CN113572246B - 一种充电电路及电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种充电电路及电子设备，充电电路包括输入端用于与充电侧电池连接的Buck‑Boost电路、输入端与Buck‑Boost电路的输出端连接的第一负载开关、与第一负载开关的输出端连接的第一连接电路、用于与第一连接电路连接的第二连接电路以及第二负载开关，第二负载开关的输入端与第二连接电路连接，第二负载开关的输出端用于与被充电侧电池连接，Buck‑Boost电路及第一负载开关的控制端用于与充电侧MCU连接，第二负载开关的控制端用于与被充电侧控制芯片连接，第一连接电路与第二连接电路连通时，Buck‑Boost电路、第一负载开关和第二负载开关转为工作状态。本发明还提供了一种包括上述充电电路的电子设备。本发明公开的充电电路及电子设备，有助于提高充电效率。

Description

一种充电电路及电子设备
技术领域
本发明涉及电源技术领域，尤其是涉及一种充电电路及电子设备。
背景技术
部分电池的容量有限（例如无线耳机），这就要求充电电流不能过大。
普遍使用的解决方案是通过线性充电芯片控制充电电流，但是这种方式的转换效率偏低。为了解决该问题，市面上出现了使用通信方式来提高转换效率的方式，但是频繁的通信会增加充电时间，以下是几种现有的充电方式：
第一种充电方式，使用线性充电芯片进行充电，被充电侧（例如耳机）的转换效率如下式：
Figure 242825DEST_PATH_IMAGE002
式中：Vbat是被充电侧电池的电压；Vin是被充电侧的接入电压；
从上式可以看出如果Vin电压是5V，Vbat电压是3.3V时，转换效率最高只有66%，损失的转换效率在被充电侧上都转换成了热量。
第二种充电方式，使用开关充电的方法，转换效率可达90%以上，虽然可以提高充电的转换效率，但是开关充电芯片面积增加，***使用电感占用了有限的被充电侧中PCB的面积，开关充电方式无法精确检测到小电流时的充电截止电流，限制了开关充电方式在被充电侧中的使用。
第三种充电方式，是在第二种充电方式的基础上增加了通信功能，通过通信的方式不断获得被充电侧内电池的电压，进而实时调整充电侧送到被充电侧的电压。
这种方式虽然能提高充电转换效率，但是需要被充电侧与充电侧不定时通信，通信与充电间断开关，导致通信时间占用了充电时间，使得充电时间增加，而且通信的方式在被充电侧仍然是线性充电的方式，仍然会有很大一部分功率损失在充电芯片上。
还有另外一种通信方式是增加一个通信引脚，这会使被充电侧多出一个引脚，影响美观的同时也增加了制造成本。
发明内容
针对现有技术中电池充电效率低的问题，本发明提供一种充电电路及电子设备，有助于提高充电效率。
本发明的上述目的是通过以下技术方案得以实现的：
第一方面，本发明提供了一种充电电路，包括：
Buck-Boost电路，输入端用于与充电侧电池连接；
第一负载开关，输入端与Buck-Boost电路的输出端连接；
第一连接电路，与第一负载开关的输出端连接；
第二连接电路，用于与第一连接电路连接；以及
第二负载开关，输入端与第二连接电路连接，输出端用于与被充电侧电池连接；
其中，Buck-Boost电路与第一负载开关的控制端用于与充电侧MCU连接，第二负载开关的控制端用于与被充电侧控制芯片连接。
在第一方面的一种可能的实现方式中，第二负载开关的最大电流限流值大于第一负载开关的最大电流限流值。
在第一方面的一种可能的实现方式中，第一负载开关的最大恒流阶段充电电流值小于第一负载开关的最大电流限流值。
在第一方面的一种可能的实现方式中，充电侧电池的输出电压大于设定的电压阈值时，Buck-Boost电路工作在降压模式，充电侧电池的输出电压小于设定的电压阈值时，Buck-Boost电路工作在升压模式。
在第一方面的一种可能的实现方式中，还包括电流检测电路，电流检测电路的输入端与第一负载开关的输入端或者输出端连接，输出端用于与充电侧MCU连接。
在第一方面的一种可能的实现方式中，
第一负载开关上的电流值大于最大限流值时，降低Buck-Boost电路的输出电压；
第一负载开关上的电流值在最大限流值与最小限流值之间时，保持Buck-Boost电路的输出电压；
第一负载开关上的电流值小于最小限流值时，提高Buck-Boost电路的输出电压；
第一负载开关上的电流值等于关闭值时，断开Buck-Boost电路。
在第一方面的一种可能的实现方式中，还包括第一开关和第二开关；
第一开关的两个连接端分别与第一负载开关的输出端和充电侧MCU连接，第一开关的控制端用于与充电侧MCU连接；
第二开关的一个连接端与第二负载开关的输入端连接，另一个连接端与被充电侧控制芯片连接，第二开关的控制端用于与被充电侧控制芯片连接；
第一开关和第二开关闭合时，第一负载开关第二负载开关处于断开状态。
第二方面，本发明提供了一种电子设备，包括充电仓和设备端，还包括如第一方面及第一方面任意实现方式中所述的充电电路。
在第二方面的一种可能的实现方式中，Buck-Boost电路、第一负载开关、第一连接电路位于充电仓内，第二连接电路、第二负载开关位于设备端内。
在第二方面的一种可能的实现方式中，第一开关位于充电仓内，第二开关位于设备端内。
本发明提供的充电电路及电子设备具有以下有益效果：
本发明提供的充电电路，在充电侧采用buck-boost电源管理架构和负载开关组合的方式，buck-boost电路将充电侧电池电压调整到输出需要的电压经过负载开关输出，这样，充电侧输出电压就可以直接连接至被充电侧电池的两端，这种直接加压的方式有效避免了转换带来的功率损耗，可以提高充电效率。另外，在直接加压的方式下，可以对流经负载开关的电流进行监控来得到充电电流，进而实现利用监控充电电流来关掉充电路径的目的。
附图说明
图1是本发明提供的一种充电电路的结构示意框图。
图2是本发明提供的另一种充电电路的结构示意框图。
图3是本发明提供的一种Buck-Boost电路的原理示意图。
图4是本发明提供的一种电流检测电路的原理示意图。
图5是本发明提供的一种电子设备的组成示意图。
图中， 11、Buck-Boost电路，12、第一负载开关，13、第一连接电路，14、第二连接电路，15、第二负载开关，21、第一开关，22、第二开关，23、电流检测电路，601、充电仓，602、设备端。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明中的技术方案作进一步详细说明。
请参阅图1和图2，为本发明公开的一种充电电路，该充电电路由Buck-Boost电路11、第一负载开关12、第一连接电路13、第二连接电路14和第二负载开关15等组成，具体的说，对于充电侧，Buck-Boost电路11的输入端用于与充电侧电池连接，Buck-Boost电路11的输出端与第一负载开关12的输入端连接，第一负载开关12的输出端与第一连接电路13的输入端连接。
对于被充电侧，第二连接电路14的输出端与第二负载开关15的输入端连接，第二负载开关15的输出端用于连接被充电侧电池。
请参阅图3，Buck-Boost电路11是一种能够实现升压和降压的电路。
第一连接电路13和第二连接电路14之间的虚线表示这两个连接电路通过接触的方式连接在一起，箭头表示了充电时的电能流动方向。
充电侧的部分和被充电侧的部分分别位于充电仓601和设备端602上，例如TWS耳机，TWS耳机由收纳仓和耳机两部分组成，收纳仓内有充电侧电池、Buck-Boost电路11、第一负载开关12和第一连接电路13等；耳机内有第二连接电路14、第二负载开关15和被充电侧电池等。
当耳机放入到收纳仓内时，第一连接电路13和第二连接电路14连接，此时，收纳仓会与耳机进行身份认证，认证通过后，收纳仓询问耳机的剩余电量，需要进行充电时，充电侧电池内的电量顺序经过Buck-Boost电路11、第一负载开关12、第一连接电路13、第二连接电路14和第二负载开关15后流入到被充电侧电池。
在一些可能的实现方式中，第一连接电路13与第二连接电路14接通时，收纳仓与耳机使用握手协议进行身份认证。
在一些可能的实现方式中，第一连接电路13和第二连接电路14可以是连接触点。
Buck-Boost电路11与第一负载开关12的控制端用于与充电侧MCU连接，第二负载开关15的控制端用于与被充电侧控制芯片连接。
结合上述内容中的收纳仓和耳机，耳机放置到收纳仓内的充电腔内时，第一连接电路13与第二连接电路14接通，此时，收纳仓的MCU与耳机内的控制芯片进行身份认证，认证成功后，进行后续的电量询问和充电内容。
应理解，微控制单元(Microcontroller Unit；MCU) ，又称单片微型计算机(Single Chip Microcomputer )或者单片机，是把中央处理器(Central Process Unit；CPU)的频率与规格做适当缩减，并将内存(memory)、计数器(Timer)、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口，甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。
还应理解，耳机内的控制芯片可以是耳机内的MCU，也可以是耳机内的蓝牙芯片，当然，如果其他的芯片存在控制功能，也是可以当作控制芯片使用的。
在一些可能的实现方式中，被充电侧的控制芯片可以是蓝牙芯片，对于蓝牙芯片实现电量监控，可以使用以下方式，电池分压出一个电压给到蓝牙模块的电量采集引脚，蓝牙模块实时监测该引脚的电压变化得出电池电量的变化。
例如，电池的最大电压是3V，当电池满电的时候，电量采集引脚的电压是1.024V，当电池的电量下降时，该引脚的电压也会下降，蓝牙模块根据电量采集引脚的电压来判断电池的电量。
当需要进行充电时， Buck-Boost电路11、第一负载开关12和第二负载开关15转为工作状态，Buck-Boost电路11和第一负载开关12的控制指令由充电侧的MCU下发，第二负载开关15的控制指令由被充电侧的控制芯片下发。
整体而言，本发明提供的充电电路，结合了开关型充电和线性充电的优势，提高了电量的转换率，能够有效缩短充电时间，提高充电效率，并且可以实现负载开关的电流进行高精度检测，使得充电侧的电压能够根据被充电侧的电压需要进行调整，能够进一步缩短充电时间，提高充电效率。
作为发明提供的充电电路的一种具体实施方式，第二负载开关15的最大电流限流值大于第一负载开关12的最大电流限流值，这样可以对第二负载开关15的导通阻抗进行控制。
应理解，本发明中的电流流向路径如下：
充电侧电池-->Buck-Boost电路11-->第一负载开关12-->第二负载开关15-->被充电侧电池；
所以为了提高转换效率，此路径的导通阻抗需要做到最低。
首先，Buck-Boost电路11采用开关型转换方式，功率损失在导通损耗和开关损耗上，为了提高转换效率，导通电阻应该尽量小。
其次，第一负载开关12和第二负载开关15是负载开关，当负载开关没有达到最大限流时，工作在开关状态的导通阻抗最小。所以第二负载开关15的最大电流限流值可以设置成大于第一负载开关12的最大电流限流值，用来保护被充电侧电池，因为有第一负载开关12的限制，第二负载开关15永远达不到最大电流而工作在导通阻抗最小的开关状态。
作为发明提供的充电电路的一种具体实施方式，第一负载开关12的最大恒流阶段充电电流值小于第一负载开关12的最大电流限流值。
具体的说，第一负载开关12可以看作是电流反馈环路调整充电侧输出电压的开关，首先***预设第一负载开关12的最大电流限流值ILIM，一方面为了保护第一负载开关12不受损坏，另一方面，ILIM也将是充电通路的最大电流。
设置最大恒流阶段充电电流IH和最小的恒流阶段电流IL，则在达到平衡稳定后平均电流约等于(IH+IL)/2。由于IH小于ILIM，在恒流阶段第一负载开关12自动保持工作在导通阻抗最小的开关状态。
结合一个具体的充电过程，第一连接电路13与第二连接电路14接通后，检测第一负载开关12的电流，如果第一负载开关12的电流高于设置的最大充电电流，则降低Buck-Boost电路11的输出，输出降低后，输出电压与耳机内的电压压差降低，第一负载开关12的电流也同步减小。减小到IH和IL之间后，输出电压保持不变。
随着被充电侧电池电压的升高，充电电流继续降低，当检测到第一负载开关12的电流低于IL时，提高Buck-Boost电路11的输出，直到第一负载开关12的电流高于IH，停止改变Buck-Boost电路11的输出，随着被充电侧电池电压的升高，充电电流继续降低。
Buck-Boost电路11的最大输出电压是被充电侧电池的截止电压，当达到截止电压后充电进入恒压状态，第一负载开关12处可以精确检测出充电电流，到达充电截止电流IEOC后且充电侧输出电压等于被充电侧截止电压时，第一负载开关12和第二负载开关15转为断开状态，充电结束。
在第一方面的一种可能的实现方式中，充电侧电池的输出电压大于设定的电压阈值时，Buck-Boost电路11工作在降压模式，充电侧电池的输出电压小于设定的电压阈值时，Buck-Boost电路11工作在升压模式。
结合上述的充电过程，应理解，Buck-Boost电路11具有升压和降压两个功能，能够对充电侧的输出电压进行调整，使其能够满足被充电侧的电压需要，使得充电效率能够实现最大化。举例说明，充电过程中的电压是变化的，例如在初始的充电阶段，电压应当逐渐上升，目的是保持充电电流不变，当电压上升到一定程度后不再变化，此时，充电电流会逐渐减小。Buck-Boost电路11的降压功能主要起保护作用，避免开始电压过高导致的损坏，并且随着充电过程的进行，能够将输出电压逐步提高。
请参阅图1和图2，作为发明提供的充电电路的一种具体实施方式，还增加了电流检测电路23，电流检测电路23的输入端与第一负载开关12的输入端或者输出端连接，输出端用于与充电侧MCU连接，作用是向充电侧的MCU反馈第一负载开关12上的电流，以便能够在被充电侧电池充满时及时停止充电。
在一些可能的实现方式中，电流检测电路23如图4所示。
作为发明提供的充电电路的一种具体实施方式，对于第一负载开关12上的电流值的判定，使用如下方式，
第一负载开关12上的电流值大于最大限流值时，降低Buck-Boost电路11的输出电压；
第一负载开关12上的电流值在最大限流值于最小限流值之间时，保持Buck-Boost电路11的输出电压；
第一负载开关12上的电流值小于最小限流值时，提高Buck-Boost电路11的输出电压；
第一负载开关12上的电流值等于关闭值时，断开Buck-Boost电路11。
具体的说，第一负载开关12上的电流值大于最大限流值时，需要降低Buck-Boost电路11的输出电压，其目的是限制充电侧的输出电流，避免出现因电流过载导致的电路损坏，该情况多出现在充电的初始阶段。
第一负载开关12上的电流值在最大限流值于最小限流值之间时，需要保持Buck-Boost电路11的输出电压，该过程中，充电侧的电流输出稳定，可以对被充电侧电池进行充电，可以看作是恒流充电阶段。
第一负载开关12上的电流值小于最小限流值时，需要提高Buck-Boost电路11的输出电压，此时，进入到恒压充电状态，充电电流减小。
第一负载开关12上的电流值等于关闭值时，断开Buck-Boost电路11，充电过程完成。
请参阅图1和图2，作为发明提供的充电电路的一种具体实施方式，还增加了第一开关21和第二开关22，具体的说，
第一开关21的两个连接端分别与第一负载开关12的输出端和充电侧MCU连接，第一开关21的控制端用于与充电侧MCU连接；
第二开关22的一个连接端与第二负载开关15的输入端连接，另一个连接端与连接，第二开关22的控制端用于与被充电侧的控制芯片连接。
第一开关21和第二开关22主要起到通信作用，充电过程中，第一负载开关12第二负载开关15处于闭合状态，第一开关21和第二开关22处于断开状态；当需要进行通讯时，第一负载开关12第二负载开关15断开，第一开关21和第二开关22由断开状态转为闭合状态。
当然，在不需要进行充电但是需要进行通信时，第一开关21和第二开关22也可以由断开状态转为闭合状态，进行必要的通信。
以收纳仓和耳机为例，通信有以下几个作用，
1.耳机可以知道收纳仓内电池的状态，报给手机显示；
2.收纳仓可以实时知道耳机电池的状态。
请参阅图5，本发明还公开了一种电子设备，包括充电仓601和设备端602，还包括上述内容中所述的任意一种充电电路。
图5中的虚线部分表示了充电仓601内的充电腔。
Buck-Boost电路11、第一负载开关12、第一连接电路13位于充电仓601内，第二连接电路14、第二负载开关15位于设备端602内。
增加的第一开关21和第二开关22，第一开关21位于充电仓601内，第二开关22位于设备端602内。
增加的电流检测电路23位于充电仓601内。
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种充电电路，其特征在于，包括：
Buck-Boost电路（11），输入端用于与充电侧电池连接；
第一负载开关（12），输入端与Buck-Boost电路（11）的输出端连接；
第一连接电路（13），与第一负载开关（12）的输出端连接；
第二连接电路（14），用于与第一连接电路（13）连接；以及
第二负载开关（15），输入端与第二连接电路（14）连接，输出端用于与被充电侧电池连接；
其中，Buck-Boost电路（11）与第一负载开关（12）的控制端用于与充电侧MCU连接，第二负载开关（15）的控制端用于与被充电侧控制芯片连接；
第二负载开关（15）的最大电流限流值大于第一负载开关（12）的最大电流限流值。
2.根据权利要求1所述的一种充电电路，其特征在于，第一负载开关（12）的最大恒流阶段充电电流值小于第一负载开关（12）的最大电流限流值。
3.根据权利要求1所述的一种充电电路，其特征在于，充电侧电池的输出电压大于设定的电压阈值时，Buck-Boost电路（11）工作在降压模式，充电侧电池的输出电压小于设定的电压阈值时，Buck-Boost电路（11）工作在升压模式。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的一种充电电路，其特征在于，还包括电流检测电路（23），电流检测电路（23）的输入端与第一负载开关（12）的输入端或者输出端连接，输出端用于与充电侧MCU连接。
5.根据权利要求1所述的一种充电电路，其特征在于，
第一负载开关（12）上的电流值大于最大限流值时，降低Buck-Boost电路（11）的输出电压；
第一负载开关（12）上的电流值在最大限流值与最小限流值之间时，保持Buck-Boost电路（11）的输出电压；
第一负载开关（12）上的电流值小于最小限流值时，提高Buck-Boost电路（11）的输出电压；
第一负载开关（12）上的电流值等于关闭值时，断开Buck-Boost电路（11）。
6.根据权利要求1至3中任意一项所述的一种充电电路，其特征在于，还包括第一开关（21）和第二开关（22）；
第一开关（21）的两个连接端分别与第一负载开关（12）的输出端和充电侧MCU连接，第一开关（21）的控制端用于与充电侧MCU连接；
第二开关（22）的一个连接端与第二负载开关（15）的输入端连接，另一个连接端用于与被充电侧控制芯片连接，第二开关（22）的控制端用于与被充电侧控制芯片连接；
第一开关（21）和第二开关（22）闭合时，第一负载开关（12）第二负载开关（15）处于断开状态。
7.一种电子设备，包括充电仓（601）和设备端（602），其特征在于，还包括如权利要求1至6中任意一项所述的充电电路。
8.根据权利要求7所述的电子设备，其特征在于：
Buck-Boost电路（11）、第一负载开关（12）、第一连接电路（13）位于充电仓（601）内，第二连接电路（14）、第二负载开关（15）位于设备端（602）内。
9.根据权利要求7所述的电子设备，其特征在于：
第一开关（21）位于充电仓（601）内，第二开关（22）位于设备端（602）内。
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