CN114665560A - 一种大电流充电保护电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种大电流充电保护电路，包括：电流保护芯片、开关单元、过流保护单元；所述过流保护单元，用于对所述开关单元的输出电流进行采样形成过流采样信号；所述电流保护芯片，用于将所述过流采样信号与预设阈值进行比较，根据比较结果产生所述开关单元的开关控制信号；所述开关单元，包括两个开关组，所述的两个开关组串接在输入电源和电池/负载之间的电流回路中，每一开关组包括主开关管及与之并联的副开关管，所述开关单元用于根据电流保护芯片输出的开关控制信号，控制所述开关组中的主开关管和副开关管的导通与关断，形成输出电流对电池/负载提供电能。本发明有效地减少了充电保护电路的开关损耗，增加了充电保护电路的过电流能力。

Description

一种大电流充电保护电路
技术领域
本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种大电流充电保护电路。
背景技术
现有的充电端口保护电路主要有两种，第一种是由分立式元器件自行搭建的保护电路，对技术要求高，调试时间长，控制逻辑复杂；第二种是由集成式芯片搭建的保护电路，功能齐全简单易用，对设计要求低，调试时间短，对设计人员的技术深度要求不高，大大地缩短了研发周期。
现有的集成式电流保护电路，基于LTC4364芯片，集成了过压保护、欠压保护、过流保护、电源瞬态保护、反向输入保护等功能。由于作为开关管的MOS管的栅极连接电容与电阻，而电容与电阻会使得MOS管从截止到完全开通的时间长，可达100ms以上；在大电流情况下开关损耗大，容易导致MOS管损坏，无法兼容10A以上的电流。
发明内容
本发明提供一种大电流充电保护电路，以解决现有充电保护电路在大电流下使用时造成开关损耗大、器件损坏的问题。
本发明的是这样实现的，一种大电流充电保护电路，包括：
电流保护芯片、开关单元、过流保护单元；
所述过流保护单元，用于对所述开关单元的输出电流进行采样形成过流采样信号；
所述电流保护芯片，用于将所述过流采样信号与预设阈值进行比较，根据比较结果产生所述开关单元的开关控制信号；
所述开关单元，包括两个开关组，所述的两个开关组串接在输入电源和电池/负载之间的电流回路中，每一开关组包括主开关管及与之并联的副开关管，所述开关单元用于根据电流保护芯片输出的开关控制信号，控制所述开关组中的主开关管和副开关管的导通与关断，形成输出电流对电池/负载提供电能。
可选地，所述开关单元中的第一开关组包括第一主开关管和第一副开关管，所述第二开关组包括第二主开关管和第二副开关管；
所述第一主开关管和第一副开关管的漏极共接于输入电源，栅极共接于所述电流保护芯片的HGATE引脚；
所述第一主开关管和第一副开关管的源极、所述第二主开关管和第二副开关管的源极共接于所述电流保护芯片的SOURCE引脚；
所述第二主开关管和第二副开关管的栅极共接于所述电流保护芯片的DGATE引脚，漏极共接于所述电流保护芯片的SENSE引脚；
所述开关单元还包括第一稳压二极管和第二稳压二极管，所述第一稳压二极管和第二稳压二极管的正极共接于所述电流保护芯片的SOURCE引脚，所述第一稳压二极管的负极连接所述电流保护芯片的HGATE引脚，所述第二稳压二极管的负极连接所述电流保护芯片的DGATE引脚。
可选地，所述过流保护单元包括采样电阻。
可选地，所述大电流充电保护电路还包括
输入欠压保护单元，用于对所述充电电源进行采样形成输入电流的欠压信号。
可选地，所述输入欠压保护单元包括第一电阻、第二电阻和第一电容；
所述第一电阻的第一端连接输入电源；
所述第一电阻的第二端、所述第二电阻的第一端、第一电容的第一端之间的共接点连接所述电流保护芯片的UV引脚；
所述第二电阻的第二端、第一电容的第二端共接于地。
可选地，所述大电流充电保护电路还包括：
输入过压保护单元，用于对所述充电电源进行采样形成输入电流的过压信号。
可选地，所述输入过压保护单元包括第三电阻、第四电阻和第二电容；
所述第三电阻的第一端连接输入电源；
所述第三电阻的第二端、所述第四电阻的第一端、第二电容的第一端之间的共接点连接所述电流保护芯片的OV引脚；
所述第四电阻的第二端、第二电容的第二端共接于地。
可选地，所述大电流充电保护电路还包括：
输出过压保护单元，用于对所述开关单元的输出电压进行采样形成输出电压信号。
可选地，所述输出过压保护单元包括第五电阻、第六电阻；
所述第五电阻的第一端连接所述电流保护芯片的OUT引脚；
所述第五电阻的第二端与所述第六电阻的第一端共接于所述电流保护芯片的FB引脚；
所述第六电阻的第二端接地。
可选地，所述大电流充电保护电路还包括：
软件关闭单元，用于对控制器的输出信号进行采样形成强制关闭信号。
可选地，所述软件关闭单元包括三极管开关电路；
所述三极管开关电路的输入端连接控制器，输出端连接所述电流保护芯片的SHDN引脚。
本发明通过改变现有充电保护电路中开关单元的组成，去掉了开关管的栅极电容，并增加与之并联的开关管，增加栅极驱动电流，从而有效地减少了原有开关管从开通到截止的时间和从截止到开通的时间，极大地减少了充电保护电路的开关损耗，进而减少了开关管的温升，增加了充电保护电路的过电流能力，可兼容更大的充电电流，进而减少了电池的充电时间。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例提供的大电流充电保护电路的示意图；
图2是本发明另一实施例提供的大电流充电保护电路的示意图；
图3是本发明另一实施例提供的大电流充电保护电路的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明通过改变现有充电保护电路中开关单元的组成，去掉了开关管的栅极电容，并增加与之并联的开关管，增加栅极驱动电流，从而有效地减少了原有开关管从开通到截止的时间和从截止到开通的时间，极大地减少了充电保护电路的开关损耗，进而减少了开关管的温升，增加了充电保护电路的过电流能力，可兼容更大的充电电流，进而减少了电池的充电时间。
图1为本发明实施例提供的大电流充电保护电路的示意图。如图1所示，所述大电流充电保护电路包括：
电流保护芯片10、开关单元20、过流保护单元30；
所述过流保护单元30，用于对所述开关单元20的输出电流进行采样形成过流采样信号；
所述电流保护芯片10，用于将所述过流采样信号与预设阈值进行比较，根据比较结果产生所述开关单元20的开关控制信号；
所述开关单元20，包括两个开关组21，所述的两个开关组21串接在输入电源和电池/负载之间的电流回路中，每一开关组21包括主开关管及与之并联的副开关管，所述开关单元20用于根据电流保护芯片10输出的开关控制信号，控制所述开关组21中的主开关管和副开关管的导通与关断，形成输出电流对电池/负载提供电能。
在这里，本发明实施例去掉开关单元20中的开关管的栅极电容，并增加与之并联的开关管，增加栅极驱动电流，从而有效地减少了原有开关管从开通到截止的时间，可缩减到1.3mS，以及减少了原有开关管从截止到开通的时间，可缩减到1.6mS，进而极大地减少了充电保护电路的开关损耗，减少了开关管的温升，使作为电路开关的MOS管工作在安全工作区并保证足够的裕量；且通过开关管并联，增加了充电保护电路的过电流能力，可兼容更大的充电电流，有效地减少了电池的充电时间。
可选地，作为本发明的一个优选示例，如图2所示，为本发明实施例提供的大电流充电保护电路的示意图。在图1实施例的基础上，所述大电流充电保护电路还包括：
输入欠压保护单元40，用于对所述充电电源进行采样形成输入电流的欠压信号；
输入过压保护单元50，用于对所述充电电源进行采样形成输入电流的过压信号；
输出过压保护单元60，用于对所述开关单元的输出电压进行采样形成输出电压信号。
软件关闭单元70，用于对控制器的输出信号进行采样形成强制关闭信号；
故障检测单元80，用于捕获所述电流保护芯片10输出的充电故障信号。
所述电流保护芯片10，还用于将所述输入电流的欠压信号、过压信号、输出电压信号分别与对应的预设阈值进行比较，根据比较结果产生所述开关单元20的开关控制信号，或者根据所述强制关闭信号产生所述开关单元20的开关控制信号，以监测充电是否发生故障。
所述开关单元20还用于根据电流保护芯片10输出的开关控制信号，控制所述开关组21中的主开关管和副开关管的导通与关断，以对电池/负载进行保护。
本发明实施例的大电流充电保护电路可以实时监控充电是否发生故障，包括过流保护、输入过压保护、输入欠压保护以及输出过压保护，还可以通过软件关闭单元70接收控制器的输出信号对充电过程进行强制关闭，以及在发生故障时通过故障检测单元80向控制器输出故障信号。
可选地，作为本发明的一个优选示例，如图3所示，为本发明实施例提供的大电流充电保护电路的示意图。如图3所示，
所述开关单元20中的第一开关组包括第一主开关管Q11和第一副开关管Q12，所述第二开关组包括第二主开关管Q21和第二副开关管Q22；
所述第一主开关管Q11和第一副开关管Q12的漏极共接于输入电源VCC-CHARGE，栅极共接于所述电流保护芯片10的HGATE引脚；
所述第一主开关管Q11和第一副开关管Q12的源极、所述第二主开关管Q21和第二副开关管Q22的源极共接于所述电流保护芯片10的SOURCE引脚；
所述第二主开关管Q21和第二副开关管Q22的栅极共接于所述电流保护芯片10的DGATE引脚，漏极共接于所述电流保护芯片10的SENSE引脚；
所述开关单元20还包括第一稳压二极管D1和第二稳压二极管D2，所述第一稳压二极管D1和第二稳压二极管D2的正极共接于所述电流保护芯片10的SOURCE引脚，所述第一稳压二极管D1的负极连接所述电流保护芯片10的HGATE引脚，所述第二稳压二极管D2的负极连接所述电流保护芯片10的DGATE引脚。
所述过流保护单元30包括采样电阻R0。
在这里，所述电流保护芯片10优选为LTC 4364芯片。当充电器接入时，充电器的输入电源VCC-CHARGE与电池电压VCC-VBAT之间存在压差，此时充电器电压大于电池电压，第一主开关管Q11、第一副开关管Q12、第二主开关管Q21和第二副开关管Q22导通，开始给电池或负载提供电能。其中，电流流向为：VCC_CHARGE→Q11、Q12→Q21、Q22→R0→VCC_VBAT。所述第一主开关管Q11和第一副开关管Q12用于控制电流回路的通断。所述第二主开关管Q21和第二副开关管Q22用于防止电流从电池端倒灌至充电口，即防止电流从输出端流入输入端。电流经过采样电阻R0时产生压降，通过调整R0的阻值可以为所述大电流充电保护电路设置过流点，实现过流保护功能。第一稳压二极管D1和第二稳压二极管D2用于保护所述第一主开关管Q11和第一副开关管Q12、所述第二主开关管Q21和第二副开关管Q22，保障其栅极驱动电压Vgs不超过其最大工作电压。
可选地，所述输入欠压保护单元40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的第一端连接输入电源VCC-CHARGE；
所述第一电阻R1的第二端、所述第二电阻R2的第一端、第一电容C1的第一端之间的共接点连接所述电流保护芯片10的UV引脚；
所述第二电阻R2的第二端、第一电容C1的第二端共接于地。
在这里，本发明实施例通过第一电阻R1、第二电阻R2进行分压，通过第一电容C1进行滤波，实现对所述大电流充电保护电路设置输入欠压点。所述电流保护芯片10通过UV引脚从所述输入欠压保护单元40获取输入电流的欠压信号，将所述欠压信号与对应的预设阈值进行比较，当所述欠压信号小于或等于所述预设阈值时，调整所述HGATE引脚的输出电平为低电平，使所述开关单元20中的第一主开关管和第一副开关管关断，以对电池/负载进行保护，实现输入欠压保护。
可选地，所述输入过压保护单元50包括第三电阻R3、第四电阻R4和第二电容C2；
所述第三电阻R3的第一端连接输入电源VCC-CHARGE；
所述第三电阻R3的第二端、所述第四电阻R4的第一端、第二电容C2的第一端之间的共接点连接所述电流保护芯片10的OV引脚；
所述第四电阻R4的第二端、第二电容C2的第二端共接于地。
在这里，本发明实施例通过第三电阻R3、第四电阻R4进行分压，通过第二电容C2进行滤波，实现对所述大电流充电保护电路设置输入过压点。所述电流保护芯片10通过OV引脚从所述输入过压保护单元50获取输入电流的过压信号，将所述过压信号与对应的预设阈值进行比较，当所述欠压信号大于或等于所述预设阈值时，调整所述HGATE引脚的输出电平为低电平，使所述开关单元20中的第一主开关管和第一副开关管关断，以对电池/负载进行保护，实现输入过压保护。
可选地，所述输出过压保护单元60包括第五电阻R5、第六电阻R6；
所述第五电阻R5的第一端连接所述电流保护芯片10的OUT引脚；
所述第五电阻R5的第二端与所述第六电阻R6的第一端共接于所述电流保护芯片10的FB引脚；
所述第六电阻R6的第二端接地。
在这里，本发明实施例通过第五电阻R5、第六电阻R6进行分压，实现对所述大电流充电保护电路设置输出过压点。所述电流保护芯片10通过FB引脚从所述输出过压保护单元60获取输出电压信号，将所述输出电压信号与对应的预设阈值进行比较，当所述输出电压信号大于或等于所述预设阈值时，调整所述HGATE引脚的输出电平为低电平，使所述开关单元20中的第一主开关管和第一副开关管关断，以对电池/负载进行保护，实现输出过压保护，防止充电电压VCC-VBAT超过电池最大电压，造成电池损坏。
可选地，所述软件关闭单元70包括三极管开关电路71；
所述三极管开关电路71的输入端连接控制器，输出端连接所述电流保护芯片10的SHDN引脚。
可选地，所述三极管开关电路71由第七电阻R7、第八电阻R8以及三极管Q3组成，其中三极管Q3的基极通过第七电阻R7连接控制器，集电极连接所述电流保护芯片10的SHDN引脚与第九电阻R9之间的共接点，所述电阻R9的另一端连接输入电源VCC-CHARGE。控制器默认输出低电平，三极管Q3关闭，所述电流保护芯片10的SHDN引脚处于高电平。当需要进行强制关闭时，控制器输出高电平使三极管Q3导通，从而将所述电流保护芯片10的SHDN引脚拉到低电平，所述电流保护芯片10根据SHDN引脚的低电平调整所述HGATE引脚的输出电平，控制所述开关组21中的第一主开关管和第一副开关管关断，从而关闭充电。
对于上述电流保护芯片10，其中的OUT引脚1，为输出电压检测输入。该引脚负载检测连接至DGATE引脚的外部N沟道MOSFET的漏极电压。VCC与OUT之间的电压差设定了故障定时器电流。当该电流差降至0.7V以下时，ENOUT引脚变至高阻抗。
SENSE引脚2，为电流检测输入。通过电流检测控制HGATE引脚。
DGATE引脚4，为栅极驱动输出，用于驱动外部MOSFET。
SOURSE引脚5，为公共源极输入和栅极驱动回线，用于控制MOSFET上的源-漏电压。
HGATE引脚6，为栅极驱动输出，用于驱动外部相连的MOSFET。
VCC引脚8，为芯片供电输入。
SHDN引脚9：为芯片控制使能脚。低电平关断芯片工作。
UV引脚10，为欠压比较器输入，用于设置充电输入欠压点。
OV引脚11，为过压比较器输入，用于设置充电输入过压点。
GND引脚12，为芯片电源地。
FLT引脚13，为故障输出，当发生过压过流等现象时，该引脚输出低电平。
ENOUT引脚14，使能输出，当OUT引脚上的电压高于(VCC–0.7V)时将变至高阻抗，表示外部MOSFET完全导通。当OUT引脚电压降至2.2V以下时，该引脚的状态被锁存并执行复位操作。
TMR引脚15，为故障定时器输入，用于设定故障报警、故障关断和冷却周期时间。
FB引脚16，为反馈输入，用于监控电池电压的过压情况，在过压情況下，对HGATE引脚进行控制以在FB引脚上保持1.25V的电压。
本发明实施例通过去掉开关单元20中的开关管的栅极电容，并增加与之并联的开关管，增加栅极驱动电流，从而有效地减少了原有开关管从开通到截止的时间，以及减少了原有开关管从截止到开通的时间，进而极大地减少了充电保护电路的开关损耗，使作为电路开关的开关管工作在安全工作区并保证足够的裕量；且通过第一主开关管与第一副开关管并联，第二主开关管与第二副开关管并联，增加了充电保护电路的过电流能力，可兼容0-50A的充电电流，有效地减少了电池的充电时间。同时，本发明实施例提供的大电流充电保护电路，能够实时监控充电是否发生故障。
应当理解，上述功能模式仅为本发明的一个实施例，并不用于限制本发明。在其他的一些实施例中，也可以根据实际需要设置功能模式具体控制逻辑。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种大电流充电保护电路，其特征在于，包括：
电流保护芯片、开关单元、过流保护单元；
所述过流保护单元，用于对所述开关单元的输出电流进行采样形成过流采样信号；
所述电流保护芯片，用于将所述过流采样信号与预设阈值进行比较，根据比较结果产生所述开关单元的开关控制信号；
所述开关单元，包括两个开关组，所述的两个开关组串接在输入电源和电池/负载之间的电流回路中，每一开关组包括主开关管及与之并联的副开关管，所述开关单元用于根据电流保护芯片输出的开关控制信号，控制所述开关组中的主开关管和副开关管的导通与关断，形成输出电流对电池/负载提供电能。
2.如权利要求1所述的大电流充电保护电路，其特征在于，所述开关单元中的第一开关组包括第一主开关管和第一副开关管，所述第二开关组包括第二主开关管和第二副开关管；
所述第一主开关管和第一副开关管的漏极共接于输入电源，栅极共接于所述电流保护芯片的HGATE引脚；
所述第一主开关管和第一副开关管的源极、所述第二主开关管和第二副开关管的源极共接于所述电流保护芯片的SOURCE引脚；
所述第二主开关管和第二副开关管的栅极共接于所述电流保护芯片的DGATE引脚，漏极共接于所述电流保护芯片的SENSE引脚；
所述开关单元还包括第一稳压二极管和第二稳压二极管，所述第一稳压二极管和第二稳压二极管的正极共接于所述电流保护芯片的SOURCE引脚，所述第一稳压二极管的负极连接所述电流保护芯片的HGATE引脚，所述第二稳压二极管的负极连接所述电流保护芯片的DGATE引脚。
3.如权利要求2所述的大电流充电保护电路，其特征在于，所述过流保护单元包括采样电阻。
4.如权利要求1至3任一项所述的大电流充电保护电路，其特征在于，所述大电流充电保护电路还包括
输入欠压保护单元，用于对所述充电电源进行采样形成输入电流的欠压信号。
5.如权利要求4所述的大电流充电保护电路，其特征在于，所述输入欠压保护单元包括第一电阻、第二电阻和第一电容；
所述第一电阻的第一端连接输入电源；
所述第一电阻的第二端、所述第二电阻的第一端、第一电容的第一端之间的共接点连接所述电流保护芯片的UV引脚；
所述第二电阻的第二端、第一电容的第二端共接于地。
6.如权利要求1至3任一项所述的大电流充电保护电路，其特征在于，所述大电流充电保护电路还包括：
输入过压保护单元，用于对所述充电电源进行采样形成输入电流的过压信号。
7.如权利要求6所述的大电流充电保护电路，其特征在于，所述输入过压保护单元包括第三电阻、第四电阻和第二电容；
所述第三电阻的第一端连接输入电源；
所述第三电阻的第二端、所述第四电阻的第一端、第二电容的第一端之间的共接点连接所述电流保护芯片的OV引脚；
所述第四电阻的第二端、第二电容的第二端共接于地。
8.如权利要求1至3任一项所述的大电流充电保护电路，其特征在于，所述大电流充电保护电路还包括：
输出过压保护单元，用于对所述开关单元的输出电压进行采样形成输出电压信号。
9.如权利要求8所述的大电流充电保护电路，其特征在于，所述输出过压保护单元包括第五电阻、第六电阻；
所述第五电阻的第一端连接所述电流保护芯片的OUT引脚；
所述第五电阻的第二端与所述第六电阻的第一端共接于所述电流保护芯片的FB引脚；
所述第六电阻的第二端接地。
10.如权利要求1至3任一项所述的大电流充电保护电路，其特征在于，所述大电流充电保护电路还包括：
软件关闭单元，用于对控制器的输出信号进行采样形成强制关闭信号。
11.如权利要求10所述的大电流充电保护电路，其特征在于，所述软件关闭单元包括三极管开关电路；
所述三极管开关电路的输入端连接控制器，输出端连接所述电流保护芯片的SHDN引脚。
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