CN109525013B - 一种充电与降压转换集成芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种充电与降压转换集成芯片，设有电压输入端、电池连接端、恒流充电电流设置和充电电流监测端、充电状态指示输出端、使能端、反馈端、转换端和接地端；所述充电与降压转换集成芯片包括充电模块和降压转换模块；充电模块包括电压采样电路、基准电压电路、充电电路与第一、第二运算放大电路；降压转换模块包括控制电路、斜波补偿电路、驱动器与第三运算放大电路；本发明通过设置电压输入端、电池连接端、PROG端、充电状态指示输出端、使能端、反馈端、转换端和接地端，并将充电模块与降压转换模块相连接，实现了形成具有充电功能与降压转换功能的集成芯片的技术效果，集成芯片可适用于面积较小的电路板上，提高安装效率、降低芯片成本。

Description

一种充电与降压转换集成芯片
技术领域
本发明涉及电池充电与降压转换技术领域，尤其涉及一种充电与降压转换集成芯片。
背景技术
充电芯片与降压转换芯片通常使用在可充电的电量检测电路中，使得充电与电量检测同时进行。
充电芯片一般采用内部PMOSFET架构，加上防倒充电路，所以不需要外部隔离二极管，热反馈可对充电电流进行自动调节，还带有防反接保护功能。充电芯片具有电池温度检测、欠压闭锁、自动再充电和指示充电与结束状态的功能。
降压转换芯片具有强带载能力、高频同步降压的特点，支持Li+/Li聚合物电池，多个碱性/镍氢电池，USB和其他类型电源应用。降压转换芯片采用恒频电流型PWM控制模式使其具有较好的稳定性和瞬态特性，工作静态电流极低。
将两个单独的充电芯片与降压转换芯片安装在可充电的电量检测电路板上，可能因安装面积过大而难以实现电池的电量检测电路板制作，尤其是七号电池的电量检测电路板更加难以制备完成。并且使用两个单独的充电芯片与降压转换芯片也将出现电路板制备工序复杂，生产成本提高的问题。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足而提供一种充电与降压转换集成芯片，解决了通过改进充电模块与降压转换模块的电路连接结构形成具有充电功能与降压转换功能的集成芯片的技术问题。
本发明为解决上述问题所采用的技术方案为：
本发明提供一种充电与降压转换集成芯片，设有电压输入端、电池连接端、恒流充电电流设置和充电电流监测端、充电状态指示输出端、使能端、反馈端、转换端和接地端；所述充电与降压转换集成芯片包括充电模块和降压转换模块；
充电模块包括电压采样电路、基准电压电路、充电电路与第一、第二运算放大电路；电压采样电路连接所述电压输入端，并设有与电池电压相关的第一采样电压输出端和与充电电流相关的第二采样电压输出端，基准电压电路设有恒压基准电压输出端、恒流基准电压输出端与转换基准电压输出端，充电电路设有恒压充电电流输入端、恒流充电电流输入端和充电电压输出端；第一采样电压输出端与恒压基准电压输出端连接第一运算放大电路的输入端，其输出端连接恒压充电电流输入端；第二采样电压输出端与恒流基准电压输出端连接第二运算放大电路的输入端，其输出端连接恒流充电电流输入端；充电电压输出端连接电压采样电路的采样电压输入端，所述第二采样电压输出端连接所述电池连接端；第二采样电压输出端还连接所述恒流充电电流设置和充电电流监测端，所述充电状态指示输出端连接第一运算放大电路的充电状态运算输出端；
降压转换模块包括控制电路、斜波补偿电路、驱动器与第三运算放大电路；控制电路设有使能控制端、反馈控制端和转换输出端，使能控制端连接所述使能端；反馈控制端连接第三运算放大电路的输出端，第三运算放大电路的第一级输入端连接所述转换基准电压输出端和所述反馈端，其第二级输入端连接斜波补偿电路的斜波补偿输出端，斜波补偿输入端与所述电池连接端连接运算器；转换输出端连接驱动器的驱动输入端，驱动输出端连接所述转换端。
进一步地，所述电压采样电路还设有第一电子放大器、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管；第一MOS管和第二MOS管的漏极连接所述电压输入端，第一MOS管和第二MOS管的栅极为采样电压输入端，与所述充电电压输出端连接，第一MOS管的源极连接第三MOS管的漏极，第三MOS管的源极连接所述恒流充电电流设置和充电电流监测端；第三MOS管的栅极连接所述第一电子放大器的输出端，第一电子放大器的正相输入端和反相输入端分别连接第一MOS管和第二MOS管的源极，第二MOS管的源极还连接所述电池连接端。
进一步地，第一运算放大电路包括第一比较器、第二比较器和多路复用器，第二运算放大电路包括第三比较器；
所述基准电压电路的恒压基准电压输出端包括电量充满基准电压输出端和恢复充电基准电压输出端，电量充满基准电压输出端和第一采样电压输出端分别连接第一比较器的反相输入端和正相输入端，第一比较器的输出端连接多路复用器的第一输入端，多路复用器的第二输入端连接所述恢复充电基准电压输出端，多路复用器的输出端连接第二比较器的正相输入端，第二比较器的反相输入端连接所述恒流充电电流设置和充电电流监测端，第二比较器的输出端连接所述恒压充电电流输入端；
所述基准电压电路的恒流基准电压输出端连接第三比较器的正相输入端，第三比较器的反相输入端连接所述恒流充电电流设置和充电电流监测端，第三比较器的输出端连接所述恒流充电电流输入端。
更进一步地，所述第一运算放大电路的充电状态运算输出端为第一比较器的输出端。
进一步地，所述充电电路连接温度控制器。
进一步地，所述第三运算放大电路包括第二电子放大器和第四比较器，第二电子放大器的正相输入端和反相输入端分别连接所述反馈端和所述转换基准电压输出端，第二电子放大器的输出端连接第四比较器的正相输入端，第四比较器的反相输入端连接所述斜波补偿输出端，第四比较器的输出端连接所述反馈控制端。
进一步地，电池连接端连接电流传感器后与斜波补偿输入端连接运算器。
进一步地，斜波补偿电路连接振荡器，振荡器连接控制电路的振荡输入端。
进一步地，驱动器的驱动输出端分别连接第四MOS管和第五MOS管的栅极，第四MOS管的漏极连接所述电池连接端，第五MOS管的源极接地，第四MOS管的源极与第五MOS管的漏极均连接所述转换端。
进一步地，控制电路的零点检测控制端与转换端之间还连接零点检测器。
本发明所提供的充电与降压转换集成芯片通过设置电压输入端、电池连接端、恒流充电电流设置和充电电流监测端、充电状态指示输出端、使能端、反馈端、转换端和接地端，并且将充电模块与降压转换模块相连接，实现了形成具有充电功能与降压转换功能的集成芯片的技术效果，集成芯片可适用于面积较小的电路板上，提高安装效率、降低芯片成本。
附图说明
图1是现有的充电芯片的引脚图；
图2是现有的降压转换集成芯片的引脚图；
图3是本发明充电与降压转换集成芯片的引脚图；
图4是本发明充电与降压转换集成芯片的电路结构示意图。
图5-1、5-2是本发明充电与降压转换集成芯片的恒压、恒流充电波形图；
图6是本发明充电与降压转换集成芯片的安装示意图。
具体实施方式
下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制。
如图1所示，现有的充电芯片(型号为ME4054)具有电压输入端VCC、电池连接端BAT、恒流充电电流设置和充电电流监测端PROG、充电状态指示输出端CHRG、接地端GND五个引脚。
如图2所示，现有的降压转换芯片(型号为ME3104)具有电压输入端VIN、使能端EN、反馈端FB、转换端SW四个引脚端。
如图3所示，本实施例提供一种充电与降压转换集成芯片U1，设有电压输入端Vin、电池连接端BAT、恒流充电电流设置和充电电流监测端PROG、充电状态指示输出端CHRG、使能端EN、反馈端FB、转换端SW和接地端GND八个引脚；所述充电与降压转换集成芯片包括充电模块和降压转换模块；
如图4所示，充电模块包括电压采样电路、基准电压电路、充电电路与第一、第二运算放大电路；电压采样电路连接所述电压输入端Vin，并设有与电池电压相关的第一采样电压输出端Vs1和与充电电流相关的第二采样电压输出端Vs2，基准电压电路设有恒压基准电压输出端Vr1、恒流基准电压输出端Vr2与转换基准电压输出端Vsw，充电电路设有恒压充电电流输入端Iv、恒流充电电流输入端Ii和充电电压输出端Vo；第一采样电压输出端Vs1与恒压基准电压输出端Vr1连接第一运算放大电路的输入端，其输出端连接恒压充电电流输入端Iv；第二采样电压输出端Vs2与恒流基准电压输出端Vr2连接第二运算放大电路的输入端，其输出端连接恒流充电电流输入端Ii；充电电压输出端Vo连接电压采样电路的采样电压输入端，所述第二采样电压输出端Vs2连接所述电池连接端BAT；第二采样电压输出端Vs2还连接所述恒流充电电流设置和充电电流监测端PROG，所述充电状态指示输出端CHRG连接第一运算放大电路的充电状态运算输出端Vc；
如图4所示，降压转换模块包括控制电路、斜波补偿电路、驱动器与第三运算放大电路；控制电路设有使能控制端Cen、反馈控制端Cfb和转换输出端Csw，使能控制端Cen连接所述使能端EN；反馈控制端Cfb连接第三运算放大电路的输出端，第三运算放大电路的第一级输入端连接所述转换基准电压输出端Vsw和所述反馈端FB，其第二级输入端连接斜波补偿电路的斜波补偿输出端Vsco，斜波补偿输入端Vsci与所述电池连接端BAT连接运算器；转换输出端SW连接驱动器的驱动输入端，驱动输出端连接所述转换端SW。
在本实施例中，所述电压采样电路还设有第一电子放大器EA1、第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3；第一MOS管Q1和第二MOS管Q2的漏极连接所述电压输入端Vin，第一MOS管Q1和第二MOS管Q2的栅极为采样电压输入端，与所述充电电压输出端Vo连接，第一MOS管Q1的源极连接第三MOS管Q3的漏极，第三MOS管Q3的源极连接所述恒流充电电流设置和充电电流监测端PROG；第三MOS管Q3的栅极连接所述第一电子放大器EA1的输出端，第一电子放大器EA1的正相输入端和反相输入端分别连接第一MOS管Q1和第二MOS管Q2的源极，第二MOS管Q2的源极还连接所述电池连接端BAT。
在本实施例中，第一运算放大电路包括第一比较器COMP1、第二比较器COMP2和多路复用器MUX，第二运算放大电路包括第三比较器COMP3；
所述基准电压电路的恒压基准电压输出端Vr1包括电量充满基准电压输出端Vr11和恢复充电基准电压输出端Vr12，电量充满基准电压输出端Vr11和第一采样电压输出端Vs1分别连接第一比较器COMP1的反相输入端和正相输入端，第一比较器COMP1的输出端连接多路复用器MUX的第一输入端，多路复用器MUX的第二输入端连接所述恢复充电基准电压输出端Vr12，多路复用器MUX的输出端连接第二比较器COMP2的正相输入端，第二比较器COMP2的反相输入端连接所述恒流充电电流设置和充电电流监测端PROG，第二比较器COMP2的输出端连接所述恒压充电电流输入端Iv；
所述基准电压电路的恒流基准电压输出端Vr2连接第三比较器COMP3的正相输入端，第三比较器COMP3的反相输入端连接所述恒流充电电流设置和充电电流监测端PROG，第三比较器COMP3的输出端连接所述恒流充电电流输入端Ii。
在本实施例中，所述第一运算放大电路的充电状态运算输出端Vc为第一比较器COMP1的输出端。
在本实施例中，所述充电电路连接温度控制器。
在本实施例中，所述第三运算放大电路包括第二电子放大器EA2和第四比较器COMP4，第二电子放大器EA2的正相输入端和反相输入端分别连接所述反馈端FB和所述转换基准电压输出端Vsw，第二电子放大器EA2的输出端连接第四比较器COMP4的正相输入端，第四比较器COMP4的反相输入端连接所述斜波补偿输出端Vsco，第四比较器COMP4的输出端连接所述反馈控制端Cfb。
在本实施例中，电池连接端BAT连接电流传感器后与斜波补偿输入端Vsci连接运算器。
在本实施例中，斜波补偿电路连接振荡器，振荡器连接控制电路的振荡输入端Cosc。所述控制电路还连接一次性可编程单片机OTP。
在本实施例中，驱动器的驱动输出端分别连接第四MOS管Q4和第五MOS管Q5的栅极，第四MOS管Q4的漏极连接所述电池连接端BAT，第五MOS管Q5的源极接地，第四MOS管Q4的源极与第五MOS管Q5的漏极均连接所述转换端SW。
如图5-1、5-2所示，本发明充电与降压转换集成芯片的工作过程为：充电模块的充电控制电路包括恒压控制环路和恒流控制环路；
如图5-1所示，所述恒压控制环路适于对第一采样电压Vs1和第一基准电压(电量充满基准电压)Vr11进行放大处理以产生第一充电电流Iv，所述第一采样电压Vs1与电池电压相关，所述第一充电电流Iv在所述电池电压小于第一阈值电压(恢复充电基准电压)Vr121时为零。
所述第一采样电压Vs1是对所述电池电压进行采样获得的电压，即第一采样电压Vs1跟随电池电压变化。所述第一基准电压Vr1是根据恒定电压设置的参考电压，恒定电压是指恒压充电时电池上保持的电压。所述恒定电压可以根据充电电池的电池容量进行设置，例如，手机充电电池的恒定电压通常设置为4.2V。
当所述第一采样电压Vs1小于所述第一基准电压Vr11时，表示电池电压小于所述恒定电压；当所述第一采样电压Vs1等于所述第一基准电压Vr11时，表示电池电压与所述恒定电压相等；当所述第一采样电压Vs1大于所述第一基准电压Vr11时，表示电池电压大于所述恒定电压。
所述第一阈值电压Vr121小于所述恒定电压。在电池电压小于所述第一阈值电压Vr121时所述第一充电电流Iv为零，在电池电压大于或等于所述第一阈值电压Vr121时所述第一充电电流Iv不为零，即在进入恒压充电模式前，所述恒压控制环路就参与充电控制。所述第一阈值电压Vr121可以根据实际需求进行设置，例如，当所述恒定电压为4.2V时，所述第一阈值电压Vr121可以设置为4.10～4.15V，通过调整所述恒压控制环路的增益可以改变所述第一阈值电压Vr121。
如图5-2所示，所述恒流控制环路适于对第二采样电压Vs2和第二基准电压Vr2进行误差放大处理以产生第二充电电流Ii，所述第二采样电压Vs2与充电电流相关，所述第二充电电流Ii在所述电池电压大于第二阈值电压(恢复充电基准电压)Vr122时为零，所述第二阈值电压Vr122大于所述第一阈值电压Vr121。
所述第二采样电压Vs2是对所述充电电流进行采样获得的电压，即所述第二采样电压Vs2跟随所述充电电流的变化。所述第二基准电压Vr2是根据恒定电流设置的参考电压，所述恒定电流是指恒流充电时保持的充电电流。
当所述第二采样电压Vs2小于所述第二基准电压Vr2时，表示充电电流小于所述恒定电流；当所述第二采样电压Vs2等于所述第二基准电压Vr2时，表示充电电流与所述恒定电流相等；当所述第二采样电压Vs2大于所述第二基准电压Vr2时，表示充电电流大于所述恒定电流。
所述第二阈值电压Vr122为所述恒定电压，即所述第二阈值电压Vr122是指恒压充电时电池上保持的电压。在电池电压大于所述第二阈值电压Vr122时所述第二充电电流Ii为零，在电池电压小于或等于所述第二阈值电压Vr122时所述第二充电电流Ii不为零，即在进入恒压充电模式后，所述恒流控制环路不参与充电控制。
在降压转换模块中，电池连接端BAT的第一采样电压Vs1经电流传感器感应后将电流感应信号与斜波补偿信号运算输出斜波补偿信号，转换基准电压信号与反馈输入信号经逻辑运算后输出的信号与斜波补偿信号进行比较运算，输出反馈输出信号到控制电路的反馈控制端Cfb，完成斜波补偿与信号反馈，最后输出降压转换驱动信号；并通过零点检测器进行零点检测。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种充电与降压转换集成芯片，其特征在于：设有电压输入端、电池连接端、恒流充电电流设置和充电电流监测端、充电状态指示输出端、使能端、反馈端、转换端和接地端；所述充电与降压转换集成芯片包括充电模块和降压转换模块；
充电模块包括电压采样电路、基准电压电路、充电电路与第一、第二运算放大电路；电压采样电路连接所述电压输入端，并设有与电池电压相关的第一采样电压输出端和与充电电流相关的第二采样电压输出端，基准电压电路设有恒压基准电压输出端、恒流基准电压输出端与转换基准电压输出端，充电电路设有恒压充电电流输入端、恒流充电电流输入端和充电电压输出端；第一采样电压输出端与恒压基准电压输出端连接第一运算放大电路的输入端，其输出端连接恒压充电电流输入端；第二采样电压输出端与恒流基准电压输出端连接第二运算放大电路的输入端，其输出端连接恒流充电电流输入端；充电电压输出端连接电压采样电路的采样电压输入端，所述第二采样电压输出端连接所述电池连接端；第二采样电压输出端还连接所述恒流充电电流设置和充电电流监测端，所述充电状态指示输出端连接第一运算放大电路的充电状态运算输出端；
降压转换模块包括控制电路、斜波补偿电路、驱动器与第三运算放大电路；控制电路设有使能控制端、反馈控制端和转换输出端，使能控制端连接所述使能端；反馈控制端连接第三运算放大电路的输出端，第三运算放大电路的第一级输入端连接所述转换基准电压输出端和所述反馈端，其第二级输入端连接斜波补偿电路的斜波补偿输出端，斜波补偿输入端与所述电池连接端连接运算器；转换输出端连接驱动器的驱动输入端，驱动输出端连接所述转换端。
2.根据权利要求1所述的充电与降压转换集成芯片，其特征在于：
所述电压采样电路还设有第一电子放大器、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管；第一MOS管和第二MOS管的漏极连接所述电压输入端，第一MOS管和第二MOS管的栅极为采样电压输入端，与所述充电电压输出端连接，第一MOS管的源极连接第三MOS管的漏极，第三MOS管的源极连接所述恒流充电电流设置和充电电流监测端；第三MOS管的栅极连接所述第一电子放大器的输出端，第一电子放大器的正相输入端和反相输入端分别连接第一MOS管和第二MOS管的源极，第二MOS管的源极还连接所述电池连接端。
3.根据权利要求1所述的充电与降压转换集成芯片，其特征在于：
第一运算放大电路包括第一比较器、第二比较器和多路复用器，第二运算放大电路包括第三比较器；
所述基准电压电路的恒压基准电压输出端包括电量充满基准电压输出端和恢复充电基准电压输出端，电量充满基准电压输出端和第一采样电压输出端分别连接第一比较器的反相输入端和正相输入端，第一比较器的输出端连接多路复用器的第一输入端，多路复用器的第二输入端连接所述恢复充电基准电压输出端，多路复用器的输出端连接第二比较器的正相输入端，第二比较器的反相输入端连接所述恒流充电电流设置和充电电流监测端，第二比较器的输出端连接所述恒压充电电流输入端；
所述基准电压电路的恒流基准电压输出端连接第三比较器的正相输入端，第三比较器的反相输入端连接所述恒流充电电流设置和充电电流监测端，第三比较器的输出端连接所述恒流充电电流输入端。
4.根据权利要求3所述的充电与降压转换集成芯片，其特征在于：
所述第一运算放大电路的充电状态运算输出端为第一比较器的输出端。
5.根据权利要求1所述的充电与降压转换集成芯片，其特征在于：
所述充电电路连接温度控制器。
6.根据权利要求1所述的充电与降压转换集成芯片，其特征在于：
所述第三运算放大电路包括第二电子放大器和第四比较器，第二电子放大器的正相输入端和反相输入端分别连接所述反馈端和所述转换基准电压输出端，第二电子放大器的输出端连接第四比较器的正相输入端，第四比较器的反相输入端连接所述斜波补偿输出端，第四比较器的输出端连接所述反馈控制端。
7.根据权利要求1所述的充电与降压转换集成芯片，其特征在于：
电池连接端连接电流传感器后与斜波补偿输入端连接运算器。
8.根据权利要求1所述的充电与降压转换集成芯片，其特征在于：
斜波补偿电路连接振荡器，振荡器连接控制电路的振荡输入端。
9.根据权利要求1所述的充电与降压转换集成芯片，其特征在于：
驱动器的驱动输出端分别连接第四MOS管和第五MOS管的栅极，第四MOS管的漏极连接所述电池连接端，第五MOS管的源极接地，第四MOS管的源极与第五MOS管的漏极均连接所述转换端。
10.根据权利要求1所述的充电与降压转换集成芯片，其特征在于：
控制电路的零点检测控制端与转换端之间还连接零点检测器。
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