包括：
21.控制管m5以及管m6关断，功率电感接入充电电路，控制管m1和管m4一直处于导通状态，飞电容接入适配器与地的电路中，m2作为降压转换器的上功率管，m3作为降压转换器的下功率管，通过控制管m2和管m3的交替导通和占空比，配合功率电感，组成降压转换器；
22.或控制管m5以及管m6关断，功率电感接入充电电路，控制管m2和管m3一直处于导通状态，此时飞电容短路，管m1作为降压转换器的上功率管，管m4作为降压转换器的下功率管，通过控制管m1和管m4的交替导通和占空比，配合功率电感，组成降压转换器；
23.或控制管m5以及管m6关断，功率电感接入充电电路，控制m1、管m2、管m3以及管m4交替导通，配合cfly和功率电感，使充电电路处于3级降压模式。
24.可选地，所述若所述适配器不支持连续调压，则控制管m5以及管m6关断并控制管m1、管m2、管m3以及管m4工作在降压充电模式或者3级降压模式，之后还包括：
25.将所述适配器的电压转换到系统供电端，管m7一直处于导通状态，混合模式充电控制电路通过控制降压转换器的占空比，使系统供电端的电压大于电池电压。
26.可选地，所述若所述适配器支持连续调压，则控制所述适配器输出2倍的电池电压，并控制管m5以及管m6一直处于导通状态，并控制管m1、管m2、管m3以及管m4交替导通或断开，使充电电路工作在电荷泵降压模式，具体包括：
27.控制所述适配器输出2倍的电池电压；
28.控制管m5以及管m6一直处于导通状态，功率电感短路；
29.控制管m1、管m2、管m3以及管m4交替导通或断开；
30.飞电容的输出电压等于电池电压，处于电荷泵控制模式。
31.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
32.本发明所提供的一种混合模式充电电路及充电方法，当所述适配器不支持连续调压时，控制管m5以及管m6关断并控制管m1、管m2、管m3以及管m4工作在降压充电模式或者3级降压模式；当所述适配器支持连续调压时，控制所述适配器输出2倍的电池电压，并控制管m5以及管m6一直处于导通状态，并控制管m1、管m2、管m3以及管m4交替导通或断开，使充电电路工作在电荷泵降压模式。该混合模式充电电路，同时具备了高压降压快充功能和电荷泵快充功能，具备了电荷泵快充高效率的优点，同时也具备降压充电电路对适配器的良好兼容性。同时一颗芯片实现了两颗芯片的功能，从而降低了手机充电的成本，也减少了对手机pcb版空间的占用。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1为传统的降压充电电路结构示意图；
35.图2为现有电荷泵半压快充电路结构示意图；
36.图3为本发明所提供的一种混合模式充电电路结构示意图；
37.图4为本发明所提供的实施例中具有nvdc功能的混合模式快充电路结构示意图。
具体实施方式
38.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。
39.本发明的目的是提供一种混合模式充电电路及充电方法，同时兼容不同的快充适配器，并采用效率最优的充电方式实现快速充电。
40.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实
施方式对本发明作进一步详细的说明。
41.图3为本发明所提供的一种混合模式充电电路结构示意图，如图3所示，一种混合模式充电电路，包括：适配器、混合模式充电控制电路、管m1、管m2、管m3、管m4、管m5、管m6、飞电容、功率电感以及电池；
42.所述管m1的栅极、管m2的栅极、管m3的栅极、管m4的栅极、管m5的栅极以及管m6的栅极均与所述混合模式充电控制电路连接，所述适配器的输出端与所述管m1的漏极连接，所述管m1的源极和衬底分别与所述管m2的漏极以及所述飞电容的一端连接，所述管m2的源极和衬底分别与所述管m3的漏极、所述功率电感的一端以及管m5的漏极连接，所述管m3的源极和衬底分别所述飞电容的另一端以及所述管m4的漏极连接，所述管m4的源极和衬底接地，所述功率电感的另一端分别与管m6的漏极以及所述电池连接，所述管m5源极和衬底与所述m6的源极和衬底连接；
43.所述混合模式充电控制电路用于判断所述适配器是否能支持连续调压，控制管m1、管m2、管m3、管m4、管m5以及管m6的导通或断开；当所述适配器不支持连续调压时，控制管m5以及管m6关断并控制管m1、管m2、管m3以及管m4工作在降压充电模式或者3级降压模式；当所述适配器支持连续调压时，控制所述适配器输出2倍的电池电压，并控制管m5以及管m6一直处于导通状态，并控制管m1、管m2、管m3以及管m4交替导通或断开，使充电电路工作在电荷泵降压模式。
44.即当输入的适配器不具备连续调压功能，只能输出固定高压或者输出5v时，和功率电感并联的旁路管m5和管m6断开，使功率电感接入电路之中，同时混合模式充电控制电路工作在降压转换器工作模式，通过对管m1～管m4四个功率管的控制，使电感和功率开关组成传统的降压dcdc(降压转换器)，从而使混合模式充电电路工作在降压dcdc模式(降压转换器工作模式)，将输入的电压转换为电池电压给电池充电。而当输入的适配器具备连续调压功能时，和功率电感并联的旁路管m5和管m6导通，功率电感被旁路掉，同时混合模式充电控制电路工作在电荷泵工作模式，按照电荷泵的工作方式控制四个功率管，配合cfly，使电路工作在电荷泵方式，从而实现了电荷泵快充。
45.如图3所示，当输入的适配器支持连续调压(比如pps，scp，qc4+，qc5等等)，混合模式快充电路工作在电荷泵模式。旁路管m5和管m6导通，将功率电感短路，此时输入的适配器输出电池电压两倍的电压v
bus
＝2
×
v
bat
。混合模式充电控制电路工作在电荷泵控制模式，控制管m1～管m4按照表1的控制方式交替导通，cfly作为电荷泵的飞电容，组成了传统的半压降压电荷泵，输出电压等于电池电压v
bat
，从而实现了电池的半压快充。在phase1，是cfly充电周期，管m1和管m3导通，管m2和管m4关断，电容下极板连接到电池，电容上极板链接到适配器，适配器给cfly充电，v
cfly
＝v
bus
‑
v
bat
＝v
bat
。在phase2，是飞电容cfly放电，是飞电容给电池充电周期。管m1和管m3关断，管m2和管m4导通。cfly上极板连接到电池，cfly下极板连接地，从而通过cfly给电池充电，v
cfly
＝v
bat
。
46.表1
[0047][0048]
当输入的充电器是固定5v或者不具备连续调压的高压快充适配器时，可以通过表2的控制方式实现传统的降压电路。此时，旁路管m5和管m6断开，功率电感接入充电电路，作为降压转换器的功率电感。管m1和管m4常通，cfly被连接到适配器和地之间，作为输入电源适配器的滤波电容。管m2作为降压转换器的上功率管，管m3作为降压转换器的下功率管。混合模式充电控制电路工作在传统的降压转换器控制模式下，通过控制上管m2和下管m3的交替导通和占空比，配合功率电感，组成了传统的降压转换器，实现了降压功能，从而实现给电池的降压充电。
[0049]
表2
[0050][0051]
另外，也可以采用如表3所示的控制方式，实现传统的降压转换器功能。旁路管m5和管m6断开，功率电感接入充电电路作为功率电感。管m2和管m3常通，cfly被短路，失去作用。管m1作为降压转换器的上功率管，管m4作为降压转换器的下功率管。混合模式充电控制电路工作在降压转换器工作模式，通过控制管m1和管m4的交替导通和占空比，配合功率电感，组成了传统的降压转换器，实现了降压功能，从而实现给电池的降压充电。
[0052]
表3
[0053][0054]
进一步的，当输入适配器不支持连续调压时，混合模式快充电路工作在降压转换器模式时，除了可以采用如表2和表3所示的控制方法让混合模式快充电路工作在传统降压转换器模式下，也可以让混合模式快充电路工作在3级降压工作模式。此时，旁路管m5和管m6处于关断状态，功率电感接入充电电路作为功率电感。混合模式充电控制电路处于3级降压工作模式，控制管m1，管m2，管m3，管m4交替导通，配合cfly和功率电感，实现降压充电功能。3级降压工作模式是一种混合模式转换器，3级降压转换器综合了电感和cfly的作用，让cfly两端压降保持在输入电压vbus的一半，降低了功率mos的电应力，所以工作在3级降压模式，可以降低纹波电流，从而可以使用更小的电感。当占空比d<0.5时，混合模式充电控制电路采用表4的控制方式工作，sw在和gnd之间翻转；当占空比d>0.5时，混合模式充电控制电路采用表5的控制方式工作，sw在vbus和之间翻转。
[0055]
表4
[0056][0057]
表5
[0058][0059]
将混合快充电路和输入电源快充协议通讯模块集成在同一颗芯片当中，本发明所提供的一种混合模式充电电路，还包括：输入电源快充协议通讯模块；所述输入电源快充协议通讯模块通过快充通讯接口与所述适配器连接。
[0060]
即适配器内部具有source快充协议芯片，同时手机或充电设备内集成在一起的sink快充协议芯片与一种混合模式充电电路进行沟通。即sink快充协议芯片会和source快充协议芯片进行快充沟通，从而识别适配器是什么类型的适配器，同时sink快充芯片会将识别结果通知混合模式充电电路。
[0061]
本发明所提供的一种混合模式充电电路，还包括：电池电容；
[0062]
所述电池电容分别与电池、功率电感以及管m6的漏极连接。
[0063]
为了使充电电路具备nvdc充电控制功能，即不但具备电池充电功能，还具备给系统供电的功能，可以实现边充边放功能，本发明所提供的一种混合模式充电电路，还包括：管m7、系统供电端以及供电电容；
[0064]
所述管m7的栅极与所述混合模式充电控制电路连接，所述管m7的漏极分别与所述系统供电端、电感以及供电电容的一端连接，所述供电电容的另一端接地，所述管m7的源极和衬底分别与管m6的漏极以及电池连接。
[0065]
所谓边充边放，也就是实现在给电池充电的同时，可以给系统供电。具备nvdc边充边放功能的充电电路是智能手机和笔记本，平板电脑等设备的供电系统的基本要求，本实施例不但实现了边充边放功能，还实现了高效率的充电，同时可以兼容不同的快充适配器采用效率最优的充电方式实现快速充电，因此该实施例具备很高的使用价值。
[0066]
当输入适配器不具备连续调压功能时，混合模式充电控制电路采用表2所示的控制方式，工作在降压转换器工作模式，将适配器的电压转换到vsys，从而给系统供电。此时管m7处于常通状态或者ldo状态给电池充电。管m7处于常通状态时，充电控制电路通过控制降压转换器的占空比，将vsys电压控制到比bat电压略高，vsys等于bat电压加上充电电流
在管m7上面的压降，从而实现了边充边放功能。假设管m7的导通电阻为ron7，那么v
sys
＝v
bat
+i
bat
×
ron7。当适配器供电能力小于系统耗电时，由于管m7导通，因此可以实现适配器通过降压转换器和电池同时给系统供电的功能，从而满足系统供电的需求。
[0067]
当输入适配器具备连续调压功能时，适配器输出2倍电池电压，同时管m5和管m6导通，将功率电感旁路掉，混合模式充电控制电路采用表1所示的控制方式，工作在电荷泵半压直充模式，实现了电池的高效率的电荷泵直充功能。同时通过使管m7导通，也可以实现电池直接给系统端供电，从而实现了边充边放功能。
[0068]
本发明所提供的一种混合模式充电电路的充电方法，用于实现上述一种混合模式充电电路，所述充电方法包括：
[0069]
判断适配器是否能支持连续调压；
[0070]
若所述适配器不支持连续调压，则控制管m5以及管m6关断并控制管m1、管m2、管m3以及管m4工作在降压充电模式或者3级降压模式；
[0071]
若所述适配器支持连续调压，则控制所述适配器输出2倍的电池电压，并控制管m5以及管m6一直处于导通状态，并控制管m1、管m2、管m3以及管m4交替导通或断开。
[0072]
所述若所述适配器不支持连续调压，则控制管m5以及管m6关断并控制管m1、管m2、管m3以及管m4工作在降压充电模式或者3级降压模式，具体包括：
[0073]
控制管m5以及管m6关断，功率电感接入充电电路，控制管m1和管m4一直处于导通状态，飞电容接入适配器与地的电路中，m2作为降压转换器的上功率管，m3作为降压转换器的下功率管，通过控制管m2和管m3的交替导通和占空比，配合功率电感，组成降压转换器；
[0074]
或控制管m5以及管m6关断，功率电感接入充电电路，控制管m2和管m3一直处于导通状态，此时飞电容短路，管m1作为降压转换器的上功率管，管m4作为降压转换器的下功率管，通过控制管m1和管m4的交替导通和占空比，配合功率电感，组成降压转换器；
[0075]
或控制管m5以及管m6关断，功率电感接入充电电路，控制m1、管m2、管m3以及管m4交替导通，配合cfly和功率电感，使充电电路处于3级降压模式。
[0076]
所述若所述适配器不支持连续调压，则控制管m5以及管m6关断并控制管m1、管m2、管m3以及管m4工作在降压充电模式或者3级降压模式，之后还包括：
[0077]
将所述适配器的电压转换到系统供电端，管m7一直处于导通状态，混合模式充电控制电路通过控制降压转换器的占空比，使系统供电端的电压大于电池电压。
[0078]
所述若所述适配器支持连续调压，则控制所述适配器输出2倍的电池电压，并控制管m5以及管m6一直处于导通状态，并控制管m1、管m2、管m3以及管m4交替导通或断开，使充电电路工作在电荷泵降压模式，具体包括：
[0079]
控制所述适配器输出2倍的电池电压；
[0080]
控制管m5以及管m6一直处于导通状态，功率电感短路；
[0081]
控制管m1、管m2、管m3以及管m4交替导通或断开；
[0082]
飞电容的输出电压等于电池电压，处于电荷泵控制模式。
[0083]
其中，电荷泵的结构多样，无法一一列举。实施例中采用的是二分之一降压电荷泵电路。本发明所提出的混合控制模式，可以适用于实现降压转换器和多种降压电荷泵组成混合充电电路，比如三分之一降压电荷泵，四分之一降压电荷泵，六分之二降压电荷泵模式等。
[0084]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0085]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。