CN104065119B - 电池供电电路及供电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电池供电电路及供电方法，所述供电电路包括隔离开关、功率转换电路和电池充放电管理开关，隔离开关连接在电压输入端与功率转换电路之间，功率转换电路的输出端作为负载供电端，电池充放电管理开关设置于功率转换电路的输出端与电池端之间；电池供电电路还包括电源路径管理电路和PWM控制电路；PWM控制电路用于控制功率转换电路中功率开关管的状态；电源路径管理电路包括模式切换电路和充放电控制电路，模式切换电路根据电池端电压和充电电流来选择充放电的模式，充放电控制电路根据模式切换电路的选择，控制电池充放电管理开关的状态。本发明能够防止负载在最小系统电压以下工作，并能对输入恒流、充电恒流和电压恒压进行反馈调节。

Description

电池供电电路及供电方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种电池供电电路及供电方法。
背景技术
电池供电系统被广泛应用于数码产品中，以笔记本电脑为例，通过适配器给系统供电，并对电池充电，同时在输入掉电时则由电池直接给系统供电。在适配器与系统、电池之间设有功率转换电路，对适配器输入电压进行功率转换以对系统供电和对电池充电。在适配器的输入端与功率转换电路之间设有隔离开关，隔离开关在适配器正常供电时导通，在输入掉电(或欠压)或输入电流过大时关断。在功率转换电路与电池之间设有电池充放电管理开关，通过控制隔离开关和电池充放电管理开关实现输入供电、系统负载和电池充放电等电源路径的管理。同时采集输入电流、充电电流，根据输入电流和充电电流的大小来控制系统负载和电池充电的功率转换。
然而，上述现有技术中，在电池充放电过程中，电池充放电管理开关处于完全导通状态，但当电池端电压过低时，在电池充放电管理开关完全导通的情况下，会使负载在最小系统电压以下工作，影响负载运行，可能造成相关元器件的损坏。此外，电池供电系统在工作中，需要控制输入恒流、充电恒流和电池恒压，主要通过对功率转换电路的控制来实现，但现有技术的控制方案难以同时实现输入恒流、充电恒流和电池恒压的调节反馈。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电池供电电路及供电方法，以解决现有技术中存在的因电池端电压过低而影响负载运行、无法同时实现输入恒流、充电恒流和电池恒压的调节反馈的问题。
本发明的技术解决方案是，提供一种以下结构的电池供电电路，包括隔离开关、功率转换电路和电池充放电管理开关，所述的隔离开关连接在电压输入端与功率转换电路之间，功率转换电路的输出端作为负载供电端，电池充放电管理开关设置于功率转换电路的输出端与电池端之间；所述的电池供电电路还包括电源路径管理电路和PWM控制电路；所述的PWM控制电路用于控制功率转换电路中功率开关管的导通或截止；
所述的电源路径管理电路包括模式切换电路和充放电控制电路，所述模式切换电路根据电池端的电压和充电电流的大小来进行充放电的模式选择，所述的充放电控制电路根据模式切换电路的选择，控制电池充放电管理开关在相应的模式下工作。
优选地，在输入电压掉电时，电池充放电管理开关完全导通给负载供电；在输入电压正常输入时，当电池端电压高于设定的最小系统电压，则电池充放电管理开关完全导通对电池充电，当电池端电压低于设定的最小系统电压，则电池充放电管理开关不完全导通进入预充电模式对电池充电，所述的预充电模式是指在限流状态下对电池线性充电。
优选地，所述的PWM控制电路包括第一反馈补偿电路、第二反馈补偿电路和第三反馈补偿电路，采样输入电流信号并输入第一反馈补偿电路的第一输入端，将设定的基准输入电流信号输入第一反馈补偿电路的第二输入端，输出第一反馈信号；采样充电电流信号并输入第二反馈补偿电路的第一输入端，将设定的基准充电电流信号输入第二反馈补偿电路的第二输入端，输出第二反馈信号；将电池电压信号输入第三反馈补偿电路的第一输入端，将设定的基准电池电压信号输入第三反馈补偿电路的第二输入端，输出第三反馈信号；选取第一反馈信号、第二反馈信号和第三反馈信号中的最小值，与功率转换电路中主功率管的电流进行比较，形成控制功率转换电路的占空比信号。
优选地，在预充电模式下，在充电电流低于设定的最低充电电流信号时，则退出预充电模式，使电池充放电管理开关完全导通进行恒流充电。
优选地，所述的模式切换电路包括第一比较器、第二比较器和触发器，所述的电池端电压和设定最小系统电压分别输入第一比较器的两个输入端，第一比较器输出端与触发器的第一输入端连接，所述的充电电流信号和最低充电电流信号分别输入第二比较器的两个输入端，第二比较器输出端与触发器的第二输入端连接，所述的触发器输出表征进入或退出预充电模式的模式切换信号至充放电控制电路。
优选地，所述的充放电控制电路接收模式切换信号，将充电电流信号和设定的预充电电流信号输入一误差放大器的两个输入端，由误差放大器输出限流控制信号，在进入预充电模式下，则选择限流控制信号输入电池充放电管理开关的控制端，在限流状态下对电池线性充电，在退出预充电模式时，则由表征模式切换信号的驱动信号接入电池充放电管理开关的控制端，使其完全导通。
优选地，在预充电模式下，在模式切换信号的控制下，将输入第三反馈补偿电路的基准电池电压信号设定为最小系统电压。
本发明的另一技术解决方案是，提供一种以下步骤的电池供电方法，所述的电池供电方法基于电池供电电路，所述的电池供电电路包括隔离开关、功率转换电路和电池充放电管理开关，所述的隔离开关连接在电压输入端与功率转换电路之间，功率转换电路的输出端作为负载供电端，电池充放电管理开关设置于功率转换电路的输出端与电池端之间；
根据电池端的电压和充电电流的大小来进行充放电的模式选择，根据模式选择来控制电池充放电管理开关在相应的模式下工作。
优选地，在输入电压掉电时，电池充放电管理开关完全导通给负载供电；在输入电压正常输入时，当电池端电压高于设定的最小系统电压，则电池充放电管理开关完全导通对电池充电，当电池端电压低于设定的最小系统电压，则电池充放电管理开关不完全导通进入预充电模式对电池充电，所述的预充电模式是指在限流状态下对电池线性充电。
优选地，对输入电流信号与设定的基准输入电流信号进行误差放大处理，产生第一反馈信号；对充电电流信号与设定的基准充电电流信号进行误差放大处理，产生第二反馈信号；对电池电压信号与设定的基准电池电压信号进行误差放大处理，产生第三反馈信号；选取第一反馈信号、第二反馈信号和第三反馈信号中的最小值，与功率转换电路中主功率管的电流进行比较，形成控制功率转换电路的占空比信号。
优选地，在预充电模式下，在充电电流低于设定的最低充电电流信号时，则退出预充电模式，使电池充放电管理开关完全导通进行恒流充电。
优选地，对充电电流信号和设定的预充电电流信号进行误差放大处理，输出限流控制信号，在进入预充电模式下，则选择限流控制信号输入电池充放电管理开关的控制端，在限流状态下对电池线性充电，在退出预充电模式时，则由模式切换信号使电池充放电管理开关完全导通。
采用本发明的结构和方法，与现有技术相比，具有以下优点：本发明根据电池端的电压和充电电流的大小来进行充放电的模式选择，根据模式选择来控制电池充放电管理开关在相应的模式下工作，并通过输入恒流、充电恒流和电压恒压三个反馈环路来调节反馈，根据反馈情况实时选择最小的反馈信号，与功率转换电路中主功率管的电流进行比较，产生控制功率转换电路的相应占空比信号，本发明能够实现在预充电模式下的限流充电，防止负载在最小系统电压以下工作，并能同时对输入恒流、充电恒流和电压恒压进行反馈调节。
附图说明
图1为本发明电池供电电路的电路结构示意图；
图2为模式切换电路的示意图；
图3为充放电控制电路的示意图；
图4为PWM控制电路的示意图。
图5a为本发明电路工作的波形图。
图5b为本发明电路工作的另一波形图。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的电池供电电路及供电方法作更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以在此描述基础上，在权利要求的范围内对本发明具体电路进行变换和替换，而仍然实现本发明的有利效果。下列描述并不作为对本发明的限制。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。需说明的是，附图均采用较为简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明的核心思想在于，提供一种电池供电电路，包括隔离开关、功率转换电路和电池充放电管理开关，所述的隔离开关连接在电压输入端与功率转换电路之间，功率转换电路的输出端作为负载供电端，电池充放电管理开关设置于功率转换电路的输出端与电池端之间；所述的电池供电电路还包括电源路径管理电路和PWM控制电路；所述的PWM控制电路用于控制功率转换电路中功率开关管的导通或截止；
所述的电源路径管理电路包括模式切换电路和充放电控制电路，所述模式切换电路根据电池端的电压和充电电流的大小来进行充放电的模式选择，所述的充放电控制电路根据模式切换电路的选择，控制电池充放电管理开关在相应的模式下工作。
进一步地，本发明还提供一种电池供电方法，所述的电池供电方法基于电池供电电路，所述的电池供电电路包括隔离开关、功率转换电路和电池充放电管理开关，所述的隔离开关连接在电压输入端与功率转换电路之间，功率转换电路的输出端作为负载供电端，电池充放电管理开关设置于功率转换电路的输出端与电池端之间；
根据电池端的电压和充电电流的大小来进行充放电的模式选择，根据模式选择来控制电池充放电管理开关在相应的模式下工作。
参考图1所示，Q1为隔离开关，Q4为电池充放电管理开关，Q2、Q3分别为功率转换电路中的主功率管和同步开关管，所述的功率转换电路为降压型功率转换电路。ACIN为适配器的电压输入端，SYSTEM为系统负载端，BAT为电池端。电源路径管理电路控制隔离开关Q1和电池充放电管理开关Q4。R1、R2均为采样电阻，可以通过采集R1两端ACP和ACN的电压得到表征输入电流IAC的信号，可以通过采集R2两端ISP和ISN的电压得到充放电电流和电池端电压。通过PWM控制电路控制功率转换电路中的Q2和Q3的开关状态。
在输入端ACIN的电压正常输入的情况下，Q1导通，在输入端ACIN的电压欠压(或掉电)或者输入电流IAC过大时关断。
在适配器断开时(通过检测输入端ACIN的电压来判断)，即输入电压掉电时，控制电池充放电管理开关完全导通给负载供电；在输入电压正常输入时，当电池端电压(ISP和ISN可表征电池端电压)高于设定的最小系统电压VSES_MIN(即负载工作的最低工作电压)，则电池充放电管理开关Q4完全导通对电池充电，当电池端电压低于设定的最小系统电压，则电池充放电管理开关Q4不完全导通进入预充电模式对电池充电，所述的预充电模式是指在限流状态下对电池线性充电，此时Q4工作在饱和区。
参考图2所示，图2为模式切换电路的示意图，第一比较器CMP1用于比较电池端电压VISP(也可用采样ISN的电压来表示，VISP是对电池端电压近似表示，并不要求VISP与实际电池电压精确相等)与最小系统电压的大小VSES_MIN，最小系统电压为设定的系统负载的最低工作电压。由于在Q4完全导通的情况下，电池端电压等于负载端SESTEM的电压(忽略R2、Q4等的压降)，若电池端电压VISP高于设定的最小系统电压VSES_MIN，Q4的完全导通不会使负载在最小系统电压VSES_MIN下运行，此时则通过触发器产生模式切换信号PRE-CHG，模式切换信号PRE-CHG经充放电控制电路改造后使Q4完全导通(改造后的模式切换信号作为Q4的驱动信号，本实施例中，具体的改造方式为对模式切换信号取反)，进入恒流充电模式；若电池端电压VISP低于设定的最小系统电压VSES_MIN，此时若Q4完全导通会使负载在最小系统电压以下工作，影响负载运行，因此产生的模式切换信号PRE-CHG输入充放电控制电路，以使Q4不完全导通，在限流状态下对电池线性充电，防止负载电压被电池端电压拉低，这种模式为预充电模式。
在上述预充电模式下，当充电电流ICHG接近零时，设定最低充电电流ICHGLL(接近于零的值，如：1mA)与ICHG进行比较，当ICHG小于ICHGLL时，则退出预充电模式，进入恒流充电模式，即比较结果通过触发器产生相应的模式切换信号。
参考图3所示，图3示意了充放电控制电路。充放电控制电路接收模式切换信号PRE-CHG，选择预充电模式，则PRE-CHG为1，充放电控制电路对1取反变为零，此时对充电电流ICHG和设定的预充电电流ICHG_REG1进行误差放大处理(通过误差放大器G4)，产生的误差放大信号用于控制Q4，使其在不完全导通的状态下对电池限流充电。若退出预充电模式或选择恒流充电模式下，则PRE-CHG为0，充放电控制电路对0取反变为1，此时由改造后的模式切换信号来通过驱动器驱动Q4完全导通，从而进行恒流充电。在本电路中，选择误差放大信号EAO和改造后的模式切换信号中较大值作为Q4的驱动信号，选择可通过二极管来实现。本电路中，可在误差放大器G4的输出端加设二极管，有助于信号的选择。
此外，为了防止Q4过热，设定的预充电电流ICHG_REG1需要设置一个上限阈值，预充电电流不超过该阈值，图3中给出了384mA作为所述上限阈值的实施例，但不限于该数值。在电路实现上，可以在设定的预充电电流ICHG_REG1和上限阈值之间做一个选择，即选择二者中较小的量输入误差放大器G4。具体地说，在设定的预充电电流ICHG_REG1低于上限阈值时，则该ICHG_REG1输入误差放大器G4，在设定的预充电电流ICHG_REG1大于上限阈值时，则以384mA的上限阈值输入误差放大器G4。
参考图4所示，示意了PWM控制电路。所述的PWM控制电路包括第一反馈补偿电路、第二反馈补偿电路和第三反馈补偿电路，采样输入电流信号IAC(由采样VACP和VACN后对其差值进行放大一定倍数来表征IAC)并输入误差放大器G1的第一输入端，将设定的基准输入电流信号IAC_REG输入误差放大器G1的第二输入端，输出第一反馈信号VEA1；采样充电电流信号ICHG并输入误差放大器G2的第一输入端，将设定的基准充电电流信号ICHG_REG2输入误差放大器G2的第二输入端，输出第二反馈信号VEA2；将电池电压信号VISN输入误差放大器G3的第一输入端，将设定的基准电池电压信号VBAT_REG输入误差放大器G3的第二输入端，输出第三反馈信号VEA3；选取第一反馈信号、第二反馈信号和第三反馈信号中的最小值(由在反馈补偿电路输出端设置二极管进行选择)，在本实施例中，即选择VEA1、VEA2、VEA3中的最小值，并与功率转换电路中主功率管Q2的电流(即Q2导通时的电感电流)进行比较，主功率管Q2的电流用ACN和LX两点之间的电压差表征，形成控制功率转换电路的占空比信号，通过PWM逻辑电路实现逻辑转换，驱动Q2和Q3。在预充电模式下，在误差放大器G3的第二输入端输入最小系统电压VSES_MIN作为设定的电池电压，可通过模式切换信号控制开关的通断来实现最小系统电压VSES_MIN的接入。
此外，在预充电模式下，第二反馈补偿电路不工作，可在第二反馈补偿电路的输出端设置开关，由模式切换信号对开关进行控制，在预充电模式下断开开关以使第二反馈补偿电路不工作。
图5a和图5b示意了本发明工作的波形图，
t0时间：系统负载电流ISYS突然增大，由于环路响应的滞后，功率转换电路中的电感电流IL缓慢上升，电池充电电流ICHG迅速减小，甚至可能由正变负。此时Q4导通，SYSTEM电压等于电池电压(VSYS＝VBAT)。
t1时间：电感电流IL随环路调整上升，如果系统负载较轻，充电电流ICHG恢复正常(图5a)；如果SYSTEM载很重，稳定至电池放电模式(图5b)。
t2时间：系统负载突然下降，电感电流IL缓慢下降，电池充电电流ICHG迅速增加。
t3时间：恢复正常。
本发明的控制方式能够有效防止在系统负载瞬变时输入端适配器过载损坏。
本实施例中，省略了一些本领域普通技术人员所熟知的相关技术手段，例如，对输入电压的检测电路，可以采用比较器来判断输入电压是否掉电或欠压。在此，申请人不做一一描述。
以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电池供电电路，包括隔离开关、功率转换电路和电池充放电管理开关，所述功率转换电路为降压型功率转换电路，所述的隔离开关连接在电压输入端与功率转换电路的输入端之间，功率转换电路的输出端作为负载供电端，电池充放电管理开关设置于功率转换电路的输出端与电池端之间；所述的电池供电电路还包括电源路径管理电路和PWM控制电路；所述的PWM控制电路用于控制功率转换电路中功率开关管的导通或截止；其特征在于：
所述的电源路径管理电路包括模式切换电路和充放电控制电路，所述模式切换电路根据电池端电压和充电电流的大小来进行充放电的模式选择，所述的充放电控制电路根据模式切换电路的选择，控制电池充放电管理开关在相应的模式下工作，以使得在输入电压掉电时，电池充放电管理开关完全导通给负载供电；在输入电压正常输入时，当电池端电压高于设定的最小系统电压，则电池充放电管理开关完全导通对电池充电，当电池端电压低于设定的最小系统电压，则电池充放电管理开关不完全导通进入预充电模式对电池充电，所述的预充电模式是指在限流状态下对电池线性充电，所述最小系统电压为所述负载的最低工作电压。
2.根据权利要求1所述的电池供电电路，其特征在于：在预充电模式下，在充电电流低于设定的最低充电电流信号时，则退出预充电模式，使电池充放电管理开关完全导通进行恒流充电。
3.根据权利要求1所述的电池供电电路，其特征在于：所述的PWM控制电路包括第一反馈补偿电路、第二反馈补偿电路和第三反馈补偿电路，采样输入电流信号并输入第一反馈补偿电路的第一输入端，将设定的基准输入电流信号输入第一反馈补偿电路的第二输入端，输出第一反馈信号；采样充电电流并输入第二反馈补偿电路的第一输入端，将设定的基准充电电流信号输入第二反馈补偿电路的第二输入端，输出第二反馈信号；将电池电压信号输入第三反馈补偿电路的第一输入端，将设定的基准电池电压信号输入第三反馈补偿电路的第二输入端，输出第三反馈信号；选取第一反馈信号、第二反馈信号和第三反馈信号中的最小值，与功率转换电路中主功率管的电流进行比较，形成控制功率转换电路的占空比信号。
4.根据权利要求1所述的电池供电电路，其特征在于：所述的模式切换电路包括第一比较器、第二比较器和触发器，所述的电池端电压和设定最小系统电压分别输入第一比较器的两个输入端，第一比较器输出端与触发器的第一输入端连接，所述的充电电流和最低充电电流信号分别输入第二比较器的两个输入端，第二比较器输出端与触发器的第二输入端连接，所述的触发器输出表征进入或退出预充电模式的模式切换信号至充放电控制电路。
5.根据权利要求4所述的电池供电电路，其特征在于：所述的充放电控制电路接收模式切换信号，将充电电流和设定的预充电电流信号输入一误差放大器的两个输入端，由误差放大器输出限流控制信号，在进入预充电模式下，则选择限流控制信号输入电池充放电管理开关的控制端，在限流状态下对电池线性充电，在退出预充电模式时，则由表征模式切换信号的驱动信号接入电池充放电管理开关的控制端，使其完全导通。
6.根据权利要求3所述的电池供电电路，其特征在于：在预充电模式下，在模式切换信号的控制下，将输入第三反馈补偿电路的基准电池电压信号设定为最小系统电压。
7.一种电池供电方法，所述的电池供电方法基于电池供电电路，所述的电池供电电路包括隔离开关、功率转换电路和电池充放电管理开关，所述功率转换电路为降压型功率转换电路，所述的隔离开关连接在电压输入端与功率转换电路的输入端之间，功率转换电路的输出端作为负载供电端，电池充放电管理开关设置于功率转换电路的输出端与电池端之间；其特征在于：
根据电池端电压和充电电流的大小来进行充放电的模式选择，根据模式选择来控制电池充放电管理开关在相应的模式下工作，以使得在输入电压掉电时，电池充放电管理开关完全导通给负载供电；在输入电压正常输入时，当电池端电压高于设定的最小系统电压，则电池充放电管理开关完全导通对电池充电，当电池端电压低于设定的最小系统电压，则电池充放电管理开关不完全导通进入预充电模式对电池充电，所述的预充电模式是指在限流状态下对电池线性充电，所述最小系统电压为所述负载的最低工作电压。
8.根据权利要求7所述的电池供电方法，其特征在于：对输入电流信号与设定的基准输入电流信号进行误差放大处理，产生第一反馈信号；对充电电流与设定的基准充电电流信号进行误差放大处理，产生第二反馈信号；对电池电压信号与设定的基准电池电压信号进行误差放大处理，产生第三反馈信号；选取第一反馈信号、第二反馈信号和第三反馈信号中的最小值，与功率转换电路中主功率管的电流进行比较，形成控制功率转换电路的占空比信号。
9.根据权利要求7所述的电池供电方法，其特征在于：在预充电模式下，在充电电流低于设定的最低充电电流信号时，则退出预充电模式，使电池充放电管理开关完全导通进行恒流充电。
10.根据权利要求7所述的电池供电方法，其特征在于：对充电电流和设定的预充电电流信号进行误差放大处理，输出限流控制信号，在进入预充电模式下，则选择限流控制信号输入电池充放电管理开关的控制端，在限流状态下对电池线性充电，在退出预充电模式时，则由模式切换信号使电池充放电管理开关完全导通。
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