CN112018851B - 一种电池充放电控制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电池充放电控制电路，包括PMOS管M1、PMOS管M2，PMOS管M2与PMOS管M1串联，形成USB电源为电池充电的回路；所述PMOS管M1连接有与其镜像的PMOS管M3，所述PMOS管M3的源极经PMOS管M4连接USB电源；所述PMOS管M4的源极连接USB电源，其栅极受控于第一控制信号；所述PMOS管M1的栅极与地之间连接有NMOS管M5，所述NMOS管M5的栅极受控于第一控制信号，其漏极连接所述PMOS管M1的栅极，其源极接地；所述PMOS管M2受控于第二控制信号。本发明以非常低的成本解决了电流充放电过程中容易产生大电流致使芯片过度发热的问题。
Description
技术领域
本发明涉及电池充放电技术领域，尤其是一种低成本、高效率的电池充放电控制电路。
背景技术
根据实际实用需求，电池充放电电路需要在以下六种工作状态下输出稳定可控的充放电电流：1、USB连接、无负载，电池充电；2、USB连接、无负载，电池不充电(已充满)，此时无大电流；3、USB连接、有负载，电池充电且USB给负载供电；4、USB连接、有负载，电池不充电(已充满)，USB仅给负载供电；5、USB未连接、无负载，此时无大电流；6、USB未连接、有负载，电池给负载供电。
以上六种工作状态下的电流充放电电路，四种会出现大电流通路，而充放电电流越大，芯片MOS管面积应当设计得越大，功耗也就越大。目前，现有技术中普遍采用的充电芯片采用图1所示电路结构。当电池电压较低，例如电池电压2.9V，USB为5V供电，电路输出效率非常低，导致芯片发热严重，极大限制了充电电流和输出电流。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种低成本、高效率电池充放电控制电路，解决电流充放电过程中的大电流问题。
一种电池充放电控制电路，包括串联于电池供电回路中的PMOS管M1、串联于USB供电回路中的PMOS管M2，USB电源连接所述PMOS管M2的源极，所述PMOS管M2的漏极连接所述PMOS管M1的源极，所述PMOS管M1的漏极连接电池正极，电池负极接地，形成USB电源为电池充电的回路；
所述PMOS管M1连接有与其镜像的PMOS管M3，所述PMOS管M1与所述PMOS管M3栅极互联；所述PMOS管M3的漏极经电流源接地，其栅极连接其漏极，其源极经PMOS管M4连接USB电源；所述PMOS管M4的源极连接USB电源，其漏极连接所述PMOS管M3的源极，其栅极受控于第一控制信号；所述PMOS管M1的栅极与地之间连接有NMOS管M5，所述NMOS管M5的栅极受控于第一控制信号，其漏极连接所述PMOS管M1的栅极，其源极接地；所述PMOS管M2受控于第二控制信号；
当USB电压较低或悬空时，通过所述第一控制信号控制所述PMOS管M4关断、所述NMOS管M5导通，通过所述第二控制信号控制所述PMOS管M2关断；当接入的USB电压高于电池电压时，通过所述第一控制信号控制所述PMOS管M4导通、所述NMOS管M5关断，通过所述第二控制信号控制所述PMOS管M2导通；所述第二控制信号略微滞后所述第一控制信号。
进一步的，所述PMOS管M1连接有PMOS管M6，所述PMOS管M1的栅极连接所述PMOS管M6的漏极；所述PMOS管M6的栅极受控于第三控制信号，其源极连接NWELL电位；所述NWELL电位为USB电源电压与电池电压中的较大者，当USB电压高于电池电压时，所述第三控制信号控制所述PMOS管M6导通。
进一步的，所述NWELL电位由交叉连接的PMOS管M7和开关管M8组成，所述PMOS管M7的漏极连接USB电源，其栅极连接所述开关管M8的漏极，所述开关管M8的栅极连接所述PMOS管M7的漏极，其漏极连接电池正极，所述PMOS管M7和所述开关管M8的源极互连接到NWELL。
本发明通过在芯片中增设多个便于集成的开关管，以及通过片外数字逻辑电路产生控制信号，实现高精度、高效率的电流通路切换，以非常低的成本解决了电流充放电过程中容易产生大电流致使芯片过度发热的问题。
附图说明
图1为现有电池充放电电路示意图；
图2为本发明公开的电池充放电控制电路示意图；
图3为EN_USB、sw1、sw2的波形对比图；
图4为sw1、sw2信号产生逻辑电路示意图；
图5为sw3信号产生逻辑电路示意图；
图6为NWELL电位产生电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
实施例1
一种电池充放电控制电路，如图2所示，包括串联于电池供电回路中的PMOS管M1、串联于USB供电回路中的PMOS管M2，USB电源连接所述PMOS管M2的源极，所述PMOS管M2的漏极连接所述PMOS管M1的源极，所述PMOS管M1的漏极连接电池正极，电池负极接地，形成USB电源为电池充电的回路。
所述PMOS管M1连接有与其镜像的PMOS管M3，所述PMOS管M1与所述PMOS管M3栅极互联；所述PMOS管M3的漏极经电流源接地，其栅极连接其漏极，其源极经PMOS管M4连接USB电源；所述PMOS管M4的源极连接USB电源，其漏极连接所述PMOS管M3的源极，其栅极受控于第一控制信号sw1；所述PMOS管M1的栅极与地之间连接有NMOS管M5，所述NMOS管M5的栅极受控于第一控制信号sw1，其漏极连接所述PMOS管M1的栅极，其源极接地；所述PMOS管M2受控于第二控制信号sw2。
当USB电压较低或悬空时，通过所述第一控制信号sw1控制所述PMOS管M4关断、所述NMOS管M5导通，通过所述第二控制信号sw2控制所述PMOS管M2关断。所述NMOS管M5导通，PMOS管M1的栅极电位拉至地，PMOS管M1作为开关管彻底导通。当有负载时，电池电流通过PMOS管M1流向负载电阻，此时为电池供电通路。
USB电源接入，芯片检测到当接入的USB电压高于电池电压时，开启USB电源为电池充电模式，通过所述第一控制信号sw1控制所述PMOS管M4导通、所述NMOS管M5关断，通过所述第二控制信号sw2控制所述PMOS管M2导通。所述第二控制信号略微滞后所述第一控制信号。
通过第一控制信号sw1控制PMOS管M4导通，PMOS管M3随即导通；PMOS管M3与PMOS管M1构成镜像电流源，PMOS管M1作为电流源工作在饱和区，向电池充电。电池充电过程中，可以通过调节电流源的电流，改变PMOS管M3的电流偏置大小，进而调节电池充电电流的大小。
通过第二控制信号sw2控制PMOS管M2导通，使得USB电电源的电流经过PMOS管M2向负载提供电流。
第二控制信号略微滞后第一控制信号是为了PMOS管M1先于PMOS管M2导通前进入饱和区，避免PMOS管M1和PMOS管M2同时导通，导致USB电源到电池的通路出现直通短路大电流，确保了电池的安全。
实际应用中，可设置USB电源充电使能EN_USB。当芯片检测到USB电压高于电池电压时，置EN_USB为高电平，再通过逻辑电路得到第一控制信号sw1和第二控制信号sw2，使能信号EN_USB、第一控制信号sw1、第二控制信号sw2的波形图如图3所示。
本实施例采用图4所示逻辑电路得到第一控制信号sw1和第二控制信号sw2，第二控制信号sw2略微滞后第一控制信号sw1是通过成对反相器级联实现的，滞后时间很短，仅为ns级，具体应用时，可根据实际情况设置其他延时电路，例如RC延时电路，来增加滞后时间。
当芯片检测到USB电压较低(低于电池电压)或悬空时，关闭USB电源为电池充电模式，置EN_USB为低电平，第一控制信号sw1和第二控制信号sw2依次跟随EN_USB转变为高电平，参照图3，致使PMOS管M2均截止，USB电源为电池充电的回路断开。
USB电源持续为电池充电，当电池充满时，需要停止对电池的充电。在本实施例中，所述PMOS管M1连接有PMOS管M6，所述PMOS管M1的栅极连接所述PMOS管M6的漏极；所述PMOS管M6的栅极受控于第三控制信号sw3，其源极连接NWELL电位；所述NWELL电位为USB电源电压与电池电压中的较大者，当USB电压高于电池电压时，所述第三控制信号控制所述PMOS管M6导通。
第三控制信号sw3由防过充控制信号EN_CHA和第一控制信号sw1经过“或”逻辑形成，如图5所示。芯片检测USB电源的同时，也检测电池电压，检测电池电压的比较器设置约0.3V的滞回，当电池电压达到4.2V时，置防过充控制信号EN_CHA为低电平，停止给电池充电，当电池电压从4.2V降低至低于3.9V时，置防过充控制信号EN_CHA为高电平，再次给电池充电。
当电池充满电，USB仍接入的情况下，若USB电源电压低于电池电压，信号EN_USB为低，第一控制信号sw1和第二控制信号sw2均为高电平，无论此时电池电压是否大于4.2V，即信号EN_CHA是否为低，则第三控制信号sw3必定也为高电平，PMOS管M6关断。
若USB电源电压高于电池电压，第一控制信号sw1和第二控制信号sw2为低电平，第三控制信号sw3跟随防过充控制信号EN_CHA，确保电池正常充电并防止电池过充。具体逻辑为：若电池尚未充满，第三控制信号sw3为高电平，USB电源同时为电池充电、为负载供电；若电池电压高于4.2V时，第三控制信号sw3为低电平，PMOS管M6导通，将PMOS管M3和PMOS管M1栅极电压拉高至NWELL电位使其关断，电池供电通路断开，起到防止过充的作用，并且USB电源能够继续通过PMOS管M2向负载供电。
所述NWELL电位由镜像连接的PMOS管M7和开关管M8组成，所述PMOS管M7的漏极连接USB电源，其栅极连接所述开关管M8的漏极，所述开关管M8的栅极连接所述PMOS管M7的漏极，其漏极连接电池正极，所述PMOS管M7和所述开关管M8的源极互连接到NWELL。
为更清楚地表述本发明公开的电池充放电控制电路的工作情况，现汇总如下表1。
表1
由表1可知，在USB电源接入的情况下，PMOS管M2始终导通，通过控制其漏源电压在200mV以内，以降低芯片功耗，减小芯片发热，从而在电池充电时，为负载提供大电流。
显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域及相关领域的普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
Claims (3)
1.一种电池充放电控制电路，其特征在于，包括串联于电池供电回路中的PMOS管M1、串联于USB供电回路中的PMOS管M2，USB电源连接所述PMOS管M2的源极，所述PMOS管M2的漏极连接所述PMOS管M1的源极，所述PMOS管M1的漏极连接电池正极，电池负极接地，形成USB电源为电池充电的回路；
所述PMOS管M1连接有与其镜像的PMOS管M3，所述PMOS管M1与所述PMOS管M3栅极互联；所述PMOS管M3的漏极经电流源接地，其栅极连接其漏极，其源极经PMOS管M4连接USB电源；所述PMOS管M4的源极连接USB电源，其漏极连接所述PMOS管M3的源极，其栅极受控于第一控制信号；所述PMOS管M1的栅极与地之间连接有NMOS管M5，所述NMOS管M5的栅极受控于第一控制信号，其漏极连接所述PMOS管M1的栅极，其源极接地；所述PMOS管M2受控于第二控制信号；
当USB电压较低或悬空时，通过所述第一控制信号控制所述PMOS管M4关断、所述NMOS管M5导通，通过所述第二控制信号控制所述PMOS管M2关断，此时PMOS管M1导通，PMOS管M3截止；当接入的USB电压高于电池电压时，通过所述第一控制信号控制所述PMOS管M4导通、所述NMOS管M5关断，通过所述第二控制信号控制所述PMOS管M2导通，此时PMOS管M1、PMOS管M3构成镜像电流源，均工作在饱和区；所述第二控制信号略微滞后所述第一控制信号。
2.根据权利要求1所述的电池充放电控制电路，其特征在于，所述PMOS管M1连接有PMOS管M6，所述PMOS管M1的栅极连接所述PMOS管M6的漏极；所述PMOS管M6的栅极受控于第三控制信号，其源极连接NWELL电位；
所述NWELL电位为USB电源电压与电池电压中的较大者，当USB电压高于电池电压时，所述第三控制信号控制所述PMOS管M6导通。
3.根据权利要求2所述的电池充放电控制电路，其特征在于，所述NWELL电位由镜像连接的PMOS管M7和开关管M8组成，所述PMOS管M7的漏极连接USB电源，其栅极连接所述开关管M8的漏极，所述开关管M8的栅极连接所述PMOS管M7的漏极，其漏极连接电池正极，所述PMOS管M7和所述开关管M8的源极互联。
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