CN118074289B - 一种高精度低纹波低压降线性充电电路 - Google Patents

一种高精度低纹波低压降线性充电电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高精度低纹波低压降线性充电电路，包含功率管输出模块、功率管控制模块、1/N电流采样模块、高精度电压钳位模块、电流转电压模块、恒流反馈环路模块、恒压反馈环路模块、环路增益调节模块、电阻R1和电阻R2。本发明具有精度高、纹波低、压降低的优点。

Description

一种高精度低纹波低压降线性充电电路
技术领域
本发明涉及一种充电电路，特别是一种高精度低纹波低压降线性充电电路，属于半导体集成电路技术领域。
背景技术
线性充电电路是一种广泛应用于电池充电管理的电路设计，它通过调节内部晶体管的导通程度来调整输出电压和电流，从而实现对电池安全、稳定的恒压/恒流充电。现阶段，线性充电电路在技术上已经相对成熟，具有结构简单、成本较低、易于控制等优点。然而，随着电池容量的增加和技术要求的提高，线性充电电路遇到了一些瓶颈：1. 效率问题：线性充电器的主要瓶颈在于其工作原理导致的高功耗。由于线性充电器的工作方式是将输入电压通过功率晶体管降压后给电池充电，当输入电压远高于电池电压时，未转换为电池能量的部分会转化为热量，造成效率低下，尤其是在大电流充电或高压输入场景下更为明显。2. 散热设计挑战：由于效率不高，线性充电电路会产生较多热量，需要额外的散热设计，这不仅增加了产品的体积和重量，还可能影响系统的稳定性与寿命。3. 快充能力限制：线性充电器难以实现大功率快速充电，特别是在便携式设备和电动汽车等领域对快速充电的需求日益增长的情况下，线性充电方案常常有精度差，纹波多等特点。4. 宽电压输入适应性不足：线性充电电路对于宽范围的电压输入、电流输出的适应性存在局限性。
因此需要设计出一种低纹波、高精度、低压降线性充电电路以解决上述第一和第三瓶颈。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高精度低纹波低压降线性充电电路。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种高精度低纹波低压降线性充电电路，包含功率管输出模块、功率管控制模块、1/N电流采样模块、高精度电压钳位模块、电流转电压模块、恒流反馈环路模块、恒压反馈环路模块、环路增益调节模块、电阻R1和电阻R2，功率管输出模块的输出端与高精度电压钳位模块的VIP端口和电阻R1的一端连接并输出充电信号BAT，功率管输出模块的输入端与功率管控制模块的第一输出端连接，功率管控制模块的第二输出端和环路增益调节模块的输出端与1/N电流采样模块的输入端连接，1/N电流采样模块的输出端与电流转电压模块的输入端和高精度电压钳位模块的VIN端口连接，电流转电压模块的输出端与高精度电压钳位模块的输入端和恒流反馈环路模块的输入端连接，电阻R1的另一端与电阻R2的一端和恒压反馈环路模块的输入端连接，电阻R2的另一端接地，恒压反馈环路模块的输出端和恒流反馈环路模块的输出端与环路增益调节模块的输入端连接。
进一步地，所述功率管输出模块包含n组PMOS管组MP1～MPn，n组PMOS管组MP1～MPn的源极连接电源VCC，n组PMOS管组MP1～MPn的漏极作为功率管输出模块的输出端并输出充电信号BAT，n组PMOS管组MP1～MPn的栅极作为功率管输出模块的输入端并且对于任意一个PMOS管MPm，1≤m≤n，PMOS管组MPm的栅极作为PMOS管组MPm所在支路的输入端。
进一步地，所述功率管控制模块包含n条功率管控制支路，对于任意一条功率管控制支路包含PMOS管M2m-1、PMOS管M2m和反相器INV，PMOS管M2m-1的源极连接电源VCC，PMOS管M2m-1的栅极与反相器INV的输入端连接并作为该条功率管控制支路的输入端且连接控制信号SETm，PMOS管M2m-1的漏极与PMOS管M2m的源极连接并作为该条功率管控制支路的输出端且连接PMOS管组MPm的栅极，PMOS管M2m的栅极与反相器INV的输出端连接，PMOS管M2m的漏极作为功率管控制模块的第二输出端。
进一步地，所述1/N电流采样模块包含PMOS管MS1，PMOS管MS1的源极连接电源VCC，PMOS管MS1的漏极作为1/N电流采样模块的输出端，PMOS管MS1的栅极作为1/N电流采样模块的输入端并与功率管控制模块的第二输出端和环路增益调节模块的输出端连接。
进一步地，所述恒流反馈环路模块包含电阻R3、MOS管MN1、运算放大器A2和电流源I1，电阻R3的一端连接电源VCC，电阻R3的另一端与MOS管MN1的漏极连接，MOS管MN1的源极与电流源I1的一端和环路增益调节模块的输入端连接，MOS管MN1的栅极与运算放大器A2的输出端连接，运算放大器A2的同向输入端连接反馈电流电压信号Vifb，运算放大器A2的反向输入端连接基准电压信号Vref2，电流源I1的另一端接地。
进一步地，所述恒压反馈环路模块电阻R4、MOS管MN2、运算放大器A1和电流源I1，电阻R4的一端连接电源VCC，电阻R4的另一端与MOS管MN2的漏极连接，MOS管MN2的源极与电流源I1的一端和环路增益调节模块的输入端连接，MOS管MN2的栅极与运算放大器A1的输出端连接，运算放大器A1的同向输入端连接反馈电压信号V_FB，运算放大器A1的反向输入端连接基准电压信号Vref1，电流源I1的另一端接地。
进一步地，所述环路增益调节模块包含n个电阻RL1～RLn、n个开关S1～Sn、电流源I2、n个延时模块和数字逻辑模块，n个电阻RL1～RLn依次串联，n个开关S1～Sn一一对应地与n个电阻RL1～RLn并联，即第m个开关Sm与第m个电阻RLm并联，电流源I2的一端连接电源VCC，电流源的另一端与电阻RLn的一端连接并作为环路增益调节模块的输出端，数字逻辑模块的输入端输入控制信号SET1～SETn和时钟信号CLK，数字逻辑模块的输出端通过n个延时模块分别与n个开关S1～Sn的控制端连接控制n个开关S1～Sn的通断。
进一步地，所述高精度电压钳位模块包含主跨导放大器Gm1、跨阻放大器Rm、辅助跨导放大器Gm2、电容C1、PMOS管PM1和电阻RIEST，主跨导放大器Gm1的反向输入端与开关L1的一端和开关L3的一端连接，开关L1的另一端与PMOS管PM1的源极连接并作为高精度电压钳位模块的VIN端口，主跨导放大器Gm1的同向输入端与开关L2的一端和开关L4的一端连接，开关L2的另一端与开关L3的另一端和开关L4的另一端连接并作为高精度电压钳位模块的VIP端口，主跨导放大器Gm1的输出端和辅助跨导放大器Gm2的输出端与跨阻放大器Rm的输入端连接，跨阻放大器Rm的输出端与开关L5的一端和开关L6的一端连接，开关L5的另一端与PMOS管PM1的栅极连接，PMOS管PM1的漏极与电阻RIEST的一端连接并输出反馈电流信号I_FB，电阻RIEST的另一端接地，开关L6的另一端与辅助跨导放大器Gm2的同向输入端连接，辅助跨导放大器Gm2的反向输入端与开关L7的一端和电容C1的一端连接，开关L7的另一端连接电压信号VCM，电容C1的另一端接地。
进一步地，所述开关L1、开关L2和开关L5由控制信号Φ1控制，开关L3、开关L4、开关L6和开关L7由控制信号Φ2控制，控制信号Φ1和控制信号Φ2为反向的方波信号。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
1、本发明提供了一种高精度低纹波低压降线性充电电路，其具有精度高、纹波低、压降低的优点；
2、本发明高精度电压钳位子模块保证采样管与功率管之间的压降一致性，从而大幅度提升采样精准度；
3、本发明由电流转电压转换模块和恒流反馈回路模块共同构建了精密的电流反馈机制，在恒流充电模式下能够精准调控各功率管的导通状态，确保输出电流的精确控制；
4、本发明独立设计的恒压反馈环路模块通过实时监测并采样电池端（BAT）电压，在恒压充电阶段时能有效地调节功率管的工作状态，以维持输出电压的稳定不变；
5、为兼顾不同工作条件下的性能表现，本发明还配备了一个环路增益调节模块，该模块在大电流输出情境下，通过适当地降低环路增益以增强整体系统的稳定性；而在用户设定的小电流输出模式中，则对环路增益进行补偿，以确保在任何充电速率下都能保持极高的输出精度。
附图说明
图1是本发明的高精度低纹波低压降线性充电电路的示意图。
图2是本发明的功率管输出模块、功率管控制模块和1/N电流采样模块的电路图。
图3是本发明的恒流反馈环路模块和恒压反馈环路模块的电路图。
图4是本发明的环路增益调节模块的电路图。
图5是本发明的高精度电压钳位模块的电路图。
具体实施方式
为了详细阐述本发明为达到预定技术目的而所采取的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例，并且，在不付出创造性劳动的前提下，本发明的实施例中的技术手段或技术特征可以替换，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，本发明的一种高精度低纹波低压降线性充电电路，包含功率管输出模块、功率管控制模块、1/N电流采样模块、高精度电压钳位模块、电流转电压模块、恒流反馈环路模块、恒压反馈环路模块、环路增益调节模块、电阻R1和电阻R2，功率管输出模块的输出端与高精度电压钳位模块的VIP端口和电阻R1的一端连接并输出充电信号BAT，功率管输出模块的输入端与功率管控制模块的第一输出端连接，功率管控制模块的第二输出端和环路增益调节模块的输出端与1/N电流采样模块的输入端连接，1/N电流采样模块的输出端与电流转电压模块的输入端和高精度电压钳位模块的VIN端口连接，电流转电压模块的输出端与高精度电压钳位模块的输入端和恒流反馈环路模块的输入端连接，电阻R1的另一端与电阻R2的一端和恒压反馈环路模块的输入端连接，电阻R2的另一端接地，恒压反馈环路模块的输出端和恒流反馈环路模块的输出端与环路增益调节模块的输入端连接。
如图2所示，所述功率管输出模块包含n组PMOS管组MP1～MPn，n组PMOS管组MP1～MPn的源极连接电源VCC，n组PMOS管组MP1～MPn的漏极作为功率管输出模块的输出端并输出充电信号BAT，n组PMOS管组MP1～MPn的栅极作为功率管输出模块的输入端并且对于任意一个PMOS管MPm，1≤m≤n，PMOS管组MPm的栅极作为PMOS管组MPm所在支路的输入端。其中，每一组PMOS管组由多个PMOS管并联构成。
功率管控制模块包含n条功率管控制支路，对于任意一条功率管控制支路包含PMOS管M2m-1、PMOS管M2m和反相器INV，PMOS管M2m-1的源极连接电源VCC，PMOS管M2m-1的栅极与反相器INV的输入端连接并作为该条功率管控制支路的输入端且连接控制信号SETm，PMOS管M2m-1的漏极与PMOS管M2m的源极连接并作为该条功率管控制支路的输出端且连接PMOS管组MPm的栅极，PMOS管M2m的栅极与反相器INV的输出端连接，PMOS管M2m的漏极作为功率管控制模块的第二输出端。
当一条支路m中的控制信号SETm置逻辑高电平时，PMOS管M2m-1关闭，而PMOS管M2m开启，确保同一组内每个功率管的栅极与采样管PMOS管MS1的栅极实现耦合且保持电位同步。相反，在控制信号SETm处于逻辑低电平的情况下，相应功率管组的栅极会被连接至最高电位，从而使这一组功率管保持截止状态。借助这种外部控制信号SETm的不同逻辑组合方式，可以灵活地调整系统输出电流范围。
1/N电流采样模块包含PMOS管MS1，PMOS管MS1的源极连接电源VCC，PMOS管MS1的漏极作为1/N电流采样模块的输出端，PMOS管MS1的栅极作为1/N电流采样模块的输入端并与功率管控制模块的第二输出端和环路增益调节模块的输出端连接。
如图3所示，所述恒流反馈环路模块包含电阻R3、MOS管MN1、运算放大器A2和电流源I1，电阻R3的一端连接电源VCC，电阻R3的另一端与MOS管MN1的漏极连接，MOS管MN1的源极与电流源I1的一端和环路增益调节模块的输入端连接，MOS管MN1的栅极与运算放大器A2的输出端连接，运算放大器A2的同向输入端连接反馈电流电压信号Vifb，运算放大器A2的反向输入端连接基准电压信号Vref2，电流源I1的另一端接地。其中，反馈电流电压信号Vifb由高精度电压钳位模块输出的反馈电流信号I_FB经过电流转电压模块转化而成。
恒压反馈环路模块电阻R4、MOS管MN2、运算放大器A1和电流源I1，电阻R4的一端连接电源VCC，电阻R4的另一端与MOS管MN2的漏极连接，MOS管MN2的源极与电流源I1的一端和环路增益调节模块的输入端连接，MOS管MN2的栅极与运算放大器A1的输出端连接，运算放大器A1的同向输入端连接反馈电压信号V_FB，运算放大器A1的反向输入端连接基准电压信号Vref1，电流源I1的另一端接地。反馈电压信号V_FB由电阻R1和电阻R2组成的分压电路分压得到。
当反馈电流电压信号Vifb超越预设的基准电压信号Vref2时，恒流反馈环路模块开始发挥主导作用，电路整体响应为稳定在一个预定值的电流输出模式。反之，一旦反馈电压信号V_FB上升至设定阈值基准电压信号Vref1之上，恒压反馈环路模块则转而占据主导地位，确保系统总体上维持一个恒定的电压输出状态。因此对一个馈电电池充电时，电路优先处于恒流模式，随着电池电压上升，高精度电压钳位模块迫使恒流模式的反馈电流电压信号Vifb的电压比较点降低，同时反馈电压信号V_FB在分压的作用下逐步提高，电路逐渐从恒流切换为恒压模式。
如图4所示，环路增益调节模块包含n个电阻RL1～RLn、n个开关S1～Sn、电流源I2、n个延时模块和数字逻辑模块，n个电阻RL1～RLn依次串联，n个开关S1～Sn一一对应地与n个电阻RL1～RLn并联，即第m个开关Sm与第m个电阻RLm并联，电流源I2的一端连接电源VCC，电流源的另一端与电阻RLn的一端连接并作为环路增益调节模块的输出端，数字逻辑模块的输入端输入控制信号SET1～SETn和时钟信号CLK，数字逻辑模块的输出端通过n个延时模块分别与n个开关S1～Sn的控制端连接控制n个开关S1～Sn的通断。
控制信号SET1～SETn负责提前决定需要接入电路的电阻RL的数量。在实际工作中，开关仅需将提前选中的电阻在恒流切换恒压模式时短路，保持其它电阻短路状态。但是，当相关开关在瞬间进行导通或断开操作时，功率管上积聚的电荷无法立即释放，这可能导致主环路节点电压发生快速上升或下降现象，进而引发较大的振荡效应，使得充电电流中出现明显的纹波成分。为解决这一问题，本发明通过演示模块引入了100微秒的延时策略，确保开关能够按照预定顺序逐步开启或关闭，从而赋予环路充分的响应时间来适应状态变化，有效地抑制可能产生的震荡现象，确保电流输出的稳定性和精度。
如图5所示，高精度电压钳位模块包含主跨导放大器Gm1、跨阻放大器Rm、辅助跨导放大器Gm2、电容C1、PMOS管PM1和电阻RIEST，主跨导放大器Gm1的反向输入端与开关L1的一端和开关L3的一端连接，开关L1的另一端与PMOS管PM1的源极连接并作为高精度电压钳位模块的VIN端口，主跨导放大器Gm1的同向输入端与开关L2的一端和开关L4的一端连接，开关L2的另一端与开关L3的另一端和开关L4的另一端连接并作为高精度电压钳位模块的VIP端口，主跨导放大器Gm1的输出端和辅助跨导放大器Gm2的输出端与跨阻放大器Rm的输入端连接，跨阻放大器Rm的输出端与开关L5的一端和开关L6的一端连接，开关L5的另一端与PMOS管PM1的栅极连接，PMOS管PM1的漏极与电阻RIEST的一端连接并输出反馈电流信号I_FB，电阻RIEST的另一端接地，开关L6的另一端与辅助跨导放大器Gm2的同向输入端连接，辅助跨导放大器Gm2的反向输入端与开关L7的一端和电容C1的一端连接，开关L7的另一端连接电压信号VCM，电容C1的另一端接地。
开关L1、开关L2和开关L5由控制信号Φ1控制，开关L3、开关L4、开关L6和开关L7由控制信号Φ2控制，控制信号Φ1和控制信号Φ2为反向的方波信号。
第一阶段，首先让开关L1、开关L2和开关L5闭合，开关L3、开关L4、开关L6和开关L7打开，高精度电压钳位模块整体处于放大阶段，主跨导放大器Gm1的输出端的电压为:Vout1=gm1*RVos1，其中gm1为主跨导放大器Gm1的跨导，R为跨阻放大器Rm的阻抗，Vos1为主跨导放大器Gm1的输入端的等效失配电压。第二阶段让开关L3、开关L4、开关L6和开关L7闭合，开关L1、开关L2和开关L5打开，进入调零阶段，Vout1电压存储在电容C1上。高精度电压钳位模块整体输入端短路，输出端断路，辅助跨导放大器Gm2介入，同时考虑有辅助跨导放大器Gm2的输入端的等效失配电压Vos2，可得：
Vout=(gm1*RVos1+gm2*RVos2),
Vout是高精度电压钳位模块输出端的输出电压，
则对应辅助跨导放大器Gm2的输入端等效失配Vos_in会被降低gmR倍：
。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高精度低纹波低压降线性充电电路，其特征在于：包含功率管输出模块、功率管控制模块、1/N电流采样模块、高精度电压钳位模块、电流转电压模块、恒流反馈环路模块、恒压反馈环路模块、环路增益调节模块、电阻R1和电阻R2，功率管输出模块的输出端与高精度电压钳位模块的VIP端口和电阻R1的一端连接并输出充电信号BAT，功率管输出模块的输入端与功率管控制模块的第一输出端连接，功率管控制模块的第二输出端和环路增益调节模块的输出端与1/N电流采样模块的输入端连接，1/N电流采样模块的输出端与电流转电压模块的输入端和高精度电压钳位模块的VIN端口连接，电流转电压模块的输出端与高精度电压钳位模块的输入端和恒流反馈环路模块的输入端连接，电阻R1的另一端与电阻R2的一端和恒压反馈环路模块的输入端连接，电阻R2的另一端接地，恒压反馈环路模块的输出端和恒流反馈环路模块的输出端与环路增益调节模块的输入端连接；
所述高精度电压钳位模块包含主跨导放大器Gm1、跨阻放大器Rm、辅助跨导放大器Gm2、电容C1、PMOS管PM1和电阻RIEST，主跨导放大器Gm1的反向输入端与开关L1的一端和开关L3的一端连接，开关L1的另一端与PMOS管PM1的源极连接并作为高精度电压钳位模块的VIN端口，主跨导放大器Gm1的同向输入端与开关L2的一端和开关L4的一端连接，开关L2的另一端与开关L3的另一端和开关L4的另一端连接并作为高精度电压钳位模块的VIP端口，主跨导放大器Gm1的输出端和辅助跨导放大器Gm2的输出端与跨阻放大器Rm的输入端连接，跨阻放大器Rm的输出端与开关L5的一端和开关L6的一端连接，开关L5的另一端与PMOS管PM1的栅极连接，PMOS管PM1的漏极与电阻RIEST的一端连接并输出反馈电流信号I_FB，电阻RIEST的另一端接地，开关L6的另一端与辅助跨导放大器Gm2的同向输入端连接，辅助跨导放大器Gm2的反向输入端与开关L7的一端和电容C1的一端连接，开关L7的另一端连接电压信号VCM，电容C1的另一端接地；所述开关L1、开关L2和开关L5由控制信号Φ1控制，开关L3、开关L4、开关L6和开关L7由控制信号Φ2控制，控制信号Φ1和控制信号Φ2为反向的方波信号。
2.根据权利要求1所述的一种高精度低纹波低压降线性充电电路，其特征在于：所述功率管输出模块包含n组PMOS管组MP1～MPn，n组PMOS管组MP1～MPn的源极连接电源VCC，n组PMOS管组MP1～MPn的漏极作为功率管输出模块的输出端并输出充电信号BAT，n组PMOS管组MP1～MPn的栅极作为功率管输出模块的输入端并且对于任意一个PMOS管MPm，1≤m≤n，PMOS管组MPm的栅极作为PMOS管组MPm所在支路的输入端。
3.根据权利要求2所述的一种高精度低纹波低压降线性充电电路，其特征在于：所述功率管控制模块包含n条功率管控制支路，对于任意一条功率管控制支路包含PMOS管M2m-1、PMOS管M2m和反相器INV，PMOS管M2m-1的源极连接电源VCC，PMOS管M2m-1的栅极与反相器INV的输入端连接并作为该条功率管控制支路的输入端且连接控制信号SETm，PMOS管M2m-1的漏极与PMOS管M2m的源极连接并作为该条功率管控制支路的输出端且连接PMOS管组MPm的栅极，PMOS管M2m的栅极与反相器INV的输出端连接，PMOS管M2m的漏极作为功率管控制模块的第二输出端。
4.根据权利要求3所述的一种高精度低纹波低压降线性充电电路，其特征在于：所述1/N电流采样模块包含PMOS管MS1，PMOS管MS1的源极连接电源VCC，PMOS管MS1的漏极作为1/N电流采样模块的输出端，PMOS管MS1的栅极作为1/N电流采样模块的输入端并与功率管控制模块的第二输出端和环路增益调节模块的输出端连接。
5.根据权利要求1所述的一种高精度低纹波低压降线性充电电路，其特征在于：所述恒流反馈环路模块包含电阻R3、MOS管MN1、运算放大器A2和电流源I1，电阻R3的一端连接电源VCC，电阻R3的另一端与MOS管MN1的漏极连接，MOS管MN1的源极与电流源I1的一端和环路增益调节模块的输入端连接，MOS管MN1的栅极与运算放大器A2的输出端连接，运算放大器A2的同向输入端连接反馈电流电压信号Vifb，运算放大器A2的反向输入端连接基准电压信号Vref2，电流源I1的另一端接地。
6.根据权利要求5所述的一种高精度低纹波低压降线性充电电路，其特征在于：所述恒压反馈环路模块电阻R4、MOS管MN2、运算放大器A1和电流源I1，电阻R4的一端连接电源VCC，电阻R4的另一端与MOS管MN2的漏极连接，MOS管MN2的源极与电流源I1的一端和环路增益调节模块的输入端连接，MOS管MN2的栅极与运算放大器A1的输出端连接，运算放大器A1的同向输入端连接反馈电压信号V_FB，运算放大器A1的反向输入端连接基准电压信号Vref1，电流源I1的另一端接地。
7.根据权利要求1所述的一种高精度低纹波低压降线性充电电路，其特征在于：所述环路增益调节模块包含n个电阻RL1～RLn、n个开关S1～Sn、电流源I2、n个延时模块和数字逻辑模块，n个电阻RL1～RLn依次串联，n个开关S1～Sn一一对应地与n个电阻RL1～RLn并联，即第m个开关Sm与第m个电阻RLm并联，电流源I2的一端连接电源VCC，电流源的另一端与电阻RLn的一端连接并作为环路增益调节模块的输出端，数字逻辑模块的输入端输入控制信号SET1～SETn和时钟信号CLK，数字逻辑模块的输出端通过n个延时模块分别与n个开关S1～Sn的控制端连接控制n个开关S1～Sn的通断。
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