CN112510786A - 一种低功耗锂电池转u型电池的电源管理系统线路 - Google Patents

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Abstract

一种低功耗锂电池转U型电池的电源管理系统线路，涉及锂电池替换AA型碱性电池的应用领域，包括BUCK电路单元和锂电池充电线路单元，BUCK电路单元设置PWM逻辑控制模块，PWM逻辑控制模块的3号输入端通过稳压器与锂电池接口BAT+连接、两个输出端通过电路与BUCK电路单元的1.5V输出端口VO+连接，其特征在于，PWM逻辑控制模块的2号输入端与放大比较模块连接，放大比较模块用于将VO+端电压与受BAT+电压控制的基准电压的差值放大后与振荡器产生的三角波进行比较并将比较结果转化成可变脉宽输出至PWM逻辑控制模块。本发明的锂电池转U型电池的电源管理系统线路能够解决背景技术中提出的问题。

Description

一种低功耗锂电池转U型电池的电源管理系统线路
技术领域
本发明涉及锂电池替换AA型碱性电池的应用领域，尤其是一种低功耗锂电池转U型电池的电源管理系统线路。
背景技术
BUCK是DC-DC的基本拓扑之一，主要实现直流到直流的降压转换，通常需要PWM逻辑电路控制两个MOS管的轮流导通来实现电压转换，PWM逻辑电路的占空比调节直流输出电，功能框图如图1所示，当上面的高位开关导通时，输入端电源通过高位开关及电感L1对负载、电感L1充电储能，电感L1相当于一个恒流源，起到传递能量的作用，电容相当于恒压源，在电路里面起到平滑滤波的作用；当上面的高位开关关断、下面的低位开关导通时，电感L1通过负载和低位开关形成电流回路释放能量，继续为负载供电。
BUCK电路正常工作时以较高的频率持续输出PWM信号，通常频率范围为 80KHZ到4MHz，其输出端电压由微小的纹波和较大的直流分量组成，从宏观上看其输出电压是恒定的。电路稳态时PWM的占空比(用D表示，含义为上高位开关导通时间与周期的比例)、输入电压(VIN)、和输出电压(VOUT)的关系为： VOUT＝VIN*D；
线性充电为常用的锂电池充电拓扑之一，主要实现将输入电压转换成一个电压电流可控的输出，将输出能量存储在锂电池中。功能框图如图1所示，充电控制模块实时侦测电池电压状态并控制充电管的导通程度实现涓流、恒流、恒压三段式充电。
线性充电电路中，通常充电管处于线性工作区域，充电管承受输入电压与输出电压之间的压差，充电控制模块根据充电电流和输入输出压差动态调整其充电管的线性工作点以满足充电需求。
传统方式一：由传统的DC-DC BUCK线路和锂电池充电线路组成。如图1所示，Q1,Q2为高低位开关管，L1为储能电感，输出VO+经过分压电阻反馈至误差放大器EA输入端，反馈电压与基准电压VREF误差放大处理后控制Q1,Q2的导通关断时间形成负反馈环路，保持VO+的输出电压稳定。由于误差放大器的正端输入为内部基准，BAT+的输入电压上下变化时输出电压VO+基本维持不变。Q3为线性锂电池充电管，charger模块控制Q3线性工作区域点，动态调整输出电压电流，实现给锂电池的线性充电。这种传统方式的主要缺点为：1.VO+输出电压不能模拟碱性AA电池的输出电压曲线，应用系统无法正确感应电池的亏电状态。 2.这种传统的BUCK线路空载功耗较大，大大降低了待机时长。3.充电方式单一，只能通过ADP方式充电。4.不具备温度检测和保护功能。
传统方式二由三个独立功能的模块组成，如图2所示：BUCK DC-DC模块实现降压放电功能，充电控制模块实现线性锂电池充电功能，锂电保护单元实现电池的过冲电，过放电等基本保护。除了传统方式一类似的缺点外，传统方式二方式占用PCBA体积比较大，产品结构设计难度较大，挤压到锂电池可用的物理空间，电池转换效率低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种低功耗锂电池转U型电池的电源管理系统线路，解决背景技术中提出的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种低功耗锂电池转U型电池的电源管理系统线路，包括低功耗BUCK电路单元和锂电池充电线路单元，所述低功耗BUCK电路单元设置PWM逻辑控制模块，所述PWM逻辑控制模块的3号输入端通过稳压器与锂电池接口BAT+连接、两个输出端通过电路与低功耗BUCK电路单元的1.5V输出端口VO+连接，所述PWM逻辑控制模块的2号输入端与放大比较模块连接，所述放大比较模块用于将VO+端电压与受BAT+电压控制的基准电压的差值放大后与振荡器产生的三角波进行比较并将比较结果转化成可变脉宽输出至PWM逻辑控制模块。
进一步地，所述锂电池充电线路单元包括充电控制模块，所述充电控制模块的两个输出端通过电路与锂电池接口BAT+连接，充电控制模块的VOUT输入端与输出端口VO+连接。
进一步地，所述放大比较模块包括误差放大器EA、振荡器和PWM比较器OPA2，所述误差放大器EA的正极输入与受BAT+电压控制的基准电压源连接、负极输入与VO+端连接，所述PWM比较器OPA2的正极输入振荡器连接、负极输入与误差放大器EA的输出端连接。
进一步地，所述低功耗BUCK电路单元还包括电感L1、输出电容Cout、高位开关M1及驱动、低位开关M2及驱动、电流检测运放OPA1、零电流检测OPA3和保护模块，所述电感L1的输入端与高位开关M1的漏极D和低位开关M2的漏极 D连接、输出端与输出端口VO+连接，所述输出电容Cout的正端与电感L1的输出端连接、负端接地，所述高位开关M1的栅极G通过对应的驱动与PWM逻辑控制模块的1号输出端连接、源极S与接口BAT+连接，所述低位开关M2的栅极G 通过对应的驱动与PWM逻辑控制模块的2号输出端连接、源极S接地，所述电流检测运放OPA1的正输入端与接口BAT+连接、负输入端与高位开关M1的漏极D 连接、输出端与PWM逻辑控制模块的1号输入端连接，所述零电流检测OPA3的正输入端接地、负输入端与高位开关M1的漏极D连接、输出端与PWM逻辑控制模块的5号输入端连接，所述保护模块的输出端与PWM逻辑控制模块的4号输入端连接。
进一步地，所述高位开关M1设置衬底。
进一步地，所述锂电池充电线路单元还包括ADP电源端口、NTC电阻、LED 指示灯、线性充电功率管M3、线性充电功率管M4和电池端滤波电容Cbat，所述 ADP电源端口与充电控制模块的2号输入端连接，所述NTC电阻的一端与充电控制模块的3号输入端连接、另一端接地，所述LED指示灯与充电控制模块的4号输入端连接，所述线性充电功率管M3的栅极G与充电控制模块的1号输出端连接、源极S与ADP电源端口连接、漏极D与接口BAT+连接，所述线性充电功率管M4的栅极G与充电控制模块的2号输出端连接、源极S与端口VO+连接、漏极D与接口BAT+连接，所述电池端滤波电容Cbat的正极与接口BAT+连接、负极接地。
进一步地，所述线性充电功率管M3、线性充电功率管M4均设置衬底。
本发明具有如下有益效果：
本发明的低功耗锂电池转U型电池的电源管理系统线路能完全模拟碱性AA 电池的放电曲线，具备大电流放电能力，最大限度增加电池放电能力，可同口充放电，也可以适配器充电，充电过程中NTC实时检测电池温度，LED指示充电状态，确保系统安全可靠工作。
附图说明
图1为背景技术中传统方式一的一种用分立元件实现充放电电路；
图2为背景技术中传统方式二的锂电池转U型电池的电路框图；
图3为本发明提出的一种低功耗锂电池转U型电池的电源管理系统线路电路图；
图4为本发明提出的线性锂电池充电线路的结构示意图；
图5为本发明提出的BUCK输出电压与锂电池电压的对应曲线图；
图6为本发明提出的线性锂电池充电的电压电流曲线图。
具体实施方式
实施例1：
如图3-6所示，一种低功耗锂电池转U型电池的电源管理系统线路，包括低功耗BUCK电路单元和锂电池充电线路单元，所述低功耗BUCK电路单元设置 PWM逻辑控制模块，所述PWM逻辑控制模块的3号输入端通过稳压器与锂电池接口BAT+连接、两个输出端通过电路与低功耗BUCK电路单元的1.5V输出端口 VO+连接，所述PWM逻辑控制模块的2号输入端与放大比较模块连接，所述放大比较模块用于将VO+端电压与受BAT+电压控制的基准电压的差值放大后与振荡器产生的三角波进行比较并将比较结果转化成可变脉宽输出至PWM逻辑控制模块。
本发明的放大比较模块将背景技术传统方式一中的将VO+端电压与内部基准电压的差值放大改进为将VO+端电压与受BAT+电压控制的基准电压的差值放大，使得BUCK线路的输出电压VO+根据BAT+端的电压而调整：如图5所示，BAT+ 电压在4.2V到3.3V之间时VO+输出稳定的1.5V，BAT+电压从3.3V下降至2.9V 时，VO+电压也相应从1.5V逐渐下降至0.9V，BAT+电压低于2.9V时BUCK电路进入欠压保护状态停止输出。所述BUCK线路VO+的放电电压曲线完全模拟U型电池输出电压特性。
低功耗DC-DC的BUCK线路部分的主要特点是误差放大器EA的输入正端并非稳定不变的基准电压源，而是受BAT+电压控制的非线性基准电压源，所以VO+ 的输出电压并非完全稳定的1.5V，而是根据BAT+端电池的电压电量减小而逐渐降低，VO+的输出电压曲线与碱性AA电池的放电电压曲线完全匹配，在实际应用系统中起到欠压指示的作用，以告知用户电池电量即将耗尽，需要给电池充电。
所述锂电池充电线路单元包括充电控制模块，所述充电控制模块的两个输出端通过电路与锂电池接口BAT+连接，充电控制模块的VOUT输入端与输出端口VO+连接。
低功耗BUCK电路单元的输出端VO+与锂电池充电的1号输入端(即VOUT 端)直接相连，该端口为复用端口，一方面做DC-DC的反馈输入，另外一方面做锂电充电的供电端口，此端口即为充放同口。锂电池充电线路单元同样能够通过ADP端口对BAT+端口充电，达到异口充电效果。
所述放大比较模块包括误差放大器EA、振荡器和PWM比较器OPA2，所述误差放大器EA的正极输入与受BAT+电压控制的基准电压源连接、负极输入与VO+ 端连接，所述PWM比较器OPA2的正极输入振荡器连接、负极输入与误差放大器 EA的输出端连接。
所述低功耗BUCK电路单元还包括电感L1、输出电容Cout、高位开关M1及驱动、低位开关M2及驱动、电流检测运放OPA1、零电流检测OPA3和保护模块，所述电感L1的输入端与高位开关M1的漏极D和低位开关M2的漏极D连接、输出端与输出端口VO+连接，所述输出电容Cout的正端与电感L1的输出端连接、负端接地，所述高位开关M1的栅极G通过对应的驱动与PWM逻辑控制模块的1 号输出端连接、源极S与接口BAT+连接，所述低位开关M2的栅极G通过对应的驱动与PWM逻辑控制模块的2号输出端连接、源极S接地，所述电流检测运放OPA1的正输入端与接口BAT+连接、负输入端与高位开关M1的漏极D连接、输出端与PWM逻辑控制模块的1号输入端连接，所述零电流检测OPA3的正输入端接地、负输入端与高位开关M1的漏极D连接、输出端与PWM逻辑控制模块的 5号输入端连接，所述保护模块的输出端与PWM逻辑控制模块的4号输入端连接。
BAT+为低功耗BUCK电路单元的电源输入，高位开关M1开启后，输入电流一边给电感L1、输出电容Cout充电，一边为负载提供能量，高位开关M1关闭后，低位开关M2开启，存储在电感L1和Cout内的能量通过M2的回路继续为负载提供能量，输出电压VO+反馈至误差放大器EA的输入负端，误差放大器EA 的输入正端为一个受BAT+电压控制的基准电压源，误差放大器的输出接PWM比较器的负端，振荡器产生的三角波连接PWM比较器的输入正端，PWM比较器输出可变的脉宽到PWM逻辑控制模块，PWM逻辑控制模块综合电流检测信号、各种保护信号并处理后通过驱动电路驱动M1,M2的开启和关闭。
所述高位开关M1设置衬底。
高位开关M1衬底实时监测和比较VOUT电压和BAT+电压信号，M1衬底切换模块自动将Buck线路当中的高位开关M1的衬底电位切换至VOUT和BAT+当中较高的电位，确保Buck输出以及通过VOUT充电的过程中M1的体二极管不导通。
所述锂电池充电线路单元还包括ADP电源端口、NTC电阻、LED指示灯、线性充电功率管M3、线性充电功率管M4和电池端滤波电容Cbat，所述ADP电源端口与充电控制模块的2号输入端连接，所述NTC电阻的一端与充电控制模块的3号输入端连接、另一端接地，所述LED指示灯与充电控制模块的4号输入端连接，所述线性充电功率管M3的栅极G与充电控制模块的1号输出端连接、源极S与ADP电源端口连接、漏极D与接口BAT+连接，所述线性充电功率管M4 的栅极G与充电控制模块的2号输出端连接、源极S与端口VO+连接、漏极D 与接口BAT+连接，所述电池端滤波电容Cbat的正极与接口BAT+连接、负极接地。
NTC功能输出一恒定的电流源，外接NTC电阻实时检测锂电池包的温度，温度变化时在NTC电阻上产生不同的电压，所述NTC电阻上电压低于设定的阈值时自动减小充电电流以降低锂电池包的温度，确保电池工作在可靠的温度范围内。
在锂电池充电期间外接的LED处于闪烁状态，以告知用户设备正在充电，锂电池充电完毕后LED处于常亮状态，提示用户充电已经完成。
所述线性充电功率管M3、线性充电功率管M4均设置衬底。
低功耗BUCK电路单元的BAT+为BUCK电路单元的电源输入，高位开关M1 开启后，输入电流一边给电感L1、输出电容Cout充电，一边为负载提供能量，高位开关M1关闭后，低位开关M2开启，存储在电感L1和Cout内的能量通过 M2的回路继续为负载提供能量，输出电压VO+反馈至误差放大器EA的输入负端，误差放大器EA的输入正端为一个受BAT+电压控制的基准电压源，误差放大器的输出接PWM比较器的负端，振荡器产生的三角波连接PWM比较器的输入正端， PWM比较器输出可变的脉宽到PWM逻辑控制模块，PWM逻辑控制模块综合电流检测信号、各种保护信号并处理后通过驱动电路驱动M1,M2的开启和关闭。
当VOUT端外加电压高于线性充电的欠压保护点时为充电功能，此时DC-DC 关闭，高位开关管M1处于关断状态。当VOUT没有外加充电电压时为DC-DC处于放电工作状态，此时M3和M4关断。
低功耗BUCK电路单元的输出与锂电池充电的VOUT端直接相连，该端口为复用端口，一方面做DC-DC的反馈输入，另外一方面做锂电充电的供电端口，此端口即为充放同口，当VOUT端外加电压高于线性充电的欠压保护点时为充电功能，此时DC-DC关闭，高位开关管M1处于关断状态。当VOUT没有外加充电电压时为DC-DC处于放电工作状态，此时M3和M4关断。
锂电池充电线路、NTC和LED线路部分，由所述充电管M3、M4、充电控制模块，NTC检测，LED指示部分共同组成。具备M3和M4两个独立的充电通道，可以支持两种端口充电，充电控制模块控制M3、M4的线性工作点给连接至BAT+ 的锂电池充电，所述M3、M4为两种锂电池充电路径，所述M4为从ADP端供电的锂电池充电，即为异口充电，所述M3为从VOUT端供电的锂电池充电，与所述低功耗DC-DC的BUCK输出为同一个端口,即为同口充放电，所述这两种方式可根据应用系统任意选择，所述两种充电方式均具备涓流、恒流、恒压三段充电模式。
M3衬底控制模块实时监测和比较ADP电压和BAT+电压信号，M3衬底切换模块自动将M3的衬底电位切换至ADP和BAT+当中较高的电位，确保Buck输出以及通过VOUT充电的过程中M3的体二极管不导通。M4衬底控制模块实时监测和比较VOUT电压和BAT+电压信号，M4衬底切换模块自动将M4的衬底电位切换至VOUT和BAT+当中较高的电位，确保Buck输出或通过VOUT充电的过程中M4 的体二极管不导通，所述线性锂电池充电完成后，M3衬底切换模块、M4衬底切换模块控制M3,M4处于截止状态，不会有BAT+电流通过寄生二极管倒灌到ADP或者VOUT。
所述线性锂电池充电完成后，经过M3、M4的衬底由M3衬底切换模块和M4 衬底切换模块控制，不会有BAT+电流通过寄生二极管倒灌到ADP或者VOUT。
图4为锂电池充电线路部分的机构性示意图，实现对锂电池的涓流、恒流、恒压三段式充电功能。主要包括充电功率管M3、充电功率管M4、镜像管M5，充电路径选择开关SW1和SW2、充电路径优先级选择模块、环路控制模块，欠压保护UVP单元、NTC检测及保护线路，LED驱动线路。当ADP、VOUT输入有效时，优先级选择模块优先选择ADP的充电路径，此时SW1,SW2切换到常闭端，环路控制模块控制M3和M5的GATE工作在对应的充电状态。NTC电阻安装在电池端用于感应电池工作温度，恒流源输出一路不随电压和温度变化的恒定电流到NTC电阻上，在NTC电阻上产生的电压输入到过温保护运放OTR的负端，OTR 的正端为设定的过温保护点，一旦电池温度超过设定值锂就会通过D5控制M3 和M5的GATE降低充电电流以减少电池发热，确保充电过程中电池工作在安全可靠的温度范围内。UVP运放单元持续监测供电电压，供电电源欠压时就会通过D6关断M停止对电池充电。
其中Buck环路控制线路根据监测到的VOUT电压和BAT+电压信号，动态调整所述高位开关和所述低位开关的开启、关闭时刻，所述高位开关M1的衬底由 M1衬底切换模块自动切换控制的PMOS管，M1关断时从SW到BAT+不存在寄生二极管结构，不会产生从SW到BAT+的倒灌电流。
图6为锂电池充电过程中电池电压与充电电流之间的关系曲线图，电池电压低于2.9V时为涓流小电流充电，有利于激活电池特性。2.9V至4.15V为恒流大电流充电，适合于快速存储能量，4.15至4.2V为恒压充电，直到电池充满。
本发明的低功耗锂电池转U型电池的电源管理系统线路能完全模拟碱性AA 电池的放电曲线，具备大电流放电能力，最大限度增加电池放电能力，可同口充放电，也可以适配器充电，充电过程中NTC实时检测电池温度，LED指示充电状态，确保系统安全可靠工作。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种低功耗锂电池转U型电池的电源管理系统线路，包括低功耗BUCK电路单元和锂电池充电线路单元，所述低功耗BUCK电路单元设置PWM逻辑控制模块，所述PWM逻辑控制模块的3号输入端通过稳压器与锂电池接口BAT+连接、两个输出端通过电路与低功耗BUCK电路单元的1.5V输出端口VO+连接，其特征在于，所述PWM逻辑控制模块的2号输入端与放大比较模块连接，所述放大比较模块用于将VO+端电压与受BAT+电压控制的基准电压的差值放大后与振荡器产生的三角波进行比较并将比较结果转化成可变脉宽输出至PWM逻辑控制模块。
2.根据权利要求1所述的低功耗锂电池转U型电池的电源管理系统线路，其特征在于，所述锂电池充电线路单元包括充电控制模块，所述充电控制模块的两个输出端通过电路与锂电池接口BAT+连接，充电控制模块的VOUT输入端与输出端口VO+连接。
3.根据权利要求1所述的低功耗锂电池转U型电池的电源管理系统线路，其特征在于，所述放大比较模块包括误差放大器EA、振荡器和PWM比较器OPA2，所述误差放大器EA的正极输入与受BAT+电压控制的基准电压源连接、负极输入与VO+端连接，所述PWM比较器OPA2的正极输入振荡器连接、负极输入与误差放大器EA的输出端连接。
4.根据权利要求3所述的低功耗锂电池转U型电池的电源管理系统线路，其特征在于，所述低功耗BUCK电路单元还包括电感L1、输出电容Cout、高位开关M1及驱动、低位开关M2及驱动、电流检测运放OPA1、零电流检测OPA3和保护模块，所述电感L1的输入端与高位开关M1的漏极D和低位开关M2的漏极D连接、输出端与输出端口VO+连接，所述输出电容Cout的正端与电感L1的输出端连接、负端接地，所述高位开关M1的栅极G通过对应的驱动与PWM逻辑控制模块的1号输出端连接、源极S与接口BAT+连接，所述低位开关M2的栅极G通过对应的驱动与PWM逻辑控制模块的2号输出端连接、源极S接地，所述电流检测运放OPA1的正输入端与接口BAT+连接、负输入端与高位开关M1的漏极D连接、输出端与PWM逻辑控制模块的1号输入端连接，所述零电流检测OPA3的正输入端接地、负输入端与高位开关M1的漏极D连接、输出端与PWM逻辑控制模块的5号输入端连接，所述保护模块的输出端与PWM逻辑控制模块的4号输入端连接。
5.根据权利要求4所述的低功耗锂电池转U型电池的电源管理系统线路，其特征在于，所述高位开关M1设置衬底。
6.根据权利要求2所述的低功耗锂电池转U型电池的电源管理系统线路，其特征在于，所述锂电池充电线路单元还包括ADP电源端口、NTC电阻、LED指示灯、线性充电功率管M3、线性充电功率管M4和电池端滤波电容Cbat，所述ADP电源端口与充电控制模块的2号输入端连接，所述NTC电阻的一端与充电控制模块的3号输入端连接、另一端接地，所述LED指示灯与充电控制模块的4号输入端连接，所述线性充电功率管M3的栅极G与充电控制模块的1号输出端连接、源极S与ADP电源端口连接、漏极D与接口BAT+连接，所述线性充电功率管M4的栅极G与充电控制模块的2号输出端连接、源极S与端口VO+连接、漏极D与接口BAT+连接，所述电池端滤波电容Cbat的正极与接口BAT+连接、负极接地。
7.根据权利要求6所述的低功耗锂电池转U型电池的电源管理系统线路，其特征在于，所述线性充电功率管M3、线性充电功率管M4均设置衬底。
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