CN112271799B - 一种用于电池充电模式的切换电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于电池充电模式的切换电路，开关S1的第一端连接至恒流区充电的参考电压，开关S1的第二端通过反相器X1连接至涓流充电检测模块的输出端，开关S1的第三端连接至放大器A1的正输入端；开关S2的第一端连接至涓流区充电的参考电压，开关S2的第二端连接至涓流充电检测模块的输出端，开关S2的第三端连接至放大器A1的正输入端；MOS管M1的漏极通过偏置电流源I1连接至电源电压VDD，MOS管M1的栅极连接至放大器A1的输出端，MOS管M1的源极和衬底分别连接至放大器A1的负输入端、软启动电路的输出端以及通过偏置电流源I2接地，电容Css与偏置电流源I2并联；从而保证充电系统的安全稳定。

Description

一种用于电池充电模式的切换电路

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，具体涉及一种用于电池充电模式的切换电路。

背景技术

随着电子技术的不断发展，手持式设备得到了大量的普及，这样对常用的锂电池的容量和充放电的速度产生了比较高的要求。

如图1所示，为了保证电池充电的安全和效率最大化，锂离子电池充电分为三个阶段：预充（涓流），恒流，和恒压区。恒流阶段是电池充电最快的区间，经常采用1C的充电电流进行充电。预充阶段通常采用比恒流区小的多的电流（0.1C—0.2C）对低电压的电池进行预充电。恒压阶段是当电池电压接近充饱电压的时候，充电电流逐渐下降直到低于截止电流，完成充电。电池的整个充电过程如图1 所示。当电池电压低于2.5V时，充电器进入预充区；当电池电压高于2.5V时，充电器进入恒流区；当电池电压等于4.2V（充饱电压）时，充电器进入恒压区。

充电器在从预充阶段到恒流区或者恒流区到预充阶段过度的时候，充电电流会从0.1C 变为1C或者从1C变为0.1C，随着电池的容量C越来越大，在充电模式切换的时候会产生两个问题：一是在由于两个阶段的电流差很大，极容易在充电器端产生浪涌电流，会对系统的可靠性造成很大的问题；二是由于巨大的电流变化会在锂离子电池的内阻上产生很大的电压差，会导致充电的时候充电器的模式来回反复切换，对系统的稳定性产生很大的影响。

为了解决上述问题，本申请提出一种用于电池充电模式的切换电路。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于电池充电模式的切换电路，在充电电池系统中加入了一个软启动电路，当系统判断电池从预充区进入恒流区或者从恒流区进入预充区的时候，充电电压能够缓慢的增加或者减少，从而达到减小浪涌电流让系统更加安全稳定的工作。

本发明提供了如下的技术方案：

一种用于电池充电模式的切换电路，该切换电路预设多个阶段的参数，其中包括恒流区充电的参考电压Vref2、涓流区充电的参考电压Vref3，所述切换电路包括软启动电路以及涓流充电检测模块，所述涓流充电检测模块用于检查电池电压；所述软启动电路包括反相器X1、开关S1、开关S2、偏置电流源I1、偏置电流源I2、放大器A1、MOS管M1以及电容Css；所述开关S1的第一端连接至恒流区充电的参考电压Vref2，所述开关S1的第二端通过反相器X1连接至涓流充电检测模块的输出端，所述开关S1的第三端连接至放大器A1的正输入端；所述开关S2的第一端连接至涓流区充电的参考电压Vref3，所述开关S2的第二端连接至涓流充电检测模块的输出端，所述开关S2的第三端连接至放大器A1的正输入端；所述MOS管M1的漏极通过偏置电流源I1连接至电源电压VDD，所述MOS管M1的栅极连接至放大器A1的输出端，所述MOS管M1的源极和衬底分别连接至放大器A1的负输入端、软启动电路的输出端以及通过偏置电流源I2接地，所述电容Css与偏置电流源I2并联。

优选的，所述切换电路还包括充电电池系统、控制器、驱动电路、第一误差放大器A3和第二误差放大器A4，所述控制器的输出端通过驱动电路连接至充电电池系统，所述第一误差放大器A3和第二误差放大器A4的输出端均连接至控制器的输入端；所述预设多个阶段的参数还包括恒压区充电的参考电压Vref1，所述第一误差放大器A3的正输入端连接至恒压区充电的参考电压Vref1，所述第一误差放大器A3的负输入端连接电池电压VBAT；所述第二误差放大器A4的正输入端连接至软启动电路的输出端，所述第二误差放大器A4的负输入端连接有充电电流采集模块，所述充电电流采集模块用于检测充电电流。

优选的，所述驱动电路包括第一驱动模块D1和第二驱动模块D2，所述第一驱动模块D1和第二驱动模块D2包括多个串联且尺寸逐渐变大的反相器。

优选的，所述充电电池系统包括MOS管M100、MOS管M101、储能电感L1以及采样电阻R100，所述MOS管M100的栅极连接至第一驱动模块D1的输出端，所述MOS管M100的源极连接至充电器的输入端，所述MOS管M101的栅极连接至第二驱动模块D2的输出端，所述MOS管M100的源极接地，所述MOS管M100和MOS管M101的漏极分别连接至储能电感L1的一端，所述储能电感L1的另一端连接至采样电阻R100的一端，所述采样电阻R100的另一端连接至电池电压VBAT。

优选的，所述充电电流采集模块包括放大器A2，所述放大器A2的正输入端连接至储能电感L1与采样电阻R100之间，所述放大器A2的负输入端连接至电池电压VBAT，所述放大器A2的输出端连接至第二误差放大器A4的负输入端。

本发明的有益效果是：

本发明的一种用于电池充电模式的切换电路，在现有的电池充电系统中，加入了软启动电路，当系统判断电池从预充区进入恒流区或者从恒流区进入预充区的时候，充电的能够缓慢的增加或者减少从而达到减小浪涌电流让系统更加安全稳定的工作。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是现有技术电池充电曲线图；

图2是本发明充电电池系统的连接示意图；

图3是第一驱动模块D1和第二驱动模块D2的结构示意图；

图4是本发明充电电池系统的结构示意图；

图5是充电电流采集模块结构示意图；

图6是软启动电路连接示意图；

图7是软启动波形图。

具体实施方式

实施1

该用于电池充电模式的切换电路，该切换电路预设多个阶段的参数，其中恒压区充电的参考电压Vref1、恒流区充电的参考电压Vref2、涓流区充电的参考电压Vref3。

如图2所示，该用于电池充电模式的切换电路，包括充电电池系统、控制器、驱动电路、第一误差放大器A3和第二误差放大器A4，控制器的输出端通过驱动电路连接至充电电池系统，第一误差放大器A3和第二误差放大器A4的输出端均连接至控制器的输入端；第一误差放大器A3的正输入端连接至恒压区充电的参考电压Vref1，第一误差放大器A3的负输入端连接电池电压VBAT；第二误差放大器A4的正输入端连接至软启动电路的输出端，第二误差放大器A4的负输入端连接有充电电流采集模块，充电电流采集模块用于检测充电电流。

第一误差放大器A3是用来控制电池充电系统在恒压区充电电流的放大器，当电池电压VBAT接近参考电压vref1时，通过第一误差放大器A3拉低其输出，Verr电压减小电池充电电流从而使得电池充电系统进入恒压区充电；当VBAT低于参考电压Vref1时，Verr的信号被第二误差放大器A4控制。

充电电流采集模块，会把充电电流按照100*R100的比例产生Vcs，Vref1是系统在恒压区充电的参考电压，Vref2是系统在恒流区充电时的参考低压，Vref3是系统在涓流区充电时的参考电压，通常Vref2=10*Vref3；当系统在涓流区时，软启动电路输出VrefC=Vref3，当系统在恒流区时软启动电路输出VrefC=Vref2。当VBAT低于参考电压Vref1，整个系统环路会让Vcs=VrefC，从而可以实现充电电流是在预充电状态。

如图3所示，驱动电路包括第一驱动模块D1和第二驱动模块D2，第一驱动模块D1和第二驱动模块D2包括多个串联且尺寸逐渐变大的反相器。

如图4所示，充电电池系统包括MOS管M100、MOS管M101、储能电感L1以及采样电阻R100，MOS管M100的栅极连接至第一驱动模块D1的输出端Hdrv，MOS管M100的源极连接至充电器的输入端VADP，MOS管M101的栅极连接至第二驱动模块D2的输出端Ldrv，MOS管M100的源极接地，MOS管M100和MOS管M101的漏极分别连接至储能电感L1的一端，储能电感L1的另一端连接至采样电阻R100的一端，采样电阻R100的另一端连接至电池电压VBAT，R100选用高精度电流采样电阻，通常数值在10MΩ，MOS管M100和MOS管M101通过开关把能量存储在储能电感L1中，储能电感L1通过输出PIN “VBAT”把能量传输给电池，从而达到充电的目的；充电电流会在R100的上形成压降，从而实现电流采样。

如图5所示，充电电流采集模块包括放大器A2，放大器A2的正输入端连接至储能电感L1与采样电阻R100之间CSP，放大器A2的负输入端连接至电池电压VBAT，放大器A2的输出端Vcs连接至第二误差放大器A4的负输入端。

如图6所示，软启动电路以及涓流充电检测模块，涓流充电检测模块用于检查电池电压；当电池电压低于2.5V时，Vtrickle=1，通知系统进入预充电状态；当电池电压高于2.5V时，Vtrickle=0，通知系统进入恒流充电状态。

软启动电路包括反相器X1、开关S1、开关S2、偏置电流源I1、偏置电流源I2、放大器A1、MOS管M1以及电容Css；开关S1的第一端连接至恒流区充电的参考电压Vref2，开关S1的第二端通过反相器X1连接至涓流充电检测模块的输出端Vtrickle，开关S1的第三端连接至放大器A1的正输入端；开关S2的第一端连接至涓流区充电的参考电压Vref3，开关S2的第二端连接至涓流充电检测模块的输出端Vtrickle，开关S2的第三端连接至放大器A1的正输入端；MOS管M1的漏极通过偏置电流源I1连接至电源电压VDD，MOS管M1的栅极连接至放大器A1的输出端，MOS管M1的源极和衬底分别连接至放大器A1的负输入端、软启动电路的输出端VrefC以及通过偏置电流源I2接地，电容Css与偏置电流源I2并联。

软启动电路，当Vtrickle 由1变0或者由0变1时，软启动电路输出VrefC需要从vref3变为vref2或者从vref2变为vref3，其主要作用是在实现这个变化的过程中让VrefC缓慢的变化，这样系统会让Vcs跟随VrefC的变化，从而实现模式切换时的软启动。

输出信号Vtrickle=1代表电池电压较低，系统应该进入预充电状态，闭合开关S2断开开关S1，这时Vref=Vref3，经过放大器A1和MOS管M1，VrefC=Vref3。输出信号Vtrickle=0代表电池电压较高，系统应该进入恒流充电状态，闭合开关S1、断开开关S2，这时Vref=Vref2，经过放大器和MOS管M1，VrefC=Vref2。

当Vtrickle 由0变为1的过程中，VrefC会从Vref2变为Vref3，这个过程需要给电容Css放电，它是一缓慢过程从而实现了从恒流到预充电转换的软启动，放电速度由电容Css和偏置电流源I2决定

。

当Vtrickle 由1变为0的过程中，VrefC会从Vref3变为Vref2，这个过程需要给电容Css充电，它是一个缓慢的过程从而实现了从预充电到恒流充电转换的软启动，充电速度由Css和I1-I2决定

。

如图7所示，模式转换的软启动时间由电容Css、偏置电流源I1和偏置电流源I2共同决定，通过设置不同的值就可以得到理想的软启动时间。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于电池充电模式的切换电路，该切换电路预设多个阶段的参数，其中包括恒流区充电的参考电压Vref2、涓流区充电的参考电压Vref3，其特征在于，所述切换电路包括软启动电路以及涓流充电检测模块，所述涓流充电检测模块用于检查电池电压；所述软启动电路包括反相器X1、开关S1、开关S2、偏置电流源I1、偏置电流源I2、放大器A1、MOS管M1以及电容Css；

所述开关S1的第一端连接至恒流区充电的参考电压Vref2，所述开关S1的第二端通过反相器X1连接至涓流充电检测模块的输出端，所述开关S1的第三端连接至放大器A1的正输入端；所述开关S1的第二端为控制端，从而控制开关S1的第一端和第三端的通断；

所述开关S2的第一端连接至涓流区充电的参考电压Vref3，所述开关S2的第二端连接至涓流充电检测模块的输出端，所述开关S2的第三端连接至放大器A1的正输入端；所述开关S2的第二端为控制端，从而控制开关S2的第一端和第三端的通断；

所述MOS管M1的漏极通过偏置电流源I1连接至电源电压VDD，所述MOS管M1的栅极连接至放大器A1的输出端，所述MOS管M1的源极和衬底分别连接至放大器A1的负输入端、软启动电路的输出端以及通过偏置电流源I2接地，所述电容Css与偏置电流源I2并联；

所述涓流充电检测模块的输出信号Vtrickle=1代表电池电压较低，进入预充电状态，闭合开关S2，断开开关S1，此时放大器A1的输入电压Vref=Vref3，经过放大器A1和MOS管M1，软启动电路输出电压VrefC=Vref3；所述涓流充电检测模块的输出信号Vtrickle=0代表电池电压较高，进入恒流充电状态，闭合开关S1，断开开关S2，此时放大器A1的输入电压Vref=Vref2，经过放大器A1和MOS管M1，软启动电路输出电压VrefC=Vref2；从而实现软启动电路输出电压VrefC缓慢的变化，进而实现模式切换时的软启动。

2.根据权利要求1所述的一种用于电池充电模式的切换电路，其特征在于，所述切换电路还包括充电电池系统、控制器、驱动电路、第一误差放大器A3和第二误差放大器A4，所述控制器的输出端通过驱动电路连接至充电电池系统，所述第一误差放大器A3和第二误差放大器A4的输出端均连接至控制器的输入端；

所述预设多个阶段的参数还包括恒压区充电的参考电压Vref1，所述第一误差放大器A3的正输入端连接至恒压区充电的参考电压Vref1，所述第一误差放大器A3的负输入端连接电池电压VBAT；所述第二误差放大器A4的正输入端连接至软启动电路的输出端，所述第二误差放大器A4的负输入端连接有充电电流采集模块，所述充电电流采集模块用于检测充电电流。

3.根据权利要求2所述的一种用于电池充电模式的切换电路，其特征在于，所述驱动电路包括第一驱动模块D1和第二驱动模块D2，所述第一驱动模块D1和第二驱动模块D2包括多个串联且尺寸逐渐变大的反相器。

4.根据权利要求3所述的一种用于电池充电模式的切换电路，其特征在于，所述充电电池系统包括MOS管M100、MOS管M101、储能电感L1以及采样电阻R100，所述MOS管M100的栅极连接至第一驱动模块D1的输出端，所述MOS管M100的源极连接至充电器的输入端，所述MOS管M101的栅极连接至第二驱动模块D2的输出端，所述MOS管M100的源极接地，所述MOS管M100和MOS管M101的漏极分别连接至储能电感L1的一端，所述储能电感L1的另一端连接至采样电阻R100的一端，所述采样电阻R100的另一端连接至电池电压VBAT。

5.根据权利要求4所述的一种用于电池充电模式的切换电路，其特征在于，所述充电电流采集模块包括放大器A2，所述放大器A2的正输入端连接至储能电感L1与采样电阻R100之间，所述放大器A2的负输入端连接至电池电压VBAT，所述放大器A2的输出端连接至第二误差放大器A4的负输入端。

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