CN203589771U - 一种电池快速充电电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电池快速充电电路，该电路包括充电模块和检测模块，检测模块将电池电压分别与第一阈值电压和第三阈值电压进行比较，第一阈值电压大于第三阈值电压；当电池电压大于第三阈值电压且小于第一阈值电压时，检测模块输出第一比较结果，充电模块根据第一比较结果以第一电流值对电池进行充电；当电池电压大于第一阈值电压时，检测模块输出第二比较结果，充电模块根据第二比较结果和周期性脉冲信号以不同电流值交替对所述电池进行充电。根据本实用新型的电池充电电路，能够缩短电池在恒压充电过程所需的时间，从而加快电池充电时间。

Description

一种电池快速充电电路

技术领域

本实用新型涉及电源管理领域，尤其涉及一种电池快速充电电路。 

背景技术

目前大多数电池充电电路进行三段充电控制：预充电、恒流充电和恒压充电。其中，恒流充电通常都是以较大电流对锂电池进行充电，但较大电流会在锂电池的内阻产生很大的电压降，由此就容易导致在恒流充电过程中测得锂电池的电压已达到充满电压，然而锂电池的实际电压却远未达到充满电压。针对这种情况，通过恒流充电使锂电池实际电压达到一定高度之后，再采用恒压充电就显得十分重要。 

图1为现有技术的电池充电电路。当电池电压VBAT小于第三阈值电压VPRE（例如3V）时，第三比较器C3_pre输出的PRENB信号为低电平，PREN信号为高电平，开关S3导通，开关S1关断。第一运算放大器IA以0.1V为参考输入电压，调整使得PROG电压等于0.1V，此时参考电流（流经PMOS晶体管MP1的电流，也等于流经电阻RPROG的电流）等于0.1V/RPROG，其中RPROG为电阻Rprog的电阻值，第二运算放大器MA调整让PMOS晶体管MP2的电流等于PMOS晶体管MP1的电流的1000倍，即等于100/RPROG，此时为预充电。当电池电压VBAT大于第三阈值电压VPRE且电池电压VBAT低于第一阈值电压VREG时，反馈环路主要由第一运算放大器IA控制，此时PREN信号为低电平，PRENB为高电平，开关S1导通，开关S3关断，第一运算放大器IA以1V为参考输入电压，调整使得PROG电压等于1V，此时参考电流（流经PMOS晶体管MP1的电流，也等于流经电阻RPROG的电流）等于1V/RPROG，其中RPROG为电阻Rprog的电阻值，第二运算放大器MA调整让MP2的电流等于PMOS晶体管MP1的电流的1000倍，即等于1000/RPROG，此时为恒流充电。当电池电压VBAT电压接近或等于第一阈值电压VREG时，反馈环路由第三运算放大器VA控制，将电池电压VBAT调整至等于第一阈值电压VREG(例如4.2V)，随着电池被 继续充电，接近充满时，充电电流不断下降，此时为恒压充电。 

在恒压充电过程中，可以随着锂电池实际电压的逐渐升高而随之减小充电电流、直至锂电池的实际电压达到充满电压为止。然而，传统恒压充电都采用持续充电的方式，因而无法在恒压充电过程中测得锂电池的实际电压、即锂电池内阻不存在电压降时的电压，从而为了避免锂电池过充，就需要恒压充电所采用的充电电流平均值非常小，进而也就会导致恒压充电的过程极其漫长。 

为了缩短恒压充电所需的时间，有必要对传统恒压充电模式进行改进。 

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种电池快速充电的电路，以解决上述现有技术电池在恒压充电过程中存在的问题。 

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种电池快速充电电路，包括：充电模块和检测模块， 

所述检测模块将电池电压分别与第一阈值电压和第三阈值电压进行比较，所述第一阈值电压大于所述第三阈值电压； 

当所述电池电压大于所述第三阈值电压且小于第一阈值电压时，所述检测模块输出第一比较结果，所述充电模块根据所述第一比较结果以第一电流值对所述电池进行充电； 

当所述电池电压大于所述第一阈值电压时，所述检测模块输出第二比较结果，所述充电模块根据所述第二比较结果和周期性脉冲信号以不同电流值交替对所述电池进行充电。 

进一步的，当所述电池电压（VBAT）小于所述第三阈值电压（VPRE）时，输出第三比较结果，第一运算放大器（IA）根据所述第三比较结果控制所述充电模块（100）以第二电流值对电池（BAT1）进行充电；所述第二电流值小于所述第一电流值。 

进一步的，所述检测模块（200）包括第一比较器（Com1）和第三比较器（Com3），所述第一比较器（Com1）对电池电压(VBAT)与所述第一阈值电压（VREG）比较，所述第三比较器（Com3）对电池电压(VBAT)与第 三阈值电压（VPRE）比较。 

进一步的，所述充电模块（100）包括电流镜，所述电流镜包括第一支路和至少一个第二支路，所述第一支路提供基准电流，所述第二支路提供对电池（BAT1）充电的充电电流。 

进一步的，所述电路还包括第一开关（S1）和第一运算放大器（IA），所述充电模块（100）还包括电阻（Rprog），所述电阻（Rprog）连接在所述第一支路上，所述第一运算放大器（IA）的第一输入端连接在所述电阻（Rprog）的一端，所述第一运算放大器（IA）的第二输入端由参考电压通过所述第一开关（S1）连接，当第三比较结果在有效的时候接通所述第一开关（S1）；所述第一运算放大器（IA）的输出端连接到第一支路上，使得第一运算放大器（IA）形成一个负反馈关系。 

进一步的，所述充电模块（100）还包括第四开关（S4）和第五开关（S5），至少一个第二支路还包括第三支路，所述检测模块（200）在第二比较结果有效的时候选通周期性脉冲信号(PWM)信号，所述周期性脉冲信号(PWM)控制所述第四开关（S4）和第五开关（S5），使得所述第三支路交替接入电流镜和从电流镜断开。 

进一步的，所述检测模块（200）还包括D触发器（FFDR1），所述D触发器（FFDR1）与所述第一比较器（Com1）的输出端连接，所述检测模块（200）根据所述D触发器（FFDR1）的输出信号以及周期性脉冲信号(PWM)输出充电信号（VS4），所述充电信号（VS4）用于控制所述充电模块（100）以不同电流值交替对所述电池（BAT1）进行充电。 

进一步的，所述检测模块（200）还包括逻辑运算单元（210）和第二比较器（Com2），所述逻辑运算单元(210)与所述第一比较器（Com1）的输出端和所述第二比较器（Com2）的输出端连接，所述逻辑运算单元(210)根据所述第一比较器（Com1）和所述第二比较器（Com2）的比较结果以及周期性脉冲信号(PWM)输出电池结束充电信号（QEND）。 

进一步的，所述第一支路包括第一MOS晶体管（MP1）和第三MOS晶体管（MP3）,所述第二支路包括第二MOS晶体管（MP2），所述第一MOS晶体管（MP1）的漏极和所述第三MOS晶体管（MP3）的源连接第二 运算放大器（MA）的第一输入端，所述第二MOS晶体管（MP2）的漏极连接所述第二运算放大器（MA）的第二输入端，所述第二运算放大器（MA）的输出端与所述第三MOS晶体管（MP3）的栅极连接，所述第二运算放大器（MA）用于调整所述第一MOS晶体管（MP1）的漏极电压和所述第二MOS晶体管（MP2）的漏极电压相等。 

进一步的，所述电路还包括第一开关（S1）和第一运算放大器（IA），所述充电模块（100）包括电流镜，所述电流镜包括第一支路、第二支路和第三支路，所述第一支路利用所述第一运算放大器（IA）产生基准电流，所述第二支路和所述第三支路复制所述基准电流，并共同或单独对所述电池（BAT1）进行充电；所述充电模块（100）还包括电阻（Rprog），所述电阻（Rprog）连接在所述第一支路上，所述第一运算放大器（IA）的第一输入端连接在所述电阻（Rprog）的一端，所述第一运算放大器（IA）的第二输入端由参考电压通过所述第一开关（S1）连接，当第三比较结果在有效的时候接通所述第一开关（S1）；所述第一运算放大器（IA）的输出端连接到第一支路上，使得第一运算放大器（IA）形成一个负反馈关系； 

所述检测模块（200）包括第一比较器（Com1）和第三比较器（Com3），所述第三比较器（Com3）用于对所述电池电压（VBAT）与所述第三阈值电压（VPRE）进行比较，并输出所述第一比较结果，所述第一开关（S1）受控于所述第一比较结果；所述第一比较器（Com1）对所述电池电压（VBAT）与第一阈值电压（VREG）进行比较，并输出第二比较结果，所述电流镜根据所述第二比较结果以不同电流值交替对所述电池（BAT1）进行充电。 

根据本实用新型的电池充电电路，能够缩短电池在恒压充电过程所需的时间，从而加快电池充电时间。 

附图说明

图1为现有技术的电池充电电路结构示意图； 

图2为本实用新型实施例提供的一种电池快速充电电路结构示意图； 

图3为图1所示电路充电过程中电池电压和充电电流的变化示意图； 

图4为图2图示电路充电过程中电池电压和充电电流的变化示意图。 

具体实施方式

通过以下结合附图以举例方式对本实用新型的实施方式进行详细描述后，本实用新型的其他特征、特点和优点将会更加明显。 

图2为本实用新型实施例提供的一种电池快速充电电路结构示意图。如图2所示，该电路包括充电模块100和检测模块200。 

具体地，检测模块200包括第一比较器Com1、第二比较器Com2、第三比较器Com3，D触发器FFDR1和逻辑运算单元210。 

第一比较器Com1的正相输入端与电池电压VBAT连接，其反相输入端与第一阈值电压VREG连接，其输出端分别与D触发器FFDR1的一输入端和逻辑运算单元210连接，D触发器FFDR1的输出端QCPB与第三或门OR3一输入端连接，第三或门OR3另一输入端输入周期性数字信号PWM，第三或门OR3输出端与充电模块100连接，用于向其输出大/小电流交替充电状态标识信号VS4。 

第二比较器Com2的正向输入端与电池电压VBAT连接，其反相输入端与第二阈值电压VRCG连接，其输出端与逻辑运算单元210连接，当电池电压VBAT小于第二阈值电压VRCG时，则向逻辑运算单元210输出高电平VB信号。 

第三比较器Com3的正向输入端与电池电压VBAT连接，其反相输入端与第三阈值电压VPRE连接，其输出端输出PRENB信号，当电池电压VBAT小于第三阈值电压VPRE时，则第三比较器Com3输出的PRENB信号为低电位，PREN信号为高电位，此时，开关S1关断，开关S3导通。 

逻辑运算单元210包括第一或门OR1和第二或门OR2、第一与门AND1、第四反相器INV4和第五反相器INV5。其中，第一或门OR1的第一输入端与第二比较器Com2的输出端相连，第二输入端与第二或门OR2的输出端相连，其输出端分别与第五反相器INV5的输入端和第二或门OR2的一输入端连接；第二或门OR2的第二输入端与第一与门AND1的输出端连接；第一与门AND1的第一输入端与第一比较器Com1的输出端连接，第二输入端与第四反相器INV4的输出端连接；第四反相器INV4的输入端输入周期性 数字信号PWM，第五反相器INV5输出电池结束充电信号QEND。 

具体地，充电模块100包括电流镜，该电流镜包括由第一MOS晶体管MP1、第三MOS晶体管MP3和电阻Rprog构成的第一支路和由第二MOS晶体管MP2构成的第二支路、以及由第四MOS晶体管MP4构成的第三支路。第一支路提供基准电流，第二支路和第三支路提供对电池BAT1充电的电流。 

MOS晶体管MP1的漏极和MOS晶体管MP3的源连接第二运算放大器MA的第一输入端，MOS晶体管MP2的漏极连接第二运算放大器MA的第二输入端，第二运算放大器MA的输出端与MOS晶体管MP3的栅极连接，第二运算放大器MA用于调整MOS晶体管MP1的漏极电压和MOS晶体管MP2的漏极电压相等。 

进一步地，充电模块100还包括第四开关S4、第五开关S5和第一反相器INV1，MOS晶体管MP2的栅极和MOS晶体管MP4的栅极通过开关S4连接或断开，第四开关S4与第三或门OR3的输出端连接；MOS晶体管MP4的源极和栅极通过第五开关S5连接或断开，第五开关S5通过第1反相器INV1与第三或门OR3的输出端连接，第四开关S4和第五开关S5共同受控于由第三或门OR3输出的VS4信号。 

本实用新型实施例提供的快速充电电路还包括第一开关S1、第二开关S3和第一运算放大器IA，第一运算放大器IA的第一输入端连接在电阻Rprog的一端，其第二输入端连接第一开关S1和第二开关S3，第一运算放大器IA的输出端连接到第一支路上，使得第一运算放大器IA形成一个负反馈关系。第一运算放大器IA根据第三比较器Com3的比较结果确定第一开关S1和第二开关S3中的其中一个开关接通或断开。 

在上述描述中MOS晶体管MP1、MP3和MP4的宽长之比的比例设计为1：100：900，也可以设计1：50：950。 

图2所示的电池快速充电路工作过程如下： 

检测单元200检测电池电压VBAT值，当电池电压VBAT低于第三阈值电压VPRE（例如3V）时，第三比较器Com3输出PRENB信号（低电平），PRENB信号经过第二反相INV2后，输出PREN信号（高电平），此时， 开关S3导通，开关S1关断，0.1V的参考电压被连接到第一运算放大器IA的反向输入端，所构成的环路由第一运算放大器IA来控制，将PROG电压调整至等于0.1V，电路以100/RPROG的预充电电流对电池充电。当电池电压VBAT大于第三阈值VPRE，但小于第一阈值电压VREG时，充电电路处于恒流充电状态，电路以1000/RPROG的恒流充电电流对电池充电。对于上述预充电和恒流充电控制与现有技术相同。当电池电压VBAT高于第一阈值电压VREG后，本实用新型实施例提供的电流充电电路进入大/小电流交替充电状态（而现有技术为恒压充电状态）。当恒流充电状态下，出现电池电压VBAT高于第一阈值电压VREG时,第一比较器Com1输出的VA信号从低电平变成高电平，产生一个上升沿，D触发器FFDR1为上升沿触发的D触发器，将d端（即vcc电压：电源电压。表示高电平）锁入输出端QCP，即QCP变为高电平。QCP为大小电流交替充电状态标识信号，当其为高电平时，表示电路进入大/小电流交替充电状态。PWM信号为一周期性数字信号，例如其周期为50uS，其占空比为90%，即其高电平时间为45uS，其低电平时间为5uS。当QCP为高电平时，QCPB为其反相信号，为低电平，VS4信号与PWM信号相同，当VS4信号为高电平时，充电模块100中的开关S4导通，开关S5关断。因此，在大/小电流交替充电状态下，当PWM为高电平时，仍然维持以1000/RPROG(等于恒流充电状态下的充电电流)的电流对电池充电；当PWM为低电平时，仅以100/RPROG(等于恒流充电状态下充电电流的十分之一)的电流对电池充电。其原因在于，通过设计MPOS晶体管MP2与MPOS晶体管MP1的宽长比之比为100，MPOS晶体管MP2复制100倍的MPOS晶体管MP1电流；通过设计MPOS晶体管MP4与MPOS晶体管MP1的宽长比之比为900，MPOS晶体管MP2复制900倍的MPOS晶体管MP1电流。当PWM为低电平且处于大/小电流交替充电状态下时，MPOS晶体管MP4被关断，此时，仅MPOS晶体管MP2对电池进行充电。图2中MP1、MP2、MP4构成电流镜，他们都参与工作时（当S4导通时，他们的栅极电压都相等，同时复制运算放大器调整使得MP1的漏极电压DMP1等于MP2和MP4的漏极电压(VBAT)，三者的源极电压都相等(vcc电压)，其电流比例等于其宽长比之比。 

当电路处于大/小电流交替充电状态时，随着不断充电，电池电压VBAT 继续上升，当电池电压VBAT上升至PWM信号为低电平阶段时仍大于第一阈值电压VREG时，则表明电池接近充满，此时，VA信号为高电平，第四反相器INV4输出高电平，第一与门则输出的信号VC为高电平，而第二比较器Com2输出的VB信号为低电平，VRCG为重新充电阈值（一般低于VREG约100mV，例如4.1V）。当VC信号为高电平，VB信号为低电平时，逻辑运算电路210输出的QEND信号变为高电平，表示进入充电结束状态。 

第二比较器Com2用来比较电池电压VBAT与第二阈值电压VRCG（重新充电阈值，例如4.1V，一般低于VREG约100mV），当由于外部耗电导致电池电压VBAT低于第二阈值电压VRCG时，VB信号变为高电平，D触发器FFDR1为高电平复位，当VB为高电平时，QCP被复位为低电平，同时QEND也被复位为低电平，从而使电路退出充电结束状态，处于恒流充电状态。 

图3描述了现有技术的充电过程中电池电压VBAT的电压变化和充电电流IBAT的变化。T1时间段为预充电状态，T2时间段为恒流充电状态，T3为恒压充电状态。 

图4描述了根据本实用新型实施例提供的电池在充电过程中电池电压VBAT的电压变化和充电电流IBAT的变化。T1时间段为预充电状态，T2时间段为恒流充电状态，T3为大小电流交替充电状态。在大/小电流交替充电状态下，当大电流减小到小电流时，由于电池内阻的存在，小电流时VBAT电压比大电流时小。当小电流时的电池电压VBAT大于第三阈值电压VREG时，则电池充电结束，将充电电流减小为零。在本实用新型实施例中，T3时间段中，小电流充电时的小电流值可以设置为恒流充电电流的5%或10%。需要说明的是，在T3时间段未出现零充电电流，以避免零充电电流导致停止充电，引起锂电池记忆效应，减小电池寿命的问题。 

本实用新型实施例提供的电池充电电路，能够缩短电池在恒压充电过程所需的时间，从而加快电池充电。 

显而易见，在不偏离本实用新型的真实精神和范围的前提下，在此描述的本实用新型可以有许多变化。因此，所有对于本领域技术人员来说显而易见的改变，都应包括在本权利要求书所涵盖的范围之内。本实用新型所要求保护的范围仅由所述的权利要求书进行限定。 

Claims (10)

1.一种电池快速充电电路，其特征在于，包括：充电模块（100）和检测模块（200）， 

所述检测模块（200）将电池电压（VBAT）分别与第一阈值电压（VREG）和第三阈值电压（VPRE）进行比较，所述第一阈值电压（VREG）大于所述第三阈值电压（VPRE）； 

当所述电池电压（VBAT）大于所述第三阈值电压（VPRE）且小于第一阈值电压（VPEG）时，所述检测模块（200）输出第一比较结果，所述充电模块（100）根据所述第一比较结果以第一电流值对所述电池（BAT1）进行充电； 

当所述电池电压（VBAT）大于所述第一阈值电压（VPRE）时，所述检测模块（200）输出第二比较结果，所述充电模块（100）根据所述第二比较结果和周期性脉冲信号(PWM)以不同电流值交替对所述电池（BAT1）进行充电。 

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于：当所述电池电压（VBAT）小于所述第三阈值电压（VPRE）时，输出第三比较结果，第一运算放大器（IA）根据所述第三比较结果控制所述充电模块（100）以第二电流值对电池（BAT1）进行充电；所述第二电流值小于所述第一电流值。 

3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于：所述检测模块（200）包括第一比较器（Com1）和第三比较器（Com3），所述第一比较器（Com1）对电池电压(VBAT)与所述第一阈值电压（VREG）比较，所述第三比较器（Com3）对电池电压(VBAT)与第三阈值电压（VPRE）比较。 

4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于：所述充电模块（100）包括电流镜，所述电流镜包括第一支路和至少一个第二支路，所述第一支路提供基准电流，所述第二支路提供对电池（BAT1）充电的充电电流。 

5.根据权利要求4所述的电路，其特征在于：还包括第一开关（S1）和第一运算放大器（IA），所述充电模块（100）还包括电阻（Rprog），所述电阻（Rprog）连接在所述第一支路上，所述第一运算放大器（IA）的第一输入端连接在所述电阻（Rprog）的一端，所述第一运算放大器（IA）的 第二输入端由参考电压通过所述第一开关（S1）连接，当第三比较结果在有效的时候接通所述第一开关（S1）；所述第一运算放大器（IA）的输出端连接到第一支路上，使得第一运算放大器（IA）形成一个负反馈关系。 

6.根据权利要求4所述的电路，其特征在于：所述充电模块（100）还包括第四开关（S4）和第五开关（S5），至少一个第二支路还包括第三支路，所述检测模块（200）在第二比较结果有效的时候选通周期性脉冲信号(PWM)信号，所述周期性脉冲信号(PWM)控制所述第四开关（S4）和第五开关（S5），使得所述第三支路交替接入电流镜和从电流镜断开。 

7.根据权利要求3所述电路，其特征在于，所述检测模块（200）还包括D触发器（FFDR1）， 

所述D触发器（FFDR1）与所述第一比较器（Com1）的输出端连接，所述检测模块（200）根据所述D触发器（FFDR1）的输出信号以及周期性脉冲信号(PWM)输出充电信号（VS4），所述充电信号（VS4）用于控制所述充电模块（100）以不同电流值交替对所述电池（BAT1）进行充电。 

8.根据权利要求3或7所述的电路，其特征在于，所述检测模块（200）还包括逻辑运算单元（210）和第二比较器（Com2）， 

所述逻辑运算单元(210)与所述第一比较器（Com1）的输出端和所述第二比较器（Com2）的输出端连接，所述逻辑运算单元(210)根据所述第一比较器（Com1）和所述第二比较器（Com2）的比较结果以及周期性脉冲信号(PWM)输出电池结束充电信号（QEND）。 

9.根据权利要求4所述的电路，其特征在于：所述第一支路包括第一MOS晶体管（MP1）和第三MOS晶体管（MP3）,所述第二支路包括第二MOS晶体管（MP2），所述第一MOS晶体管（MP1）的漏极和所述第三MOS晶体管（MP3）的源连接第二运算放大器（MA）的第一输入端，所述第二MOS晶体管（MP2）的漏极连接所述第二运算放大器（MA）的第二输入端，所述第二运算放大器（MA）的输出端与所述第三MOS晶体管（MP3）的栅极连接，所述第二运算放大器（MA）用于调整所述第一MOS晶体管（MP1）的漏极电压和所述第二MOS晶体管（MP2）的漏极电压相等。 

10.根据权利要求1所述的电路，其特征在于：所述电路还包括第一开 关（S1）和第一运算放大器（IA），所述充电模块（100）包括电流镜，所述电流镜包括第一支路、第二支路和第三支路，所述第一支路利用所述第一运算放大器（IA）产生基准电流，所述第二支路和所述第三支路复制所述基准电流，并共同或单独对所述电池（BAT1）进行充电； 

所述充电模块（100）还包括电阻（Rprog），所述电阻（Rprog）连接在所述第一支路上，所述第一运算放大器（IA）的第一输入端连接在所述电阻（Rprog）的一端，所述第一运算放大器（IA）的第二输入端由参考电压通过所述第一开关（S1）连接，当第三比较结果在有效的时候接通所述第一开关（S1）；所述第一运算放大器（IA）的输出端连接到第一支路上，使得第一运算放大器（IA）形成一个负反馈关系； 

所述检测模块（200）包括第一比较器（Com1）和第三比较器（Com3），所述第三比较器（Com3）用于对所述电池电压（VBAT）与所述第三阈值电压（VPRE）进行比较，并输出所述第一比较结果，所述第一开关（S1）受控于所述第一比较结果；所述第一比较器（Com1）对所述电池电压（VBAT）与第一阈值电压（VREG）进行比较，并输出第二比较结果，所述电流镜根据所述第二比较结果以不同电流值交替对所述电池（BAT1）进行充电。 

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