CN219643602U - 低成本大电流充电电路 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种低成本大电流充电电路，包括充电输入端VCHG、系统主芯片U1、电流镜像电路与电池Battery，电流镜像电路包括电流均衡模块、第一三极管充电电路Model1与第二三极管充电电路Model2，充电输入端VCHG还通过电流均衡模块分别与第一三极管充电电路Model1与第二三极管充电电路Model2的输入端相连，第二三极管充电电路Model2与系统主芯片U1中VDRIVE信号引脚相连，第一三极管充电电路Model1和第二三极管充电电路Model2中的输出端通过电阻R3与电池Battery正极相连。本实用新型利用电流镜像电路，在仅增加少数外围元器件的情况下，即可提供两路充电电流相同的三极管充电电路，以确保总充电电流能够达到快充级别。

Description

低成本大电流充电电路
技术领域
本实用新型涉及锂电池充电技术领域，具体涉及一种低成本大电流充电电路。
背景技术
锂电池具有体积小、容量大、重量轻、无污染、单节电压高、自放电率低、电池循环次数多等优点，凭借上述优势，锂电池被广泛应用于各种移动设备中，例如：穿戴设备，手持移动设备，智能家居或者其他智能终端设备。
在现有技术中对于锂电池充电电路，通常采用开关充电或线性开关充电的设计，其中，线性充电方案具有体积小、易于使用、成本低廉的优点，且无需任何切换，线性充电方案的电源抑制比较高，所以可适用于噪声敏感的应用，而开关充电则以其高效率而闻名，并可在输入适配器电压的广泛变量下最小化功耗；将线性充电方案与开关充电方案相比，开关充电方案中附加电感和电容会消耗更多的电路板空间，增加了BOM成本和设计复杂性，因此，线性充电广泛应用于一些小电池的电池充电方案中。
但是，现有技术中的锂电池线性充电电路，如图1所示，包括有充电端、电池B1、系统主芯片U2、NMOS管Q6和三极管Q5，充电端与系统主芯片U2的VCHG_D信号引脚相连，充电端还与三极管Q5的发射极相连，三极管Q5的基极与NMOS管Q6的漏极相连，NMOS管Q6的源极与系统主芯片U2的VDRIVE信号引脚相连，NMOS管Q6的栅极与系统主芯片U2的VCHG_D信号引脚相连，三极管Q5的集电极与电池B1的正极相连，电池B1的负极接地。
缺点在于：仅通过一路三极管充电电路对电池B1进行充电，充电电流小，充电效率较低、当提高充电电流时，对于三极管的损耗较大，发热严重。
发明内容
为了解决上述问题，本实用新型提供了一种充电电流为现有技术中线性充电电路的两倍且具备均流功能，使各个支路充电电流相等的低成本大电流充电电路。
为了达到上述目的，本实用新型设计的低成本大电流充电电路，包括充电输入端VCHG、系统主芯片U1、电流镜像电路与电池Battery，所述的电流镜像电路包括电流均衡模块、第一三极管充电电路Model1与第二三极管充电电路Model2，所述充电输入端VCHG与系统主芯片U1中的VCHG_D信号引脚相连，充电输入端VCHG还通过电流均衡模块分别与第一三极管充电电路Model1与第二三极管充电电路Model2的输入端相连，所述第二三极管充电电路Model2与系统主芯片U1中的VDRIVE信号引脚相连，第一三极管充电电路Model1和第二三极管充电电路Model2中的输出端通过电阻R3与电池Battery的正极相连，电池Battery的负极通过电阻R4接地，电阻R3两端与系统主芯片U1中电流检测模块的ISENSE信号引脚与VBAT信号引脚相连，电阻R4两端与系统主芯片U1中电量检测模块的SENSEN信号引脚与SENSEP信号引脚相连。
进一步的方案是，所述的电流均衡模块包括电阻R1、电阻R2与运算放大器A1，所述充电输入端VCHG通过电阻R1与第一三极管充电电路Model1电连接，所述充电输入端VCHG通过电阻R2与第二三极管充电电路Model2电连接，所述运算放大器A1中的正相输入端与电阻R1相连，运算放大器A1中的反相输入端与电阻R2相连，运算放大器A1中输出端与第一三极管充电电路Model1的输入端相连，运算放大器A1中输出端还与第二三极管充电电路Model2的输入端相连。
更进一步的方案是，所述的第一三极管充电电路Model1包括三极管Q1、NMOS管Q2与电阻R5，所述运算放大器A1的输出端通过电阻R7与NMOS管Q2的源极相连，NMOS管Q2的栅极通过电阻R5与充电输入端VCHG相连，NMOS管Q2的漏极与三极管Q1的基极相连，三极管Q1的发射极与电阻R1相连，三极管Q1的集电极与电阻R3相连。
更进一步的方案是，所述的第二三极管充电电路Model2包括三极管Q3、NMOS管Q4与电阻R6，所述电阻R7通过二极管D1与NMOS管Q4的源极相连，二极管D1的正极与NMOS管Q4的源极相连，二极管D1的负极与NMOS管Q2的源极相连，NMOS管Q4的源极还与系统主芯片U1中的VDRIVE信号引脚相连，NMOS管Q4的栅极通过电阻R6与系统主芯片U1中的VCHG_D信号引脚相连，NMOS管Q4的漏极与三极管Q3的基极相连，三极管Q3的发射极与电阻R2相连，三极管Q3的集电极与电阻R3相连。
本实用新型所设计的低成本大电流充电电路，通过电流均衡模块中的运算放大器A1，根据第一三极管充电电路Model1和第二三极管充电电路Model2两输入端的电压差大小，进行相应的输出，来调整第一三极管充电电路Model1和第二三极管充电电路Model2中充电电流大小，使得第一三极管充电电路Model1和第二三极管充电电路Model2中的充电电流大小保持一致，防止由于两条充电电路中充电电流差异过大，充电时间过长，导致器件的发热量过大，引起电流热关断或影响电路寿命，(例如，第一三极管充电电路Model1的充电电流为1A，而第二三极管充电电路Model2中的充电电流则为2A或者更大)。
同时，通过集电极端均与电池Battery正极相连的第一三极管充电电路Model1和第二三极管充电电路Model2，将第二三极管充电电路Model2与第一三极管充电电路Model1中的充电电流叠加，使得该电路中的充电电流为现有技术中线性充电电路两倍，且低成本、电路结构简单、噪声小。
综上所述，本实用新型利用一电流镜像电路，在仅增加少数外围元器件的情况下，即可提供两路充电电流相同的三极管充电电路，以确保总充电电流能够达到快充级别的前提下，也不会出现两三极管充电电路中充电电流不平衡的情况。
附图说明
图1是背景技术中现有技术描述的锂电池线性充电电路。
图2是本专利的低成本大电流充电电路的模块示意图。
图3是本专利的低成本大电流充电电路的详细电路图。
图4是本专利的充电电路实际充电电流大小与软件设置充电电流大小保持一致的逻辑算法流程图。
图5是第一三极管充电电路Model1与第二三极管充电电路Model2的充电电流大小保持一致的逻辑算法流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
实施例1。
如图2所示，本实施例描述的低成本大电流充电电路，包括充电输入端VCHG、系统主芯片U1、电流镜像电路与电池Battery，所述的电流镜像电路包括电流均衡模块、第一三极管充电电路Model1与第二三极管充电电路Model2，所述充电输入端VCHG与系统主芯片U1中的VCHG_D信号引脚相连，充电输入端VCHG还通过电流均衡模块分别与第一三极管充电电路Model1与第二三极管充电电路Model2的输入端相连，所述第二三极管充电电路Model2与系统主芯片U1中的VDRIVE信号引脚相连，第一三极管充电电路Model1和第二三极管充电电路Model2中的输出端通过电阻R3与电池Battery的正极相连，电池Battery的负极通过电阻R4接地，电阻R3靠近第一三极管充电电路Model1和第二三极管充电电路Model2的一端与系统主芯片U1中电流检测模块的ISENSE信号引脚相连，电阻R3靠近电池Battery正极的一端与系统主芯片U1中电流检测模块的VBAT信号引脚相连，电阻R4靠近电池Battery负极的一端与系统主芯片U1中电量检测模块的SENSEP信号引脚相连，电阻R4靠近接地线的一端与系统主芯片U1中电量检测模块的SENSEN信号引脚相连。通过系统主芯片U1中的VCHG_D信号引脚，自动检测充电输入端VCHG中是否有充电器插入，并通过与系统主芯片U1相连电流镜像电路中的电流均衡模块，使得第二三极管充电电路Model2与第一三极管充电电路Model1中的充电电流相同，从而为第二三极管充电电路Model2与第一三极管充电电路Model1中的放大三极管提供稳定的充电电流，同时，通过上述两条充电电路的输出节点，将第二三极管充电电路Model2与第一三极管充电电路Model1中的充电电流叠加，以提升整体充电电流，确保充电电流能够达到快充级别。并通过系统主芯片U1中的电量检测模块根据电阻R4上的电压大小和电压正负值计算净流入或净流出电池的电流大小，系统主芯片U1中的电流检测模块根据电阻R3上的电压来计算本专利的实际充电电流大小。实际充电电流大小等于电阻R3上的电压值除以电阻R3的阻值。
如图2和图3所示，在其中的一个实施例中，所述电流均衡模块包括电阻R1、电阻R2与运算放大器A1，所述充电输入端VCHG通过电阻R1与第一三极管充电电路Model1电连接，所述充电输入端VCHG通过电阻R2与第二三极管充电电路Model2电连接，所述运算放大器A1中的正相输入端与电阻R1相连，运算放大器A1中的反相输入端与电阻R2相连，运算放大器A1中输出端与第一三极管充电电路Model1相连，运算放大器A1中输出端与第二三极管充电电路Model2通过二极管D1相连。这样的设置可以通过运算放大器A1正向端a点与反向端b点分别检测两三极管充电电路输入端的电压差，以组成开环状态的差分放大器电路，根据运算放大器A1自身的特性，使得其输出端可调整第一三极管充电电路Model1的充电电流大小，并最终使得流过第一三极管充电电路Model1和第二三极管充电电路Model2中的充电电流保持一致，防止由于两条充电电路中充电电流差异过大，充电时间过长，导致器件的发热量过大，引起电流热关断或影响电路寿命。
如图2所示，在其中的一个实施例中，所述的第一三极管充电电路Model1包括三极管Q1、NMOS管Q2与电阻R5，所述的第二三极管充电电路Model2包括三极管Q3、NMOS管Q4与电阻R6，所述的NMOS管Q2与NMOS管Q4均工作在可变电阻区，所述三极管Q1、三极管Q3与运算放大器A1均工作在线性放大区，运算放大器A1的输出端通过电阻R7与NMOS管Q2的源极相连，NMOS管Q2的栅极通过电阻R5与充电输入端VCHG相连，NMOS管Q2的漏极与三极管Q1的基极相连，三极管Q1的发射极与电阻R1相连，三极管Q1的集电极与电阻R3相连；运算放大器A1的输出端还通过二极管D1与NMOS管Q4的源极相连，NMOS管Q4的源极还与系统主芯片U1中的VDRIVE信号引脚相连，NMOS管Q4的栅极通过电阻R6与系统主芯片U1中的VCHG_D信号引脚相连，NMOS管Q4的漏极与三极管Q3的基极相连，三极管Q3的发射极与电阻R2相连，三极管Q3的集电极与电阻R3相连。
如图4所示，本实施例中所述的低成本大电流充电电路实际充电电流和软件设置的充电电流之间保持一致的具体运作流程如下：
当上述电路中电阻R1＝电阻R2＝20毫欧、电阻R3＝56毫欧、电阻R4＝10毫欧、电阻R5＝电阻R6＝10k欧、电阻R7＝200欧、二极管D1为肖特基二极管、电池Battery的电压范围为3.4v-4.35v。充电器插入，此时VCHG信号相对于地信号为5V，系统主芯片U1的VCHG_D信号引脚为5V，其中，所述VCHG_D信号是系统充电检测中断信号，检测充电器是否插入，如果充电器已插入，则VCHG_D大于4.5v，系统显示充电图标，启动充电进程，打开VDRIVE信号；如果充电器未插入，则VCHG_D为0V，系统不显示充电图标，停止充电。同时，电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4封装均为0805。
充电器插入后，系统主芯片U1的驱动信号引脚VDRIVE输出充电驱动电压，使NMOS管Q2和NMOS管Q4打开导通，并工作在可变电阻区；三极管Q1和三极管Q3工作在三极管的线性放大区，流过三极管Q1和三极管Q3的集电极电流分别为IQ1和IQ3，三极管Q1和三极管Q3的基极电流IEB的大小分别通过NMOS管Q2和NMOS管Q4的导通程度来调节。三极管集电极电流IQ与基极电流IEB调节公式为：IQ＝β*IEB，其中IQ为三极管集电极电流，β为三极管放大倍数且基本恒定，IEB为基极电流。
系统主芯片U1的电流检测模块通过采样电阻R3两端的电压差值来计算实际充电电流值的大小，其计算公式为：实际总充电电流值I2＝IQ1+IQ3＝电阻R3的电压降/R3的电阻值。
若系统软件设定的充电电流值大小为I1，如果在实际充电过程中，由于电池电压值或充电路径阻抗发生变化、充电电流发生波动，变为I3，系统主芯片U1的电流检测模块的ISENSE信号引脚和VBAT信号引脚上采样到的电阻R3上的电压差值，会进入系统主芯片U1芯片内部的误差放大器模块输入端，通过芯片内部运算来调整VDRIVE信号引脚的输出电压值，以调整NMOS管的导通程度进而改变基极电流IEB，最后调整充电电流和软件设置的充电电流保持一致。
如果I2大于I1，说明实际充电电流值大于系统设定的充电电流值，则系统调高VDRIVE的电压值，此时NMOS管Q2和NMOS管Q4的栅源电压差Vgs变小，Q2和Q4导通程度降低，NMOS管的导通电阻Rds变大，引起三极管Q1和三极管Q3的IEB电流降低，充电电流I2不断降低，直到调整到I2＝I1为止，VDRIVE电压值不再变化。
如果I2小于I1，说明实际充电电流值小于系统设定的充电电流值，则系统调低VDRIVE的电压值，此时NMOS管Q2和NMOS管Q4的栅源电压差Vgs变大，Q2和Q4导通程度增强，NMOS管的导通电阻Rds变小，引起三极管Q1和三极管Q3的IEB电流增大，充电电流I2不断增加，直到调整到I2＝I1为止，VDRIVE电压值不再变化。
本专利电路的充电电流为I2＝IQ1+IQ3；最大充电电流为2倍的所选三极管最大集电极电流。
如图5所示，本实施例中所述的第一三极管充电电路Model1与第二三极管充电电路Model2的充电电流大小之间保持一致的具体运作流程如下：
在实际充电过程中，由于充电电流的波动，流过三极管Q1和三极管Q3的电流会有差异，若差异过大，时间过长，会使器件的发热过大，引起电流热关断或影响电路寿命，所述锂电池充电电路对三极管Q1和三极管Q3的电流均衡能力至关重要，电阻R1、电阻R2和运算放大器A1主要用于控制三极管Q1和三极管Q3的充电电流均衡，使流过Q1和Q3的集电极电流接近相同。
充电启动时，充电电流会流过电阻R1和电阻R2，并在电阻R1和电阻R2上产生压降，其中a点的电压值为Va＝VCHG-R1*IQ1；b点的电压值为Vb＝VCHG-R2*IQ2；a点电压值和b点电压值分别输入到运算放大器A1的同相输入端和反向输入端。
当Va<Vb时，流过三极管Q1的集电极电流IQ1大于流过三极管Q3的集电极电流IQ3，此时运算放大器A1增大输出电压，提升NMOS管Q2的源极电压，减小NMOS管Q2的栅源电压差Vgs，减小三极管Q1的IEB电流，降低三极管Q1的集电极电流IQ1，直到三极管Q1的集电极电流IQ1等于流过三极管Q3的集电极电流IQ3。
当Va>Vb时，流过三极管Q1的集电极电流IQ1小于流过三极管Q3的集电极电流IQ3，此时运算放大器A1减小输出电压，降低NMOS管Q2的源极电压，增大NMOS管Q2的栅源电压差Vgs，增加三极管Q1的IEB电流，增加三极管Q1的集电极电流IQ1，直到三极管Q1的集电极电流IQ1等于流过三极管Q3的集电极电流IQ3。
进一步的，本实施例中所述的低成本大电流充电电路同时具备有三种不同的充电模式，分别对应了不同的电池电压：
预充电模式(电池电压小于3.4v，充电电流在450ma)。
恒流充(电池电压在3.4-4.35之间，充电电流在2000-3000ma)。
恒压充(电池电压基本在充满状态4.35v情况下，充电电流很低，直到电池完全充满)。
其中，恒流充电到恒压充电，是通过检测电池电压值，通过图3中d点检测，系统主芯片U1 PMU会通过VBAT这个信号检测电池电压，假如软件设置的是当电池电压达到V1时，充电就进入恒压充(例如软件设置为4.3v进入恒压充，系统主芯片U1的VBAT引脚检测到电池电压为4.3v，那么就有可能进入恒压充电)。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“相连”应做广义理解，例如，可以是固定相连，也可以是可拆卸相连，或一体地相连；可以是机械相连，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
最后应说明的是：以上所述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，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (4)

1.一种低成本大电流充电电路，包括充电输入端VCHG、系统主芯片U1、电流镜像电路与电池Battery，其特征在于，所述的电流镜像电路包括电流均衡模块、第一三极管充电电路Model1与第二三极管充电电路Model2，所述充电输入端VCHG与系统主芯片U1中的VCHG_D信号引脚相连，充电输入端VCHG还通过电流均衡模块分别与第一三极管充电电路Model1与第二三极管充电电路Model2的输入端相连，所述第二三极管充电电路Model2与系统主芯片U1中的VDRIVE信号引脚相连，第一三极管充电电路Model1和第二三极管充电电路Model2中的输出端通过电阻R3与电池Battery的正极相连，电池Battery的负极通过电阻R4接地，电阻R3两端与系统主芯片U1中电流检测模块的ISENSE信号引脚与VBAT信号引脚相连，电阻R4两端与系统主芯片U1中电量检测模块的SENSEN信号引脚与SENSEP信号引脚相连。
2.根据权利要求1所述的低成本大电流充电电路，其特征在于，所述的电流均衡模块包括电阻R1、电阻R2与运算放大器A1，所述充电输入端VCHG通过电阻R1与第一三极管充电电路Model1电连接，所述充电输入端VCHG通过电阻R2与第二三极管充电电路Model2电连接，所述运算放大器A1中的正相输入端与电阻R1相连，运算放大器A1中的反相输入端与电阻R2相连，运算放大器A1中输出端与第一三极管充电电路Model1的输入端相连，运算放大器A1中输出端还与第二三极管充电电路Model2的输入端相连。
3.根据权利要求2所述的低成本大电流充电电路，其特征在于，所述的第一三极管充电电路Model1包括三极管Q1、NMOS管Q2与电阻R5，所述运算放大器A1的输出端通过电阻R7与NMOS管Q2的源极相连，NMOS管Q2的栅极通过电阻R5与充电输入端VCHG相连，NMOS管Q2的漏极与三极管Q1的基极相连，三极管Q1的发射极与电阻R1相连，三极管Q1的集电极与电阻R3相连。
4.根据权利要求3所述的低成本大电流充电电路，其特征在于，所述的第二三极管充电电路Model2包括三极管Q3、NMOS管Q4与电阻R6，所述电阻R7通过二极管D1与NMOS管Q4的源极相连，二极管D1的正极与NMOS管Q4的源极相连，二极管D1的负极与NMOS管Q2的源极相连，NMOS管Q4的源极还与系统主芯片U1中的VDRIVE信号引脚相连，NMOS管Q4的栅极通过电阻R6与系统主芯片U1中的VCHG_D信号引脚相连，NMOS管Q4的漏极与三极管Q3的基极相连，三极管Q3的发射极与电阻R2相连，三极管Q3的集电极与电阻R3相连。
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