CN116865390A - 充电电路、便携电子设备及系统 - Google Patents

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CN116865390A CN202310817270.0A CN202310817270A CN116865390A CN 116865390 A CN116865390 A CN 116865390A CN 202310817270 A CN202310817270 A CN 202310817270A CN 116865390 A CN116865390 A CN 116865390A
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Abstract

本发明的实施例提供了充电电路、便携电子设备及系统，其中，充电电路包括电源结点、系统结点、电池结点、限压模块、第一充电路径、第二充电路径、控制模块、以及充放路径，该第一充电路径、充放路径和限压模块位于充电芯片内，该第二充电路径位于该充电芯片之外；第一充电路径向该系统结点和电池结点供电，第二充电路径与该第一充电路径并联；在该电池结点的电压位于该电池的恒流充电电压区间时，该控制模块控制该第二充电路径导通，该限压模块控制该第一充电路径截止，以使该电源结点的电压通过该第二充电路径及该充放路径加载至该电池结点；该第二充电路径的电阻小于该第一充电路径的电阻。本发明实施例的充电电路能够提高充电效率和降低成本。

Description

充电电路、便携电子设备及系统
本申请是申请日为2023年01月04日、申请号为2023100053205、名称为“充电电路、系统、便携电子设备及系统”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及充电技术领域，具体涉及充电电路、便携电子设备及系统。
背景技术
便携电子系统的组成包括便携电子设备(例如TWS耳机)和便携充电设备(例如收纳TWS耳机的充电仓)。由于便携电子设备的体积较小，其充电电路的体积受到限制。
已知的一种技术中，便携电子设备具有两个独立的充电芯片(IC)：大电流的直充芯片和小电流的充电芯片，主控芯片通过两个引脚分别控制直充芯片和充电芯片：当便携电子设备的电池进入恒流充电阶段，主控芯片控制直充芯片工作、充电芯片关闭，便携充电设备经由直充芯片对便携电子设备的电池进行大电流(恒流)充电；当便携电子设备的电池处于预充及恒压充电阶段，主控芯片控制直充芯片关闭、充电芯片工作，便携充电设备经由充电芯片对便携电子设备的电池进行小电流充电。通常，该小电流的充电芯片包括电源结点、系统结点、电池结点、比较模块、限压模块、状态模块、充放控制模块、连接该电源结点与系统结点的充电路径、以及连接该系统结点与电池结点的充放路径；其中，电源结点用于与便携充电设备电连接；充电路径用于电源结点向该系统结点和电池结点供电；比较模块用于判断电源结点与电池结点之间的电压大小，当电源结点大于电池结点，即控制充电芯片进入充电状态，触发其余模块进行相关工作；状态模块用于在充电全过程的控制使能及检测，包括判断电源结点的电压与门限电压、上限电压的关系，并在不同的压状态下输出对应状态的控制信号；限压模块可以在电源结点电压小于设定阈值(例如4.8V)时关断充电路径；充放控制模块用于检测充放路径的电流和电压大小，控制充放路径的导通和截止，并可以根据充放路径的电流和电压是否超过限定值，而控制充放路径的导通和截止。
上述已知技术中，由于便携电子设备需要两个独立的芯片完成大电流恒流充电和小电流充电，因此，便携电子设备的充电电路的体积较大，且成本较高。
发明内容
基于上述现状，本发明的实施例提供了充电电路、便携电子设备及系统，以提高充电效率和降低成本。
为实现上述目的，本发明的相关实施例采用了如下技术方案：
一种充电电路，用于为电池充电，包括电源结点、系统结点、电池结点、连接该电源结点与系统结点的第一充电路径、以及连接该系统结点与电池结点的充放路径，还包括限压模块，所述第一充电路径用于向该系统结点和电池结点供电，所述充电电路还包括控制模块以及连接该电源结点与系统结点并与该第一充电路径并联的第二充电路径；该第一充电路径、该充放路径和该限压模块位于充电芯片内，该第二充电路径位于该充电芯片之外，单独的一个晶体管构成该第二充电路径；在该电池结点的电压位于该电池的恒流充电电压区间时，该控制模块控制该第二充电路径导通，该限压模块控制该第一充电路径截止，以使该电源结点的电压通过该第二充电路径及该充放路径加载至该电池结点，电源结点也一并对系统结点提供电压和电流；该第二充电路径的电阻小于该第一充电路径的电阻；在该电池结点的电压位于该电池的恒压充电电压区间时、及在该电池结点的电压位于该电池的预充电电压区间时，电源结点经由第一充电路径和充放路径向电池结点提供充电电流。
一种便携电子设备，包括任一所述的充电电路。
一种充电电路，用于为电池充电，包括电源结点、系统结点、电池结点、连接该电源结点与系统结点的第一充电路径、以及连接该系统结点与电池结点的充放路径，还包括限压模块，所述第一充电路径用于向该系统结点和电池结点供电，所述充电电路还包括控制模块以及连接该电源结点与系统结点并与该第一充电路径并联的第二充电路径；该第二充电路径仅包括一个晶体管；该第一充电路径、该充放路径、该限压模块、及该控制模块均位于一个充电芯片内，该第二充电路径集成在该充电芯片；在该电池结点的电压位于该电池的恒流充电电压区间时，该控制模块控制该第二充电路径导通，该限压模块控制该第一充电路径截止，以使该电源结点的电压通过该第二充电路径及该充放路径加载至该电池结点，电源结点也一并对系统结点提供电压和电流；该第二充电路径的电阻小于该第一充电路径的电阻；系统结点是后级电路的供电端。
一种便携电子系统，包括任一所述的充电电路。
由于第二充电路径的电阻小于第一充电路径的电阻，因此，在电源结点提供的电压一定的情况下，本实施例中第二充电路径通过的电流，比仅仅使用第一充电路径进行充电时通过的电流更大，因此，本实施例的充电速度更快。从另一个角度讲，在充电电流大小相同的情况下，本实施例中第二充电路径的压差，比仅仅使用第一充电路径进行充电时的压差更小，充电效率更高；而通过第二充电路径实现电池在恒流充电电压区间时的大电流充电，电路更加简单，因而成本更低。
本发明的其他有益效果，将在具体实施方式中通过具体技术特征和技术方案的介绍来阐述，本领域技术人员通过这些技术特征和技术方案的介绍，应能理解所述技术特征和技术方案带来的有益技术效果。
附图说明
以下将参照附图对本发明的实施方式进行描述。图中：
图1为根据本发明的第一实施方式的充电电路的示意图；
图2为根据本发明的第二实施方式的充电电路的示意图；
图3为根据本发明的第三实施方式的充电电路的示意图；
图4为根据本发明的第四实施方式的充电电路的示意图；
图5为根据本发明的第五实施方式的充电电路的示意图；
图6为根据本发明的第六实施方式的充电电路的示意图；
图7为根据本发明的第七实施方式的充电电路的示意图；
图8为根据本发明的第八实施方式的充电系统的示意图；
图9为根据本发明的第九实施方式的充电系统的示意图。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分，为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件并没有详细叙述。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
图1是本发明一种实施例的充电电路，该充电电路可以设置于电子设备内，用于为电子设备内的电池VBAT进行充电，该电子设备可以由充电设备进行供电。该电子设备和充电设备可以分别是便携电子设备和便携充电设备，例如蓝牙耳机和充电仓，或者蓝牙手环和充电器，等等。
该充电电路包括电源结点VBUS 140、系统结点VSYS 150、电池结点VBAT 160、第一充电路径111、限压模块112、充放路径113、第二充电路径120和控制模块130；其中，系统结点150是后级电路的供电端，例如作为后级电路的主控电路(如BLE主控电路)等；第一充电路径111连接该电源结点140与系统结点150，电源结点140经由该第一充电路径111可以向该系统结点150供电；充放路径113连接该系统结点150与电池结点160；电源结点140经由该第一充电路径111和充放路径113可以向电池结点160供电。第二充电路径120连接该电源结点140与系统结点150，且第二充电路径120与该第一充电路径111并联，并且该第二充电路径120的电阻小于该第一充电路径111的电阻。限压模块112用于控制该第一充电路径111的截止和导通，控制模块130用于控制该第二充电路径120的截止和导通。
通常而言，根据电池电压的不同，电池的充电区间可包括如下几个区间：预充电区间(例如小于门限电压，其中，门限电压可以为3V)、恒流充电区间(例如在门限电压和上限电压之间，其中，门限电压和上限电压可以分别为3V和4.2V)和恒压充电区间(例如大于上限电压)，其中，恒流充电区间可以相对较大的电流进行充电。在本实施例中，在该电池结点160的电压位于该电池的恒流充电电压区间时，该控制模块130控制该第二充电路径120导通，该限压模块112控制该第一充电路径111截止，以使该电源结点140的电压通过该第二充电路径120及该充放路径113加载至该电池结点160，从而，电源结点140经由第二充电路径120和充放路径113向电池结点160提供充电电流；另外，电源结点140也一并对系统结点150提供电压和电流。由于第二充电路径120的电阻小于第一充电路径111的电阻，因此，在电源结点140提供的电压一定的情况下，本实施例中第二充电路径120通过的电流，比仅仅使用第一充电路径111进行充电时通过的电流更大，因此，本实施例的充电速度更快；例如，在一些实施例中，第二充电路径120容易达到200mA以上的大电流，例如250mA以上，甚至400-600mA。从另一个角度讲，在充电电流大小相同的情况下，本实施例中第二充电路径120的压差，比仅仅使用第一充电路径111进行充电时的压差更小，充电效率更高；例如，在一些实施例中，第二充电路径120通过128mA左右的情况下，第二充电路径120仅有约10mV的压差，而仅仅使用第一充电路径111通过128mA的情况下，第一充电路径111有约48mV的压差；又如，在一些实施例中，第二充电路径120通过128mA左右的情况下，第二充电路和充放路径113的总压差仅有60mV左右。
如图2所示，第二充电路径120可以仅仅包括一个晶体管，例如场效应管，如P沟道场效应管或N沟道场效应管。在本实施例中，由于仅仅采用一个晶体管实现第二充电路径120，电路结构更加简单，体积更小，成本更低，这种优势使得本方案尤其适用于应用在便携电子设备中，例如TWS耳机等。
如图3所示，第一充电路径111可以仅仅包括一个晶体管，例如场效应管，如P沟道场效应管或N沟道场效应管。如图4所示，第一充电路径111可以具有两个晶体管，例如两个背靠背设置的场效应管，如两个背靠背设置的N沟道场效应管111a和N沟道场效应管111b。
如图5所示，充放路径113可以仅仅包括一个晶体管，例如场效应管，如P沟道场效应管或N沟道场效应管，以控制流入或流出电池结点160的电流的通断。
如图6所示，在另一个实施例中，该充电电路包括充电芯片110，该第一充电路径111、充放路径113和限压模块112位于该充电芯片110内，该第二充电路径120位于该充电芯片110之外，如前所述，第二充电路径120可以仅仅包括一个晶体管，例如场效应管。本实施例中，由于充电芯片110内的第一充电路径111不需要经过较大的电流，第一充电路径111的阻抗可以较大，因此第一充电路径111不需要设置面积更大的功率器件，从而可以减小充电芯片110的体积，节省了成本；而采用在充电芯片110之外的第二充电路径120，例如仅仅由一个晶体管构成的第二充电路径120流过大电流，实现更加简单，成本更低。在一些实施例中，可以使用现有的该充电芯片110配合单独的一个晶体管，组成本实施例的充电电路，可以更小的成本实现大电流充电。在本实施例中，控制模块130可以是电子设备中在充电芯片110之外的主控模块，也可以是充电芯片110中的状态模块。在本实施例中，充电芯片110还可以包括已知的比较模块，用于判断电源结点与电池结点之间的电压大小，当电源结点大于电池结点，即控制充电芯片进入充电状态，触发其余模块进行相关工作，以及充放控制模块，用于检测充放路径的电流和电压大小，控制充放路径的导通和截止，并可以根据充放路径的电流和电压是否超过限定值，而控制充放路径的导通和截止。
如图7所示，在另一个实施例中，第二充电路径120可以集成在充电芯片110中，该控制模块130也可以集成在充电芯片110中，在本实施例中，该控制模块130可以是充电芯片110的状态模块。
第一充电路径111的电阻可以是该第二充电路径120的电阻的7至14倍，例如7-14中任一整数倍。该第二充电路径120的电阻可以介于25毫欧至50毫欧之间，例如，25-50毫欧中的任一整数毫欧，而第一充电路径111的电阻可以介于250毫欧至350毫欧之间，例如，250-350的任一整数毫欧。
在另一个实施例中，在该电池结点160的电压位于该电池的恒压充电电压区间时，该限压模块112还可以控制该第一充电路径111导通，该控制模块130控制该第二充电路径120关闭，以使该电源结点140的电压通过该第一充电路径111及该充放路径113加载至该电池结点160，从而，电源结点140经由第一充电路径111和充放路径113向电池结点160提供充电电流。由于恒压充电电压区间的充电电流相对较小，适合用擅长控制小电流、以及高精度截止充电的充电芯片110实现；另外，第一充电路径111较大的电阻亦能满足充电效率和散热要求。
在另一个实施例中，在该电池结点160的电压位于该电池的预充电电压区间时，该限压模块112还用于控制该第一充电路径111导通，该控制模块130控制该第二充电路径120关闭，以使该电源结点140的电压通过该第一充电路径111及该充放路径113加载至该电池结点160，从而，电源结点140经由第一充电路径111和充放路径113向电池结点160提供充电电流。由于预充电电压区间的充电电流相对较小，适合用擅长控制小电流、以及高精度截止充电的充电芯片110实现；另外，第一充电路径111较大的电阻亦能满足充电效率和散热要求。
如图8所示，是本发明一种实施例的充电系统，该充电系统包括充电电路100及供电电路200；该充电电路100可以设置于电子设备(例如便携电子设备)内，用于为电子设备内的电池进行充电；该供电电路200则可以设置于充电设备(例如便携充电设备)内。该充电电路100包括电源结点140、系统结点150、电池结点160、连接该电源结点140与系统结点150的第一充电路径111、充放路径113、限压模块112、控制模块130以及第二充电路径120；其中，系统结点150是后级电路的供电端，例如作为后级电路的主控电路等；第一充电路径111连接该电源结点140与系统结点150，电源结点140经由该第一充电路径111可以向该系统结点150供电；充放路径113连接该系统结点150与电池结点160；电源结点140经由该第一充电路径111和充放路径113可以向电池结点160供电。第二充电路径120连接该电源结点140与系统结点150，且第二充电路径120与该第一充电路径111并联，并且该第二充电路径120的电阻小于该第一充电路径111的电阻。限压模块112用于控制该第一充电路径111的截止和导通，控制模块130用于控制该第二充电路径120的截止和导通。
该供电电路200用于为该充电电路100的电源结点140提供电源，该供电电路200包括供电输出结点230、供电通信模块210、以及调压模块220(例如降压模块、升压模块、或者降压-升压模块)；该供电通信模块210用于周期性地获取该电池的实时电压，例如，该充电电路100周期性地实时检测该电池的电压，从而可以得到该电池的实时电压，该充电电路100将该实时电压通过设定的通信方式(例如有线或无线的方式)发送给供电电路200，从而供电电路200可以周期性地获取该电池的实时电压；该调压模块220在该实时电压处于该电池的恒流充电电压区间时，控制向该电源结点140提供的电压为该电池的实时电压加上一个预定电压值OFFSET_VOL1，例如60mV。在一个实施例中，为了不频繁调节电源结点140的电压，在恒流充电电压区间时，若当前充电电流小于预设恒定电流值ICC_SET减预定电流偏移幅度OFFSET_CUR1之差时，或者电源结点140与电池结点160之间的电压差小于预设电压阈值OFFSET_VOL2(其中，OFFSET_VOL2小于OFFSET_VOL1)时，调压模块220才对电源结点140的电压进行更新调节为电池的实时电压加上一个预定电压值，在该电源结点140的电压维持一段时间后，当上述条件满足后，将进入下一次调节，直至电池进入恒压充电电压区间。通过合理设置上述参数，调压模块220可以每隔预定步长电压幅度(例如10mV或25mV)进行一次调节电压。
在本实施例中，在该电池结点160的电压位于该电池的恒流充电电压区间时，该控制模块130控制该第二充电路径120导通，该限压模块112控制该第一充电路径111截止，以使该电源结点140的电压通过该第二充电路径120及该充放路径113加载至该电池结点160，从而，电源结点140经由第二充电路径120和充放路径113向电池结点160提供充电电流；另外，电源结点140也一并对系统结点150提供电压和电流。由于第二充电路径120的电阻小于第一充电路径111的电阻，因此，在电源结点140提供的电压一定的情况下，本实施例中第二充电路径120通过的电流，比仅仅使用第一充电路径111进行充电时通过的电流更大，因此，本实施例的充电速度更快。从另一个角度讲，在充电电流大小相同的情况下，本实施例中第二充电路径120的压差，比仅仅使用第一充电路径111进行充电时的压差更小，充电效率更高。而供电电路200通过向该电源结点140提供的电压为该实时电压加上一个预定电压值，从而维持了通过第二充电路径120的电流恒定或基本恒定。
在另一个实施例中，如图9所示，该充电电路100还包括充电通信模块170；该供电输出结点230用于与该电源结点140电连接；该充电通信模块170用于通过该电源结点140和供电输出结点230，向该供电通信模块210发送该电池的实时电压。当电子设备连接上充电设备进行充电时，供电输出结点230与电源结点140之间形成电连接，该电连接既用于供电电路200向充电电路100的充电能量流动，也用于充电电路100向供电电路200发送电池的实时电压，以便供电电路200根据该实时电压提供对应的电压至供电输出结点230，即为电源结点140提供对应的电压。
在另一个实施例中，当电池的实时电压达到上限电压，充电电路100检测到该实时电压并发送给供电电路200后，供电电路200即可以识别到该实时电压处于该电池的恒压充电电压区间，在该恒压充电电压区间时：该调压模块220向该电源结点140提供大小为恒压充电电压值的电压(例如，大小为上限电压加上一预定电压值)；该限压模块112还用于控制该第一充电路径111导通，该控制模块130控制该第二充电路径120关闭，以使该电源结点140的电压通过该第一充电路径111及该充放路径113加载至该电池结点160。当充电电路100检测到充电电流小于某个电流阈值时(例如可以是预设恒定电流值ICC_SET的0.3倍)，充电电路100将当前的充电电流发送给供电电路200，供电电路200的调压模块220向电源结点140的电压上调至另一恒压充电电压值，例如4.8V。当充电电路100检测到充电电流小于某个电流下限时(例如可以是预设恒定电流值ICC_SET的0.1倍)，充放控制模块130控制该控制充放路径113断开，从而可以停止向电池充电，而第一充电路径111仍可以保持导通，继续向系统结点150提供电源。由于恒压充电电压区间的充电电流相对较小，适合用擅长控制小电流、以及高精度截止充电的充电芯片110实现，另外，第一充电路径111较大的电阻亦能满足充电效率和散热要求。而供电电路200通过向该电源结点140提供大小为恒压充电电压值的电压，从而维持该电池处于恒压充电电压区间。
在另一个实施例中，当电池的实时电压小于门限电压，充电电路100检测到该实时电压并发送给供电电路200后，供电电路200即可以识别到该实时电压处于该电池的预充电电压区间，在该电池的预充电电压区间时：该调压模块220向该电源结点140提供大小为预充充电电压值(例如4.8V)的电压；该限压模块112还用于控制该第一充电路径111导通，该控制模块130控制该第二充电路径120关闭，以使该电源结点140的电压通过该第一充电路径111及该充放路径113加载至该电池结点160，从而实现对电池进行预充电。由于预充电电压区间的充电电流相对较小，适合用擅长控制小电流、以及高精度截止充电的充电芯片110实现，另外，第一充电路径111较大的电阻亦能满足充电效率和散热要求。而供电电路200通过向该电源结点140提供大小为预充充电电压值的电压，从而维持该电池处于预充充电电压区间。
充电系统中的充电电路100可以采用图1至7任一附图所关联的实施例中的充电电路；例如，充电系统中充电电路100的第二充电路径120可以仅仅包括一个晶体管，例如场效应管，如P沟道场效应管或N沟道场效应管；又如，第一充电路径111的电阻可以是该第二充电路径120的电阻的7至14倍；再如，该充电电路100包括充电芯片110，该第一充电路径111、充放路径113和限压模块112位于该充电芯片110内，该第二充电路径120位于该充电芯片110之外，等等，充电系统中的充电电路100可以采用的前述其他实施例中的方案，在此不再一一列举。
本领域的技术人员能够理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。
应当理解，上述的实施方式仅是示例性的，而非限制性的，在不偏离本发明的基本原理的情况下，本领域的技术人员可以针对上述细节做出的各种明显的或等同的修改或替换，都将包含于本发明的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种充电电路，用于为电池充电，包括电源结点、系统结点、电池结点、连接该电源结点与系统结点的第一充电路径、以及连接该系统结点与电池结点的充放路径，还包括限压模块，所述第一充电路径用于向该系统结点和电池结点供电，其特征在于：所述充电电路还包括控制模块以及连接该电源结点与系统结点并与该第一充电路径并联的第二充电路径；该第一充电路径、该充放路径和该限压模块位于充电芯片内，该第二充电路径位于该充电芯片之外，单独的一个晶体管构成该第二充电路径；在该电池结点的电压位于该电池的恒流充电电压区间时，该控制模块控制该第二充电路径导通，该限压模块控制该第一充电路径截止，以使该电源结点的电压通过该第二充电路径及该充放路径加载至该电池结点，电源结点也一并对系统结点提供电压和电流；该第二充电路径的电阻小于该第一充电路径的电阻；在该电池结点的电压位于该电池的恒压充电电压区间时、及在该电池结点的电压位于该电池的预充电电压区间时，电源结点经由第一充电路径和充放路径向电池结点提供充电电流。
2.如权利要求1所述的充电电路，其特征在于，该第一充电路径的电阻是该第二充电路径的电阻的7至14倍。
3.如权利要求2所述的充电电路，其特征在于，该第二充电路径的电阻介于25毫欧至50毫欧。
4.如权利要求1所述的充电电路，其特征在于，在该电池结点的电压位于该电池的恒压充电电压区间时，该限压模块还用于控制该第一充电路径导通，该控制模块控制该第二充电路径关闭，以使该电源结点的电压通过该第一充电路径及该充放路径加载至该电池结点。
5.如权利要求1所述的充电电路，其特征在于，在该电池结点的电压位于该电池的预充电电压区间时，该限压模块还用于控制该第一充电路径导通，该控制模块控制该第二充电路径关闭，以使该电源结点的电压通过该第一充电路径及该充放路径加载至该电池结点。
6.一种便携电子设备，其特征在于，包括如权利要求1至5任一所述的充电电路。
7.一种充电电路，用于为电池充电，包括电源结点、系统结点、电池结点、连接该电源结点与系统结点的第一充电路径、以及连接该系统结点与电池结点的充放路径，还包括限压模块，所述第一充电路径用于向该系统结点和电池结点供电，其特征在于：所述充电电路还包括控制模块以及连接该电源结点与系统结点并与该第一充电路径并联的第二充电路径；该第二充电路径仅包括一个晶体管；该第一充电路径、该充放路径、该限压模块、及该控制模块均位于一个充电芯片内，该第二充电路径集成在该充电芯片；在该电池结点的电压位于该电池的恒流充电电压区间时，该控制模块控制该第二充电路径导通，该限压模块控制该第一充电路径截止，以使该电源结点的电压通过该第二充电路径及该充放路径加载至该电池结点，电源结点也一并对系统结点提供电压和电流；该第二充电路径的电阻小于该第一充电路径的电阻；系统结点是后级电路的供电端。
8.如权利要求7所述的充电电路，其特征在于，
该第一充电路径的电阻是该第二充电路径的电阻的7至14倍。
9.如权利要求7所述的充电电路，其特征在于，
该第二充电路径的电阻介于25毫欧至50毫欧。
10.一种便携电子系统，其特征在于，包括如权利要求7至9任一所述的充电电路。
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