CN103607009A - 一种带自动保护功能的充放电电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种带自动保护功能的充放电电路，其包括电源输入端、电源输出端、电池、充电模块以及升压模块，其中，充电模块包括：包含充电电流检测单元、输入电压检测单元、电压比较单元以及充电控制单元的充电器、电池电压反馈单元以及连接在电源输入端与电池之间的第一开关单元；所述升压模块包括：包含电池电压检测单元、放电电流检测单元以及升压控制单元的升压转换器、输出电压反馈单元、功率开关管以及第二开关单元。本发明的充放电电路在实现自动保护功能的同时又能减少器件，从而缩小了电路的整体面积，节省了成本、降低了电路复杂度，提高了电路的可靠性。

Description

一种带自动保护功能的充放电电路

技术领域

本发明涉及集成电路领域，尤其涉及一种带自动保护功能的充放电电路。

背景技术

为了实现移动电源的充电、放电及保护功能，传统的电路一般由三部分组成，如图1所示，其包括：一由充电器101和衬底可切换的P型场效应管102构成的充电模块，一由保险丝103、电池保护芯片111和背靠背的N型场效应管112构成的用于对电池104进行保护的电池保护模块，以及一由升压转换器105、电感106、N型场效应管107、整流二极管108、反馈电阻109和110构成的升压模块。

下面以电池104为锂电池（但不限于锂电池）为例来说明传统充放电电路的工作原理：

由交流市电通过电源适配器或其它任何途径转换成的5伏输入电压源连接至P型场效应管102和充电器101，然后通过保险丝103给电池104充电，其中，充电器101是用于实现充电控制的集成电路芯片，P型场效应管102可以是外置的，也可以集成在充电器101中。电池104的负极通过两个背靠背相连的常规衬底不可切换的N型场效应管112接地。电池保护芯片111通过检测电池104的充电电压、充电电流以及电池温度并相应地控制N型112的栅极来实现在充电过程中对电池104的过流、过压等异常工作状态的保护。同样，电池保护芯片111在电池104的放电过程中也会执行过流、过放电、过温等异常工作状态的保护。其中，电池保护芯片111是一个电池保护集成电路芯片，N型场效应管112可以是分立的半导体器件，也可以是集成在电池保护芯片111内的器件。电池104的正极通过保险丝103连接至升压转换器105与电感106相连的一端，升压转换器105通过反馈电阻109和110来检测电源输出端的电压，并相应地控制N型场效应管107的开关占空比，从而将电池104输出的低于5伏的电压升压至可以为其它移动电源进行充电的5伏输出的电压，通过USB接口为用电设备进行供电。其中，升压转换器105是用于进行升压转换的集成电路芯片。N型场效应管107、反馈电阻109和110可以是外置的半导体器件和无源器件，也可以是集成在升压转换集成电路芯片105中的器件。

在上述电路中，充电器101的主要功能为：降低输入电压、调整充电电流、调整电池电压、以及在输入电压过低时切换衬底以将电池与电源输入端隔离。电池保护芯片111的主要功能为：充电电流保护、放电电流保护、过压保护、以及欠压（过放电）保护。升压转换器105的主要功能为：控制输入电流以及调整输出电压。由此可见，在现有技术中，为了实现对移动电源的充电、放电控制及自动保护功能，至少需要保险丝103、背靠背的N型场效应管112以及三个独立的集成电路芯片——充电器101、升压转换器105和电池保护芯片111，从而导致电路复杂且成本高。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种带自动保护功能的充放电电路，以在实现现有充放电电路的自动保护功能的同时，又能减少器件的使用，从而缩小电路的整体面积，节省成本、降低电路复杂度，提高电路的可靠性。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种带自动保护功能的充放电电路，其包括电源输入端、电源输出端、电池、充电模块以及升压模块，

所述充电模块包括：

一充电器，其包括一用于测量所述电源输入端的电流的充电电流检测单元、一连接至所述电源输入端的输入电压检测单元、一连接在所述电源输入端与所述电池的正极之间的电压比较单元以及一分别连接至所述充电电流检测单元、所述输入电压检测单元以及所述电压比较单元的充电控制单元；

一连接在所述电池的正极与地之间并与所述充电控制单元连接的电池电压反馈单元；以及

一连接在所述电源输入端与所述电池的正极之间的第一开关单元，其与所述充电控制单元相连，以使所述充电控制单元根据所述充电电流检测单元、所述输入电压检测单元、所述电压比较单元以及所述电池电压反馈单元输出的结果调整所述第一开关单元输出的电流和电压的大小或者控制所述第一开单元打开或关闭；

所述升压模块包括：

一升压转换器，其包括一连接至所述电池的正极的电池电压检测单元、一用于检测所述电池放电电流的放电电流检测单元以及一连接至所述放电电流检测单元和所述输出电压反馈单元的升压控制单元；

一连接在所述电源输出端与地之间并与所述输出控制单元连接的输出电压反馈单元；

一连接在所述电源输出端与地之间的功率开关管，其与所述升压控制单元相连，以使所述升压控制单元根据所述电池电压检测单元、所述放电电流检测单元和所述输出电压反馈单元输出的结果调整所述功率开关管的占空比；以及

一连接在所述电池的正极与所述电源输出端之间的第二开关单元，其与所述升压控制单元相连，以使所述升压控制单元根据所述电池电压检测单元、所述放电电流检测单元以及所述输出电压反馈单元输出的结果控制所述第二开关单元打开或关闭。

进一步地，所述第一开关单元包括一衬底可切换的场效应管、或者包括两个背靠背相连的衬底不可切换的场效应管、或者包括一三极管。

前述一种带自动保护功能的充放电电路，所述第二开关单元包括一衬底可切换的场效应管、或者包括两个背靠背相连的衬底不可切换的场效应管、或者包括一三极管，其中，所述功率开关管通过所述第二开关单元与所述电源输出端连接。

进一步地，所述升压模块还包括一连接在所述电池的正极与所述第二开关单元的输入端之间的电感。

前述一种带自动保护功能的充放电电路，所述第二开关单元为一衬底不可切换的场效应管，所述升压模块还包括一连接在所述第二开关单元的输出端与所述电源输出端之间的整流二极管，其中，所述功率开关管通过所述整流二极管与所述电源输出端连接。

进一步地，所述升压模块还包括一连接在所述第二开关单元的输出端与所述整流二极管的阳极之间的电感。

进一步地，所述升压模块还包括一连接在所述电池的正极与所述第二开关单元的输入端之间的电感。

前述一种带自动保护功能的充放电电路，该充放电电路还包括一连接在所述电池的正极与地之间的第一输入电容、一连接在所述电源输入端与地之间的第二输入电容以及一连接在所述电源输出端与地之间的输出滤波电容。

优选地，所述电池电压反馈单元包括串联在所述电池的正极与地之间的第一电池电压反馈电阻和第二电池电压反馈电阻，且所述充电控制单元与所述第一电池电压反馈电阻和所述第二电池电压反馈电阻的连接点相连。

优选地，所述输出电压反馈单元包括串联在所述电源输出端与地之间的第一输出电压反馈电阻和第二输出电压反馈电阻，且所述升压控制单元与所述第一输出电压反馈电阻和所述第二输出电压反馈电阻的连接点相连。

前述一种带自动保护功能的充放电电路，所述功率开关管为场效应管。

进一步地，所述充电器和所述升压转换器分别集成在两个芯片中。

进一步地，所述充电器和所述升压转换器集成在同一芯片中。

综上所述，本发明的充放电电路可以将充电电流保护、放电电流保护、过压保护、以及欠压保护等功能分别集成在了充电器和升压转换器中，因此与现有技术相比，本发明的充放电电路在确保能够实现现有充放电电路的全部功能的前提下，省略了由保险丝、电池保护芯片和背靠背的N型场效应管组成的电池保护模块，从而节省了成本，提高了产品的利润空间、提升了产品的竞争力，而且使得整个电路的面积减小，进而减小了产品的体积，提高了产品的便携性，同时由于减少了芯片和半导体器件的使用，使得电路设计更加简单，提高了电路的可靠性。

附图说明

图1为现有技术的充放电电路的电路原理图；

图2为本发明带自动保护功能的充放电电路的一个实施例的电路原理图；

图3为图2中的充电升压电路的电路原理图；

图4为本发明带自动保护功能的充放电电路的另一个实施例的电路原理图；

图5为图4中的充电升压电路的电路原理图。

具体实施方式

下面根据附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。

图2和图3示出了本发明的充放电电路的一个实施例，如图所示，该充放电电路包括一电源输入端In、一电源输出端Out、一电池3、一由充电模块和升压模块组成的充电升压电路4，下面对其电路结构进行具体描述：

如图3所示，本实施例中的充电模块包括一连接在电源输入端（节点I）与电池3的正极(节点B)之间并连接至地GND的充电器42，该充电器42包括一用于测量电源输入端的电流的充电电流检测单元421、一连接至节点I并用于测量电压的输入电压检测单元423、一连接在节点I与电池3的正极之间以比较输入端电压与电池3电压的电压比较单元424、一用于监测电池3的异常情况的异常监测单元425以及一充电控制单元422，其中，充电电流检测单元421、输入电压检测单元423、电压比较单元424、异常监测单元425分别连接至充电控制单元422。

此外，充电模块还包括一连接在节点I与电池3正极之间的第一开关单元41以及一连接在电池3正极与地之间的电池电压反馈单元43，其中，电池电压反馈单元43和第一开关单元41同样与充电控制单元422相连，以使充电控制单元422可以根据充电电流检测单元421、输入电压检测单元423、电压比较单元424、异常监测单元425以及电池电压反馈单元43输出的结果调整第一开关单元41输出的电流或电压的大小或者控制第一开关单元41打开或关闭。

在本实施例中，第一开关单元41优选衬底可切换的P型场效应管，其控制端与充电控制单元422连接，其衬底分别通过开关1411、1412与电源输入端和电池3连接；电池电压反馈单元43包括串联在正极(节点B)电池3的正极与地之间的第一电池电压反馈电阻431和第二电池电压反馈电阻432，且正极(节点B)充电控制单元422与正极(节点B)第一电池电压反馈电阻431和正极(节点B)第二电池电压反馈电阻431的连接点相连。

上述充电模块主要用于将由交流市电通过电源适配器或其它途径转换过来的输入电压（如5伏电压）以线性或者开关降压模式降低到一个适用于电池3充电的电压，同时其还能实现自动保护功能，工作原理如下：

首先检测电源输入端的输入电压以及电池3正极的电池电压，如果输入电压低于或高于预设的电压值、或低于电池3的电压值、或者不符合充电控制单元422中所预设的其它输入电压范围，则充电控制单元422将关闭衬底可切换的P型场效应管41并且将其衬底切换到输入端或电池3正极中的电位较高的一端，从而使输入端与电池3隔离，以实现充电保护功能。

如果检测到输入电压满足要求，则充电器42将给电池3进行充电，同时通过第一、第二充电反馈电阻431、432监测电池3的电压，以确定电池3当前处于哪个充电阶段，然后通过调整衬底可切换的P型场效应管41的栅极电压将充电电流控制在需要的范围内，具体来说，当反馈回的电池电压低于预充电电压阈值时，充电器42以正常恒流充电阶段10%的电流对电池3进行预充电，当电池3电压高于预充电电压阈值而小于最高电压（如4.2V）时，以设定的正常恒流充电，当电池3电压达到4.2V时，使充电电流逐渐减小以维持恒压充电，此时，若充电电流检测单元421检测到的电流减小到恒流充电阶段的10%，则认为充电结束。同时，充电器42还会根据检测到的电池电压来调整第一开关单元41的输出电压，以防止电池3过充电，即防止电池3电压过高。

此外，如果异常监测单元425检测出异常情况（例如电池3不能充电或电池3过热等），则充电控制单元422还会通过控制衬底可切换的P型场效应管41来断开电源输入端与电池3之间的连接，以实现充电自动保护。

应该理解，除了衬底可切换的P型场效应管以外，本发明的第一开关单元41还可以采用衬底可切换的N型场效应管、或者两个背靠背相连的常规衬底不可切换的P型或N型场效应管、或者PNP或NPN三极管等替代。

再次参阅图3，本实施例中的升压模块包括一升压转换器44，且该升压转换器44包括一连接至正极(节点B)电池3的正极（节点B）并用于测量电池3的电压的电池电压检测单元441、一用于检测电池3放电电流的放电电流检测单元443以及一分别连接至电池电压检测单元441和放电电流检测单元443的升压控制单元442。

此外，升压模块还包括一连接在电源输出端（节点O）与地之间的输出电压反馈单元47、一连接在电源输出端与地之间的功率开关管45以及一连接在电池3正极与电源输出端之间的第二开关单元46。

其中，输出电压反馈单元47包括串联在电源输出端与地之间的第一输出电压反馈电阻471和第二输出电压反馈电阻472，且正极(节点B)升压控制单元442与正极(节点B)第一输出电压反馈电阻471和正极(节点B)第二输出电压反馈电阻471的连接点相连。

此处的功率开关管45采用常规衬底不可切换的N型场效应管45，其源极接地，漏极连接至第二开关单元46的输入端（节点S），栅极（即控制端）与升压控制单元442相连，以使升压控制单元442可以根据电池电压检测单元、放电电流检测单元443和输出电压反馈单元47输出的结果调整功率开关管45的占空比，从而调整电池3输出的电压大小。

结合图2和图3，升压模块还包括一连接在正极(节点B)电池的正极（节点B）与正极(节点B)第二开关单元46的输入端（节点S）之间的电感5。其中，第二开关单元46为衬底可切换的P型场效应管，其源极（即输入端）通过开关461连接至节点S，其漏极（即输出端）通过开关462连接至电源输出端（节点O），其栅极（即控制端）与升压控制单元442相连，以使升压控制单元442可以根据电池电压检测单元441、放电电流检测单元443以及输出电压反馈单元47输出的结果控制第二开关单元46打开或关闭。

应该理解，除了衬底可切换的P型场效应管以外，本发明的第二开关单元46还可以采用衬底可切换的N型场效应管、或者采用两个背靠背相连的衬底不可切换的P型或N型场效应管、或者采用PNP或NPN三极管等替代。

上述升压模块主要用于将电池3电压升压转换成负载所需的电压，然后通过在电源输出端连接USB等接口给负载提供电源，同时其还能实现自动保护功能，工作原理如下：

首先通过电池电压检测单元441检测电池3正极的电压，当电池3电压过低时，升压控制单元442控制第二开关单元46断开，从而断开电池3与电源输出端之间的连接，以防止电池3进入过放电状态。当电池3电压正常时，升压控制单元442正常执行升压操作，同时通过输出电压反馈单元47检测电源输出端的电压，并根据该电压调整功率开关管45的占空比，从而调整输出电压的大小，以防止输出电压过高而对用电设备造成损害。此外，升压控制单元442还可通过放电电流检测单元443检测放电电流值，从而实现对电池3放电电流的限制及保护。当输出电压反馈单元47检测到电源输出端短路时，升压控制单元442将关断N型场效应管45、或关断衬底可切换的P型场效应管46并将其衬底切换到连接电池3的一端，从而将电池3和已短路的电源输出端断开，进而避免电池3短路。

另外，由于衬底可切换的P型场效应管46本身即作为升压模块中的整流开关管，其在本发明中又能同时起到自动保护功能，因此，本发明在不需要额外的半导体器件的情况下即能实现电池3的保护作用。

除了上述元件以外，本发明的充放电电路还包括一连接在电池3正极与地之间的第一输入电容1、一连接在电源输入端与地之间的第二输入电容2以及一连接在电源输出端与地之间的输出滤波电容6。

图4和图5示出了本发明的充放电电路的另一个实施例，其中，与前述实施例相同的特征用相同的附图标记表示。由图可知两个实施例的不同点仅在于：前述实施例的升压模块采用衬底可切换的P型场效应管46即作为第二开关管又作为整流开关管，因而其整流模式为同步整流模式；而本实施例中的第二开关管46’采用的是常规衬底不可切换的P形场效应管46’，整流开关管采用的是整流二极管（即肖特基二极管）7，因而其整流模式为异步整流模式。

在本实施例中，如图所示，P形场效应管46’的源极与电池3正极（节点B）连接，漏极与电感5的一端（节点L）连接，栅极与升压控制单元442连接（即P形场效应管46’由升压控制单元442控制）。其中，电感5的另一端连接至肖特基二极管7的正极（节点S），肖特基二极管7的负极连接至电源输出端，且N形场效应管45的漏极同样连接至肖特基二极管7的正极（节点S）。当N形场效应管45导通时，电感5吸收能量，当N形场效应管45关断时，肖特基二极管7整流，电感5放出能量给负载供电。与前述同步整流的实施例相比，本实施例可能产生肖特基势垒电压而造成的死区电压，因而效率会降低，但本方案的控制更加简单。

应该理解，此处的P形场效应管46’与电感5的位置可以互换，即电感5一端与电池3正极（节点B）连接，电感5的另一端连接至P形场效应管46’的源极，节点L与节点S合并。同样应该理解，本发明中的充电器42和升压转换器44可以集成在一个芯片之内，也可以分别集成在两个单独的芯片中。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。

Claims (13)

1.一种带自动保护功能的充放电电路，其包括电源输入端、电源输出端、电池、充电模块以及升压模块，其特征在于，

所述充电模块包括：

一充电器，其包括一用于测量所述电源输入端的电流的充电电流检测单元、一连接至所述电源输入端的输入电压检测单元、一连接在所述电源输入端与所述电池的正极之间的电压比较单元以及一分别连接至所述充电电流检测单元、所述输入电压检测单元以及所述电压比较单元的充电控制单元；

一连接在所述电池的正极与地之间并与所述充电控制单元连接的电池电压反馈单元；以及

一连接在所述电源输入端与所述电池的正极之间的第一开关单元，其与所述充电控制单元相连，以使所述充电控制单元根据所述充电电流检测单元、所述输入电压检测单元、所述电压比较单元以及所述电池电压反馈单元输出的结果调整所述第一开关单元输出的电流和电压的大小或者控制所述第一开单元打开或关闭；

所述升压模块包括：

一升压转换器，其包括一连接至所述电池的正极的电池电压检测单元、一用于检测所述电池放电电流的放电电流检测单元以及一连接至所述放电电流检测单元和所述输出电压反馈单元的升压控制单元；

一连接在所述电源输出端与地之间并与所述输出控制单元连接的输出电压反馈单元；

一连接在所述电源输出端与地之间的功率开关管，其与所述升压控制单元相连，以使所述升压控制单元根据所述电池电压检测单元、所述放电电流检测单元和所述输出电压反馈单元输出的结果调整所述功率开关管的占空比；以及

一连接在所述电池的正极与所述电源输出端之间的第二开关单元，其与所述升压控制单元相连，以使所述升压控制单元根据所述电池电压检测单元、所述放电电流检测单元以及所述输出电压反馈单元输出的结果控制所述第二开关单元打开或关闭。

2.根据权利要求1所述的带自动保护功能的充放电电路，其特征在于，所述第一开关单元包括一衬底可切换的场效应管、或者包括两个背靠背相连的衬底不可切换的场效应管、或者包括一三极管。

3.根据权利要求1所述的带自动保护功能的充放电电路，其特征在于，所述第二开关单元包括一衬底可切换的场效应管、或者包括两个背靠背相连的衬底不可切换的场效应管、或者包括一三极管，其中，所述功率开关管通过所述第二开关单元与所述电源输出端连接。

4.根据权利要求3所述的带自动保护功能的充放电电路，其特征在于，所述升压模块还包括一连接在所述电池的正极与所述第二开关单元的输入端之间的电感。

5.根据权利要求1所述的带自动保护功能的充放电电路，其特征在于，所述第二开关单元为一衬底不可切换的场效应管，所述升压模块还包括一连接在所述第二开关单元的输出端与所述电源输出端之间的整流二极管，其中，所述功率开关管通过所述整流二极管与所述电源输出端连接。

6.根据权利要求5所述的带自动保护功能的充放电电路，其特征在于，所述升压模块还包括一连接在所述第二开关单元的输出端与所述整流二极管的阳极之间的电感。

7.根据权利要求5所述的带自动保护功能的充放电电路，其特征在于，所述升压模块还包括一连接在所述电池的正极与所述第二开关单元的输入端之间的电感。

8.根据权利要求1所述的带自动保护功能的充放电电路，其特征在于，该充放电电路还包括一连接在所述电池的正极与地之间的第一输入电容、一连接在所述电源输入端与地之间的第二输入电容以及一连接在所述电源输出端与地之间的输出滤波电容。

9.根据权利要求1所述的带自动保护功能的充放电电路，其特征在于，所述电池电压反馈单元包括串联在所述电池的正极与地之间的第一电池电压反馈电阻和第二电池电压反馈电阻，且所述充电控制单元与所述第一电池电压反馈电阻和所述第二电池电压反馈电阻的连接点相连。

10.根据权利要求1所述的带自动保护功能的充放电电路，其特征在于，所述输出电压反馈单元包括串联在所述电源输出端与地之间的第一输出电压反馈电阻和第二输出电压反馈电阻，且所述升压控制单元与所述第一输出电压反馈电阻和所述第二输出电压反馈电阻的连接点相连。

11.根据权利要求1-10中任何一项所述的带自动保护功能的充放电电路，其特征在于，所述功率开关管为场效应管。

12.根据权利要求1-10中任何一项所述的带自动保护功能的充放电电路，其特征在于，所述充电器和所述升压转换器分别集成在两个芯片中。

13.根据权利要求1-10中任何一项所述的带自动保护功能的充放电电路，其特征在于，所述充电器和所述升压转换器集成在同一芯片中。

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