TWI492483B - Step - up battery charge management system and its control method - Google Patents

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Description

升壓型電池充電管理系統及其控制方法
本發明關於電源領域，尤其關於一種升壓型電池充電管理系統及其控制方法。
目前比較常見的電池充電管理系統以降壓型拓撲結構為主，其輸入端為電源適配器供電，輸出端連接的電池為單節或多節。逐步成為市場主流的USB供電系統，其供電電壓一般額定為5V，面向主流的單節鋰電池可以利用降壓型拓撲實現單節電池充電。但是隨著消費類便攜設備的功率越來越大，多節鋰電池的需求越來越明顯，因此升壓型拓撲逐漸開始應用在多節鋰電池串聯的電池管理系統中，相應的亟需比較成熟的系統結構和控制方案。另外，對於電子設備經常出現的異常情況如輸入電流過大、輸出端短路保護等，如果直接用較大的電流充電，容易損壞電子設備及其電池，縮短電子設備的使用壽命。因此，需要在充電系統中對於這些特殊情況予以考慮，並設置相應的保護電路。
有鑒於此，本發明的目的在於提供一種升壓型電池充電管理系統及其控制方法，以實現對多節電池充電過程的控制。
為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：依據本發明一實施例的一種升壓型電池充電管理系統，包括升壓轉換電路和充電控制電路；其中，所述升壓轉換電路接收一直流輸入電壓並對其進行升壓轉換得到一輸出信號，所述輸出信號對電池進行充電；所述充電控制電路與所述升壓轉換電路的輸出端連接，當電池電壓小於第一閾值電壓時，所述充電控制電路對所述輸出信號進行調節，以保持電池充電電流為涓流電流；當電池電壓大於所述第一閾值電壓時，所述輸出信號直接對電池進行充電；其中所述第一閾值電壓大於所述直流輸入電壓。
進一步的，所述充電控制電路包括一功率管和功率管控制電路；所述功率管的第一輸入端和第二輸入端分別連接在所述升壓轉換電路的輸出端和電池之間；當電池電壓小於所述第一閾值電壓時，所述功率管控制電路調節所述功率管的控制端電壓使其工作在線性區域，以調節電池充電電流為涓流電流；當電池電壓大於所述第一閾值電壓時，所述功率管控制電路控制所述功率管處於導通狀態。
進一步的，所述升壓轉換電路包括功率級電路和升壓轉換控制電路；所述升壓轉換控制電路控制所述功率級電路的開關動作以維持所述輸出信號恆定；當電池電壓小於所述第一閾值電壓時，所述升壓轉換控制電路維持所述輸出信號的電壓值為第一工作電壓，所述第一工作電壓大於所述第一閾值電壓；當電池電壓大於所述第一閾值電壓而小於終值電壓時，所述升壓轉換控制電路維持所述輸出信號的電流值為第一工作電流；當電池電壓等於所述終值電壓時，所述升壓轉換控制電路維持所述輸出信號的電壓值為終值電壓，直至電池充電電流小於關斷電流閾值，所述升壓轉換電路停止工作。
進一步的，所述升壓轉換控制電路包括第一回饋電路、第二回饋電路、第三回饋電路、選擇電路和PWM(脈衝寬度調變)控制電路；其中，所述第一回饋電路根據所述輸出信號的電壓值和第一工作電壓的誤差產生第一回饋信號；所述第二回饋電路根據所述輸出信號的電流值和第一工作電流的誤差產生第二回饋信號；所述第三回饋電路根據電池電壓與所述終值電壓的誤差產生第三回饋信號；所述選擇電路選取所述第一回饋信號、第二回饋信號和第三回饋信號中最低者輸出給所述PWM控制電路； 所述PWM控制電路根據所述選擇電路的輸出信號控制所述功率級電路的開關動作。
進一步的，所述第一回饋電路和第二回饋電路接收一遮罩信號，所述遮罩信號根據電池電壓與所述第一閾值電壓的比較結果選擇性地將所述第一回饋信號或第二回饋信號拉高。
進一步的，包括一限流保護電路，當所述直流輸入電壓小於限流電壓閾值時，限流保護電路對電池充電電流進行限制，進而限制所述升壓轉換電路的輸入電流。
進一步的，包括一短路保護電路，當電池電壓小於短路保護閾值時，所述短路保護電路控制電池充電電流為第一電流值，所述第一電流值小於所述涓流電流。
較佳地的，當耗能負載代替電池與所述升壓轉換電路連接且負載電壓小於第一閾值電壓時，所述短路保護電路控制電池充電電流為斷續電流，其最大值大於所述輸出信號為第一閾值電壓時對應的負載電流。
較佳地，所述升壓轉換電路的拓撲為Boost(升壓)轉換器、Buck-Boost(降壓-升壓)轉換器、Sepic轉換器、Cuk轉換器或Zeta轉換器。
較佳地的，當所述升壓轉換電路的拓撲為同步整流Boost轉換器時，進一步包括一節能控制電路，當電池充電電流小於所述節能模式電流閾值時，所述節能控制電路控制同步開關管保持關斷。
依據本發明一實施例的一種升壓型電池充電管理系統 的控制方法，利用升壓轉換電路的輸出電能對電池進行充電，包括以下步驟：接收一直流輸入電壓並對其進行升壓轉換得到一輸出信號，所述輸出信號對電池進行充電；當電池電壓小於第一閾值電壓時，對所述輸出信號進行調節，以保持電池充電電流為涓流電流；當電池電壓大於所述第一閾值電壓時，所述輸出信號直接對電池進行充電；其中所述第一閾值電壓大於所述直流輸入電壓。
進一步的，包括下列步驟：將功率管的第一輸入端和第二輸入端分別連接在所述升壓轉換電路的輸出端和電池之間；當電池電壓小於所述第一閾值電壓時，調節所述功率管的控制端電壓使其工作在線性區域，以調節電池充電電流為涓流電流；當電池電壓大於所述第一閾值電壓時，控制所述功率管處於導通狀態。
進一步的，包括下列步驟：當電池電壓小於所述第一閾值電壓時，維持所述升壓轉換電路的輸出電壓為第一工作電壓，所述第一工作電壓大於所述第一閾值電壓；當電池電壓大於所述第一閾值電壓而小於終值電壓時，維持所述升壓轉換電路的輸出電流為第一工作電流；當電池電壓等於所述終值電壓時，維持所述升壓轉換 電路的輸出電壓為終值電壓，直至電池充電電流小於關斷電流閾值，所述升壓轉換電路停止工作。
進一步的，包括下列步驟：根據所述輸出信號的電壓值和第一工作電壓的誤差產生第一回饋信號；根據所述輸出信號的電流值和第一工作電流的誤差產生第二回饋信號；根據電池電壓與所述終值電壓的誤差產生第三回饋信號；根據所述第一回饋信號、第二回饋信號和第三回饋信號中最低者控制所述升壓轉換電路的開關動作。
進一步的，包括下列步驟：根據電池電壓與所述第一閾值電壓的比較結果選擇性地將所述第一回饋信號或第二回饋信號拉高。
較佳地，當所述直流輸入電壓小於限流電壓閾值時，對電池充電電流進行限制，進而限制所述升壓轉換電路的輸入電流。
進一步的，包括下列步驟：當電池電壓小於短路保護閾值時，控制電池充電電流為第一電流值，所述第一電流值小於所述涓流電流。
進一步的，包括下列步驟：當耗能負載代替電池與升壓轉換電路連接且負載電壓小於第一閾值電壓時，控制電池充電電流為斷續電流，其最大值大於所述輸出信號為第一閾值電壓時對應的負載電流。
較佳地，所述升壓轉換電路的拓撲為Boost轉換器、Buck-Boost轉換器、Sepic轉換器、Cuk轉換器或Zeta轉換器。
較佳地，當所述升壓轉換電路的拓撲為同步整流Boost轉換器時，進一步包括，當電池充電電流小於所述節能模式電流閾值時，控制同步開關管保持關斷。
經由上述的技術方案可知，本發明提供的升壓型電池充電管理系統，利用充電控制電路中的功率管的工作狀態的變化，在充電的初始階段控制充電電流為涓流電流，當電池電壓達到一定閾值後，控制升壓轉換電路的輸出直接對電池進行定電流或定電壓充電。而升壓轉換控制電路中的選擇電路對不同回饋信號進行篩選以控制功率級電路，能夠實現充電的初始階段到定電流充電以及定電壓充電等不同充電模式的自然切換。
另外依據本發明的升壓型電池充電管理系統，還可以實現以下有益效果：
(1)具有短路保護功能，當電池電壓過小時，能夠控制充電電流降為更低，有效保護了電子設備及其電池，延長其使用壽命。
(2)加入了限流保護電路，在定電流充電的過程中當輸入電壓過小時，通過減小電池充電電流對升壓轉換電路的輸入電流進行限制。
(3)在升壓轉換電路的拓撲為同步整流Boost(升壓)轉換器時，在充電電流過低時進入節能模式，控制電 路工作在非同步狀態，以降低開關損耗，提高轉換效率。
(4)即使出現電池設備與整個系統的連接異常，升壓轉換電路的輸出端連接耗能負載時，整個系統仍然能夠正常運行。而且依據本發明的實施例並不限制升壓轉換電路的拓撲結構及其控制策略。
100‧‧‧升壓型電池充電管理系統
101‧‧‧功率級電路
102‧‧‧升壓轉換控制電路
201‧‧‧充電控制電路
301‧‧‧功率管控制電路
302‧‧‧跨導放大器
303‧‧‧比較器
401‧‧‧跨導放大器
402‧‧‧跨導放大器
403‧‧‧跨導放大器
501‧‧‧短路保護電路
601‧‧‧限流保護電路
701‧‧‧節能控制電路
702‧‧‧比較器
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據提供的附圖獲得其他的附圖。
圖1所示為依據本發明的升壓型電池充電管理系統的第一實施例的原理方塊圖；圖2所示為依據本發明的升壓型電池充電管理系統的第二實施例的原理方塊圖；圖3所示為依據本發明的升壓型電池充電管理系統的第三實施例的原理方塊圖；圖4所示為依據本發明的升壓型電池充電管理系統的第四實施例的原理方塊圖；圖5所示為圖4中依據本發明的升壓型電池充電管理系統的工作波形圖；圖6所示為電池連接不正常時，電池充電電流的期望 波形圖；圖7所示為PWM控制電路和節能控制電路的原理方塊圖；圖8所示為依據本發明的升壓型電池充電管理系統的控制方法的流程圖。
以下結合附圖對本發明的幾個較佳實施例進行詳細描述，但本發明並不僅僅限於這些實施例。本發明涵蓋任何在本發明的精髓和範圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。為了使公眾對本發明有徹底的瞭解，在以下本發明較佳實施例中詳細說明了具體的細節，而對本領域技術人員來說沒有這些細節的描述也可以完全理解本發明。
依據本發明的升壓型電池充電管理系統，從功率級電路的拓撲角度來看，能夠實現升壓功能的有Boost、Buck-Boost、Sepic、Cuk、Zeta等結構。但其中Boost和Buck-Boost的拓撲結構最為簡單，成本較低，在器件耐壓以及整體效率方面也具有一定的優勢。單管結構的Buck-Boost拓撲其輸出存在負壓，不利於充電管理系統的設計。而四管結構的Buck-Boost在成本及效率方面沒有優勢。因此Boost轉換器是充電管理系統中相對較佳的拓撲結構，以下即以Boost轉換器為例對本發明的具體實施例進行詳細描述。
參考圖1，100所示為依據本發明的升壓型電池充電 管理系統的第一實施例的原理方塊圖，其由升壓轉換電路和充電控制電路201組成；其中，所述升壓轉換電路接收一直流輸入電壓V in 並對其進行升壓轉換得到一輸出信號，所述輸出信號對多個串聯的鋰電池進行充電；其中直流輸入電壓V in 一般由USB充電器或其他低壓供電系統提供。
所述升壓轉換電路的功率級電路101為由電感L 、主開關管S 1 、同步開關管S 2 以及輸出電容C BD 組成的同步整流Boost拓撲結構，在小電流場合，同步開關管S 2 也可以用二極體代替以降低成本。
而升壓轉換控制電路102分別根據功率級電路的輸出電壓V out 、輸出電流I out 以及電池電壓V BAT 輸出主開關管S 1 、同步開關管S 2 的控制信號G1和G2，以在電池充電的不同階段對功率級電路的輸出信號進行定電壓或定電流控制。
所述充電控制電路201與功率級電路101的輸出端連接，接收並比較電池電壓V BAT 和第一閾值電壓V TH1 ，根據比較的結果對功率級電路101的輸出信號進行調節，其中所述第一閾值電壓V TH1 大於所述直流輸入電壓V in 。
當電池電壓V BAT 小於第一閾值電壓V TH1 時，所述充電控制電路201對所述輸出信號進行調節，以數值較小的涓流電流對電池充電(涓流電流一般設置為定電流充電電流的1/10左右)；當電池電壓V BAT 大於所述第一閾值電壓V TH1 時，則控制所述輸出信號直接對電池進行充電。
參考圖2，所示為依據本發明的升壓型電池充電管理系統的第二實施例的原理方塊圖；其中給出了充電控制電路201的一種實現方法，其具體包括一功率管Q 1 和功率管控制電路301。
在充電控制電路201的工作過程中，所述功率管Q 1 工作在線性區域或完全導通這兩種狀態，因此其類型可以為任何合適的功率開關管，在本實施例中較佳為N溝道增強型場效應電晶體，其漏極和源極分別連接在功率級電路101的輸出端和電池之間；所述功率管控制電路301中跨導放大器302的同相輸入端接收表徵涓流電流期望值的信號I TRK ，反相輸入端接收功率級電路101的輸出電流I out ，跨導放大器302的輸出電流對補償網路ZC4 進行充放電控制以得到一控制信號V ctrl 。
比較器303的同相輸入端接收電池電壓V BAT ，反相輸入端接收所述第一閾值電壓V TH1 ，其輸出信號經過RC濾波電路後得到一高低電平信號。
所述控制信號V ctrl 和比較器303輸出的高低電平信號分別通過二極體連接至所述功率管Q 1 的柵極，其中低電平信號的數值始終小於控制信號V ctrl ，高電平信號的數值始終大於控制信號V ctrl ，因此兩個信號中數值較大的將用以控制所述功率管Q 1 的工作狀態。
當串聯的鋰電池連接正常，而功率級電路無輸入信號時，電容C BD 被電池通過所述功率管Q 1 的體二極體充 電，則輸出電壓V out 接近於電池電壓V BAT ；當功率級電路的輸入信號接入時，若所述直流輸入電壓VIN 高於電池電壓V BAT ，則電容C BD 通過同步開關管S 2 的體二極體充電至接近於直流輸入電壓V in ，此時電池電壓V BAT 小於輸出電壓V out ，即此時電池電壓V BAT 小於所述第一閾值電壓V TH1 ，比較器303輸出低電平，因此由所述控制信號V ctrl 調節所述功率管Q 1 的柵極電壓使其工作在線性區域，並閉環調節以涓流電流為電池充電。此時升壓轉換控制電路將輸出電壓V out 閉環控制在略高於V in 的第一工作電壓，所述第一工作電壓略大於所述第一閾值電壓(以5V的直流輸入電壓為例，可以設置V TH1 =5.4V或5.3V，第一工作電壓設置為5.8V)。
當電池電壓V BAT 大於所述第一閾值電壓V TH1 時，比較器303輸出高電平信號控制所述功率管Q 1 完全導通，此時所述功率級電路101的輸出信號直接對電池進行充電；其中：當電池電壓V BAT 大於所述第一閾值電壓V TH1 而小於終值電壓V CV 時(如兩節鋰電池串聯連接時，可以設置終值電壓為8.4V)，所述升壓轉換控制電路將輸出電流I out 維持在第一工作電流(可以設置第一工作電流為2A，相應的選取涓流電流大小為200mA)，進而對電池進行定電流充電。
當電池電壓V BAT 等於所述終值電壓V CV 時，所述升壓轉換控制電路閉環控制所述輸出電壓V out 等於所述終值電 壓V CV ，進而使電池進行定電壓充電(此處忽略了功率管Q 1 上的壓降造成的輸出電壓和電池電壓之間的誤差，如果考慮此誤差，也可將輸出電壓控制在略高於終值電壓)，直至電池充電電流小於關斷電流閾值(一般設定為100mA或更小)時，升壓轉換控制電路首先關斷主開關管S 1 以防止功率級電路中電感電流繼續上升，當電感電流降至零後同時關斷同步開關管S 2 與功率管Q 1 ，電池充電過程隨之結束。
為防止電池向升壓轉換電路的輸入端漏電耗能，需要在電感電流降至零後再關斷同步開關管和功率管。類似的，當整個充電電路出現除輸出短路保護以外的各類保護回應時，例如輸入過壓、輸出過壓、過慢、超時等，主開關管S 1 立即關斷，當電感電流降至零後，同步開關管S 2 與功率管Q 1 同時關斷。
為了實現升壓轉換電路在定電壓控制和定電流控制之間的自然切換，圖3在圖2所示實施例的基礎上給出了升壓轉換控制電路的具體電路方塊圖，其電路結構和工作原理可參照下文：所述升壓轉換控制電路102包括第一回饋電路、第二回饋電路、第三回饋電路、選擇電路和PWM控制電路；其中，所述第一回饋電路由跨導放大器401和補償網路Z C1 組成，其根據輸出電壓V out 和第一工作電壓V ref1 的誤差產生第一回饋信號V C1 ； 所述第二回饋電路由跨導放大器402和補償網路Z C2 組成，其根據輸出電流I out 和第一工作電流I ref1 的誤差產生第二回饋信號V C2 ；所述第三回饋電路由跨導放大器403和補償網路Z C3 組成，根據電池電壓V BAT 與所述終值電壓V CV 的誤差產生第三回饋信號V C3 ；以上回饋信號輸入至由三個二極體組成的選擇電路，將數值最低的信號輸出給所述PWM控制電路，所述PWM控制電路用以輸出開關控制信號G1和G2。
當電池電壓V BAT 小於所述第一閾值電壓V TH1 時，由於此時電池充電電流被調節為涓流電流，其值遠遠小於第一工作電流I ref1 ，同時，電池電壓遠小於所述終值電壓，因此第二回饋信號V C2 和第三回饋信號V C3 的數值較大，由第一回饋信號V C1 輸入至PWM控制電路，從而將輸出電壓維持在第一工作電壓V ref1 。
當電池電壓V BAT 大於所述第一閾值電壓V TH1 而小於終值電壓V CV 時，由於此時輸出電壓V out 會被瞬間拉低，因此第一回饋信號V C1 會瞬間提升，由於電池電壓仍小於所述終值電壓，因此第三回饋信號V C3 的數值仍然要大於第二回饋信號V C2 ，因此由第二回饋信號V C2 輸入至PWM控制電路，從而將輸出電流維持在第一工作電流I ref1 對電池進行定電流充電。
當電池電壓V BAT 等於所述終值電壓V CV 時，第三回饋信號V C3 的數值變為最小，輸入至PWM控制電路以控制 電池進行定電壓充電，此時電池充電電流開始下降，當其數值小於關斷電流閾值時，整個充電過程結束。
由上述升壓轉換控制電路102的工作過程可以推知：升壓轉換控制電路中的選擇電路對不同回饋信號進行篩選以控制功率級電路，能夠實現充電的初始階段到定電流充電以及定電壓充電等不同充電模式的自然切換，其控制電路也比較簡單易行。
當升壓轉換控制電路從維持第一工作電壓的定電壓工作跳變到定電流工作的過程中，由於功率級電路的輸出電壓可能出現瞬間的掉電，使得第一回饋信號再次變為數值最低的回饋信號，這樣整個升壓轉換電路無法順利跳轉至定電流工作狀態。在本實施例中可以採用一遮罩信號Nor解決上述問題：當電池電壓V BAT 小於所述第一閾值電壓V TH1 時，遮罩信號Nor為無效狀態，其反相信號Nor控制跨導放大器402的輸出端與輸入電源V CC 連接從而將第二回饋信號拉高；當電池電壓V BAT 大於所述第一閾值電壓V TH1 時，遮罩信號Nor為有效狀態，直接控制跨導放大器401的輸出端與輸入電源V CC 連接從而將第一回饋信號拉高；在實際電路中，可以將比較器303的輸出經過RC濾波得到的高低電平信號作為所述遮罩信號Nor。
這裏需要說明的是：連接在跨導放大器輸出端的補償網路(ZC1 、ZC2 、ZC3 和ZC4 )其組成形式可以為電容或電 容與電阻串聯，也可以為實現相同作用的其他任何合適的電路形式。
從圖1、2、3所示的實施例的原理方塊圖中可以看出：本發明提供的升壓型電池充電管理系統，利用充電控制電路中的功率管的工作狀態的變化，在充電的初始階段控制充電電流為涓流電流，當電池電壓達到一定閾值後，控制升壓轉換電路的輸出直接對電池進行定電流或定電壓充電。而當電池設備與整個系統的連接異常，升壓轉換電路的輸出端連接耗能負載時，整個系統仍然能夠正常運行，工作在普通的升壓電路模式：輸入電源接入並大於內部欠壓鎖定閾值後，充電控制電路中的功率管逐步導通以限制湧入電流，升壓轉換電路開始工作在定電壓/定電流模式。
另外在說明書中對一些電壓或電流信號結合較佳數值進行的說明，其目的在於使得本領域的技術人員更直觀清晰的理解不同信號之間的大小、比例關係，而非限制本發明在任何具體參數的電路中。
上述實施例中的升壓型電池充電管理系統還存在以下問題：當電池電壓過小時，過大的充電電流容易損壞電子設備；在定電流充電的過程中，當輸入功率過小時將導致輸入電壓的下降。
為解決以上兩個問題，圖4中的升壓型電池充電管理系統在圖3所示實施例的基礎上進一步加入了短路保護電路501和限流保護電路601。
所述短路保護電路501接收電池電壓V BAT 和短路保護閾值V SC ，在電池充電的初始階段，電池電壓V BAT 小於短路保護閾值V SC ，系統出現輸出短路保護回應，若此時電池連接正常，則先關斷主開關管S 1 ，而功率管Q 1 工作於線性區域，所述短路保護電路控制電池充電電流為小於涓流電流的第一電流值(以兩節串聯連接的鋰電池為例，可以設置V SC =2V，涓流電流為200mA時，可以設置第一電流值為100mA)，具體電路中可以利用短路保護電路的輸出信號減小跨導放大器302同相輸入端的參考數值使其表徵第一電流值。
所述限流保護電路601與所述功率級電路101的輸入端連接，並將所述直流輸入電壓V in 與一限流電壓閾值相比較，當所述直流輸入電壓V in 小於限流電壓閾值時，限流保護電路對電池充電電流進行限制，進而限制所述升壓轉換電路的輸入電流。與上述短路保護電路相類似的，利用限流保護電路的輸出信號減小跨導放大器402的同相輸入端的充電電流參考信號(所述限流保護電路的實現方法和工作原理均在申請號為201210516649.X專利中已作詳細介紹，在此不重複闡述)。
圖5所示為圖4中的升壓型電池充電管理系統電池電壓和充電電流的對應波形圖，從圖中可以看出加入限流保護電路和短路保護電路後，當電池電壓過小時，能夠控制充電電流降為更低，有效保護了電子設備及其電池，延長其使用壽命。
在實際應用中，電池充電管理系統需要考慮到電池連接出現異常的情況，此時如果電池由一耗能負載(如電阻設備)所取代時，主開關管首先關斷，負載電壓一旦小於第一閾值電壓，功率管控制電路就開始控制功率管工作在線性區域，以較小的涓流電流對負載進行供電，由於耗能負載的電壓無法如充電電池一樣緩慢上升，因此一旦進入功率管線性工作狀態就很難跳轉至正常的定電流或定電壓工作狀態，此時需要控制電池充電電流為斷續電流。
具體的在功率管控制電路中，所述跨導放大器302的同相輸入端接收充電電流的參考信號的波形如圖6所示，為一斷續三角波，三角波的峰值大於所述輸出信號為第一閾值電壓時對應的負載電流，這樣當電池充電電流被控制在第一閾值電壓時對應的負載電流以上時，負載電壓即大於第一閾值電壓，此時功率管完全導通，再次由升壓轉換電路的輸出信號為負載供電。當然充電電流參考信號的波形也不局限於斷續的三角波，其他形式的斷續波形如斷續正弦半波、斷續方波同樣可以滿足需求。
依據本發明的升壓型電池充電管理系統可採用各類通用的控制手段，如峰值電流控制、定電定導通時間控制、定電定關斷時間控制、電流滯環控制等，圖7所示為以峰值電流控制為例的PWM控制電路的具體方塊圖，並加入了一節能控制電路701，所述節能控制電路701利用比較器702接收電池充電電流I chg 和節能模式電流閾值I ECO ，在電池充電電流I chg 低於所述節能模式電流閾值I ECO 時進 入節能模式，其比較器的輸出信號通過邏輯器件控制同步開關管S 2 關斷，同步整流Boost轉換器工作在非同步狀態，以降低開關損耗，提高轉換效率。
以下結合附圖對依據本發明的升壓型電池充電管理系統的控制方法的較佳實施例進行詳細描述。
參考圖8，所示為依據本發明的升壓型電池充電管理系統的控制方法的一實施例的流程圖。利用升壓轉換電路的輸出電能對電池進行充電，其包括以下步驟：S801：接收一直流輸入電壓並對其進行升壓轉換得到一輸出信號，所述輸出信號對電池進行充電；S802：當電池電壓小於第一閾值電壓時，對所述輸出信號進行調節，以保持電池充電電流為涓流電流；S803：當電池電壓大於所述第一閾值電壓時，所述輸出信號直接對電池進行充電；其中所述第一閾值電壓大於所述直流輸入電壓。
其中對電池充電電流的控制進一步包括以下步驟：將功率管的第一輸入端和第二輸入端分別連接在所述升壓轉換電路的輸出端和電池之間；當電池電壓小於所述第一閾值電壓時，調節所述功率管的控制端電壓使其工作在線性區域，以調節電池充電電流為涓流電流；當電池電壓大於所述第一閾值電壓時，控制所述功率管處於導通狀態。
其中對於升壓轉換電路的輸出信號的控制進一步包括 以下步驟：當電池電壓小於所述第一閾值電壓時，維持所述升壓轉換電路的輸出電壓為第一工作電壓，所述第一工作電壓大於所述第一閾值電壓；當電池電壓大於所述第一閾值電壓而小於終值電壓時，維持所述升壓轉換電路的輸出電流為第一工作電流；當電池電壓等於所述終值電壓時，維持所述升壓轉換電路的輸出電壓為終值電壓，直至電池充電電流小於關斷電流閾值，所述升壓轉換電路停止工作。
以上對升壓轉換電路的輸出信號的控制方法可以具體包括：根據所述輸出信號的電壓值和第一工作電壓的誤差產生第一回饋信號；根據所述輸出信號的電流值和第一工作電流的誤差產生第二回饋信號；根據電池電壓與所述終值電壓的誤差產生第三回饋信號；根據所述第一回饋信號、第二回饋信號和第三回饋信號中最低者控制所述升壓轉換電路的開關動作。
進一步的，可以根據電池電壓與所述第一閾值電壓的比較結果選擇性地將所述第一回饋信號或第二回饋信號拉高。
加入限流保護功能後，控制方法可以進一步包括：當所述直流輸入電壓小於限流電壓閾值時，對電池充 電電流進行限制，進而限制所述升壓轉換電路的輸入電流。
加入短路保護功能後，控制方法可以進一步包括：當電池電壓小於短路保護閾值時，控制電池充電電流為第一電流值，所述第一電流值小於所述涓流電流。
進一步的，當耗能負載代替電池與升壓轉換電路連接且負載電壓小於第一閾值電壓時，控制電池充電電流為斷續電流，其最大值大於所述輸出信號為第一閾值電壓時對應的負載電流。
其中，所述升壓轉換電路的拓撲為Boost轉換器、Buck-Boost轉換器、Sepic轉換器、Cuk轉換器或Zeta轉換器。
當所述升壓轉換電路的拓撲為同步整流Boost轉換器時，進一步包括，當電池充電電流小於所述節能模式電流閾值時，控制同步開關管保持關斷。
需要說明的是，本發明各個實施例間名稱相同的器件功能也相同，且改進行性的實施例可分別與上述多個相關實施例進行結合，但說明時僅在上一實施例的基礎上舉例說明。基於本發明實施例的升壓型電池充電管理系統可以適用於其他合適形式的升壓型拓撲結構中，如Buck-Boost轉換器、Sepic轉換器、Cuk轉換器或Zeta轉換器等，而並不局限於本發明實施例中的Boost轉換器。並且，功率管控制電路、選擇電路以及PWM控制電路以及相關電路包括但並不限定於以上揭示的電路結構，只要能夠實現本 發明實施例所述的相關電路的功能即可，因此，本領域技術人員在本發明實施例揭示的電路的基礎上所做的相關的改進，也在本發明實施例的保護範圍之內。
依照本發明的實施例如上文所述，這些實施例並沒有詳盡敍述所有的細節，也不限制該發明僅為所述的具體實施例。顯然，根據以上描述，可作很多的修改和變化。本說明書選取並具體描述這些實施例，是為了更好地解釋本發明的原理和實際應用，從而使所屬技術領域技術人員能很好地利用本發明以及在本發明基礎上的修改使用。本發明僅受申請專利範圍及其全部範圍和等效物的限制。
100‧‧‧升壓型電池充電管理系統
101‧‧‧功率級電路
102‧‧‧升壓轉換控制電路
201‧‧‧充電控制電路

Claims (20)

  1. 一種升壓型電池充電管理系統，其特徵在於，該系統包括升壓轉換電路和充電控制電路，其中，該升壓轉換電路接收一直流輸入電壓並對其進行升壓轉換得到一輸出信號，該輸出信號對電池進行充電；該充電控制電路與該升壓轉換電路的輸出端連接，當電池電壓小於第一閾值電壓時，該充電控制電路對該輸出信號進行調節，以保持電池充電電流為涓流電流；當電池電壓大於該第一閾值電壓時，該輸出信號直接對電池進行充電；其中該第一閾值電壓大於該直流輸入電壓。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述的升壓型電池充電管理系統，其中，該充電控制電路包括一功率管和功率管控制電路；該功率管的第一輸入端和第二輸入端分別連接在該升壓轉換電路的輸出端和電池之間；當電池電壓小於該第一閾值電壓時，該功率管控制電路調節該功率管的控制端電壓使其工作在線性區域，以調節電池充電電流為涓流電流；且當電池電壓大於該第一閾值電壓時，該功率管控制電路控制該功率管處於導通狀態。
  3. 根據申請專利範圍第1項所述的升壓型電池充電管理系統，其中，該升壓轉換電路包括功率級電路和升壓轉換控制電路；該升壓轉換控制電路控制該功率級電路的開關動作以 維持該輸出信號恆定；當電池電壓小於該第一閾值電壓時，該升壓轉換控制電路維持該輸出信號的電壓值為第一工作電壓，該第一工作電壓大於該第一閾值電壓；當電池電壓大於該第一閾值電壓而小於終值電壓時，該升壓轉換控制電路維持該輸出信號的電流值為第一工作電流；且當電池電壓等於該終值電壓時，該升壓轉換控制電路維持該輸出信號的電壓值為終值電壓，直至電池充電電流小於關斷電流閾值，該升壓轉換電路停止工作。
  4. 根據申請專利範圍第3項所述的升壓型電池充電管理系統，其中，該升壓轉換控制電路包括第一回饋電路、第二回饋電路、第三回饋電路、選擇電路和PWM(脈衝寬度調變)控制電路，其中，該第一回饋電路根據所述輸出信號的電壓值和第一工作電壓的誤差產生第一回饋信號；該第二回饋電路根據所述輸出信號的電流值和第一工作電流的誤差產生第二回饋信號；該第三回饋電路根據電池電壓與該終值電壓的誤差產生第三回饋信號；該選擇電路選取所述第一回饋信號、第二回饋信號和第三回饋信號中最低者輸出給該PWM控制電路；且該PWM控制電路根據該選擇電路的輸出信號控制該功率級電路的開關動作。
  5. 根據申請專利範圍第4項所述的升壓型電池充電管理系統，其中，該第一回饋電路和第二回饋電路接收一遮罩信號，該遮罩信號根據電池電壓與該第一閾值電壓的比較結果選擇性地將該第一回饋信號或第二回饋信號拉高。
  6. 根據申請專利範圍第1項所述的升壓型電池充電管理系統，其中，進一步包括一限流保護電路，當該直流輸入電壓小於限流電壓閾值時，限流保護電路對電池充電電流進行限制，進而限制該升壓轉換電路的輸入電流。
  7. 根據申請專利範圍第1項所述的升壓型電池充電管理系統，其中，進一步包括一短路保護電路，當電池電壓小於短路保護閾值時，該短路保護電路控制電池充電電流為第一電流值，該第一電流值小於該涓流電流。
  8. 根據申請專利範圍第1項所述的升壓型電池充電管理系統，其中，當耗能負載代替電池與該升壓轉換電路連接且負載電壓小於第一閾值電壓時，該短路保護電路控制電池充電電流為斷續電流，其最大值大於該輸出信號為第一閾值電壓時對應的負載電流。
  9. 根據申請專利範圍第1項該的升壓型電池充電管理系統，其中，該升壓轉換電路的拓撲為Boost(升壓)轉換器、Buck-Boost(降壓-升壓)轉換器、Sepic轉換器、Cuk轉換器或Zeta轉換器。
  10. 根據申請專利範圍第1項該的升壓型電池充電管理系統，其中，當該升壓轉換電路的拓撲為同步整流 Boost轉換器時，進一步包括一節能控制電路，當電池充電電流小於該節能模式電流閾值時，該節能控制電路控制同步開關管保持關斷。
  11. 一種升壓型電池充電管理系統的控制方法，利用升壓轉換電路的輸出電能對電池進行充電，其特徵在於，該方法包括以下步驟：接收一直流輸入電壓並對其進行升壓轉換得到一輸出信號，該輸出信號對電池進行充電；當電池電壓小於第一閾值電壓時，對該輸出信號進行調節，以保持電池充電電流為涓流電流；且當電池電壓大於該第一閾值電壓時，該輸出信號直接對電池進行充電；其中該第一閾值電壓大於該直流輸入電壓。
  12. 根據申請專利範圍第11項所述的控制方法，其中，將功率管的第一輸入端和第二輸入端分別連接在該升壓轉換電路的輸出端和電池之間；當電池電壓小於該第一閾值電壓時，調節該功率管的控制端電壓使其工作在線性區域，以調節電池充電電流為涓流電流；且當電池電壓大於該第一閾值電壓時，控制該功率管處於導通狀態。
  13. 根據申請專利範圍第11項所述的控制方法，其中， 當電池電壓小於該第一閾值電壓時，維持該升壓轉換電路的輸出電壓為第一工作電壓，該第一工作電壓大於所述第一閾值電壓；當電池電壓大於該第一閾值電壓而小於終值電壓時，維持該升壓轉換電路的輸出電流為第一工作電流；且當電池電壓等於該終值電壓時，維持該升壓轉換電路的輸出電壓為終值電壓，直至電池充電電流小於關斷電流閾值，該升壓轉換電路停止工作。
  14. 根據申請專利範圍第13項所述的控制方法，其中，根據該輸出信號的電壓值和第一工作電壓的誤差產生第一回饋信號；根據該輸出信號的電流值和第一工作電流的誤差產生第二回饋信號；根據電池電壓與該終值電壓的誤差產生第三回饋信號；且根據該第一回饋信號、第二回饋信號和第三回饋信號中最低者控制該升壓轉換電路的開關動作。
  15. 根據申請專利範圍第14項所述的控制方法，其中，根據電池電壓與該第一閾值電壓的比較結果選擇性地將該第一回饋信號或第二回饋信號拉高。
  16. 根據申請專利範圍第11項所述的控制方法，其中，進一步包括，當該直流輸入電壓小於限流電壓閾值時，對電池充電電流進行限制，進而限制該升壓轉換電路 的輸入電流。
  17. 根據申請專利範圍第11項所述的控制方法，其中，進一步包括，當電池電壓小於短路保護閾值時，控制電池充電電流為第一電流值，該第一電流值小於該涓流電流。
  18. 根據申請專利範圍第11項所述的控制方法，其中，當耗能負載代替電池與升壓轉換電路連接且負載電壓小於第一閾值電壓時，控制電池充電電流為斷續電流，其最大值大於該輸出信號為第一閾值電壓時對應的負載電流。
  19. 根據申請專利範圍第11項所述的控制方法，其中，該升壓轉換電路的拓撲為Boost轉換器、Buck-Boost轉換器、Sepic轉換器、Cuk轉換器或Zeta轉換器。
  20. 根據申請專利範圍第11項所述的控制方法，其中，當該升壓轉換電路的拓撲為同步整流Boost轉換器時，進一步包括，當電池充電電流小於該節能模式電流閾值時，控制同步開關管保持關斷。
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