CN110021975A - 一种电池充电系统及其输入电源电流自适应方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电池充电系统及其输入电源电流自适应方法，该系统包括功率输出模块，充电电池，开关控制电路，环路补偿网络，充电电流采样电路以及输入电源电流自适应电路，输入电源电流自适应电路包括：分压电阻RD1和RD2用于实时采集输入电压，第一误差放大器EA1用于将分压电阻采集到的电源电压信号与参考电压VREF的差值进行放大并转换为误差电流IEA1，一NMOS晶体管管MN1用于将第一误差放大器EA1的误差电流输出到环路补偿网络的COMP节点，对COMP电压进行调节。通过输入电源电流自适应电路的作用将输入电源电压信号反映到COMP节点后，再经过开关控制电路的作用，从而控制功率开关管MPO和MNO的导通与关断以控制充电电流大小使其自动适应输入电源的电流输出能力。
Description
技术领域
本发明涉及电池充电系统，尤其涉及一种电池充电系统及其输入电源电流自适应方法。
背景技术
随着便携式用电设备的普及以及电池容量越来越大，为了更快的给便携式设备充满电，这些设备的充电电流也越来越大，这样就存在一个问题，如果使用普通的小电流输入电源(小电流充电器)给一些大电流充电设备充电的话，由于充电器不能提供那么大的电流，可能会使输入电源一直反复打嗝重启而不能充电，还有可能会损坏输入电源。
图2是一种现有的电池充电系统，图中的充电电流由参考电压VREF2、电流采样运放的增益G以及充电电流设定电阻RS1共同决定，充电电流公式为：
该充电系统存在的问题是：当参考电压VREF2、电流采样运放的增益G以及充电电流设定电阻RS1的值确定后，充电电流IC也就确定了，无法根据输入电源(充电器)的实际输出电流能力自动调整充电电流，导致电源一直反复打嗝重启而不能充电或者损坏输入电源。
图3是在图2的基础上做了改进的另一种现有的电池充电系统，在图1的系统上增加了一个电源电压采样电路204，该充电系统的充电电流公式仍然为：
图3与图2的不同之处在于，图3的VREF2不是固定不变的，而是与电源电压输出电流能力有关。在输入电源接入该充电系统后，如果输入电源能提供的最大充电电流小于设备所设定的最大充电电流，在CLK的作用下，(Q1：Qn)的值以及对应的数模转换电路输出电压VREF2会逐渐增大，由以上公式可知充电电流也会逐渐增大，当充电电流逐渐增加到输入电源所能提供的最大电流时，输入电源的输出电压VDD会逐渐降低，当VDD降低到所设定的检测阈值时，输入VDD电压检测电路输出的VDDL信号输出低电平到与非门nand3从而屏蔽CLK信号，(Q1：Qn)计数值以及对应的VREF2被锁定不再变化，这时输入电源以自身所能提供的最大充电电流给设备充电，对于该充电系统，如果电池是和该充电控制系统是永久性固定连接在一起，即电池与该充电系统不能分开的情况下，每次接入输入电源后电源电压采样电路204开始工作并根据输入电源输出电流能力最终将VREF2锁定在某一个值，这种情况下该系统可以自动适应输入电源的输出电流能力。但是，如果电池是可拆卸的，那么在输入电源先接入该充电系统的情况下，由于电池未接，充电电流为零，输入电源始终不会被拉低，VREF2将会达到最大值而不受输入电源输出能力的限制，这时如果再将电池接入该系统的话，那么一样会面临图1所示充电系统的问题。故，研发一种具有输入电源电流自适应功能的电池充电系统及其输入电源电流自适应方法，成为本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明是为了解决上述不足，提供了一种电池充电系统及其输入电源电流自适应方法，使用本发明的输入电源电流自适应方法的充电设备可以根据所接输入电源的输出电流能力，实时动态调整设备的充电电流，且无论电池是否可以拆卸，都可以保证输入电源以自身所能提供的最大电流给设备充电的同时，不会对输入电源造成损坏。
本发明的上述目的通过以下的技术方案来实现：一种电池充电系统，包括一充电电流采样电路202，一环路补偿网络201，一开关控制电路203，一功率输出模块204，一输入电源电流自适应电路200以及一充电电池；所述充电电流采样电路202，环路补偿网络201，开关控制电路203，功率输出模块204依次连接，功率输出模块204再连接至充电电流采样电路202，充电电流采样电路202连接充电电池，所述环路补偿网络201和开关控制电路203之间分一支路连接输入电源电流自适应电路200，输入电源电流自适应电路200连接功率输出模块204的VDD端。
所述充电电流采样电路由采样电阻RS1、电流采样运放、第二误差放大器EA2以及电流输出NMOS晶体管MN2组成，该电路用于对充电电流进行实时采样，经放大处理后转换成一误差电流信号IEA2，由输出NMOS晶体管MN2输出到环路补偿网络的COMP节点。
所述环路补偿网络由恒流源I1、补偿电阻R1以及补偿电容C1组成，用于保证充电电流采样电路以及输入电源电流自适应电路的输出对COMP节点电压进行调节时COMP电压的稳定性，进而保证整个充电系统环路的工作稳定性。
所述开关控制电路由电感电流采样电路、电压比较器以及逻辑控制电路组成，电感电流采样电路实时采样电感电流并转换成相应电压后，送入电压比较器与补偿网络的输出信号COMP电压进行比较，将比较结果输出到逻辑控制电路，再由逻辑控制电路输出两个驱动信号PG和NG分别给功率开关管MP0和MN0，控制功率开关管MP0和MN0的导通和关断。
所述功率输出模块由功率开关管MP0、MN0和电感L1组成，在开关控制电路的输出信号控制下，将输入电源能量安全可靠地转移到电池上。
所述输入电源电流自适应电路由分压电阻网络、第一误差放大器EA1、电流输出NMOS晶体管MN1组成，分压电阻RD1和RD2连接，RD2的另一端接输入电源VDD，RD1的另一端接地，RD1和RD2的连接端VSENSE接第一误差放大器EA1的反相输入端，第一误差放大器的正相输入端接参考电压VREF1，第一误差放大器的输出端接电流输出NMOS晶体管MN1的栅极，MN1的源极接地，漏极接环路补偿网络的COMP节点。该电路实时采样输入电源电压VDD信号，如果输入电源的输出电流能力小于该充电系统所设定的充电电流，VDD电压将会被拉低，当分压电阻采集到的VSENSE电压低于第一误差放大器EA1正相输入电压VREF1时，误差放大器EA1将两者差值信号放大后转换成误差电流IEA1由电流输出NMOS晶体管MN1输出对COMP电压进行调节，进而调节充电电流大小，最终使得VDD电压稳定在预先设定值VDDHOLD，VDDHOLD的值由下式确定：
本发明所述的具有输入电源电流自适应功能的电池充电系统，其适应输入电源的原理与步骤如下：
(1)由分压电阻RD1和RD2实时采集输入电源电压信号，并将采集到的信号VSENSE传输给第一误差放大器EA1的反相输入端；
(2)第一误差放大器EA1将接收到的电源电压信号VSENSE与参考电压VREF1进行比较，如果VSENSE大于VREF1，那么EA1会控制MN1关闭而没有电流输出，如果VSENSE一旦小于VREF1，EA1就会将两者的差值放大后转换成一误差电流信号IEA1；
(3)NMOS晶体管MN1将第一误差放大器EA1转换后的误差电流信号IEA1输出到环路补偿网络的COMP节点，与充电电流采样电路中NMOS晶体管MN2的输出误差电流信号IEA2共同作用对COMP节点电压进行调节；
(4)COMP信号被传输到开关控制电路的电压比较器，与电感峰值采样电路采样到的电感电流信号进行比较，从而控制功率开关管MP0和MN0的导通和关断以控制充电电流大小使其自动适应输入电源的电流输出能力。
本发明与现有技术相比的优点是：本发明通过实时动态监测输入电源电压的方式，当输入电源的输出电流能力小于该充电系统所设定的充电电流时，会自动降低系统的充电电流，最终使输入电源电压稳定在预先设定的电压值VDDHOLD，避免了输入电源被大电流强行拉死而反复重启或损坏输入电源的风险，同时与电池是否固定于充电系统无关。
附图说明
图1是使用本发明的电池充电系统及其输入电源电流自适应方法示意图。
图2是一种现有电池充电系统示意图；
图3是另一种改进后的现有电池充电系统示意图；
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步详述。
如图1所示，是使用本发明的具有输入电源电流自适应功能的电池充电系统示意图，若不考虑输入电源的输出电流能力，该充电系统的充电电流由充电电流采样电路202所确定。由于功率开关管MP0和MN0轮流导通，功率开关管MP0导通时，电感L1励磁，充电电流由输入电源VDD经MP0、电感L1、充电电流采样电阻RS1、充电电池到地，功率管MN0导通时，电感L1消磁，电感电流由L1、充电电流采样电阻RS1、充电电池到地，再经MN0回到电感L1，采样电阻RS1将采集到的平均电流送到电流采样运放，经放大后输出到第二误差放大器EA2，经第二误差放大器处理后转换成误差电流IEA2由NMOS晶体管MN2输出到COMP对COMP电压进行调节，若系统受到扰动使得充电电流较设定电流偏大时，IEA2也变大，从而使COMP降低，若系统受到扰动使得充电电流较设定电流偏小时，IEA2也变小，从而使COMP升高，电压比较器接受电感电流采样单元采集到的电感电流信号，与COMP电压进行比较，进而控制功率开关管MN0和MP0的导通和关断，使充电电流稳定在RS1所设定的电流值，RS1所设定的充电电流值如下：
其中G为电流采样运放的增益放大倍数，VREF2是预设的固定参考电压，从上面公式可知在RS1确定的情况下，系统所设定的充电电流Ic也就确定了。
根据输入电源的输出电流能力，会出现以下两种可能：
一是如果输入电源的输出电流能力大于充电系统所设定的充电电流Ic，那么在充电过程中输入电源VDD电压不会被拉低，检测输入电源电压的分压电阻采集到的电压信号VSENSE大于参考电压VREF1，第一误差放大器EA1会控制NMOS晶体管MN1关闭，误差电流IEA1为零，COMP电压只受充电电流采样电路输出的误差电流IEA2控制，这时输入电源以充电系统所设定的充电电流Ic给设备充电。
二是如果输入电源的输出电流能力小于充电系统所设定的充电电流Ic，那么充电系统将会自动减小充电电流以适应输入电源的输出电流能力，调整原理与过程如下：
(1)由分压电阻RD1和RD2实时采集输入电源电压信号，并将采集到的信号VSENSE传输给第一误差放大器EA1的反相输入端；
(2)输入电源由于不能提供系统所设定的充电电流，所以VDD电压会下降，分压电阻采集到的VSENSE电压也会跟着下降；
(3)第一误差放大器EA1将接收到的电源电压信号VSENSE与参考电压VREF1进行比较，一旦VSENSE小于VREF1，EA1就会将两者的差值放大后转换成一误差电流信号IEA1；
(4)NMOS晶体管MN1将第一误差放大器EA1转换后的误差电流信号IEA1输出到环路补偿网络的COMP节点，使COMP电压降低；
(5)COMP信号被传输到开关控制电路的电压比较器，与电感峰值采样电路采样到的电感电流信号进行比较，由于COMP在IEA1的作用下降低，所以电感电流采样单元采集到的电感峰值电流也会降低，所以系统的充电电流也会降低，最终使得输入电源电压稳定在预设的电压值VDDHOLD，该预设的电压值由分压电阻RD1、RD2、和参考电压VREF1决定，如下式：
由于输入电源电压被调整控制在VDDHOLD而不会任由系统所设定的充电电流拉低，使得输入电源即使在输出电流能力远小于充电系统所设定的充电电流的情况下，依然可以正常的工作。
本发明的实施例在实际实施时，还包括提供电压基准的模块、提供偏置电流的模块，振荡器模块，电池充电恒压模块等一些集成电路领域的公知模块，这里不再一一描述。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及实施例内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (7)
1.一种电池充电系统，包括一充电电流采样电路(202)，一环路补偿网络(201)，一开关控制电路(203)，一功率输出模块(204)以及一充电电池；其特征在于：还包括一输入电源电流自适应电路(200)，所述充电电流采样电路(202)，环路补偿网络(201)，开关控制电路(203)，功率输出模块(204)依次连接，功率输出模块(204)再连接至充电电流采样电路(202)，充电电流采样电路(202)连接充电电池，所述环路补偿网络(201)和开关控制电路(203)之间分一支路连接输入电源电流自适应电路(200)，输入电源电流自适应电路(200)连接功率输出模块(204)的VDD端。
2.根据权利要求1所述的一种电池充电系统，其特征在于：所述充电电流采样电路由采样电阻RS1、电流采样运放、第二误差放大器EA2以及电流输出NMOS晶体管MN2组成，该电路用于对充电电流进行实时采样，经放大处理后转换成一误差电流信号IEA2，由输出NMOS晶体管MN2输出到环路补偿网络的COMP节点。
3.根据权利要求1所述的一种电池充电系统，其特征在于：所述环路补偿网络由恒流源I1、补偿电阻R1以及补偿电容C1组成，用于保证充电电流采样电路以及输入电源电流自适应电路的输出对COMP节点电压进行调节时COMP电压的稳定性，进而保证整个充电系统环路的工作稳定性。
4.根据权利要求1所述的一种电池充电系统，其特征在于：所述开关控制电路由电感电流采样电路、电压比较器以及逻辑控制电路组成，电感电流采样电路实时采样电感电流并转换成相应电压后，送入电压比较器与补偿网络的输出信号COMP电压进行比较，将比较结果输出到逻辑控制电路，再由逻辑控制电路输出两个驱动信号PG和NG分别给功率开关管MP0和MN0，控制功率开关管MP0和MN0的导通和关断。
5.根据权利要求1所述的一种电池充电系统，其特征在于：所述功率输出模块由功率开关管MP0、MN0和电感L1组成，在开关控制电路的输出信号控制下，将输入电源能量安全可靠地转移到电池上。
6.根据权利要求1所述的一种电池充电系统，其特征在于：所述输入电源电流自适应电路由分压电阻网络、第一误差放大器EA1、电流输出NMOS晶体管MN1组成，分压电阻RD1和RD2连接，RD2的另一端接输入电源VDD，RD1的另一端接地，RD1和RD2的连接端VSENSE接第一误差放大器EA1的反相输入端，第一误差放大器的正相输入端接参考电压VREF1，第一误差放大器的输出端接电流输出NMOS晶体管MN1的栅极，MN1的源极接地，漏极接环路补偿网络的COMP节点。
7.根据权利要求1所述的一种电池充电系统，其特征在于：其适应输入电源的原理与步骤如下：
(1)由分压电阻RD1和RD2实时采集输入电源电压信号，并将采集到的信号VSENSE传输给第一误差放大器EA1的反相输入端；
(2)第一误差放大器EA1将接收到的电源电压信号VSENSE与参考电压VREF1进行比较，如果VSENSE大于VREF1，那么EA1会控制MN1关闭而没有电流输出，如果VSENSE一旦小于VREF1，EA1就会将两者的差值放大后转换成一误差电流信号IEA1；
(3)NMOS晶体管MN1将第一误差放大器EA1转换后的误差电流信号IEA1输出到环路补偿网络的COMP节点，与充电电流采样电路中NMOS晶体管MN2的输出误差电流信号IEA2共同作用对COMP节点电压进行调节；
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