CN102545314B - 一种开关式充电器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种开关式充电器，用以减少芯片封装管脚，简化PCB板布线，节省产品成本。本发明提供的一种开关式充电器包括电源开关、脉宽调制发生器、GM放大器、信号放大器、电阻、电感、电容和充电输出端，所述电阻串联于所述开关式充电器的电压输入端和所述电源开关之间；所述电感串联于所述电源开关和所述充电输出端之间；所述开关式充电器还包括一受控开关，该受控开关的控制端与所述脉宽调制发生器的信号输出端相连，该受控开关的两连接端分别与所述脉宽调制发生器的输入端和所述GM放大器的输出端相连。
Description
技术领域
本发明涉及电路技术领域，尤其涉及一种开关式充电器。
背景技术
开关式充电器在恒流充电过程中对电感电流进行控制，为达到这个目的，现有技术中会在电感电流通路上串接电阻，用于把电感电流信号感应到充电控制芯片内部，然后把该信号与参考信号输入误差放大器，由误差放大器将电感电流信号与参考信号间的误差做积分放大后反馈给环路控制电路，实现可控的恒流输出。
如图1所示，A1是信号放大器，会对电阻Rsense两端的电压信号放大K倍，输出得到信号103。放大后的电流检测信号103会与参考信号VREF(该信号由系统根据需求提供，可以由带隙基准电路提供)通过跨导放大器(GM放大器，即前面所述的误差放大器)产生输出与其正、负端输入电压信号成比例的电流，该电流在电容C1处积分产生电压信号104，并输入给脉宽调制(Pulse-Width Modulation，PWM)发生器(Generator)，用于脉宽调制产生方波，驱动信号控制电源开关(Power Switch)的导通和截止。其中的VIN是开关式充电器的电压输入端。
如图2所示，为恒流充电时信号103与VREF的关系示意图，此时信号103的平均值等于VREF，在一个开关周期内，信号103高于VREF的部分与VREF围成的面积，与信号103低于VREF部分与VREF围成的面积相等，这样在一个开关周期内，GM放大器对电容C1注入的电荷量与抽出的电荷量相等，信号104的电压维持不变。如果信号103的平均值低于VREF，在一个开关周期内，信号103高于VREF的部分与VREF围成的面积，小于信号103低于VREF部分与VREF围成的面积，这样在一个开关周期内GM放大器对电容C1注入的电荷量大于抽出的电荷量，信号104电压上升。如果信号103的平均值高于VREF，在一个开关周期内，信号103高于VREF部分与VREF围成的面积，大于信号103低于VREF部分与VREF围成的面积，这样在一个开关周期内GM放大器对电容C1注入的电荷量小于抽出的电荷量，信号104电压下降。
所以，当信号104的电压升高时，说明流过电感L的电流低于期望值，PWMGenerator输出的驱动信号控制Power Switch的导通时间与截止时间的比例上升，使得流经电感L的平均电流上升；反之，当信号104的电压降低时，说明流过电感L的电流高于期望值，PWM Generator输出的驱动信号控制PowerSwitch的导通时间与截止时间的比例下降，使得流经电感L的平均电流下降。
现有技术中的开关式充电器，由于电感L难以集成到控制芯片内部，导致使用芯片内部集成的采样电阻Rsense，对电感电流采样时需要额外一个芯片管脚，作为信号101从芯片内部Rsense到芯片外部电感连接的桥梁，因此，使得印制电路板(Printed Circuit Board，PCB)的布线较为复杂，产品成本较高。
发明内容
本发明实施例提供了一种开关式充电器，用以减少芯片封装管脚，简化PCB板布线，节省产品成本。
本发明实施例提供的一种开关式充电器，包括电源开关、脉宽调制发生器、GM放大器、信号放大器、电阻、电感、电容和充电输出端，所述电阻串联于所述开关式充电器的电压输入端和所述电源开关之间；所述电感串联于所述电源开关和所述充电输出端之间；所述开关式充电器还包括一受控开关，该受控开关的控制端与所述脉宽调制发生器的信号输出端相连，该受控开关的两连接端分别与所述脉宽调制发生器的输入端和所述GM放大器的输出端相连。
本发明实施例提供的该开关式充电器，减少了芯片封装管脚，简化PCB板布线，从而节省产品成本。
附图说明
图1为现有技术中的开关式充电器的电路结构示意图；
图2为现有技术中恒流充电时的开关式充电器的信号放大器输出的信号与VREF的关系示意图；
图3为本发明实施例提供的开关式充电器的电路结构示意图；
图4为本发明实施例提供的恒流充电时的开关式充电器的信号放大器输出的信号与VREF的关系示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种开关式充电器，用以减少芯片封装管脚，简化PCB板布线，节省产品成本。
本发明实施例中，通过变换Rsense的位置，使得只检测流过Power Switch的电流，并通过对GM放大器输出信号的非连续积分，避开因为Rsense变换位置导致的信号失真。
参见图3，本发明实施例提供的一种开关式充电器，包括电源开关PowerSwitch、脉宽调制发生器PWM Generator、GM放大器、信号放大器A1、电阻Rsense、电感L、电容C1和充电输出端，其中：
所述电阻Rsense串联于所述开关式充电器的电压输入端VIN和所述电源开关Power Switch之间；
所述电感L串联于所述电源开关Power Switch和待充电的电池之间，也就是串联于所述电源开关Power Switch与充电输出端之间，其中，所述的充电输出端，即与待充电的电池Battery的正极相连接的输出端。
所述开关式充电器还包括受控开关SW，该受控开关SW的控制端与所述脉宽调制发生器PWM Generator的信号输出端相连，该受控开关的两连接端分别与所述脉宽调制发生器PWM Generator的输入端和所述GM放大器的输出端相连。
所述脉宽调制发生器PWM Generator的输入端与所述电容C1的一端连接，所述脉宽调制发生器PWM Generator基于所述电容C1的电压产生并输出脉宽调制信号，用于控制所述电源开关Power Switch的导通或截止，以及所述受控开关SW的导通或截止，其中，所述电源开关Power Switch导通时，所述受控开关SW也导通，所述电源开关Power Switch关闭时，所述受控开关SW也截止。
本发明实施例中，电源开关Power Switch的导通电阻越小越好，但是导通电阻越小，面积会变大，脉宽调制发生器PWM Generator输出占空比0～100％的脉冲信号，通常频率范围是几百KHZ～4MHz级别，电感通常取值为uH量级，电容越小越好，本发明实施例中使用pF量级，输入电压VIN要比满电量电池电压高。例如，如果充电对象是单节锂离子电池，通常VIN为5V左右电源。
较佳地，所述电阻Rsense串联于所述开关式充电器的电压输入端VIN和所述电源开关Power Switch之间，具体为：
所述电阻Rsense的一端与所述开关式充电器的电压输入端VIN相连，所述电阻Rsense的另一端与所述电源开关Power Switch的源极相连。
较佳地，所述信号放大器A1对所述电阻Rsense上的压降进行放大并输出，所述GM放大器的一个输入端连接一参考电压VREF，另一个输入端连接所述信号放大器A1的输出端。
较佳地，所述GM放大器基于所述参考电压VREF产生第一电流，基于所述信号放大器A1输出的电压产生第二电流，在所述受控开关SW导通时，第一电流和第二电流中的一个电流经过所述受控开关SW对所述电容C1进行充电，另一个电流经过所述受控开关SW对所述电容C1进行放电。
较佳地，第一电流与所述参考电压VREF成正比，第二电流与所述信号放大器A1输出的电压成正比。
较佳地，所述电阻Rsense的两端，分别与所述信号放大器A1的两个输入端相连。
较佳地，所述电感L串联于所述电源开关Power Switch和所述充电输出端之间，具体为：
所述电感L的一端与所述电源开关Power Switch的漏极相连，所述电感L的另一端与所述充电输出端相连。
较佳地，所述脉宽调制发生器，用于根据电容电压产生一定占空比的脉宽调制信号，比如约1MHz的方波信号，该脉宽调制信号的占空比受到输入电压信号(即电容电压)的控制，比如输入电压信号范围为(VA，VB)，其中，VA＜VB，那么，在(VA，VB)窗口内，输入电压信号越高，脉宽调制发生器的输出脉冲的占空比越大，如果输入电压信号小于VA，输出脉冲的占空比为0，如果输入电压信号大于VB，输出脉冲的占空比为100％。
较佳地，在所述电源开关Power Switch与地之间，还包括一个二极管D1。由于电感电流是连续变化的，当电源开关Power Switch截止时，二极管D1代替电源开关Power Switch作为电感电流通路。
本发明实施例提供的开关式充电器，工作在恒流充电时的电感L的电流波形示意图如图4所示，当电感L的电流工作于连续模式时，电感L的电流的上升阶段的电流平均值，就等于整个周期的电感平均电流，所以只要获取了电感L的电流的上升阶段的信息，就等同于获取了开关Power Switch整个周期的平均电流信息，那么，就可以仅通过检测电感L的电流的上升阶段电流，作为反馈信号来进行环路调节。
因此，本发明实施例中，如图3所示，电阻Rsense改换了位置，只与电源开关Power Switch串联，这样做使得信号放大器A1的输入信号202成为了芯片内部信号，不再需要额外的管脚，同时，也使得电阻Rsense只能在电源开关Power Switch导通的时候检测到流过电感L的电流，而当电源开关PowerSwitch截止的时候，电阻Rsense检测到的电流立刻变为0。所以当电源开关Power Switch截止时，电阻Rsense两端的电压不再带有电感电流的信息，所以在本发明实施例中，在GM放大器输出端与电容C1之间串连了一个受控开关SW，当脉宽调制发生器PWM Generator输出信号使电源开关Power Switch导通时，受脉宽调制发生器PWM Generator输出信号控制，受控开关SW也导通，允许GM放大器输出电流信号在电容C1上积分，而当电源开关PowerSwitch截止时，受控开关SW同时截止，禁止GM放大器对电容C1输出无益于环路控制的电流。
参见图4，在环路稳定的情况下，电源开关Power Switch的每个开关周期，在电源开关Power Switch导通阶段，信号203，即信号放大器A1输出的信号，低于VREF的部分，与VREF围成的面积，等于信号203高于VREF的部分与VREF围成的面积。
本发明实施例中所述的电源开关Power Switch，可以是以P沟道耗尽型场效应晶体管(PMOS)，也可以是带有bootstrap结构的驱动电路的N沟道耗尽型场效应晶体管(NMOS)。
综上所述，本发明实施例提供的该开关式充电器，通过仅选取电源开关Power Switch导通阶段与参考电压的误差积分，使得电路设计中允许只采样电源开关Power Switch导通时段的电流信号，减少了芯片封装管脚，简化PCB板布线，从而节省产品成本。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种开关式充电器，包括电源开关、脉宽调制发生器、GM放大器、信号放大器、电阻、电感、电容和充电输出端，其特征在于：
所述电阻串联于所述开关式充电器的电压输入端和所述电源开关之间；
所述电感串联于所述电源开关和所述充电输出端之间；
所述开关式充电器还包括一受控开关，该受控开关的控制端与所述脉宽调制发生器的信号输出端相连，该受控开关的两连接端分别与所述脉宽调制发生器的输入端和所述GM放大器的输出端相连。
2.根据权利要求1所述的开关式充电器，其特征在于，所述脉宽调制发生器的输入端与所述电容的一端连接，所述脉宽调制发生器基于所述电容的电压产生并输出脉宽调制信号，用于控制所述电源开关的导通或截止，以及所述受控开关的导通或截止，其中，所述电源开关导通时，所述受控开关也导通，所述电源开关关闭时，所述受控开关也截止。
3.根据权利要求2所述的开关式充电器，其特征在于，所述电阻的两端分别与所述信号放大器的两个输入端相连。
4.根据权利要求3所述的开关式充电器，其特征在于，所述信号放大器对所述电阻上的压降进行放大并输出，所述GM放大器的一个输入端连接一参考电压，另一个输入端连接所述信号放大器的输出端。
5.根据权利要求4所述的开关式充电器，其特征在于，所述GM放大器基于所述参考电压产生第一电流，基于所述信号放大器输出的电压产生第二电流，在所述受控开关导通时，第一电流和第二电流中的一个电流经过所述受控开关对所述电容进行充电，另一个电流经过所述受控开关对所述电容进行放电。
6.根据权利要求5所述的开关式充电器，其特征在于，第一电流与所述参考电压成正比，第二电流与所述信号放大器输出的电压成正比。
7.根据权利要求1所述的开关式充电器，其特征在于，所述电源开关，为P沟道耗尽型场效应晶体管PMOS，或N沟道耗尽型场效应晶体管NMOS。
8.根据权利要求7所述的开关式充电器，其特征在于，所述电感串联于所述电源开关和所述充电输出端之间，具体为：
所述电感的一端与所述电源开关的漏极相连，所述电感的另一端与所述充电输出端相连。
9.根据权利要求1所述的开关式充电器，其特征在于，在所述电源开关与地之间，还包括一个二极管。
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