CN102412611A - 应用于线性充电器的恒流充电电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于线性充电器的恒流充电电路，主要解决现有技术在充电时采用热关断而导致的充电时间过长的问题。该电路包括恒流调制电路、温度采样电路、第二运算放大器OP2和PMOS管M₂；PMOS管M₂的源极接电源电压，栅极接恒流调制电路的输出，PMOS管M₂的漏极为充电器输出；恒流调制电路设有两个输入端，第一输入端A接基准电压V_A，以在正常温度下进行恒流充电时产生恒定的输出电流I_O；第二输入端B通过第二运算放大器OP2连接有温度采样电路，以构成温度反馈控制环路。本发明能够在芯片温度偏高时，降低输出电流，使芯片温度稳定在调制温度T₁，可继续充电，避免了采用热关断所导致的充电时间过长的问题，可应用于线性充电器中。

Description

应用于线性充电器的恒流充电电路

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，涉及模拟集成电路，特别是一种应用于线性充电器的恒流充电电路。

背景技术

线性充电器主要是利用线性稳压电源技术给电池充电的***，充电方式一般为典型的恒流/恒压模式。充电时主要是通过恒定电流给电池快速补充电量，当电池接近充满时，切换为恒压模式，充电电流开始减小，直至充满。

图1给出了现有线性充电器的恒流充电电路，主要包括运算放大器OP、电阻R、PMOS管M₁和M₂。运算放大器OP的正向输入端连接到电阻R的一端，并同时连接到PMOS管M₁的漏极，电阻R1的另一端接地，运算放大器OP的反向输入端接基准电压V_A，运算放大器OP1的输出连接到PMOS管M₁和M₂的栅极，PMOS管M₁和M₂的源极的接电源电压，以使PMOS管M₁和M₂构成电流镜。线性充电器的优点在于结构简单，缺点在于能量效率低，在充电过程中，由于功率管消耗功率，会使功率管的结温升高，过高的结温将使半导体器件工作不可靠，甚至烧毁半导体器件。线性充电管理芯片的温度可由下面的公式计算出：

T_J＝T_A+(V_CC-V_BAT)×I_O×K_A                (1)

其中：T_J是芯片的温度；T_A是芯片的环境温度；V_CC是输入电压；V_BAT是电池电压；I_O是充电电流；K_A是芯片的热阻。

由上面的公式可以看出，当芯片的环境温度较高，或者输入电压与电池电压的电压差较大或者充电电流比较大时，芯片的温度会有明显的升高。在典型的单节锂电池应用中，一节充满电的锂电池电压为4.2V，通常认为没有时候的电压为3.3V，有些过放电的锂电池电压甚至会小于2V。当5V电源以1A的电流给一块完全没电的电池电压为2V的电池充电时，电源消耗的功率为5W，电池存储的功率为2W，即调整管得消耗3W的功率，这样就会使得芯片过热，严重的情况下会导致芯片烧毁。

传统的解决方法是采用热关断控制，即芯片温度超过设置的最高温度阈值时，停止充电。芯片经过一段时间的自然冷却后，才能重新开始充电，通常热关断温度为160℃。由于电池电压不会快速上升，因此过温恢复后，功率管消耗功率并未减少，因此，电路又会发生过温关断，进入一个关断和恢复的循环之中。由于冷却时间的存在，这将极大的延长电池充电的时间。另外，频繁的过温也会影响电路的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种应用于线性充电器的恒流充电电路，以解决现有技术充电时采用热关断所导致的充电时间过长的问题。

为实现上述目的，本发明的恒流充电电路包括恒流调制电路和PMOS管M₂，PMOS管M₂的源极接电源电压，栅极接恒流调制电路的输出，PMOS管M₂的漏极为充电器输出；其特征在于：恒流调制电路设有两个输入端，第一输入端A接基准电压V_A，用于在正常温度下进行恒流充电时产生恒定的输出电流I_O；第二输入端B连接有第二运算放大器OP2，该运算放大器OP2的正向输入端与温度采样电路连接，反向输入端接基准电压V₁，构成温度反馈控制环路，用于在芯片温度超过设定的调制温度T₁时，降低输出电流，使芯片温度稳定在调制温度T₁。

所述的调制温度T₁，小于热关断的温度阈值，T₁为120℃～125℃，热关断温度为160℃。

所述的温度采样电路，包括第一PNP管Q1、第二PNP管Q2、第一电流源I₂、第二电流源I₃和电阻R₂，第一PNP管Q1的集电极和基极均接地，发射极接第一电流源I₂，并连接到第二PNP管Q2的基极，第二PNP管Q2的集电极接地，发射极接电阻R₂的一端，电阻R₂的另一端接第二电流源I₃，并作为温度采样电路的输出，用于产生温度电压V_T。该温度电压V_T具有负温度系数，芯片内温度达到120℃时，温度电压V_T等于基准电压V₁。

所述的恒流调制电路，包括第一运算放大器OP1、PMOS管M₁及电阻R₁；第一运算放大器OP1的正向输入端连接到电阻R1的一端，并同时连接到PMOS管M₁的漏极，电阻R1的另一端接地，PMOS管M₁的源极接电源电压，第一运算放大器OP1有2个反向输入端，作为恒流调制电路的两个输入端A和B，分别连接基准电压V_A和第二运算放大器OP2的输出V_B，第一运算放大器OP1的输出连接到PMOS管M₁的栅极，并作为恒流调制电路的输出。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明由于在恒流调制电路的输入端通过第二运算放大器OP2连接温度采样电路，构成了温度反馈控制环路，使得当芯片内温度超过调制温度T₁时，可减小输出电流，将芯片内温度稳定在调制温度T₁，能继续充电，不仅避免了电路进入热关断和恢复的循环所导致的充电时间过长的问题，同时也不会因为频繁的过温而影响电路的可靠性。

附图说明

图1为现有的恒流充电电路；

图2是本发明的恒流充电电路。

具体实施方式

以下参照附图2对本发明具体实现作进一步详细描述。

本发明中的恒流充电电路主要由恒流调制电路、温度采样电路、第二运算放大器OP2和PMOS管M₂组成。温度采样电路的输出连接第二运算放大器OP2的正向输入端，第二运算放大器OP2的反向输入端接基准电压V₁，其输出连接到恒流源电路的第二输入端B，恒流调制电路的输出连接到PMOS管M2的栅极，PMOS管M2的漏极为充电电路的输出端。

所述恒流调制电路，控制恒流充电时的输出电流，它包括第一运算放大器OP1、PMOS管M₁及电阻R₁。其中第一运算放大器OP1的正向输入端连接到电阻R1的一端，并同时连接到PMOS管M₁的漏极，电阻R1的另一端接地，PMOS管M₁的源极接电源电压；第一运算放大器OP1采用复合运算放大器，设有两个反向输入端，作为恒流调制电路的两个输入端A和B，分别连接基准电压V_A和第二运算放大器OP2的输出V_B，第一运算放大器OP1的输出连接到PMOS管M₁的栅极，并作为恒流调制电路的输出。PMOS管M₂的栅极也接到第一运算放大器OP1的输出，PMOS管M₂的源极接电源电压并和PMOS管M₁组成了电流镜，PMOS管M₂的宽长比和PMOS管M₁的宽长比是K₁，以放大PMOS管M₁中的电流I₁。该恒流调制电路中的第一运算放大器OP1设有两个反向输入端A和B，当第一输入端A的电压V_A高于第二输入端B的电压V_B时，运算放大器OP1的输出由第二输入端B的电压V_B和正向输入端电压之间的差值决定；当第一输入端A的电压V_A低于第二输入端B的电压V_B时，运算放大器OP1的输出由第一输入端A的电压V_A和正向输入端电压之间的差值决定；因此，对于恒流调制电路，流经电阻R1的电流I₁为：

$I_1=\frac{\min (V_A,V_B)}{R_1}---\left(2\right)$

其中min(V_A，V_B)表示基准电压V_A和第二运算放大器OP2的输出V_B中电压值较小的一个。

PMOS管M₂的宽长比和PMOS管M₁的宽长比是K₁，故输出电流I_O为：

$I_O=K_1{I}_1=\frac{K_1\×\min (V_A,V_B)}{R_1}.---\left(3\right)$

所述温度采样电路，包括第一PNP管Q1、第二PNP管Q2、第一电流源I₂、第二电流源I₃和电阻R₂，第一PNP管Q1的集电极和基极均接地，发射极接第一电流源I₂，并连接到第二PNP管Q2的基极，第二PNP管Q2的集电极接地，发射极接电阻R₂的一端，电阻R₂的另一端接第二电流源I₃和第二运算放大器OP2的正向输入端，并作为温度采样电路的输出，产生温度电压V_T：

V_T＝V_EB1+V_EB2+I₃R₂            (4)

其中V_EB1是第一PNP管Q1的发射极-基极电压，V_EB2是第二PNP管Q2的发射极-基极电压，I₃是第二电流源的电流值，R₂代表电阻R₂的值。

由于第一PNP管Q1和第二PNP管Q2的发射极-基极电压，具有负温度系数，在常温下，它们的发射极-基极电压为750mV时，温度系数为-1.5mV/℃，同时它们的两个发射极-基极电压是叠加的，故温度电压V_T的温度系数为-3mV/℃。通过选择合适的电阻R₂和电源I₃的值，可保证当芯片温度达到调制温度120℃时，温度电压V_T的值等于基准电压V₁。

本发明通过在恒流调制环路中引入温度反馈控制，避免恒流充电过程中出现过温关断现象，其整个恒流充电电路的工作原理如下：

充电器输出接入电池后，开始充电，正常情况下芯片内的初始温度T_A低于调制温度T₁，温度采样电路的输出温度电压V_T高于基准电压V₁，第二输入端B的电压V_B高于恒流调制电路的第一输入端A的基准电压V_A。根据公式(3)，输出电流I_O由基准电压V_A决定，同时也为输出电流的最大值

温度采样电路和第一运算放大器OP1并不会影响恒流调制环路的正常工作。此时，PMOS管M₂上消耗的功率为：

$P=(V_{\mathrm{CC}}-V_{\mathrm{BAT}})\frac{K_1{V}_A}{R_1}---\left(5\right)$

其中V_CC为电源电压，V_BAT为电池电压。

假设芯片的热阻为K_A℃/W，即1W的功耗使芯片内温度上升K_A℃，则芯片充电时的温度T_J为：

$T_J=T_A+K_{A}P$

$=T_A+K_A\frac{K_1(V_{\mathrm{CC}}-V_{\mathrm{BAT}})V_A}{R_1}---\left(6\right)$

其中，T_A为充电开始时芯片内的初始温度。

如果此时电源电压V_CC和电池电压V_BAT的差值较大或初始温度T_A偏高，芯片内温度将会超过热调制温度T₁。此时温度电压V_T降至基准电压V₁之下，从而使第一运算放大器OP1的输出电压V_B下降。当电压V_B降至基准电压V_A之下时，温度反馈环路开始工作，进行热调制。根据公式(3)，输出电流I_O由基准电压V_B决定，为

由于此时电压V_B小于基准电压V_A，故此时输出电流相应I_O降低，PMOS管M₂上的功耗也随之降低，使芯片内温度开始下降。经过温度反馈环路的调节，最终芯片温度会稳定在调制温度T₁，T₁为120℃～125℃。

随着充电过程的持续，电池电压V_BAT缓慢上升，在相同的充电电流情况下，PMOS管M₂上的功耗会随之下降。但是在热调制的过程中，温度稳定在调制温度T₁，PMOS管M₂上的功耗不变，而电源电压V_CC和电池电压V_BAT的压差逐渐减小，因此输出电流I_O上升，直到达到最大值脱离热调制过程，进入正常的恒流充电过程中。

以上仅是本发明的一个最佳实例，不构成对本发明的任何限制，显然在本发明的构思下，可以对其电路进行不同的变更与改进，但这些均在本发明的保护之列。

Claims (5)

1.一种应用于线性充电器的恒流充电电路，包括恒流调制电路、和PMOS管M₂，PMOS管M₂的源极接电源电压，栅极接恒流调制电路的输出，PMOS管M₂的漏极为充电器输出；其特征在于：恒流调制电路设有两个输入端，第一输入端A接基准电压V_A，用于在正常温度下进行恒流充电时产生恒定的输出电流I_O；第二输入端B连接有第二运算放大器OP2，该运算放大器OP2的正向输入端连接有温度采样电路，反向输入端接基准电压V₁，以构成温度反馈控制环路，用于在芯片温度超过设定的调制温度T₁时，降低输出电流，使芯片温度稳定在调制温度T₁。

2.根据权利要求书1所述的恒流充电电路，其特征在于所述的调制温度T₁，小于热关断的温度阈值，T₁为120℃～125℃，热关断温度为160℃。

3.根据权利要求书1所述的恒流充电电路，其特征在于所述的温度采样电路，包括第一PNP管Q1、第二PNP管Q2、第一电流源I₂、第二电流源I₃和电阻R₂，第一PNP管Q1的集电极和基极均接地，发射极接第一电流源I₂，并连接到第二PNP管Q2的基极，第二PNP管Q2的集电极接地，发射极接电阻R₂的一端，电阻R₂的另一端接第二电流源I₃，并作为温度采样电路的输出，用于产生温度电压V_T。

4.根据权利要求书1所述的恒流充电电路，其特征在于所述的恒流调制电路，包括第一运算放大器OP1、PMOS管M₁及电阻R₁；第一运算放大器OP1的正向输入端连接到电阻R1的一端，并同时连接到PMOS管M₁的漏极，电阻R1的另一端接地，PMOS管M₁的源极接电源电压，第一运算放大器OP1有两个反向输入端，作为恒流调制电路的两个输入端A和B，分别连接基准电压V_A和第二运算放大器OP2的输出，第一运算放大器OP1的输出连接到PMOS管M₁的栅极，并作为恒流调制电路的输出。

5.根据权利要求书3所述的恒流充电电路，其特征在于所述的温度电压V_T，具有负温度系数，芯片内温度达到120℃时，温度电压V_T等于基准电压V₁。

Images