CN114094660A - 具有高压关断功能的线性充电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有高压关断功能的线性充电系统，包括电流镜模块、栅极钳位电路、衬底切换电路、第一误差放大器，其中：栅极钳位电路对电流镜模块的栅极电位控制；衬底切换电路输出电池电压和接入电流镜模块源极的电压两者的最高电位；电流镜模块的衬底接入最高电位；第一误差放大器根据电池电压控制涓流、恒流、恒压模式的转换。本发明实现一种能在高压下能完整关断电源管理芯片的线性充电部分，并同时具有精确的充电模式控制，以及保护功能。本发明能在高压下对模块进行整体关断，在功耗上有极大的提升。本发明在VIN接地或过低时，不会产生电流倒灌等现象，保护电池。

Description

具有高压关断功能的线性充电系统
技术领域
本发明涉及电源管理芯片领域，具体地，涉及一种具有高压关断功能的线性充电系统。
背景技术
通常的，电源管理芯片的线性充电系统需要对锂电池的充电进行精确控制，在电池电量较低时，先采用涓流充电，即以低电流进行恒流充电，典型的为50mA；随后进行恒流充电，典型为500mA，在电池即将达到充饱电压时，采用恒压充电，可近似的认为电流下降至十分之一的恒流电流时判定为充电完成。
随着电源管理芯片的应用场景不断拓展，对芯片高耐压的要求逐渐提升。另一方面，高续航能力的要求又进一步对芯片的功耗进行了限制，这就意味着，在待机模式下，需要尽可能多的关掉芯片内的工作模块，同时又要保证能其正常启动。
现有的一个线性稳压系统如图1所示，申请人为威盛电子股份有限公司。M1,M2栅极不能被拉到最高电位，所以该结构不具有关断整体模块的功能，在待机模式下会产生额外功耗。以及在M1,M2作为电流镜，没有对漏极电位的钳位模块，会由于沟道长度调制效应导致M1,M2镜像不准确，即电池涓流恒流充电模式不精确。
上海南麟电子股份有限公司申请了图2的线性充电结构，该结构同样不能对M1,M2进行关断，并且不具有防止倒灌电流的功能。
无锡中星微电子有限公司提供的结构如图3结构，该结构可以交替选择恒定充电电流和稳定充电电压，并且可以在各种异常触发时，如过温保护OTP，过压保护OVP对 M0.M1进行关断。但仍存在三个问题，第一是整个系统只能在低压下工作，关断模块也仅限于低压情景。第二是采用了时钟，除了增大芯片面积，对系统的频率和稳定性有更高的要求。第三是该系统不具有防止电流倒灌的功能，如Vin被接地，或者接入电压过低，电池会通过M1倒灌电流导致电池损坏。除此之外，还可以采用NMOS作为功率管，采用直接下拉的方式关断线性充电部分，但也会带来一个问题，即在正常工作时，需要更高的电位来驱动功率NMOS，这可能会需要电荷泵等额外结构和器件。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种具有高压关断功能的线性充电系统。
根据本发明提供的一种具有高压关断功能的线性充电系统，包括电流镜模块、栅极钳位电路、衬底切换电路、第一误差放大器，其中：
栅极钳位电路对电流镜模块的栅极电位控制；
衬底切换电路输出电池电压和接入电流镜模块源极的电压两者的最高电位；
电流镜模块的衬底接入最高电位；
第一误差放大器根据电池电压控制涓流、恒流、恒压模式的转换。
优选地，所述电流镜模块包括HVPMOS1和HVPMOS2，HVPMOS1栅极和HVPMOS2栅极连接；HVPMOS1源极和HVPMOS2源极连接。
优选地，所述第一误差放大器的输出端连接HVPMOS1栅极，第一误差放大器的同相输入端通过数据选择器连接，第一误差放大器的反相输入端根据电池电压的电压值选择对应的参考电压。
优选地，还包括第二误差放大器和NMOS1，其中：NMOS1源极连接外接精密电阻Rx一端和数据选择器的第一输入端，NMOS1漏极连接HVPMOS1漏极和第二误差放大器的正相输入端；HVPMOS1栅极连接第二误差放大器的输出端，第二误差放大器的反相输入端连接电池电压，外接精密电阻Rx的另一端接地。
优选地，还包括分压电阻Rm1、Rm2、R5、R6，其中：
HVPMOS2漏极连接电阻Rm1的一端、电池电压以及电阻R5的一端，电阻Rm1的另一端连接数据选择器的第二输入端和电阻Rm2的一端，电阻Rm2的另一端接地；
电阻R5的另一端连接第一迟滞比较器的正相输入端和电阻R6的一端，电阻R6的另一端接地；
第一迟滞比较器的反相输入端连接第一设定电压；第一迟滞比较器的输出端输出判断电池电压大小的CTL信号，CTL信号接入数据选择器。
优选地，还包括第二迟滞比较器，所述第二迟滞比较器的正相输入端连接电阻Rx的一端，第二迟滞比较器的反相输入端连接第二设定电压；第二迟滞比较器的输出端与CTL信号作为与门的两个输入端，与门的输出端输出LDO_PD_N信号。
优选地，所述栅极钳位电路包括二极管D1、二极管D2、电阻R3、电阻R4、HVPMOS3、HVNMOS2，其中：
VCC连接二极管D1的正极、HVPMOS3的源级；
二极管D1的负极连接二极管D2的正极；
二极管D2的负极连接电阻R3的一端、HVPMOS3的栅级；
HVPMOS3的漏极连接电流镜模块的栅极；
电阻R3的另一端连接HVNMOS2的漏极；
HVNMOS2的源极接地；HVNMOS2的栅极连接LDO_PD_N信号和电阻R4的一端；
电阻R4的另一端连接电池电压。
优选地，所述HVPMOS1的栅极和漏极之间串联有电阻R1和电容C1。
优选地，NMOS1的栅极和漏极之间串联有电阻R2和电容C2。
优选地，当电池电压≤设定阈值电压时，进行涓流充电，第一误差放大器的反相输入端接0.1V的参考电压；
当设定阈值电压<电池电压<恒压电压时，进行恒流充电，第一误差放大器的反相输入端接1V参考电压；
当恒压电压＝电池电压，第一误差放大器的反相输入端的负极接1V参考电压。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明实现一种能在高压下能完整关断电源管理芯片的线性充电部分，并同时具有精确的充电模式控制，以及保护功能。
2、本发明能在高压下对模块进行整体关断，在功耗上有极大的提升。
3、本发明在VIN接地或过低时，不会产生电流倒灌等现象，保护电池。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1-3为现有的线性稳压系统示意图。
图4为本发明提供的具有高压关断功能的线性充电系统的系统示意图。
图5为具有高压关断功能的线性充电系统的栅极钳位电路示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供了一种具有高压关断功能的线性充电系统，如图4和图5所示，图4 为线性充电模块的整体架构，分为衬底切换模块，HVPMOS1,HVPMOS2以及控制电路形成的线性充电控制模块，图5为电流镜栅极的控制模块，负责对整体模块进行关断和打开。
如图4所示，当VIN为正常输入时，连接到HVPMOS1,HVPMOS2的源极，VBAT连接到功率PMOS的漏极，HVPMOS2为最大功率管。
VIN与VBAT输入衬底切换电路进行比较，输出最高电位VCC＝max{VIN,VBAT}，将HVPMOS1,HVPMOS2的衬底接到最高电位VCC。同时也把VCC引入线性充电模块，以保证能在需要关断功率PMOS时能将其栅极电位拉到最高电平VCC。
HVPMOS1，HVPMOS2为电流镜。VIN接入HVPMOS1,HVPMOS2,功率PMOS的源极。而GateClamp模块负责对电流镜栅极电位的控制，从而实现对整体模块的关断与开启。R1,R2,C1，C2分别为调零电阻与补偿电容，用于调节系统稳定性，此处仅为优选例，保证稳定性的方法不限于此。HVEA1是控制涓流(TC:Trickle Current Charging)恒流(CC：Constant CurrentCharging)恒压(CV：Constant Voltage Charging)模式转换的误差放大器。而模式的转换是根据电池电压范围决定的，可以采用电阻分压与迟滞比较器得出电池电压范围，如CTL信号即通过R5,R6对VBAT进行电阻分压再通过比较器得出，对电池的充电模式进行判定，当VBAT<4.2V，为电流充电控制，CTL为低，当VBAT>＝4,2V，判定为电压控制，CTL为高。此处的3V，4.2V仅是一个典型的参数，涓流充电到恒流充电的阈值电压3V可以通过调整分压电阻R5,R6的比例进行调整，而4.2V恒压电压则取决于电池本身的充饱电压。
典型的，VBAT≤3V，进行涓流充电，HVEA1的负极接0.1v的参考电压，将正极钳位为0.1V,同时CTL信号判定此时进行电流控制，在MUX中选择左侧通路，即把0.1V电位加载于外接的精确电阻Rx之上,再通过HVPMOS1与HVPMOS2形成的电流镜，于是 ITC＝0.1v/Rx*[(W/L)HVPMOS2/(W/L)HVPMOS1]，该量不受PVT变化影响。HVEA2与NMOS1的作用即是保证HVPMOS1与HVPMOS2的电流镜能精确镜像，即使是工作在线性区，由于它们的源极和栅极短接，HVPMOS1的漏极被HVEA2与NMOS1形成的负反馈钳位置VBAT，所以同样能保证镜像的精确。
当3V<VBAT<4.2V，进行恒流充电，HVEA1的负极接1V参考电压，同理ICC＝[(W/L)PowerPMOS/(W/L)HVPMOS1]*1v/Rx。当4.2＝VBAT，HVEA1的负极接1v参考电压，CTL信号判断此时进行电压控制，打开MUX右侧通路，通过Rm1，Rm2的反馈来进行电压控制，使VBAT＝1v*[Rm1/Rm2]＝4.2v。
最高电位Vcc由Substrate Switch提供。
除此之外，还需要对电池的充满进行判定。通用的判定标准是恒压模式下的充电电流降低置恒流电流的1/10，即判定为充饱，关闭线性充电模块。这里的做法是，在恒压模式下，HVPMOS1将HVPMOS2的电流镜像加载置Rx上，可以得到精确电压，V0＝Rx*ICV, 又Rx＝[(W/L)HVPMOS2/(W/L)HVPMOS1]/ICC，当ICV＝ICC/10，V0＝0.1v。即比较0.1v与Rx上电压大小即可。由于噪声的干扰，在涓流充电模式下可能产生误判，所以加入CTL信号与迟滞比较器的输出相与得到关断信号LDO_PD_N。
如图5所述为Gate Clamp模块的详细结构图，VCC连接二极管D1的p端，HVPMOS3 的源端。当LDO_PD_N信号为高时，HVNMOS2导通，电流从VCC,经过D1,D2限流电阻R3 留到地，由于限流电阻R3的存在，该路并不会产生大功耗，但足以使HVPMOS3的栅极电位＝VCC-2*Von，Von为二极管D1,D2的开启电压，从而使HVPMOS3导通，将 HVPMOS1,HVPMOS2的栅极电位VG拉到最高电位VCC。VCC＝max{Vin,VBAT},这里采用两个二极管的原因是，两倍二极管开启电压约为1.4v，才足以打开HVPMOS3，否则可能会导致不能完全打开HVPMOS3或者开关速度过慢。此处采用的两个二极管为优选例，实际采用二极管的数量取决于不同工艺下二极管的开启电压和PMOS的开启电压。当 LDO_PD_N信号为低时，HVNMOS2不导通，没有电流经过，于是HVPMOS3的栅极电位等于 VCC，不导通，不会对电流镜的栅极电位产生影响。当LDO_PD_N时悬空态，需要通过上拉电阻R4将HVNMOS2的栅极拉到高电位，保证HVPMOS3的导通，这样可以保证在芯片处于待机或不稳定态时，线性充电模块处于关断状态，不会产生功耗。同时R4也有限流的作用，保证在LDO_PD_N处于低电位时不会产生大功耗。
此外，不只关断信号LDO_PD_N可以通过Gate Clamp模块关断线性充电模块，当过温信号，过压信号或其他异常发生时，均可通过HVNMOS2的栅极电位进行整体关断。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种具有高压关断功能的线性充电系统，其特征在于，包括电流镜模块、栅极钳位电路、衬底切换电路、第一误差放大器，其中：
栅极钳位电路对电流镜模块的栅极电位控制；
衬底切换电路输出电池电压和接入电流镜模块源极的电压两者的最高电位；
电流镜模块的衬底接入最高电位；
第一误差放大器根据电池电压控制涓流、恒流、恒压模式的转换。
2.根据权利要求1所述的具有高压关断功能的线性充电系统，其特征在于，所述电流镜模块包括HVPMOS1和HVPMOS2，HVPMOS1栅极和HVPMOS2栅极连接；HVPMOS1源极和HVPMOS2源极连接。
3.根据权利要求2所述的具有高压关断功能的线性充电系统，其特征在于，所述第一误差放大器的输出端连接HVPMOS1栅极，第一误差放大器的同相输入端通过数据选择器连接，第一误差放大器的反相输入端根据电池电压的电压值选择对应的参考电压。
4.根据权利要求3所述的具有高压关断功能的线性充电系统，其特征在于，还包括第二误差放大器和NMOS1，其中：NMOS1源极连接外接精密电阻Rx一端和数据选择器的第一输入端，NMOS1漏极连接HVPMOS1漏极和第二误差放大器的正相输入端；HVPMOS1栅极连接第二误差放大器的输出端，第二误差放大器的反相输入端连接电池电压，外接精密电阻Rx的另一端接地。
5.根据权利要求3所述的具有高压关断功能的线性充电系统，其特征在于，还包括分压电阻Rm1、Rm2、R5、R6，其中：
HVPMOS2漏极连接电阻Rm1的一端、电池电压以及电阻R5的一端，电阻Rm1的另一端连接数据选择器的第二输入端和电阻Rm2的一端，电阻Rm2的另一端接地；
电阻R5的另一端连接第一迟滞比较器的正相输入端和电阻R6的一端，电阻R6的另一端接地；
第一迟滞比较器的反相输入端连接第一设定电压；第一迟滞比较器的输出端输出判断电池电压大小的CTL信号，CTL信号接入数据选择器。
6.根据权利要求4所述的具有高压关断功能的线性充电系统，其特征在于，还包括第二迟滞比较器，所述第二迟滞比较器的正相输入端连接电阻Rx的一端，第二迟滞比较器的反相输入端连接第二设定电压；第二迟滞比较器的输出端与CTL信号作为与门的两个输入端，与门的输出端输出LDO_PD_N信号。
7.根据权利要求1所述的具有高压关断功能的线性充电系统，其特征在于，所述栅极钳位电路包括二极管D1、二极管D2、电阻R3、电阻R4、HVPMOS3、HVNMOS2，其中：
VCC连接二极管D1的正极、HVPMOS3的源级；
二极管D1的负极连接二极管D2的正极；
二极管D2的负极连接电阻R3的一端、HVPMOS3的栅级；
HVPMOS3的漏极连接电流镜模块的栅极；
电阻R3的另一端连接HVNMOS2的漏极；
HVNMOS2的源极接地；HVNMOS2的栅极连接LDO_PD_N信号和电阻R4的一端；
电阻R4的另一端连接电池电压。
8.根据权利要求2所述的具有高压关断功能的线性充电系统，其特征在于，所述HVPMOS1的栅极和漏极之间串联有电阻R1和电容C1。
9.根据权利要求4所述的具有高压关断功能的线性充电系统，其特征在于，NMOS1的栅极和漏极之间串联有电阻R2和电容C2。
10.根据权利要求3所述的具有高压关断功能的线性充电系统，其特征在于：
当电池电压≤设定阈值电压时，进行涓流充电，第一误差放大器的反相输入端接0.1V的参考电压；
当设定阈值电压<电池电压<恒压电压时，进行恒流充电，第一误差放大器的反相输入端接1V参考电压；
当恒压电压＝电池电压，第一误差放大器的反相输入端的负极接1V参考电压。
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