CN108336810B - 一种兼容电池和外部电源供电的控制电路 - Google Patents

一种兼容电池和外部电源供电的控制电路 Download PDF

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Abstract

本文公开了一种兼容电池和外部电源供电的控制电路，包括：开关模块、开关控制模块、电池连接器模块和外部电源连接器模块；开关模块的第一端与电池连接器模块相连，第二端与开关控制模块的第二端相连，第三端作为供电输出端与外部电源连接器模块相连；开关模块，用于接收到开第一控制信号时断开电池连接器模块到供电输出端之间的供电回路，接收到第二控制信号时接通电池连接器模块到供电输出端之间的供电回路；开关控制模块，用于根据是否接收到外部电源信号输出第一或第二控制信号；电池连接器模块，用于连接电池；所述外部电源连接器模块，用于连接外部电源。本文能够在不取出电池的情况下对电子设备进行外部电源供电，延长电池的使用寿命。

Description

一种兼容电池和外部电源供电的控制电路
技术领域
本发明涉及终端技术领域，尤其涉及的是一种兼容电池和外部电源供电的控制电路。
背景技术
现在移动智能终端的应用已经非常广泛，普及程度非常高，设计厂家为了外观时尚，结构上越做越薄，因此这些移动智能终端大多采用了内置电池(即不可拆卸电池)，相对于可拆卸电池，相同容量的内置电池所占用空间更小，让手机在保持性能的同时更加轻薄，美观。
但是，一般内置电池都采用锂离子电池，其寿命会随充电次数增加而减少，每一次充电循环，就会若干程度上缩短其寿命。手机由于缺乏其他供电方式，因此内置电池的使用寿命较短。如果无线终端的内置电池老化不能使用，则用户不得不更换整个手机或将手机返回给厂家进行后盖(包含内置电池)的更换，增加了用户使用手机的成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种兼容电池和外部电源供电的控制电路，能够在不取出电池的情况下对电子设备进行外部电源供电，延长电池的使用寿命。
本发明提供了一种兼容电池和外部电源供电的控制电路，包括：
开关模块、开关控制模块、电池连接器模块和外部电源连接器模块；所述开关模块的第一端与所述电池连接器模块相连，所述开关模块的第二端与所述开关控制模块的第二端相连，所述开关模块的第三端作为供电输出端与所述外部电源连接器模块相连；
所述开关模块，用于接收到所述开关控制模块输出的第一控制信号时断开电池连接器模块到所述供电输出端之间的供电回路，接收到所述开关控制模块输出的第二控制信号时接通电池连接器模块到所述供电输出端之间的供电回路；
所述开关控制模块，用于接收到所述外部电源连接器模块输出的外部电源信号时输出第一控制信号，没有接收到所述外部电源连接器模块输出的外部电源信号时输出第二控制信号；
所述电池连接器模块，用于连接电池时输出电池电源信号给开关模块；
所述外部电源连接器模块，用于连接外部电源时输出外部电源信号给开关模块和开关控制模块。
可选地，所述电池连接器模块包括两个端口，所述外部电源连接器模块包括三个端口；
所述电池连接器模块的第一端是电池正极连接端并且与所述开关模块的第一端相连，所述电池连接器模块的第二端是电池负极连接端并且接地；
所述外部电源连接器模块的第一端是外部电源正极连接端并且与所述开关模块的第三端相连，所述外部电源连接器模块的第二端是外部电源正极连接端并且与所述开关控制模块的第一端相连，所述外部电源连接器模块的第三端是外部电源负极连接端并且接地。
可选地，所述开关模块包括：P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管P1；所述P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管P1的漏极作为所述开关模块的第一端，所述P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管P1的栅极作为所述开关模块的第二端，所述P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管P1的源极作为所述开关模块的第三端；
所述开关控制模块包括：第一电阻R1、第二电阻R2和第一电容C1；所述第一电阻R1的第一端作为所述开关控制模块的第一端，所述第一电阻R1的第二端作为所述开关控制模块的第二端并且与所述第二电阻R2的第一端、第一电容C1的第一端均相连，所述第二电阻R2的第二端、所述第一电容C1的第二端均接地；
其中，所述第一电阻R1的阻值r1与第二电阻R2的阻值r2之间满足以下条件：
Figure BDA0001215210360000031
Vss2是外部电源的电压，UTH是能够使P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管P1导通的栅极与源极之间的栅源电压绝对值下限。
可选地，所述开关模块包括：N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管N1；所述N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管N1的源极作为所述开关模块的第一端，所述N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管N1的栅极作为所述开关模块的第二端，所述N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管N1的漏极作为所述开关模块的第三端；
所述开关控制模块包括：升压模块U1，所述升压模块的第一端作为所述开关控制模块的第一端，所述升压模块的第二端作为所述开关控制模块的第二端，所述升压模块的第三端作为所述开关控制模块的第三端；
所述升压模块，用于在所述升压模块的第三端的电压为高电平时，禁止所述升压模块进行升压处理；在所述升压模块的第三端的电压为低电平时，使能所述升压模块进行升压处理；其中，所述升压处理是对所述升压模块的第一端的输入电压进行升压处理得到升压信号并在所述升压模块的第二端输出所述升压信号；
所述升压模块的第二端通过连接第一电阻R1接地，所述升压模块的第三端通过连接第二电阻R2接地；
其中，升压模块的升压处理满足下述条件：
|VH-VSS1|≥UTH；
其中，VH是升压信号的电压，VSS1是电池电源的电压，UTH是能够使N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管N1导通的栅极与源极之间的栅源电压绝对值下限。
可选地，所述升压模块包括升压芯片，所述升压芯片的供电电源端与所述电池连接器模块相连。
与现有技术相比，本发明提供的一种兼容电池和外部电源供电的电路，在电池电源与外部电源之间增加开关模块和开关控制模块，所述开关控制模块通过检测是否连接上外部电源输出不同的控制信号给开关模块，所述开关模块在接收到对应于检测到外部电源的控制信号时断开电池供电回路，由外部电源供电。本发明实施例能够在不取出电池的情况下对电子设备进行外部电源供电，延长电池的使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例1的一种兼容电池和外部电源供电的控制电路示意图；
图2为本发明实施例1中一种兼容电池和外部电源供电的控制电路示意图(带外部电源插座模块和电池连接器模块)；
图3为本发明实施例1中的一种兼容电池和外部电源供电的控制电路示意图(开关模块包括P沟道MOSFET)；
图4为本发明实施例1中的一种兼容电池和外部电源供电的控制电路示意图(开关模块包括N沟道MOSFET)。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
实施例1
如图1所示，本发明实施例提供了一种兼容电池和外部电源供电的控制电路，包括：开关模块101、开关控制模块102、电池连接器模块103和外部电源连接器模块104；所述开关模块101的第一端与所述电池连接器模块103相连，所述开关模块101的第二端与所述开关控制模块102的第二端相连，所述开关模块101的第三端作为供电输出端与所述外部电源连接器模块104相连；
所述开关模块101，用于接收到所述开关控制模块102输出的第一控制信号时断开电池连接器模块103到所述供电输出端之间的供电回路，接收到所述开关控制模块102输出的第二控制信号时接通电池连接器模块103到所述供电输出端之间的供电回路；
所述开关控制模块102，用于接收到所述外部电源连接器模块104输出的外部电源信号时输出第一控制信号，没有接收到所述外部电源连接器模块104输出的外部电源信号时输出第二控制信号；
所述电池连接器模块103，用于连接电池时输出电池电源信号给开关模块101；
所述外部电源连接器模块104，用于连接外部电源时输出外部电源信号给开关模块101和开关控制模块102；
所述控制电路还可以包括下述特点：
如图2所示，在一种实施方式中，所述电池连接器模块包括两个端口，所述外部电源连接器模块包括三个端口；
所述电池连接器模块的第一端是电池正极连接端并且与所述开关模块的第一端相连，所述电池连接器模块的第二端是电池负极连接端并且接地；
所述外部电源连接器模块的第一端是外部电源正极连接端并且与所述开关模块的第三端相连，所述外部电源连接器模块的第二端是外部电源正极连接端并且与所述开关控制模块的第一端相连，所述外部电源连接器模块的第三端是外部电源负极连接端并且接地；
如图3所示，在一种实施方式中，所述开关模块包括：P沟道MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)P1；所述P沟道MOSFET管P1的漏极作为所述开关模块的第一端，所述P沟道MOSFET管P1的栅极作为所述开关模块的第二端，所述P沟道MOSFET管P1的源极作为所述开关模块的第三端；
所述开关控制模块包括：第一电阻R1、第二电阻R2和第一电容C1；所述第一电阻R1的第一端作为所述开关控制模块的第一端，所述第一电阻R1的第二端作为所述开关控制模块的第二端并且与所述第二电阻R2的第一端、第一电容C1的第一端均相连，所述第二电阻R2的第二端、所述第一电容C1的第二端均接地；
在本实施例中，当P沟道MOSFET管P1满足开启条件时导通，不满足开启条件时关断，P沟道MOSFET管P1导通时接通漏极和源极之间的回路，P沟道MOSFET管P1关断时断开漏极和源极之间的回路；
在本实施例中，所述P沟道MOSFET管(简称PMOS管)P1的源极电压为US，栅极电压为UG，漏极电压为UD；电池电源电压为VSS1，外部电源电压为VSS2，PMOS管P1的栅极和源极之间的栅源电压UGS为：UGS＝UG-US，PMOS管P1的开启电压为UTH，UTH是能够使PMOS管P1导通的栅极与源极之间的栅源电压绝对值下限；
其中，所述P沟道MOSFET管P1的开启条件是：源极电压US大于栅极电压UG且栅源电压UGS的绝对值大于或等于P沟道MOSFET管P1的开启电压UTH；
为了达到接通外部电源时断开电池供电回路的目的，所述第一电阻R1的阻值r1与第二电阻R2的阻值r2之间满足以下条件：
Figure BDA0001215210360000061
为了达到接通外部电源时断开电池供电回路的目的，下面分三种情况分析PMOS管的导通和关断：
(一)电池连接器模块连接电池，外部电源连接器模块未连接外部电源；
外部电源连接器模块未连接外部电源时，PMOS管P1的栅极通过电阻R2接地，栅极电压UG为0v；电池连接器模块连接电池时，PMOS管P1的漏极连接电池的正极，漏极电压UD＝VSS1；由于PMOS管P1的漏极和源极之间存在寄生二极管效应(寄生二极管的阳极接漏极，寄生二极管的阴极接源极)，PMOS管P1的源极电压US＝UD-VDT＝VSS1-VDT，其中,VDT是寄生二极管D1的正向导通压降；由于锂电池的输出电压一般都大于2.3v，最大输出电压一般为4.35v，而二极管的正向导通压降VDT一般都小于0.7v，所以源极电压US一般都大于1.6v，可以选择开启电压UTH小于或等于1v的PMOS管P1，则此时源极电压US大于栅极电压UG且栅源电压UGS的绝对值(|UGS|≥1.6v)大于P沟道MOSFET管P1的开启电压UTH(0＜UTH≤1v)，PMOS管P1导通，电流从PMOS管P1的漏极流向源极，电池供电回路处于连通状态，由电池进行供电；
(二)电池连接器模块未连接电池，外部电源连接器模块连接外部电源；
外部电源连接器模块连接外部电源时，PMOS管P1的源极连接外部电源的正极，源极电压US为外部电源电压VSS2，PMOS管P1的漏极悬空，漏极与源极之间的寄生二极管D1截止；
PMOS管P1的栅极电压UG为：
Figure BDA0001215210360000071
其中，r1是第一电阻R1的阻值，r2是第二电阻R2的阻值；
栅源电压UGS为：
Figure BDA0001215210360000072
为了保证此时PMOS管P1是关断的，需要栅源电压UGS的绝对值小于PMOS管P1的开启电压UTH，也即：
Figure BDA0001215210360000073
也即，
Figure BDA0001215210360000074
第一电阻R1的阻值r1和第二电阻R2的阻值r2之间满足上述公式(1-4)后，能够保证外部电源连接器模块连接外部电源后PMOS管P1是关断的；
比如，将r2：r1设计为100：1，当外部电源电压VSS2等于电池的最大输出电压VSS1-max(4.35v)时，栅源电压UGS的绝对值|UGS|大约为0.043v，远远小于开启电压UTH，所以PMOS管P1截止；外部电源供电回路处于连通状态，电池供电回路处于断开状态，由外部电源进行供电。
(三)电池连接器模块连接电池，外部电源连接器模块连接外部电源；
外部电源连接器模块连接外部电源时，PMOS管P1的源极连接外部电源的正极，源极电压US为外部电源电压VSS2，PMOS管P1的漏极连接电池正极，漏极电压UD为电池电源电压VSS1，当外部电源电压VSS2等于电池的最大输出电压VSS1-max时，漏极与源极之间的寄生二极管D1截止；
PMOS管P1的栅极电压UG为：
Figure BDA0001215210360000081
其中，r1是第一电阻R1的阻值，r2是第二电阻R2的阻值；
栅源电压UGS为：
Figure BDA0001215210360000082
为了保证此时PMOS管P1是关断的，需要栅源电压UGS的绝对值小于PMOS管P1的开启电压UTH，也即：
Figure BDA0001215210360000083
也即，
Figure BDA0001215210360000084
第一电阻R1的阻值r1和第二电阻R2的阻值r2之间满足上述公式(2-4)后，能够保证外部电源连接器模块连接外部电源后PMOS管P1是关断的；
比如，将r2：r1设计为100：1，当外部电源电压VSS2等于电池的最大输出电压VSS1-max(4.35v)时，栅源电压UGS的绝对值|UGS|大约为0.043v，远远小于开启电压UTH，所以PMOS管P1截止；外部电源供电回路处于连通状态，电池供电回路处于断开状态，由外部电源进行供电。
如图4所示，在一种实施方式中，所述开关模块包括：N沟道MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)N1；
所述N沟道MOSFET管N1的源极作为所述开关模块的第一端，所述N沟道MOSFET管N1的栅极作为所述开关模块的第二端，所述N沟道MOSFET管N1的漏极作为所述开关模块的第三端；
所述开关控制模块包括：升压模块U1，所述升压模块的第一端作为所述开关控制模块的第一端，所述升压模块的第二端作为所述开关控制模块的第二端，所述升压模块的第三端作为所述开关控制模块的第三端；
所述升压模块，用于在所述升压模块的第三端的电压为高电平时，禁止所述升压模块进行升压处理；在所述升压模块的第三端的电压为低电平时，使能所述升压模块进行升压处理；其中，所述升压处理是对所述升压模块的第一端的输入电压进行升压处理得到升压信号并在所述升压模块的第二端输出所述升压信号；
所述升压模块的第二端通过连接第一电阻R1接地，所述升压模块的第三端通过连接第二电阻R2接地；
在本实施例中，当N沟道MOSFET管N1满足开启条件时导通，不满足开启条件时关断，N沟道MOSFET管N1导通时接通漏极和源极之间的回路，N沟道MOSFET管N1关断时断开漏极和源极之间的回路；
在本实施例中，所述N沟道MOSFET管(简称NMOS管)N1的源极电压为US，栅极电压为UG，漏极电压为UD；电池电源电压为VSS1，外部电源电压为VSS2，NMOS管N1的栅极和源极之间的栅源电压UGS为：UGS＝UG-US，NMOS管N1的开启电压为UTH；
其中，所述N沟道MOSFET管N1的开启条件是栅极电压UG大于源极电压US且栅源电压UGS的绝对值大于或等于N沟道MOSFET管N1的开启电压UTH；
所述升压模块采用升压芯片时，所述升压芯片的电源端与所述电池连接器模块相连，也即，所述升压芯片的供电电压取自电池，当所述电池连接器模块连接电池时，所述升压芯片处于工作状态，当所述电池连接器模块未连接电池时，所述升压芯片由于缺少供电电源而处于非工作状态。为了达到接通外部电源时断开电池供电回路的目的，当下面分三种情况分析NMOS管的导通和关断：
(一)电池连接器模块连接电池，外部电源连接器模块未连接外部电源；
电池连接器模块连接电池时，NMOS管N1的源极连接电池的正极，源极电压US＝VSS1；外部电源连接器模块未连接外部电源时，升压模块的第三端的电压为低电平(0v)，所述升压模块进行升压处理，所述升压处理是对所述升压模块的第一端的输入电压(VSS1)进行升压处理得到升压信号VH并在所述升压模块的第二端输出所述升压信号VH，NMOS管N1的栅极连接所述升压模块的第二端，所述栅极电压UG为VH，NMOS管N1的栅极和源极之间的栅源电压UGS为：UGS＝UG-US＝VH-VSS1；
当栅源电压UGS的绝对值|UGS|大于或等于N沟道MOSFET管N1的开启电压UTH时，N沟道MOSFET管N1导通；其中，UTH是能够使N沟道MOSFET管N1导通的栅极与源极之间的栅源电压绝对值下限；
也即：升压模块的升压处理满足下述条件时，N沟道MOSFET管N1导通：
|VH-VSS1|≥UTH (3-1)
一般，锂电池输出电压在2.3v到4.35v之间，N沟道MOSFET管N1的开启电压UTH不超过1v，因此，如果升压处理是对输入电压进行线性放大，则选取合适的放大倍数(比如，大于或等于1.5倍)即可满足升压模块输出电压与输入电压的差值大于或等于NMOS管开启电压的条件；
NMOS管N1导通后，电流从NMOS管N1的漏极流向源极，电池供电回路处于连通状态，由电池进行供电；
(二)电池连接器模块未连接电池，外部电源连接器模块连接外部电源；
当所述电池连接器模块未连接电池时，所述升压芯片由于缺少供电电源而处于非工作状态，所述升压模块的第二端通过电阻R1接地，NMOS管N1的栅极与所述升压模块的第二端相连，电压为0v；NMOS管N1的源极与所述电池连接器模块的第一端相连(电池连接器模块未连接电池时所述第一端悬空)，因此，NMOS管N1的栅极和源极之间的栅源电压UGS小于开启电压UTH，所述NMOS管N1关断；外部电源供电回路处于连通状态，电池供电回路处于断开状态，由外部电源进行供电。
(三)电池连接器模块连接电池，外部电源连接器模块连接外部电源；
电池连接器模块连接电池时，NMOS管N1的源极连接电池的正极，源极电压US＝VSS1；
外部电源连接器模块连接外部电源时，升压模块的第三端的电压为高电平(外部电源电压VSS2)，禁止所述升压模块进行升压处理，所述升压模块的第二端没有升压信号输出，所述升压模块的第二端通过电阻R1接地，NMOS管N1的栅极与所述升压模块的第二端相连，栅极电压为0v；
由于NMOS管N1的源极电压US(VSS1)大于栅极电压UG(0v)，所以不满足NMOS管N1的导通条件，NMOS管N1关断，外部电源供电回路处于连通状态，电池供电回路处于断开状态，由外部电源进行供电。
需要说明的是，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种兼容电池和外部电源供电的控制电路，包括：
开关模块、开关控制模块、电池连接器模块和外部电源连接器模块；所述开关模块的第一端与所述电池连接器模块相连，所述开关模块的第二端与所述开关控制模块的第二端相连，所述开关模块的第三端作为供电输出端与所述外部电源连接器模块相连；
所述开关模块，用于接收到所述开关控制模块输出的第一控制信号时断开电池连接器模块到所述供电输出端之间的供电回路，接收到所述开关控制模块输出的第二控制信号时接通电池连接器模块到所述供电输出端之间的供电回路；
所述开关控制模块，用于接收到所述外部电源连接器模块输出的外部电源信号时输出第一控制信号，没有接收到所述外部电源连接器模块输出的外部电源信号时输出第二控制信号；
所述电池连接器模块，用于连接电池时输出电池电源信号给开关模块；
所述外部电源连接器模块，用于连接外部电源时输出外部电源信号给开关模块和开关控制模块；
其中，
所述开关模块包括：P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管P1；所述P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管P1的漏极作为所述开关模块的第一端，所述P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管P1的栅极作为所述开关模块的第二端，所述P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管P1的源极作为所述开关模块的第三端；
所述开关控制模块包括：第一电阻R1、第二电阻R2和第一电容C1；所述第一电阻R1的第一端作为所述开关控制模块的第一端，所述第一电阻R1的第二端作为所述开关控制模块的第二端并且与所述第二电阻R2的第一端、第一电容C1的第一端均相连，所述第二电阻R2的第二端、所述第一电容C1的第二端均接地；
其中，所述第一电阻R1的阻值r1与第二电阻R2的阻值r2之间满足以下条件：
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
；
Figure DEST_PATH_IMAGE004A
是外部电源的电压，
Figure DEST_PATH_IMAGE006AA
是能够使P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管P1导通的栅极与源极之间的栅源电压绝对值下限。
2.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于：
所述电池连接器模块包括两个端口，所述外部电源连接器模块包括三个端口；
所述电池连接器模块的第一端是电池正极连接端并且与所述开关模块的第一端相连，所述电池连接器模块的第二端是电池负极连接端并且接地；
所述外部电源连接器模块的第一端是外部电源正极连接端并且与所述开关模块的第三端相连，所述外部电源连接器模块的第二端是外部电源正极连接端并且与所述开关控制模块的第一端相连，所述外部电源连接器模块的第三端是外部电源负极连接端并且接地。
3.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于：
所述开关模块包括：N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管N1；所述N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管N1的源极作为所述开关模块的第一端，所述N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管N1的栅极作为所述开关模块的第二端，所述N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管N1的漏极作为所述开关模块的第三端；
所述开关控制模块包括：升压模块U1，所述升压模块的第一端作为所述开关控制模块的第一端，所述升压模块的第二端作为所述开关控制模块的第二端，所述升压模块的第三端作为所述开关控制模块的第三端；
所述升压模块，用于在所述升压模块的第三端的电压为高电平时，禁止所述升压模块进行升压处理；在所述升压模块的第三端的电压为低电平时，使能所述升压模块进行升压处理；其中，所述升压处理是对所述升压模块的第一端的输入电压进行升压处理得到升压信号并在所述升压模块的第二端输出所述升压信号；
所述升压模块的第二端通过连接第一电阻R1接地，所述升压模块的第三端通过连接第二电阻R2接地；
其中，升压模块的升压处理满足下述条件：
Figure DEST_PATH_IMAGE008A
；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE010A
是升压信号的电压，
Figure DEST_PATH_IMAGE012A
是电池电源的电压，
Figure DEST_PATH_IMAGE006AAA
是能够使N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管N1导通的栅极与源极之间的栅源电压绝对值下限。
4.如权利要求3所述的控制电路，其特征在于：
所述升压模块包括升压芯片，所述升压芯片的供电电源端与所述电池连接器模块相连。
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