CN112003354B - 用于充电限流电路的控制电路及充电限流器和充放电电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于充电限流电路的控制电路及充电限流器和充放电电路，所述充电限流电路包括降压斩波电路，以及与所述降压斩波电路的输入端子或输出端子串联连接的采样电阻；其中，所述控制电路包括：负反馈电路，其输入端用于接收参考电压和所述采样电阻两端的采样电压，用于根据所述参考电压与所述采样电压的差值产生相应的误差信号；以及电压比较器，其同相输入端连接至所述负反馈电路的输出端，其反相输入端用于接收脉宽调制载波信号，其输出端用于提供脉宽调制驱动信号至所述降压斩波电路。本发明的控制电路能够缩短充电时间、提高充电效率且降低开关损耗。

Description

用于充电限流电路的控制电路及充电限流器和充放电电路

技术领域

本发明涉及电子线路领域，具体涉及一种用于充电限流电路的控制电路及充电限流器和充放电电路。

背景技术

为了增加可充电电池的供电时间，通常将多个可充电电池并联连接，但是容量不同的可充电电池并联连接后，会使得可充电电池中产生较大的冲击电流从而损坏可充电电池。另外，当可充电电池连接至大功率的充电器时，过大的充电电流会导致可充电电池的寿命降低。为了解决上述技术问题，现有技术中的可充电电池通常内置充电限流电路。

图1是现有技术中的充电限流电路与可充电电池的放电电路相连接的电路图。如图1所示，第一电压端子P连接至充电电路的正极输出端或另一个可充电电池的正极以及连接至可充电电池B的正极；第二电压端子N连接至充电电路的负极输出端或另一个可充电电池的负极以及通过双向可控导电路径13连接至可充电电池B的负极，其中双向可控导电路径13包括并联的开关S11和二极管D13，以及并联的开关S12和二极管D12，开关S11和开关S12相连接形成节点N1，且二极管D13的正极连接至第二电压端子N，其负极连接至节点N1，二极管的正极连接至可充电电池B的负极，且负极连接至节点N1。充电限流电路11包括连接形成降压斩波电路110的金氧半场效应晶体管Q11、二极管D11和电感L11，以及电容C11、电容C12和采样电阻Rs，其中二极管D11的正极和电感L11的一端连接至金氧半场效应晶体管Q11的漏极，二极管D11的负极和金氧半场效应晶体管Q11的源极作为降压斩波电路110的正极输入端子和负极输入端子、且电连接至第一电压端子P和第二电压端子N，二极管D11的负极和电感L11的另一端作为降压斩波电路110的正极输出端子和负极输出端子、且电连接至可充电电池B的正极和节点N1。电容C11连接在降压斩波电路110的输入端，且电容C12连接在降压斩波电路110的输出端。采样电阻Rs连接在金氧半场效应晶体管Q11的源极和地G之间。

当开关S11断开且开关S12导通时，第二电压端子N到可充电电池B的负极之间形成单向导通路径，由此便于可充电电池B进行放电。当开关S11导通且开关S12断开时，可充电电池B的负极到第二电压端子N之间形成单向导通路径，由此便于对可充电电池B进行充电。

驱动器芯片12监控采样电阻Rs两端的电压以确定可充电电池B的充电电流大小，并输出相应占空比的脉宽调制驱动信号DRI至金氧半场效应晶体管Q11的栅极(即其控制端)，以控制金氧半场效应晶体管Q11的开关状态。

当可充电电池B中的充电电流大于预定的充电电流时，驱动器芯片12输出所需占空比的脉宽调制驱动信号DRI以控制金氧半场效应晶体管Q11交替地导通和截止。当金氧半场效应晶体管Q11被控制为导通时，形成的电流路径如下：第一电压端子P、可充电电池B、二极管D12、节点N1、电感L11、金氧半场效应晶体管Q11、采样电阻Rs到第二电压端子N，此时电感L11储能，且电感L11和采样电阻Rs中的电流逐渐增加。当金氧半场效应晶体管Q11被控制为截止时，采样电阻Rs中的电流降为零，由于电感L11中的电流不能突变，形成的电流路径如下：电感L11、二极管D11的正极和负极、可充电电池B、二极管D12和节点N1，此时电感L1释放能量，电感L1中的电流逐渐降低。最终使得可充电电池B中的平均充电电流等于充电限制电流。充电限流电路11能够限制充电电路对可充电电池B进行充电的充电电流的大小。

当可充电电池B中的充电电流小于预定的充电电流(例如可充电电池B的充电限制电流)时，驱动器芯片12输出占空比尽可能大(例如接近100％)的脉宽调制驱动信号DRI用于控制金氧半场效应晶体管Q11导通，此时形成的充电电流路径如下：第一电压端子P、可充电电池B、二极管D12、节点N1、电感L11、金氧半场效应晶体管Q11、采样电阻Rs到第二电压端子N，从而使得充电电路较快地对可充电电池B进行充电。

但是，现有技术中的驱动器芯片12并不能输出占空比为100％的脉宽调制信号，无法控制金氧半场效应晶体管Q11一直处于导通状态，即无法实现充电限流电路11的直通功能。因此当充电功率较小的充电电路对可充电电池B进行充电时，无法高效、快速地对可充电电池B进行充电。

发明内容

针对现有技术存在的上述技术问题，本发明提供了一种用于充电限流电路的控制电路，所述充电限流电路包括降压斩波电路，以及与所述降压斩波电路的输入端子或输出端子串联连接的采样电阻；

其中，所述控制电路包括：

负反馈电路，其输入端用于接收参考电压和所述采样电阻两端的采样电压，用于根据所述参考电压与所述采样电压的差值产生相应的误差信号；以及

电压比较器，其同相输入端连接至所述负反馈电路的输出端，其反相输入端用于接收脉宽调制载波信号，其输出端用于提供脉宽调制驱动信号至所述降压斩波电路。

优选的，在所述负反馈电路中，当所述采样电压小于所述参考电压时，其产生的误差信号大于所述脉宽调制载波信号的最大值，以及当所述采样电压大于所述参考电压时，其产生的误差信号在所述脉宽调制载波信号的最大值和最小值之间。

优选的，所述负反馈电路包括：运算放大器，其同相输入端用于接收所述参考电压；第一电阻，其一端用于接收所述采样电压，其另一端连接至所述运算放大器的反相输入端；以及第一电容，其连接在所述运算放大器的反相输入端和输出端之间。

优选的，所述负反馈电路还包括第二电阻，所述第二电阻与所述第一电容并联连接。

优选的，所述负反馈电路还包括串联的第三电阻和第二电容，其与所述第一电容并联连接。

优选的，所述电压比较器为集电极开路输出的电压比较器，所述控制电路还包括上拉电阻，所述上拉电阻连接在所述电压比较器的输出端和直流电源端子之间。

优选的，所述控制电路还包括限流电阻，其连接在所述负反馈电路的输出端和所述电压比较器的同相输入端之间。

优选的，所述控制电路还包括功率放大器，其连接在所述电压比较器的输出端和所述降压斩波电路之间，且用于对所述电压比较器输出的脉宽调制驱动信号进行功率放大。

本发明提供了一种充电限流器，包括：

充电限流电路，其包括：

降压斩波电路；以及

与所述降压斩波电路的输入端子或输出端子串联连接的采样电阻；以及

如上所述的控制电路，所述控制电路的输入端用于接收参考电压和所述采样电阻两端的采样电压，其输出端用于提供脉宽调制驱动信号至所述降压斩波电路。

优选的，所述降压斩波电路包括开关晶体管、二极管和电感，所述开关晶体管包括控制极、第一电极和第二电极，所述开关晶体管的控制级连接至所述控制电路的输出端，所述开关晶体管的第一电极连接至所述二极管的正极和所述电感的一端，所述二极管的负极和所述开关晶体管的第二电极分别用作所述降压斩波电路的正极输入端子和负极输入端子，所述二极管的负极和所述电感的另一端分别用作所述降压斩波电路的正极输出端子和负极输出端子，且所述采样电阻与所述开关晶体管串联连接且连接在所述开关晶体管的第二电极和地之间。

优选的，所述充电限流器还包括连接在所述二极管的负极和所述地之间的第一滤波电容，以及连接在所述二极管的负极和所述电感的另一端之间的第二滤波电容。

本发明提供了一种充放电电路，包括：

如上所述的充电限流器，所述充电限流器包括降压斩波电路，所述降压斩波电路的正极输出端子和负极输出端子分别电连接至可充电电池的正极和负极；

反向并联的第一开关和第一二极管，所述第一二极管的正极连接至所述降压斩波电路的负极输入端子，其负极连接至所述降压斩波电路的负极输出端子；以及

反向并联的第二开关和第二二极管，所述第二二极管的负极连接至所述降压斩波电路的负极输出端子，其正极用于连接至所述可充电电池的负极。

本发明的控制电路提供占空比为100％的脉宽调制驱动信号，从而使得充电限流电路保持直通，缩短充电时间，提高充电效率，且降低充电过程中的开关损耗。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1是现有技术中的充电限流电路与可充电电池的放电电路相连接的电路图。

图2是根据本发明较佳实施例的用于充电限流电路的控制电路的电路图。

图3示出了控制电路中的PI控制电路基于第一充电电流输出的误差信号，脉宽调制载波信号和电压比较器输出的脉宽调制驱动信号的波形图。

图4示出了控制电路中的PI控制电路基于第二充电电流输出的误差信号，脉宽调制载波信号和电压比较器输出的脉宽调制驱动信号的波形图。

图5示出了控制电路中的PI控制电路基于第三充电电流输出的误差信号，脉宽调制载波信号和电压比较器输出的脉宽调制驱动信号的波形图。

图6示出了控制电路中的PI控制电路基于第四充电电流输出的误差信号，脉宽调制载波信号和电压比较器输出的脉宽调制驱动信号的波形图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。

图2是根据本发明较佳实施例的用于充电限流电路的控制电路的电路图。如图2所示，充电限流电路21与图1所示的充电限流电路11的电路结构相同，在此不再赘述。控制电路20包括比例积分(PI)控制电路22、电压比较器U22、电阻R24和上拉电阻R23。其中PI控制电路22包括运算放大器U21，连接在运算放大器U21的反相输入端和输出端之间的电容C23，连接在运算放大器U21的反相输入端和输出端之间的串联的电阻R22和电容C24，以及电阻R21，电阻R21的一端连接至运算放大器U21的反相输入端，其另一端用于接收采样电阻Rs2两端的电压，即连接至采样电阻Rs2和金氧半场效应晶体管Q21的源极相连接形成的节点N22，运算放大器U21的同相输入端用于接收参考电压Vref。PI控制电路22接收采样电阻Rs2两端的采样电压Vs和参考电压Vref，将参考电压Vref减去采样电压Vs的差值作为控制偏差，并输出相应的误差信号Ve，其中误差信号Ve由参考电压Vref与采样电阻Rs2两端的采样电压Vs的差值的比例参数和积分参数确定，由此运算放大器U21输出与采样电压Vs相对应的稳定变化的误差信号Ve。

电压比较器U22的同相输入端通过电阻R24连接至运算放大器U21的输出端，其反相输入端接收脉宽调制载波信号PWMC，其输出端电连接至金氧半场效应晶体管Q21的栅极。电压比较器U22优选是集电极开路输出的电压比较器，即电压比较器U22的内部输出级是三极管，其输出端为该三极管的集电极，便于与后级的电路连接。当误差信号Ve小于脉宽调制载波信号PWMC时，电压比较器U22输出低电平。当误差信号Ve大于脉宽调制载波信号PWMC时，电压比较器U22的输出端开路。

直流电源端子Vc通过上拉电阻R23连接至电压比较器U22的输出端。

下面将简述控制电路20的工作原理。

由于采样电阻Rs2中的电流与可充电电池B中的充电电流的平均值成比例关系，因此通过监控采样电阻Rs2两端的采样电压Vs，并且与相对应的参考电压Vref进行比较，使得采样电压Vs逼近参考电压Vref，从而间接地使得可充电电池B中的充电电流逼近预定的充电电流。

当小功率的充电电路对可充电电池B进行充电时，采样电阻Rs2两端的采样电压Vs一直小于参考电压Vref，PI控制电路22将采样电压Vs作为控制量，且将参考电压Vref作为其参考量，其输出的误差信号Ve为高电平。高电平的误差信号Ve通过电阻R24提供至电压比较器U22同相输入端，且三角形的脉宽调制载波信号PWMC提供至电压比较器U22的反相输入端。图3示出了控制电路中的PI控制电路22输出的误差信号Ve，脉宽调制载波信号PWMC和电压比较器U22输出的脉宽调制驱动信号DRI的波形图。如图3所示，脉宽调制载波信号PWMC为三角波，高电平的误差信号Ve大于脉宽调制载波信号PWMC，由此电压比较器U22的输出端开路。直流电压端子Vc通过上拉电阻R23使得电压比较器U22的输出端输出高电平电压(略小于直流电压端子Vc的电压)。也就是说，控制电路20持续输出高电平的脉宽调制驱动信号DRI，即输出占空比为100％的脉宽调制驱动信号DRI至金氧半场效应晶体管Q21的栅极，从而控制金氧半场效应晶体管Q21持续地保持导通状态，充电限流电路21使得充电电路和可充电电池B之间直通。因此，可充电电池B的充电电流小于其充电限制电流时，本发明的控制电路20能够给充电限流电路21中的金氧半场效应晶体管Q21提供占空比为100％的脉宽调制驱动信号DRI，从而使得充电限流电路21保持直通，缩短充电时间，提高充电效率，且降低充电过程中的开关损耗。

当大功率的充电电路对可充电电池B进行充电时，如果采样电压Vs大于参考电压Vref，即可充电电池B中的充电电流大于预定的充电电流(例如门限电流)，PI控制电路22输出相对应的误差信号Ve1，该误差信号Ve1与参考电压Vref减去采样电压Vs的差值的比例系数和积分系数相关。图4示出了控制电路中的PI控制电路22输出的误差信号Ve1，脉宽调制载波信号PWMC和电压比较器U22输出的脉宽调制驱动信号DRI1的波形图。如图4所示，误差信号Ve1在脉宽调制载波信号PWMC的最大值和最小值之间。当误差信号Ve1大于脉宽调制载波信号PWMC时，电压比较器U22输出的脉宽调制驱动信号DRI1为高电平，误差信号Ve1小于脉宽调制载波信号PWMC时，电压比较器U22输出的脉宽调制驱动信号DRI1为低电平。由此电压比较器U22输出相应占空比的脉宽调制驱动信号DRI1，其中脉宽调制驱动信号DRI1的占空比与误差信号Ve1相对应，即与采样电阻Rs2中的电流或可充电电池B中的充电电流相对应。最终使得可充电电池B中的充电电流接近或逼近预定的充电电流。

在充电过程中，当可充电电池B中的充电电流大于预定的充电电流，并且进一步增加时，采样电压Vs大于参考电压Vref且采样电压Vs也会增加，PI控制电路22输出相对应的误差信号Ve2。图5示出了控制电路中的PI控制电路22输出的误差信号Ve2，脉宽调制载波信号PWMC和电压比较器U22输出的脉宽调制驱动信号DRI2的波形图。如图5所示，经过脉宽调制载波信号PWMC的几个开关周期(例如40-400微秒)后，PI控制电路22输出的误差信号Ve2减小至一个稳定值，由此控制电路20输出占空比减小的脉宽调制驱动信号DRI2。该占空比减小的脉宽调制驱动信号DRI2控制充电限流电路21，使得可充电电池B中的充电电流逐渐降低且靠近或逼近预定的充电电流。

在充电过程中，当采样电压Vs大于参考电压Vref且采样电压Vs减小时，PI控制电路22输出相对应的误差信号Ve3。图6示出了控制电路中的PI控制电路22输出的误差信号Ve3，脉宽调制载波信号PWMC和电压比较器U22输出的脉宽调制驱动信号DRI3的波形图。如图6所示，经过脉宽调制载波信号PWMC的几个开关周期后，PI控制电路22输出的误差信号Ve3增加至一个稳定值，由此控制电路20输出占空比增加的脉宽调制驱动信号DRI3。该占空比增加的脉宽调制驱动信号DRI3控制充电限流电路21，使得可充电电池B中的充电电流逐渐增加且靠近或逼近预定的充电电流。

综上可知，当可充电电池B中的充电电流小于预定的充电电流(例如门限电流)时，控制电路20用于提供占空比为100％的脉宽调制驱动信号，使得充电限流电路21保持直通，提高充电效率，且降低开关损耗。当可充电电池B中的充电电流大于其门限电流时，控制电路20能够给充电限流电路21中的开关晶体管提供合适占空比的脉宽调制驱动信号，从而使得可充电电池B中的充电电流的平均值接近或逼近其门限电流。与现有技术中的驱动器芯片12相比，控制电路20能够提供占空比为100％的脉宽调制驱动信号，且降低了电路成本。

在本实施例中，电阻R22用作限流电阻，能够避免运算放大器U21输出高电平时输出较大的电流至电压比较器U22的同相输入端。

根据本发明的另一个实施例的控制电路，控制电路20还包括连接在电压比较器U22的输出端的功率放大器，其用于将电压比较器U22输出的脉宽调制驱动信号进行功率放大，从而用于驱动充电限流电路21中的金氧半场效应晶体管，同时还能够对电压比较器U22输出的脉宽调制驱动信号和充电限流电路21中的金氧半场效应晶体管的栅极之间进行电气隔离，避免干扰信号影响金氧半场效应晶体管的开关状态。

根据本发明的另一个实施例的控制电路，PI控制电路22中的电容C24可以移除，或PI控制电路22可以被替换为积分控制电路，即移除PI控制电路22中串联的电阻R22和电容C24。

在本发明的其他实施例中，可以采用比例-积分-微分(PID)控制电路等负反馈电路代替上述积分控制电路或PI控制电路22。

本发明还提供了一种充电限流器，其包括充电限流电路21与控制电路20。其中电容C21和电容C22用作滤波电容，其用于过滤高频纹波电流。采样电阻Rs2与开关晶体管串联连接，且采样电阻Rs2的一端接地，由此采样电阻Rs2与开关晶体管相连接形成的节点N22的电压即为采样电阻Rs2两端的电压。

根据本发明的另一个实施例的充电限流器，采用绝缘栅双极型晶体管等开关晶体管代替上述实施例中的金氧半场效应晶体管Q21。

根据本发明的另一个实施例的充电限流器，采样电阻Rs2连接在降压斩波电路210的正极输入端子、正极输出端子或负极输出端子，其中充电限流电路21还包括差分电路，以监控采样电阻Rs2两端的差分信号并获得采样电阻Rs2两端的采样电压。

本发明还提供了一种充放电电路，其包括充电限流电路21、控制电路20和连接在第二电压端子N和可充电电池B的负极之间的双向可控导电路径23。

根据本发明的另一个实施例的充放电电路，双向可控导电路径23中的开关S21或开关S22可以被替换为继电器、开关晶体管等现有技术中的开关器件。

根据本发明的另一个实施例的充放电电路，并联的开关S21和二极管D21可以被替换为金氧半场效应晶体管，并联的开关S22和二极管D22可以被替换为金氧半场效应晶体管。

虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

Claims (10)

1.一种用于充电限流电路的控制电路，所述充电限流电路包括降压斩波电路，以及与所述降压斩波电路的输入端子或输出端子串联连接的采样电阻；

其中，所述控制电路包括：

负反馈电路，其输入端用于接收参考电压和所述采样电阻两端的采样电压，用于根据所述参考电压与所述采样电压的差值产生相应的误差信号；以及

电压比较器，其同相输入端连接至所述负反馈电路的输出端，其反相输入端用于接收脉宽调制载波信号，其输出端用于提供脉宽调制驱动信号至所述降压斩波电路；其中所述电压比较器为集电极开路输出的电压比较器，所述控制电路还包括上拉电阻，所述上拉电阻连接在所述电压比较器的输出端和直流电源端子之间；以及

在所述负反馈电路中，当所述采样电压小于所述参考电压时，其产生的误差信号大于所述脉宽调制载波信号的最大值以使得所述电压比较器的输出端开路，所述直流电源端子通过所述上拉电阻使得所述电压比较器的输出端输出高电平电压，从而产生占空比为100％的所述脉宽调制驱动信号；以及当所述采样电压大于所述参考电压时，其产生的误差信号在所述脉宽调制载波信号的最大值和最小值之间。

2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述负反馈电路包括：

运算放大器，其同相输入端用于接收所述参考电压；

第一电阻，其一端用于接收所述采样电压，其另一端连接至所述运算放大器的反相输入端；以及

第一电容，其连接在所述运算放大器的反相输入端和输出端之间。

3.根据权利要求2所述的控制电路，其特征在于，所述负反馈电路还包括第二电阻，所述第二电阻与所述第一电容并联连接。

4.根据权利要求2所述的控制电路，其特征在于，所述负反馈电路还包括串联的第三电阻和第二电容，其与所述第一电容并联连接。

5.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述控制电路还包括限流电阻，其连接在所述负反馈电路的输出端和所述电压比较器的同相输入端之间。

6.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述控制电路还包括功率放大器，其连接在所述电压比较器的输出端和所述降压斩波电路之间，且用于对所述电压比较器输出的脉宽调制驱动信号进行功率放大。

7.一种充电限流器，其特征在于，包括：

充电限流电路，其包括：

降压斩波电路；以及

与所述降压斩波电路的输入端子或输出端子串联连接的采样电阻；以及

如权利要求1至6中任一项所述的控制电路，所述控制电路的输入端用于接收参考电压和所述采样电阻两端的采样电压，其输出端用于提供脉宽调制驱动信号至所述降压斩波电路。

8.根据权利要求7所述的充电限流器，其特征在于，所述降压斩波电路包括开关晶体管、二极管和电感，所述开关晶体管包括控制极、第一电极和第二电极，所述开关晶体管的控制级连接至所述控制电路的输出端，所述开关晶体管的第一电极连接至所述二极管的正极和所述电感的一端，所述二极管的负极和所述开关晶体管的第二电极分别用作所述降压斩波电路的正极输入端子和负极输入端子，所述二极管的负极和所述电感的另一端分别用作所述降压斩波电路的正极输出端子和负极输出端子，且所述采样电阻与所述开关晶体管串联连接且连接在所述开关晶体管的第二电极和地之间。

9.根据权利要求8所述的充电限流器，其特征在于，所述充电限流器还包括连接在所述二极管的负极和所述地之间的第一滤波电容，以及连接在所述二极管的负极和所述电感的另一端之间的第二滤波电容。

10.一种充放电电路，其特征在于，包括：

如权利要求7至9中任一项所述的充电限流器，所述充电限流器包括降压斩波电路，所述降压斩波电路的正极输出端子和负极输出端子分别电连接至可充电电池的正极和负极；

反向并联的第一开关和第一二极管，所述第一二极管的正极连接至所述降压斩波电路的负极输入端子，其负极连接至所述降压斩波电路的负极输出端子；以及

反向并联的第二开关和第二二极管，所述第二二极管的负极连接至所述降压斩波电路的负极输出端子，其正极用于连接至所述可充电电池的负极。

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