CN103457320B - 一种锂离子电池开关充电电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电子电路技术。本发明所述的充电电路，包括开关网络、电感L、充电电流采样电路、充电电流设置电路、充电电流采样信号放大电路、电池电压采样电路、电池电压采样信号放大电路、转换电阻、第一缓冲器、第二缓冲器、补偿网络、PWM比较器和逻辑控制电路；其中，开关网络的输入端接电源、输出端连接电感L的一端，电感L的另一端接充电电流采样电路的输入端；充电电流采样电路的输出端连接电池电压采样电路的输入端，电池电压采样电路的输出端连接锂离子电池的正极。本发明的有益效果为，具有较高的效率和可靠性，不需要复杂的控制结构或者BCD工艺就实现了恒流充电模式向恒压充电模式的平滑切换。本发明尤其适用于锂离子电池开关充电电路。

Description

一种锂离子电池开关充电电路
技术领域
本发明涉及电子电路技术，具体的说是涉及一种基于恒流/恒压方式的锂离子电池开关充电电路。
背景技术
如今，各类便携式产品得到了极大的普及，如笔记本电脑、移动电话、摄像机、个人数字助理设备等。同时，这些便携式产品也对电池提出了许多独特的要求：能量密度高、能够为便携式应用提供充足的能量、重量轻、体积小、足够安全并能够应对可能的不正确使用、循环使用寿命长、闲置状态自放电小、成本低等。锂离子电池以其体积小、能量密度高、无记忆性、循环寿命高、高电池电压和自放电率低等优点，近年来已经成为手持终端设备的首选电池。
目前锂离子电池的充电方法主要有四种：恒流充电、恒压充电、恒流/恒压充电和脉冲充电。恒流/恒压充电方式以其时间短，充电效率高的特点，被大多数锂离子充电电路采用。恒流/恒压充电方式首先从恒流开始，若锂离子电池过放电，则先从涓流开始。在恒流充电过程中，为了防止过充，须要一直监视电池端电压。当电池端电压达到浮充电压时，电路切换为恒压充电模式，直到充电电流下降到设定值或者电压超过设定值时，充电过程结束，电池电量充满。目前采用恒流/恒压充电方式的充电电路主要有线性充电电路和开关充电电路。线性充电电路结构较为简单，成本低，但是其最大缺点是功耗较大。开关充电电路由于其本身高效率的特点，电路在很宽的交流适配器输入电压范围和整个电池端电压范围内都保持较小的功耗。因此，高效率的特点必将使开关充电电路成为锂离子电池充电电路的发展趋势。
目前，基于恒流/恒压方式的锂离子开关充电电路多采用BCD工艺，通过充电电流采样信号放大电路和电池电压采样信号放大电路输出端连接的二极管或者双极型晶体管来实现恒流充电模式向恒压充电模式的切换。本发明通过标准CMOS工艺，实现恒流/恒压方式充电的锂离子电池开关充电电路。同时，相较于其它采用标准CMOS工艺的锂离子开关充电电路，本发明结构较为简单。通过采用本发明所示的充电电流采样信号放大电路和电池电压采样信号放大电路，以及电池电压采样信号放大电路外一个接成二极管形式的MOS管实现恒流充电模式向恒压充电模式的切换。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，就是结合开关充电电路高效率的特点，提供一种基于恒流/恒压充电方式，在标准CMOS工艺下实现的锂离子电池开关充电电路。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种锂离子电池开关充电电路，包括开关网络、电感L、充电电流采样电路、充电电流设置电路、充电电流采样信号放大电路、电池电压采样电路、电池电压采样信号放大电路、转换电阻、第一缓冲器、第二缓冲器、补偿网络、PWM比较器和逻辑控制电路；其中，开关网络的输入端接电源、输出端连接电感L的一端，电感L的另一端接充电电流采样电路的输入端；充电电流采样电路的输出端连接电池电压采样电路的输入端，电池电压采样电路的输出端连接锂离子电池的正极；
充电电流采样电路包括采样电阻Rsns，并对采样电阻Rsns两端的电压进行采样，输出高电位采样端和低电位采样端，所述高电位采样端与充电电流设置电路的输入端连接，低电位采样端与充电电流采样信号放大电路的负输入端连接，充电电流设置电路的输出端与充电电流采样信号放大电路的正输入端连接；
充电电流采样信号放大电路由跨导运算放大器构成，输出的两路支路电流大小呈比例，第一输出支路的电流大小为高电位采样端和低电位采样端电压的差值与Gmi的积，第二输出支路的电流大小为高电位采样端和低电位采样端电压差值的K倍增益与Gmi的积，所述Gmi为充电电流采样信号放大电路的增益，K为常数；
电池电压采样电路包括第一电阻R1和第二电阻R2，第一电阻R1的一端与充电电流采样电路和锂离子电池的正极连接、另一端与第二电阻R2的一端连接，第二电阻R2的另一端接地，电池电压采样电路对第二电阻R2一端的高电位信号采样，输出电压采样信号；
电池电压采样信号放大电路由跨导运算放大器构成，第一输入端与充电电流采样信号放大电路的第二输出支路连接、第二输入端与基准电压连接、第三输入端与电压采样信号连接；
电池电压采样信号放大电路的输出端通过开关管与充电电流采样信号放大电路的第一输出支路相连后连接到转换电阻的一端和第一缓冲器的正输入端，第一缓冲器的负输入端和输出端连接后与补偿网络的负输入端连接，转换电阻的另一端和第二缓冲器的负输入端、第二缓冲器的输出端和补偿网络的正输入端连接，第二缓冲器的正输入端连接基准电压；
补偿网络的输出端与PWM比较器的正输入端连接，PWM比较器的负输入端接锯齿波，输出端连接逻辑控制电路的输入端，逻辑控制电路的输出端与开关网络连接。
具体的，所述开关网络包括PMOS管和NMOS管，NMOS管的源极接电源、漏极与PMOS管的漏极连接后与电感L的一端连接，PMOS管的栅极和NMOS管的栅极分别接逻辑控制电路输出的两路控制信号，PMOS管的源极接地。
具体的，所述充电电流设置电路包括第三电阻R3、第四电阻R4和电流源；所述第三电阻R3的高电位端与采样电阻Rsns的高电位端连接、低电位与第四电阻R4的一端连接并作为充电电流设置电路的输出端，第四电阻R4的另一端连接电流源的正极，电流源的负极接地；所述第三电阻R3为可调电阻，可以通过芯片内部trimming电阻或者外部可调电阻实现。
本发明的有益效果为，具有较高的效率和可靠性，不需要复杂的控制结构或者BCD工艺就实现了恒流充电模式向恒压充电模式的平滑切换。
附图说明
图1是本发明的***原理示意图；
图2是充电电流设置电路的结构示意图；
图3是充电电流采样信号放大电路的信号原理示意图；
图4是电池电压采样信号放大电路的信号原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：
如图1所示，本发明包括开关网络、电感L、充电电流采样电路、充电电流设置电路、充电电流采样信号放大电路、电池电压采样电路、电池电压采样信号放大电路G、I-V转换电阻、第一缓冲器1、第二缓冲器2、补偿网络、PWM比较器、逻辑控制电路。输入电压经过开关网络和电L感后，进入到采样电阻Rsns，采样电阻的高电位端接到充电电流设置电路，采样电阻的低电位端接到充电电流采样信号放大电路的负输入端，充电电流设置电路的输出端接到充电电流采样信号放大电路的正输入端。电池电压采样电阻获得的输出电压进入到电池电压采样信号放大电路的正输入端，电池电压采样信号放大电路的负输入端接入参考电压Vref。充电电流采样信号放大电路的一个输出端接到第一缓冲器1的正输入端，另一个输出端接到电池电压采样信号放大电路的输入端Iin端。电池电压采样信号放大电路的输出接到一个N型MOS管的源端，该N型MOS管的源端和栅端接在一起，漏端接到第一缓冲器1的正输入端。I-V转换电阻的一端接到第一缓冲器1的正输入端，另一端与第二缓冲器2的负输入端和输出端，以及补偿网络的正输入端接到同一节点。第一缓冲器1的负输入端、输出端以及补偿网络的负输入端接到同一节点。第二缓冲器2的正输入端接入参考电压Vref。补偿网络的输出接到PWM比较器的正输入端，PWM比较器的负输入端接入锯齿波，其输出端接到逻辑控制部分。逻辑控制部分的输出分别为控制NMOS功率管M1的driver1和控制续流管M2的driver2的输入端。
图1所示电路中，在电池电压采样电路获得的采样电压Vfb没有达到Vref之前，即电池电压没有达到浮充电压时，电池电压采样信号放大电路的输出端电压较低，没有使连接成二极管形式的N型MOS管M3导通。此时，由开关网络、电感、充电电流采样电路、充电电流设置电路、充电电流采样信号放大电路、I-V转换电阻、缓冲器、补偿网络、PWM比较器组成恒流充电环路，对锂离子电池进行恒流充电。
如图2所示，本发明提供的充电电流设置电路由可调电阻R3、第四电阻R4和电流源Icurrentset组成。采样电阻RSNS的高电位端CHSENSE的电压为VCHSENSE，可调电阻R3上的压降为Icurrentset×R3，因此，充电电流设置电路的输出电压的表达式为：
Vcurrentset＝VCHSENSE-Icurrentset×R3。
如图3所示，本发明提供的充电电流采样信号放大电路，由跨导运算放大器构成。将正输入端的电压和负输入端的电压的差值，即充电电流设置电路的输出端的电压Vcurrentset和锂离子电池正端的电压VBATSENSE的差值，转换成电流Gmi(Vcurrentset-VBATSENSE)和k×Gmi(Vcurrentset-VBATSENSE)，K是常数，Gmi为充电电流采样信号放大电路的增益。电流Gmi(Vcurrentset-VBATSENSE)，即电流Ii，流入I-V转换电阻，从而改变缓冲器1的正输入端的电压，其输出端电压也随着改变，即误差网络的负输入端的电压也改变了。因此，通过环路的控制，实现对锂离子电池的恒流充电。同时，环路通过反馈将充电电流采样信号放大电路的正输入端电压和负输入端的电压箝位，即Vcurrentset＝VBATSENSE。根据：
VBATSENSE＝VCHSENSE-Io×RSNS；
可知，
I o = I currentset × R 3 R SNS .
如图4所示，本发明提供的电池电压采样信号放大电路，由跨导运算放大器构成。正端接入参考电压Vref，负端接入电池电压采样电路的采样信号VFB，通过正输入端的电压Vref和负输入端的电压VFB产生电流Gmv(VFB-Vref)，Gmv为电池电压采样信号放大电路的增益。输入端Iin端接入充电电流采样信号放大电路提供的大小为k*Gmi(Vcurrentset-VBATSENSE)的电流，该电流被放大1/k倍后，与电流Gmv(VFB-Vref)相减，给输出端提供的电流为Gmv(VFB-Vref)-Gmi(Vcurrentset-VBATSENSE)，输出端接到N型场效应晶体管M3的源端。当VFB大于Vref时，电池电压采样信号放大电路的输出端的电压增大到使得M3导通，充电过程进入到恒压充电阶段。此时，M3漏端的电流，即通过M3流入到I-V转换电阻的电流Iv的表达式为
Iv＝Gmv(VFB-Vref)-Gmi(Vcurrentset-VBATSENSE)；
由图1所示，可知，恒压充电阶段流入到I-V转换电阻的电流为Iv+Ii,即：Iv+Ii＝Gmv(VFB-Vref)。
从上式可知，恒压充电阶段，流入到I-V转换电阻的电流大小完全由电池电压采样电路获得的采样电压VFB和参考电压Vref的差值决定。此时，由开关网络、电感、电池电压采样电路、电池电压采样信号放大电路、I-V转换电阻、缓冲器、补偿网络、PWM比较器组成恒压充电环路，对锂离子电池进行恒压充电。从而实现了恒流充电向恒压充电的平滑切换。

Claims (3)

1.一种锂离子电池开关充电电路，包括开关网络、电感L、充电电流采样电路、充电电流设置电路、充电电流采样信号放大电路、电池电压采样电路、电池电压采样信号放大电路、转换电阻、第一缓冲器、第二缓冲器、补偿网络、PWM比较器和逻辑控制电路；其中，开关网络的输入端接电源、输出端连接电感L的一端，电感L的另一端接充电电流采样电路的输入端；充电电流采样电路的输出端连接电池电压采样电路的输入端，电池电压采样电路的输出端连接锂离子电池的正极；
充电电流采样电路包括采样电阻Rsns，并对采样电阻Rsns两端的电压进行采样，输出高电位采样端和低电位采样端，所述高电位采样端与充电电流设置电路的输入端连接，低电位采样端与充电电流采样信号放大电路的负输入端连接，充电电流设置电路的输出端与充电电流采样信号放大电路的正输入端连接；
充电电流采样信号放大电路由跨导运算放大器构成，输出的两路支路电流大小呈比例，第一输出支路的电流大小为高电位采样端和低电位采样端电压的差值与Gmi的积，第二输出支路的电流大小为高电位采样端和低电位采样端电压差值的K倍增益与Gmi的积，所述Gmi为充电电流采样信号放大电路的增益，K为常数；
电池电压采样电路包括第一电阻R1和第二电阻R2，第一电阻R1的一端与充电电流采样电路和锂离子电池的正极连接、另一端与第二电阻R2的一端连接，第二电阻R2的另一端接地，电池电压采样电路对第二电阻R2一端的高电位信号采样，输出电压采样信号；
电池电压采样信号放大电路由跨导运算放大器构成，第一输入端与充电电流采样信号放大电路的第二输出支路连接、第二输入端与基准电压连接、第三输入端与电压采样信号连接；
电池电压采样信号放大电路的输出端通过开关管与充电电流采样信号放大电路的第一输出支路相连后连接到转换电阻的一端和第一缓冲器的正输入端，第一缓冲器的负输入端和输出端连接后与补偿网络的负输入端连接，转换电阻的另一端和第二缓冲器的负输入端、第二缓冲器的输出端和补偿网络的正输入端连接，第二缓冲器的正输入端连接基准电压；
补偿网络的输出端与PWM比较器的正输入端连接，PWM比较器的负输入端接锯齿波，输出端连接逻辑控制电路的输入端，逻辑控制电路的输出端与开关网络连接。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池开关充电电路，其特征在于，所述开关网络包括PMOS管和NMOS管，NMOS管的源极接电源、漏极与PMOS管的漏极连接后与电感L的一端连接，PMOS管的栅极和NMOS管的栅极分别接逻辑控制电路输出的两路控制信号，PMOS管的源极接地。
3.根据权利要求2所述的一种锂离子电池开关充电电路，其特征在于，所述充电电流设置电路包括第三电阻R3、第四电阻R4和电流源；所述第三电阻R3的高电位端与采样电阻Rsns的高电位端连接、低电位与第四电阻R4的一端连接并作为充电电流设置电路的输出端，第四电阻R4的另一端连接电流源的正极，电流源的负极接地；所述第三电阻R3为可调电阻。
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