CN105186635A - 快速充电电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种快速充电电路，其包括：功率晶体管；镜像晶体管；恒流运算放大器；恒压运算放大器；第一电压比较器，其第一输入端与充电输出端相连，其第二输入端与第一电压反馈参考电压相连；第二电压比较器，其第二输入端与所述充电输出端，其第一输入端与第三电压反馈参考电压相连。在电池电压高于第一电压反馈参考电压时，交替的将第一电压反馈参考电压和第二电压反馈参考电压连接至恒压运算放大器的第一输入端，在电池电压低于第一电压反馈参考电压时，将第一电压反馈参考电压连接至恒压运算放大器的第一输入端，第一电压反馈参考电压高于第三电压反馈参考电压且小于第二电压反馈参考电压。这样可以加速恒压充电的过程。

Description

快速充电电路

【技术领域】

本发明涉及电池充电领域，特别涉及一种快速充电电路。

【背景技术】

目前大多数电池充电电路进行三段充电控制：预充电、恒流充电、恒压充电。其中，恒流充电通常都是以较大电流对锂电池进行充电，但较大电流会在锂电池的内阻产生很大的电压降，由此就易导致在恒流充电过程中测得锂电池的电压已达到充满电压，然而锂电池的实际电压却远未达到充满电压。针对这种情况，通过恒流充电使锂电池实际电压达到一定高度之后，再采用恒压充电就显得十分重要。

图1描述了传统的充电电路的实现方式。所述充电电路100包括运算放大器IA、MA、VA、二极管D1、D2、PMOS管MP1、MP2、MP3、比较器C3_Pre、反相器INV1、衬体切换电路、开关S1、S2、检测电阻Rprog和电池BAT1。具体的连接方式如图1，PMOS晶体管MP1和MP2形成电流镜，PMOS晶体管MP1采样PMOS晶体管MP2的电流。运算放大器IA实现预充电时的充电电流控制和恒流充电时的充电电流控制，运算放大器VA实现恒压控制，运算放大器MA实现控制MP2以一定比例(例如1000:1)复制MP1的电流，即MP1上的电流为MP2上电流的1/1000。比较器C3_pre用于判断是否电池电压VBAT是否低于预充电参考电压VPRE。运算放大器IA的负相输入端通过开关S2和S1分别与第一电流反馈参考电压(比如0.1V)和第二电流反馈参考电压(比如1V)相连。在电池电压VBAT低于预充电参考电压VPRE时，将开关S2导通，开关S1截止，第一电流反馈参考电压连接至运算放大器IA的负相输入端，在电池电压VBAT高于预充电参考电压VPRE时，将开关S2截止，开关S1导通，第二电流反馈参考电压连接至运算放大器IA的负相输入端。

为了提高充电速度，一些快速充电技术被提出，它们一般会加快恒压充电阶段的速度，将传统的恒压充电方式改变为脉冲充电。现有技术的脉冲充电中一般采用一段大电流恒流，当电池接近充满时，如果采用的充电电流过大，可能在电池的内阻上产生较大的电压，如果电池中内置了电池保护芯片，则可能导致电池保护芯片触发充电过压保护，这样可能导致电池未被完全充满，等效减小了电池容量。

因此有必要提供一种新的解决方案来解决上述问题。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种快速充电电路，其能够加速恒压充电的过程，同时也不会由于充电电流过大而触发充电过压保护。

为实现上述目的，本发明提供一种快速充电电路，其包括：功率晶体管，其第一连接端作为电源输入端与输入电源电压相连，第二连接端作为充电输出端与电池相连；镜像晶体管，其控制端与所述功率晶体管的控制端相连，其第一连接端与所述功率晶体管的第一连接端相连，其第二连接端经过检测电阻接地；恒流运算放大器，其第一输入端与所述检测电阻的检测端相连，其第二输入端与一个电流反馈参考电压相连，其输出端与所述功率晶体管的控制端相连；恒压运算放大器，其具有第一输入端和第二输入端，其第一输入端与所述充电输出端相连；第一电压比较器，其第一输入端与所述充电输出端相连，其第二输入端与第一电压反馈参考电压相连，其用于比较所述充电输出端的电池电压与第一电压反馈参考电压，其输出端输出比较结果；第二电压比较器，其第二输入端与所述充电输出端，其第一输入端与第三电压反馈参考电压相连，其用于比较所述充电输出端的电池电压与第三电压反馈参考电压，其输出端输出比较结果；恒压逻辑触发单元，其第一输入端与第一电压比较器的输出端相连，其第二输入端与第二电压比较器的输出端相连，基于第一电压比较器和第二电压比较器的比较结果通过其输出端输出；第二选通逻辑单元，用于其输入端与所述恒压逻辑触发单元的输出端相连，其能够将第一电压反馈参考电压或第二电压反馈参考电压连接至所述恒压运算放大器的第一输入端；其中，在电池电压高于第一电压反馈参考电压时，第二选通逻辑单元交替的将第一电压反馈参考电压和第二电压反馈参考电压连接至所述恒压运算放大器的第一输入端，在电池电压低于第一电压反馈参考电压时，第二选通逻辑单元将第一电压反馈参考电压连接至所述恒压运算放大器的第一输入端，其中第一电压反馈参考电压高于第三电压反馈参考电压，第一电压反馈参考电压小于第二电压反馈参考电压。

进一步的，所述快速充电电路还包括：第三电压比较器，其第一输入端与所述充电输出端相连，第二输入端与预充电参考电压相连，其用于比较所述电池电压和所述预充电参考电压，其输出端输出比较结果；第一选通逻辑单元，其在第三电压比较器判定所述电池电压低于所述预充电参考电压时，将第一电流反馈参考电压连接至所述恒流运算放大器的第二输入端，在第三电压比较器判定所述电池电压高于所述预充电参考电压时，将第二电流反馈参考电压连接至所述恒流运算放大器的第二输入端。

进一步的，第一选通逻辑单元包括连接于所述恒流运算放大器的第二输入端的第一开关和第二开关，第一开关的另一端与第一电流反馈参考电压相连，第二开关的另一端与第二电流反馈参考电压相连，基于第三电压比较器输出的比较结果控制第一开关和第二开关的导通或截止。

与现有技术相比，本发明中的快速充电电路，通过设置分段式恒压充电状态，从而加速恒压充电的过程，同时也不会由于充电电流过大而触发充电过压保护。

【附图说明】

结合参考附图及接下来的详细描述，本发明将更容易理解，其中同样的附图标记对应同样的结构部件，其中：

图1为现有的充电电路的电路示意图；

图2为本发明中的快速充电电路在一个实施中的电路示意图；

图3为本发明中的具有保护电路的电池的内部结构示意图。

【具体实施方式】

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指与所述实施例相关的特定特征、结构或特性至少可包含于本发明至少一个实现方式中。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非必须都指同一个实施例，也不必须是与其他实施例互相排斥的单独或选择实施例。本发明中的“多个”、“若干”表示两个或两个以上。本发明中的“和/或”表示“和”或者“或”。

图2为本发明中的快速充电电路200在一个实施中的电路示意图。如图2所示的，所述快速充电电路200包括功率晶体管MP2、镜像晶体管MP1、镜像控制晶体管MP3、检测电阻Rprog、恒流运算放大器IA、恒压运算放大器VA、镜像运算放大器MA、第一电压比较器Com1、第二电压比较器Com2、第三电压比较器Com3、第一选通逻辑单元210、恒压逻辑触发单元220、第二选通逻辑单元230、第一二极管D1、第二二极管D2和衬体切换电路240。

功率晶体管MP2、镜像晶体管MP1、镜像控制晶体管MP3都可以为PMOS(P-channelMetalOxideSemiconductor)晶体管，所述PMOS晶体管的源极为第一连接端，其漏极为第二连接端，其栅极为控制端。所述功率晶体管MP2的第一连接端作为电源输入端与输入电源电压VCC相连，其第二连接端作为充电输出端与电池BAT相连。

镜像晶体管MP1的控制端与所述功率晶体管MP2的控制端相连，其第一连接端与所述功率晶体管MP2的第一连接端相连，其第二连接端与镜像控制晶体管MP3的源极相连，镜像控制晶体管MP3的漏极与所述检测电阻Rprog相连，所述检测电阻Rprog的另一端接地。

所述镜像运算放大器MA的第一输入端与功率晶体管MP2的第二连接端相连，其第二输入端与镜像晶体管MP1的第二连接端相连，其输出端与所述镜像控制晶体管MP3的栅极相连。通过所述镜像运算放大器MA的控制，可以将功率晶体管MP2和镜像晶体管MP1的漏极的电压控制的相等，这样功率晶体管MP2和镜像晶体管MP1的漏极、源极和栅极的电压都相等，它们形成镜像电路。镜像晶体管MP1以一定比例复制功率晶体管MP2的电流，例如1000:1，即MP1上的电流为MP2上电流的1/1000。

恒流运算放大器IA的第一输入端与所述检测电阻Rprog的检测端PROG相连，其第二输入端经过第一选通逻辑单元210与第一电流反馈参考电压(图2所示为0.1V)或第二电流反馈参考电压(图2所示为1V)相连。恒流运算放大器IA的输出端与所述第一二极管D1的阳极相连，第一二极管D1的阴极与镜像晶体管MP1的栅极相连。所述恒流运算放大器IA用于将所述检测电阻Rprog的检测端PROG的电压控制的等于其第二输入端的电压，这样可以实现恒流充电控制。

恒压运算放大器VA的第一输入端与所述充电输出端相连，其第二输入端经过第二选通逻辑单元230与第一电压反馈参考电压VREG或第二电压反馈参考电压VOC相连。恒压运算放大器VA的输出端与所述第二二极管D2的阳极相连，第二二极管D2的阴极与镜像晶体管MP1的栅极相连。所述恒压运算放大器VA用于将电池BAT的电压VBAT控制的等于第二输入端的电压，这样可以实现恒压充电控制。

恒压运算放大器VA、所述镜像运算放大器MA、恒流运算放大器IA的第一输入端为其正相输入端，第二输入端为其负相输入端。

第三电压比较器com3的第一输入端与所述充电输出端相连，第二输入端与预充电参考电压VPRE相连，其用于比较所述电池电压VBAT和所述预充电参考电压VPRE，其输出端输出比较结果。第一选通逻辑单元210在所述电池电压VBAT低于所述预充电参考电压VPRE时，将第一电流反馈参考电压(0.1V)连接至所述恒流运算放大器IA的第二输入端，此时实现预恒流充电，此时充电电流较小，比如为恒流充电电流的十分之一，在所述电池电压VABT高于所述预充电参考电压VPRE时，将第二电流反馈参考电压(1V)连接至所述恒流运算放大器IA的第二输入端，实现恒流充电。

在一个实施例中，第一选通逻辑单元210包括连接于所述恒流运算放大器IA的第二输入端的第一开关S1和第二开关S2，第一开关S1的另一端与第一电流反馈参考电压相连，第二开关S2的另一端与第二电流反馈参考电压相连，基于第三电压比较器Com3输出的比较结果控制第一开关S1和第二开关S2的导通或截止。具体的，第一选通逻辑单元210还包括反相器INV2，反相器INV2的输入端与第三电压比较器Com3的输出端相连，反相器INV2的输出端与第一开关S1的控制端相连，第三电压比较器Com3的输出端也直接与第二开关S2的控制端相连，在所述电池电压VBAT低于所述预充电参考电压VPRE时，第一开关S1导通，第二开关S2截止，在所述电池电压VBAT高于所述预充电参考电压VPRE时，第一开关S1截止，第二开关S2导通。

第一电压比较器Com1的第一输入端与所述充电输出端相连，其第二输入端与第一电压反馈参考电压VREG相连，其用于比较所述充电输出端的电池电压VBAT与第一电压反馈参考电压VREG，其输出端输出比较结果。第二电压比较器Com2的第二输入端与所述充电输出端，其第一输入端与第三电压反馈参考电压VRCG相连，其用于比较所述充电输出端的电池电压VBAT与第三电压反馈参考电压VRCG，其输出端输出比较结果。

所述衬体切换电路240与所述功率晶体管MP2和所述镜像晶体管MP1的衬体相连。所述衬体切换电路240能够将所述功率晶体管MP2和所述镜像晶体管MP1的衬体切换至其源极和漏极中电压高的一个上。

第二选通逻辑单元230包括连接于所述恒压运算放大器VA的第二输入端的第三开关S3和第四开关S4，第三开关S3的另一端与第一电压反馈参考电压VREG相连，第四开关S4的另一端与第二电压反馈参考电压VOC相连。在电池电压VBAT高于第一电压反馈参考电压VREG时，恒压逻辑触发单元220输出预定占空比的脉冲信号，控制第三开关S3和第四开关S4交替导通，在电池电压低于第一电压反馈参考电压VREG时，恒压逻辑触发单元220输出预定电平的控制信号，控制控制第三开关S3导通，第四开关S4截止。如图2所示，其还包括有反相器INV1，所述反相器INV1的输入端与所述逻辑触发单元220的输出端相连，所述反相器INV1的输出端与第三开关S3的控制端相连，所述逻辑触发单元220的输出端也直接与所述第四开关S4的控制端相连。

其中第一电压反馈参考电压VREG高于预充电参考电压VPRE和第三电压反馈参考电压VRCG，第二电压反馈参考电压VOC高于第一电压反馈参考电压VREG，第三电压反馈参考电压VRCG高于预充电参考电压VPRE。比如，第二电压反馈参考电压VOC为4.375V，第一电压反馈参考电压VREG为4.2V，预充电参考电压VPRE为3V，第三电压反馈参考电压VRCG为4.1V。

所述恒压逻辑触发单元220包括D触发器FFDR1和逻辑门AND1。所述D触发器FFDR1的输入端与电源电压VCC相连，其时钟端clk作为恒压逻辑触发单元220的第一输入端与第一电压比较器Com1的输出端相连，其复位端r作为恒压逻辑触发单元220的第二输入端与第二电压比较器Com2的输出端相连，所述D触发器FFDR1的输出端Q与所述逻辑门AND1的一个输入端相连，所述逻辑门AND1的另一个输入端与脉宽调制信号PWM相连，所述逻辑门AND1的输出端与第二选通逻辑单元220的输入端相连。优选的，所述逻辑门为与门。

在电池电压VBAT低于第一电压反馈参考电压VREG时，第一电压比较器Com1输出低电平，第二电压比较器Com2输出高电平，D触发器FFDR1的输出低电平，此时与门AND1输出低电平，此时第三开关S3导通，第四开关S4截止。此时处于恒流充电的阶段。

在电池电压VBAT高于第三电压反馈参考电压VRCG时，第二电压比较器Com2输出低电平，D触发器FFDR1复位，允许D触发器FFDR1输入信号。

在电池电压VBAT高于第一电压反馈参考电压VREG时，第一电压比较器Com1输出高电平，第二电压比较器Com2输出低电平，此时触发D触发器FFDR1，使得其输出高电平，此时与门AND1输出所述脉宽调制信号PWM，此时第三开关S3不断的导通和截止，第四开关S4不断地截止和导通。此时为分段式恒压充电状态，当PWM为高电平时，将维持较高的电流(等于(VOC-VBAT0)/Resr，其中VOC为图2中VOC的第二电压反馈参考电压的电压值，VBAT0为电芯BAT开路电压，Resr为电池内阻)对电池充电；当PWM为低电平时，以较低的电流(等于(VREG-VBAT0)/Resr，其中VREG为图2中第一电压反馈参考电压VREG的电压值，VBAT0为电芯开路电压，Resr为电池内阻)的电流对电池充电。一般设计VOC电压值大于VREG电压值，对锂电池而言，一般VREG被设计为4.2V，而VOC一般设计为电池保护电路的过充电保护电压阈值，例如4.375V，可见(VOC-VBAT0)/Resr电流值大于(VREG-VBAT0)/Resr，即PWM为高电平时，充电电流更大。所述PWM信号的占空比越大，分段式恒压充电状态的充电速度越快，通常所述脉宽调制信号的占空比大于80％。

图3描述了带保护电路的电池BAT的内部原理图，即其描述了图2中电池BAT的内部结构图。其中包括电池电芯Cell、电阻Rc、Rm、电容Cc、功率开关MN1、MN2和电池保护电路。充电时的电流方向如图3中Ic箭头所示，从VBAT端流入，从GND端流出。充电时会在功率开关MN1、MN2上形成电压降，这样导致存在充电电流时，电池电芯Cell上的电压小于VBAT相对GND的电压，因此图2实现方式在以电压VOC对电池进行恒压充电时，此时VBAT与GND之间的电压差等于VOC电压(例如4.375V)，而电池电芯Cell的电压则等于VOC-Ic.Ron，其中VOC为电池保护电路的过充电保护电压阈值，Ic为充电电流，Ron为功率开关MN1和MN2的导通电阻之和。明显，电池电芯的电压VOC-Ic.Ron稍小于VOC电压，不会导致误触发电池保护电路进入过充电保护状态，即避免误触发导致电池未完全充满的问题。

上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于所述具体实施方式。

Claims (9)

1.一种快速充电电路，其特征在于，其包括：

功率晶体管，其第一连接端作为电源输入端与输入电源电压相连，第二连接端作为充电输出端与电池相连；

镜像晶体管，其控制端与所述功率晶体管的控制端相连，其第一连接端与所述功率晶体管的第一连接端相连，其第二连接端经过检测电阻接地；

恒流运算放大器，其第一输入端与所述检测电阻的检测端相连，其第二输入端与一个电流反馈参考电压相连，其输出端与所述功率晶体管的控制端相连；

恒压运算放大器，其具有第一输入端和第二输入端，其第一输入端与所述充电输出端相连；

第一电压比较器，其第一输入端与所述充电输出端相连，其第二输入端与第一电压反馈参考电压相连，其用于比较所述充电输出端的电池电压与第一电压反馈参考电压，其输出端输出比较结果；

第二电压比较器，其第二输入端与所述充电输出端，其第一输入端与第三电压反馈参考电压相连，其用于比较所述充电输出端的电池电压与第三电压反馈参考电压，其输出端输出比较结果；

恒压逻辑触发单元，其第一输入端与第一电压比较器的输出端相连，其第二输入端与第二电压比较器的输出端相连，基于第一电压比较器和第二电压比较器的比较结果通过其输出端输出；

第二选通逻辑单元，用于其输入端与所述恒压逻辑触发单元的输出端相连，其能够将第一电压反馈参考电压或第二电压反馈参考电压连接至所述恒压运算放大器的第一输入端；

其中，在电池电压高于第一电压反馈参考电压时，第二选通逻辑单元交替的将第一电压反馈参考电压和第二电压反馈参考电压连接至所述恒压运算放大器的第一输入端，在电池电压低于第一电压反馈参考电压时，第二选通逻辑单元将第一电压反馈参考电压连接至所述恒压运算放大器的第一输入端，

其中第一电压反馈参考电压高于第三电压反馈参考电压，第一电压反馈参考电压小于第二电压反馈参考电压。

2.根据权利要求1所述的快速充电电路，其特征在于，其还包括：

第三电压比较器，其第一输入端与所述充电输出端相连，第二输入端与预充电参考电压相连，其用于比较所述电池电压和所述预充电参考电压，其输出端输出比较结果；

第一选通逻辑单元，其在第三电压比较器判定所述电池电压低于所述预充电参考电压时，将第一电流反馈参考电压连接至所述恒流运算放大器的第二输入端，在第三电压比较器判定所述电池电压高于所述预充电参考电压时，将第二电流反馈参考电压连接至所述恒流运算放大器的第二输入端。

3.根据权利要求2所述的快速充电电路，其特征在于，第一选通逻辑单元包括连接于所述恒流运算放大器的第二输入端的第一开关和第二开关，第一开关的另一端与第一电流反馈参考电压相连，第二开关的另一端与第二电流反馈参考电压相连，基于第三电压比较器输出的比较结果控制第一开关和第二开关的导通或截止。

4.根据权利要求1所述的快速充电电路，其特征在于，其还包括：

连接于镜像晶体管的第二连接端和检测电阻的检测端之间的镜像控制晶体管；

镜像运算放大器，其第一输入端与功率晶体管的第二连接端相连，其第二输入端与镜像晶体管的第二连接端相连，其输出端与所述镜像控制晶体管的栅极相连。

第一二极管，其阳极与所述恒流运算放大器的输出端相连，其阴极与所述功率晶体管的控制端相连；

第二二极管，其阳极与所述恒流运算放大器的输出端相连，其阴极与所述功率晶体管的控制端相连；

衬体切换电路，其与所述功率晶体管和所述镜像晶体管的衬体相连。

5.根据权利要求4所述的快速充电电路，其特征在于，所述衬体切换电路能够将所述功率晶体管和所述镜像晶体管的衬体切换至所述功率晶体管和所述镜像晶体管的第一连接端和第二连接端中电压高的一个上。

6.根据权利要求1所述的快速充电电路，其特征在于，

所述恒压逻辑触发单元包括D触发器和逻辑门，所述D触发器的输入端与电源电压相连，其时钟端作为所述恒压逻辑触发单元的第一输入端与第一电压比较器的输出端相连，其复位端作为所述恒压逻辑触发单元的第二输入端与第二电压比较器的输出端相连，所述D触发器的输出端Q与所述逻辑门的一个输入端相连，所述逻辑门的另一个输入端与脉宽调制信号相连，所述逻辑门的输出端与第二选通逻辑单元的输入端相连，

第二选通逻辑单元包括连接于所述恒压运算放大器的第二输入端的第三开关和第四开关，第三开关的另一端与第一电压反馈参考电压相连，第四开关的另一端与第二电压反馈参考电压相连，基于所述逻辑门的输出端的信号控制第三开关和第四开关的导通或截止。

7.根据权利要求6所述的快速充电电路，其特征在于，所述逻辑门为与门，所述第二选通逻辑单元还包括第二反相器，所述与门的输出端直接与第四开关的控制端相连，所述与门的输出端通过第二反相器与第三开关的控制端相连。

8.根据权利要求6所述的快速充电电路，其特征在于，所述脉宽调制信号的占空比大于80％。

9.根据权利要求6所述的快速充电电路，其特征在于，功率晶体管和镜像晶体管为PMOS晶体管，PMOS晶体管的源极为第一连接端，其漏极为第二连接端，其栅极为控制端。