CN105576766B - 负载自动检测电路及应用其的移动电源 - Google Patents

负载自动检测电路及应用其的移动电源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种负载自动检测电路及应用其的移动电源，本发明均采用模拟器件和逻辑元件，由于在负载插入时，移动电源输出端的电压会掉落，此时检测比较电路能够检测到输出端电压掉落而发生偏转，以确认有负载插入，并通过升压模块对负载充电，负载插入后，会在负载端开关的电容上产生压降，使得负载端开关的栅源电压达到负载端开关的导通阈值，以使负载端开关导通，延长输出端电压掉落的时间，以留有充足的检测时间；此外，本发明的检测比较电路和复位电路均能实现快速响应。本发明无需单片机，降低了处理的功耗，并可将各个模块集成于单个芯片当中，减少了外围器件，同时降低了系统设计的复杂度，节约了元器件成本。

Description

负载自动检测电路及应用其的移动电源
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种负载自动检测电路及应用其的移动电源。
背景技术
随着数码技术的发展及其功能的扩展，越来越多的数码产品(如手机、平板电脑、数码相机、摄像机、PDA、MP3、MP4、GPS等)得到了普及，以满足人们对数码技术日益增长的需求。
现有技术的各种数码产品，多采用标配的电源电池，如采用聚合物电池或锂离子电池等。目前市面上移动电源普遍采用的充电输出电压多为固定模式，一般都基于MCU的主控电路设计。
目前市场上的移动电源有两种，一种是移动电源在负载插上后，需要手动按下按键，才能给负载充电，会增加操作的复杂性；另一种是具有自动检测负载功能的移动电源。
如图1所示，为一种现有技术具有自动检测负载电路的移动电源的电路结构图。其主要原理是利用了三极管的开关作用来实现的：当没有负载插上，三极管Q是截止的，单片机(中央控制电路)内部上拉，在负载检测端(电阻R2与单片机连接的一端)可以检测到高电平，单片机即可判断负载没有连接上，然后控制放电电路不给负载放电；而当插上负载时，移动电源的正输出端Vout+有小电流流过负载，再从负载流回负输出端Vout-，经过电阻R1(阻值为1K)，再从三极管Q的基极流向地，使得三极管导通，由于单片机内部上拉电阻远大于电阻R2(阻值为1K)的阻值，从而单片机可以在负载检测端(电阻R2与单片机连接的一端)检查到低电平，一旦检测到低电平，单片机即可判断负载连接上，然后控制放电电路给负载放电。由于三极管是电流型器件，电流到达一个值才能使三极管导通，而由于负载种类很多，差异也很大，造成三极管不能完全导通，从而出现有些负载不能被识别，兼容性不好。而且电路元器件比较多，成本高。
如图2所示，为现有技术另一种带负载检测的移动电源框图。当没有负载插上时，单片机(中央控制电路100)内部不上拉，检测电阻R相当于单片机的下拉电阻，单片机此时检测到的负载检测端的电平信号为低电平，单片机即可判断负载没有连接上，控制放电电路200则不对负载供电。而当负载插上时，起初单片机控制放电电路200中的升压输出电路220不工作，于是电池210不经过升压，直接给负载供电，此时给负载供压的电池电压比较低，所以会在接插件J的正输出端Vout+(即移动电源的正输出端)有小电流流过负载，再从负载流回接插件J的负输出端Vout-(即移动电源的负输出端)，同时经过检测电阻R流向地，因为与单片机内部上拉电阻相比，检测电阻R的阻值很大(1M)，则在检测电阻R的负载检测端产生电压，且检测电阻R的接地端为0，检测电阻R的负载检测端的电平信号则为高电平(高电平为1)，因此单片机判断负载已插上，然后单片机控制放电电路200给负载放电。
该负载检测方法虽然能够实现负载检测功能，但是需要单片机作为中央控制电路，单片机需要一直检测负载插入的情况，从而使整个系统的静态电流比较大，降低了移动电源提供负载电流的时间。因此，单片机的引入，虽然提供了更加强大的功能，但增加了系统元件的成本，提高了系统设计的复杂度。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种负载自动检测电路及应用其的移动电源，用以解决现有技术存在的元件成本高，静态功耗大的技术问题。
本发明的技术解决方案是，提供一种以下结构的应用负载自动检测电路的移动电源，包括充电模块、电池、升压模块和负载自动检测电路，在适配器插入的情况下所述的充电模块对电池充电，所述在负载自动检测电路用于判断负载是否插入，在确定负载插入的情况下，所述电池通过升压模块对负载供电；
负载未插入时，移动电源的输出端电压等于电池电压；当负载插入时，移动电源输出端向负载供电，从而拉低移动电源输出端的电压，此时移动电源输出端的电压小于电池电压；所述的负载自动检测电路检测到移动电源输出端的电压小于电池电压时，则判断有负载插入，控制电池通过升压模块对负载供电。
优选地，所述的负载自动检测电路包括检测比较电路和复位电路，所述的检测比较电路的第一端连接所述的移动电源输出端，其第二端接收所述的电池电压，所述检测比较电路的输出端输出用于判断是否有负载插入的比较信号；所述的复位电路接收所述电池电压作为其供电电压，在适配器插入的情况下，则选择适配器的输入电压和电池电压二者中的较大电压作为复位电路的供电电压，当所述的供电电压低于阈值电压时，则所述复位电路输出清零信号，所述清零信号用于控制升压模块不工作，以停止充电。
优选地，在检测比较电路的第一端或第二端处设置偏置电压，以在负载未插入时，其第一端的电压高于第二端的电压。
优选地，所述的移动电源还包括负载端开关，所述的负载端开关与负载串联，负载端开关的第一端与负载连接，其第二端接地，负载端开关的控制端与复位电路连接。
优选地，所述负载端开关上并联有电阻，所述的电阻两端分别连接在第一端和第二端上；并在负载端开关的控制端和第一端之间连接有电容。
优选地，所述的负载自动检测电路还包括触发器，所述触发器的置位端接收所述比较信号，所述触发器的重置端接收所述的清零信号，所述触发器输出使能信号，所述的使能信号用于控制负载端开关的状态。
优选地，所述的复位电路包括电压电流转换电路、第一电流镜像模块、第二电流镜像模块、电平转移模块和驱动器，所述的电压电流转换电路接收所述供电电压，并将其转换为电流信号，所述的电流信号分别由第一电流镜像模块和第二电流镜像模块镜像成两个不同方向的电流，所述的电平转移模块连接在第一电流镜像模块和第二电流镜像模块之间，第一电流镜像模块和第二电流镜像模块的公共端连接在驱动器的输入端，所述的驱动器输出清零信号。
优选地，所述检测比较电路包括两个分别用于电压电流转换的开关管和第三电流镜像模块，所述的两个开关管分别接收所述电池电压和移动电源输出端电压，并将电池电压和移动电源输出端电压转换为电流信号，所述第三电流镜像模块将其中一个电流信号镜像镜像为方向相反的电流信号，再根据该电流信号与另一个电流信号的大小，输出比较信号。
采用本发明的电路结构，与现有技术相比，具有以下优点：本发明均采用模拟器件和逻辑元件，由于在负载插入时，移动电源输出端的电压会掉落，此时检测比较电路能够检测到输出端电压掉落而发生偏转，以确认有负载插入，并通过升压模块对负载充电，负载插入后，会在负载端开关的电容上产生压降，使得负载端开关的栅源电压达到负载端开关的导通阈值，以使负载端开关导通，延长输出端电压掉落的时间，以留有充足的检测时间；此外，本发明的检测比较电路和复位电路均能实现快速响应。本发明无需单片机，降低了处理的功耗，并可将各个模块集成于单个芯片当中，减少了外围器件，同时降低了系统设计的复杂度，节约了元器件成本。
附图说明
图1为现有技术中一种负载检测电路的电路图；
图2为现有技术中一种带有负载检测电路的移动电源的电路图；
图3为应用负载自动检测电路的移动电源的原理框图；
图4为应用负载自动检测电路的移动电源的电路结构图；
图5为触发器的连接关系图；
图6为复位电路的电路结构图；
图7为检测比较电路的电路结构图；
图8为负载插入时的工作波形图；
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精神和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。
为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。
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。
参考图3所示，示意了本发明应用负载自动检测电路的移动电源的电路原理框图。所述的移动电源包括充电模块、电池、升压模块和负载自动检测电路，在适配器插入的情况下所述的充电模块对电池充电，所述在负载自动检测电路用于判断负载是否插入，在确定负载插入的情况下，所述电池通过升压模块对负载供电；
负载未插入时，移动电源的输出端Vout电压等于电池电压；当负载插入时，移动电源输出端Vout向负载System供电，从而拉低移动电源输出端的电压，此时移动电源输出端Vout的电压小于电池电压；所述的负载自动检测电路检测到移动电源输出端Vout的电压小于电池电压时，则判断有负载插入，控制电池通过升压模块对负载供电。在适配器插入时，则适配器也通过二极管D1向移动电源输出端供电。所述的移动电源输出端Vout处设置有输出电容C1。图1中，D+，D-表示输出端用于负载插入的接口。虚线框内的模块均集成于单个芯片内，以减少外围器件。
负载端开关Q2与负载串联，负载端开关Q2的第一端与负载连接，其第二端接地，负载端开关的控制端与负载自动检测电路连接。在负载插入时，控制负载端开关Q2导通；负载未插入，则断开负载端开关Q2。
参考图4所示，根据图3中的电路原理框图，给出了移动电源的具体电路图，主要体现在负载自动检测电路的具体结构以及负载自动检测电路与其他模块的连接关系上。所述的充电模块、控制逻辑模块、检测比较电路和复位电路集成于一块芯片上，Vin、Bat、VOUT、LX和STB分别为该芯片的四个引脚，Vin引脚用于与适配器连接，Bat引脚则用于与电池B+，B-连接，VOUT引脚用于和移动电源的输出端连接，LX引脚则连接在电感L和二极管D1的公共端，STB引脚则用于与负载端开关Q2的控制端连接。
所述的负载自动检测电路包括检测比较电路和复位电路，所述的检测比较电路采用比较器实现，其的第一端连接所述的移动电源输出端Vout，其第二端接收所述的电池电压VBat，所述检测比较电路的输出端输出用于判断是否有负载插入的比较信号Vcomp。在检测比较电路的第一端或第二端处设置偏置电压Voffset，以在负载未插入时，其第一端的电压高于第二端的电压，负载插入后，则输出端电压掉落的幅度大于偏置电压Voffset，因此检测比较电路会发生翻转。所述的复位电路接收所述电池电压VBat作为其供电电压，在适配器插入的情况下，则选择适配器的输入电压Vin和电池电压VBat二者中的较大电压作为复位电路的供电电压，当所述的供电电压低于阈值电压时，则所述复位电路输出清零信号Vclear，所述清零信号Vclear用于控制升压模块不工作，以停止充电。
所述的移动电源还包括负载端开关Q2，所述的负载端开关Q2与负载System串联，负载端开关Q2的第一端与负载连接，其第二端接地，负载端开关Q2的控制端与复位电路连接。所述负载端开关上并联有电阻R1，所述的电阻R1两端分别连接在负载端开关的第一端和第二端上；并在负载端开关的控制端和第一端之间连接有电容C2，负载端开关Q2的控制端通过电阻R2接地。图2中所标出的R1、R2和C2的值均为一个实施例，在本领域普通技术人员看来，所有合理数值均能实现相应功能。电容C2的设置的作用是，在负载端开关Q2的电容C2上产生压降，使得负载端开关Q2的栅源电压达到负载端开关Q2的导通阈值，以使负载端开关Q2导通，延长输出端电压掉落的时间，以留有充足的检测时间。
所述的负载自动检测电路还包括触发器(本实施例以RS触发器为例)，所述触发器的置位端S接收所述比较信号Vcomp，所述触发器的重置端R接收所述的清零信号Vclear，所述触发器输出使能信号EN，所述的使能信号EN用于控制负载端开关Q2的状态。
如图5所示，示意了触发器的连接关系，针对图4的电路作了进一步的设计和改进，清零信号Vclear和SD信号分别输入或门的两个输入端，所述或门的输出端连接在触发器的重置端R。比较信号Vcomp连接在触发器的置位端S，所述的触发器的输出端Q输出使能信号EN。SD信号可视为紧急信号，例如，在发生短路时，SD信号触发，对使能信号EN清零。
如图6所示，示意了复位电路的具体电路图。所述的复位电路包括电压电流转换电路、第一电流镜像模块、第二电流镜像模块、电平转移模块和驱动器，所述的电压电流转换电路接收所述供电电压VMAX，并将其转换为电流信号，所述的电流信号分别由第一电流镜像模块和第二电流镜像模块镜像成两个不同方向的电流，所述的电平转移模块连接在第一电流镜像模块和第二电流镜像模块之间，第一电流镜像模块和第二电流镜像模块的公共端连接在驱动器的输入端，所述的驱动器输出清零信号Vclear。供电电压VMAX为适配器输入端Vin和电池电压VBat中较大的电压。
所述的电压电流转换电路包括电阻R3和开关管MN1，供电电压VMAX施加于电压电流转换电路上，从而产生电流信号。所述第一电流镜像模块包括开关管MN2、开关管MN3和开关管MN4，实现对所述电流信号镜像。所述第二电流镜像模块包括开关管MP1和开关管MP3，得到镜像电流，其电流方向与第一电流镜像模块所得到的镜像电流方向相反。所述的电平转移模块包括开关管MP2和开关管MN5，开关管MN5连接在第一电流镜像模块和第二电流镜像模块之间，供电电压VMAX是否能够克服开关管MP2、开关管MN5和开关管MN4的阻抗决定了驱动器被拉高或拉低。那么，可以通过调节供电电压VMAX的开关管数量来调节阻抗。
本实施例中的复位电路之具体工作原理如下：当供电电压VMAX(适配器电压Vin和电池电压VBat中较高的电压作为电源电压VMAX)高于NMOS阈值VT但低于2VT(包括MP2和MN5的阈值)+Vds_MN4(Vds_MN4为开关管MN4的漏源电压)时，MN5不能打开，开关管MP3将驱动器(本实施例中以施密特触发器为例)的输入电压拉高接近供电电压VMAX，Vclear为高，EN信号被清零。当供电电压高于2VT+Vds_MN4时，施密特的输入被开关管MN5拉低，Vclear为低。当系统处于待机状态时，复位电路依然工作，通过将MN1电流设置在微安级别，从而达到超低功耗的要求。由于比较检测电路为高电平的持续时间较短，等待基准电压建立以及传统的欠压比较器工作起来需要上百微秒的时间，所以需要用速度较快的本发明的复位电路来产生清零信号，以达到上述要求。
如图7所示，示意了检测比较电路的具体电路图。图中的检测比较电路为一个快速比较器，包括两个分别用于电压电流转换的开关管(MN1和MN2)和第三电流镜像模块(MP1和MP2)，开关管MN1接收移动电源输出端电压Vout，开关管MN1接收移动电源输出端电压Vout，开关管MN2接收移动电源输出端电压VBat，从而将电池电压VBat和移动电源输出端电压Vout转换为电流信号，所述第三电流镜像模块将其中一个电流信号镜像镜像为方向相反的电流信号，再根据该电流信号与另一个电流信号的大小，输出比较信号Vcomp。
当电池电压VBat高于输出端电压Vout时，开关管MP2关闭，开关管MP1将MN2的栅极电压拉高，MN2的漏极电压被拉低，Vcomp为高。当电池电压VBat低于输出端电压Vout时，MP2打开，MN1将MN2栅极拉低，从而施密特输入电压被拉高，Vcomp为低。实际设计中，将MP1，MP2匹配，MN1和MN2的宽长比很小，从而在锂电池供电(一般为2.5V至4.2V)范围内，仅消耗微安级的静态电流。
如图8所示，示意了负载插入时移动电源输出端的波形和比较信号的波形，通过波形可知，在负载插入时，移动电源输出端电压Vout明显掉落，会低于电池电压VBat，此时检测比较电路能够检测到Vout的掉落，从而发生翻转。
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)

1.一种应用负载自动检测电路的移动电源，包括充电模块、电池、升压模块和负载自动检测电路，在适配器插入的情况下所述的充电模块对电池充电，所述负载自动检测电路用于判断负载是否插入，在确定负载插入的情况下，所述电池通过升压模块对负载供电；
其特征在于：负载未插入时，移动电源的输出端电压等于电池电压；当负载插入时，移动电源输出端向负载供电，从而拉低移动电源输出端的电压，使移动电源输出端的电压小于电池电压；所述的负载自动检测电路检测到移动电源输出端的电压小于电池电压时，则判断有负载插入，控制电池通过升压模块对负载供电；
其中，所述负载自动检测电路包括复位电路，所述复位电路接收所述电池电压作为其供电电压，在所述适配器插入的情况下，则选择所述适配器的输入电压和所述电池电压二者中的较大电压作为所述复位电路的供电电压，当所述供电电压低于阈值电压时，则所述复位电路输出清零信号，所述清零信号用于控制所述升压模块不工作，以停止充电。
2.根据权利要求1所述的应用负载自动检测电路的移动电源，其特征在于：所述的负载自动检测电路包括检测比较电路，所述的检测比较电路的第一端连接所述的移动电源输出端，其第二端接收所述的电池电压，所述检测比较电路的输出端输出用于判断是否有负载插入的比较信号。
3.根据权利要求2所述的应用负载自动检测电路的移动电源，其特征在于：在检测比较电路的第一端或第二端处设置偏置电压，以在负载未插入时，其第一端的电压高于第二端的电压。
4.根据权利要求2所述的应用负载自动检测电路的移动电源，其特征在于：所述的移动电源还包括负载端开关，所述的负载端开关与负载串联，负载端开关的第一端与负载连接，其第二端接地，负载端开关的控制端与复位电路连接。
5.根据权利要求4所述的应用负载自动检测电路的移动电源，其特征在于：所述负载端开关上并联有电阻，所述的电阻两端分别连接在第一端和第二端上；并在负载端开关的控制端和第一端之间连接有电容。
6.根据权利要求4所述的应用负载自动检测电路的移动电源，其特征在于：所述的负载自动检测电路还包括触发器，所述触发器的置位端接收所述比较信号，所述触发器的重置端接收所述的清零信号，所述触发器输出使能信号，所述的使能信号用于控制负载端开关的状态。
7.根据权利要求2所述的应用负载自动检测电路的移动电源，其特征在于：所述的复位电路包括电压电流转换电路、第一电流镜像模块、第二电流镜像模块、电平转移模块和驱动器，所述的电压电流转换电路接收所述供电电压，并将其转换为电流信号，所述的电流信号分别由第一电流镜像模块和第二电流镜像模块镜像成两个不同方向的电流，所述的电平转移模块连接在第一电流镜像模块和第二电流镜像模块之间，第一电流镜像模块和第二电流镜像模块的公共端连接在驱动器的输入端，所述的驱动器输出清零信号。
8.根据权利要求2或7所述的应用负载自动检测电路的移动电源，其特征在于：所述检测比较电路包括两个分别用于电压电流转换的开关管和第三电流镜像模块，所述的两个开关管分别接收所述电池电压和移动电源输出端电压，并将电池电压和移动电源输出端电压转换为电流信号，所述第三电流镜像模块将其中一个电流信号镜像为方向相反的电流信号，再根据该电流信号与另一个电流信号的大小，输出比较信号。
9.一种负载自动检测电路，其特征在于：包括检测比较电路和复位电路，所述的检测比较电路的第一端连接移动电源输出端，其第二端接收电池电压，所述检测比较电路的输出端输出用于判断是否有负载插入的比较信号；所述的复位电路接收所述电池电压作为其供电电压，在适配器插入的情况下，则选择适配器的输入电压和电池电压二者中的较大电压作为复位电路的供电电压，当所述的供电电压低于阈值电压时，则所述复位电路输出清零信号，所述清零信号用于控制升压模块不工作，以停止充电。
10.根据权利要求9所述的负载自动检测电路，其特征在于：所述的复位电路包括电压电流转换电路、第一电流镜像模块、第二电流镜像模块、电平转移模块和驱动器，所述的电压电流转换电路接收所述供电电压，并将其转换为电流信号，所述的电流信号分别由第一电流镜像模块和第二电流镜像模块镜像成两个不同方向的电流，所述的电平转移模块连接在第一电流镜像模块和第二电流镜像模块之间，第一电流镜像模块和第二电流镜像模块的公共端连接在驱动器的输入端，所述的驱动器输出清零信号。
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