CN114301148A

CN114301148A - 一种用于无线充电系统的低增益启动电路

Info

Publication number: CN114301148A
Application number: CN202210002847.8A
Authority: CN
Inventors: 曹灿华; 耿翔
Original assignee: Shanghai Southchip Semiconductor Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Southchip Semiconductor Technology Co Ltd
Priority date: 2022-01-04
Filing date: 2022-01-04
Publication date: 2022-04-08

Abstract

本发明属于无线充电技术领域，具体的说是涉及一种用于无线充电系统的低增益启动电路。本发明设置了控制电路，所述控制电路的输入端连接接收端的输出端，控制电路的输出端连接第三开关管的使能端；所述控制电路用于在Vrect_RX小于3.5V时，输出与Vrect_RX相同的电压驱动第三开关管导通，使整流桥工作在半桥模式，从而提高Vrect_RX的电压，使接收端能正常启动。本发明能实现无线充电系统的低增益启动，同时不额外增加系统的成本和芯片的面积，这样在保证正常启动的情况下，既能减小外围器件数量，又可以相对减小芯片的面积。

Description

一种用于无线充电系统的低增益启动电路

技术领域

本发明属于无线充电技术领域，具体的说是涉及一种用于无线充电系统的低增益启动电路。

背景技术

目前市面上大部分的手机无线充电都采用如图1所示方案进行充电。即无线充电底座Transimitter(Tx)通过耦合线圈给手机Receiver(Rx)进行充电。通常高增益方案里因为耦合电感Ls的ESR太大，在大功率充电时，电感Ls消耗的能量会增大很多，导致效率会明显下降，而且手机发热很严重。于是有了低增益方案的出现。注：增益定义为Vrect_Rx/VIN_Tx，在该系统中增益与耦合电感Ls/Lp的匝比成正相关关系。因为低增益方案中采用的电感Ls只有原来的1/3左右，所以其消耗的能量会比高增益方案减小很多，而且采用的Ls较小，其尺寸也较小，这就为手机做薄提供了很便利的条件。同时，由于采用低增益方案，便有了Rx启动的问题，即当Tx的输入电压只有3.6V～7V时，由于采用低增益方案，Vrect_Rx的电压不足3.5V，于是Rx系统就无法正常启动。

如图2所示，为采用辅助线圈进行启动，通过辅助线圈将Vrect_Rx的电压抬高到VIN_Tx附近，这样当Tx的输入电压VIN_Tx在3.6V～7V时，Vrect_Rx的电压就可以达到3.5V以上，这样Rx系统就能够正常启动，在启动完成后，系统再关闭辅助相关的功能，因为启动完成后，可以根据需求配置系统是否工作在半桥模式或全桥模式，通过桥来实现Vrect_Rx达到启动3.5V及其以上。由于采用了辅助线圈Laux、辅助电容Caux、辅助整流二极管D1D2D3以及NMOS管MN1，增大系统的成本和尺寸。

如图3所示，为采用电荷泵Charge Pump的方案进行升压。当Vrect_Rx的电压较低时，Charge Pump工作，通过Charge Pump电路实现电压的倍增，然后将倍增后的电压送给系统Rx的Other Blocks和Controller，这样系统就能够正常的启动，当启动完成后，系统会关闭Charge Pump相关的电路。因为启动完成后，可以根据需求配置系统是否工作在半桥模式或全桥模式，通过桥来实现Vrect_Rx达到启动3.5V及其以上。由于采用Charge Pump电路，而且该Charge Pump需要给系统供电，所以其需要提供较大的带载能力，即能够提供较大的输出电流。如果要提供较大的带载能力，必然里面会有较大的电容，严重影响芯片的面积，增大芯片的成本及尺寸。

发明内容

本发明针对上述问题，提出了一种用于无线充电系统的低增益启动和保护电路。

本发明的技术方案是：

一种用于无线充电系统的低增益启动电路，所述无线充电系统包括发射端和接收端，发射端和接收端通过耦合电感连接；所述接收端还包括整流桥，定义整流桥的上管为第一开关管和第二开关管，整流桥的下管为第三开关管和第四开关管，其中第一开关管和第二开关管的连接点为整流桥的输出端，即接收端的输出端，定义输出端输出电压为Vrect_RX，第一开关管与第三开关管连接，第二开关管与第四开关管连接；其特征在于，还包括控制电路，所述控制电路的输入端连接接收端的输出端，控制电路的输出端连接第三开关管的使能端；所述控制电路用于在Vrect_RX小于3.5V时，输出与Vrect_RX相同的电压驱动第三开关管导通，使整流桥工作在半桥模式，从而提高Vrect_RX的电压，使接收端能正常启动。

进一步的，所述控制电路还用于在Vrect_RX大于5V时，输出一个5V电压，并进入用户配置模式，根据用户输入信号控制整流桥工作在半桥模式或全桥模式。

进一步的，所述控制电路还用于在Vrect_RX大于5V时，输出一个5V的电压，同时通过比较Vrect_RX采样电压信号与基准电压产生保护控制信号，根据保护控制信号判断是否将整流桥限制在半桥工作模式。

进一步的，所述控制电路由逻辑电路构成。

本发明的有益效果是：能实现无线充电系统的低增益启动，同时不额外增加系统的成本和芯片的面积，这样在保证正常启动的情况下，既能减小外围器件数量，又可以相对减小芯片的面积。

附图说明

图1为手机无线充电原理图。

图2为采用辅助线圈的低增益方案原理图。

图3为采用ChargePump的低增益方案原理图。

图4为本发明的采用半桥检测HFD控制逻辑的低增益方案原理图。

图5为本发明的半桥检测HFD控制逻辑图。

图6是本发明的半桥检测控制信号示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的描述。

本发明的原理如图4所示，主要是增加半桥检测HFD电路。当Tx端以小于7V电压进行启动时，Vrect_Rx会是一个小于3.5V的电压，Vrect_Rx通过HFD Control电路输出一个小于5V的电压(当Vrect_Rx小于5V时，HFD输出一个与Vrect_Rx一样大小的电压；当Vrect_Rx大于5V后，HFD输出一个5V电压)。然后将该电压送给桥的NMOS管M23，然后M23导通，于是Rx的桥工作在半桥模式，这样一来Vrect_Rx电压就得以提高，与Tx的输入电压VIN_Tx相等，这样一来Rx的整个系统就可以正常启动。启动完成后可以根据需求配置桥工作在半桥模式还是全桥模式，然后关闭HFD检测模式，其输出端浮空，这样就不会影响桥的正常工作。由于HFD模块基本只用了逻辑电路和尺寸相对较小MOS管MN1、MN2、MP1和MP2，所以不会增加太多的面积，这样在保证正常启动的情况下，既能减小外围器件数量，又可以相对减小芯片的面积。

本发明中控制电路由逻辑电路构成，如图5所示，是一种具体的实现方式，当然基于本发明的原理可以有更多的实现方式，具体控制方式为：

a.当Tx的输入电压VIN_Tx以3.5V进行工作时，由于低增益方案的原因，Rx的电压Vrect_Rx只有1.7V左右，于是如图5所示的节点VDD1p8_ok＝0，xUVLO_3p5＝0，ovp_hb＝0。因为VDD1p8_ok＝0，所以Net1＝0；因为xUVLO_3p5＝0，ovp_hb＝0，所以ovp_hb_flag＝0；因为ovp_hb_flag＝0以及Net1＝0，所以Xhb_inter_raw＝0；又因为Xhb_inter_raw＝0；所以Xhb_real＝0，于是又开关S1闭合；又因为Xhb_real＝0，所以NMOS管MN1的栅极Net2＝0，及MN1关闭。又因为Xhb_real＝0，所以Net3＝VDD，Net4＝0；所以LG的电压为Vrect_Rx，即HFDControl Logic电路输出电压大小等于Vrect_Rx＝1.7V，于是Rx桥的下管M23导通，于是桥工作在半桥模式，这样Vrect_Rx的电压得以提高。

b.同理可以分析当Tx的输入电压VIN_Tx以3.5V～7V电压进行工作时Rx的HFD即桥的工作状态。

c.当Tx的输入电压VIN_Tx大于7V电压进行工作时，Rx的电压能够正常启动，而且没有出发ovp_hb时，进而有ovp_hb＝0，Xhb_en_final＝0，进而Net1＝0；ovp_hb_flag被Latch在0；进而Xhb_inter_raw＝0；所以Xhb_real＝0，于是开关S1闭合；因为VDD1p8_ok＝1，所以Net2＝0，NMOS管NM1关断。又因为Xhb_real＝0，所以Net3＝VDD，Net4＝0；即PMOS管MP1和NMOS管MN2关断。又因为开关S1闭合，MN1关断，所以LG的电压为不超过5V的电压。(当Vrect_Rx小于5V时，HFD输出一个与Vrect_Rx一样大小的电压；当Vrect_Rx大于5V后，HFD输出一个5V电压)。如果想要HFD的半桥工作模式失效，则需要通过IIC写入值，将Xhb_en置1。此时，Xhb_en_final＝1，ovp_hb_flag＝0，进而Xhb_inter_raw＝1；由于AC1在高低高低的变化，所以Xhb_real被Latch在高电平1，所以开关S1关断；因为VDD1p8_ok＝1，所以Net2＝0，即MN1关断。由于Xhb_real＝1，所以Net3和Net4根据LSON2进行变化，即此时桥会进入用户配置的模式，而不会被HFD强制在半桥模式。

d.当Tx的输入电压VIN_Tx大于7V电压进行工作时，Rx的电压能够正常启动，而且没有出发ovp_hb时，进而有ovp_hb＝0，Xhb_en_final＝0，进而Net1＝0；ovp_hb_flag被Latch在0；进而Xhb_inter_raw＝0；所以Xhb_real＝0，于是开关S1闭合；因为VDD1p8_ok＝1，所以Net2＝0，NMOS管NM1关断。又因为Xhb_real＝0，所以Net3＝VDD，Net4＝0；即PMOS管MP1和NMOS管MN2关断。又因为开关S1闭合，MN1关断，所以LG的电压为不超过5V的电压。(当Vrect_Rx小于5V时，HFD输出一个与Vrect_Rx一样大小的电压；当Vrect_Rx大于5V后，HFD输出一个5V电压)。此时桥被HFD约束住工作在半桥模式。当发生ovp此时，ovp_hb＝1，由于Xhb_en_final＝0，所以ovp_hb_flag＝1，进而Xhb_inter_raw＝1；由于AC1在高低高低的变化，所以Xhb_real被Latch在高电平1，所以开关S1关断；因为VDD1p8_ok＝1，所以Net2＝0，即MN1关断。由于Xhb_real＝1，所以Net3和Net4根据LSON2进行变化，即此时桥会进入全桥模式，进而降低Vrect_Rx，达到保护的目的。

上述说明是结合图5的具体实现逻辑电路，实际上图5中的控制信号来源是基于控制芯片，如图6所示，图5中LSON1_raw、HSON1_raw、LSON2_raw、HSON2_raw是由图6中BridgeMain Logic Contrl(桥主逻辑控制电路)所产生。当VRECT_RX小于3.5V时，四个输出信号都为零。当VRECT_Rx大于3.5V后，会根据SW1_RX和SW2_RX所产生数字信号。AC1信号是由AC1_Comp电路根据SW1_RX的大小产生数字信号。xUVLO_3p5是VRECT_Rx经过分压和基准电压VREF1进行比较产生的数字信号。Ovp_hb是VRECT_Rx经过分压和基准电压VREF2进行比较产生的数字信号。VDD1p8_ok是LDO_5V的输出电压VDD与经过分压和基准电压VREF3进行比较产生的数字信号。VDD3p5_ok是LDO_5V的输出电压VDD与经过分压和基准电压VREF4进行比较产生的数字信号。EN_DRV1和EN_DRV2是由VDD3p5_ok经过数字Buffer所产生。Xhb_en是一个数字信号。在VRECT_Rx小于3.5V时，xhb_en＝0；当VRECT_Rx大于3.5V后，用户可以通过IIC写电路中寄存器，将xhb_en可以配置成0或1，默认状态为零。

Claims

1.一种用于无线充电系统的低增益启动电路，所述无线充电系统包括发射端和接收端，发射端和接收端通过耦合电感连接；所述接收端还包括整流桥，定义整流桥的上管为第一开关管和第二开关管，整流桥的下管为第三开关管和第四开关管，其中第一开关管和第二开关管的连接点为整流桥的输出端，即接收端的输出端，定义输出端输出电压为Vrect_RX，第一开关管与第三开关管连接，第二开关管与第四开关管连接；其特征在于，还包括控制电路，所述控制电路的输入端连接接收端的输出端，控制电路的输出端连接第三开关管的使能端；所述控制电路用于在Vrect_RX小于5V时，输出与Vrect_RX相同的电压驱动第三开关管导通，使整流桥工作在半桥模式，从而提高Vrect_RX的电压，使接收端能正常启动。

2.根据权利要求1所述的一种用于无线充电系统的低增益启动电路，其特征在于，所述控制电路还用于在Vrect_RX大于5V时，输出一个5V电压，并进入用户配置模式，根据用户输入信号控制整流桥工作在半桥模式或全桥模式。

3.根据权利要求1所述的一种用于无线充电系统的低增益启动电路，其特征在于，所述控制电路还用于在Vrect_RX大于5V时，输出一个5V的电压，同时通过比较Vrect_RX采样电压信号与基准电压产生保护控制信号，根据保护控制信号判断是否将整流桥限制在半桥工作模式。

4.根据权利要求1～3任意一项所述的一种用于无线充电系统的低增益启动电路，其特征在于，所述控制电路由逻辑电路构成。