一种用于系统供电的供电管理电路及控制方法与流程

1.本发明涉及供电管理控制领域，特别是涉及一种用于系统供电的供电管理电路及控制方法。


背景技术：

2.nvdc(narrowvoltage direct current，窄电压直流)动态路径管理可以根据输入电源的能力和负载电流水平动态地调节充电电流，从而保证系统用电优先的情况下尽可能的缩短充电时间。另外，动态路径管理还可以保证当电池过度放电的状态下，输入电源插入后系统能够立即启动。
3.当输入电源没有接入时，batfet(batteryfield effecttransistor，电池场效应晶体管)被完全打开，电池直接给系统负载供电。当有输入电源时，系统负载的电压v
sys
由输入电源调节，同时通过batfet给电池充电。但是系统负载具有更高的用电优先级。充电ic(integrated circuit，集成电路)会根据输入电源的能力和系统负载的需求优先给系统负载供电，剩余的功率用来给电池充电。
4.在以上的充电过程中，当总的系统负载需求(包括电池充电需求)超过输入电源的能力时，系统负载电压会下降，nvdc控制系统就会减少充电电流以保证总的负载功率不再继续增加，从而稳定系统负载电压不再下跌，维持系统负载的平稳运行。如果在电池充电电流减少到零之后，输入电源仍然不能满足系统负载需求，那么系统负载电压将继续下降直到低于电池电压，电池将通过batfet给系统供电，这种模式称之为电池补充供电模式。此时输入电源和电池同时向系统负载提供功率。
5.然而现有的充电过程在进行各工作状态的切换时无法实现快速切换。


技术实现要素：

6.基于此，本发明实施例提供一种用于系统供电的供电管理电路及控制方法，能够实现电池场效应管工作状态的快速切换。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
8.一种用于系统供电的供电管理电路，包括：系统负载端、外部供电端和电池端；所述外部供电端的输出端、所述系统负载端的输入端以及所述电池端的一端均连接到同一节点；
9.所述电池端包括电池场效应管、充放电电池、电流检测电路、驱动电路和电压电流控制电路；所述电池场效应管的源极与所述外部供电端的输出端以及所述系统负载端的输入端连接到同一节点，所述电池场效应管的漏极与所述充放电电池的一端以及所述电流检测电路连接；所述充放电电池的另一端接地；所述电池场效应管的栅极与所述驱动电路的输出端连接；所述驱动电路的输入端与所述电压电流控制电路的输出端连接；所述电压电流控制电路的输入端的输入信号为所述电流检测电路检测到的感应电流值、充电电流设置值、系统负载电压值以及电池-场效应管压差；所述电池-场效应管压差为所述充放电电池
的电压与所述电池场效应管固定电压之差；
10.所述电压电流控制电路用于根据输入信号输出控制信号；所述驱动电路在所述控制信号的控制下驱动所述电池场效应管。
11.可选的，所述电压电流控制电路包括第一运算放大器、第二运算放大器、第一场效应管、第二场效应管、恒功率电路、电压钳位电路、电流源、第一开关、第二开关、第三开关和第四开关；
12.所述第一运算放大电路的两个输入端分别输入所述感应电流值和所述充电电流设置值，所述第一运算放大器的输出端连接到所述第一场效应管的源极以及所述第一开关的一端；所述第一开关的另一端连接到所述第二场效应管的栅极；所述第二运算放大器的输入端分别输入所述系统负载电压值以及所述电池-场效应管压差，所述第一运算放大器的输出端连接到所述第二开关的一端，所述第二开关的另一端连接到所述第二场效应管的栅极；所述恒功率电路的输出端连接到所述第一场效应管的栅极，所述第一场效应管的漏极、所述第二场效应管的漏极、所述第四开关的一端均连接到同一节点，所述第四开关的另一端与所述驱动电路的输出端连接；所述第二场效应管的源极连接到所述电流源的一端，以及所述驱动电路的控制输入端，所述电流源的另一端接地；所述电压钳位电路的输出端与所述第三开关的一端连接，所述第三开关的另一端与所述驱动电路的控制输入端连接。
13.可选的，所述驱动电路电源输入端连接到所述第二场效应管的漏极所在的节点，并连接到所述系统负载端的输入端。
14.可选的，所述第一场效应管与所述第二场效应管均为nmos管。
15.可选的，所述电池场效应管为pmos管。
16.可选的，所述外部供电端包括适配器和充电dc-dc控制器；所述适配器的输出端与所述充电dc-dc控制器的输入端连接；所述充电dc-dc控制器的输出端与所述系统负载端的输入端以及所述电池端的一端均连接到同一节点。
17.可选的，所述系统负载端包括系统负载；所述外部供电端的输出端、所述系统负载的输入端、以及所述电池端的一端均连接到同一节点；所述系统负载的输出端接地。
18.本发明还提供一种用于系统供电的供电管理电路控制方法应用于上述的用于系统供电的供电管理电路；所述控制方法包括：
19.若当前工作模式为低压降充电工作模式：
20.在所述系统负载端的需求功率大于或等于所述外部供电端的输出功率，且保护信号未触发时，切换为反向补电工作模式；
21.在所述系统负载端的最小系统电压小于所述电池端的电压，且所述保护信号未触发时，切换为完全导通工作模式；
22.在保护信号触发时，切换为截止工作模式；
23.若当前工作模式为所述反向补电工作模式：
24.在所述系统负载端的需求功率小于所述外部供电端的输出功率，且所述保护信号未触发时，切换为所述低压降充电工作模式；
25.在所述保护信号触发后且所述系统负载端的需求功率小于所述外部供电端的输出功率时，切换为截止工作模式；
26.若当前工作模式为所述完全导通工作模式：
27.在所述系统负载端的最小系统电压大于或等于所述电池端的电压，且所述保护信号未触发时，切换为低压降充电工作模式；
28.若当前工作模式为截止工作模式：
29.在所述保护信号解除时，切换回所述截止工作模式之前的工作模式；
30.所述低压降充电工作模式为：控制所述第一开关导通，控制所述第二开关、所述第三开关和所述第四开关关断；
31.所述反向补电工作模式为：控制所述第二开关导通，控制所述第一开关、所述第三开关和所述第四开关关断；
32.所述完全导通工作模式为：控制所述第三开关导通，控制所述第一开关、所述第二开关和所述第四开关关断；
33.所述截止工作模式为：控制所述第四开关导通，控制所述第一开关、所述第二开关和所述第三开关关断。
34.可选的，该控制方法还包括：
35.若当前工作模式为所述完全导通工作模式：
36.在所述系统负载端的需求功率大于所述外部供电端的输出功率，且所述保护信号未触发时，通过驱动所述电池场效应管使所述充放电电池由充电状态切换为放电状态。
37.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
38.本发明实施例提出了一种用于系统供电的供电管理电路及控制方法，通过电压电流控制电路控制输出到驱动电路的电压，进而调整电池场效应管的工作状态，从而能够实现电池场效应管工作状态的快速切换。
附图说明
39.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。
40.图1为本发明用于系统供电的供电管理电路的整体电路结构图。
41.图2为本发明用于系统供电的供电管理电路中电压电流控制电路与驱动电路的具体连接关系图。
42.图3为本发明用于系统供电的供电管理电路控制方法的工作模式转换示意图。
具体实施方式
43.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。
44.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。
45.本发明的用于系统供电的供电管理电路及控制方法适用于带有多节电池的系统
供电管理，具体包括笔记本电脑、平板电脑、无人机等系统供电应用。
46.图1为本发明用于系统供电的供电管理电路的整体电路结构图。
47.图2为本发明用于系统供电的供电管理电路中电压电流控制电路与驱动电路的具体连接关系图。
48.参见图1和图2，包括：系统负载端2、外部供电端1和电池端3；外部供电端1的输出端、系统负载端2的输入端以及电池端3的一端均连接到同一节点。外部供电端1决定了输入电源的功率。系统负载端2与电池端3共同构成输出负载。
49.电池端3包括电池场效应管batfet、充放电电池bat、电流检测电路、驱动电路和电压电流控制电路；电池场效应管batfet的源极与外部供电端1的输出端以及系统负载端2的输入端连接到同一节点，电池场效应管batfet的漏极与充放电电池bat的一端以及电流检测电路连接；充放电电池bat的另一端接地；电池场效应管batfet的栅极与驱动电路的输出端连接；驱动电路的输入端与电压电流控制电路的输出端连接；电压电流控制电路的输入端的输入信号为电流检测电路检测到的感应电流值i
bat_sense
、充电电流设置值、系统负载电压值v
sys
以及电池-场效应管压差(v
bat-vb)；电池-场效应管压差为充放电电池bat的电压v
bat
与电池场效应管batfet固定电压vb之差。
50.充放电电池bat输入端接电池场效应管batfet用于控制充放电电流。电流检测电路用于检测电池端3的电流。电压电流控制电路用于根据输入信号输出控制信号；驱动电路在控制信号的控制下驱动电池场效应管batfet。
51.可选的，电压电流控制电路包括第一运算放大器op1、第二运算放大器op2、第一场效应管m1、第二场效应管m2、恒功率电路、电压钳位电路、电流源、第一开关s1、第二开关s2、第三开关s3和第四开关s4。
52.第一运算放大器op1的两个输入端分别输入感应电流值i
bat_sense
和充电电流设置值，第一运算放大器op1的输出端连接到第一场效应管m1的源极以及第一开关s1的一端；第一开关s1的另一端连接到第二场效应管m2的栅极；第二运算放大器op2的输入端分别输入系统负载电压值v
sys
以及电池-场效应管压差(v
bat-vb)，第一运算放大器op1的输出端连接到第二开关s2的一端，第二开关s2的另一端连接到第二场效应管m2的栅极；恒功率电路的输出端连接到第一场效应管m1的栅极，第一场效应管m1的漏极、第二场效应管m2的漏极、第四开关s4的一端均连接到同一节点(该节点连接系统负载端2的输入端)，第四开关s4的另一端与驱动电路的输出端连接；第二场效应管m2的源极连接到电流源的一端，以及驱动电路的控制输入端，电流源的另一端接地(第二场效应管m2的源极分别与电流源的一端以及驱动电路的控制输入端连接，电流源的另一端接地)；电压钳位电路的输出端与第三开关s3的一端连接，第三开关s3的另一端与驱动电路的控制输入端连接。
53.可选的，驱动电路电源输入端连接到第二场效应管m2的漏极所在的节点，并连接到系统负载端2的输入端。
54.可选的，第一场效应管m1与第二场效应管m2均为nmos管。
55.可选的，电池场效应管batfet为pmos管。
56.可选的，外部供电端1包括适配器和充电dc-dc控制器；适配器的输出端与充电dc-dc控制器的输入端连接；充电dc-dc控制器的输出端与系统负载端2的输入端以及电池端3的一端均连接到同一节点。
57.可选的，系统负载端2包括系统负载；外部供电端1的输出端、系统负载的输入端、以及电池端3的一端均连接到同一节点；系统负载的输出端接地。
58.基于上述用于系统供电的供电管理电路，本发明还提供一种控制方法。
59.图3为本发明用于系统供电的供电管理电路控制方法的工作模式转换示意图。
60.参见图3，该控制方法包括：
61.若当前工作模式为低压降充电工作模式q1：
62.在系统负载端2的需求功率大于或等于外部供电端1的输出功率，且保护信号未触发时，切换为反向补电工作模式q2；
63.在系统负载端2的最小系统电压小于电池端3的电压，且保护信号未触发时，切换为完全导通工作模式q3；
64.在保护信号触发时，切换为截止工作模式q4；
65.若当前工作模式为反向补电工作模式q2：
66.在系统负载端2的需求功率小于外部供电端1的输出功率，且保护信号未触发时，切换为低压降充电工作模式q1；
67.在保护信号触发后且系统负载端2的需求功率小于外部供电端1的输出功率时，切换为截止工作模式q4；
68.若当前工作模式为完全导通工作模式q3：
69.在系统负载端2的最小系统电压大于或等于电池端3的电压，且保护信号未触发时，切换为低压降充电工作模式q1；
70.若当前工作模式为截止工作模式q4：
71.在保护信号解除时，切换回截止工作模式之前的工作模式；
72.低压降充电工作模式q1为：控制第一开关s1导通，控制第二开关s2、第三开关s3和第四开关s4关断。电压电流控制电路使电池场效应管batfet进入低压降(ldo，low dropoutregulator)充电工作模式q1，此种模式下电池端3以充电电流设置值进行充电。低压降充电工作模式q1下第一运算放大器op1控制的环路起作用，第一运算放大器op1输入为电流检测电路检测到的感应电流值i
bat_sense
和充电电流设置值，输出控制第二场效应管m2的栅极电压产生上拉控制，电流源产生固定的下拉值，控制信号v
control
输出到驱动电路产生电池场效应管batfet的栅极电压，此时充电电流保持在设置的充电电流设置值。同时第一运算放大器op1输出接入恒功率电路，当充电dc-dc控制器的输入电源达到最大功率时，系统负载的电流如果继续增大，恒功率电路开始起作用，使其作用于第一场效应管m1产生上拉控制，控制信号增大，驱动电路输出增大，继而充电电流减小，而总的负载功率不变。
73.反向补电工作模式q2为：控制第二开关s2导通，控制第一开关s1、第三开关s3和第四开关s4关断。电压电流控制电路使电池场效应管batfet进入反向补电下的“理想二极管模式”，此种模式下充放电电池bat反向提供电流给系统负载。此模式通过维持电池场效应管batfet源漏电压的差值不变，实现小电流。在进入反向补电工作模式后，若系统负载电流较小，能够使第二运算放大器op2起作用，此时保持第二运算放大器op2正负输入端相等。第二运算放大器op2输入为系统负载电压值v
sys
以及电池-场效应管压差(v
bat-vb)，第二运算放大器op2输出控制第二场效应管m2管的栅极电压产生上拉控制，电流源产生固定的下拉值，控制信号v
control
输出到驱动电路产生电池场效应管batfet的栅极电压，即第二运算放
大器op2保持了电池场效应管batfet源漏电压的差值，保持固定压差期间，通过电池场效应管batfet的电流很小，可以避免反向补电工作模式q2反复进入和退出。反向补电工作模式q2期间，同时检测放电电流，若放电电流超过某个阈值，则主动通知降低系统负载的电流，可以防止系统负载由于过载而引起的系统崩溃。
74.完全导通工作模式q3为：控制第三开关s3导通，控制第一开关s1、第二开关s2和第四开关s4关断。电压电流控制电路使电池场效应管batfet进入完全导通工作模式q3，此种模式下，系统负载端2的最小系统电压小于电池端3的电压，且充电dc-dc控制器同时提供系统负载电流和充放电电池bat充电电流。若系统负载将系统负载电压拉低到小于充放电电池bat电压值，充放电电池bat也可提供电流给系统负载。电压钳位电路钳位驱动电路输入端的电压值，控制驱动电路使电池场效应管batfet的栅源电压v
gs
钳位在固定的压差值，从而使电池场效应管batfet完全导通。
75.截止工作模式q4为：控制第四开关s4导通，控制第一开关s1、第二开关s2和第三开关s3关断。电压电流控制电路使电池场效应管batfet进入截止状态，此种模式下充放电电池bat无充电电流。使用上拉开关快速上拉电池场效应管batfet的栅极值，使v
gs
＝0。
76.可选的，该控制方法还包括：
77.若当前工作模式为完全导通工作模式q3：
78.在系统负载端2的需求功率大于外部供电端1的输出功率，且保护信号未触发时，通过驱动电池场效应管batfet使充放电电池bat由充电状态切换为放电状态。此时仍保持在完全导通工作模式下。
79.由于低压降充电工作模式q1与反向补电工作模式q2的控制信号共模电平相近，所以低压降充电工作模式q1可以与反向补电工作模式q2快速切换，即低压降充电工作模式q1下若系统负载功率增大，达到反向补电工作模式q2条件后，可以快速连续地改变工作模式，使充电/放电电流无波动。完全导通工作模式同样对控制信号钳位，保证了工作模式快速切换。同时，电路达到保护条件时，第四开关s4导通产生上拉，可使电池场效应管batfet快速关断，保护电池端3和系统负载端2。本发明的用于系统供电的供电管理电路实现了任意两种工作模式下快速切换的目的。另外在反向补电工作模式q2下，本发明可以实时监测充放电电池bat的放电电流，当放电电流大于某个阈值时，主动发出降低系统负载的信号，从而防止电池场效应batfet在工作模式转换的过程中，系统负载电压低于系统最小电压，使系统崩溃。另外，低压降充电工作模式q1与反向补电工作模式q2切换时，q1工作模式下的v
control
电压值与q2工作模式下的v
control
电压值相近，所以q1与q2工作模式之间切换时，v
control
电压值不会有大的波动，v
control
信号作为batfet的控制信号，所以batfet控制的充电/放电电流就不会有较大的波动，从而实现不同工作状态切换时的平滑过渡的效果。
80.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。
81.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。