CN220754385U - 充放电控制电路、双向电源和移动终端 - Google Patents

Abstract

本申请涉及双向电源，公开了一种充放电控制电路、双向电源和移动终端。可以以更低的成本实现恒流充电。该充放电控制电路包括，第一差分放大器，其输入端连接到电流采样电压；第一模拟开关，用于在充电状态将第一差分放大器的参考端连接到第一参考电平，在放电状态将第一差分放大器的参考端连接到第二参考电平；积分器，该积分器的输入端连接到第一差分放大器的输出端，该积分器的参考端连接到第三参考电平；反相器，其输入端与积分器的输出端连接；控制信号输出端，输出用于控制充电或放电电流的大小的控制信号；第二模拟开关，用于在充电状态将积分器的输出端连接到控制信号输出端，在放电状态将反相器的输出端连接到控制信号输出端。

Description

充放电控制电路、双向电源和移动终端

技术领域

本申请涉及双向电源，特别涉及充放电控制技术。

背景技术

本部分旨在为权利要求书中陈述的本申请的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是已被公开的现有技术。

在移动终端中，可充电电池被普遍采用。先恒流充电，达到一定阈值后再恒压充电的技术是一种常见的锂离子电池和许多其他可充电电池的充电策略。这种方法结合了两个主要的充电阶段，以确保电池安全、有效地充电，同时最大化其使用寿命。

1.恒流充电阶段(CC，Constant Current):

_·在此阶段，电池以恒定的电流进行充电。

_·当电池电压较低时，使用恒定电流充电可以快速为电池充能。

_·电池电压会随着充电过程逐渐上升。

_·当电池电压达到预定的阈值(通常接近电池的额定电压)时，充电进程将转入下一阶段。

2.恒压充电阶段(CV，Constant Voltage):

_·在此阶段，电池电压被维持在预定的阈值，而充电电流会逐渐减小。

_·由于电池接近满电状态，恒压策略有助于避免过度充电，从而保护电池并延长其使用寿命。

_·当充电电流降到某个预定的低值时，通常认为电池已充满，并结束充电过程。

在充电和放电的过程中都需要控制电流的大小，这个控制由控制电路实现。目前的控制电路成本较高，其原因包括但不限于，使用了成本功较高的仪表放大器进行采样信号的放大，或使用了多个成本功较高的CSA对充放电电流采样信号进行放大，等等。其中，一个仪表放大器的成本往往高于多个CSA。

发明内容

本申请的目的在于提供一种充放电控制电路、双向电源和移动终端，以更低的成本实现恒流充电。

本申请公开了一种充放电控制电路，包括：

第一差分放大器，其输入端连接到电流采样电压，所述电流采样电压与电源的充电或放电电流的大小成正比；

第一模拟开关，用于在充电状态将所述第一差分放大器的参考端连接到第一参考电平，在放电状态将所述第一差分放大器的参考端连接到第二参考电平；

积分器，该积分器的输入端连接到所述第一差分放大器的输出端，该积分器的参考端连接到第三参考电平；

反相器，其输入端与所述积分器的输出端连接；

控制信号输出端，输出用于控制所述充电或放电电流的大小的控制信号；

第二模拟开关，用于在充电状态将所述积分器的输出端连接到所述控制信号输出端，在放电状态将所述反相器的输出端连接到所述控制信号输出端。

在一个优选例中，所述反相器包括一个三极管，该三极管的基极通过一个电阻(R13)连接到所述积分器的输出端，该三极管的集电极通过一个电阻(R14)连接到电源电压，该三极管的发射极连接到地，该三极管的集电极作为所述反相器的输出端。

在一个优选例中，所述积分器包括第一运算放大器，该第一运算放大器的正向输入端作为所述积分器的参考端连接到第三参考电平，该第一运算放大器的负向输入端通过一个电阻(R11)连接到所述第一差分放大器的输出端，该第一运算放大器的输出端通过一个电容(C18)连接到该运算放大器的负向输入端。

在一个优选例中，还包括：

第二差分放大器，其输入端连接到所述电源的输出电压；

第二运算放大器，该第二运算放大器的负向输入端通过一个电阻(R15)连接到所述第二差分放大器的输出端，该第二运算放大器的正向输入端通过一个电阻(R16)连接到第四参考电平；该第二运算放大器的输出端和所述控制信号输出端之间连接有一个电阻(R22)；该第二运算放大器的负向输入端和所述控制信号输出端之间连接有一个电容(C8)；该第二运算放大器的输出端通过一个电阻(R24)连接到第四节点；

第三模拟开关，用于在充电状态将第二节点连接到所述第四节点，在放电状态将第一节点连接到所述第四节点，其中，所述第一节点通过一个二极管正向连接到第三节点，所述第二节点通过一个二极管正向连接到所述第三节点；所述第三节点通过一个电阻(R23)连接到所述第一运算放大器的正向输入端；所述第三节点通过一个电阻(R12)连接到所述第三参考电平；

所述控制信号输出端通过一个电阻(R1)连接到电源电压。

在一个优选例中，所述第二运算放大器的输出端通过一个二极管(D1)反向连接到所述控制信号输出端；

所述第一运算放大器的负向输入端通过一个电容(C5)连接到所述控制信号输出端。

在一个优选例中，所述第三节点通过一个电容(C6)连接到地。

在一个优选例中，所述第四参考电平根据恒压充电的目标电压设定。

在一个优选例中，所述第三参考电平根据充电或放电电流的大小设定。

本申请还公开了一种双向电源，包含如前文描述的充放电控制电路。

本申请还公开了一种移动终端，包含如前文描述的充放电控制电路。

在本申请的实施方式中，在实现恒流充电时只需要一个差分放大器，在不影响充放电控制效果的前提下，节约了成本。

采用了以三极管为核心的局部电路实现了充电和放电电流的双向控制，减少了运算放大器的使用，进一步解决了成本。

结合一些低成本部件，进一步实现了先恒流再恒压的充电效果。

上述发明内容中公开的各个技术特征、在下文各个实施方式和例子中公开的各技术特征、以及附图中公开的各个技术特征，都可以自由地互相组合，从而构成各种新的技术方案(这些技术方案均应该视为在本说明书中已经记载)，除非这种技术特征的组合在技术上是不可行的。例如，在一个例子中公开了特征A+B+C，在另一个例子中公开了特征A+B+D+E，而特征C和D是起到相同作用的等同技术手段，技术上只要择一使用即可，不可能同时采用，特征E技术上可以与特征C相组合，则，A+B+C+D的方案因技术不可行而应当不被视为已经记载，而A+B+C+E的方案应当视为已经被记载。

附图说明

图1是根据本申请一个实施例的充放电控制电路结构示意图；

图2是根据本申请另一个实施例的充放电控制电路结构示意图；

图3是图2中一个局部的放大图；

图4是图2中一个局部的放大图；

图5是图2中一个局部的放大图；

图6是本申请一个实施例中模拟开关的一种实现方式；

图7是本申请一个实施例中模拟开关的另一种实现方式；

图8是图2实施例的充电状态下电压电池电压和电流随时间变化的曲线图。

具体实施方式

在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

部分概念的说明：

双向电源是一种能够进行双向能量流动的电源系统。它不仅可以为负载提供能量(由内部的可充电电池提供)，而且还可以从其他电源系统中回收能量并存储到内部的电池。

CSA是“Current Sense Amplifier”的缩写，中文为“电流感知放大器”。它是一种特殊的放大器，用于精确地检测和放大电流流经某一路径的微小电压变化。这种电压变化通常是由电流流经一个已知的小电阻(称为感测电阻或分流电阻)所产生的。CSA将这微小的电压变化放大，使其可以被进一步的处理或测量。在许多应用中，例如电源管理和电池管理系统中，CSA被用来监测电流并为控制系统提供反馈。

MCU是“Microcontroller Unit”的缩写，中文通常称为“微控制器”。

DAC是“Digital-to-Analog Converter”的缩写，中文称为“数字模拟转换器”。它是一种设备或集成电路，用于将数字信号(通常是二进制形式)转换为模拟信号(通常是电压或电流)。

模拟开关(Analog Switch)是一种电子开关，它可以在模拟信号路径中进行开/关操作。与机械开关不同，模拟开关是半导体设备，通常由场效应晶体管(FET)组成，可以在没有机械移动部件的情况下进行快速切换。模拟开关的主要特点包括：低插入损耗：当模拟开关处于闭合状态时，它的电阻通常很低，从而导致很小的信号损失；高隔离：当模拟开关处于开启状态时，它可以提供很高的信号隔离；快速切换：模拟开关可以在纳秒或微秒的时间范围内进行切换；双向操作：大多数模拟开关可以双向工作，这意味着信号可以从任一端传输到另一端；宽工作电压范围：许多模拟开关可以在宽的电压范围内工作，从低电压到高电压。

MOS管是“Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor”(金属-氧化物-半导体场效应晶体管)的缩写，通常简称为MOSFET。它是一种场效应晶体管(FET)，其工作原理基于电压控制的电场效应。

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的实施方式作进一步地详细描述。

本申请的一个实施例涉及一种充放电控制电路，如图1所示，该充放电控制电路包括：

第一差分放大器，其输入端连接到电流采样电压，所述电流采样电压与电源的充电或放电电流的大小成正比。可选地，第一差分放大器可以是一个CSA。

第一模拟开关，用于在充电状态将所述第一差分放大器的参考端连接到第一参考电平，在放电状态将所述第一差分放大器的参考端连接到第二参考电平。

积分器，该积分器的输入端连接到所述第一差分放大器的输出端，该积分器的参考端连接到第三参考电平。第三参考电平可以根据充电或放电电流的大小设定。可选的，第三参考电平可以由一个微控制器(MCU)通过数模转换器(DAC)设定。

反相器，其输入端与所述积分器的输出端连接。

控制信号输出端，输出用于控制所述充电或放电电流的大小的控制信号。

第二模拟开关，用于在充电状态将积分器的输出端连接到控制信号输出端，在放电状态将反相器的输出端连接到控制信号输出端。

上述实施例只需要一个差分放大器就可以实现恒流充电，节约了成本。

本申请的另一个实施例如图2所示。图2是一个充放电控制电路，其中元件的具体数值只是一个特例，也可以根据需要选择其他的数值，不构成对本申请保护范围的限定。图2中元件较多，字体较小，为了能看清楚，可以参考图3、图4和图5，这些图都是图2的局部放大图。

图2的技术方案可以在初期以预定的(通常是较高的)电流对电池进行恒流充电，当电池电压达到预定的阈值(通常接近电池的额定电压)时，转为恒压充电，此时电流会大大减小以起到保护电池的效果。

CSA(U2)相当于第一差分放大器，其输入端ISVP和ISVN分别连接到一个电流采样电阻(图2中未示出)的两端，该双向电源的电流流经该电流采样电阻，在该电路采样电阻的两端产生电流采样电压。需要注意的是，在充电状态和放电状态，因为电流的方向相反，该电流采样电压极性也是相反的。

该CSA(U2)的参考端(REF_CSA)可以通过第一模拟开关(图2中未示出)选择性地连接地或与一个电压源的输出端(REF_OUT)连接，具体而言，在充电状态将参考端(REF_CSA)连接到地，在放电状态将第一差分放大器的参考端连接到REF_OUT(即第二参考电平)。在其他实施例中，参考端(REF_CSA)也可以不接地，而是根据需要连接一个预设大小的电平。

积分器可以包括第一运算放大器(U3A)，该第一运算放大器的正向输入端作为积分器的参考端连接到第三参考电平(ISET)，该第一运算放大器的负向输入端通过一个电阻(R11)连接到CSA(U2)的输出端，该第一运算放大器的输出端通过一个电容(C18)连接到该运算放大器的负向输入端。

反相器可以包括一个三极管(Q1)，该三极管的基极通过一个电阻(R13)连接到第一运算放大器(U3A)的输出端，该三极管的集电极通过一个电阻(R14)连接到电源电压(例如+5V)，该三极管的发射极连接到地，该三极管的集电极作为反相器的输出端(ILoop_N)。也可以用其他方式实现反相器，例如以运算放大器为核心部件构成反相器，这种以运算放大器为核心的反相器是现有技术，这里不进行详细说明了。相比于现有技术中以运算放大器为核心的反相器，本申请以三极管为核心的实现方式成本更低。

图2中右下角标记为ctrl的位置为控制信号输出端，输出用于控制充电或放电电流的大小的控制信号。控制信号输出端耦合到ILoop_O。可选的，控制信号输出端(ctrl)可以通过一个二极管正向连接到ILoop_O。

第二模拟开关(图2中未示出)在充电状态将积分器的输出端(ILoop_P)连接到ILoop_O，在放电状态将反相器的输出端(ILoop_N)连接到ILoop_O。

第二差分放大器(U7)，其输入端连接到电源的输出电压(BVP和BVN)。其中，BVP是正极，BVN是负极。BVP和BVN可以分别接到电池的正负极。

第二运算放大器(U3B)，该第二运算放大器的负向输入端通过一个电阻(R15)连接到第二差分放大器的输出端，该第二运算放大器的正向输入端通过一个电阻(R16)连接到第四参考电平(VSET)；该第二运算放大器的输出端和控制信号输出端之间连接有一个电阻(R22)；该第二运算放大器的负向输入端和控制信号输出端之间连接有一个电容(C8)；该第二运算放大器的输出端通过一个电阻(R24)连接到第四节点(VLoop_O)。可选的，第四节点(VLoop_O)可以通过一个二极管(D4)反向连接到地。

第三模拟开关(图2中未示出)，用于在充电状态将第二节点(VLoop_P)连接到第四节点(VLoop_O)，在放电状态将第一节点(VLoop_N)连接到第四节点(VLoop_O)，其中，第一节点(VLoop_N)通过一个二极管正向连接到第三节点，第二节点(VLoop_P)通过一个二极管正向连接到第三节点；第三节点通过一个电阻(R23)连接到第一运算放大器(U3A)的正向输入端；第三节点通过一个电阻(R12)连接到第三参考电平(ISET)。图2中的器件D6包含了这里提到的两个二极管。第三节点就是这两个二极管中间的连接点。可选的，第三节点可以通过一个电容(C6)连接到地。

控制信号输出端可以通过一个电阻(R1)连接到电源电压。

第二运算放大器(U3B)的输出端可以通过一个二极管(D1)反向连接到控制信号输出端。

第一运算放大器(U3A)的负向输入端可以通过一个电容(C5)连接到控制信号输出端。

第四参考电平(VSET)可以根据恒压充电的目标电压设定。

第三参考电平(ISET)可以根据充电或放电电流的大小设定。

可选的，在一个实施例中，可以使用MCU通过DAC输出第三参考电平(ISET)和\或第四参考电平(VSET)。

本申请各实施例中的模拟开关可以用多种方式实现。

可选的，在一个实施例中，第一模拟开关可以用图6的方式实现，其中包括一个MOS管，该MOS管的栅极是模拟开关的控制信号(例如充电状态时栅极信号为高电平，放电状态时栅极信号为低电平)，该MOS管的源极接地，该MOS管的漏极连接图2中的REF_CSA(第一差分放大器的参考端)，另外该漏极还通过一个电阻连接到图2中的REF_OUT(第二参考电平)。在充电状态下，该MOS管导通，第一差分放大器的参考端接地。在放电状态下，该MOS管截止，第一差分放大器的参考端连接第二参考电平。

可选的，在一个实施例中，如图7所示，第一模拟开关、第二模拟开关和第三模拟开关可以在一个器件(U9)中实现。

本申请实施例的技术方案成本非常低，结构简单，容易应用在各种电源上，可以实现双向恒压恒流的控制性能没有因为成本降低而损失。例如对于图2的实施例，在充电状态下，电池的电压和电流的变化如图8所示。图8的上曲线是电池电流随时间变化的曲线，下曲线是电池电压随时间变化的曲线，两条曲线的横坐标都是时间。可以看到，在时间点2500之前实现了恒流充电，在时间2500之后自动切换到恒压充电，充电电流不断降低至涓流。

本申请的各实施例中，A通过二极管正向连接到B指的是该二极管的正极与A连接，该二极管的负极与B连接。

本申请的各实施例中，A通过二极管反向连接到B指的是该二极管的负极与A连接，该二极管的正极与B连接。

本申请各实施例中的电源电压是指为充放电控制电路供电的电源电压，例如+5V，电源电压中的电源是指为充放电控制电路供电的电源，不是指充放电控制电路要控制的电源。

本申请的一个实施例还涉及一种双向电源，双向电源是指可以充电也可以放电的电源。该双向电源中包括前文各实施例中公开的充放电控制电路。

本申请的一个实施例还涉及一种移动终端，该移动终端中包括前文各实施例中公开的充放电控制电路。该移动终端可以是手机、笔记本电脑、平板电脑、专用的手持终端等等。

需要说明的是，在公开中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。本申请中，如果提到根据某要素执行某行为，则是指至少根据该要素执行该行为的意思，其中包括了两种情况：仅根据该要素执行该行为、和根据该要素和其它要素执行该行为。多个、多次、多种等表达包括2个、2次、2种以及2个以上、2次以上、2种以上。

本申请中，术语“连接”、“耦合”或它们的任何变体意指在元件之间的直接或间接的任何连接或耦合，并且可以涵盖两个元件之间的中间元件的存在，该两个元件经由中间元件“连接”或“耦合”在一起。元件之间的耦合和/或连接可以是物理的、逻辑的、或它们的组合。如本文所采用的，元件可以通过使用一个或多个电线、电缆、和/或印刷电路连接、以及通过使用电磁能量而“连接”或“耦合”在一起。电磁能量可以具有在射频区域、微波区域和/或光(可见和不可见两者)区域中的波长。上述示例是非限制性和非穷举的。

本说明书包括本文所描述的各种实施例的组合。对实施例的单独提及(例如“一个实施例”或“一些实施例”或“优选实施例”)不一定是指相同的实施例；然而，除非指示为是互斥的或者本领域技术人员很清楚是互斥的，否则这些实施例并不互斥。应当注意的是，除非上下文另外明确指示或者要求，否则在本说明书中以非排他性的意义使用“或者”一词。

在本申请提及的所有文献都被认为是整体性地包括在本申请的公开内容中，以便在必要时可以作为修改的依据。此外应理解，在阅读了本申请的内容之后，本领域技术人员可以对本申请作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种充放电控制电路，其特征在于，包括：

第一差分放大器，其输入端连接到电流采样电压，所述电流采样电压与电源的充电或放电电流的大小成正比；

第一模拟开关，用于在充电状态将所述第一差分放大器的参考端连接到第一参考电平，在放电状态将所述第一差分放大器的参考端连接到第二参考电平；

积分器，该积分器的输入端连接到所述第一差分放大器的输出端，该积分器的参考端连接到第三参考电平；

反相器，其输入端与所述积分器的输出端连接；

控制信号输出端，输出用于控制所述充电或放电电流的大小的控制信号；

第二模拟开关，用于在充电状态将所述积分器的输出端连接到所述控制信号输出端，在放电状态将所述反相器的输出端连接到所述控制信号输出端。

2.如权利要求1所述的充放电控制电路，其特征在于，所述反相器包括一个三极管，该三极管的基极通过一个电阻连接到所述积分器的输出端，该三极管的集电极通过一个电阻连接到电源电压，该三极管的发射极连接到地，该三极管的集电极作为所述反相器的输出端。

3.如权利要求1所述的充放电控制电路，其特征在于，所述积分器包括第一运算放大器，该第一运算放大器的正向输入端作为所述积分器的参考端连接到第三参考电平，该第一运算放大器的负向输入端通过一个电阻连接到所述第一差分放大器的输出端，该第一运算放大器的输出端通过一个电容连接到该运算放大器的负向输入端。

4.如权利要求3所述的充放电控制电路，其特征在于，还包括：

第二差分放大器，其输入端连接到所述电源的输出电压；

第二运算放大器，该第二运算放大器的负向输入端通过一个电阻连接到所述第二差分放大器的输出端，该第二运算放大器的正向输入端通过一个电阻连接到第四参考电平；该第二运算放大器的输出端和所述控制信号输出端之间连接有一个电阻；该第二运算放大器的负向输入端和所述控制信号输出端之间连接有一个电容；该第二运算放大器的输出端通过一个电阻连接到第四节点；

第三模拟开关，用于在充电状态将第二节点连接到所述第四节点，在放电状态将第一节点连接到所述第四节点，其中，所述第一节点通过一个二极管正向连接到第三节点，所述第二节点通过一个二极管正向连接到所述第三节点；所述第三节点通过一个电阻连接到所述第一运算放大器的正向输入端；所述第三节点通过一个电阻连接到所述第三参考电平；

所述控制信号输出端通过一个电阻连接到电源电压。

5.如权利要求4所述的充放电控制电路，其特征在于，所述第二运算放大器的输出端通过一个二极管反向连接到所述控制信号输出端；

所述第一运算放大器的负向输入端通过一个电容连接到所述控制信号输出端。

6.如权利要求5所述的充放电控制电路，其特征在于，所述第四参考电平根据恒压充电的目标电压设定。

7.一种双向电源，其特征在于，包含如权利要求1-6中任意一项所述的充放电控制电路。

8.一种移动终端，其特征在于，包含如权利要求1-6中任意一项所述的充放电控制电路。