CN103346597A - 充电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种充电装置，涉及电源技术领域，在充电电流变化时，仍保持较高的充电效率。该充电装置，包括：稳压器；充电功率管，其源极连接于所述稳压器的输出端，其漏极连接于电池正极端，用于产生充电电流；充电控制器，其输出端连接于所述充电功率管的栅极，用于控制所述充电功率管以调节所述充电电流；基准电压模块，用于获取所述充电电流和电池电压并输出基准电压，所述基准电压包含Rm1×Ichg+Vbat，其中Rm1为所述充电功率管的导通阻抗，Ichg为所述充电电流，Vbat为所述电池电压，所述基准电压模块的输出端连接于所述稳压器的基准电压端。

Description

充电装置

技术领域

本发明涉及电源技术领域，尤其涉及一种充电装置。

背景技术

目前，利用电池供电的移动消费终端大量应用于人们的日常生活，例如手机、平板电脑或笔记本等，这些设备通常采用功率路径管理（Power PathManagement）架构进行充放电控制。如图1所示，现有的充电装置包括稳压器1、充电功率管M1和充电控制器2，其中稳压器1用于将输入电压Vin转换为输出电压Vout，输出电压Vout为负载供电的同时通过充电功率管M1产生充电电流Ichg对电池bat充电。如图2所示，为提高充电效率，现有的充电过程中，输出电压与电池电压之间总保持一固定压差，Vov=Vout-Vbat，其中Vbat为电池电压，Vov为输出电压Vout电池电压Vbat之间的压差，横坐标为时间t。现有技术中通常设置Vov为一固定值，例如在充电过程中使Vov保持为200mV，在充电过程中Vout随着Vbat增大而增大，这样在电池电压较低时，也能保持较高的充电效率。输出电压Vout电池电压Vbat之间的最小压差Vov-min=Rm1×Ichg，其中Rm1为充电功率管M1的导通阻抗。只有在Vov=Vov-min，即保持输出电压Vout电池电压Vbat之间的压差为最小值时才能保证充电效率最高，但是由于不同应用场景的需要，充电电流Ichg往往不是一个固定值，而是可以根据寄存器或外部电阻来调整的，因此将Vov设置为固定值时，无法满足在充电电流变化时，仍保持较高的充电效率。

发明内容

本发明提供一种充电装置，在充电电流变化时，仍保持较高的充电效率。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

提供一种充电装置，包括：

稳压器；

充电功率管，其源极连接于所述稳压器的输出端，其漏极连接于电池正极端，用于产生充电电流；

充电控制器，其输出端连接于所述充电功率管的栅极，用于控制所述充电功率管以调节所述充电电流；

基准电压模块，用于获取所述充电电流和电池电压并输出基准电压，所述基准电压包含Rm1×Ichg+Vbat，其中Rm1为所述充电功率管的导通阻抗，Ichg为所述充电电流，Vbat为所述电池电压，所述基准电压模块的输出端连接于所述稳压器的基准电压端。

具体地，所述基准电压模块包括：

第二晶体管，其栅极连接于所述充电功率管的栅极，其源极连接于所述稳压器的输出端，所述充电功率管与第二晶体管的尺寸之比为N∶1，N为大于1的整数；

第一运算放大器，其同相输入端连接于所述充电功率管的漏极，其反向输入端连接于所述第二晶体管的漏极；

第三晶体管，其栅极连接于所述第一运算放大器的输出端，其源极连接于所述第二晶体管的漏极，所述第一运算放大器和第三晶体管用于使所述充电功率管与第二晶体管的漏极电压相等；

第四晶体管，其漏极连接于所述第三晶体管的漏极，其源极接地，其栅极与其漏极连接；

第五晶体管，其栅极连接于所述第四晶体管的栅极，其源极接地，所述第四晶体管的尺寸与第五晶体管的尺寸之比为1∶1；

第六晶体管，其栅极与其漏极连接，其源极连接于电源端，其漏极连接于所述第五晶体管的漏极；

第七晶体管，其栅极连接于所述第六晶体管的栅极，其源极连接于所述电源端，所述第六晶体管和第七晶体管的尺寸之比为1∶1；

第八晶体管，其栅极接地，其源极连接于所述第七晶体管的漏极并作为所述基准电压模块的输出端，其漏极连接于所述电池正极端，所述第二晶体管与第八晶体管的尺寸之比为1∶1。

具体地，还包括：

第九晶体管，其栅极连接于所述第七晶体管的栅极，其源极连接于所述电源端，所述第七晶体管和第九晶体管的尺寸之比为1∶1；

调整电阻，其一端连接于所述第九晶体管的漏极，其另一端接地；

第一电阻，其一端连接于所述电池正极端，其另一端连接于第一节点；

第二电阻，其一端连接于所述第一节点，其另一端接地；

所述充电控制器的电压反馈端连接于所述第一节点，所述充电控制器的电流反馈端连接于所述第九晶体管的漏极。

可选地，还包括：

偏置电流源，其一端连接于所述电源端，其另一端连接于所述第八晶体管的源极。

可选地，所述稳压器包括：

第二运算放大器，其同相输入端为所述稳压器的基准电压端；

第十晶体管，其栅极连接于所述第二运算放大器的输出端，其源极连接于电源端，其漏极连接于所述第二运算放大器的反向输入端；

电容，其一端连接于所述第十晶体管的栅极；

第三电阻，其一端连接于所述电容的另一端，其另一端连接于所述第十晶体管的漏极；

第四电阻，其一端连接于所述第十晶体管的漏极，其另一端连接于第二节点；

第五电阻，其一端连接于所述第二节点，其另一端接地；

第三运算放大器，其同相输入端连接于所述第二节点；

电压变换模块，其第一输入端为所述稳压器的输入端，其第二输入端连接于所述第三运算放大器的输出端，其输出端为所述稳压器的输出端；

第六电阻，其一端连接于所述电压变换模块的输出端，其另一端连接于所述第三运算放大器的反向输入端；

第七电阻，其一端连接于所述第三运算放大器的反向输入端，其另一端接地；

R5×（R6+R7）>R7×（R4+R5），其中，R4为第四电阻的阻值，R5为第五电阻的阻值，R6为第六电阻的阻值，R7为第七电阻的阻值。

具体地，所述稳压器为降压型开关稳压器或者低压差线性稳压器。

优选地，N为1000至10000之间的整数。

具体地，所述充电功率管、第二晶体管、第三晶体管、第六晶体管、第七晶体管和第八晶体管为P型MOSFET；

所述第四晶体管和第五晶体管为N型MOSFET。

具体地，所述第九晶体管为P型MOSFET。

具体地，所述第十晶体管P型MOSFET。

本发明提供的充电装置，通过设置基准电压输出单元使稳压器的基准电压包含Rm1×Ichg+Vbat，使输出电压与电池电压之间的压差始终保持较小值，因此在充电电流Ichg变化时，仍保持较高的充电效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中充电装置的结构框图；

图2为图1的充电装置充电过程中输出电压、电池电压以及充电电流的关系示意图；

图3为本发明实施例一中一种充电装置的结构框图；

图4为本发明实施例二中一种充电装置的电路示意图；

图5为本发明实施例三中一种充电装置的电路示意图；

图6为本发明实施例四中一种充电装置的电路示意图；

图7为本发明实施例五中一种充电装置的电路示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图3所示，本发明实施例提供一种充电装置，包括：稳压器1；充电功率管M1，其源极连接于稳压器1的输出端，其漏极连接于电池bat正极端，用于产生充电电流Ichg，充电电流Ichg即为充电功率管M1的漏极流向电池bat的电流；充电控制器2，其输出端连接于充电功率管M1的栅极，用于控制充电功率管M1以调节充电电流Ichg；基准电压模块3，用于获取所述充电电流和电池电压并输出基准电压Vreg，基准电压Vreg包含Rm1×Ichg+Vbat，其中Rm1为充电功率管M1的导通阻抗，Ichg为所述充电电流，Vbat为所述电池电压，基准电压模块3的输出端连接于稳压器1的基准电压端。

具体地，稳压器1输出以基准电压Vreg为目标值的输出电压Vout，例如基准电压Vreg=Rm1×Ichg+Vbat，则Vout=Vreg=Rm1×Ichg+Vbat，因此在充电电流Ichg变化时，始终保持输出电压Vout与电池电压Vbat之间的压差为最小值。稳压器1具体可以为降压型开关稳压器（BUCK）或者低压差线性稳压器（LDO）。

需要说明的是，上述充电装置可以用于功率路径管理架构的电子产品中，可以用于USB接口的充电及控制，例如用于手机、平板电脑或笔记本等电子产品中。

本发明实施例中的充电装置，通过设置基准电压输出单元使稳压器的基准电压包含Rm1×Ichg+Vbat，使输出电压与电池电压之间的压差始终保持较小值，因此在充电电流Ichg变化时，仍保持较高的充电效率。

实施例二

如图4所示，在实施例一的基础上，上述基准电压模块3可以包括：第二晶体管M2，其栅极连接于充电功率管M1的栅极，其源极连接于稳压器1的输出端，充电功率管M1与第二晶体管M2的尺寸之比为N∶1，N为大于1的整数，N越大则整个电路的功耗越小，作为一种优选方案，通常可以将N设置为1000至10000之间的整数；第一运算放大器T1，其同相输入端连接于充电功率管M1的漏极，其反向输入端连接于第二晶体管M2的漏极；第三晶体管M3，其栅极连接于第一运算放大器T1的输出端，其源极连接于第二晶体管M2的漏极，第一运算放大器T1和第三晶体管M3用于使充电功率管M1与第二晶体管M2的漏极电压相等；第四晶体管M4，其漏极连接于第三晶体管M3的漏极，其源极接地，其栅极与其漏极连接；第五晶体管M5，其栅极连接于第四晶体管M4的栅极，其源极接地，第四晶体管M4的尺寸与第五晶体管M5的尺寸之比为1∶1；第六晶体管M6，其栅极与其漏极连接，其源极连接于电源端，其漏极连接于第五晶体管M5的漏极；第七晶体管M7，其栅极连接于第六晶体管M6的栅极，其源极连接于电源端AVDD，第六晶体管M6和第七晶体管M7的尺寸之比为1∶1；第八晶体管M8，其栅极接地，其源极连接于第七晶体管M7的漏极并作为基准电压模块3的输出端连接于稳压器1的基准电压端，其漏极连接于电池bat正极端，第二晶体管M2与第八晶体管M8的尺寸之比为1∶1。

需要说明的是，充电功率管M1以及第二至第八第晶体管M2～M8均可以为金属氧化层半导体场效晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor,MOSFET），其中，充电功率管M1、第二晶体管M2、第三晶体管M3、第六晶体管M6、第七晶体管M7和第八晶体管M8为P型MOSFET，第四晶体管M4和第五晶体管M5为N型MOSFET。

具体地，上述的晶体管尺寸指晶体管的宽长比，例如充电功率管M1的宽长比与第二晶体管M2的宽长比的比值为N∶1，使第二晶体管M2为充电功率管M1的1/N倍镜像，因此第二晶体管M2漏极流出的电流Ichg’为充电电流Ichg的1/N，由于该电流流过第四晶体管M4，而第五晶体管M5为第四晶体管M4的镜像，因此流过第五晶体管M5的电流也为Ichg’，由于该电流流过第六晶体管M6，而第七晶体管M7为第六晶体管M6的镜像，因此流过第七晶体管M7的电流也为Ichg’，由于第八晶体管M8与充电功率管M1的尺寸之比为1/N，因此Rm8=N×Rm1，其中Rm1为充电功率管M1的导通阻抗，Rm8为第八晶体管M8的导通阻抗，由于电流Ichg’流过第八晶体管M8，因此基准电压：

Vreg=Rm8×Ichg'+Vbat=N×Rm1×Ichg/N+Vbat=Rm1×Ichg+Vbat，

稳压器的输出电压Vout=Vreg=Rm1×Ichg+Vbat。

本发明实施例中的充电装置，通过设置基准电压输出单元使稳压器的基准电压包含Rm1×Ichg+Vbat，使输出电压与电池电压之间的压差始终保持较小值，因此在充电电流Ichg变化时，仍保持较高的充电效率。

实施例三

如图5所示，在实施例二的基础上，上述充电装置还包括：第九晶体管M9，其栅极连接于第七晶体管M7的栅极，其源极连接于电源端AVDD，第七晶体管M7和第九晶体管M9的尺寸之比为1∶1；调整电阻Rset，其一端连接于第九晶体管M9的漏极，其另一端接地；第一电阻R1，其一端连接于电池bat正极端，其另一端连接于第一节点O1；第二电阻R2，其一端连接于第一节点O1，其另一端接地；充电控制器2的电压反馈端CV_FB连接于第一节点O1，充电控制器2的电流反馈端CC_FB连接于第九晶体管M9的漏极；充电控制器2还包括参考电压端用于接收参考电压Vref。

具体地，由于第九晶体管M9为第七晶体管M7的镜像，因此流过第九晶体管M9的电流也为Ichg’，同时该电流也流过调整电阻Rset，通过设置调整电阻Rset的阻值即可将电流Ichg’在调整电阻Rset上产生的电压反馈至充电控制器2的电流反馈端CC_FB，从而对充电电流进行调整，实现恒流充电；第一电阻R1和第二电阻R2用于将电池电压Vbat分压并反馈至充电控制器2的电压反馈端CV_FB，从而对充电电流进行调整，实现恒压充电。

第九晶体管M9可以为P型MOSFET。基准电压模块的具体结构和工作原理可以与上述实施例相同，在此不再赘述。

本发明实施例中的充电装置，通过设置基准电压输出单元使稳压器的基准电压包含Rm1×Ichg+Vbat，使输出电压与电池电压之间的压差始终保持较小值，因此在充电电流Ichg变化时，仍保持较高的充电效率。

实施例四

如图6所示，在实施例二或实施例三的基础上，上述充电装置还可以包括：偏置电流源G，其一端连接于电源端AVDD，其另一端连接于第八晶体管M8的源极，用于提供流过第八晶体管M8的偏置电流Ib。

具体地，由于实施例二或实施例三的充电装置可能会出现充电电流为0的简并点，即如果充电电流Ichg=0，则稳压器的输出电压Vout等于电池电压Vbat，由于充电功率管M1的源漏电压差为0，充电电流就不会产生，这样整个充电装置进入一种死锁状态，不会启动充电。而本实施例中，当充电电流Ichg为0时，第八晶体管M8增加偏执电流Ib，因此Vreg=Vbat+Ib×Rm8=Vout，通过人为的加入偏差使Vout>Vbat，从而使整个电路启动。

基准电压模块的具体结构和工作原理可以与实施例二或实施例三类似，区别仅在于，由于加入了偏置电流，因此稳压器的输出电压：

Vout=Rm1×Ichg+Rm8×Ib+Vbat。

本发明实施例中的充电装置，通过设置基准电压输出单元使稳压器的基准电压包含Rm1×Ichg+Vbat，使输出电压与电池电压之间的压差始终保持较小值，因此在充电电流Ichg变化时，仍保持较高的充电效率。并且避免了在充电电流为0时充电装置锁死的状态。

实施例五

如图7所示，在实施例二或实施例三的基础上，上述稳压器1可以包括：第二运算放大器T2，其同相输入端为稳压器1的基准电压端；第十晶体管M10，其栅极连接于第二运算放大器T2的输出端，其源极连接于电源端AVDD，其漏极连接于第二运算放大器T2的反向输入端；电容C1，其一端连接于第十晶体管M10的栅极；第三电阻R3，其一端连接于电容C1的另一端，其另一端连接于第十晶体管M10的漏极；第四电阻R4，其一端连接于第十晶体管M10的漏极，其另一端连接于第二节点O2；第五电阻R5，其一端连接于第二节点O2，其另一端接地；第三运算放大器T3，其同相输入端连接于第二节点O2；电压变换模块4，其第一输入端为稳压器1的输入端，其第二输入端连接于第三运算放大器T3的输出端，其输出端为稳压器1的输出端；第六电阻R6，其一端连接于电压变换模块4的输出端，其另一端连接于第三运算放大器T3的反向输入端；第七电阻R7，其一端连接于第三运算放大器T3的反向输入端，其另一端接地；R5×（R6+R7）>R7×（R4+R5），该公式中，R4为第四电阻R4的阻值，R5为第五电阻R5的阻值，R6为第六电阻R6的阻值，R7为第七电阻R7的阻值。

具体地，第三运算放大器T3的同相输入端电压

第三运算放大器T3的反向输入端电压

由于Vout_fb=Vreg_fb，即 $\frac{R5}{R4+R5}\×(\mathrm{Rm}8\×\frac{\mathrm{Ichg}}{N}+\mathrm{Vbat})=\frac{R7}{R6+R7}\×\mathrm{Vout},$ 并且R5×（R6+R7）>R7×（R4+R5），因此在充电电流Ichg为0时，Vout>Vbat，从而使整个电路启动。

第十晶体管M10可以为P型MOSFET。基准电压模块的具体结构和工作原理可以与实施例二或实施例三类似，区别仅在于，由于改变了稳压器的输出端和基准电压端的反馈比例，因此稳压器的输出电压：

$\mathrm{Vout}=\frac{R5(R6+R7)}{R7(R4+R5)}\×\mathrm{Vreg}=\frac{R5(R6+R7)}{R7(R4+R5)}\×(\mathrm{Rml}\×\mathrm{Ichg}+\mathrm{Vbat})\·$

本发明实施例中的充电装置，通过设置基准电压输出单元使稳压器的基准电压包含Rm1×Ichg+Vbat，使输出电压与电池电压之间的压差始终保持较小值，因此在充电电流Ichg变化时，仍保持较高的充电效率。并且避免了在充电电流为0时充电装置锁死的状态。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种充电装置，其特征在于，包括：

稳压器；

充电功率管，其源极连接于所述稳压器的输出端，其漏极连接于电池正极端，用于产生充电电流；

充电控制器，其输出端连接于所述充电功率管的栅极，用于控制所述充电功率管以调节所述充电电流；

基准电压模块，用于获取所述充电电流和电池电压并输出基准电压，所述基准电压包含Rm1×Ichg+Vbat，其中Rm1为所述充电功率管的导通阻抗，Ichg为所述充电电流，Vbat为所述电池电压，所述基准电压模块的输出端连接于所述稳压器的基准电压端。

2.根据权利要求1所述的充电装置，其特征在于，

所述基准电压模块包括：

第二晶体管，其栅极连接于所述充电功率管的栅极，其源极连接于所述稳压器的输出端，所述充电功率管与第二晶体管的尺寸之比为N∶1，N为大于1的整数；

第一运算放大器，其同相输入端连接于所述充电功率管的漏极，其反向输入端连接于所述第二晶体管的漏极；

第三晶体管，其栅极连接于所述第一运算放大器的输出端，其源极连接于所述第二晶体管的漏极，所述第一运算放大器和第三晶体管用于使所述充电功率管与第二晶体管的漏极电压相等；

第四晶体管，其漏极连接于所述第三晶体管的漏极，其源极接地，其栅极与其漏极连接；

第五晶体管，其栅极连接于所述第四晶体管的栅极，其源极接地，所述第四晶体管的尺寸与第五晶体管的尺寸之比为1∶1；

第六晶体管，其栅极与其漏极连接，其源极连接于电源端，其漏极连接于所述第五晶体管的漏极；

第七晶体管，其栅极连接于所述第六晶体管的栅极，其源极连接于所述电源端，所述第六晶体管和第七晶体管的尺寸之比为1∶1；

第八晶体管，其栅极接地，其源极连接于所述第七晶体管的漏极并作为所述基准电压模块的输出端，其漏极连接于所述电池正极端，所述第二晶体管与第八晶体管的尺寸之比为1∶1。

3.根据权利要求2所述的充电装置，其特征在于，还包括：

第九晶体管，其栅极连接于所述第七晶体管的栅极，其源极连接于所述电源端，所述第七晶体管和第九晶体管的尺寸之比为1∶1；

调整电阻，其一端连接于所述第九晶体管的漏极，其另一端接地；

第一电阻，其一端连接于所述电池正极端，其另一端连接于第一节点；

第二电阻，其一端连接于所述第一节点，其另一端接地；

所述充电控制器的电压反馈端连接于所述第一节点，所述充电控制器的电流反馈端连接于所述第九晶体管的漏极。

4.根据权利要求2所述的充电装置，其特征在于，还包括：

偏置电流源，其一端连接于所述电源端，其另一端连接于所述第八晶体管的源极。

5.根据权利要求2所述的充电装置，其特征在于，所述稳压器包括：

第二运算放大器，其同相输入端为所述稳压器的基准电压端；

第十晶体管，其栅极连接于所述第二运算放大器的输出端，其源极连接于电源端，其漏极连接于所述第二运算放大器的反向输入端；

电容，其一端连接于所述第十晶体管的栅极；

第三电阻，其一端连接于所述电容的另一端，其另一端连接于所述第十晶体管的漏极；

第四电阻，其一端连接于所述第十晶体管的漏极，其另一端连接于第二节点；

第五电阻，其一端连接于所述第二节点，其另一端接地；

第三运算放大器，其同相输入端连接于所述第二节点；

电压变换模块，其第一输入端为所述稳压器的输入端，其第二输入端连接于所述第三运算放大器的输出端，其输出端为所述稳压器的输出端；

第六电阻，其一端连接于所述电压变换模块的输出端，其另一端连接于所述第三运算放大器的反向输入端；

第七电阻，其一端连接于所述第三运算放大器的反向输入端，其另一端接地；

R5×（R6+R7）>R7×（R4+R5），其中，R4为第四电阻的阻值，R5为第五电阻的阻值，R6为第六电阻的阻值，R7为第七电阻的阻值。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的充电装置，其特征在于，

所述稳压器为降压型开关稳压器或者低压差线性稳压器。

7.根据权利要求2至5中任意一项所述的充电装置，其特征在于，

N为1000至10000之间的整数。

8.根据权利要求2至5中任意一项所述的充电装置，其特征在于，

所述充电功率管、第二晶体管、第三晶体管、第六晶体管、第七晶体管和第八晶体管为P型MOSFET；

所述第四晶体管和第五晶体管为N型MOSFET。

9.根据权利要求3所述的充电装置，其特征在于，

所述第九晶体管为P型MOSFET。

10.根据权利要求5所述的充电装置，其特征在于，

所述第十晶体管P型MOSFET。

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