CN115580000B - 一种恒流供电电路 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种恒流供电电路，具体涉及电池供电技术领域。在该恒流供电电路中，电源电压端通过第二电阻连接至第一节点；第一节点通过基准开关管连接至第二节点；第二节点通过第一电阻接地；第一运算放大器的同相输入端接入基准电压；第一运算放大器的反相输入端与第二节点连接；电源电压端还通过第三电阻连接至第三节点；第三节点通过功率开关管连接至负载；第二运算放大器的同相输入端连接至第一节点；第二运算放大器的反相输入端连接至第三节点。上述恒流供电电路的结构简单，输出电流具有较高精度，且其输出电流不随输出电压的变化而变化，从而提高了恒流供电电路的可靠性。

Description

一种恒流供电电路

技术领域

本发明涉及电池供电技术领域，具体涉及一种恒流供电电路。

背景技术

恒流充电（或恒流供电）是指将电池充电电流维持在恒定值的充电方法，该充电方法常用于现有技术中的电池充电电路中。

在对电池使用恒流充电方式时，可以根据蓄电池的容量以及充电电流值，直接计算充电量并确定充电完成的时间，但是现有技术中使用恒流充电的电池充电电路，其通常具有结构较为复杂的功率环路和控制环路，并且，现有技术中的电池充电电路的输出精度也较低。

发明内容

本申请实施例提供了一种恒流供电电路，提高了恒流供电电路的可靠性，所述恒流供电电路的结构如下所示。

一方面，提供了一种恒流供电电路，所述恒流供电电路中包括基准电源电路以及电流输出电路；所述基准电源电路包括第一运算放大器、基准开关管、第一电阻以及第二电阻；所述电流输出电路包括第二运算放大器、第三电阻和功率开关管；

电源电压端通过第二电阻连接至第一节点；所述第一节点通过所述基准开关管连接至第二节点；所述第二节点通过所述第一电阻接地；

所述基准开关管的控制端与所述第一运算放大器的输出端连接；所述第一运算放大器的同相输入端接入基准电压；所述第一运算放大器的反相输入端与第二节点连接；

所述电源电压端还通过第三电阻连接至第三节点；所述第三节点通过所述功率开关管连接至负载；

所述功率开关管的控制端与所述第二运算放大器的输出端连接；所述第二运算放大器的同相输入端连接至第一节点；所述第二运算放大器的反相输入端连接至第三节点。

在一种可能的实现方式中，所述基准开关管为NMOS管或NPN三极管。

在一种可能的实现方式中，所述功率开关管为PMOS管或PNP三极管。

在一种可能的实现方式中，所述恒流供电电路中包括集成电路控制芯片；所述第一运算放大器、基准开关管、第二电阻、第二运算放大器、第三电阻以及功率开关管位于所述集成电路控制芯片内部；

所述第一电阻与所述负载位于所述集成电路控制芯片外部。

在一种可能的实现方式中，所述集成电路控制芯片中还包括基准电源；所述基准电压为所述基准电源生成的电压。

在一种可能的实现方式中，所述恒流供电电路中还包括过流保护电路；所述过流保护电路中包括第三运算放大器、采样开关管、保护开关管、第四电阻、采样电阻以及第一比较器；

所述第三节点依次通过所述功率开关管以及保护开关管连接至负载；

所述电源电压端通过第四电阻连接至第四节点；所述第四节点通过采样开关管连接至第五节点；所述第五节点通过采样电阻接地；

所述采样开关管的控制端与第三运算放大器的输出端连接；所述第三运算放大器的同相输入端与第三节点连接；所述第三运算放大器的反相输入端与第四节点连接；

所述保护开关管的控制端与第一比较器的输出端连接；所述第一比较器的同相输入端接入所述第五节点；所述第一比较器的反相输入端接入采样基准电压。

在一种可能的实现方式中，所述保护开关管为PNP三极管或PMOS管。

在一种可能的实现方式中，所述采样开关管为PNP三极管或PMOS管。

在一种可能的实现方式中，所述第三运算放大器、采样开关管、保护开关管、第四电阻以及第一比较器位于集成电路控制芯片的内部；

所述采样电阻位于集成电路控制芯片的外部。

在一种可能的实现方式中，所述采样基准电压为集成电路控制芯片内部的基准电源生成的电压。

本申请提供的技术方案可以包括以下有益效果：

在本申请的恒流供电电路中包括基准电源电路以及电流输出电路；基准电源电路包括第一运算放大器、基准开关管、第一电阻以及第二电阻；电流输出电路包括第二运算放大器、第三电阻和功率开关管；电源电压端通过第二电阻连接至第一节点；第一节点通过基准开关管连接至第二节点；第二节点通过第一电阻接地；基准开关管的控制端与第一运算放大器的输出端连接；第一运算放大器的同相输入端接入基准电压；第一运算放大器的反相输入端与第二节点连接电源电压端还通过第三电阻连接至第三节点；第三节点通过功率开关管连接至负载（电池）；功率开关管的控制端与第二运算放大器的输出端连接；第二运算放大器的同相输入端连接至第一节点；第二运算放大器的反相输入端连接至第三节点。上述恒流供电电路的结构简单，且其输出电流不随输出电压的变化而变化，从而提高了恒流供电电路的可靠性；

并且，在本申请中的恒流供电电路中还包括过流保护电路，该过流保护电路中包括第三运算放大器、采样开关管、保护开关管、第四电阻、采样电阻以及第一比较器；通过该过流保护电路可以在输出电流较小时，使得电路正常工作；而当输出电流较大时使得保护开关管截止，将输出电流所在的通路截断，从而实现了对恒流供电电路和负载（电池）的过流保护功能。

并且在该恒流供电电路中的第一电阻r1和采样电阻rs可以是位于集成电路控制芯片外部的电阻，故可将该第一电阻r1和采样电阻rs选用高精度的电阻；其余电阻均位于集成电路控制芯片内部，而对于集成电路控制芯片来说，内部单个电阻阻值的精度一般是不高的，通常有±30%的误差，但是两个电阻的比例是可以做到很高的，因为导致两个电阻阻值出现误差的条件是一样的（例如，温度和工艺等），因此，两个电阻的阻值会出现同比例误差，从而确保两个电阻的比例保持不变；此外，基准电压vref和采样基准电压vm均由芯片内部的基准电源产生，其精度较高；

因此该恒流供电电路中的过流保护电路具有高可靠性，并且该恒流供电电路的输出电流具有较高精度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本申请一个示例性实施例示出的一种恒流供电电路的结构示意图。

图2是根据本申请一个示例性实施例示出的一种恒流供电电路的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

图1是根据本申请一个示例性实施例示出的一种恒流供电电路的结构示意图。

该恒流供电电路中包括基准电源电路以及电流输出电路；该基准电源电路包括第一运算放大器A1、基准开关管Ma、第一电阻r1以及第二电阻r2；该电流输出电路包括第二运算放大器A2、第三电阻r3和功率开关管Mp；

电源电压端通过第二电阻r2连接至第一节点；该第一节点通过该基准开关管Ma连接至第二节点；该第二节点通过该第一电阻r1接地；

该基准开关管Ma的控制端与该第一运算放大器A1的输出端连接；该第一运算放大器A1的同相输入端接入基准电压；该第一运算放大器A1的反相输入端与第二节点连接；

该电源电压端还通过第三电阻r3连接至第三节点；该第三节点通过该功率开关管Mp连接至负载；

该功率开关管Mp的控制端与该第二运算放大器A2的输出端连接；该第二运算放大器A2的同相输入端连接至第一节点；该第二运算放大器A2的反相输入端连接至第三节点。

可选的，在如图1所示的恒流供电电路中，该负载可以为电池（可充电电池）。

在一种可能的实现方式中，该恒流供电电路中包括集成电路控制芯片；该第一运算放大器A1、基准开关管Ma、第二电阻r2、第二运算放大器A2、第三电阻r3以及功率开关管Mp位于该集成电路控制芯片内部；

该第一电阻r1与该负载位于该集成电路控制芯片外部。

在一种可能的实现方式中，该集成电路控制芯片中还包括基准电源；该基准电压为该基准电源生成的电压。

在一种可能的实现方式中，该基准开关管Ma为NMOS管或NPN三极管；该功率开关管Mp为PMOS管或PNP三极管。在如图1所示的恒流供电电路中，以该基准开关管Ma为NMOS管，该功率开关管Mp为PMOS管举例，该恒流供电电路的工作原理如下：

电路刚上电时，第二节点处的电压vas为低电平，故此时，第一运算放大器A1输出高电平，基准开关管Ma导通，由第二电阻r2、基准开关管Ma和第一电阻r1组成的支路中产生电流ia，此时，在第一电阻r1和第二电阻r2两端均产生电压，同时，由于电路刚上电时，功率开关管Mp未导通，因此，第二运算放大器A2的反相输入端电压vps（也就是第三节点处的电压）为电源电压端的电压vdd，即此时，第二运算放大器A2的反相输入端电压vps大于其同相输入端电压vad（也就是第一节点处的电压），故第二运算放大器A2输出低电平，功率开关管Mp导通；功率开关管Mp中产生输出电流iout，为负载（电池）充电；

当电路达到稳态时，在第一运算放大器A1的作用下，电压vas等于基准电压vref，故此时，流过第一电阻r1的基准电流为：

此时，可以得到基准开关管Ma的漏极电压，即第二运算放大器A2的同相输入端的输入电压vad为：

在第二运算放大器A2的作用下，可以将功率开关管Mp的源极电压，即第二运算放大器A2的反相输入端的输入电压vps调节为与其同相输入端的输入电压vad相等，故此时，第三电阻r3上的电流，也即输出电流iout为：

其中

就是

，所以

是

的

倍；故此时，可认为输出电流由两部分决定，（1）由基准电压

和第一电阻

产生的基准电流

决定；（2）由

的比值决定，基准电流

经过这个比值放大之后得到输出电流

；

并且在如图1所示的恒流供电电路中，第一电阻r1和负载（电池）位于集成电路控制芯片外部，其余元器件可以均位于集成电路控制芯片内部；

此时，第一电阻r1是位于集成电路控制芯片外部的电阻，故可将该第一电阻r1选用高精度的电阻；基准电压

由芯片内部的基准电源产生，其精度较高；

是芯片内部电阻的比例，而对于集成电路控制芯片来说，内部单个电阻阻值的精度一般是不高的，通常有±30%的误差，但是两个电阻的比例是可以做到很高的，因为导致两个电阻阻值出现误差的条件是一样的（例如，温度和工艺等），因此，两个电阻的阻值会出现同比例误差，从而确保两个电阻的比例保持不变；

由上述分析可知，该恒流供电电路的输出精度可以做到非常高；

综上所述，在本申请的恒流供电电路中包括基准电源电路以及电流输出电路；基准电源电路包括第一运算放大器、基准开关管、第一电阻以及第二电阻；电流输出电路包括第二运算放大器、第三电阻和功率开关管；电源电压端通过第二电阻连接至第一节点；第一节点通过基准开关管连接至第二节点；第二节点通过第一电阻接地；基准开关管的控制端与第一运算放大器的输出端连接；第一运算放大器的同相输入端接入基准电压；第一运算放大器的反相输入端与第二节点连接，电源电压端还通过第三电阻连接至第三节点；第三节点通过功率开关管连接至负载（电池）；功率开关管的控制端与第二运算放大器的输出端连接；第二运算放大器的同相输入端连接至第一节点；第二运算放大器的反相输入端连接至第三节点。上述恒流供电电路的结构简单，输出电流具有较高精度，且其输出电流不随输出电压的变化而变化，从而提高了恒流供电电路的可靠性。

图2是根据本申请一个示例性实施例示出的一种恒流供电电路的结构示意图。图2是在图1所示出的电路的基础之上，设置过流保护电路后形成的恒流供电电路。

如图2所示，在如图1所示的电路的基础上，该恒流供电电路中还包括过流保护电路；该过流保护电路中包括第三运算放大器A3、采样开关管Ms、保护开关管Mc、第四电阻r4、采样电阻rs以及第一比较器COM1；

该第三节点依次通过该功率开关管Mp以及保护开关管Mc连接至负载；

该电源电压端通过第四电阻r4连接至第四节点；该第四节点通过采样开关管Ms连接至第五节点；该第五节点通过采样电阻rs接地；

该采样开关管Ms的控制端与第三运算放大器A3的输出端连接；该第三运算放大器A3的同相输入端与第三节点连接；该第三运算放大器A3的反相输入端与第四节点连接；

该保护开关管Mc的控制端与第一比较器COM1的输出端连接；该第一比较器COM1的同相输入端接入该第五节点；该第一比较器COM1的反相输入端接入采样基准电压vm。

可选的，该保护开关管Mc为PNP三极管或PMOS管。

可选的，该采样开关管Ms为PNP三极管或PMOS管。

如图2所示，当恒流供电电路中包括上述过流保护电路时，电路刚上电时，第二节点处的电压vas为低电平，故此时，第一运算放大器A1输出高电平，基准开关管Ma导通，由第二电阻r2、基准开关管Ma和第一电阻r1组成的支路中产生电流ia，此时，在第一电阻r1和第二电阻r2两端均产生电压，同时，由于电路刚上电时，功率开关管Mp未导通，因此，第二运算放大器A2的反相输入端电压vps（也就是第三节点处的电压）为电源电压端的电压vdd，即此时，第二运算放大器A2的反相输入端电压vps大于其同相输入端电压vad（也就是第一节点处的电压），故第二运算放大器A2输出低电平，功率开关管Mp导通；此时，由于采样开关管Ms和保护开关管Mc未导通，故采样电压vs为0，而由于采样基准电压vm设置值较大，因此，第一比较器COM1的反相输入端电压大于同相输入端电压，第一比较器COM1输出端电压vc为低电平，保护开关管Mc导通，此时，由于功率开关管Mp和保护开关管Mc都导通，因此，第三电阻r3上有电流流过，所以此时第三运算放大器A3的同相输入端电压vps（也就是第三节点处的电压）小于vdd，由于采样开关管Ms未导通，所以第三运算放大器A3的反相输入端电压vss（也就是第四节点处的电压）等于vdd，即此时vss>vps，因此，第三运算放大器A3的输出为低电平，采样开关管Ms导通，在采样开关管Ms中产生采样电流is，采样电阻rs两端产生采样电压vs（即第五节点处的电压），而由于采样基准电压vm设置值较大，因此，第一比较器COM1的反相输入端电压仍大于同相输入端电压，第一比较器COM1输出端电压vc仍为低电平，保护开关管Mc仍处于导通状态，功率开关管Mp中产生输出电流iout，为负载（电池）充电；

当电路达到稳态时，输出电流iout的大小参见图1对应的实施例，此处不再赘述。

而当第二运算放大器A2等出现故障时，会将功率开关管Mp的栅极拉到地，此时，功率开关管Mp处于完全导通的状态，导致输出电流

较大，从而可能会损坏负载（电池）；因此，为了防止出现输出过流的情况，在过流保护电路中的第三运算放大器A3的作用下，可以将采样开关管Ms的源极电压vss调节到和功率开关管Mp的源极电压vps相等，第三电阻r3上的电流为输出电流iout，第四电阻r4上的电流为采样电流is，又因为第三电阻r3和第四电阻r4上的压降一样，因此可得：

采样电流is流过采样电阻rs上产生的采样电压vs为：

由上述分析可知，此时可将采样电阻rs也设计为位于集成电路控制芯片外部，且将该采样电阻rs选用高精度的电阻；同时，采样电压vs中包含比例

，此时，由于将第三电阻r3和第四电阻r4设计为均位于集成电路控制芯片内部，因此，比例

的精度很高，且容易控制；因此，该恒流供电电路中的采样电压vs精度较高；

该采样电压vs输入第一比较器COM1的同相输入端，第一比较器COM1的反相输入端输入采样基准电压vm，当vs<vm时，第一比较器COM1的输出电压vc为低电平，当vs>vm时，第一比较器COM1的输出电压vc为高电平；

由之前的分析可知，在电路上电初期和稳态阶段，vs<vm，第一比较器COM1的输出电压vc为低电平，保护开关管Mc导通，电路处于正常工作状态；但是当电路处于过流状态时，输出电流

较大，采样电压

也较大，vs>vm，第一比较器COM1的输出电压vc为高电平，保护开关管Mc截止，输出电流iout所在的通路被截断，输出电流iout变为0，实现过流保护；

故此时，可得到过流和不过流的临界点为vs=vm，即：

综上，当

时，第一比较器COM1的输出电压

为低，电路正常工作；当

时，电路启动过流保护，第一比较器COM1的输出电压

为高，使保护开关管Mc截止，输出电流iout所在的通路被截断，从而起到保护恒流供电电路和负载（电池）的目的；

综上所述，在本申请的恒流供电电路中包括基准电源电路以及电流输出电路；基准电源电路包括第一运算放大器、基准开关管、第一电阻以及第二电阻；电流输出电路包括第二运算放大器、第三电阻和功率开关管；电源电压端通过第二电阻连接至第一节点；第一节点通过基准开关管连接至第二节点；第二节点通过第一电阻接地；基准开关管的控制端与第一运算放大器的输出端连接；第一运算放大器的同相输入端接入基准电压；第一运算放大器的反相输入端与第二节点连接电源电压端还通过第三电阻连接至第三节点；第三节点通过功率开关管连接至负载；功率开关管的控制端与第二运算放大器的输出端连接；第二运算放大器的同相输入端连接至第一节点；第二运算放大器的反相输入端连接至第三节点。上述恒流供电电路的结构简单，且其输出电流不随输出电压的变化而变化，从而提高了恒流供电电路的可靠性；

并且，在本申请中的恒流供电电路中还包括过流保护电路，该过流保护电路中包括第三运算放大器、采样开关管、保护开关管、第四电阻、采样电阻以及第一比较器；通过该过流保护电路可以在输出电流较小时，使得电路正常工作；而当输出电流较大时使得保护开关管截止，将输出电流所在的通路截断，从而实现了对恒流供电电路和负载（电池）的过流保护功能。

并且在该恒流供电电路中的第一电阻r1和采样电阻rs可以是位于集成电路控制芯片外部的电阻，故可将该第一电阻r1和采样电阻rs选用高精度的电阻；其余电阻均位于集成电路控制芯片内部，而对于集成电路控制芯片来说，内部单个电阻阻值的精度一般是不高的，通常有±30%的误差，但是两个电阻的比例是可以做到很高的，因为导致两个电阻阻值出现误差的条件是一样的（例如，温度和工艺等），因此，两个电阻的阻值会出现同比例误差，从而确保两个电阻的比例保持不变；此外，基准电压vref和采样基准电压vm均由芯片内部的基准电源产生，其精度较高；

因此该恒流供电电路中的过流保护电路具有高可靠性，并且该恒流供电电路的输出电流具有较高精度。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (9)

1.一种恒流供电电路，其特征在于，所述恒流供电电路中包括基准电源电路以及电流输出电路；所述基准电源电路包括第一运算放大器、基准开关管、第一电阻以及第二电阻；所述电流输出电路包括第二运算放大器、第三电阻和功率开关管；

电源电压端通过第二电阻连接至第一节点；所述第一节点通过所述基准开关管连接至第二节点；所述第二节点通过所述第一电阻接地；

所述基准开关管的控制端与所述第一运算放大器的输出端连接；所述第一运算放大器的同相输入端接入基准电压；所述第一运算放大器的反相输入端与第二节点连接；

所述电源电压端还通过第三电阻连接至第三节点；所述第三节点通过所述功率开关管连接至负载；

所述功率开关管的控制端与所述第二运算放大器的输出端连接；所述第二运算放大器的同相输入端连接至第一节点；所述第二运算放大器的反相输入端连接至第三节点；

所述恒流供电电路中还包括过流保护电路；所述过流保护电路中包括第三运算放大器、采样开关管、保护开关管、第四电阻、采样电阻以及第一比较器；

所述第三节点依次通过所述功率开关管以及保护开关管连接至负载；

所述电源电压端通过第四电阻连接至第四节点；所述第四节点通过采样开关管连接至第五节点；所述第五节点通过采样电阻接地；

所述采样开关管的控制端与第三运算放大器的输出端连接；所述第三运算放大器的同相输入端与第三节点连接；所述第三运算放大器的反相输入端与第四节点连接；

所述保护开关管的控制端与第一比较器的输出端连接；所述第一比较器的同相输入端接入所述第五节点；所述第一比较器的反相输入端接入采样基准电压。

2.根据权利要求1所述的恒流供电电路，其特征在于，所述基准开关管为NMOS管或NPN三极管。

3.根据权利要求1所述的恒流供电电路，其特征在于，所述功率开关管为PMOS管或PNP三极管。

4.根据权利要求1所述的恒流供电电路，其特征在于，所述恒流供电电路中包括集成电路控制芯片；所述第一运算放大器、基准开关管、第二电阻、第二运算放大器、第三电阻以及功率开关管位于所述集成电路控制芯片内部；

所述第一电阻与所述负载位于所述集成电路控制芯片外部。

5.根据权利要求4所述的恒流供电电路，其特征在于，所述集成电路控制芯片中还包括基准电源；所述基准电压为所述基准电源生成的电压。

6.根据权利要求1至5任一所述的恒流供电电路，其特征在于，所述保护开关管为PNP三极管或PMOS管。

7.根据权利要求1至5任一所述的恒流供电电路，其特征在于，所述采样开关管为PNP三极管或PMOS管。

8.根据权利要求1至5任一所述的恒流供电电路，其特征在于，所述第三运算放大器、采样开关管、保护开关管、第四电阻以及第一比较器位于集成电路控制芯片的内部；

所述采样电阻位于集成电路控制芯片的外部。

9.根据权利要求8所述的恒流供电电路，其特征在于，所述采样基准电压为集成电路控制芯片内部的基准电源生成的电压。

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