CN110556900B - 一种混合电容电感充电器架构及其充电模式切换控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合电容电感充电器架构及其充电模式切换控制方式，主要解决现有开关电容充电器无法工作在固定输入高压情况下，应用场合受限的问题。该充电器架构一共包括10个功率管，5个电容以及一个电感。其中，Q1～Q8，CFLY1/CFLY2以及电感L是充电器的主体，实现电压电流功率变换。Q9用于防止出现从电池侧流向VBUS的反向电流，正常情况下为恒定导通模式。Q10实现充电电流的检测以及保护，在涓流充电阶段工作在线性控制模式，在恒流、恒压充电阶段工作在恒定导通模式。C1，C2以及C3为滤波电容。通过上述设计，本发明实现了固定高压输入条件下的大功率、高效率充电，不需要在适配器端和手机端增加额外的协议芯片，降低成本。因此，适于推广应用。

Description

一种混合电容电感充电器架构及其充电模式切换控制方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池充电器技术领域，具体地说，是涉及一种混合电容电感充电器架构及其充电模式切换控制方法。
背景技术
由于手机等电子设备对大功率充电的需求，目前充电器架构朝着大功率的方向快速发展。当充电功率达到一定程度后，传统的buck降压型充电架构由于效率较低，已经无法满足要求。
如图1所示，是目前大多数手机厂家在大功率充电架构上选择的方案，包括一个主充电器(buck充电器)以及一个从充电器(开关电容充电器)。其中，buck充电器在整个充电周期中的涓流充电以及恒压充电阶段工作，开关电容充电器在恒流充电阶段工作。由于开关电容充电器的效率高，因此可以实现大功率充电以缩短整个充电周期的时间。然而，由于开关电容充电器是开环工作，要求适配器电压VBUS要始终略微高于两倍电池电压VBAT，所以在充电过程中适配器电压必须要随着电池电压升高而抬高。
开关电容充电器凭借其极高的充电效率可以轻松实现大功率快充。然而，开关电容充电器无法工作在固定输入高压情况下，因此需要在适配器端和手机端增加额外的协议芯片以实时地调整适配器电压电流，这样会造成成本增加以及软件调试的工作量。在某些没有协议芯片完成通信的应用场合，开关电容充电器甚至将无法使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种混合电容电感充电器架构及其充电模式切换控制方法，主要解决现有开关电容充电器无法工作在固定输入高压情况下，应用场合受限的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种混合电容电感充电器架构，包括功率管Q1，漏极与功率管Q1的漏极相连的功率管Q2，漏极与功率管Q1的源极相连的功率管Q3，漏极与功率管Q2的源极相连的功率管Q4，正极与功率管Q1的源极相连的电容CFLY1，正极与功率管Q2的源极相连的电容CFLY2，源极与电容CFLY1的负极相连且漏极与功率管Q4的源极相连的功率管Q5，源极与电容CFLY2的负极相连且漏极与功率管Q3的源极相连的功率管Q6，漏极与CFLY1的负极相连且源极接地的功率管Q8，漏极与CFLY2的负极相连且源极接地的功率管Q7，与功率管Q5的漏极相连的电感L，一端与电感L相连且另一端接地的滤波电容C3，漏极与功率管Q6的漏极和电感L与滤波电容C3连接端相连的功率管Q10，一端与功率管Q1的漏极相连且另一端接地的滤波电容C2，漏极与功率管Q1的漏极相连的功率管Q9，以及一端与功率管Q9的源极相连且另一端接地的滤波电容C1；其中，功率管Q9的源极接VBUS，功率管Q10的源极接VBAT的正极。
本发明还提供了一种混合电容电感充电器架构的充电模式切换控制方法，包括如下步骤：
(1)混合电容电感充电器采用不同的载波信号产生不同的驱动信号作为调制信号对功率管进行信号调制；
(2)利用调制信号控制功率管Q4、Q5的占空比，使混合电容电感充电器工作在不同的工作模式；
(3)在不同的工作模式下，通过不同的功率管组合分别构成开关电容充电器和buck充电器分别为电池提供平均电流为iC的充电电流和平均电流为iL的充电电流。
进一步地，在步骤(1)中，所述功率管Q1、Q8的驱动信号互补；功率管Q2、Q7的驱动信号互补；功率管Q3、Q6的驱动信号互补；功率管Q4、Q5的驱动信号互补。
进一步地，在步骤(2)中，所述功率管Q3、Q6始终工作在固定50％占空比模式下；功率管Q4、Q5占空比始终受调制信号控制；功率管Q1、Q8的占空比在D<<0.5模式下受调制信号控制，在其他模式下固定50％占空比；功率管Q2、Q7的占空比在D>>0.5模式下受调制信号控制，在其他模式下固定50％占空比；其中，D为功率管Q4的占空比。
进一步地，在步骤(1)中，所述载波信号包括递增型锯齿波，递减型锯齿波以及三角波，不同的载波信号用于在充电器工作在不同模式时对功率管Q4、Q5的占空比控制。
进一步地，在步骤(3)中，当混合电容电感充电器工作在D<<0.5模式下时，功率管Q3、Q6、Q2、Q7组成一个开关电容充电器，为电池提供平均电流为iC的充电电流；Q1、Q8、Q4、Q5组成一个buck充电器，为电池提供平均电流为iL的充电电流。
进一步地，在步骤(3)中，当混合电容电感充电器工作在D>>0.5模式下时，功率管Q3、Q6、Q1、Q8组成一个开关电容充电器，为电池提供平均电流为iC的充电电流；Q2、Q7、Q4、Q5组成一个buck充电器，为电池提供平均电流为iL的充电电流。
进一步地，在步骤(3)中，当混合电容电感充电器工作在D<＝0.5时模式下时，功率管Q3、Q6、Q1、Q8、Q2、Q7工作在固定50％占空比模式下，Q4、Q5的驱动信号由控制信号和一个三角载波比较得到。其中，驱动信号低于三角载波中心值。
进一步地，在步骤(3)中，当混合电容电感充电器工作在D>＝0.5时模式下时，功率管Q3、Q6、Q1、Q8、Q2、Q7工作在固定50％占空比模式下，Q4、Q5的驱动信号由控制信号和一个三角载波比较得到。其中，驱动信号高于三角载波中心值。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明通过增加一个电感以实现闭环恒压恒流控制的目的。通过使电感中流过的电流只占总的负载电流的一部分，另外一部分仍然由开关电容变换器直接提供，所以依旧保持了开关电容变换器高效率的优势，同时又增加了闭环恒压恒流的功能，从而可以实现固定高压输入条件下的大功率、高效率充电，不需要在适配器端和手机端增加额外的协议芯片，降低成本。
(2)本发明结构简单，易于实现，因此，其具有很高的应用价值，适于推广应用。
附图说明
图1为现有技术主从双充电器架构示意图。
图2为本发明的混合电容电感充电器架构示意图。
图3为本发明混合电容电感充电器调制方式示意图。
图4为本发明的混合电容电感充电器在D<<0.5时的工作波形图。
图5为本发明的混合电容电感充电器在D>>0.5时的工作波形图。
图6为本发明的混合电容电感充电器在D<＝0.5时的工作波形图。
图7为本发明的混合电容电感充电器在D>＝0.5时的工作波形图。
图8为本发明的混合电容电感充电器的工作模式切换示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
实施例
如图2、3所示，本发明公开的一种混合电容电感充电器架构，包括功率管Q1，漏极与功率管Q1的漏极相连的功率管Q2，漏极与功率管Q1的源极相连的功率管Q3，漏极与功率管Q2的源极相连的功率管Q4，正极与功率管Q1的源极相连的电容CFLY1，正极与功率管Q2的源极相连的电容CFLY2，源极与电容CFLY1的负极相连且漏极与功率管Q4的源极相连的功率管Q5，源极与电容CFLY2的负极相连且漏极与功率管Q3的源极相连的功率管Q6，漏极与CFLY1的负极相连且源极接地的功率管Q8，漏极与CFLY2的负极相连且源极接地的功率管Q7，与功率管Q5的漏极相连的电感L，一端与电感L相连且另一端接地的滤波电容C3，漏极与功率管Q6的漏极和电感L与滤波电容C3连接端相连的功率管Q10，一端与功率管Q1的漏极相连且另一端接地的滤波电容C2，漏极与功率管Q1的漏极相连的功率管Q9，以及一端与功率管Q9的源极相连且另一端接地的滤波电容C1；其中，功率管Q9的源极接VBUS，功率管Q10的源极接VBAT的正极。其中，Q1～Q8，CFLY1、CFLY2以及电感L是充电器的主体，实现电压电流功率变换。Q9用于防止出现从电池侧流向VBUS的反向电流，正常情况下为恒定导通模式；Q10实现充电电流的检测以及保护，在涓流充电阶段工作在线性控制模式，在恒流、恒压充电阶段工作在恒定导通模式。C1，C2以及C3为滤波电容。功率管Q9和Q10均默认工作在恒定导通模式。
本发明还提供了一种混合电容电感充电器架构的充电模式切换控制方法，包括如下步骤：
(1)混合电容电感充电器采用不同的载波信号产生不同的驱动信号作为调制信号对功率管进行信号调制。功率管Q1、Q8的驱动信号互补；功率管Q2、Q7的驱动信号互补；功率管Q3、Q6的驱动信号互补；功率管Q4、Q5的驱动信号互补。
(2)利用调制信号控制功率管Q4、Q5的占空比，使混合电容电感充电器工作在不同的工作模式。功率管Q3、Q6始终工作在固定50％占空比模式下；功率管Q4、Q5占空比始终受调制信号控制；功率管Q1、Q8的占空比在D<<0.5模式下受调制信号控制，在其他模式下固定50％占空比；功率管Q2、Q7的占空比在D>>0.5模式下受调制信号控制，在其他模式下固定50％占空比；其中，D为功率管Q4的占空比。所述载波信号包括递增型锯齿波，递减型锯齿波以及三角波，不同的载波信号用于在充电器工作在不同模式时对功率管Q4、Q5的占空比控制。
(3)在不同的工作模式下，通过不同的功率管组合分别构成开关电容充电器和buck充电器分别为电池提供平均电流为iC的充电电流和平均电流为iL的充电电流。
如图4所示为混合电容电感充电器工作在D<<0.5(D指的是Q4占空比，下同)时的工作波形。此时Q3、Q6、Q2、Q7工作在固定50％占空比模式下，Q1、Q8、Q4、Q5的驱动信号由控制信号和两个错相180度的锯齿载波比较得到(注：Q9、Q10默认工作在恒定导通模式，故没有出现在示意图上，下同)。
如果将Q1～Q8拆分成两个充电器，那么在D<<0.5模式下，Q3、Q6、Q2、Q7组成一个开关电容充电器，为电池提供平均电流为iC的充电电流。Q1、Q8、Q4、Q5组成一个buck充电器，为电池提供平均电流为iL的充电电流。可以看出，之所以混合电容电感充电器相对于buck充电器效率高，正是因为电感电流只占了全部充电电流的一部分。
从图4中可以看出，在该充电模式下，充电过程分为以下8个阶段：
阶段1(t0-t1)：
电感L两端压差为VBUS-VCFLY1-VBAT，由于VCFLY1＝VBAT，故电感两端压差为VBUS-2*VBAT，电感电流iL缓慢上升，电容CFLY1以iL大小的电流充电，电容CFLY2以iC大小的电流充电(iC＝ibat-iL)。
阶段2(t1-t2)：
t1时刻，开关管Q1关闭，电感电流通过Q8的体二极管续流，电容CFLY1中止充电，电容CFLY2以iC大小的电流充电。
阶段3(t2-t3)：
t2时刻，开关管Q8打开，电感电流从Q8的体二极管换流到Q8的沟道中。电容CFLY2以iC大小的电流充电。
阶段4(t3-t4)：
t3时刻，开关管Q2、Q5、Q6关闭，电感电流通过Q5的体二极管续流，电容CFLY2中止充电。
阶段5(t4-t5)：
t4时刻，开关管Q3、Q4、Q7打开，Q5体二极管反向截止。电感L两端压差为CFLY2-VBAT，由于CFLY2＝VBUS-VBAT，故电感两端压差为VBUS-2*VBAT，电感电流iL缓慢上升，电容CFLY1以iC大小的电流放电，电容CFLY2以iL大小的电流放电。
阶段6(t5-t6)：
t5时刻，开关管Q4关闭，电感电流通过Q5的体二极管续流，电容CFLY1以iC大小的电流放电，电容CFLY2中止放电。
阶段7(t6-t7)：
t6时刻，开关管Q5打开，电感电流从Q5的体二极管换流到Q5的沟道中。电容CFLY1以iC大小的电流放电。
阶段8(t7-t0)：
t7时刻，开关管Q3、Q7、Q8关闭，电感电流通过Q8的体二极管续流，电容CFLY1中止放电。
当混合电容电感充电器工作在D>>0.5模式下时，功率管Q3、Q6、Q1、Q8组成一个开关电容充电器，为电池提供平均电流为iC的充电电流；Q2、Q7、Q4、Q5组成一个buck充电器，为电池提供平均电流为iL的充电电流。
如图5所示为混合电容电感充电器工作在D>>0.5时的工作波形。此时Q3、Q6、Q1、Q8工作在固定50％占空比模式下，Q2、Q7、Q4、Q5的驱动信号由控制信号VEA和两个错相180度的锯齿载波比较得到。注意此时两个载波信号相对于系统时钟延迟了一个很小的时间td，其目的是为了防止在死区时间内所有的开关管都关断，电感电流只能通过Q5和Q8的体二极管续流，造成SW电压为负。
如果将Q1～Q8拆分成两个充电器，那么在D>>0.5模式下，Q3、Q6、Q1、Q8组成一个开关电容充电器，为电池提供平均电流为iC的充电电流。Q2、Q7、Q4、Q5组成一个buck充电器，为电池提供平均电流为iL的充电电流。
从图5中可以看出，在该充电模式下，充电过程分为以下12个阶段：
阶段1(t0-t1)：
电感L两端压差为VBUS-VCFLY1-VBAT，由于VCFLY1＝VBAT，故电感两端压差为VBUS-2*VBAT，电感电流iL缓慢下降，电容CFLY1以iL大小的电流充电，电容CFLY2以iC大小的电流充电(iC＝ibat-iL)。
阶段2(t1-t2)：
t1时刻，开关管Q5关闭，电感电流通过Q5的体二极管续流，电容CFLY1以iL大小的电流充电，电容CFLY2以iC大小的电流充电。
阶段3(t2-t3)：
t2时刻，开关管Q4打开，Q5体二极管反向截止。电感L两端压差为VBUS-VBAT，电感电流缓慢上升，电容CFLY1中止充电，电容CFLY2以iC大小的电流充电。
阶段4(t3-t4)：
t3时刻，开关管Q1/Q6关闭，电容CFLY2中止充电，电感电流缓慢上升。
阶段5(t4-t5)：
t4时刻，开关管Q3/Q8打开，电容CFLY1以iC大小的电流放电，电感电流缓慢上升。
阶段6(t5-t6)：
t5时刻，开关管Q2关闭，电感电流通过Q7的体二极管续流，电容CFLY1以iC大小的电流放电，电容CFLY2以iL大小的电流放电。
阶段7(t6-t7)：
t6时刻，开关管Q7打开，电感电流从Q7的体二极管换流到Q7的沟道中。电容CFLY1以iC大小的电流放电，电容CFLY2以iL大小的电流放电。
阶段8(t7-t8)：
t7时刻，开关管Q7关闭，电感电流通过Q7的体二极管续流，电容CFLY1以iC大小的电流放电，电容CFLY2以iL大小的电流放电。
阶段9(t8-t9)：
t8时刻，开关管Q2打开，Q7体二极管反向截止。电感L两端压差为VBUS-VBAT，电感电流iL缓慢上升，电容CFLY1以iC大小的电流放电，电容CFLY2中止放电。
阶段10(t9-t10)：
t9时刻，开关管Q3/Q8关闭，电容CFLY1中止放电，电感电流缓慢上升。
阶段11(t10-t11)：
t10时刻，开关管Q1/Q6打开，电容CFLY2以iC大小的电流充电，电感电流缓慢上升。
阶段12(t11-t0)：
t11时刻，开关管Q4关闭，电感电流通过Q5的体二极管续流，电容CFLY1以iL大小的电流充电，电容CFLY2以iC大小的电流充电。
如图6所示，当混合电容电感充电器工作在D<＝0.5模式下时，功率管Q3、Q6、Q1、Q8、Q2、Q7工作在固定50％占空比模式下，Q4、Q5的驱动信号由控制信号和一个三角载波比较得到，其中，驱动信号低于三角载波中心值。
如图7所示，当混合电容电感充电器工作在D>＝0.5模式下时，功率管Q3、Q6、Q1、Q8、Q2、Q7工作在固定50％占空比模式下，Q4、Q5的驱动信号由控制信号VEA和一个三角载波Ramp3比较得到，其中，驱动信号高于三角载波中心值。
如图8所示，上述四种模式之间的切换判断条件如下：
当VBAT电压远低于VBUS/2时，此时充电器工作在D<<0.5工作模式，随着VBAT电压逐渐上升，Q4、Q1占空比逐渐增大。当检测到Q4、Q1占空比达到0.5时，此时充电器切入D>＝0.5工作模式，Q1占空比固定在0.5，而Q4占空比会随着VBAT电压上升而继续增大。当检测到Q4占空比增大到0.6时，此时充电器切入D>>0.5工作模式。
当VBAT电压远高于VBUS/2时，此时充电器工作在D>>0.5工作模式，随着VBAT电压逐渐下降，Q4、Q2占空比逐渐减小。当检测到Q4、Q2占空比达到0.5时，此时充电器切入D<＝0.5工作模式，Q2占空比固定在0.5，而Q4占空比会随着VBAT电压下降而继续减小。当检测到Q4占空比减小到0.4时，此时充电器切入D<<0.5工作模式。
关于D＝0.5、D＝0.4、D＝0.6等模式切换的条件，在实际系统中可以根据具体要求设置在其他的切换点。
通过上述设计，本发明通过增加一个电感以实现闭环恒压恒流控制的目的。通过使电感中流过的电流只占总的负载电流的一部分，另外一部分仍然由开关电容变换器直接提供，所以依旧保持了开关电容变换器高效率的优势，同时又增加了闭环恒压恒流的功能，从而可以实现固定高压输入条件下的大功率、高效率充电，不需要在适配器端和手机端增加额外的协议芯片，降低成本。因此，具有很大的使用价值和推广价值。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种混合电容电感充电器架构，其特征在于，包括功率管Q1，漏极与功率管Q1的漏极相连的功率管Q2，漏极与功率管Q1的源极相连的功率管Q3，漏极与功率管Q2的源极相连的功率管Q4，正极与功率管Q1的源极相连的电容CFLY1，正极与功率管Q2的源极相连的电容CFLY2，源极与电容CFLY1的负极相连且漏极与功率管Q4的源极相连的功率管Q5，源极与电容CFLY2的负极相连且漏极与功率管Q3的源极相连的功率管Q6，漏极与CFLY1的负极相连且源极接地的功率管Q8，漏极与CFLY2的负极相连且源极接地的功率管Q7，与功率管Q5的漏极相连的电感L，一端与电感L相连且另一端接地的滤波电容C3，漏极与功率管Q6的漏极和电感L与滤波电容C3连接端相连的功率管Q10，一端与功率管Q1的漏极相连且另一端接地的滤波电容C2，漏极与功率管Q1的漏极相连的功率管Q9，以及一端与功率管Q9的源极相连且另一端接地的滤波电容C1；其中，功率管Q9的源极接适配器的正极，功率管Q10的源极接电池的正极；Q9用于防止出现从电池侧流向适配器的反向电流，正常情况下为恒定导通模式；Q10实现充电电流的检测以及保护，在涓流充电阶段工作在线性控制模式，在恒流、恒压充电阶段工作在恒定导通模式；C1、C2以及C3为滤波电容。
2.如权利要求1所述的一种混合电容电感充电器架构的充电模式切换控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)混合电容电感充电器采用不同的载波信号产生不同的驱动信号作为调制信号对功率管进行信号调制；
(2)利用调制信号控制功率管Q4、Q5的占空比，使混合电容电感充电器工作在不同的工作模式；
(3)在不同的工作模式下，通过不同的功率管组合分别构成开关电容充电器和buck充电器分别为电池提供平均电流为iC的充电电流和平均电流为iL的充电电流。
3.根据权利要求2所述的一种混合电容电感充电器架构的充电模式切换控制方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述功率管Q1、Q8的驱动信号互补；功率管Q2、Q7的驱动信号互补；功率管Q3、Q6的驱动信号互补；功率管Q4、Q5的驱动信号互补。
4.根据权利要求3所述的一种混合电容电感充电器架构的充电模式切换控制方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述功率管Q3、Q6始终工作在固定50％占空比模式下；功率管Q4、Q5占空比始终受调制信号控制；功率管Q1、Q8的占空比在D<0.4模式下受调制信号控制，在其他模式下固定50％占空比；功率管Q2、Q7的占空比在D>0.6模式下受调制信号控制，在其他模式下固定50％占空比；其中，D为功率管Q4的占空比。
5.根据权利要求4所述的一种混合电容电感充电器架构的充电模式切换控制方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述载波信号包括递增型锯齿波，递减型锯齿波以及三角波，不同的载波信号用于在充电器工作在不同模式时对功率管Q4、Q5的占空比控制。
6.根据权利要求5所述的一种混合电容电感充电器架构的充电模式切换控制方法，其特征在于，在步骤(3)中，当混合电容电感充电器工作在D<0.4模式下时，功率管Q3、Q6、Q2、Q7组成一个开关电容充电器，为电池提供平均电流为iC的充电电流；Q1、Q8、Q4、Q5组成一个buck充电器，为电池提供平均电流为iL的充电电流。
7.根据权利要求5所述的一种混合电容电感充电器架构的充电模式切换控制方法，其特征在于，在步骤(3)中，当混合电容电感充电器工作在D>0.6模式下时，功率管Q3、Q6、Q1、Q8组成一个开关电容充电器，为电池提供平均电流为iC的充电电流；Q2、Q7、Q4、Q5组成一个buck充电器，为电池提供平均电流为iL的充电电流。
8.根据权利要求5所述的一种混合电容电感充电器架构的充电模式切换控制方法，其特征在于，在步骤(3)中，当混合电容电感充电器工作在0.4≤D≤0.5模式下时，功率管Q3、Q6、Q1、Q8、Q2、Q7工作在固定50％占空比模式下，Q4、Q5的驱动信号由控制信号和一个三角载波比较得到，其中，驱动信号低于三角载波中心值。
9.根据权利要求5所述的一种混合电容电感充电器架构的充电模式切换控制方法，其特征在于，在步骤(3)中，当混合电容电感充电器工作在0.5<D≤0.6模式下时，功率管Q3、Q6、Q1、Q8、Q2、Q7工作在固定50％占空比模式下，Q4、Q5的驱动信号由控制信号和一个三角载波比较得到，其中，驱动信号高于三角载波中心值。
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