CN113541249A

CN113541249A - 基于预驱动模块实现充电路径控制的电路装置及电子设备

Info

Publication number: CN113541249A
Application number: CN202110780883.2A
Authority: CN
Inventors: 陈凌之
Original assignee: Xuanzhi Electronic Technology Shanghai Co ltd
Current assignee: Xuanzhi Electronic Technology Shanghai Co ltd
Priority date: 2021-07-09
Filing date: 2021-07-09
Publication date: 2021-10-22
Anticipated expiration: 2041-07-09
Also published as: CN113541249B

Abstract

本发明的实施方式提供了一种基于预驱动模块实现充电路径控制的电路装置及电子设备。该电路装置包括：预驱动模块、第一MOS管、第二MOS管以及自举电容；第一MOS管耦合至预驱动模块的高端，第二MOS管耦合至预驱动模块的低端；预驱动模块通过选择驱动第一MOS管或第二MOS管，控制传递到与预驱动模块的VPX端相耦合至的电感负载的功率；VBOOT端与自举电容相电容式耦合；第二MOS管导通时在第一周期使得VPX端向地放电；VBOOT端的电压随VPX端的电压降至零的过程而降低。采用本发明的上述电路装置进行充电路径管理，当电池不充电时能够实现电路装置与电池之间电流路径的双向隔断；其采用NMOS能够减小成本和尺寸；此外，当充电电流超过预设值时，能够实现过流保护。

Description

基于预驱动模块实现充电路径控制的电路装置及电子设备

技术领域

本发明的实施方式涉及电子技术领域，更具体地，本发明的实施方式涉及一种基于预驱动模块实现充电路径控制的电路装置及电子设备。

背景技术

随着科技的发展，越来越多的电子产品深入到人们的工作、生活中。锂电池由于具有能量密度高、循环寿命长、重量轻等优点，在便携式电子设备中和电动自行车得到广泛的应用。

然而，在现有的充电技术中，存在着容易过充电、充不满电等问题，缩短了锂电池的使用寿命，同时导致安全性与稳定性较差。

发明内容

在本上下文中，本发明的实施方式期望提供一种基于预驱动模块实现充电路径控制的电路装置及电子设备，以克服现有技术中存在的上述缺陷。

在本发明实施方式的第一方面中，提供了一种基于预驱动模块实现充电路径控制的电路装置，电路装置包括预驱动模块、第一MOS管、第二MOS管以及自举电容；第一MOS管耦合至预驱动模块的高边，第二MOS管耦合至预驱动模块的低边；预驱动模块被配置用于通过选择驱动第一MOS管或第二MOS管，以控制传递到与预驱动模块的VPX端相耦合至的电感负载的功率；预驱动模块的VBOOT端与自举电容相电容式耦合；第二MOS管导通时在第一周期使得VPX端向地放电；VBOOT端的电压随着VPX端的电压降至零的过程而降低。

进一步地，VBOOT端用于通过预驱动模块的自举二极管而获得钳位。

进一步地，当预驱动模块的高边接通时，第二MOS管断开，第一MOS管导通，VPX端的电压被第一MOS管升高并达到预驱动模块的PVDD端的电压，且VBOOT端的电压被推升至接近第一值；第一值等于PVDD端电压与11.3V之和；自举二极管反向偏置且不再支持对自举电容充电。

进一步地，预驱动模块的电荷泵用于产生VCP电压，VCP电压比PVDD端的电压高12V；VCP电压电平将在第一MOS管接通后立即通过内部开关耦合至VBOOT端，以避免自举电容在高边的第一MOS管接通期间放电。

进一步地，电路装置还包括：比较器，被配置用于当第一MOS管导通时对PVDD端的电压减去参考电压后所得的结果与VPX端的电压进行比较，若PVDD端的电压减去参考电压后所得的结果大于VPX端的电压，则触发故障，且使第一MOS管能够快速关断，以对第一MOS管实现过流保护。

进一步地，根据下式计算过流保护的阈值I_trip：

在上式中，PVDD表示PVDD端的电压，VPX表示VPX端的电压，Vref表示参考电压，M1表示第一MOS管，而Ron_M1表示第一MOS管的导通电阻。

进一步地，VPX端的电压根据数字输入而被驱动为PVDD电压或GND电压。

进一步地，预驱动模块采用预驱动芯片实现。

进一步地，第一MOS管和第二MOS管均采用NMOS晶体管。

进一步地，电感负载包括电源转换器电感或电机相绕组。

进一步地，电路装置还包括第三MOS管、第四MOS管、齐纳二极管和第一电阻，第三MOS管被配置用于将预驱动模块的VPX端耦接至电池端；在初始状态下，从适配器端至电池端的功率路径被切断，使得第一MOS管和第二MOS管被预驱动模块断开；通用输入输出导通第四MOS管，并驱动第三MOS管至地以使得第三MOS管被断开；齐纳二极管被配置用于使得第三MOS管的栅极至源极电压低于15V，以保护其栅极氧化物；第一电阻被配置用于限制齐纳二极管的电流以对其保护；第一MOS管的体二极管指向适配器端，第三MOS管的体二极管指向电池端，以在不充电期间实现双向隔断。

进一步地，当第一MOS管导通、且第三MOS管断开时，第一电阻用于限制从VPX端流经齐纳二极管的电流大小。

进一步地，电路装置被配置用于按照如下方式进行充电：第二MOS管导通以对自举电容充电；第二MOS管断开，第一MOS管导通，电荷泵令第一MOS管始终保持导通状态；第四MOS管断开，第三MOS管的栅极充电至VCP电压，第三MOS管导通，充电电流从适配器端经由第一MOS管、第三MOS管流至电池端。

进一步地，电路装置还包括第二电阻，第二电阻用于限制瞬态电流以避免电荷泵过载。

进一步地，若电池端短接至地，则当第一MOS管和第三MOS管从适配器端向电池端传导电流时，预驱动模块的过流保护电路触发故障以将第一MOS管断开，以使适配器端与电池端断开连接，并使VPX端的电压下降。

进一步地，预驱动模块的过流保护电路在第一MOS管导通时对PVDD端和VPX端之间的电压差进行持续检查，若该电压差满足以下公式，则立即断开第一MOS管：

进一步地，当第一MOS管的电流高于预设阈值时，若预驱动模块的过流保护电路的故障触发高电平，则预驱动模块的高边被断开，且VPX端与电源之间的连接被断开。

进一步地，若预驱动模块未封装有VCP网络，将VBOOT端作为电源连接至第二电阻以导通第三MOS管。

进一步地，第三MOS管采用NMOS晶体管。

根据本发明的第二方面，还提供了一种电子设备，包括如上所述的电路装置。

采用根据本发明实施方式的基于预驱动模块实现充电路径控制的电路装置进行充电路径管理，能够实现如下效果：当电池不充电时(也即在电池使用期间)，能够使得该电路装置与电池之间实现电流路径的双向隔断，而无论二者电压或电平如何(即与二者电压或电平无关)。单个的MOS管有一个内置的体p-n二极管，该体二极管从源极/体端子(p-body)指向漏极端子(n-drain)，当n电压高于p电压时，它只有单向阻断。

此外，根据本发明的实施例，使用传统的预驱动器允许在充电信号路径中使用NMOS，且NMOS的成本和尺寸远小于PMOS。

此外，本发明的实施例能够实现过流保护，当充电电流超过预设值时，使用传统的预驱动器可以实现快速关闭，这是在接地短路或其他故障情况下非常重要的安全功能。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：

图1示意性地示出了根据本发明实施方式的基于预驱动模块实现充电路径控制的电路装置的一个应用场景示例的结构图；

图2示意性地示出了根据本发明实施方式的基于预驱动模块实现充电路径控制的电路装置的一个示例的电路结构图；

图3示意性地示出了根据本发明一实施例的各端输出电压电平的示意图；

图4示意性地示出了根据本发明实施方式的基于预驱动模块实现充电路径控制的电路装置的另一个示例的电路结构图；

图5示意性地示出了根据本发明另一实施例的各端输出电压电平的示意图；

图6示意性地示出了根据本发明又一实施例的各端输出电压电平的示意图；

图7示意性地示出了根据本发明实施方式的基于预驱动模块实现充电路径控制的电路装置的又一个示例的电路结构图。

在附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。

具体实施方式

下面将参考若干示例性实施方式来描述本发明的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本发明，而并非以任何方式限制本发明的范围。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

本领域技术人员知道，本发明的实施方式可以实现为一种系统、装置、设备、方法或计算机程序产品。因此，本公开可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件、完全的软件(包括固件、驻留软件、微代码等)，或者硬件和软件结合的形式。

在本文中，需要理解的是，附图中的任何元素数量均用于示例而非限制，以及任何命名都仅用于区分，而不具有任何限制含义。

下面参考本发明的若干代表性实施方式，详细阐释本发明的原理和精神。

示例性装置

根据本发明的实施方式，提出了一种基于预驱动模块实现充电路径控制的电路装置。电路装置包括预驱动模块、第一MOS管、第二MOS管以及自举电容；第一MOS管耦合至预驱动模块的高边，第二MOS管耦合至预驱动模块的低边；预驱动模块被配置用于通过选择驱动第一MOS管或第二MOS管，以控制传递到与预驱动模块的VPX端相耦合至的电感负载的功率；预驱动模块的VBOOT端与自举电容相电容式耦合；第二MOS管导通时在第一周期使得VPX端向地放电；VBOOT端的电压随着VPX端的电压降至零的过程而降低。

图1示出了本发明的基于预驱动模块实现充电路径控制的电路装置的一种应用场景。如图1所示，将本发明的基于预驱动模块实现充电路径控制的电路装置设置于图1中的充电路径管理单元处，其一端连接适配器，另一端连接锂离子电池，用于充电路径管理。

图2示出了本发明的上述基于预驱动模块实现充电路径控制的电路装置的一种示例结构。

如图2所示，上述电路装置包括预驱动模块1、第一MOS管M1、第二MOS管M2以及自举电容CBOOT。

作为示例，预驱动模块1可以采用传统预驱动芯片实现，其结构如图2中的虚线框1所示。

虚线框1内部是传统预驱动芯片上的电路，而第一MOS管M1、第二MOS管M2以及自举电容CBOOT是板上分立元件。

其中，第一MOS管M1耦合至预驱动模块1的高边(high side)，第二MOS管耦合至预驱动模块的低边(low side)。

如图2所示，第一MOS管M1的栅极连接传统预驱动芯片的高边输出端OUT-HS，其漏极连接传统预驱动芯片的PVDD端(以及电源)，而其源极连接传统预驱动芯片的VPX端。

其中，PVDD端是预驱动模块1的芯片的输入电源，或称功率电源PVDD(power VDD)，主电源(Main power)等。VPX端为高边电路的参考地，或称浮动地(Floating ground)、高边地(high side ground)等。

此外，第二MOS管M2的栅极连接传统预驱动芯片的低边输出端OUT—LS，其漏极连接传统预驱动芯片的VPX端，而其源极连接传统预驱动芯片的GND端(接地端)。

第一MOS管M1和第二MOS管M2例如可以均采用NMOS晶体管，即N-型MOS(金属氧化物半导体)管。

预驱动模块1被配置用于通过选择驱动第一MOS管M1或第二MOS管M2，以控制传递到与预驱动模块1的VPX端相耦合的电感负载(图2所示负载处)的功率。也就是说，预驱动模块1以二择一的方式在第一MOS管M1与第二MOS管M2之间选择驱动，由此控制传递到电感负载中的功率。

其中，电感负载例如可以是电源转换器电感或电机相绕组等。

预驱动模块1的VBOOT端与自举电容CBOOT相电容式耦合。如图2所示，自举电容CBOOT连接于传统预驱动芯片的VBOOT端与VPX端(负载)之间。这样，在第二MOS管M2导通时，在第一个周期能够使得传统预驱动芯片的VPX端向地放电，并使传统预驱动芯片的VBOOT端的电压随着VPX端的电压降至零的过程而降低；VBOOT端用于通过预驱动模块的自举二极管D而获得钳位，如图2所示，图中VBOOT端的电压近似等于11.3V，正向偏置二极管电压为0.7V，自举电容模块CBOOT两端的电压近似11.3V，并充电继续升高，因此，耦合于VBOOT端与VPX端之间的高边电路具有11.3V的裕量以供操作。

VBOOT端为高边电路的电源，或称浮动源(Floating power)，高边电源(high sidepower supply)等。

需要说明的是，这里11.3V和0.7V仅作为示例，在其他示例中，硅基材料二极管的正向压降根据不同后续工艺步骤可以在0.6V～0.8V之间取值，因此，该示例中的0.7V也可以是0.6V～0.8V之间的其他数值，相应地，VBOOT端的电压(以及自举电容模块两端的电压)例如可以是11.2V～11.4V之间的其他数值。

根据本发明的实施例，当预驱动模块的高边接通时，第二MOS管M2断开，第一MOS管M1导通，VPX端的电压被第一MOS管M1升高并达到预驱动模块1的PVDD端的电压，且VBOOT端的电压被推升至接近第一值，第一值例如可以等于PVDD端电压与11.3V之和；此外，自举二极管D反向偏置使得不再对自举电容充电；预驱动模块1的电荷泵(charge pump)用于产生VCP电压，VCP电压比PVDD端的电压高12V；VCP电压电平将在第一MOS管M1接通后立即通过内部开关耦合至VBOOT端，以避免自举电容CBOOT在高边的第一MOS管M1接通期间放电。

应当说明的是，VCP电压比PVDD端的电压高12V例如可以是近似约12V，比如12V的预定范围内，如11.9V～12.1V之间，或11.8V～12.2V之间，等等。

VCP是电荷泵(charge pump)电路的输出。

作为示例，上述电路装置的预驱动模块1中还设有比较器CMP，比较器CMP被配置用于当第一MOS管M1导通时对PVDD端的电压减去参考电压后所得的结果PVDD-Vref与VPX端的电压进行比较，若PVDD端的电压减去参考电压后所得的结果PVDD-Vref大于VPX端的电压，则触发故障，且使第一MOS管M1能够快速关断，以对第一MOS管M1实现过流保护。

例如，可以根据下式计算过流保护的阈值I_trip：

在上式中，PVDD表示PVDD端的电压，VPX表示VPX端的电压，Vref表示参考电压，M1表示第一MOS管，而Ron_M1表示第一MOS管M1的导通电阻。

根据本发明的实施例，可以以电源PVDD＝15V为例，该电路的目的是根据数字输入将VPX驱动为PVDD电压或GND电压；当第一MOS管M1导通时，VPX电压等于PVDD电压；当第二MOS管导通时，VPX电压等于0V，而不存在第一MOS管M1和第二MOS管M2同时导通的情况。各端电压参见图3所示。

图4示出了本发明的基于预驱动模块实现充电路径控制的电路装置的另一种示例结构。

如图4所示，在该示例中，基于预驱动模块实现充电路径控制的电路装置除了包括图2所示的预驱动模块1、第一MOS管M1、第二MOS管M2以及自举电容CBOOT之外，还包括第三MOS管M3、第四MOS管M4、齐纳二极管DZ1和第一电阻R1。

在图4所示示例中，第三MOS管M3被配置用于将预驱动模块1的VPX端耦接至电池端。

与图2所示结构不同之处包括，图4所示示例中，第一MOS管M1的漏极与传统预驱动芯片的PVDD端连接后并连接适配器，第一MOS管M1的源极连接传统预驱动芯片的VPX端后连接第三MOS管M3的源极，第三MOS管M3的漏极连接电池；此外，齐纳二极管DZ1耦合于VPX端与第三MOS管M3的栅极G3之间，如图4所示，齐纳二极管DZ1的正极连接VPX端、负极连接G3。此外，第三MOS管M3的栅极G3经第一电阻R1连接至第四MOS管M4的漏极。第四MOS管的栅极连接至传统预驱动芯片的GPIO端(通用输入输出端)，其源极连接至GND端。

第三MOS管和第四MOS管例如可以采用NMOS晶体管。

在初始状态下，从适配器端至电池端的功率路径被切断，使得第一MOS管M1和第二MOS管M2被预驱动模块1断开；GPIO端令第四MOS管M4导通，并驱动第三MOS管M3至地以使得第三MOS管M3被断开；齐纳二极管DZ1被配置用于使得第三MOS管M3的栅极至源极电压低于15V，以保护其栅极氧化物；第一电阻R1被配置用于限制齐纳二极管DZ1的电流以对其保护，R1例如可以等于100千欧；第一MOS管M1的体二极管DP1(图中用虚线示出)指向适配器端，第三MOS管M3的体二极管DP3(图中用虚线示出)指向电池端，以在不充电期间实现双向隔断，而与电压电平无关。

需要说明的是，上述15V电压是齐纳二极管DZ1的稳压值，第三MOS管M3的栅源电压(VGS)通常最大不得超过20V，此二极管的目的是为让VGS不超过15V，由齐纳二极管本身的特性决定。

在该示例中，在第一MOS管M1导通、而第三MOS管M3关断期间，第四MOS管M4仍处于导通状态，因此存在从VPX端到齐纳二极管DZ1、再到第一电阻R1和第四MOS管M4的电流路径，而第一电阻R1的设置能够限制在此期间流经齐纳二极管DZ1的电流。

作为示例，当第一MOS管导通、且第三MOS管断开时，第一电阻用于限制从VPX端流经齐纳二极管的电流大小。

在一个例子中，电路装置例如可以按照如下方式进行充电：第二MOS管M2导通以对自举电容CBOOT充电；第二MOS管M2断开，第一MOS管M1导通，电荷泵令第一MOS管M1始终保持导通状态；第四MOS管M4断开，第三MOS管M3的栅极充电至VCP电压，第三MOS管M3导通，充电电流从适配器端经由第一MOS管M1、第三MOS管M3流至电池端。

作为示例，电路装置还可以包括第二电阻R2，第二电阻R2例如可以为100千欧。如图4所示，第二电阻R2的一端连接VCP，另一端连接于第一电阻R1与第四MOS管M4的漏极之间。第二电阻R2能够限制瞬态电流以避免电荷泵过载。在该示例中，各端电压例如可以参见图5所示示例。应当理解的是，图5所示具体数值只用于举例而非限制。

这样，若电池端短接至地，则当第一MOS管M1和第三MOS管M3从适配器端向电池端传导电流时，由于Vbat/GND短路，第一MOS管M1中产生大电流，预驱动模块1的过流保护电路触发故障以将第一MOS管M1断开，以使适配器端与电池端断开连接，并使VPX端的电压下降。第一MOS管M1和第三MOS管M3的设置能够使得隔断适配器与电池间的路径。其中，Vbat表示电池电压。

此外，预驱动模块1的过流保护电路可以在第一MOS管导通时对PVDD端和VPX端之间的电压差进行持续检查，若该电压差满足以下公式，则立即断开第一MOS管：

结合图6可知，当第一MOS管M1的电流高于预设阈值时，若预驱动模块的过流保护电路的故障触发高电平，则预驱动模块的高边被断开，且VPX端与电源之间的连接被断开。

此外，在其他示例中，如图7所示，若预驱动模块1未封装有VCP网络，也可以将VBOOT端作为电源连接至第二电阻R2以导通第三MOS管M3。

此外，本发明的实施例还公开了一种电子设备，包括如上所述的电路装置。

应当注意，尽管在上文详细描述中提及了基于预驱动模块实现充电路径控制的电路装置的若干单元、模块或子模块，但是这种划分仅仅是示例性的并非强制性的。实际上，根据本发明的实施方式，上文描述的两个或更多模块的特征和功能可以在一个模块中具体化。反之，上文描述的一个模块的特征和功能可以进一步划分为由多个模块来具体化。

此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本发明方法的操作，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。

虽然已经参考若干具体实施方式描述了本发明的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合以进行受益，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。

Claims

1.基于预驱动模块实现充电路径控制的电路装置，其特征在于，所述电路装置包括预驱动模块、第一MOS管、第二MOS管以及自举电容；

所述第一MOS管耦合至所述预驱动模块的高端，所述第二MOS管耦合至所述预驱动模块的低端；

所述预驱动模块被配置用于通过选择驱动所述第一MOS管或所述第二MOS管，以控制传递到与所述预驱动模块的VPX端相耦合至的电感负载的功率；

所述预驱动模块的VBOOT端与所述自举电容相电容式耦合；

所述第二MOS管导通时在第一周期使得所述VPX端向地放电；所述VBOOT端的电压随着所述VPX端的电压降至零的过程而降低。

2.根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于，所述VBOOT端用于通过所述预驱动模块的自举二极管而获得钳位。

3.根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于，当所述预驱动模块的高端接通时，所述第二MOS管断开，所述第一MOS管导通，所述VPX端的电压被所述第一MOS管升高并达到所述预驱动模块的PVDD端的电压，且所述VBOOT端的电压被推升至接近第一值；

所述第一值等于所述PVDD端电压与11.3V之和；

所述自举二极管反向偏置且不再支持对所述自举电容充电。

4.根据权利要求3所述的电路装置，其特征在于，所述预驱动模块的电荷泵用于产生VCP电压，所述VCP电压比所述PVDD端的电压高12V；所述VCP电压电平将在所述第一MOS管接通后立即通过内部开关耦合至所述VBOOT端，以避免所述自举电容在高端的第一MOS管接通期间放电。

5.根据权利要求4所述的电路装置，其特征在于还包括：

比较器，被配置用于当所述第一MOS管导通时对所述PVDD端的电压减去参考电压后所得的结果与所述VPX端的电压进行比较，若所述PVDD端的电压减去参考电压后所得的结果大于所述VPX端的电压，则触发故障，且使所述第一MOS管能够快速关断，以对所述第一MOS管实现过流保护。

6.根据权利要求5所述的电路装置，其特征在于，根据下式计算所述过流保护的阈值I_trip：

在上式中，PVDD表示所述PVDD端的电压，VPX表示所述VPX端的电压，Vref表示所述参考电压，M1表示所述第一MOS管，而Ron_M1表示所述第一MOS管的导通电阻。

7.根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于，所述电路装置还包括第三MOS管、第四MOS管、齐纳二极管和第一电阻，所述第三MOS管被配置用于将所述预驱动模块的VPX端耦接至电池端；

在初始状态下，从适配器端至电池端的功率路径被切断，使得所述第一MOS管和所述第二MOS管被所述预驱动模块断开；通用输入输出导通所述第四MOS管，并驱动所述第三MOS管至地以使得所述第三MOS管被断开；所述齐纳二极管被配置用于使得所述第三MOS管的栅极至源极电压低于15V，以保护其栅极氧化物；所述第一电阻被配置用于限制所述齐纳二极管的电流以对其保护；所述第一MOS管的体二极管指向所述适配器端，所述第三MOS管的体二极管指向所述电池端，以在不充电期间实现双向隔断。

8.根据权利要求7所述的电路装置，其特征在于，所述电路装置被配置用于按照如下方式进行充电：

所述第二MOS管导通以对所述自举电容充电；

所述第二MOS管断开，所述第一MOS管导通，所述电荷泵令所述第一MOS管始终保持导通状态；

所述第四MOS管断开，所述第三MOS管的栅极充电至VCP电压，所述第三MOS管导通，充电电流从所述适配器端经由所述第一MOS管、所述第三MOS管流至所述电池端。

9.根据权利要求7所述的电路装置，其特征在于，若所述电池端短接至地，则当所述第一MOS管和所述第三MOS管从所述适配器端向所述电池端传导电流时，所述预驱动模块的过流保护电路触发故障以将所述第一MOS管断开，以使所述适配器端与所述电池端断开连接，并使所述VPX端的电压下降。

10.一种电子设备，包括如权利要求1-9中任一项所述的电路装置。