CN101527465A - 充电控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及充电控制电路。其目的在于提供一种能够在电源电压和充放电电池电压间的电压差小于1V时正确检测充电电流并正确进行恒电流充电的充电控制电路。具体为，在连接于激励晶体管M1漏极和镜像晶体管M2漏极所对应的输入端上的运算放大器13的输入中设定偏置电压Vof，运算放大器13控制NMOS晶体管M5动作，使得镜像晶体管M2漏极-源极间电压Vds比激励晶体管M1漏极-源极间电压Vds小，其电压之间的差值等于预定电压。

Description

充电控制电路

技术领域

本发明涉及对用于手机等中的充放电电池，如锂电池等，进行充放电的充电控制电路，尤其涉及充电用电源与充放电电池充电结束电压之间电压差较小的充电控制电路。

背景技术

近年来，随着用充放电电池为电源的携带式机器如手机等的普及，用于这些携带机器中小而轻但容量大的锂电池得以迅速推广。通常的锂电池中，其正极和负极分别使用钴酸锂和晶体构造的碳材料，电解液使用有机溶液。为此，锂电池的耐热性能要比水溶液系的充放电电池差。此外，锂电池不具备防止充电过度的机制，如果发生充电过度会导致发生寿命及安全方面的问题。为此，在现有技术中锂电池首先进行恒电流充电，当充放电电压达到规定电压后转为恒电压充电，这样，充电时充放电电池就不会超过规定电压(专利文献1JP特开平9-74688号公报)。

图1是一例现有技术充电电路的电路图。

在图1所示的充电电路中，当充放电电池Bat电压低，恒电压控制用运算放大器121的同相输入端电压为基准电压Vref1以下时，恒电压控制用运算放大器121输出端成为低水准电压。在此状态下，恒电流控制用运算放大器122控制充放电电池Bat的充电电流。即，恒电流控制用运算放大器122为了控制激励晶体管M101的栅极电压，将充电电流ic＝Vref2/rd成为恒电流，从而使充电电流检测用阻抗RD的电压下降达到等于基准电压Vref2。上式中的rd为充电电流检测用电阻RD的阻抗值。

当充放电电池BatR的电压上升，恒电压充电用运算放大器121的同相输入端电压达到基准电压Vref1时，运算放大器121的输出电压上升，运算放大器121开始控制充电电流。运算放大器121控制激励晶体管M101的栅极电压，减少激励晶体管M101的漏电流(充电电流)，用以抑制充放电电池BatR电压上升。为此，充电电流检测用电阻RD的电压下降达到基准电压Vref2以下，恒电流充电用运算放大器122的输出端成为低水准电压。其结果，用电压{Vref1×(r122+r121)/r121}进行恒电压充电，使运算放大器121同相输入端电压等于基准电压Vref1。在此，设r121以及r122分别为电阻R121以及R122的阻抗值。

图1所示电路中使用充电电流检测用电阻RD进行充电电流检测，然而充电电流检测用电阻RD需要使用低阻抗高精度电阻，为此发生了无法将充电电流检测用电阻RD集成到半导体集成电路中的问题。

此外，因充电电流检测用电阻RD的电压下降，存在需要有与该电压下降值相等的高电源电压Vcc的问题。

进而，近年，随着配设USB端口的电脑的普及，对于充放电电池的充电电源，除了以往的AC适配器以外，还出现了使用电脑上配设的USB的Vbus进行充电的要求，为此出现了使用Vbus的充电装置。但是，锂电池充电电压较高，为4.1～4.2V，近年甚至出现了4.33V系列的锂电池。

USB的Vbus的公称电压为5V，电脑USB主连接件输出时的最低电压规格为4.75V。而且在经由集线器的情况下，电压进一步下降。因而如果用作为锂电池充电用电源，则需要有效利用Vbus与充放电电池之间的电压。出于上述原因，最好不采用以往那样的使用充电电流检测用电阻RD的方法。

针对以上所述，例如专利文献2(JP特许第3331777号公报)公开了一种充电电流的检测方法，即利用激励晶体管和生成并输出与该激励晶体管的输出电流成比例的比例电流的镜像晶体管(mirror transistor)，检测该镜像晶体管电流的方法。

此时，上述激励晶体管使用PNP型晶体管，上述镜像晶体管使用具有与该PNP型晶体管发射极面积比不同的PNP型晶体管，进而向具有不同电流比的电流镜像电路提供镜像晶体管的集成电流，在进一步压缩为更小的电流后检测充电电流。

然而，上述电路中存在这样的问题，即，充电电流与检测电流之比随电源电压Vcc与充放电电池BatR之间的电压差而发生变化。为此，出现了当充放电电池BatR电压较低且与电源电压Vcc之间的电压差较大时充电电流变大，而随着充放电电池BatR电压上升充电电流变小的问题。

为了稳定上述比例电流的比值，通常采用将激励晶体管集电极-发射极(场效应晶体管(FET)的场合下为漏极-源极)间电压与镜像晶体管集电极-发射极间电压形成为相等的技术。

然而上述方法中仍然存在下述问题。

图2是一例PMOS(p-channel metal-oxide-semiconductor，P沟金属氧化物半导体场效应晶体管)晶体管用于激励晶体管和镜像晶体管时漏极-源极间电压Vds与漏电流id之间关系的图。在此，设激励晶体管的栅极-源极间电压和镜像晶体管的栅极-源极间电压相同。

如图2所示，在漏极-源极间电压Vds为-1V附近以点线分开的右侧饱和区域中，激励晶体管漏电流和镜像晶体管漏电流之比基本保持一定，但在左侧非饱和区域中该漏电流之比变得较小。

为此，对于充电结束电压需要达到4V以上的充放电电池，如锂电池，用公称5V的USB的Vbus作为电源进行充电时，即便使激励晶体管的漏极-源极间电压和镜像晶体管的漏极-源极间电压相同，随着充电接近结束，充电电流还是变小，其结果依然会造成充电时间增加的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种充电控制电路，其目的在于，在电源电压和充放电电池电压间电压差未达到1V的情况下，也能够正确检测充电电流，用正确的充电电流进行充电。

(1)充电控制电路，用于控制充放电电池充电，其中包括：充电用晶体管，生成与输入到控制电极中的控制信号相应的充电电流，并向充放电电池输出该充电电流；生成比例电流用晶体管，生成并输出与输入到控制电极中的控制信号相应，且与该充电用晶体管输出的充电电流成比例的比例电流；以及，恒电流充电用控制电路部，用于控制充电用晶体管动作，使比例电流成为第一予定值，其特征在于，恒电流充电用控制电路控制生成比例电流用晶体管电流输出端电压，使该生成比例电流用晶体管电流输出端电压与充电用晶体管电流输出端电压之间的电压差成为第二予定值。

(2)根据(1)所述充电控制电路，其特征在于，充电用晶体管以及生成比例电流用晶体管为相同类型的MOS晶体管。

(3)根据(1)所述充电控制电路，其特征在于，恒电流充电用控制电路部用于控制生成比例电流用晶体管的电流输出端电压，使得生成比例电流用晶体管的电流输入端与电流输出端之间的电压差小于充电用晶体管的电流输入端和电流输出端之间的电压差，该电压差差值等于第二予定值。

(4)根据(1)所述充电控制电路，其特征在于，恒电流充电用控制电路部具备：第一晶体管，其电流输入端与生成比例电流用晶体管电流输出端相连接，用于输出相应于控制电极中输入信号的电流；电流控制电路，用于控制第一晶体管动作，使生成比例电流用晶体管电流输出端电压与充电用晶体管电流输出端电压之间的电压差成为第二予定值。

(5)根据(4)所述充电控制电路，其特征在于，恒电流充电用控制电路部具备：电流-电压转换电路部，用于将第一晶体管的电流输出端输出的电流转换为电压；以及，控制电路，用于控制充电用晶体管以及生成比例电流用晶体管的动作，使得该电流-电压转换电路部所转换的电压成为预定电压。

(6)根据(4)所述充电控制电路，其特征在于，电流控制电路由运算放大器形成，其中，各个输入端中分别输入充电用晶体管以及生成比例电流用晶体管的电流输出端电压，该输入中设有偏置电压。

按照本发明充电控制电路，恒电流充电控制电路部控制生成比例电流用晶体管的电流输出端电压，使生成比例电流用晶体管电流输出端电压和充电用晶体管电流输出端电压之间的电压差成为定值即第二予定值。这样，充电用晶体管动作区域即使进入非饱和区域，也能够减小充电用晶体管与生成比例电流用晶体管之间的输出电流之比的变化，在电源电压与充放电电池电压之间的电压差小于1V的情况下，也能够正确检测充电电流，正确进行恒电流充电。

而且，能够使用电源电压与充电结束电压间电压差较小的USB的Vbus电源等进行高精度充电控制。

附图说明

图1是一例现有技术充电电路的电路图。

图2是显示PMOS晶体管的漏极-源极间电压Vds和漏电流id之间关系的图。

图3是一例本发明实施方式的充电控制电路的电路图。

图4是图3所示充电控制电路充电特性的示意图。

具体实施方式

下面利用附图所示的实施方式对本发明作详细说明。

实施方式

图3是本发明实施方式的充电控制电路例示意图。

如图3所示，充电控制电路1用于对连接在输出端子OUT上的充放电电池Bat，如锂电池等进行充电，由包括电源端子VDD、接地端子GND、充电电流设定端子Iadj、以及输出端子OUT的充电控制用IC2、以及电阻Ra构成。电源端子VDD中输入了电源电压Vdd、接地端子GND连接接地电压。此外，输出端子OUT与接地电压之间连接充放电电池Bat，充电电流设定端子Iadj与接地电压之间连接电阻Ra。

充电控制用IC2包括：运算放大器11～13；比较器14；激励晶体管M1，由PMOS晶体管形成，用于控制充电电流；镜像晶体管M2，由PMOS晶体管形成，且用于充电电流检测、NMOS(n-channel metal-oxide-semiconductor，N沟金属氧化物半导体场效应)晶体管M3～M5；基准电压发生电路15，用于生成并输出预定的基准电压Vref；第一参考电压生成电路16，用于生成并输出预定的第一参考电压Vs1；第二参考电压生成电路17，用于生成并输出预定的第二参考电压；转换开关SW1；以及，电阻R1～R5。激励晶体管M1为充电用晶体管，镜像晶体管M2为生成比例电流用的晶体管，NMOS晶体管M4、M5、运算放大器12、13以及电阻Ra构为恒电流充电用控制电路部。NMOS晶体管M5为第一晶体管，运算放大器13为电流控制电路，电阻Ra为电流-电压转换电路，NMOS晶体管M4以及运算放大器12构成控制电路。

激励晶体管M1和镜像晶体管M2的源极分别连接电源端子VDD，其各自的栅极在该连接部和电源端子VDD之间连接上拉用电阻R5。另外激励晶体管M1和镜像晶体管M2各自的连接部和接地端子GND之间串联NMOS晶体管M4和M3。激励晶体管M1的漏极连接输出端子OUT，输出端子OUT与接地端子GND之间串联电阻R1、R2。电阻R1与R2的连接部上连接了恒电流充电控制用运算放大器11的倒相输入端，运算放大器11的同相输入端中输入基准电压Vref，其输出端连接NMOS晶体管M3的栅极。

在镜像晶体管M2的漏极和充电电流设定端子Iadj之间连接NMOS晶体管M5，镜像晶体管M2的漏极连接运算放大器13的同相输入端。运算放大器13的倒相输入端连接输出端子OUT，输出端连接NMOS晶体管M5的栅极。在运算放大器13中的倒相输入端和同相输入端之间预设偏置电压Vof，该偏置电压Vof以同相输入端高于倒相输入端。偏置电压Vof既可设在运算放大器13内部，也可从外部设到运算放大器13的输入端。

恒电流充电控制用运算放大器12中，倒相输入端连接充电电流设定端子Iadj，同相输入端连接转换开关SW1的通用端子C，输出端连接NMOS晶体管M4的栅极。转换开关SW1的端子A和端子B中分别输入了参考电压Vs1和Vs2。输出端子OUT和接地端子GND之间串联电阻R3和R4，该电阻R3和R4之间的连接部连接比较器14的同相输入端。比较器14的倒相输入端中输入基准电压Vref，输出端连接转换开关SW1的控制端子。

当控制端子中输入低水准信号时，转换开关SW1的公用端子C连接端子A，而当控制端子中输入高水准信号时，公用端子连接端子B。参考电压Vs1是充放电电池Bat的电压(以下称为电池电压)Vbat在未达到充电电流转换电压时的充电电流设定用参考电压，参考电压Vs2是电池电压Vbat达到充电电流转换电压以上时的充电电流设定用参考电压。

上述构成中，镜像晶体管M2用于生成比例电流，该比例电流与激励晶体管M1输出的电流成比例，镜像晶体管M2的栅极长度与激励晶体管M1的栅极长度相同，但镜像晶体管M2的栅极宽度则是基于电流比形成为小于激励晶体管M1的栅极宽度。当电池电压Vbat达到充电结束电压时，电阻R1和R2的连接部电压被设为相等于基准电压Vref。当电池电压Vbat达到比充电结束电压小的预定充电电流转换电压时，电阻R3和R4的连接部电压被设为相等于基准电压Vref。当电池电压Vbat为预定电压以下时，出于安全用小电流充电，而当电池电压达到预定电压以上时，则可以用大电流进行高速充电。上述充电电流转换电压即为上述预定电压。

图4是图3所示充电控制电路1的一例充电特性示意图。下面参考图4说明图3所示充电控制电路1的充电动作。图4中，纵轴为充电电流ic，横轴为电池电压Vbat，本图显示了上述充电电流转换电压设为2.9V、上述充电结束电压设为4.3V时的例子。

当电池电压Vbat未满2.9V时，运算放大器11的输出信号为高水准，因此NMOS晶体管M3接通成为导通状态，NMOS晶体管M4的源极连接接地端子GND。

比较器14的同相输入端电压也因小于基准电压Vref，而使得比较器14的输出信号为低水准，转换开关SW1的公用端子C连接端子A。为此，运算放大器12的同相输入端中输入参考电压Vs1，运算放大器12通过NMOS晶体管M4控制激励晶体管M1和镜像晶体管M2的栅极电压，使电阻Ra的电压下降相等于参考电压Vs1。

在此状态下，设K为激励晶体管M1和镜像晶体管M2的漏电流之比，电阻Ra的阻抗为ra时，充电电流ic的电流值ic1成为ic1＝K×(Vs1/ra)。

当电池电压Vbat为2.9V以上4.3V以下时，因运算放大器11的倒相输入端电压小于基准电压Vref，运算放大器11的输出信号保持高水准，NMOS晶体管M3接通，NMOS晶体管M4的源极连接接地端子GND。比较器14同相输出端电压达到基准电压Vref以上，比较器14的输出信号转变为高水准。为此，转换开关C连接端子B，运算放大电流12的同相输入端中被输入参考电压Vs2。这样，运算放大器12经过NMOS晶体管M4控制激励晶体管M1和镜像晶体管M2的栅极电压，使电阻Ra的电压下降等于参考电压Vs2。

在此状态下，充电电流ic的电流值ic2成为ic2＝K×(Vs2/ra)。充电电流ic2的值被设为充电电流ic1的十倍左右。

接着，当电池电压Vbat达到4.3V时，运算放大器11的倒相输入端电压相等于基准电压Vref，运算放大器11的输出电压下降。为此，NMOS晶体管M3的漏极-源极之间的阻抗上升，并且NMOS晶体管M4的源极电压上升。如果NMOS晶体管M4的源极电压上升，则NMOS晶体管M4的漏极电压也上升，从而，激励晶体管M1和镜像晶体管M2的栅极电压分别上升，充电电流ic开始减少。如果充电电流ic减少，则因镜像晶体管M2的漏电流也发生减少，电阻Ra的电压下降减小，成为小于参考电压Vs2。

其结果，运算放大器12的输出信号呈高水准，NMOS晶体管M4接通呈导通状态。这样，运算放大器12和NMOS晶体管M3对激励晶体管M1和镜像晶体管M2进行了控制。当充电电流ic小于预定电流时，激励晶体管M1断开呈截断状态，停止提供充电电流ic，结束充电。

下面说明运算放大器13的动作。

当激励晶体管M1漏极-源极间电压Vds与镜像晶体管M2漏极-源极间电压Vds之间的电压差发生变化时，因沟道长度调制效应的影响，激励晶体管M1的电流和镜像晶体管M2的电流之比发生变化。为此，运算放大器13和NMOS晶体管M5形成为用于控制镜像晶体管M2的电路，使镜像晶体管M2的漏电流保持与激励晶体管M1的漏电流相等。

运算放大器13控制NMOS晶体管M5的栅极电压，使输入到NMOS晶体管M5同相输入端中的镜像晶体管M2的漏电压和输入到倒相输入端中的激励晶体管M1的漏电压相同。

但是，如上所述，运算放大器13的输入中设有几十mV的偏置电压Vof，镜像晶体管M2的漏电压和激励晶体管M1的漏电压不相等，镜像晶体管M2的漏电压高于激励晶体管M1的漏电压，其差值相等于偏置电压值Vof。换而言之，镜像晶体管M2的漏极-源极间电压Vds比激励晶体管M1的漏极-源极间电压Vds小，其差值相等于偏置电压Vof。

从上述图2所示PMOS晶体管的漏极-源极间电压Vds和漏电流id之间的关系可以得知，在饱和区域中由于沟道长度调制效应小，激励晶体管M1的漏电流和镜像晶体管M2的漏电流之比不会因几十mV的偏置电压Vof而受到影响。

对此，漏极-源极间电压Vsd在未达到1V处于非饱和区域时，沟道长度调制效应变大，同时激励晶体管M1一方的漏电流id大幅度减小。为此，当激励晶体管M1的漏电压和镜像晶体管M2的漏电压相等时，激励晶体管M1的漏电流和镜像晶体管M2的漏电流之比变小，减小了充电电流ic。

但是在图3所示充电控制电路1中，由于镜像晶体管M2的漏极-源极间电压Vds小于激励晶体管M1的漏极-源极间电压Vds，其差值为运算放大器13的偏置电压Vof，因此镜像晶体管M2的漏电流id的减少量增大，从而激励晶体管M1的漏电流id即使减小，漏电流之比也几乎不变。可设定偏置电压Vof的值，使得电池电压Vbat达到上述充电结束电压时的激励晶体管M1和镜像晶体管M2之间的漏电流之比成为予定电流比。

如上所述，本实施方式的充电控制电路通过对镜像晶体管M2和激励晶体管M1进行控制，让镜像晶体管M2的漏极-源极间电压Vds小于激励晶体管M1的漏极-源极间电压Vds，激励晶体管M1的动作区域即使进入非饱和区域，也能够减小激励晶体管M1与镜像晶体管M2间漏电流之比的变化，进行正确的恒电流充电。而且能够以电源电压Vdd与充电结束电压之间电压差较小的USB的Vbus作为电源，进行精度良好的充电控制。

Claims (6)

1.充电控制电路，用于控制充放电电池充电，其中包括：

充电用晶体管，用于生成与输入到控制电极中的控制信号相应的充电电流，并向所述充放电电池输出该充电电流；

生成比例电流用晶体管，生成并输出与输入到控制电极中的所述控制信号相应，且与该充电用晶体管输出的所述充电电流成比例的比例电流；以及，

恒电流充电用控制电路部，用于控制所述充电用晶体管动作，使所述比例电流成为第一予定值，

其特征在于，所述恒电流充电用控制电路控制所述生成比例电流用晶体管电流输出端电压，使该生成比例电流用晶体管电流输出端电压与充电用晶体管电流输出端电压之间的电压差成为第二予定值。

2.根据权利要求1所述充电控制电路，其特征在于，所述充电用晶体管以及生成比例电流用晶体管为相同类型的MOS晶体管。

3.根据权利要求1所述充电控制电路，其特征在于，所述恒电流充电用控制电路部用于控制所述生成比例电流用晶体管的电流输出端电压，使得所述生成比例电流用晶体管的电流输入端与电流输出端之间的电压差小于所述充电用晶体管的电流输入端和电流输出端之间的电压差，该电压差差值等于第二予定值。

4.根据权利要求1所述充电控制电路，其特征在于，所述恒电流充电用控制电路部具备：

第一晶体管，其电流输入端与所述生成比例电流用晶体管电流输出端相连接，用于输出相应于控制电极中输入信号的电流；

电流控制电路，用于控制所述第一晶体管动作，使所述生成比例电流用晶体管电流输出端电压与所述充电用晶体管电流输出端电压之间的电压差成为所述第二予定值。

5.根据权利要求4所述充电控制电路，其特征在于，所述恒电流充电用控制电路部具备：

电流-电压转换电路部，用于将所述第一晶体管的电流输出端输出的电流转换为电压；以及，

控制电路，用于控制所述充电用晶体管以及生成比例电流用晶体管的动作，使得该电流-电压转换电路部所转换的电压成为预定电压。

6.根据权利要求4所述充电控制电路，其特征在于，所述电流控制电路由运算放大器形成，其中，各个输入端中分别输入所述充电用晶体管以及生成比例电流用晶体管的电流输出端电压，该输入中设有偏置电压。

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