CN101179198A - 一种同步整流型电池充电电路及其保护电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种同步整流型电池充电电路，包括同步整流型充电主电路、防反灌开关管、控制逻辑和驱动电路、保护电路，防反灌开关管用于连接在电源适配器和同步整流型充电主电路之间，控制逻辑和驱动电路用于控制充电主电路和防反灌开关管的开通和关断，保护电路用于检测充电电路的输入电压，并将该输入电压与预先设定的阈值电压比较，在输入电压小于阈值电压时输出第一信号至控制逻辑和驱动电路，控制逻辑和驱动电路响应第一信号，控制同步整流充电主电路和防反灌开关管的关断，且在输入电压大于阈值电压时输出第二信号至控制逻辑和驱动电路，控制逻辑和驱动电路响应第二信号，控制同步整流充电主电路和防反灌开关管的开通。

Description

一种同步整流型电池充电电路及其保护电路
【技术领域】
本发明涉及一种电池充电电路，尤其涉及一种同步整流型电池充电电路及其保护电路。
【背景技术】
由于可充电锂离子电池已广泛应用于便携式设备中。目前，各大芯片公司均有专用的锂电池充电芯片，为单节或者多节电芯串联而成的锂电池充电。目前的充电方案大多采用降压型(BUCK型)拓扑结构，如图1所示。该电路结构简单，且能达到较高的效率。
为了提高效率，同步整流技术在充电电路中的使用越来越广泛。图2即为使用了同步整流技术的降压型充电电路，分别用MOSFET代替了图1中的开关S1和二极管D2，这样有效降低了二级管正向压导通压降引起的导通损耗，效率通常能够达到90％以上。而且为了进一步缩小充电电路的体积和元器件数量，有的充电管理芯片已将开关器件集成在了芯片内部。
由于电池有别于普通负载，其本身就可以等效为一个直流电源，所以当降压型同步整流的电路结构给多节电芯串联构成的锂离子电池充电的时候，由于电池电压较高，充电电路的输入电压要高于被充电电池。此时，如果在直流输入掉电或出现电压凹陷时不能及时关断防反灌MOSFET Q3及充电电路的话，则有可能出现电池电流反灌到输入端的情况，本反向电流的能量可以来自于被充电的电池或输出储能电容C2，此时反灌的反向电流流经L1。此时如果没有关断同步整流电路，则同步整流电路会继续工作。在电感中出现反向电流的情况下，如果同步整流电路继续工作，就会导致同步整流管的续流管Q2在同步续流期间对地短路，过大的短路电流会在瞬间损伤Q2，从而会进一步导致Q1与Q3损坏，如果Q1～Q3集成在充电芯片内部，则会直接导致芯片损坏。所以必须在输入电压下降时及时关断防反灌MOSFET和充电电路，防止充电电路在电压反灌时被损坏。
目前及时切断充电电路的方法主要有：
1)在充电电路的主回路中串入一个二极管或者控制开关，如图3与图4中的D1所实现的防止电池电压反灌的方案，但本方法由于二极管较大的正向压降，导致了较低的效率；为了提高效率，在防反灌的二极管上并联一个MOSFET(即场效应管)。这种方案虽然可靠，可以实现二极管的自动关断，但由于二极管的正向压降较大的原因，不能实现高效率，并且发热的二极管使得充电电路进一步小型化、模块化难度加大。
2)采用比较电池电压与输入电压的方法，如图5所示，当输入电压高于电池电压的值ΔV小于75mV时，控制电路会转入一个睡眠模式，在睡眠模式中，防反灌的MOSFET及同步整流电路是关断的，但一旦出现ΔV大于75mV时，整个电路就会被唤醒，此时防反灌的MOSFET重新导通，同步整流电路继续工作。但这种方案所采样的电池电压与输入电压都是浮动的电压，而比较的阈值仅为75mV，由于电池电压与输入电压在工作时均有纹波，不能对电池电压与输入电压进行正确判断，并且电池电压的采样电路存在一定的延时，所以该方案无法及时有效的提供防反灌的MOSFET及同步整流电路的关断，可靠性差，从而增加了防反灌MOSFETQ3及同步整流电路损伤的风险，实践表明这种风险随着串充电池的增多而增大。
【发明内容】
本发明的主要目的就是为了解决现有技术中的问题，提供一种同步整流型电池充电电路，在充电电路的输入电压降低到设定值时，及时、有效的关断防反灌开关管和充电主电路。
本发明的另一目的是提供一种用于同步整流型电池充电电路的保护电路，该电路监测充电电路的输入电压，当充电电路的输入电压降低到设定值时，及时、有效的关断防反灌开关管和同步整流充电主电路。
为实现上述目的，本发明提出一种电池充电电路，包括同步整流充电主电路、防反灌开关管和控制逻辑和驱动电路，所述防反灌开关管用于连接在电源适配器和同步整流充电主电路之间，所述控制逻辑和驱动电路用于控制同步整流充电主电路和防反灌开关管的开通和关断；所述电池充电电路还包括保护电路，所述保护电路用于检测充电电路的输入电压，并将该输入电压与预先设定的阈值电压比较，在输入电压小于阈值电压时输出第一信号至控制逻辑和驱动电路，控制逻辑和驱动电路响应第一信号，控制同步整流充电主电路和防反灌开关管的关断，并且所述保护电路还用于在输入电压大于阈值电压时输出第二信号至控制逻辑和驱动电路，控制逻辑和驱动电路响应第二信号，控制同步整流充电主电路和防反灌开关管的开通。
所述阈值电压优选为充电电池的最高充电电压加上充电电路掉电或电压凹陷的裕量。
所述保护电路的一种方案是包括输入电压检测单元、开关单元和分压单元，所述输入电压检测单元用于检测充电电路输入电压，并为开关单元提供控制开关单元开通和关断的电压，所述开关单元的输出端与控制逻辑和驱动电路的使能端和分压单元的分压点连接，所述分压单元连接在充电电路的输入端和地之间。
其中，所述输入电压检测单元包括顺次串联在充电电路的输入端和地之间的反接的稳压管和第一电阻，所述开关单元为晶体管，所述稳压管的阳极耦合到晶体管的控制极。
为实现上述目的，本发明还提出一种用于同步整流型电池充电电路的保护电路，其特征在于：所述保护电路用于检测同步整流型电池充电电路的输入电压，并将该输入电压与预先设定的阈值电压比较，用于在输入电压小于阈值电压时输出第一信号至充电电路的控制逻辑和驱动电路，控制同步整流充电主电路和防反灌开关管关断，并且所述保护电路还用于在输入电压大于阈值电压时输出第二信号至充电电路的控制逻辑和驱动电路，控制同步整流充电主电路和防反灌开关管开通。
所述阈值电压优选为充电电池的最高充电电压加上充电电路掉电或电压凹陷的裕量。
所述保护电路的一种方案是包括输入电压检测单元、开关单元和分压单元，所述输入电压检测单元用于检测充电电路输入电压，并为开关单元提供控制开关单元开通和关断的电压，所述开关单元的输出端与充电电路的使能端和分压单元的分压点连接，所述分压单元连接在充电电路的输入端和地之间。
所述输入电压检测单元包括顺次串联在充电电路的输入端和地之间的反接的稳压管和第一电阻，所述开关单元为晶体管，所述稳压管的阳极耦合到晶体管的控制极。
本发明的有益效果：本发明为充电电路引入一种快速智能关断电路，可以实现对输入电压的实时监测，而控制充电电路开关的阈值是一个稍大于电池的最高充电电压的固定值，在输入电压下降到低于电池电压之前能够提前对充电电路进行控制，使其快速关断充电回路中的各开关管，从而有效防止电池电压、电流的反灌，避免充电电路和电池的损坏，使充电电路的可靠性大大提高。该技术电路结构简单，实用性强，且在工作过程中损耗极低，不会对充电效率造成影响。
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
【附图说明】
图1为降压型拓扑结构的电池充电电路；
图2为采用同步整流技术的降压型充电电路；
图3为采用二极管防止电池电压对输入侧的反灌-1；
图4为采用二极管防止电池电压对输入侧的反灌-2；
图5为利用睡眠模式防止电池电压反灌的电路图；
图6为本发明防止电池电压反灌的实现原理图；
图7为本发明一种实施例的电路图；
图8为本发明另一种实施例的电路图。
【具体实施方式】
本发明的核心是增加一个控制电池充电电路开通和关断的保护电路，主动检测直流输入电压值，并将该输入电压与预先设定的阈值比较，在直流输入电压下降到所设定的阈值Vth时输出第一信号，关断充电电路中的防反灌开关管以及同步整流充电主电路部分，有效保护充电电路和电池，实现方法简单、可靠。在输入电压大于阈值Vth时输出第二信号，控制同步整流充电主电路和防反灌开关管的开通。
实施例一、电池充电电路包括同步整流充电主电路1、防反灌开关管Q3、控制逻辑和驱动电路、和保护电路2，防反灌开关管Q3连接在电源适配器和同步整流充电主电路1之间，控制逻辑和驱动电路用于产生控制信号，控制同步整流充电主电路1和防反灌开关管Q3的开通和关断。该保护电路的一种实现方式如图6所示，利用充电电池的最高充电电压VBATT-max作为检测电压起始值V1，再加上设定的充电电路掉电或电压凹陷的裕量V2，利用直流输入端的电压检测电路，其检测点为：Vth＝V1+V2，组成一个基于开关器件的保护电路，使得在充电电路的输入电压下降到Vth时，自动关断防反灌开关管Q3及充电主电路1，从而有效避免了电池电压反灌的风险，保护了充电电路和电池。
保护电路包括输入电压检测单元、开关单元和分压单元，输入电压检测单元连接在充电电路的输入端，实时监测输入电压Vin，并为开关单元提供控制开关单元开通和关断的电压，开关单元的输出端与控制逻辑和驱动电路的使能端CE相连，开关单元的输出端同时还和分压单元的分压点连接，分压单元连接在充电电路的输入端和地之间。
当输入电压检测单元监测到充电电路的输入电压Vin下降到预设的关断阈值Vth时，开关单元立即关断，使CE立即变为高电平，控制逻辑和驱动电路及时关断同步整流充电主电路1中的开关器件和防反灌开关管Q3。为了起到保护作用，必须在Vin下降到电池电压VBATT之前关断充电电路，即VBATT＜Vth＜Vin，这样才能及时关断充电主电路1中的开关器件Q1、Q2和防反灌开关管Q3，防止电池电流反灌进主回路；同时，为了保证保护的有效，可以设定阈值Vth为充电电池的最高充电电压VBATT-max加上充电电路掉电的裕量V2。反之，在输入电压Vin上升到大于阈值Vth时，开关单元导通，使CE立即变为低电平，使充电电路开始工作。
保护电路的一种具体实现电路如图7所示，输入电压检测单元包括顺次串联在充电电路的输入端和地之间的、反接的稳压管ZD1和第一电阻，第一电阻可以是一个电阻，也可以如图7中所示为两个串联的电阻R1、R2，开关单元为晶体管Q4，稳压管ZD1的阳极直接或间接(即通过其他元件，例如电阻)耦合到晶体管Q4的控制极。图7中，晶体管Q4的控制极直接接在电阻R1和电阻R2之间。分压单元为串联在充电电路输入端和地之间的电阻。
晶体管Q4可以采用MOS管，也可以采用三极管，当晶体管Q4为MOS管时，其控制极称为栅极，当晶体管Q4为三极管时，其控制极称为基极。同理，防反灌开关管Q3也可以采用MOS管或三极管。
下面以晶体管Q4为三极管为例对本实施例的工作机理进行说明。当适配器开始工作后，充电电路输入电压Vin逐渐上升，当Vin上升到预设的阈值电压Vth时，稳压管ZD1导通，通过电阻R1与R2的分压，作用于晶体管Q4，当晶体管Q4的基极电压上升到0.6～0.7V时，晶体管Q4接着导通，从而将控制逻辑和驱动电路的使能控制端CE拉至低电平，控制逻辑和驱动电路会触发防反灌开关管Q3和同步整流充电主电路1导通，充电电路开始正常工作。要求阈值Vth的值大于电池的最高充电电压VBATT-max，并且设定充电电路掉电或电压凹陷的裕量V2，在这里，可以取V2＝2V，这样Vth＝VBATT-max+V2。预设的阈值电压Vth的值为稳压管ZD1的导通压降、R1上的压降再加上晶体管Q4的基极与射极的压降，当阈值电压Vth确定后，可通过选择合适的稳压管ZD1和电阻R1来实现阈值，即稳压管ZD1的导通电压应小于阈值电压Vth，而电阻R1可以为零，当电阻R1为零时，阈值电压Vth的值为稳压管ZD1的导通压降加上晶体管Q4的基极与射极的压降。
在适配器供电时，本保护电路的损耗非常低，对充电电路的效率造成影响可以忽略不计。
当适配器停止输出、掉电或出现电压凹陷时，充电电路输入电压Vin逐渐下降，当输入电压Vin下降低于阈值电压Vth时，晶体管Q4的基极电压不再满足0.6～0.7V，晶体管Q4关断，电压Vin通过分压单元的电阻R3和电阻R4进行分压，使CE变为高电平，Q1～Q3立即关断，从而在输入电压Vin下降到电池电压VBATT之前及时关断充电电路，防止电池电压电流向充电电路反灌，实现对充电电路和电池的保护。当充电电路集成在芯片中时，则实现了对充电芯片的保护。
本实施例可以利用三极管快速开关的特性，使得保护电路动作无延迟，保证了关断的快速性与及时性。
本实施例的保护电路还可以部分或全部集成在芯片中，或和充电电路一起集成在芯片中。
实施例二、本发明的保护电路还可以通过图8所示的方式实现，即将阈值电压写入到微处理器中，同时将比较和控制程序也写入到微处理器，输入电压检测单元将实时检测的输入电压输入微处理器，微处理器将输入电压和阈值电压进行比较，根据比较结果输入相应的高电平或低电平至控制逻辑和驱动电路，控制逻辑和驱动电路的使能控制端对高电平和低电平的响应和控制方式和实施例一相同。
综上所述，本发明能够主动检测输入电压是否掉电，自动判断输入电压是否达到预设电压，并具有即时响应的特性，防止电池电压反灌回充电回路，有效保护了充电电路和被充电池。

Claims (12)

1.一种同步整流型电池充电电路，包括同步整流充电主电路、防反灌开关管和控制逻辑和驱动电路，所述防反灌开关管用于连接在电源适配器和同步整流充电主电路之间，所述控制逻辑和驱动电路用于控制同步整流充电主电路和防反灌开关管的开通和关断；其特征在于：所述电池充电电路还包括保护电路，所述保护电路用于检测充电电路的输入电压，并将该输入电压与预先设定的阈值电压比较，在输入电压小于阈值电压时输出第一信号至控制逻辑和驱动电路，控制逻辑和驱动电路响应第一信号，控制同步整流充电主电路和防反灌开关管的关断，并且所述保护电路还用于在输入电压大于阈值电压时输出第二信号至控制逻辑和驱动电路，控制逻辑和驱动电路响应第二信号，控制同步整流充电主电路和防反灌开关管的开通。
2.如权利要求1所述的电池充电电路，其特征在于：所述阈值电压为充电电池的最高充电电压加上充电电路掉电或电压凹陷的裕量。
3.如权利要求1或2所述的电池充电电路，其特征在于：所述保护电路包括输入电压检测单元、开关单元和分压单元，所述输入电压检测单元用于检测充电电路的输入电压，并为开关单元提供控制开关单元开通和关断的电压，所述开关单元的输出端与控制逻辑和驱动电路的使能端、分压单元的分压点连接，所述分压单元连接在充电电路的输入端和地之间。
4.如权利要求3所述的电池充电电路，其特征在于：所述输入电压检测单元包括顺次串联在充电电路的输入端和地之间的、反接的稳压管和第一电阻，所述开关单元为晶体管，所述稳压管的阳极耦合到晶体管的控制极。
5.如权利要求4所述的电池充电电路，其特征在于：所述稳压管和晶体管的稳压电压值之和小于或等于阈值电压。
6.如权利要求1或2所述的电池充电电路，其特征在于：所述保护电路包括输入电压检测单元和微处理器，所述输入电压检测单元用于实时检测充电电路的输入电压，并将输入电压输入到微处理器，所述微处理器用于将输入电压和阈值电压进行比较，根据比较结果输出相应的高电平或低电平至控制逻辑和驱动电路。
7.用于同步整流型电池充电电路的保护电路，其特征在于：所述保护电路用于检测同步整流型电池充电电路的输入电压，并将该输入电压与预先设定的阈值电压比较，用于在输入电压小于阈值电压时输出第一信号至充电电路的控制逻辑和驱动电路，控制同步整流充电主电路和防反灌开关管关断，并且所述保护电路还用于在输入电压大于阈值电压时输出第二信号至充电电路的控制逻辑和驱动电路，控制同步整流充电主电路和防反灌开关管开通。
8.如权利要求7所述的用于电池充电电路的保护电路，其特征在于：所述阈值电压为充电电池的最高充电电压加上充电电路掉电或电压凹陷的裕量。
9.如权利要求7或8所述的用于电池充电电路的保护电路，其特征在于：所述保护电路包括输入电压检测单元、开关单元和分压单元，所述输入电压检测单元用于检测充电电路输入电压，并为开关单元提供控制开关单元开通和关断的电压，所述开关单元的输出端与充电电路的使能端、分压单元的分压点连接，所述分压单元连接在充电电路的输入端和地之间。
10.如权利要求9所述的用于电池充电电路的保护电路，其特征在于：所述输入电压检测单元包括顺次串联在充电电路的输入端和地之间的、反接的稳压管和第一电阻，所述开关单元为晶体管，所述稳压管的阳极耦合到晶体管的控制极。
11.如权利要求10所述的用于电池充电电路的保护电路，其特征在于：所述稳压管和晶体管的导通电压之和小于或等于阈值电压。
12.如权利要求7或8所述的用于电池充电电路的保护电路，其特征在于：所述保护电路包括输入电压检测单元和微处理器，所述输入电压检测单元用于实时检测充电电路的输入电压，并将输入电压输入到微处理器，所述微处理器用于将输入电压和阈值电压进行比较，根据比较结果输出相应的高电平或低电平至控制逻辑和驱动电路。
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