CN109038741A - 一种充电电路和开关充电芯片及其充电电流采样电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种充电电路和开关充电芯片及其充电电流采样电路，该充电电流采样电路中均采用两个双极结型晶体管作为运算放大器的输入对管，因双极结型晶体管的失配系数小，进而使得运算放大器的失调电压大幅降低，避免了现有技术中充电电流采样误差大的问题，提升了充电电流的采样精度。

Description

一种充电电路和开关充电芯片及其充电电流采样电路

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种充电电路和开关充电芯片及其充电电流采样电路。

背景技术

随着便携式电子产品的广泛应用，因能够反复充电而成为便携式电子产品供电电源的锂离子电池也受到推广，而作为主流的给锂离子电池充电的开关充电芯片，也具有很广泛的应用市场。

现有技术中，不带动态路径管理的开关充电芯片，由于成本更低，广泛应用于中低端电子产品中。但是，这类芯片无法获得充电电流的信息，因此需要在其为锂离子电池进行充电的路径上面串联一个外置的采样电阻，以通过芯片内部的充电电流采样电路获取电流信息。为了降低该采样电阻上的热损耗，通常选择比较小(比如33mohm、55mohm、68mohm等规格)的采样电阻，这样当充电电流为1A时，采样电阻上面的电压差只有几十mV。

但是，上述方案中的充电电流采样电路，因其运放失调电压较高，若考虑6sigma，则对于33mohm的应用，在1A充电情况下，有可能导致充电电流有±36.4％的变化(6*2mV/33mV＝0.364)，充电电流采样误差较大。

发明内容

本发明提供一种充电电路和开关充电芯片及其充电电流采样电路，以解决现有技术中充电电流采样误差大的问题。

为实现上述目的，本申请提供的技术方案如下：

一种开关充电芯片的充电电流采样电路，与外置的采样电阻相连；所述充电电流采样电路包括：第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容、第一开关管及运算放大器；其中：

所述第一电阻的一端，作为所述充电电流采样电路的第一输入端，与所述采样电阻用于连接所述开关充电芯片的一端相连；

所述第二电阻的一端，作为所述充电电流采样电路的第二输入端，与所述采样电阻用于连接锂离子电池相连；

所述第一电阻的另一端分别与所述第一开关管的源极和所述运算放大器的反相输入端相连；

所述第二电阻的另一端与所述运算放大器的同相输入端相连；

所述运算放大器的输出端与所述第一开关管的栅极相连；

所述第一开关管的漏极与所述第三电阻的一端及所述第一电容的一端相连，连接点作为所述充电电流采样电路的输出端；

所述第三电阻的另一端与所述第一电容的另一端均接地；

所述第一电阻与所述第二电阻的阻值相同；

所述运算放大器的输入对管为双极结型晶体管。

优选的，所述第一开关管为PMOS晶体管。

优选的，所述运算放大器为两级运放结构。

优选的，所述双极结型晶体管为NPN结构的双极结型晶体管。

一种开关充电芯片，包括：电荷泵、主控制电路、驱动电路、第二开关管、第三开关管、第四开关管以及如权利要求1至4任一所述的开关充电芯片的充电电流采样电路；其中：

所述电荷泵与所述第二开关管的栅极相连；

所述第二开关管的漏极作为所述开关充电芯片的VBUS引脚；

所述第二开关管的源极与所述第三开关管的源极相连，连接点作为所述开关充电芯片的PMID引脚；

所述第三开关管的漏极与所述第四开关管的漏极相连，连接点作为所述开关充电芯片的SW引脚；

所述第四开关管的源极作为所述开关充电芯片的PGND引脚；

所述第三开关管的栅极与所述第四开关管的源极均与所述驱动电路的输出端相连；

所述驱动电路的输入端与所述主控制电路的一端相连；

所述主控制电路的另一端与所述充电电流采样电路的输出端相连；

所述充电电流采样电路的第一输入端作为所述开关充电芯片的CSIN引脚；

所述充电电流采样电路的第二输入端作为所述开关充电芯片的VBAT引脚。

优选的，所述第三开关管为PMOS晶体管；

所述第二开关管和所述第四开关管均为NMOS晶体管。

一种充电电路，用于为锂离子电池充电，所述充电电路包括：

如上述所述的开关充电芯片，以及，

外围电路。

优选的，所述外围电路包括：电感、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容及采样电阻；其中：

所述第二电容连接于所述开关充电芯片的PMID引脚与地之间；

所述电感的一端与所述开关充电芯片的SW引脚相连；

所述电感的另一端通过所述采样电阻与所述第三电容的一端以及所述锂离子电池相连；

所述第三电容的另一端与所述开关充电芯片的PGND引脚和地相连；

所述第四电容连接于所述开关充电芯片的VBAT引脚与地之间；

所述第五电容连接于所述开关充电芯片的CSIN引脚与地之间。

本发明提供的开关充电芯片的充电电流采样电路，采用两个双极结型晶体管作为运算放大器的输入对管，因双极结型晶体管的失配系数小，进而使得运算放大器的失调电压大幅降低，避免了现有技术中充电电流采样误差大的问题，提升了充电电流的采样精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术内的技术方案，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，下面描述内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是本发明实施例提供的充电电流采样电路的电路图；

图2是本发明实施例提供的一种两级结构的运算放大器的电路图；

图3是本发明另一实施例提供的NMOS晶体管阈值失配系数的示意图；

图4是本发明另一实施例提供的NPN结构的双极结型晶体管阈值失配系数的示意图；

图5是本发明另一实施例提供的充电电路的电路图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

本发明提供一种开关充电芯片的充电电流采样电路，以解决现有技术中充电电流采样误差大的问题。

开关充电芯片的充电电流采样电路，与外置的采样电阻Rcs相连；具体的，请参见图1，该充电电流采样电路包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一电容C1、第一开关管Mp1及运算放大器I1；其中：

第一电阻R1的一端，作为充电电流采样电路的第一输入端，也作为该开关充电芯片的CSIN引脚，与采样电阻Rcs用于连接开关充电芯片的一端相连；

第二电阻R2的一端，作为充电电流采样电路的第二输入端，也作为该开关充电芯片的VBAT引脚，与采样电阻Rcs用于连接锂离子电池Battery相连；

第一电阻R1的另一端分别与第一开关管Mp1的源极和运算放大器I1的反相输入端相连；

第二电阻R2的另一端与运算放大器I1的同相输入端相连；

运算放大器I1的输出端与第一开关管Mp1的栅极相连；

第一开关管Mp1的漏极与第三电阻R3的一端及第一电容C1的一端相连，连接点作为充电电流采样电路的输出端，生成输出电压Vsense；

第三电阻R3的另一端与第一电容C1的另一端均接地；

第一电阻R1与第二电阻R2的阻值相同，均为Rsense；

运算放大器I1的输入对管为双极结型晶体管。

优选的，第一开关管Mp1为PMOS晶体管。

优选的，运算放大器I1为图2所示的两级运放结构，其中，VDD表示运算放大器I1的电源端，GND表示运算放大器I1的接地端，INN表示运算放大器I1的同相输入端，INP表示运算放大器I1的反相输入端，OUT表示运算放大器I1的输出端；Q1和Q2为该运算放大器I1的输入对管。

更为优选的，双极结型晶体管为NPN结构的双极结型晶体管。

具体的工作原理为：

运算放大器I1钳位两个输入端电压相等，同时，假设锂离子电池Battery的充电电流是ICHG，则可以得到采样的电流信息：

ICHG×Rcs+Vos＝Isense×Rsense；

因此可以得到：Isense＝(ICHG×Rcs+Vos)÷Rsense；

上述公式中，Vos表示运算放大器I1的输入失调电压，Isense为采样得到的表征电流；

该表征电流Isense通过第三电阻R3，转化为该充电电流采样电路的输出电压Vsense：

Vsense＝Isense×R3；

该输出电压Vsense参与到系统的环路控制中，进而调节充电电流到目标值，对锂离子电池Battery进行充电。

而运算放大器I1的失调电压，以其输入对管的失调电压占主导；其输入对管的输入失调电压的计算公式如下：

其中，Kn是开关管的工艺参数，Vth是开关管的阈值电压；ΔVth是输入对管的阈值失配；V_GS是指开关管的栅极电位与源极电位的电压差；ΔKn是指MOS管的工艺参数失配；是输入对管的尺寸失配。

从上式可以看出，阈值电压Vth的失调主导整个输入对管的输入失调电压，图3所示为某工艺下NMOS晶体管阈值失配系数NMOS Vth_gm；其中，横坐标为1/sqrt(W*L)，其单位为(1/um)；纵坐标为Sigma of Delta；黑色小方块表示目标Target，空白菱形块表示实测值v1d0。假设，以两个NMOS晶体管为输入对管的尺寸为W*L＝100um^2，那么1sigma的阈值失配约为1mV，然后再考虑其他因素，运算放大器I1的输入失调电压1sigma 2mV是合理的。若考虑6sigma，则对于33mohm的应用，在1A充电情况下，有可能导致充电电流有±36.4％的变化(6*2mV/33mV＝0.364)，这还是仅仅考虑运算放大器I1的输入失调电压情况下带来的误差；若是考虑其他的因素，将很难确保充电电流的控制准确性。

本实施例采用两个双极结型晶体管作为运算放大器I1的输入对管，因双极结型晶体管的匹配特性好，而且双极结型晶体管的跨导可以做的很大，图4所示为某工艺下NPN结构的双极结型晶体管阈值失配系数NPN VBE；其中，横坐标为1/SQRT(W*L)，纵坐标为Sigmaof delta VBE；菱形块表示目标Target，小方块表示实测值v1d0，可见其失配系数非常小。具体的，同样以W*L＝100um^2为例，1sigma(一种描述器件失配情况的参数)的阈值失配仅为0.06mV，然后由于NPN结构的双极结型晶体管的跨导很大，其他因素折算到输入端的失调时要除以输入对管的跨导，所以用NPN结构的双极结型晶体管作为两级运放的输入对管，能够确保将运算放大器I1的输入失调电压做到1sigma 0.3mV以下；同样考虑6sigma，输入失调电压Vos为1.8mV，则同样对于33mohm采样电阻充电电流1A的应用，由运算放大器I1的输入失调电压引入的误差仅有5.45％(1.8mV/33mV＝0.0545)，相比现有技术得到了大幅降低，提升了充电电流的采样精度。

本发明另一实施例还提供了一种开关充电芯片，参见图5，包括：电荷泵、主控制电路、驱动电路、第二开关管Mn2、第三开关管Mp3、第四开关管Mn4以及如上述实施例所述的开关充电芯片的充电电流采样电路；其中：

电荷泵与第二开关管Mn2的栅极相连；

第二开关管Mn2的漏极作为开关充电芯片的VBUS引脚；

第二开关管Mn2的源极与第三开关管Mp3的源极相连，连接点作为开关充电芯片的PMID引脚；

第三开关管Mp3的漏极与第四开关管Mn4的漏极相连，连接点作为开关充电芯片的SW引脚；

第四开关管Mn4的源极作为开关充电芯片的PGND引脚；

第三开关管Mp3的栅极与第四开关管Mn4的源极均与驱动电路的输出端相连；

驱动电路的输入端与主控制电路的一端相连；

主控制电路的另一端与充电电流采样电路的输出端相连；

充电电流采样电路的第一输入端作为开关充电芯片的CSIN引脚；

充电电流采样电路的第二输入端作为开关充电芯片的VBAT引脚。

优选的，第三开关管Mp3为PMOS晶体管；

第二开关管Mn2和第四开关管Mn4均为NMOS晶体管。

具体的工作原理为：

该开关充电芯片通过VBAT引脚和CSIN引脚，由充电电流采样电路实现对于锂离子电池Battery的充电电流采样，然后充电电流采样电路生成输出电压Vsense发送至主控制电路中，由主控制电路进行计算和处理，进而通过驱动电路控制第三开关管Mp3和第四开关管Mn4的通断，实现对于锂离子电池Battery的充电电流控制。

其余结构和原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。

本发明另一实施例还提供了一种充电电路，用于为锂离子电池Battery充电，参见图5，该充电电路包括：

上述实施例所述的开关充电芯片，以及，外围电路。

如图5所示，该外围电路包括：电感L、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5及采样电阻Rcs；其中：

第二电容C2连接于开关充电芯片的PMID引脚与地之间；

电感L的一端与开关充电芯片的SW引脚相连；

电感L的另一端通过采样电阻Rcs与第三电容C3的一端以及锂离子电池Battery相连；

第三电容C3的另一端与开关充电芯片的PGND引脚和地相连；

第四电容C4连接于开关充电芯片的VBAT引脚与地之间；

第五电容C5连接于开关充电芯片的CSIN引脚与地之间。

实际应用中，该外围电路还应该包括：与开关充电芯片的SCL引脚相连，并通过相应电阻与开关充电芯片的STAT引脚和SDA引脚相连的主机Master(比如MCU或者CPU)，用于发出指令等；并且该开关充电芯片还应设置有OTG引脚和ENN引脚；其具体设置可以视其应用环境而定，此处不做具体限定，均在本申请的保护范围内。

其余结构和原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。

本发明中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

以上，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种开关充电芯片的充电电流采样电路，其特征在于，与外置的采样电阻相连；所述充电电流采样电路包括：第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容、第一开关管及运算放大器；其中：

所述第一电阻的一端，作为所述充电电流采样电路的第一输入端，与所述采样电阻用于连接所述开关充电芯片的一端相连；

所述第二电阻的一端，作为所述充电电流采样电路的第二输入端，与所述采样电阻用于连接锂离子电池相连；

所述第一电阻的另一端分别与所述第一开关管的源极和所述运算放大器的反相输入端相连；

所述第二电阻的另一端与所述运算放大器的同相输入端相连；

所述运算放大器的输出端与所述第一开关管的栅极相连；

所述第一开关管的漏极与所述第三电阻的一端及所述第一电容的一端相连，连接点作为所述充电电流采样电路的输出端；

所述第三电阻的另一端与所述第一电容的另一端均接地；

所述第一电阻与所述第二电阻的阻值相同；

所述运算放大器的输入对管为双极结型晶体管。

2.根据权利要求1所述的开关充电芯片的充电电流采样电路，其特征在于，所述第一开关管为PMOS晶体管。

3.根据权利要求1或2所述的开关充电芯片的充电电流采样电路，其特征在于，所述运算放大器为两级运放结构。

4.根据权利要求3所述的开关充电芯片的充电电流采样电路，其特征在于，所述双极结型晶体管为NPN结构的双极结型晶体管。

5.一种开关充电芯片，其特征在于，包括：电荷泵、主控制电路、驱动电路、第二开关管、第三开关管、第四开关管以及如权利要求1至4任一所述的开关充电芯片的充电电流采样电路；其中：

所述电荷泵与所述第二开关管的栅极相连；

所述第二开关管的漏极作为所述开关充电芯片的VBUS引脚；

所述第二开关管的源极与所述第三开关管的源极相连，连接点作为所述开关充电芯片的PMID引脚；

所述第三开关管的漏极与所述第四开关管的漏极相连，连接点作为所述开关充电芯片的SW引脚；

所述第四开关管的源极作为所述开关充电芯片的PGND引脚；

所述第三开关管的栅极与所述第四开关管的源极均与所述驱动电路的输出端相连；

所述驱动电路的输入端与所述主控制电路的一端相连；

所述主控制电路的另一端与所述充电电流采样电路的输出端相连；

所述充电电流采样电路的第一输入端作为所述开关充电芯片的CSIN引脚；

所述充电电流采样电路的第二输入端作为所述开关充电芯片的VBAT引脚。

6.根据权利要求5所述的开关充电芯片，其特征在于，所述第三开关管为PMOS晶体管；

所述第二开关管和所述第四开关管均为NMOS晶体管。

7.一种充电电路，其特征在于，用于为锂离子电池充电，所述充电电路包括：

如权利要求5或6所述的开关充电芯片，以及，

外围电路。

8.根据权利要求7所述的充电电路，其特征在于，所述外围电路包括：电感、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容及采样电阻；其中：

所述第二电容连接于所述开关充电芯片的PMID引脚与地之间；

所述电感的一端与所述开关充电芯片的SW引脚相连；

所述电感的另一端通过所述采样电阻与所述第三电容的一端以及所述锂离子电池相连；

所述第三电容的另一端与所述开关充电芯片的PGND引脚和地相连；

所述第四电容连接于所述开关充电芯片的VBAT引脚与地之间；

所述第五电容连接于所述开关充电芯片的CSIN引脚与地之间。