电流比较切换模式的三段式单节锂电池线性充电电路

1.本发明属于微电子技术领域，更进一步涉及集成电路技术领域中一种电流比较切换模式的三段式单节锂电池充电电路。本发明可在供电设备电压过高时对中小型电子设备进行线性充电。


背景技术：

2.近年来线性充电由于其电路简洁、成本低和面积小的优势，成为较有竞争力的中小电子设备的充电方式。随着充电场景的多元化，供电电源可能远高于电路的耐压程度，毁坏充电电路，影响电池寿命，给用户带来安全隐患。
3.南京睿赫电子有限公司在其申请的专利文献“一种高集成线性充电稳压电路及其应用”(申请公布号cn 110224497 a)中公开了一种可切换电源的线性充电路。该充电电路包含电压检测及保护、电源检测及自动切换、输出电流检测电路及电压比较环路控制电路。该充电电路实现当供电电源在要求范围内时采用供电电源供电，当不在要求范围内时，切换到第二电源供电，使得充电电路可以正常工作。但是，该充电电路仍然存在的不足之处是：电路实现复杂，且在切换电源时会产生冲击电流扰动，影响充电电流精度，导致电池过充影响电池寿命。
4.pang-jung liu和lin-hao chien在其发表的论文“a high-effificiency integratedmultimode battery charger with an adaptive supply voltage control scheme”(ieee transactions on power electronics,vol.33,no.8,august 2018)中基于传统的三段式电路提出了一种高效率的多节锂电池线性充电电路。该充电电路包括充电管、采样管、充满保护电路、零电流检测电路和dcdc转换器。该充电电路通过dcdc转换器改变输入电压，实现高输入电压情况下的正常充电。但是，该充电电路仍然存在的不足之处是：由于在dcdc转换器中存在电感，产生不必要的零极点，影响充电电流的稳定性，使充电电路流片良率较低。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提出一种电流比较切换模式的三段式单节锂电池充电电路，用于解决现有技术的三段式单节锂电池充电电路供电不稳定、成本高昂及充电电流精度不够的问题。
6.为了实现上述目的，在自参考ldo模块中设置电流比较控制电路，当供电电源在要求范围内时采用供电电源给充电环路供电，当不在要求范围内时，切换到自参考ldo模块的输出作为供电电源，就可以解决电路供电不稳定的问题。在充电环路中设置电流比较切换电路，利用运放虚短虚断的原理产生输出控制电流，通过高压器件组成的电流镜放大运放的输出电流信号，再与输入电流ibias比较可提高对充电电流大小的判断精度。
7.本发明的电流比较切换模式的三段式单节锂电池充电电路，包括自参考ldo模块、基准电路、电压比较电路、外接电阻和充电环路。
8.所述电流比较控制电路中的第四mos管m4和第五mos管m5组成电流镜形式，第四mos管m4的栅极与其漏极相连，第四mos管m4和第五mos管m5的源极与输入电压vin相连；第六mos管m6和第七mos管m7的栅极与输入钳位电压vclamp相连，第六mos管m6的漏极与第四mos管m4的漏极相连，第七mos管m7的漏极与第五mos管m5的漏极相连并与输出电压vp相连，第七mos管m7的源极与第八mos管m8的漏极相连；第八mos管m8的栅极接地，其源极也接地；第三mos管m3的栅极与输入电压vback相连，其源极接地，漏极与第六mos管m6的源极相连。
9.所述电流比较切换电路中的第十二mos管m12和第十三mos管m13组成电流镜形式，第十二mos管m12的栅极与其漏极相连，第十二mos管m12和第十三mos管m13的源极与输入电压vin相连；第十四mos管m14和第十五mos管m15的栅极与输入钳位电压vclamp相连，第十四mos管m14的漏极与第十二mos管m12的漏极相连，第十三mos管m13的漏极与第十五mos管m15的漏极相连并于电压vx相连，第十五mos管m15的源极与输入电流ibias相连并接地，第十四mos管m14的源极与第一运放cc、第二运放cv和第三运放otp输出相连并接地。
10.本发明与现有技术相比具有以下优点：
11.第1，本发明在自参考ldo模块中设置了电流比较控制电路，使用第一齐纳二极管d1来产生钳位电压，通过调整第八mos管m8栅极的电压来调整输出电压vpre，作为基准电压以及其他低压模块的供电电源，克服了现有技术电路实现复杂，有冲击电流扰动，充电电流精度低的缺点，使得本发明具有芯片面积减少、降低电路复杂度，降低成本的优点。
12.第2，本发明在充电环路中设置电流比较切换电路，仅使用六个高压管(m10、m12、m13、m14、m15、m16)，通过电流比较改变第十六mos管m16的栅极电压来切换充电模式，克服了现有技术芯片面积大，高压器件多的缺点，使得本发明具有低成本，大大节约电路面积，降低电路复杂度的优点。
13.第3，本发明在电流比较切换电路采用电流镜结构，克服了现有技术电路存在不必要零极点和对用户造成安全隐患的缺点，使得本发明具有低压器件电路不易击穿，提高充电电流精度，技术实现难度小，流片成功率高的优点。
附图说明
14.图1是本发明的框图；
15.图2是本发明自参考ldo电路的电原理图；
16.图3是本发明单节锂电池充电环路的电原理图；
17.图4是本发明电压比较电路的电原理图。
具体实施方式
18.下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
19.参照图1，对本发明的整体电路做进一步的详细描述。
20.电流比较切换模式的三段式单节锂电池充电电路中的外接锂电池的正极与引脚vbat相连，其负极接地。本发明实施例中为普通单节锂电池。
21.自参考ldo模块的电源为输入电压vin，输入电压可以为0～36v中的任意一个电压值。自参考ldo模块的输出钳位电压vclamp可能为6或7v，vclamp电压与充电环路相连。自参考ldo模块的输出电压vpre为基准电路的电源，当输入电压vin小于5v时vpre与vin电压相
等，在输入电压vin大于5v时，vpre电压恒为5v。所述电压比较电路有两个输入，其中一个为电压vpre，另一个为引脚vbat，输出电压vh的值为两个输入中较大的值。所述基准电路存在四个输出电压，其中vbg1恒为1.05v，vbg2恒为0.1v，vbg3恒为0.6v，vbg4恒为1v，这四个输出电压分别与充电环路的四个同名输入电压相连。所述充电环路的电源为输入电压vin，其外接引脚vsece连接外接电阻rset，外接电阻的另一个引脚接地，外接电阻的取值一般为1kω。
22.参照图2，对本发明的自参考ldo电路做进一步的详细描述。
23.所述自参考ldo电路中的第一mos管m1、第二mos管m2、第四mos管m4、第五mos管m5和第九mos管m9均采用耐高压p型金属-氧化物-半导体管。第六mos管m6和第七mos管m7均采用耐高压n型金属-氧化物-半导体管。第三mos管m3采用n型金属-氧化物-半导体管，第八mos管m8采用n型耗尽型-氧化物-半导体管。第一电阻r1和第二电阻r2为普通集成电阻，r1和r2电阻值的比例为1：3。本发明的实施例中r1的电阻值为10kω，r2的电阻值为30kω。第一齐纳二极管d1为普通集成齐纳二极管。第八mos管m8电压的栅极电压vbias1恒为0v。第一mos管m1和第二mos管m2组成电流镜形式，第二mos管m2的栅极与其漏极相连并与电压vclamp相连，第一mos管m1和第二mos管m2的源极与输入电压vin相连，第一mos管m1的漏极接地。第一齐纳二极管d1的负向端与第二mos管m2的漏极相连，其正向端接地。第四mos管m4和第五mos管m5组成电流镜形式，第四mos管m4的栅极与其漏极相连，第四mos管m4和第五mos管m5的源极与输入电压vin相连。第六mos管m6和第七mos管m7的栅极与电压vclamp相连，第六mos管m6的漏极与第四mos管m4的漏极相连，第七mos管m7的漏极与第五mos管m5的漏极相连并与第九mos管m9的栅极相连，第七mos管m7的源极与第八mos管m8的漏极相连。第八mos管m8的栅极接地，其源极也接地。第三mos管m3的栅极与电压vback相连，其源极接地，漏极与第六mos管m6的源极相连。第九mos管m9的栅极与电压vp相连，其源极与输入电压vin相连，其漏极与第一电阻r1的一端相连并与输出电压vpre相连，另一端与第二电阻r1的一端相连并与电压vback相连，第二电阻r2的另一端接地。
24.参照图3，对本发明的充电环路做进一步的详细描述。
25.所述充电环路中第十mos管m10、第十二mos管m12、第十三mos管m13和第十六mos管m16均采用耐高压p型金属-氧化物-半导体管。第十四mos管m14和第十五mos管m15均采用耐高压n型金属-氧化物-半导体管。第十一mos管m11采用p型金属-氧化物-半导体管。第十mos管m10和第十六mos管m16宽长比之比为1000：1。第三电阻r3和第四电阻r4为普通集成电阻，r3和r4电阻值的比例为1：3。本发明的实施例中r3的电阻值为1mω，r2的电阻值为3mω。第五外接电阻rset为普通电阻，本发明的实施例中rset的电阻值为1kω。第十二mos管m12和第十三mos管m13组成电流镜形式，第十二mos管m12的栅极与其漏极相连，第十二mos管m12和第十三mos管m13的源极与输入电压vin相连。第一运放cc、第二运放cv、第三运放otp和第四运放a1均采用普通金属-氧化物-半导体管。第十二mos管m12和第十三mos管m13组成电流镜形式，第十二mos管m12的栅极与其漏极相连，第十二mos管m12和第十三mos管m13的源极与输入电压vin相连。第十四mos管m14和第十五mos管m15的栅极与输入钳位电压vclamp相连，第十四mos管m14的漏极与第十二mos管m12的漏极相连，第十三mos管m13的漏极与第十五mos管m15的漏极相连并于电压vx相连，第十五mos管m15的源极与输入电流ibias相连并接地第一运放cc、第二运放cv和第三运放otp的输出与第十四mos管m14的源极相连并接地。
第一运放cc的正向输入端与vbg1相连，其负向输入端与电压v2相连。第二运放cv的正向输入端与第一开关k1的一端相连，其负向输入端与引脚vsence相连，与第一开关k1另一端可选择电压vbg4或vbg2；第十六mos管m16和第十mos管m10的栅极与电压vx相连，其源极与输入电压vh相连。第四运放a1的负向输入端与第十六mos管m16的漏极和第十一mos管m11的源极相连，其正向输入端与第十mos管m10的漏极和外接引脚vbat相连，其输出与第十一mos管m11的栅极相连。外接电阻rset的一端与第十一mos管m11的漏极相连，其另一端接地。第三电阻r3的一端与第十mos管m10的漏极相连，另一端与第四电阻r4的一端相连，第四电阻r4的另一端接地。
26.参照图4，对本发明的比较电路的原理图做进一步的详细描述。
27.所述电压比较电路中的第十九mos管m19、第十八mos管m18、第二十二mos管m22和第十七mos管m17均采用p型金属-氧化物-半导体管。第二十mos管m20和第二十一mos管m21均采用n型金属-氧化物-半导体管。第一反相器nor1采用普通金属-氧化物-半导体管。第十九mos管m19和第十八mos管m18组成电流镜形式，第十九mos管m19的栅极与其漏极相连。第十九mos管m19的源极与输入电压vbat相连，第十八mos管m1的源极与输入电压vpre相连。第二十mos管m20的栅极与输入电压vpre相连，其漏极与第十九mos管m19的漏极相连，其源极接地；第二十一mos管m21的栅极与输入电压vbat相连，其漏极与第十八mos管m18的漏极相连并于电压en相连，其源极接地。第一反相器nor1的输入与电压en相连，其输出与电压en相连。第十六mos管m16的栅极与电压en相连，其漏极与输入电压vpre相连，其源极与输出电压vh相连。第十七mos管m17的栅极与输入电压en非相连，其漏极与输入电压vbat相连，其源极与输出电压vh相连。
28.下面对本发明的电流比较切换模式的三段式单节锂电池充电管理电路的工作原理做详细的描述。
29.自参考ldo电路的功能是降低输入电压，输入电压可以为0～36v中的任意一个电压值。自参考ldo电路的输出电压vpre值在输入电压vin小于5v时扽等于vin的电压值，在输入电压vin大于5v时，输出电压vpre恒为5v。由于第一齐纳二极管d1无法流过大电流，第一mos管m1和第二mos管m2组成电流镜结构，通过第一mos管m1拷贝第二mos管m2中的电流将大电流引流走，起到保护第一齐纳二极管d1的作用。
30.比较电路模块为常用的源端比较器，寻找vpre和vbat两个中较大的电压值赋值给比较电路的输出电压vh。
31.充电环路是用来实现线性充电的主要模块，本实施例中单节锂电电池充满电为4.2v，当锂电池电压小于2.8v时进入涓流充电模式，对锂电池充电的电流为100ma，当锂电池电压大于2.8v时进入恒流充电模式，对锂电池充电的电流为1000ma。第一运放cv、第二运放cc和第三运放otp的输出均为电流，这个电流经第十二mos管m12和第十三mos管m13组成的电流镜放大后，在vx点与输入电流ibias相比较，通过调整充电管第十mos管m10和采样管第十六mos管m16的栅极电压，来切换充电状态。
32.恒流、涓流模式下对锂电池充电电流的大小由vsece/rset决定，利用第一运放cc输入虚短虚断的特性，恒流模式下vsece电压大小与vbg4相同，涓流模式下vsece电压大小与vbg2相同，本实施例中vbg4为1v，vbg4为0.1v。电路涓流恒流充电模式的切换靠第一开关k1来实现，当vbat电压小于2.8v，开关k1选择vbg2，当vbat电压大于2.8v，开关k1选择vbg4。
充电管第十mos管m10和采样管第十六mos管m16宽长比之比为1000：1，在涓流模式下流过第十六mos管m16的电流为i
m16
＝0.1v/1kω，拷贝到第十mos管m10的电流为i
m10
＝i
m16
*1000＝100ma，在恒流模式下流过第十六mos管m16的电流为i
m16
＝1v/1kω，拷贝到第十mos管m10的电流为i
m10
＝i
m16
*1000＝1000ma。第四运放a1同样利用输入虚短虚断的特性使第十mos管m10和第十六mos管m16的漏端电压相等，防止沟道调制效应影响电流的精确拷贝。
33.当电池电压达到4.2v时充满，此时第一cv运放开始工作。当电池电压大于4.2v时，采样电压v2大于vbg1，第一cv运放的输出电流变大，引起vx点的电压变高，充电环路关断，电池充满。
34.当芯片在充电过程中温度过高会引发安全问题，因此添加第四运放otp，其负向端的输入为三级管的源漏两端电压vbe，vbe电压为负温度系数，随着温度的升高电压变低，当温度足够高时，vbe电压低于vbg3，第四运放otp输出电流变大，引起vx点的电压变高，充电环路关断，过温保护功能实现。