CN207490557U - 模式自动切换的单环路充电电路和充电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种模式自动切换的单环路充电电路和充电装置，其中单环路充电电路包括：级联二极管串、P型MOS管、N型MOS管、第一反馈电阻、第二反馈电阻和运算放大器；级联二极管串的正负极分别与P型MOS管和N型MOS管相连，运算放大器的同相输入端连接基准电压，运放的反向输入端与第一反馈电阻和第二反馈电阻相连，第一反馈电阻和P型MOS管的漏极相连，运算放大器的输出端与N型MOS管的栅极相连。通过本实用新型的技术方案，简化了充电电路，提高了充电系统的效率，提高了从恒流充电模式切换到恒压充电模式的平滑性，提高了充电过程的稳定性，减小了对电池的伤害。

Description

模式自动切换的单环路充电电路和充电装置

技术领域

本实用新型涉及充电技术领域，尤其涉及一种模式自动切换的单环路充电电路和一种模式自动切换的充电装置。

背景技术

目前，随着电子技术的进步，便携式产品以及其它移动电池操作设备(例如：手机、笔记本电脑、摄像机等)的普及，导致充电电池的市场成长迅速，相应的各种电池充电器也具有非常广阔的应用前景。

业内主流的充电器都是采用恒流/恒压(CC/CV)方式对电池进行充电。目前的技术中，充电电路基本都是双充电环路，恒流充电环路和恒压充电环路独立工作，且要求同一时刻只能有一个环路处于工作状态，由环路选择模块来决定哪个环路工作。如图1和图2所示，一般来说，当电池电压低于恒压门限电压(浮充电压)的时候，环路选择模块打开恒流环路，关闭恒压环路，对电池恒流充电；当电池电压达到恒压门限电压(浮充电压)的时候，环路选择模块关闭恒流环路，打开恒压环路，切换到恒压充电模式。由于两个环路独立工作，所以在切换的过程中就一定会有过渡期，然而，众所周知的，因为工艺制程因素的变动影响，比较器和运算放大器实际上无法完全相同，这意味着在两个模式之间切换时可能无法很平顺，很容易造成瞬间过冲和振荡，如果两种充电模式之间的切换方式存在缺陷的话，就会影响充电器的性能。一个普遍采用的解决方案是采用迟滞比较器来消除振荡，但是可能无法避免模式切换时的瞬时过冲，另外如果迟滞范围过大，可能进入恒压模式过度延迟，导致电池过热，而迟滞范围过小，可能仍存在振荡。

实用新型内容

针对上述问题中存在的不足之处，本实用新型提供了一种模式自动切换的单环路充电电路和充电装置，采用单充电环路，结构简单，不需要比较器或其他复杂电路，提高了充电系统的效率，并且充电模式自动平滑地从恒流充电模式切换到恒压充电模式，没有过冲和振荡，提高了充电过程的稳定性，减小了对电池的伤害。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种模式自动切换的单环路充电电路，用于向电池充电，包括：级联二极管串D₁、D₂…D_n、P型MOS管MP₁、N型MOS管MN₁、第一反馈电阻R1、第二反馈电阻R2和运算放大器OP；所述P型MOS管MP₁的漏极与所述电池的正极相连，所述P型MOS管MP₁的源极和栅极分别与所述级联二极管串D₁、D₂…D_n的正极和负极相连，所述P型MOS管MP₁的源极与所述级联二极管串D₁、D₂…D_n的正极和供电电压相连，所述级联二极管串D₁、D₂…D_n的负极与所述N型MOS管MN₁的源极相连，所述N型MOS管MN₁的漏极接地；所述运算放大器OP的同相输入端连接基准电压，所述运算放大器OP的反向输入端与所述第一反馈电阻R1的一端相连，所述第一反馈电阻R1的另一端与所述P型MOS管MP1的漏极相连，所述第二反馈电阻R2串联于所述运算放大器OP的反相输入端与接地端之间，所述运算放大器OP的输出端与所述N型MOS管MN₁的栅极相连，所述运算放大器OP的电源端与所述供电电压相连。

在上述技术方案中，优选地，上述模式自动切换的单环路充电电路还包括：第一限流电阻RS₁和第二限流电阻RS₂；所述第一限流电阻RS₁串联于所述P型MOS管MP₁的栅极和所述N型MOS管MN₁的漏极之间，所述第二限流电阻RS₂串联于所述N型MOS管MN₁的源极与接地端之间。

在上述技术方案中，优选地，上述模式自动切换的单环路充电电路还包括采样电阻Rs，所述采样电阻Rs的一端与所述电池的正极相连，所述采样电阻Rs的另一端与所述P型MOS管MP₁的漏极和所述第一反馈电阻R₁的一端相连。

在上述技术方案中，优选地，所述级联二极管串D₁、D₂…D_n的二极管的数量根据所述P型MOS管MP₁的类型尺寸和恒流充电电流确定。

在上述技术方案中，优选地，所述P型MOS管MP₁替换为至少两个成比例并联连接的P型MOS管MP₁，并联连接的源极与所述供电电压相连，并联连接的漏极与所述采样电阻Rs相连，并联连接的至少两个所述P型MOS管MP₁的栅极分别与开关的两端相连，所述开关的另一端与所述供电电压相连。

在上述技术方案中，优选地，所述P型MOS管MP₁和所述N型MOS管MN₁分别替换为P型LDMOS和N型LDMOS。

在上述技术方案中，优选地，所述P型MOS管MP₁和所述N型MOS管MN₁分别替换为PNP型IGBT和NPN型IGBT。

本实用新型还提出了一种模式自动切换的充电装置，包括：电压转换模块、充电控制模块和单环路充电模块；所述电压转换模块包括整流电路和变压电路，所述整流电路的输入端与市电相连，所述整流电路的输出端与变压电路的输入端相连，所述变压电路的输入端与所述单环路充电模块的输入端相连，所述单环路充电模块的输出端与电池相连；所述单环路充电模块包括上述实用新型内容中任一项所述的模式自动切换的单环路充电电路；所述充电控制模块包括充电状态判断电路和充电保护电路，所述充电状态判断电路和所述充电保护电路分别与所述单环路充电电路配合连接。

在上述技术方案中，优选地，所述充电状态判断电路包括预充电判断电路、充电终止判断电路和再充电判断电路，所述充电保护电路包括过温保护电路和充电时间保护电路，所述预充电判断电路、所述充电终止判断电路、所述再充电判断电路、所述过温保护电路和所述充电时间保护电路分别与所述单环路充电电路配合连接。

在上述技术方案中，优选地，上述模式自动切换的充电装置还包括：辅助电路模块，所述辅助电路模块包括基准电路、启动电路和振荡电路，所述基准电路、所述启动电路和所述振荡电路分别与所述电压转换模块、所述充电控制模块和所述单环路充电模块相配合连接。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：通过采用单充电环路，结构简单，不需要比较器或其他复杂电路，提高了充电系统的效率，并且充电模式自动平滑地从恒流充电模式切换到恒压充电模式，没有过冲和振荡，提高了充电过程的稳定性，减小了对电池的伤害。

附图说明

图1为现有技术中双充电环路的电路连接示意图；

图2为现有技术中双充电环路的结构示意框图；

图3为本实用新型一种实施例公开的模式自动切换的单环路充电电路的电路连接示意图；

图4为本实用新型一种实施例公开的模式自动切换的单环路充电电路的结构示意框图；

图5为本实用新型又一种实施例公开的模式自动切换的单环路充电电路的电路连接示意图；

图6为本实用新型一种实施例公开的单环路充电电路的充电时序状态示意图；

图7为本实用新型一种实施例公开的MOS管的替换结构的连接示意图；

图8为本实用新型一种实施例公开的模式自动切换的充电装置的结构示意框图。

图中，各组件与附图标记之间的对应关系为：

10.电池，11.电压转换模块，111.整流电路，112.变压电路，12.单环路充电模块，13.充电控制模块，13A.充电状态判断电路，13B.充电保护电路，131.预充电判断电路，132.过温保护电路，133.充电时间保护电路，134.充电终止判断电路，135.再充电判断电路，14.辅助电路模块，141.基准电路，142.启动电路，143.振荡电路。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细描述：

如图3和图4所示，根据本实用新型提供的一种模式自动切换的单环路充电电路，用于向电池充电，包括：级联二极管串D₁、D₂…D_n、P型MOS管MP₁、N型MOS管MN₁、第一反馈电阻R1、第二反馈电阻R2和运算放大器OP；P型MOS管MP₁的漏极与电池的正极相连，P型MOS管MP₁的源极和栅极分别与级联二极管串D₁、D₂…D_n的正极和负极相连，P型MOS管MP₁的源极与级联二极管串D₁、D₂…D_n的正极和供电电压相连，级联二极管串D₁、D₂…D_n的负极与N型MOS管MN₁的源极相连，N型MOS管MN₁的漏极接地；运算放大器OP的同相输入端连接基准电压，运算放大器OP的反向输入端与第一反馈电阻R1的一端相连，第一反馈电阻R1的另一端与P型MOS管MP1的漏极相连，第二反馈电阻R2串联于运算放大器OP的反相输入端与接地端之间，运算放大器OP的输出端与N型MOS管MN₁的栅极相连，运算放大器OP的电源端与供电电压相连。

在该实施例中，模式自动切换的单环路充电电路类似于传统的CV(恒压)模式，在一个线性稳压器LDO的环路上，添加级联二极管串D₁、D₂…D_n(n为二极管级联数量)。在充电过程中，恒流模式和恒压模式自动切换。

具体地，恒流模式的具体过程为：当电池电压低于恒压门限电压(浮充电压)的时候，反馈电压V_FB也较低，运算放大器OP作为误差放大器，其输出较高，N型MOS管MN₁支路的电流较大，此时级联二极管串D₁、D₂…D_n正向导通，由于二极管正向导通的箝位作用，P型MOS管MP₁的栅源电压V_GS等于n×V_on，选取合适的类型尺寸，P型MOS管MP₁工作在饱和区，此时的充电电流为：

I_charge＝(1/2)×μ×C_ox×(W/L)×(n×V_on-V_th)²

其中n为二极管级联数量，V_on为二极管正向导通压降，V_th为阈值电压，W为栅宽，L为栅长，μ为载流子迁移率，C_ox为单位面积栅氧化层电容，都是定值或工艺常数，此时充电电流保持恒定，电路工作在恒流模式。

具体地，恒压模式的具体过程为：当电池电压达到恒压门限电压(浮充电压)的时候，反馈电压V_FB也较高，误差放大器的输出较低，N型MOS管MN₁支路的电流较小，此时级联二极管串D₁、D₂…D_n关闭，级联二极管串D₁、D₂…D_n等效为一个大电阻，与N型MOS管MN₁一起组成了一个共源放大电路，此时环路工作原理与典型LDO类似，基准电压V_ref和反馈电压V_FB的差值经误差放大器放大后，驱动下一级共源放大电路，控制输出功率管P型MOS管MP₁，使输出电压维持在设定值，电路工作在恒压模式。

其中，对选定的供电电压VCC，通过设置二极管级联数量n，P型MOS管MP₁选取合适的类型尺寸，来确认恒流充电电流。在过渡阶段，随着电池电压的升高，N型MOS管MN₁支路的电流降低，级联二极管串D₁、D₂…D_n自动逐渐关闭，由于二极管器件本身的正向特性，其特性曲线是平滑的，所以P型MOS管MP₁的栅极电压变化也是平滑的，充电电路的输出变化也是平滑的，即从恒流充电到恒压充电的过程中可以自动平滑切换并且没有过冲。

其中，第一反馈电阻R1和第二反馈电阻R2在运算放大器OP、P型MOS管MP1和接地端之间形成反馈网络，通过反馈网络设置适当的反馈电压V_FB，MN₁选取合适的类型尺寸，以确认恒压门限电压。

如图5和图6所示，在上述实施例中，优选地，上述模式自动切换的单环路充电电路还包括：第一限流电阻RS₁和第二限流电阻RS₂；第一限流电阻RS₁串联于P型MOS管MP₁的栅极和N型MOS管MN₁的漏极之间，第二限流电阻RS₂串联于N型MOS管MN₁的源极与接地端之间。

在该实施例中，选取第一限流电阻RS₁和第二限流电阻RS₂用来限制功耗，选取适当的RS₁和RS₂，还可以减小温度对二极管正向导通压降V_on的影响。

在上述实施例中，优选地，上述模式自动切换的单环路充电电路还包括采样电阻Rs，采样电阻Rs的一端与电池的正极相连，采样电阻Rs的另一端与P型MOS管MP₁的漏极和第一反馈电阻R₁的一端相连。

在该实施例中，选取采样电阻Rs用来采样充电电流，对Rs两端电压进行采样，可将电流信号转变为电压信号，放大后，与基准电压V_REF相比较，作为电池充电状态的一个判断依据。例如，在恒压模式下，充电电流逐渐减小，当Rs两端电压低于设定值(即充电电流低于设定值)时，比较器输出翻转，发出充电终止信号，控制电路关闭整个充电环路，充电完成。

在上述实施例中，优选地，级联二极管串D₁、D₂…D_n的二极管的数量根据P型MOS管MP₁的类型尺寸和恒流充电电流确定。

在该实施例中，对选定的供电电压VCC，通过设置二极管级联数量n，P型MOS管MP₁选取合适的类型尺寸，来确认恒流充电电流。具体地，当电池电压低于恒压门限电压(浮充电压)的时候，反馈电压V_FB也较低，运算放大器OP作为误差放大器，其输出较高，N型MOS管MN₁支路的电流较大，此时级联二极管串D₁、D₂…D_n正向导通，由于二极管正向导通的箝位作用，P型MOS管MP₁的栅源电压V_GS等于n×V_on，选取合适的类型尺寸，P型MOS管MP₁工作在饱和区，此时的充电电流为：

I_charge＝(1/2)×μ×C_ox×(W/L)×(n×V_on-V_th)²

其中n为二极管级联数量，V_on为二极管正向导通压降，V_th为阈值电压，W为栅宽，L为栅长，μ为载流子迁移率，C_ox为单位面积栅氧化层电容，都是定值或工艺常数，此时充电电流保持恒定，电路工作在恒流模式。

如图7所示，在上述实施例中，优选地，P型MOS管MP₁替换为至少两个成比例并联连接的P型MOS管MP₁，并联连接的源极与供电电压相连，并联连接的漏极与采样电阻Rs相连，并联连接的至少两个所述P型MOS管MP₁的栅极分别与开关的两端相连，所述开关的另一端与所述供电电压相连。

在该实施例中，将电路中的P型MOS管MP₁替换为数量为x的成比例(m₁:m₂…:m_x)同类型管子MP₀₁MP₀₂…MP_x，通过开关控制打开(栅极连接VG)和关闭(栅极连接电源)，从而可以成比例的调节恒流充电电流。具体数量x和比例m₁:m₂…:m_x，以及开关条件，可根据本实用新型的具体应用情况自行设定。例如，常见的涓流充电功能，可取x＝2，m₁:m₂＝1:9，当电池电压低于预充电门限电压的时候，打开MP₀₁关闭MP₀₂，涓流充电电流为0.1C；当电池电压达到预充电门限电压的时候，同时打开MP₀₁和MP₀₂，恒流充电电流为1C。

在上述实施例中，优选地，将P型MOS管MP₁和N型MOS管MN₁分别替换为P型LDMOS和N型LDMOS，或其他类型的可集成功率器件，或者将P型MOS管MP₁和N型MOS管MN₁分别替换为PNP型IGBT和NPN型IGBT，或其他类型的分立功率元件。

在该实施例中，基础电路里的MOS管可以替换为其他类型的压控器件，例如IGBT等分立元件，或者LDMOS等可集成功率器件，来满足不同的应用需求。另外，充电环路的电源电压VCC可采用高压供电，而运算放大器OP及内部模块的电源电压VDD仍为低压供电，从而满足高电压充电应用。例如，采用60V高压BCD工艺，VCC采用60V供电，VDD仍为传统工艺5V供电，MN1和MP1替换为高压LDMOS，即可实现高压集成充电器，满足48V电动车电池充电需求。

如图8所示，本实用新型还提出了一种模式自动切换的充电装置，包括：电压转换模块11、充电控制模块13和单环路充电模块12；电压转换模块11的输入端与市电相连，电压转换模块11的输出端与单环路充电模块12的输入端相连，单环路充电模块12的输出端与电池10相连，充电控制模块13与单环路充电模块12相连；电压转换模块11包括整流电路111和变压电路112，整流电路111的输入端与市电相连，整流电路111的输出端与变压电路112的输入端相连，变压电路112的输入端与单环路充电模块12的输入端相连；单环路充电模块12包括上述实施例中任一项提出的模式自动切换的单环路充电电路；所述充电控制模块13包括充电状态判断电路13A和充电保护电路13B，充电状态判断电路13A和充电保护电路13B分别与单环路充电电路配合连接。

在上述实施例中，优选地，充电状态判断电路13A包括预充电判断电路131、充电终止判断电路134和再充电判断电路135，充电保护电路13B包括过温保护电路132和充电时间保护电路133，预充电判断电路131、充电终止判断电路134、再充电判断电路135、过温保护电路132和充电时间保护电路133分别与单环路充电电路配合连接。

在该实施例中，模式自动切换的充电装置中，电压转换模块11中的整流电路111将交流电转换为直流电，变压电路112将高电压转换为需要的低电压，转换后的电压作为供电电压提供给单环路充电电路，单环路充电电路自动将供电电压分为恒流充电模式和恒压充电模式对电池10进行充电。充电过程中，充电状态判断电路13A中的预充电判断电路131、充电终止判断电路134和再充电判断电路135对充电过程中的充电状态进行判断，以对充电进程进行控制，即在充电初期利用预充电判断电路131对电池进行预充电，防止瞬间大电流对电池造成损害，充电完成后充电终止判断电路134终止对电池的充电过程，在电池电量低于预设电量时，再充电判断电路135继续对电池进行充电。充电过程中，充电保护电路13B中的过温保护电路132和充电时间保护电路133对充电过程进行保护，在电池温度高于预设温度值或充电时间超出预设时间时，停止对电池充电。通过充电控制模块13对充电过程的进行进行控制，防止充电过程瞬间电流较大、充电温度较高、充电时间过长对电池10产生伤害，影响电池10的使用寿命。其中，预充电判断电路131、过温保护电路132、充电时间保护电路133、充电终止判断电路134和再充电判断电路135均为现有技术，其电路连接方式、电路原理以及其与充电环路的连接方式属于本领域常规技术手段，因此，上述各控制电路以模块化的电路进行撰写，在本实用新型的具体实践过程中自行设计使用，在此不再赘述。

在上述实施例中，优选地，上述模式自动切换的充电装置还包括：辅助电路模块14，辅助电路模块14包括基准电路141、启动电路142和振荡电路143，基准电路141、启动电路142和振荡电路143分别与电压转换模块11、充电控制模块13和单环路充电模块12相配合连接。

在该实施例中，辅助电路模块14包括基准电路141、启动电路142和振荡电路143，基准电路141用于为单环路充电电路和充电控制模块13提供基准电压，启动电路142用于为模式自动切换的充电装置提供复位信号以及过压欠压保护，振荡电路143为充电时间保护电路133和电压转换提供时钟信号。

以上所述为本实用新型的实施方式，考虑到现有技术中双环路充电电路切换过程引起振荡、迟滞导致对充电过程造成影响的技术问题，本实用新型提出了一种模式自动切换的单环路充电电路和充电装置，采用单充电环路，结构简单，不需要比较器或其他复杂电路，提高了充电系统的效率，并且充电模式自动平滑地从恒流充电模式切换到恒压充电模式，没有过冲和振荡，提高了充电过程的稳定性，减小了对电池的伤害。

以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模式自动切换的单环路充电电路，用于向电池充电，其特征在于，包括：级联二极管串D₁、D₂…D_n、P型MOS管MP₁、N型MOS管MN₁、第一反馈电阻R1、第二反馈电阻R2和运算放大器OP；

所述P型MOS管MP₁的漏极与所述电池的正极相连，所述P型MOS管MP₁的源极和栅极分别与所述级联二极管串D₁、D₂…D_n的正极和负极相连，所述P型MOS管MP₁的源极与所述级联二极管串D₁、D₂…D_n的正极和供电电压相连，所述级联二极管串D₁、D₂…D_n的负极与所述N型MOS管MN₁的源极相连，所述N型MOS管MN₁的漏极接地；

所述运算放大器OP的同相输入端连接基准电压，所述运算放大器OP的反向输入端与所述第一反馈电阻R1的一端相连，所述第一反馈电阻R1的另一端与所述P型MOS管MP1的漏极相连，所述第二反馈电阻R2串联于所述运算放大器OP的反相输入端与接地端之间，所述运算放大器OP的输出端与所述N型MOS管MN₁的栅极相连，所述运算放大器OP的电源端与所述供电电压相连。

2.根据权利要求1所述的模式自动切换的单环路充电电路，其特征在于，还包括：第一限流电阻RS1和第二限流电阻RS2；所述第一限流电阻RS1串联于所述P型MOS管MP₁的栅极和所述N型MOS管MN₁的漏极之间，所述第二限流电阻RS2串联于所述N型MOS管MN₁的源极与接地端之间。

3.根据权利要求1或2所述的模式自动切换的单环路充电电路，其特征在于，还包括采样电阻Rs，所述采样电阻Rs的一端与所述电池的正极相连，所述采样电阻Rs的另一端与所述P型MOS管MP1的漏极和所述第一反馈电阻R1的一端相连。

4.根据权利要求1所述的模式自动切换的单环路充电电路，其特征在于，所述级联二极管串D₁、D₂…D_n的二极管的数量根据所述P型MOS管MP₁的类型尺寸和恒流充电电流确定。

5.根据权利要求3所述的模式自动切换的单环路充电电路，其特征在于，所述P型MOS管MP₁替换为至少两个成比例并联连接的P型MOS管MP₁，并联连接的源极与所述供电电压相连，并联连接的漏极与所述采样电阻Rs相连，并联连接的至少两个所述P型MOS管MP₁的栅极分别与开关的两端相连，所述开关的另一端与所述供电电压相连。

6.根据权利要求1所述的模式自动切换的单环路充电电路，其特征在于，所述P型MOS管MP₁和所述N型MOS管MN₁分别替换为P型LDMOS和N型LDMOS。

7.根据权利要求1所述的模式自动切换的单环路充电电路，其特征在于，所述P型MOS管MP₁和所述N型MOS管MN₁分别替换为PNP型IGBT和NPN型IGBT。

8.一种模式自动切换的充电装置，用于向电池充电，其特征在于，包括：电压转换模块、充电控制模块和单环路充电模块；

所述电压转换模块包括整流电路和变压电路，所述整流电路的输入端与市电相连，所述整流电路的输出端与变压电路的输入端相连，所述变压电路的输入端与所述单环路充电模块的输入端相连，所述单环路充电模块的输出端与电池相连；

所述单环路充电模块包括权利要求1至7中任一项所述的模式自动切换的单环路充电电路；

所述充电控制模块包括充电状态判断电路和充电保护电路，所述充电状态判断电路和所述充电保护电路分别与所述单环路充电电路配合连接。

9.根据权利要求8所述的模式自动切换的充电装置，其特征在于，所述充电状态判断电路包括预充电判断电路、充电终止判断电路和再充电判断电路，所述充电保护电路包括过温保护电路和充电时间保护电路，所述预充电判断电路、所述充电终止判断电路、所述再充电判断电路、所述过温保护电路和所述充电时间保护电路分别与所述单环路充电电路配合连接。

10.根据权利要求8所述的模式自动切换的充电装置，其特征在于，还包括：辅助电路模块，所述辅助电路模块包括基准电路、启动电路和振荡电路，所述基准电路、所述启动电路和所述振荡电路分别与所述电压转换模块、所述充电控制模块和所述单环路充电模块相配合连接。