CN104124734B - 一种充电系统及充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种充电系统和充电方法，该充电系统具有芯片外部电路和芯片内部电路，芯片外部电路和芯片内部电路构成负反馈环路，芯片外部电路包括供电接口和电池充电端，芯片内部电路包括电流设定单元、反馈控制单元以及开关网络。本发明智能获取适配器或者USB供电接口的最大负载电流，并设定目标电流为最大负载电流‑固定值，通过反馈控制及负反馈环路使供电接口输出的供电电流等于目标电流，即使供电接口输出的电流接近且不会超过最大负载电流，从而实现了对适配器或USB供电接口负载能力的智能匹配，实现最大程度利用适配器或者USB接口的能力，最大功率、最快速度的充电。

Description

一种充电系统及充电方法

技术领域

本发明涉及充电技术，特别是涉及一种充电系统及充电方法。

背景技术

近年来，各类便携式智能产品得到了极大的普及，如平板电脑、智能手机等。这些便携式产品性能快速发展、功能不断增强，使得电子产品功耗不断增加，需要便携式电子设备的电源管理技术不断进步与更新来适应产品功耗。这些便携式电子设备通常采用锂电池供电，可以通过USB接口和交流适配器接口给锂电池充电。

在实际应用中，各种不同输入的电源供电接口的驱动能力差别很大。例如，同为5V的交流适配器，为了满足不同的成本要求，驱动能力可以从200mA到3A以上；而USB接口连接器的驱动能力也有100mA和500mA等多种规格，而最新的USB3.0规格要求是900mA。同时随着手机适配器接口国家标准的发布，越来越多的交流适配器也做成USB插头，因此应用情况更加复杂。为了满足这些复杂的应用，电池的充电系统必须能够智能匹配各种输入接口和不同驱动能力的接口。

同时，随着便携式电子产品性能不断发展，它们的功耗不断增加，为了能保证便携式电子产品的续航能力，必须加大其电池的容量，例如手机电池容量已经超过3000mAH，平板电池容量超过10000mAH。然而，大的电池容量势必需要更长的充电时间，为了提高用户的体验，充电系统必须具有快速充电功能，这一功能将逐步成为技术发展要求和趋势。

目前，智能电子设备的充电系统大多采用开关恒流/恒压的充电方式。这种方式的充电系统，设置充电设定电流为Is，通过负反馈环路使充电系统对电池的充电电流Ichg等于Is，即该充电系统满足下式：

Ichg＝Is (1)

上述的充电系统主要存在三个主要缺点：

1)、无法自动匹配适配器(或者USB接口)。

传统的开关充电技术的适配器输出电流和充电电流计算公式如式子2：

Iin＝Vbat*Ichg/(n*Vin) (2)

Iin为供电电流(由适配器或者USB接口输出)，Vbat为电池电压，n为充电效率(下面假设充电效率为n＝90％)，Vin为供电电压(由适配器或者USB接口输出，下面假设Vin＝5v)。

如果传统的充电系统的充电设定电流Is为2A，Vbat为4.2v时，通过式2计算出适配器输出的Iin为1.86A；Vbat＝3v时，Iin为1.33A。不同电池电压，适配器的输出电流不同。

如果充电设定电流IS＝2A，用户使用1A适配器充电时，充电设定电流大于适配器的最大输出电流，使得1A适配器周期性处于过流保护状态，适配器提供的供电电压Vin周期性跌落到4.5v以下，无法稳定充电，且容易损坏适配器。

2)、不能充分利用适配器(或者USB接口)输出功率，无法实现快速充电功能。

如果充电设定电流Is为2A，用户使用3A适配器充电时，适配器输出的最大供电电流大于充电设定电流，充电电路没有达到适配器的最大输出能力，下降了充电速度。

如果用户使用2A适配器充电时，传统做法为了保护不超出适配器负载能力，通常只能设定充电设定电流Is为2A，通过式2计算可以计算出适配器需要输出1.33A-1.86A的供电电流(对应电池电压3v-4.2v)，依然没有达到适配器的最大输出能力，无法实现快充。

3)、集成度不高，增加了电子设备成本。

发明内容

基于此，有必要提供一种可自动匹配供电接口、快速充电的充电系统和充电方法。

本发明提供的充电系统，具有芯片外部电路和芯片内部电路，芯片外部电路和芯片内部电路构成负反馈环路，芯片外部电路包括供电接口和电池充电端，芯片内部电路包括电流设定单元、反馈控制单元以及开关网络；

所述供电接口输出端连接所述电流设定单元、反馈控制单元以及开关网络的输入端，所述电流设定单元输出端连接所述反馈控制单元，所述反馈控制单元输出端连接开关网络，所述开关网络的输出端连接所述电池充电端；

所述供电接口输出的供电电压和供电电流经过所述开关网络控制后形成充电电流，并提供给电池充电端，所述电流设定单元检测获取供电接口的最大负载电流，并将目标电流设定为最大负载电流减固定值，所述反馈控制单元实时监测供电接口的供电电流，并与设定的目标电流进行比较，在供电电流与目标电流不相等时，对供电电流进行调整，使供电电流等于目标电流。

本发明提供的充电方法，包括如下步骤：

检测获取供电接口的最大负载电流；

设定目标电流，并将目标电流设定为最大负载电流减固定值；

在对电池进行充电时，实时监测供电接口的供电电流，并与设定的目标电流进行比较，在供电电流与目标电流不相等时，对供电电流进行调整，使供电电流等于目标电流。

本发明的充电系统和充电方法，智能获取适配器或者USB供电接口的最大负载电流，并设定目标电流为最大负载电流-固定值，通过反馈控制及负反馈环路使供电接口输出的供电电流等于目标电流，即使供电接口输出的电流接近且不会超过最大负载电流，从而实现了对适配器或USB供电接口负载能力的智能匹配，实现最大程度利用适配器或者USB接口的能力，最大功率、最快速度的充电。

附图说明

图1为本发明较佳实施例中充电系统的结构示意图；

图2为图1所示充电系统的具体结构示意图；

图3为自动电流控制逻辑设定目标电流的方法示意图；

图4为电流检测电路的结构示意图；

图5为本发明较佳实施例中充电方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，本发明较佳实施例中充电系统包括芯片外部电路100及芯片内部电路200。芯片外部电路100与芯片内部电路200构成负反馈环路。其中，芯片外部电路100包括供电接口110和电池充电端120。芯片内部电路200包括电流设定单元210、反馈控制单元220以及开关网络230。供电接口110输出端连接电流设定单元210、反馈控制单元220以及开关网络230的输入端。电流设定单元210输出端连接反馈控制单元220。反馈控制单元220输出端连接开关网络230，开关网络230的输出端连接电池充电端120。供电接口110输出的供电电压Vin和供电电流Iin(即充电系统的输入电流和输入电压)经开关网络230控制后形成充电电流Ichg，并提供给电池充电端120，对电池进行充电。电流设定单元210检测获取供电接口110的最大负载电流Ia(即适配器或者USB的最大负载或输出电流)，并将目标电流Is设定为最大负载电流Ia减固定值(即Is＝Ia-ΔI，ΔI为不为0的电流差值，可以为很小的电流，例如0.01A)。反馈控制单元220实时监测供电接口110的供电电流Iin，并与设定的目标电流Is进行比较，在供电电流Iin与目标电流Is不相等时，对供电电流Iin进行调整，使供电电流Iin等于目标电流Is。即该充电系统满足下面式3：

Iin＝Is (3)

该充电系统实时获取适配器或者USB供电接口的最大负载电流，并设定目标电流为最大负载电流-固定值，通过反馈控制及负反馈环路使供电接口输出的供电电流等于目标电流，即使供电接口输出的电流接近且不会超过最大负载电流，从而实现了对适配器或USB供电接口负载能力的智能匹配，能够充分利用适配器或USB接口的输出功率，实现快速充电功能。

进一步的，该充电系统芯片外部电路100还包括外设供电端130。外设供电端130连接供电接口110，供电接口110对外设供电端130提供输出电压Vout，输出电压Vout对另外的一个或者多个设备进行供电，使得该充电系统在给电池充电时，还能够为其他外设进行供电，增加该充电系统的功能。

图2是图1所示充电系统其中一个具体实施方式的示意图。如图2所示，供电接口110可以为适配器接口或者USB接口。以下以适配器为例进行阐述。

该充电系统还包括第一稳压电容C0。第一稳压电容C0一端接供电接口110，另一端接地。供电接口110经过第一稳压电容C0后输出供电电压Vin。

电池充电端120包括LC滤波电路121及充电端。LC滤波电路121输入端连接开关网络230的输出端，输出端连接充电端。开关网络230的输出电流经过LC滤波电路121滤波后形成充电电流Ichg，给到充电端对电池进行充电。

外设供电端130包括第二稳压电容C1及供电端。第二稳压电容C1一端连接供电接口输出端和供电端，另一端接地。第二稳压电容C1对输出电压Vout进行稳压后给到供电端，供电端对一个或者多个外设进行供电。

开关网络230周期性的开启或者关闭，对输出电流进行控制，其包括充电控制逻辑、第一驱动和第二驱动、第一充电MOS管M1和第二充电MOS管M2。充电控制逻辑一端连接反馈控制单元220，另一端分别连接第一驱动和第二驱动的一端。第一驱动另一端连接第一充电MOS管M1的栅端。第二驱动另一端连接第二充电MOS管M2的栅端。第一充电MOS管M1的源端连接供电接口110，漏端连接LC滤波电路121和第二充电MOS管M2的源端。第二充电MOS管M2的漏端接地。

电流设定单元210包括电压比较器211和自动电流控制逻辑212。电压比较器211一端连接供电接口110输出端，另一端连接自动电流控制逻辑212。自动电流控制逻辑212连接反馈控制单元220。自动电流控制逻辑212检测获取供电接口110的最大负载电流Ia，并将目标电流Is设定为最大负载电流Ia-固定值。

自动电流控制逻辑212设定目标电流的方法具体如图3所示，在充电系统开始充电时，自动电流控制逻辑212电流预先设定一个最大的目标电流Is_max,然后将目标电流Is逐步增大。当目标电流Is增大到等于供电接口110的最大负载电流Ia时，此时适配器(或者USB)进入保护状态，供电接口110输出的供电电压Vin下降到电压比较器211阈值VTH以下，电压比较器输出信号VINOK下降为零，充电电路暂停充电，自动电流控制逻辑212记录下此时设定的目标电流Ia，并重新设定最大的目标电流Is等于Ia-ΔI(ΔI为小的电流差值，可以为很小的电流，例如0.01A)。接着重新开始充电，自动电流控制逻辑212逐步增加目标电流Is，直到Is等于Ia-ΔI。根据公式3可得最后供电接口110输出的供电电流Iin等于Ia-ΔI，比适配器的最大负载能力Ia小一点，不会超过适配器供电能力，最后能稳定快速充电，实现智能匹配输入适配器的负载能力。

例如，用户使用5V输出的2A适配器给电池充电，现有技术为了防止超出适配器负载能力，只能设定充电电流Ichg为2A。该充电系统会自动设定供电电流Iin＝Is＝2A-ΔI，假设ΔI为0.01A，则Iin等于1.99A。通过公式2可以计算得到，当电池电压为3v时，实际充电电流Ichg为2.98A，大于现有技术的充电电流；当电池电压为4.2v时，实际充电电流Ichg为2.13A，同样大于现有技术的充电电流，所以能比现有技术更快速充电。

再例如，用户使用9V输出的2A适配器给电池充电，现有技术为了防止超出适配器负载能力，只能设定充电电流Ichg为2A。该充电系统会自动设定供电电流Iin＝Is＝2A-ΔI，假设ΔI为0.01A，则Iin等于1.99A。通过公式2可以计算得到，当电池电压为3v时，实际充电电流Ichg为5.4A；当电池电压为4.2v时，实际充电电流Ichg为3.83A，充电电流远大于现有技术，如此大的充电电流能快速充满电池，实现快速充电功能。

反馈控制单元220包括电流检测电路221、电流误差放大器222以及PWM比较器223。电流检测电路221连接供电接口110输出端和电流误差放大器222。电流误差放大器222连接自动电流控制逻辑212和PWM比较器223。PWM比较器223连接开关网络230的充电控制逻辑。电流检测电路221实时监测供电接口110输出的供电电流Iin，并交给电流误差放大器222。电流误差放大器222把供电电流Iin和目标电流Is进行比较，产生放大后的误差电压Ve。PWM比较器223比较误差电压Ve和三角波电压后生成脉宽信号Vp。脉宽信号Vp通过控制开关网络230来控制调整充电电流Ichg，进而通过负反馈环路调整供电电流Iin，使供电电流Iin＝目标电流Is。

具体的，电流误差放大器222把电流检测电路221检测到供电电流Iin和目标电流Is进行比较，产生放大后的误差电压Ve，PWM比较器223比较Ve电压和三角波电压后生成脉宽信号Vp，Vp通过充电控制逻辑和第一驱动和第二驱动控制第一充电MOS管M1和第二充电MOS管M2实现充电和控制功能。

如果检测到的供电电流Iin大于目标电流Is时，则Ve电压降低，这时PWM比较器223会下降Vp的脉宽，Vp脉宽决定第一充电MOS管M1开启时间，当Vp脉宽下降时，第一充电MOS管M1开启时间变短，充电电流Ichg变小，最后负反馈环路会使得供电电流Iin变小直到等于目标电流Is，满足式3：Iin＝Is。

如果检测到的供电电流Iin小于目标电流Is时，Ve电压升高，这时PWM比较器223会上升Vp的脉宽，第一充电MOS管M1开启时间变长，Ichg变大，最后负反馈环路会使得供电电流Iin变大直到等于目标电流Is，满足式3：Iin＝Is。

在进一步的实施方式中，如图4所示，电流检测电路221集成在芯片内部电路200中，包括第一PMOS管M3、第二PMOS管M4、电流检测放大器和NMOS管M5。第一PMOS管M3和第二PMOS管M4的源端连接供电电压Vin，栅端连接到地。第一PMOS管M3的漏端连接电流检测放大器的负端和外设供电端130。第二PMOS管M4的漏端连接电流检测放大器的正端和NMOS管M5漏端。NMOS管M5栅端连接电流检测放大器输出端，源端连接电流误差放大器222。第一PMOS管M3、第二PMOS管M4、电流检测放大器和NMOS管M5构成负反馈回路。

在导通时，两个PMOS管一起导通，第一MOS管M3导通，输出Vout电压给外设供电端130。第二PMOS管M4导通输出Vs电压到电流检测放大器正端和NMOS管M5漏端。如果Vs电压大于Vout电压时，电流检测放大器输出电压Vg升高，使得NMOS管M5导通电流Isi增大，Isi电流增大使得Vs电压下降，最后负反馈回路会使得Vs＝Vout。这样PMOS管M3和M4的源、漏和栅端的电压都相等，则流过M4的电流等于流过M3的电流，即Isi＝Iin，实现电流检测功能。检测到的电流Isi再输入给电流误差放大器222与Is比较，根据比较结果输出Ve，进行反馈控制，使充电系统满足式3。电流检测电路221集成在芯片内部电路200中大大提高了充电系统的集成度。

此外，充电系统还包括补偿网络。补偿网络连接电流误差放大器222和PWM比较器223，对负反馈环路稳定性进行补偿。

该充电系统，实时获取适配器或者USB供电接口的最大负载电流，并设定目标电流为最大负载电流-固定值，通过反馈控制及负反馈环路使供电接口输出的供电电流等于目标电流，即使供电接口输出的电流接近且不会超过最大负载电流，从而实现了对适配器或USB供电接口负载能力的智能匹配，实现最大程度利用适配器或者USB接口的能力，最大功率、最快速度的充电。同时，把电流检测电路集成到芯片内部，提高了集成度，降低了电阻设备的成本，在不增加成本前提下，还提供一个外设供电端，在给电池充电同时可以给另外设备供电，增加了充电系统的功能。

同时，本发明还提供一种充电方法。如图5所示，该充电方法包括如下步骤：

S10：检测获取供电接口的最大负载电流(即适配器或者USB的最大负载或输出电流)。

S20：设定目标电流，并将目标电流设定为最大负载电流减固定值。其中，固定值为不为0的电流差值，可以为很小的电流，例如0.01A。

S30：在对电池进行充电时，实时监测供电接口的供电电流，并与设定的目标电流进行比较，在供电电流与目标电流不相等时，对供电电流进行调整，使供电电流等于目标电流。

其中，步骤S10具体为：在充电系统开始充电时，预先设定一个最大的目标电流，然后将目标电流逐步增大。当目标电流增大到等于供电接口的最大负载电流时(此时适配器或者USB进入保护状态)，充电系统暂停充电，记录此时的目标电流，即获取最大负载电流。

然后重新设定最大的目标电流等于最大负载电流减固定值。接着重新开始充电，逐步增加目标电流，直到目标电流等于最大负载电流减固定值。这样根据步骤S30可得最后供电接口输出的供电电流等于最大负载电流减固定值，比适配器的最大负载能力Ia小一点，不会超过适配器供电能力，最后能稳定快速充电，实现智能匹配输入适配器的负载能力。

该充电方法，实时获取适配器或者USB供电接口的最大负载电流，并设定目标电流为最大负载电流-固定值，通过反馈控制及负反馈环路使供电接口输出的供电电流等于目标电流，即使供电接口输出的电流接近且不会超过最大负载电流，从而实现了对适配器或USB供电接口负载能力的智能匹配，实现最大程度利用适配器或者USB接口的能力，最大功率、最快速度的充电。

本发明的充电系统和充电方法，实时获取适配器或者USB供电接口的最大负载电流，并设定目标电流为最大负载电流-固定值，通过反馈控制及负反馈环路使供电接口输出的供电电流等于目标电流，即使供电接口输出的电流接近且不会超过最大负载电流，从而实现了对适配器或USB供电接口负载能力的智能匹配，实现最大程度利用适配器或者USB接口的能力，最大功率、最快速度的充电。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电池充电系统，具有芯片外部电路和芯片内部电路，芯片外部电路和芯片内部电路构成负反馈环路，其特征在于，芯片外部电路包括供电接口和电池充电端，芯片内部电路包括电流设定单元、反馈控制单元以及开关网络；

所述供电接口输出端连接所述电流设定单元、反馈控制单元以及开关网络的输入端，所述电流设定单元输出端连接所述反馈控制单元，所述反馈控制单元输出端连接开关网络，所述开关网络的输出端连接所述电池充电端；

所述供电接口输出的供电电压和供电电流经过所述开关网络控制后形成充电电流，并提供给电池充电端，所述电流设定单元检测获取供电接口的最大负载电流，并将目标电流设定为最大负载电流减固定值，所述反馈控制单元实时监测供电接口的供电电流，并与设定的目标电流进行比较，在供电电流与目标电流不相等时，对供电电流进行调整，使供电电流等于目标电流；

所述电流设定单元包括电压比较器和自动电流控制逻辑；所述电压比较器一端连接供电接口输出端，另一端连接自动电流控制逻辑，所述自动电流控制逻辑连接所述反馈控制单元；其中，所述自动电流控制逻辑设定目标电流的具体为：在充电系统开始充电时，所述自动电流控制逻辑电流预先设定一个最大的目标电流,然后将目标电流Is逐步增大；当目标电流增大到等于供电接口的最大负载电流时，此时暂停充电，所述自动电流控制逻辑记录下此时设定的目标电流，并重新设定最大的目标电流为最大负载电流减固定值，接着重新开始充电。

2.根据权利要求1所述的充电系统，其特征在于，所述电池充电端包括LC滤波电路及充电端；所述LC滤波电路输入端连接所述开关网络的输出端，输出端连接充电端，开关网络的输出电流经过LC滤波电路滤波后形成充电电流，给到所述充电端对电池进行充电。

3.根据权利要求2所述的充电系统，其特征在于，所述开关网络包括充电控制逻辑、第一驱动和第二驱动、第一充电MOS管和第二充电MOS管；所述充电控制逻辑一端连接所述反馈控制单元，另一端分别连接第一驱动和第二驱动的一端，所述第一驱动另一端连接第一充电MOS管的栅端，所述第二驱动另一端连接第二充电MOS管的栅端，所述第一充电MOS管的源端连接所述供电接口，漏端连接所述LC滤波电路和第二充电MOS管的源端，所述第二充电MOS管的漏端接地。

4.根据权利要求1所述的充电系统，其特征在于，所述反馈控制单元包括电流检测电路、电流误差放大器以及PWM比较器，所述电流检测电路连接供电接口输出端和电流误差放大器，所述电路误差放大器连接所述自动电流控制逻辑和PWM比较器，所述PWM比较器连接所述充电控制逻辑；

所述电流检测电路实时监测供电接口输出的供电电流，并交给所述电流误差放大器，所述电流误差放大器把供电电流和目标电流进行比较，产生放大后的误差电压，所述PWM比较器比较误差电压和三角波电压后生成脉宽信号，所述脉宽信号通过控制所述开关网络来控制调整充电电流，进而通过负反馈环路调整供电电流，使供电电流等于目标电流。

5.根据权利要求4所述的充电系统，其特征在于，所述充电系统还包括补偿网络；所述补偿网络连接电流误差放大器和PWM比较器，对负反馈环路稳定性进行补偿。

6.根据权利要求4所述的充电系统，其特征在于，所述电流检测电路包括第一PMOS管、第二PMOS管、电流检测放大器和NMOS管；所述第一PMOS管和第二PMOS管的源端连接供电电压，栅端连接到地，所述第一PMOS管的漏端连接所述电流检测放大器的负端，所述第二PMOS管的漏端连接所述电流检测放大器的正端和NMOS管的漏端，所述NMOS管栅端连接所述电流检测放大器输出端，源端连接所述电流误差放大器，所述第一PMOS管、第二PMOS管、电流检测放大器和NMOS管构成负反馈回路。

7.根据权利要求1至6任一所述的充电系统，其特征在于，所述充电系统还包括外设供电端；所述外设供电端连接供电接口输出端，所述供电接口对所述外设供电端提供输出电压，输出电压对另外的一个或者多个设备进行供电。

8.一种充电方法，其特征在于，包括如下步骤：

检测获取供电接口的最大负载电流；

设定目标电流，并将目标电流设定为最大负载电流减固定值；

在对电池进行充电时，实时监测供电接口的供电电流，并与设定的目标电流进行比较，在供电电流与目标电流不相等时，对供电电流进行调整，使供电电流等于目标电流；

所述检测获取供电接口的最大负载电流的步骤具体为：

预先设定一个最大的目标电流，然后将目标电流逐步增大；

当目标电流增大到等于供电接口的最大负载电流时，充电系统暂停充电，记录此时的目标电流，即获取最大负载电流。