电源管理系统的制作方法

1.本发明涉及电力电子领域，更具体的说，涉及一种电源管理系统。


背景技术：

2.随着用电设备对供电质量、安全性、可靠性、方便性、即时性、特殊场合、特殊地理环境等要求的不断提高，使得传统的接触式的电能传输方式越来越不能满足实际需要。在生产研发过程中，在不改变原有的无线充电模块和有线充电模块的基础上，使得有线充电和无线充电相结合，并在两种充电模式下均能够支持路径管理功能，提高产品设计灵活性，拓宽的产品的应用领域，减少研发投入成本，已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提出了一种能够同时支持有线充电和无线充电的电源管理系统，在不改变原有的无线充电模块的基础上增加有线充电模块，同时使得有线充电模块具有电源路径管理功能。
4.本发明实施例提供了一种电源管理系统，所述电源管理系统包括：第一充电电路，包括第一电源路径管理模块和第一功率转换电路，所述第一充电电路通过第一输入端口接收无线充电信号对电池进行充电；第二充电电路，包括第二电源路径管理模块和第二功率转换电路，所述第二充电电路通过第二输入端口接收有线电源信号对电池进行充电；其中，所述第一电源路径管理模块一端与电池耦接，另一端与所述第一功率转换电路的输出端耦接，所述第二电源路径管理模块一端与所述电池耦接，另一端与所述第二功率转换电路的输出端耦接；通过控制所述第一电源路径管理模块及所述第二电源路径管理模块的工作状态，使得第一充电电路或第二充电电路工作时，当电池电压小于第一预设值时，所述下游电路均仍能够接收预设电压，维持所述下游电路正常工作。
5.优选地，所述第一充电电路和所述第二充电电路被配置为共用同一电源路径管理模块。
6.优选地，所述第一充电电路除了所述第一电源路径管理模块和第一功率转换电路还包括：无线信号接收电路，整流电路；所述无线信号接收电路用于接收所述无线充电信号，所述整流电路与所述无线信号接收电路的输出端耦接，用于将接收到的交流信号转换为直流信号输出；所述功率转换电路连接于所述整流电路和所述第一电源路径管理模块之间，用于将整流电路输出的所述直流信号进行功率转换。
7.优选地，所述第一电源路径管理模块包括第一晶体管。
8.优选地，当电池电压小于所述第一预设值时，所述第一晶体管工作于饱和状态；当电池电压大于所述第一预设值时，所述第一晶体管处于完全导通状态，此时所述电池电压大致等于所述下游电路的电压。
9.优选地，所述第一功率转换电路为电荷泵电路，所述第一功率转换电路的输入电压和输出电压比值恒定。
10.优选地，所述第一充电电路还包括线性控制模块，所述线性控制模块连接在所述整流电路和所述第一功率转换电路之间，用于稳定整流电路的输出。
11.优选地，当所述第一充电电路工作时，所述线性控制模块和所述第一电源路径管理模块均根据获取到的电流采样信号和电压采样信号进行控制，以满足电池的不同的充电模式，其中，所述电流采样信号和所述电压采样信号分别用来表征电池的充电电流和电压。
12.优选地，所述第一充电电路还包括通信电路；所述通信电路包括第五电容，第六电容，第五开关和第六开关，所述第五电容和第五开关串联组成第一串联电路，所述第六电容和所述第六开关串联组成第二串联电路，所述第一串联电路和所述第二串联电路分别连接于所述无线信号接收电路的两个输出端。
13.优选地，所述通信电路通过反馈信号来控制所述第五开关和所述第六开关的状态；其中，所述反馈信号用来表征所述线性控制模块输入端和输出端之间的电压降与用以满足电池充电模式的目标电压降之间的差值。
14.优选地，所述充电模式包括涓流模式、恒流模式和恒压模式；所述涓流模式为是当电池电压小于所述第一预设值时，以恒定的第一电流对电池进行预充；恒流模式为当电池电压上升到第一预设值时，以恒定的第二电流对电池进行恒流充电；恒压模式为当电池电压上升到第二预设值时，以恒定的电压对电池进行恒压充电；其中，所述第一电流小于所述第二电流，所述第一预设值小于所述第二预设值。
15.优选地，所述线性控制模块包括第二晶体管。
16.优选地，所述第一充电电路还包括第三晶体管，所述第三晶体管连接于所述线性控制模块和所述第一功率转换电路之间，所述第三晶体管的体二极管和所述第二晶体管的体二极管背靠背连接。
17.优选地，所述第二功率转换电路为buck charger电路。
18.优选地，所述第二电源路径管理模块串联于所述第一电源路径管理模块和所述第二功率转换电路之间；当所述第二充电电路工作时，所述第一电源路径管理模块充当第二充电电路的电源路径管理功能，所述第二电源路径管理模块处于完全导通状态。
19.与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：本发明的电源管理系统在不改变原有的无线电源充电电路的基础上，集成现有的有线电源充电电路，提高系统设计的灵活性；且当系统通过有线电源进行充电时，可以复用无线充电电路的电源路径管理模块，使得通过有线电源和无线电源充电时均可以实现nvdc(narrow voltage direct current，限定直流电压)功能和完整的电池充电周期。同时，当无线充电电路工作时，接收电路通过qi协议与发射端通信，从而调节整流器输出端的电压，通过线性控制模块114实现低压降，集成线性控制模块114和智能电源路径管理之间的硬件闭环，使电荷泵输出合适的电压，提升了系统效率，免去了现有技术中由于电荷泵不带环路，应根据电池的充电电压和电流通过mcu对电荷泵的输入端进行连续监测和控制的麻烦。
附图说明
20.通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
21.图1为本发明的实施例一的电源管理系统的示意框图；
22.图2为本发明电源管理系统的第一充电电路示意图；
23.图3为本发明电源管理系统的第一充电电路与发射端通信的电路示意图；
24.图4为本发明的第一功率转换电路的输入电压与输出电压关系示意图；
25.图5为本发明的第一功率转换电路的输出电压与电池电压关系示意图；
26.图6为本发明的实施例一的第二充电电路的示意图；
27.图7为本发明的第二功率转换电路的输出电压与电池电压关系示意图；
28.图8为本发明的实施例二的电源管理系统的示意框图；
29.图9为本发明的实施例二的第二充电电路的示意图。
具体实施方式
30.以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
31.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。
32.同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
33.图1为本发明电源管理系统实施例一的电路示意图，所述电源管理系统包括：第一充电电路11，包括第一电源路径管理模块和第一功率转换电路，所述第一充电电路11通过第一输入端口接收无线充电信号对电池进行充电；
34.第二充电电路12，包括第二电源路径管理模块和第二功率转换电路，所述第二充电电路12通过第二输入端口接收有线电源信号对电池进行充电；
35.所述第一充电电路11和所述第二充电电路12共用第一电源路径管理模块116，所述下游电路和所述第一功率转换电路和第二功率转换电路的输出端连接，其中，所述第一电源路径管理模块116一端与电池连接，另一端与下游电路耦接，通过控制所述第一电源路径管理模块116的工作状态，使得当电池电压小于第一预设值时，下游电路仍能够接收预设电压，维持正常工作。
36.具体地，如图2所示，所述第一充电电路11包括：无线信号接收电路111，整流电路113，第一功率转换电路115和第一电源路径管理模块116；
37.所述无线信号接收电路111用于接收所述无线充电信号，所述整流电路113与所述无线信号接收电路111的输出端连接，用于将接收到的交流信号转换为直流信号输出；所述功率转换电路与所述整流电路113的输出端连接，用于将整流电路113输出的直流信号进行功率转换，并输出为电池充电的充电信号。
38.需要说明的是，所述无线信号接收电路111可以包括接收天线和匹配电路，匹配电路用于将接收天线的阻抗与和匹配链路相连接的电路的阻抗相匹配。在本实施例中，如图2
所示，接收天线为感应线圈ls，匹配电路为cs；所述无线信号接收电路111还可以包括抑制高频谐振的电路，在图2中为c
p
。整流电路113可以通过现有的各种方式实现，可以为如图2所示的全桥整流电路113，也可以为半桥整流电路。
39.作为示例，如图2所示，所述第一功率转换电路115为电荷泵，所述第一功率转换电路115的输入电压和输出电压比值恒定。
40.第一功率转换电路115包括第九晶体管q9、第十晶体管q10、第十一晶体管q11和第十二晶体管q12。在一些实施例中，第九晶体管q9和第十一晶体管q11中的栅极端子被耦合至第一控制信号(第一控制信号例如可以来自控制器，诸如pmic、处理器等)。因此，第九晶体管q9和第十一晶体管q11的状态(断开或导通)相同并由第一控制信号控制。同样地，第十晶体管q10和第十二晶体管q12中的栅极被耦合至第二控制信号(第二控制信号例如可以来自控制器，诸如pmic、处理器等)。因此，第十晶体管q10和第十二晶体管q12的状态(断开或导通)可以相同并且由第二控制信号控制，优选地，第二控制信号和第一控制信号相位相差180
°
，占空比均为50％。
41.所述第九晶体管q9、飞跨电容c
fly
和第十二晶体管q12依次串联耦接在电压输入端子pmid和参考电位(例如，接地)之间。第十一晶体管q11被耦合在飞跨电容器c
fly
和第十二晶体管q12的公共端与电压输出端子sys之间。第十二晶体管q12被耦合在参考电位(例如，接地)与飞跨电容c
fly
之间。第十晶体管q10被耦合在飞跨电容器c
fly
和第九晶体管q9的公共端与电压输出端子sys之间。输出电容c
sys
还被耦合在电压输出端子sys与参考电位(例如，接地)之间。
42.电荷泵115在充电模式和放电模式下交替工作。在充电模式下，飞跨电容c
fly
和输出电容c
sys
被串联耦合，并且由将被施加至电压输入端子pmid的输入电压充电。特别地，第九晶体管q9和第十一晶体管q11在充电模式下被闭合(基于第一控制信号)，并且第十晶体管q10和第十二晶体管q12被断开(基于第二控制信号)。电容c
pmid
、c
fly
、c
sys
的电压满足如下公式：
[0043]vcpmid
＝v
cfly
+v
sys
公式(1)
[0044]
其中，v
cpmid
为电容c
pmid
两端的电压，v
cfly
为飞跨电容c
fly
两端的电压，v
sys
为输出电容c
sys
两端的电压。
[0045]
进一步地，在放电模式下，飞跨电容c
fly
和输出电容c
sys
相并联，并且放电和将电压供应至电压输出端子sys。特别地，第九晶体管q9和第十一晶体管q11在放电模式下被断开(基于第一控制信号)，并且第十晶体管q10和第十二晶体管q12被闭合(基于第二控制信号)。
[0046]
电容c
fly
、c
sys
的电压满足如下公式：
[0047]vcfly
＝v
sys
公式(2)
[0048]
其中，v
cfly
为电容c
fly
两端的电压，v
sys
为电荷泵的输出电压。进一步地，根据上述公式(1)和公式(2)可得如下关系：
[0049]vin
＝v
cfly
+v
sys
＝2v
sys
≈2v
bat
公式(3)
[0050]
其中，v
in
为电容c
pmid
上的电压v
cpmid
，也即电荷泵的输入电压，v
sys
为电荷泵的输出电压，也即，如图4所示，电荷泵的输出电压v
sys
经转换变为输入电压v
in
的二分之一。
[0051]
进一步地，还可以得到：
[0052]ichg
＝2i
in
公式(4)
[0053]
其中，i
in
为电荷泵的输入电流，i
chg
为电荷泵的输出电流。也即，电荷泵的输出电流经转换变为其输入电流的二倍。
[0054]
需要说明的是，通过对电荷泵进行适应的更改，使得电荷泵可以根据实际需求实现其它的转换比，例如转换比为n，n为正整数，则电荷泵的输出电压为输入电压的n分之一，电荷泵的输出电流为输入电流的n倍，使得当电池规格固定时(即电池的充电电流一定时)，线性控制模块114与电荷泵的输入端连接，可以减少流过所述线性控制模块114的输入电流，进而可以减少线性控制模块114的功耗。
[0055]
如图2所示，所述第一充电电路11还包括通信电路112；所述通信电路112包括第五电容，第六电容，第五开关和第六开关，所述第五电容和第五开关串联组成第一串联电路，所述第六电容和所述第六开关串联组成第二串联电路，所述第一串联电路和所述第二串联电路分别连接于所述无线信号接收电路111的两个输出端；通信电路112通过控制第五开关q5和第六开关q6导通和关断，进而改变接收电路的负载。
[0056]
进一步地，如图2所示，所述第一充电电路11还包括线性控制模块114，所述线性控制模块114连接在所述整流电路113和第一功率转换电路115之间，用于稳定整流电路113的输出，即用于稳定电荷泵的输入电压，并可以通过通信电路112向如图3所示的无线充电器的发射端13反馈其所需要输出的电压，其中，图3为无线充电电路的发射端13和第一充电电路11的示意图，发射端13通过线圈l1与接收端的第一充电电路的线圈ls进行无线信号通信。当电池电压低于第一预设值v
sysmin
时，通过获取电流采样信号i
s1
和/或电压采样信号vs来对线性控制模块114进行控制，以调节所述电荷泵的输入电压，从而调节电荷泵的输出电压，为电池充电和为下游电路进行供电；其中，所述电流采样信号i
s1
和电压采样信号vs分别用来表征电池的充电电流和电压。
[0057]
所述线性控制模块114包括晶体管q7，当q7工作在饱和状态(即为ldo状态)时，通过线性控制器来调节晶体管q7的栅源电压来调节晶体管q7的输入端和输出端的电压降。
[0058]
第一电源路径管理模块116包括一晶体管q13，通过调节晶体管q13的栅极和源极之间的电压来对功率晶体管q13进行控制，当电池电压小于第一预设值v
sysmin
时，可以实现对电池充电的同时，可以确保电荷泵115的电压输出端子sys为所连接的下游电路供电，以维持下游电路的正常工作，此时，控制晶体管q13工作在ldo(lowdropoutregulator，低压差线性稳压器)模式，即工作在饱和状态，通过控制晶体管q13的栅源极电压以维持较小的电流对电池恒流充电，从而避免电池的充电电流过大；当电池的电压大于第一预设值v
sysmin
时，功率晶体管q13处于完全导通状态，下游电路供电电压v
sys
与电池电压v
bat
大致相等。
[0059]
具体地，在本实施例中，线性控制器和batfet控制器根据获取到的电流采样信号i
s1
和电压采样信号vs来对线性控制模块114和第一电源路径管理模块116中的晶体管q13进行环路控制调节，以使得第一充电电路11工作在不同的充电模式，其中，所述电流采样信号i
s1
和电压采样信号vs分别用来表征电池的充电电流和电压，作为示例，电流采样信号i
s1
可以为流入晶体管q13的电流，电压采样信号vs可以为晶体管q13输出端的电压。
[0060]
进一步地，所述充电模式包括涓流模式、恒流模式和恒压模式，所述涓流模式为以恒定的第一电流i1进行充电，所述恒流模式为以恒定的第二电流i2进行充电，所述恒压模式为以恒定的电压进行充电，所述第一电流i1小于第二电流i2。如图5所示，为第一功率转换电
路的输出电压v
sys
与电池电压v
bat
关系示意图，当电池电压小于第一预设值v
sysmin
时为涓流充电过程，以较小的恒定电流第一电流i1先对电池进行预充，以使得电池电压能够以较为缓慢的速度逐渐上升。当电池电压上升到第一预设值v
sysmin
时，以较大的第二电流i2对电池进行恒流充电。当电池电压上升到第二预设值时，恒流充电结束，开始恒压充电阶段。其中，第二预设值大于第一预设值v
sysmin
，具体可以根据电池规格进行对应设置。
[0061]
进一步地，通信电路112通过反馈控制器接收的反馈信号来控制第五开关q5和第六开关q6导通和关断，进而改变接收电路的负载，向发射端13发送qi协议的ask(amplitude shift keying，幅移键控)消息，其中，所述线性控制模块114在本实施例中用于稳定电荷泵的输入电压，并可以向通信电路112反馈其所需要输出的电压；所述反馈信号用来表征线性控制模块114中q7两端的电压降与以满足电池充电模式的目标电压降之间的差值；接收电路的负载发生变化后，导致无线充电器的发射端13的线圈l1接收到的电压发生变化，无线充电器的发射端13根据线圈l1感应到的电压的变化，得到解码后的反馈信号，从而根据反馈信号调节发射端13的输出功率，使得第一充电电路11接收到的电能改变，从而改变输入至第一充电电路11中的线性控制模块114中晶体管q7的电压(即为整流器输出的电压)，最终使得线性控制模块114的两端的电压降趋近于目标值，以使线性控制模块114的两端的电压降维持于一较小值，刚好能满足根据电流采样信号i
s1
和电压采样信号vs来对线性控制模块114和第一电源路径管理模块116进行环路控制调节，从而降低线性控制模块114的功耗，提高系统的效率。
[0062]
如图2所示，所述第一充电电路11还包括另一晶体管q8，连接于所述线性控制模块114和所述第一功率转换电路115之间，当第一充电电路11工作时，该晶体管q8完全导通，当第二充电电路12工作，第一充电电路11不工作时，所述晶体管q8和线性控制模块114中的晶体管q7均断开，此时，所述晶体管q8的体二极管和线性控制模块114中的q7体二极管背靠背连接，防止电池电压通过第一充电电路11反向传输。
[0063]
所述第二充电电路12包括第二功率转换电路121，第二功率转换电路121为降压电路，在本实施例中为buck charger电路(降压电池充电电路)；第二充电电路12输入端连接有线电源信号，例如连接恒压源usb接口或恒压源的适配器。如果第二充电电路12没有第一电源路径管理模块116而直接连接到电池，如果电池电压不足，因为下游电路电压v
sys
大致等于电池电压，下游电路端口将无法获得足够的工作电压。如图6所示，将buck charger电路的输出端连接到第一电源路径管理模块116的第一端口sys，第一电源路径管理模块116的第二端口连接电池。下游电路电压v
sys
和电池电压v
bat
的曲线如图7所示，当电池电压v
bat
低于第一预设值v
sysmin
时，为涓流模式充电阶段，下游电路电压v
sys
即buck charger电路的输出端设置为第二充电电路12的恒压，同时以较小电流给电池充电，q13由batfet控制器控制工作在ldo模式，即工作在饱和状态。当电池电压被充电到第一预设值v
sysmin
时，晶体管q13被控制完全导通，电池电压v
bat
和下游电路电压v
sys
大致相等，电池的充电由作为快速充电阶段的buck charger电路控制进行恒流模式和恒压模式的充电过程。
[0064]
降压开关控制器被配置为对第二功率转换电路121进行控制，当检测到第二端口bus接入固定电压源(如，接入usb)，降压开关控制器根据下游电路电压v
sys
来调节晶体管q14，q15的占空比以输出固定的电压或电流，同时，batfet控制器根据电流采样信号电压采样信号vs调节晶体管q13的工作状态，以此来满足电池的充电要求。需要说明的是，所述第
二功率转换电路包括但不限于本实施例的buck charger电路，其他类型的适用于有线电源的功率转换电路均适用于该发明。
[0065]
作为实施例二，如图8所示，当第二充电电路12包括自己独立的第二电源路径管理模块122时，第二电源路径管理模块122的输入端和第二功率转换电路121的输出端连接，第二电源路径管理模块122的输出端和第一功率转换电路115的输出端连接并与第一电源路径管理模块116的一端口连接，第一电源路径管理模块116的另一端口与电池连接，当第一充电电路11或第二充电电路12工作时，第一功率转换电路115的输出电压v
sys
与下游设备连接，作为下游设备的供电电压。
[0066]
如图9所示，第二电源路径管理模块122为晶体管q16，此时将晶体管q16和第一充电电路11中的第一电源路径管理模块116中的晶体管q13串联连接，作为一种示例，当第二充电电路12工作时，将晶体管q16设置为完全导通状态，此时晶体管q16不再具有电源路径管理的功能，而由第一电源路径管理模块116的晶体管q13充当第二充电电路的电源路径管理的功能，电路其他晶体管的状态和控制过程与图6中的均相同。
[0067]
综上所述，本发明公开了一种电源管理系统，包括：第一充电电路11，所述第一充电电路11通过第一输入端口接收无线充电信号对电池进行充电；第二充电电路12，所述第二充电电路12通过第二输入端口接收有线电源信号对电池进行充电；所述第一充电电路11和所述第二充电电路12可以共用第一电源路径管理模块116，其中，所述第一电源路径管理模块116一端与电池连接，另一端与下游电路连接，通过控制所述第一电源路径管理模块116的工作状态，使得当电池电压小于第一预设值时，下游电路仍能够接收预设电压，维持正常工作。本电源管理系统在不改变原有的无线电源充电电路的基础上，集成现有的有线电源充电电路，提高系统设计的灵活性；且当系统通过有线电源进行充电时，可以复用无线充电电路的第一电源路径管理模块116，使得通过有线电源和无线电源充电时均可以实现nvdc(narrow voltage direct current，限定直流电压)功能和完整的电池充电周期。同时，当无线充电电路工作时，接收电路通过qi协议与发射端通信，从而调节整流器输出端的电压，通过线性控制模块114实现低压降，集成线性控制模块114和智能电源路径管理之间的硬件闭环，使电荷泵输出合适的电压，提升了系统效率，免去了现有技术中由于电荷泵不带环路，应根据电池的充电电压和电流通过mcu对电荷泵的输入端进行连续监测和控制的麻烦。
[0068]
在本发明的实施例中，所述开关管、晶体管可以采用各种现有的电可控开关器件，例如，金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)、双极结型晶体管(bjt)，或者，绝缘栅双极晶体管(igbt)，本发明对此不进行限制。
[0069]
虽然以上将实施例或实现方式分开说明和阐述，但涉及部分共通之技术，在本领域普通技术人员看来，可以在实施例或实现方式之间进行替换和整合，涉及其中一个实施例或实现方式未明确记载的内容，则可参考有记载的另一个实施例。
[0070]
依照本发明实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。