CN110401250A - 一种电池充放电的路径管理系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电池充放电的路径管理系统及方法，该系统包括电压输入端、电压输出端、路径管理电路，路径管理电路连接在电压输入端与电压输出端之间，路径管理电路包括主充电电路、次充电电路、电流电压检测模块以及状态机控制模块。本发明的方法应用于上述的系统。本发明提出一种PMU的新的路径管理架构，电压输出端同时作为锂电池充放电端口以及系统公共给电端，可以减少集成芯片的引脚，降低整个芯片体积和设计成本。
Description
【技术领域】
本发明涉及电池管理技术领域，具体的，涉及一种电池充放电的路径管理系统及应用于该系统的路径管理方法。
【背景技术】
近年来，智能手机技术的快速发展，随着手机在轻薄化的要求上越来越高，很多旗舰手机都相继取消了3.5mm的耳机孔。因此，无线蓝牙耳机的需求也越来越大，而无线蓝牙耳机的体积要求是越来越小。
一般来说，集成的电源管理芯片的路径管理模块都需要三个引脚，来完成两个输入端和一个公共输出端的自动路径高低压无缝切换。在对芯片体积和成本越来越高的现方案上，三个引脚都会使得整体的方案成本增加和体积增加。
如图1所示，在现有的一种PMU的路径管理电路中，VBUS为5V输入端，VBAT为锂电池充放电端口，VSYS为系统公共给电端，也是路径管理模块的输出端。它的工作原理如下：当VBUS 5V输入时，自动选通VBUS-VSYS通路对外供电，且开启charger(充电电路)对VBAT端的锂电池充电。当VBUS拔出，自动选通VBAT-VSYS通路对外供电，充电停止，转为锂电池放电。
因此，现有PMU的路径管理电路存在普遍的缺点：在芯片引脚资源十分有限的条件下，三引脚的路径管理电路也会大大增加芯片体积和成本。
【发明内容】
本发明的主要目的是提供一种可以减少集成芯片的引脚，降低整个芯片体积和设计成本的电池充放电的路径管理系统。
本发明的另一目的是提供一种可以减少集成芯片的引脚，降低整个芯片体积和设计成本的电池充放电的路径管理方法。
为了实现上述的主要目的，本发明提供的一种电池充放电的路径管理系统包括电压输入端、电压输出端、路径管理电路，所述路径管理电路连接在电压输入端与所述电压输出端之间，所述路径管理电路包括主充电电路、次充电电路、电流电压检测模块以及状态机控制模块，所述电流电压检测模块检测所述电压输入端的电压阈值，所述状态机控制模块用于产生控制所述主充电电路、次充电电路的第一开关信号、第二开关信号，所述主充电电路根据所述第一开关信号导通/关闭所述主充电电路至所述电压输出端的路径，所述次充电电路根据所述第二开关信号导通/关闭所述次充电电路至所述电压输出端的路径，其中，所述电压输出端包括系统供电输出端以及电池充电输入/放电输出。
进一步的方案是，所述主充电电路包括第一MOS管、主驱动器以及第一比较器，所述第一MOS管的栅极与所述主驱动器的第二端电连接，所述第一MOS管的源极与所述电压输出端电连接，所述第一MOS管的漏极与所述电压输入端电连接，所述电流电压检测模块将检测到的电压阈值发送至所述主驱动器的第一端，所述第一比较器的输出端与所述主驱动器的第三端电连接。
更进一步的方案是，所述次充电电路包括第二MOS管、次驱动器以及第二比较器，所述第二MOS管的栅极与所述次驱动器的第二端电连接，所述第二MOS管的源极与所述电压输出端电连接，所述第二MOS管的漏极与所述电压输入端电连接，所述电流电压检测模块将检测到的电压阈值发送至所述次驱动器的第一端，所述第二比较器的输出端与所述次驱动器的第三端电连接。
更进一步的方案是，所述第一比较器的同相输入端与所述电压输入端电连接，所述第一比较器的反相输入端为参考电压源。
更进一步的方案是，所述第二比较器的同相输入端与所述电压输入端电连接，所述第二比较器的反相输入端为参考电压源。
由此可见，本发明提供的路径管理电路其主要由主充电电路和次充电电路两部分构成，电压输入端VBUS为5V输入端，电压输出端VBAT同时作为锂电池充放电端口以及系统公共给电端的自动路径管理，是一种电压输出端即锂电池充放电端口VBAT同时作为对外供电的公共端口的路径管理架构。由于本发明只用2个引脚完成现有技术的3个引脚的功能，所以两引脚的路径管理架构采取截然不同的处理逻辑但能保持完整的路径管理功能，能减小一个引脚以降低IC体积和成本，适用于对方案体积要求较高和成本要求严格的应用。
所以，本发明提出一种用于PMU的两个引脚的路径管理的架构，该架构一改已有的三脚路径选通架构，选用主次两个充电电路协同工作实现同时给用电端供电和给锂电池充电的功能；结合PMU集成系统的状态机控制功能，次充电电路处于常开状态，而主充电电路实时受控于状态机控制模块，主次两部分充电电路能够更加智能的协同工作；具有减少引脚，减小IC体积，降低IC成本的优点。
为了实现上述的另一目的，本发明还提供的一种电池充放电的路径管理方法，应用于一种电池充放电的路径管理系统，该方法包括当电压输入端接入电源后，由电流电压检测模块检测所述电压输入端的电压阈值，当电压阈值大于唤醒阈值且小于过压阈值，则进入电池充电状态，由状态机控制模块控制次充电电路导通至所述电压输出端的路径，以预设的输出电流对电池进行预充电；当电池在电池充电状态下达到其工作电压后，由状态机控制模块控制主充电电路导通至所述电压输出端的路径并且进入系统供电输出状态，对用电系统输出电能；当路径管理系统同时处于系统供电输出状态和电池充电状态时，判断路径管理系统是否符合同时供电输出的条件，若判断结果为否，则维持路径管理系统当前状态；当电压输入端拔出电源后，主充电电路和次充电电路均处于关闭状态，由电池提供系统供电输出，对用电系统输出电能。
进一步的方案是，当主充电电路进入系统供电输出状态后，次充电电路进入暂时等同关闭状态。
更进一步的方案是，所述路径管理系统是否符合同时供电输出的条件包括：在主充电电路进入系统供电输出状态并对用电系统输出电能时，若电压输出端的系统供电输出端的抽取电压瞬间增大，且大于主充电电路输出的供电电流，则停止对电池进行充电，由主充电电路和电池共同提供系统供电输出，对用电系统输出电能；在确定路径管理系统不符合同时供电输出的条件后，则执行功率分配输出步骤：当系统供电输出端的抽取电压增大时，则减小对电池的充电功率输出；当系统供电输出端的抽取电压减小时，则增大对电池的充电功率输出。
更进一步的方案是，当检测到用电系统出现异常状态而导致系统供电输出端的抽取电压瞬间增大时，主充电电路的输出电压低于系统供电输出端的抽取电压，并且主充电电路的输出电压瞬间被拉低；当检测到主充电电路的输出电压低于次充电电路的输出电压时，由次充电电路提供系统供电输出，以预设的输出电流向用电系统供电。
更进一步的方案是，当检测到用电系统出现异常状态时的异常电流持续增大，并且超过主充电电路和次充电电路的联合供电能力后，当低于电池的低电保护电压后，状态机控制模块在预设时间内控制关闭主充电电路；当关闭主充电电路后，次充电电路持续保持常开状态并向用电系统以预设的输出电流进行供电。
由此可见，本发明的方法通过2个引脚可以完成现有技术的3个引脚的功能，并且2个引脚的路径管理架构可以采取截然不同的处理逻辑但能保持完整的路径管理功能，能够减小一个引脚以降低IC体积和成本，适用于对方案体积要求较高和成本要求严格的应用。
所以，本发明提出一种用于PMU的两个引脚的路径管理的架构，该架构一改已有的三脚路径选通架构，选用主次两个充电电路协同工作实现同时给用电端供电和给锂电池充电的功能；结合PMU集成系统的状态机控制功能，次充电电路处于常开状态，而主充电电路实时受控于状态机控制模块，主次两部分充电电路能够更加智能的协同工作；具有减少引脚，减小IC体积，降低IC成本的优点。
【附图说明】
图1是现有技术的一种PMU的路径管理电路的原理图。
图2是本发明一种电池充放电的路径管理系统实施例的原理图。
图3是本发明一种电池充放电的路径管理系统实施例的电路原理图。
【具体实施方式】
为了使发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，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，并不限用于本发明。
一种电池充放电的路径管理系统实施例：
参见图2与图3，本发明的一种电池充放电的路径管理系统包括电压输入端VBUS、电压输出端VBAT、路径管理电路，路径管理电路连接在电压输入端VBUS与电压输出端VBAT之间。
在本实施例中，路径管理电路包括主充电电路10、次充电电路20、电流电压检测模块40以及状态机控制模块50，电流电压检测模块40检测电压输入端VBUS的电压阈值，状态机控制模块50用于产生控制主充电电路10、次充电电路20的第一开关信号、第二开关信号，主充电电路10根据第一开关信号导通/关闭主充电电路10至电压输出端VBAT的路径，次充电电路20根据第二开关信号导通/关闭次充电电路20至电压输出端VBAT的路径，其中，电压输出端VBAT包括系统供电输出端30以及电池充电输入/放电输出。
其中，主充电电路10包括MOS管Q1、主驱动器11以及第一比较器COMP1，MOS管Q1的栅极与主驱动器11的第二端电连接，MOS管Q1的源极与电压输出端VBAT电连接，MOS管Q1的漏极与电压输入端VBUS电连接，电流电压检测模块40将检测到的电压阈值发送至主驱动器11的第一端，第一比较器COMP1的输出端与主驱动器11的第三端电连接。
其中，次充电电路20包括MOS管Q2、次驱动器12以及第二比较器COMP2，MOS管Q2的栅极与次驱动器12的第二端电连接，MOS管Q2的源极与电压输出端VBAT电连接，MOS管Q2的漏极与电压输入端VBUS电连接，电流电压检测模块40将检测到的电压阈值发送至次驱动器12的第一端，第二比较器COMP2的输出端与次驱动器12的第三端电连接。
其中，第一比较器COMP1的同相输入端与电压输入端VBUS电连接，第一比较器COMP1的反相输入端为参考电压源VREF1。
其中，第二比较器COMP2的同相输入端与电压输入端VBUS电连接，第二比较器COMP2的反相输入端为参考电压源VREF2。
由此可见，本发明提供的路径管理电路其主要由主充电电路10和次充电电路20两部分构成，电压输入端VBUS为5V输入端，电压输出端VBAT为锂电池LiBAT充放电端口以及作为系统公共给电端的自动路径管理，是一种电压输出端VBAT即锂电池LiBAT充放电端口VBAT同时作为对外供电的公共端口的路径管理架构。由于本发明只用2个引脚完成现有技术的3个引脚的功能，所以两引脚的路径管理架构采取截然不同的处理逻辑但能保持完整的路径管理功能，能减小一个引脚以降低IC体积和成本，适用于对方案体积要求较高和成本要求严格的应用。
所以，本发明提出一种用于PMU的两个引脚的路径管理的架构，该架构一改已有的三脚路径选通架构，选用主次两个充电电路协同工作实现同时给用电端供电和给锂电池LiBAT充电的功能；结合PMU集成系统的状态机控制功能，次充电电路20处于常开状态，而主充电电路10实时受控于状态机控制模块50，主次两部分充电电路能够更加智能的协同工作；具有减少引脚，减小IC体积，降低IC成本的优点。
一种电池充放电的路径管理方法实施例：
一种电池充放电的路径管理方法，应用于上述的路径管理电路，该方法包括当电压输入端VBUS接入电源后，由电流电压检测模块40检测电压输入端VBUS的电压阈值，当电压阈值大于唤醒阈值且小于过压阈值，则进入电池充电状态，由状态机控制模块50控制次充电电路20导通至电压输出端VBAT的路径，以预设的输出电流对电池LiBAT进行预充电；当电池LiBAT在电池充电状态下达到其工作电压后，由状态机控制模块50控制主充电电路10导通至电压输出端VBAT的路径并且进入系统供电输出状态，对用电系统Lsystem输出电能。
当路径管理系统同时处于系统供电输出状态和电池充电状态时，判断路径管理系统是否符合同时供电输出的条件，若判断结果为否，则维持路径管理系统当前状态。
当电压输入端VBUS拔出电源后，主充电电路10和次充电电路20均处于关闭状态，由电池LiBAT提供系统供电输出，对用电系统Lsystem输出电能。
进一步的，当主充电电路10进入系统供电输出状态后，次充电电路20进入暂时等同关闭状态。
进一步的，路径管理系统是否符合同时供电输出的条件包括：在主充电电路10进入系统供电输出状态并对用电系统Lsystem输出电能时，若电压输出端VBAT的系统供电输出端30的抽取电压瞬间增大，且大于主充电电路10输出的供电电流，则停止对电池LiBAT进行充电，由主充电电路10和电池LiBAT共同提供系统供电输出，对用电系统Lsystem输出电能；在确定路径管理系统不符合同时供电输出的条件后，则执行功率分配输出步骤：当系统供电输出端30的抽取电压增大时，则减小对电池LiBAT的充电功率输出；当系统供电输出端30的抽取电压减小时，则增大对电池LiBAT的充电功率输出。
进一步的，当检测到用电系统Lsystem出现异常状态而导致系统供电输出端30的抽取电压瞬间增大时，主充电电路10的输出电压低于系统供电输出端30的抽取电压，并且主充电电路10的输出电压瞬间被拉低；当检测到主充电电路10的输出电压低于次充电电路20的输出电压时，由次充电电路20提供系统供电输出，以预设的输出电流向用电系统Lsystem供电。
进一步的，当检测到用电系统Lsystem出现异常状态时的异常电流持续增大，并且超过主充电电路10和次充电电路20的联合供电能力后，当低于电池LiBAT的低电保护电压后，状态机控制模块50在预设时间内控制关闭主充电电路10；当关闭主充电电路10后，次充电电路20持续保持常开状态并向用电系统Lsystem以预设的输出电流进行供电。
具体地，电压输入端VBUS上电，由电压电流检测模块判断，当电压输入端VBUS电压大于唤醒阈值且小于过压阈值，则首先打开次充电电路20以TK电流给电池LiBAT进行预充电，充电电流TK根据用户的实际需求可进行配置。
当电池电压在次充电电路20的充电下，大于系统正常工作合法电压BATOK(BATOK用来描述电池LiBAT是否可以给后端的系统供电)，则会控制主驱动器11打开主充电电路10，主充电电路10就会以CC＝xmA给用电系统Lsystem(DCDC/LDO)等需要供电的系统进行供电。
其中，控制主充电电路10的打开需要同时满足几点要求：(1)、由反馈网络和第一比较器COMP1判断电压输出端VBAT电压是否达到合法工作电压BATOK；(2)、由电流电压检测模块40判断当前输入电压和电流是否在正常范围内；(3)、由状态机控制模块50控制当前需要跳转到工作状态，主充电电路10的开关是受控于状态机控制模块50判断机制状态的。
打开主充电电路10之后，次充电电路20会由于外部BAT电压比其输出的CV电压高而暂时等同关闭。其中，次充电电路20的主要作用是协助电路正常运行，以及预充电的作用，因此控制次充电电路20的打开需要同时满足几点要求：(1)、由反馈网络和第二比较器COMP2判断电压输出端VBAT电压尚未达到合法工作电压BATOK；(2)、由电流电压检测模块40判断当前输入电压和电流在正常范围内；(3)、由状态机控制模块50控制当前需要跳转到电池LiBAT预充电状态。具体地，次充电电路20在整个状态机状态中是常开的，上述暂时等同关闭状态指的是由于外部电压较高，所以次充电电路20等同于无输出。此时，次充电电路20的状态机控制模块50控制会一直保持打开状态以随时接管电路，起到协助电路正常运行的作用。
当电压输入端VBUS和电压输出端VBAT同时存在且用电系统Lsystem在正常工作的时候，主充电电路10的CC供电电流要设置合适，要同时保证用电系统Lsystem抽电和目标充电电流。因为电池LiBAT充电输入端和用电系统Lsystem抽电点即系统供电输出端30是同一端点，所以在本实施例中系统抽电和电池LiBAT充电的电流大小是随时分配，当用电系统Lsystem抽电大，则电池LiBAT充电电流变小；当用电系统Lsystem瞬间抽电增大，且大于主充电电路10的CC供电电流，则会出现电池LiBAT放电，与主充电电路10一起给用电系统Lsystem供电，以维持用电系统Lsystem正常工作。
当然，不管有电池还是无电池的情况下，当用电系统Lsystem出现短路等破坏性异常状态进而导致抽电瞬间增大时，主充电电路10会由于其CC供电电流没能力供给异常大电流，并且其输出电压会被瞬间拉低，当反馈网络检测到电压低于次充电电路20输出的3.3V的CV供电电流，次充电电路20会瞬间接管，并且仍然以预设的TK电流向用电系统Lsystem供电。
当异常电流继续增大时，超过主充电电路10和次充电电路20的联合供电能力之后，当低于电池LiBAT的低电保护电压后，状态机控制模块50会及时控制关闭主充电电路10，当关闭主充电电路10之后，次充电电路20仍保持常开并向外以TK电流输出。
当电压输入端VBUS拔出后，主充电电路10和次充电电路20均关闭，这时用电系统Lsystem直接转由电池LiBAT供电。
由此可见，本发明的方法通过2个引脚可以完成现有技术的3个引脚的功能，并且2个引脚的路径管理架构可以采取截然不同的处理逻辑但能保持完整的路径管理功能，能够减小一个引脚以降低IC体积和成本，适用于对方案体积要求较高和成本要求严格的应用。
所以，本发明提出一种用于PMU的两个引脚的路径管理的架构，该架构一改已有的三脚路径选通架构，选用主次两个充电电路协同工作实现同时给用电端供电和给锂电池LiBAT充电的功能；结合PMU集成系统的状态机控制功能，次充电电路20处于常开状态，而主充电电路10实时受控于状态机控制模块50，主次两部分充电电路能够更加智能的协同工作；具有减少引脚，减小IC体积，降低IC成本的优点。
需要说明的是，以上仅为本发明的优选实施例，但发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明做出的非实质性修改，也均落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电池充放电的路径管理系统，包括电压输入端、电压输出端、路径管理电路，所述路径管理电路连接在电压输入端与所述电压输出端之间，其特征在于：
所述路径管理电路包括主充电电路、次充电电路、电流电压检测模块以及状态机控制模块，所述电流电压检测模块检测所述电压输入端的电压阈值，所述状态机控制模块用于产生控制所述主充电电路、次充电电路的第一开关信号、第二开关信号，所述主充电电路根据所述第一开关信号导通/关闭所述主充电电路至所述电压输出端的路径，所述次充电电路根据所述第二开关信号导通/关闭所述次充电电路至所述电压输出端的路径，其中，所述电压输出端包括系统供电输出端以及电池充电输入/放电输出。
2.根据权利要求1所述的路径管理系统，其特征在于：
所述主充电电路包括第一MOS管、主驱动器以及第一比较器，所述第一MOS管的栅极与所述主驱动器的第二端电连接，所述第一MOS管的源极与所述电压输出端电连接，所述第一MOS管的漏极与所述电压输入端电连接，所述电流电压检测模块将检测到的电压阈值发送至所述主驱动器的第一端，所述第一比较器的输出端与所述主驱动器的第三端电连接。
3.根据权利要求1所述的路径管理系统，其特征在于：
所述次充电电路包括第二MOS管、次驱动器以及第二比较器，所述第二MOS管的栅极与所述次驱动器的第二端电连接，所述第二MOS管的源极与所述电压输出端电连接，所述第二MOS管的漏极与所述电压输入端电连接，所述电流电压检测模块将检测到的电压阈值发送至所述次驱动器的第一端，所述第二比较器的输出端与所述次驱动器的第三端电连接。
4.根据权利要求2所述的路径管理系统，其特征在于：
所述第一比较器的同相输入端与所述电压输入端电连接，所述第一比较器的反相输入端为参考电压源。
5.根据权利要求3所述的路径管理系统，其特征在于：
所述第二比较器的同相输入端与所述电压输入端电连接，所述第二比较器的反相输入端为参考电压源。
6.一种电池充放电的路径管理方法，应用于如权利要求1至5任一项所述的一种电池充放电的路径管理系统，其特征在于，该方法包括：
当电压输入端接入电源后，由电流电压检测模块检测所述电压输入端的电压阈值，当电压阈值大于唤醒阈值且小于过压阈值，则进入电池充电状态，由状态机控制模块控制次充电电路导通至所述电压输出端的路径，以预设的输出电流对电池进行预充电；
当电池在电池充电状态下达到其工作电压后，由状态机控制模块控制主充电电路导通至所述电压输出端的路径并且进入系统供电输出状态，对用电系统输出电能；
当路径管理系统同时处于系统供电输出状态和电池充电状态时，判断路径管理系统是否符合同时供电输出的条件，若判断结果为否，则维持路径管理系统当前状态；
当电压输入端拔出电源后，主充电电路和次充电电路均处于关闭状态，由电池提供系统供电输出，对用电系统输出电能。
7.根据权利要求6所述的路径管理方法，其特征在于：
当主充电电路进入系统供电输出状态后，次充电电路进入暂时等同关闭状态。
8.根据权利要求6所述的路径管理方法，其特征在于：
所述路径管理系统是否符合同时供电输出的条件包括：在主充电电路进入系统供电输出状态并对用电系统输出电能时，若电压输出端的系统供电输出端的抽取电压瞬间增大，且大于主充电电路输出的供电电流，则停止对电池进行充电，由主充电电路和电池共同提供系统供电输出，对用电系统输出电能；
在确定路径管理系统不符合同时供电输出的条件后，则执行功率分配输出步骤：当系统供电输出端的抽取电压增大时，则减小对电池的充电功率输出；当系统供电输出端的抽取电压减小时，则增大对电池的充电功率输出。
9.根据权利要求6或7所述的路径管理方法，其特征在于：
当检测到用电系统出现异常状态而导致系统供电输出端的抽取电压瞬间增大时，主充电电路的输出电压低于系统供电输出端的抽取电压，并且主充电电路的输出电压瞬间被拉低；
当检测到主充电电路的输出电压低于次充电电路的输出电压时，由次充电电路提供系统供电输出，以预设的输出电流向用电系统供电。
10.根据权利要求9所述的路径管理方法，其特征在于：
当检测到用电系统出现异常状态时的异常电流持续增大，并且超过主充电电路和次充电电路的联合供电能力后，当低于电池的低电保护电压后，状态机控制模块在预设时间内控制关闭主充电电路；
当关闭主充电电路后，次充电电路持续保持常开状态并向用电系统以预设的输出电流进行供电。
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