CN102629825A - 用单电感实现同步降压充电与升压供电的电路架构 - Google Patents

Abstract

用单电感实现同步降压充电与升压供电的电路架构，涉及一种备用电源。设有3个与外部连接的端口，4个MOS场效应晶体管M₁、M₂、M₃、M₄，1个电感L，3个电容C₁、C₂、C_out，1个电流采样电阻R_s和7个节点1、2、3、4、5、6、7；3个与外部连接的端口为输入端口V_in、输出端口V_out和BAT端口，输入端口V_in与外部适配器或USB的输出相连，所述输出端口V_out与外部用电设备的电源输入相连，所述BAT端口外接可充电电池的正极。所述M1可由二极管替代。克服了线性充电效率低、无法实现快速充电以及“后备电源”的***板制造费用昂贵且无法实现小型化的弊端。

Description

用单电感实现同步降压充电与升压供电的电路架构

技术领域

本发明涉及一种备用电源，尤其是涉及一种用单电感实现同步降压充电与升压供电的电路架构。

背景技术

在便携式产品中如手机、掌上电脑、移动多媒体设备、手持医疗设备、手持测试仪器、煤矿中的LED矿灯等都不可或缺的使用可充电的锂离子电池或磷酸铁锂电池给移动设备供电。

尽管这些便携式设备大都采用单位体积、单位重量能量密度更高的锂离子电池或磷酸铁锂电池给移动设备供电。但随着这些移动产品功能的增加功耗会相应增加，另外，为满足消费者对某些便携产品的美观和小型化要求，有些便携式产品又不能采用体积、容量更大的电池供电(典型产品如苹果的iPad和iPhone等)，这势必大大缩短电池的续航时间。

为应对这种挑战，大多数使用苹果iPad和iPhone产品的消费者都会给自己的设备另外配备一种集电池、电池充电、电池供电的小型化的“后备电源”设备，以便在便携式产品中的电池电量将要消耗殆尽时，使用“后备电源”给便携式产品供电。

现有的“后备电源”***通常有如下两种电路架构：

①由线性充电IC、升压IC、输出短路检测的高精度运算放大器OP1、检测和显示电池电量及控制各电路单元协同工作的MCU组成。见图6所示。

但明显存在以下弊端：

由于采用线性充电方式，充电效率低，无法实现快速充电。

由于***至少需要5个独立的IC，“后备电源”的***板制造费用昂贵且无法实现小型化。

②由开关降压充电IC、升压电源管理IC、输出短路检测的高精度运算放大器、检测和显示电池电量及控制各电路单元协同工作的MCU组成。见图7所示。

尽管为了克服线性充电方式效率低的问题而采用了同步降压充电IC，但却需要两个电感，仍无法克服上述“后备电源”的***板制造费用昂贵且无法实现小型化”的弊端。

有关降压式开关电源(BUCK拓扑)和升压式开关电源(BOOST拓扑)的基本理论可参见[美]Sanjaya Maniktala著编的Switching Power Supplies Ato Z一书。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有的后备电源***中存在着充电效率低或***板制造费用昂贵且无法实现小型化的弊端，提供一种用单电感实现同步降压充电与升压供电的电路架构。

本发明的第1技术方案为：

本发明设有3个与外部连接的端口，4个MOS场效应晶体管M₁、M₂、M₃、M₄，1个电感L，3个电容C₁、C₂、C_out，1个电流采样电阻R_s和7个节点1、2、3、4、5、6、7；

所述3个与外部连接的端口为输入端口V_in、输出端口V_out和BAT端口，所述输入端口V_in与外部适配器或USB的输出相连，所述输出端口V_out与外部用电设备的电源输入相连，所述BAT端口外接可充电电池的正极；

所述MOS场效应晶体管M1的漏极接节点5，MOS场效应晶体管M₁的源极接节点1，MOS场效应晶体管M₁的栅极接节点G₁，所述节点G₁外接控制电路；

所述MOS场效应晶体管M₂的漏极接节点7，MOS场效应晶体管M₂的源极接节点1，MOS场效应晶体管M₂的栅极接节点G₂，所述节点G₂外接控制电路；

所述MOS场效应晶体管M₃的漏极接节点2，MOS场效应晶体管M₃的源极接节点1，MOS场效应晶体管M₃的栅极外接控制电路；

所述MOS场效应晶体管M₄的漏极接节点2，MOS场效应晶体管M₄的源极接节点4，MOS场效应晶体管M₄的栅极外接控制电路；

在节点1和节点G₁之间设有电阻R₁，在节点1和节点G₂之间设有电阻R₂；

所述电流采样电阻R_s的两端分别与节点3和节点6相连；

所述电容C₁的正极接节点1，电容C₁的负极接节点4；

所述电容C₂的正极接节点3，电容C₂的负极接节点4；

所述电容C_out的正端接节点7，电容C_out的负端接节点4；

所述电感L的两端分别接节点2和节点3。

本发明的第2技术方案为：

本发明设有3个与外部连接的端口，二极管D0，3个MOS场效应晶体管M₂、M₃、M₄，1个电感L，3个电容C₁、C₂、C_out，1个电流采样电阻R_s和7个节点1、2、3、4、5、6、7；

所述3个与外部连接的端口为输入端口V_in、输出端口V_out和BAT端口，所述输入端口V_in与外部适配器或USB的输出相连，所述输出端口V_out与外部用电设备的电源输入相连，所述BAT端口外接可充电电池的正极；

所述二极管D0的正极接输入端口Vin，二极管D0的负极接节点1；

所述MOS场效应晶体管M₂的漏极接节点7，MOS场效应晶体管M₂的源极接节点1，MOS场效应晶体管M₂的栅极接节点G₂，所述节点G₂外接控制电路；

所述MOS场效应晶体管M₃的漏极接节点2，MOS场效应晶体管M₃的源极接节点1，MOS场效应晶体管M₃的栅极外接控制电路；

所述MOS场效应晶体管M₄的漏极接节点2，MOS场效应晶体管M₄的源极接节点4，MOS场效应晶体管M₄的栅极外接控制电路；

在节点1和节点G₂之间设有电阻R₂；

所述电流采样电阻R_s的两端分别与节点3和节点6相连；

所述电容C₁的正极接节点1，电容C₁的负极接节点4；

所述电容C₂的正极接节点3，电容C₂的负极接节点4；

所述电容Cout的正端接节点7，电容Cout的负端接节点4；

所述电感L的两端分别接节点2和节点3。

本发明克服了线性充电效率低、无法实现快速充电以及“后备电源”的***板制造费用昂贵且无法实现小型化的弊端。

其中MOS场效应晶体管M1在电路架构中拥有两个作用：

①当外部的控制IC检测到***有输入电压时，控制IC会自动将M1打开，将节点5和节点1之间连通(见图2所示)，使***处于等待充电状态或正在充电状态。

②当外部的控制IC检测到***无输入电压时，控制IC会自动将M1关闭，将节点5和节点1之间断开(见图4所示)，以使***处在等待升压状态或正在升压状态，防止电池中的电流反灌到输入端。

③由于二极管具有自动正向导通反向截至的功能，因此采用二极管代替MOS场效应晶体管M1和电阻R1也可完成上述①、②所述功能(见图5所示)。采用这种方法，其好处是外部的控制IC至少可减少一个控制M1关断与导通的引脚，但带来的弊端是在充电过程中二极管D1会消耗过多的功耗，降低充电效率。

MOS场效应晶体管M2的作用：

①在无输入电压的情况下，当外部的控制IC检测到***有输出负载时，控制IC会自动将M2打开，将节点1和节点7之间连通(见图4所示)，使***处于等待同步升压状态或处于正在同步升压状态，电池给输出负载供电。

②在无输入电压的情况下，当外部的控制IC检测到***无输出负载时，控制IC会自动将M2关断，将节点1和节点7之间断开(见图2所示)，并同时关断MOS管M3、M4。以减小***对电池能量的消耗。

MOS场效应晶体管M3、M4的作用：

①在无输入电压的情况下，电池BAT、MOS管M3、M4、储能电感L、采样电阻Rs、滤波电容C2和Cout组成了同步升压架构。以特定开关频率工作的外部控制IC驱动着MOS管M3、M4交替导通与关断，在电路中起同步开关作用。

储能电感L，滤波电容C2、Cout，电流采样电阻Rs的作用：

①在同步降压充电模式下，储能电感L、滤波电容C2可组成无源LC滤波器。

②在同步升压供电模式下，储能电感L、滤波电容Cout可组成无源LC滤波器。

③无论是在同步降压充电模式还是在同步升压供电模式，外部的控制IC都是通过检测流经采样电阻Rs上的电流来控制流经储能电感中的电流。

本发明可广泛应用到便携式产品如智能手机、掌上电脑、移动多媒体设备、手持医疗设备、手持测试仪器等后备电源(或称移动电源)设备中。

附图说明

图1是本发明实施例的电路组成示意图。

图2是本发明实施例可实现同步降压充电功能等效电路图。

图3是本发明实施例可同时实现同步降压充电和给Vout输出负载供电等效电路图。

图4是本发明实施例可实现同步升压由电池BAT给输出负载Vout供电等效电路图。

图5是用二极管D0代替M1和R1实现的同步降压充电、同步升压架构电路图。

图6是现有的后备电源线性充电方案简化电路图。

图7是现有的后备电源开关充电方案简化电路图。

图8是本发明实施例使用厦门理挚半导体科技有限公司设计的专用控制IC在后备电源***中的典型应用电路图。

具体实施方式

参见图1，本发明实施例设有3个与外部连接的端口，4个MOS场效应晶体管M1、M2、M3、M4，1个电感L，3个电容C1、C2、Cout，1个电流采样电阻Rs和7个节点1、2、3、4、5、6、7。

所述3个与外部连接的端口为输入端口Vin(即节点5)、输出端口Vout(即节点7)和BAT端口(即节点6)，所述输入端口Vin与外部适配器或USB的输出相连，所述输出端口Vout与外部用电设备的电源输入相连，所述BAT端口外接可充电电池的正极。

所述MOS场效应晶体管M1的漏极接节点5，MOS场效应晶体管M1的源极接节点1，MOS场效应晶体管M1的栅极接节点G1，所述节点G1外接控制电路。

所述MOS场效应晶体管M2的漏极接节点7，MOS场效应晶体管M2的源极接节点1，MOS场效应晶体管M2的栅极接节点G2，所述节点G2外接控制电路。

所述MOS场效应晶体管M3的漏极接节点2，MOS场效应晶体管M3的源极接节点1，MOS场效应晶体管M3的栅极外接控制电路。

所述MOS场效应晶体管M4的漏极接节点2，MOS场效应晶体管M4的源极接节点4，MOS场效应晶体管M4的栅极外接控制电路。

在节点1和节点G1之间设有电阻R1，在节点1和节点G2之间设有电阻R2。

所述电流采样电阻Rs的两端分别与节点3和节点6相连。

所述电容C1的正极接节点1，电容C1的负极接节点4。

所述电容C2的正极接节点3，电容C2的负极接节点4。

所述电容Cout的正端接节点7，电容Cout的负端接节点4。

所述电感L的两端分别接节点2和节点3。

在图1中，节点4接地。

所述MOS场效应晶体管M1和M2在电路中可当作开关使用。当输入端口Vin施加直流电压且M1导通M2断开时，MOS场效应晶体管M3、M4，电感L，电容C2，电流采样电阻Rs和外部的控制IC可构成同步降压电路高效率的由Vin给电池BAT充电。实现同步降压充电功能等效电路图参见图2。在图2中，箭头指能量传输方向，包围线中的器件组成同步降压电路架构。

当输入端口Vin施加直流电压且MOS场效应晶体管M1、M2同时导通时，构成的同步降压电路架构可由Vin给电池BAT充电以及通过导通的MOS场效应晶体管M2直接给输出负载Vout供电。可同时实现同步降压充电和给Vout输出负载供电等效电路图如图3所示，在图3中，箭头指能量传输方向，包围线中的器件组成同步降压电路架构。

当输入端口Vin无直流电压且MOS场效应晶体管M1断开、MOS场效应晶体管M2导通时，由起输入作用的电池BAT，电流采样电阻Rs，电感L，MOS场效应晶体管M3、M4，输出电容Cout及外部的控制IC可构成同步升压电路高效率的给输出负载Vout供电。当输入端口Vin无电压时，组成的同步升压电路由电池BAT给输出负载Vout供电等效电路图如图4所示，在图4中，箭头指能量传输方向，包围线中的器件组成同步升压电路架构。

在图1中的MOS场效应晶体管M1可由正向导通，反向截止的二极管D1代替，用二极管D0代替M1实现的同步降压充电、同步升压供电电路图如图5所示。

尽管用二极管D1代替MOS晶体管M1可实现上述功能，但由于二极管的正向压降通常比导通的MOS场效应晶体管的VDS值高许多，因此在给电池BAT充电时，会降低***效率。在典型的2A输入电流下，图5中的D1即便使用价格昂贵的肖特基二极管，其正向压降最小值一般也会大于300mV，而处在线性区导通的MOS场效应晶体管的源漏电压VDS最小值可小于20mV。

所述的外部控制IC可采用厦门理挚半导体科技有限公司针对移动电源***应用设计的一款控制IC，型号为RS8175，集成电路布图专利保护型号为M5175。

该控制IC具有如下特征：

■输入电压Vin＝5～10V。

■内置高精度轨至轨电流采样放大器。

■内置输入过压保护和输出负载限流功能。

■电池浮充精度±1％。

■升压输出精度±1％。

■降压充电效率高达95％与升压供电效率高达90％。

■***睡眠时静态电流小于30μA。

■内置动态路径管理功能。

■电池内阻跟踪补偿和电量指示功能。

■电池温度检测和电池复充功能。

■输出空载和电池空载检测功能。

■输入电源掉电检测与自动升压功能。

■降压与升压软启动功能。

Claims (2)

1.用单电感实现同步降压充电与升压供电的电路架构，其特征在于设有3个与外部连接的端口，4个MOS场效应晶体管M₁、M₂、M₃、M₄，1个电感L，3个电容C₁、C₂、C_out，1个电流采样电阻R_s和7个节点1、2、3、4、5、6、7；

所述3个与外部连接的端口为输入端口V_in、输出端口V_out和BAT端口，所述输入端口V_in与外部适配器或USB的输出相连，所述输出端口V_out与外部用电设备的电源输入相连，所述BAT端口外接可充电电池的正极；

所述MOS场效应晶体管M₁的漏极接节点5，MOS场效应晶体管M₁的源极接节点1，MOS场效应晶体管M₁的栅极接节点G₁，所述节点G₁外接控制电路；

所述MOS场效应晶体管M₂的漏极接节点7，MOS场效应晶体管M₂的源极接节点1，MOS场效应晶体管M₂的栅极接节点G₂，所述节点G₂外接控制电路；

所述MOS场效应晶体管M₃的漏极接节点2，MOS场效应晶体管M₃的源极接节点1，MOS场效应晶体管M₃的栅极外接控制电路；

所述MOS场效应晶体管M₄的漏极接节点2，MOS场效应晶体管M₄的源极接节点4，MOS场效应晶体管M₄的栅极外接控制电路；

在节点1和节点G₁之间设有电阻R₁，在节点1和节点G₂之间设有电阻R₂；

所述电流采样电阻R_s的两端分别与节点3和节点6相连；

所述电容C₁的正极接节点1，电容C₁的负极接节点4；

所述电容C₂的正极接节点3，电容C₂的负极接节点4；

所述电容C_out的正端接节点7，电容C_out的负端接节点4；

所述电感L的两端分别接节点2和节点3。

2.用单电感实现同步降压充电与升压供电的电路架构，其特征在于设有3个与外部连接的端口，1个二极管D0，3个MOS场效应晶体管M₂、M₃、M₄，1个电感L，3个电容C₁、C₂、C_out，1个电流采样电阻R_s和7个节点1、2、3、4、5、6、7；

所述3个与外部连接的端口为输入端口V_in、输出端口V_out和BAT端口，所述输入端口V_in与外部适配器或USB的输出相连，所述输出端口V_out与外部用电设备的电源输入相连，所述BAT端口外接可充电电池的正极；

所述二极管D0的正极接输入端口V_in，二极管D0的负极接节点1；

所述MOS场效应晶体管M₂的漏极接节点7，MOS场效应晶体管M₂的源极接节点1，MOS场效应晶体管M₂的栅极接节点G₂，所述节点G₂外接控制电路；

所述MOS场效应晶体管M₃的漏极接节点2，MOS场效应晶体管M₃的源极接节点1，MOS场效应晶体管M₃的栅极外接控制电路；

所述MOS场效应晶体管M₄的漏极接节点2，MOS场效应晶体管M₄的源极接节点4，MOS场效应晶体管M₄的栅极外接控制电路；

在节点1和节点G₂之间设有电阻R₂；

所述电流采样电阻R_s的两端分别与节点3和节点6相连；

所述电容C₁的正极接节点1，电容C₁的负极接节点4；

所述电容C₂的正极接节点3，电容C₂的负极接节点4；

所述电容C_out的正端接节点7，电容C_out的负端接节点4；

所述电感L的两端分别接节点2和节点3。

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