專利名稱：一種升壓型電池充電管理系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電源領(lǐng)域，尤其涉及一種升壓型電池充電管理系統(tǒng)及其控制方法。
背景技術(shù)：
目前比較常見的電池充電管理系統(tǒng)以降壓型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(jié)或多節(jié)。逐步成為市場主流的USB供電系統(tǒng)，其供電電 壓一般額定為5V，面向主流的單節(jié)鋰電池可以利用降壓型拓?fù)鋵崿F(xiàn)單節(jié)電池充電。但是隨 著消費類便攜設(shè)備的功率越來越大，多節(jié)鋰電池的需求越來越明顯，因此升壓型拓?fù)渲饾u 開始應(yīng)用在多節(jié)鋰電池串聯(lián)的電池管理系統(tǒng)中，相應(yīng)的亟需比較成熟的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制方 案。另外，對于電子設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)的異常情況如輸入電流過大、輸出端短路保護(hù)等，如果直 接用較大的電流充電，容易損壞電子設(shè)備及其電池，縮短電子設(shè)備的使用壽命。因此，需要 在充電系統(tǒng)中對于這些特殊情況予以考慮，并設(shè)置相應(yīng)的保護(hù)電路。發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種升壓型電池充電管理系統(tǒng)及其控制方法， 以實現(xiàn)對多節(jié)電池充電過程的控制。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案
依據(jù)本發(fā)明一實施例的一種升壓型電池充電管理系統(tǒng)，包括升壓變換電路和充電 控制電路；其中，
所述升壓變換電路接收一直流輸入電壓并對其進(jìn)行升壓轉(zhuǎn)換得到一輸出信號，所 述輸出信號對電池進(jìn)行充電；
所述充電控制電路與所述升壓變換電路的輸出端連接，當(dāng)電池電壓小于第一閾值 電壓時，所述充電控制電路對所述輸出信號進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保持電池充電電流為涓流電流；當(dāng) 電池電壓大于所述第一閾值電壓時，所述輸出信號直接對電池進(jìn)行充電；其中所述第一閾 值電壓大于所述直流輸入電壓。
進(jìn)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變換電路的輸出端 和電池之間；
當(dāng)電池電壓小于所述第一閾值電壓時，所述功率管控制電路調(diào)節(jié)所述功率管的控 制端電壓使其工作在線性區(qū)域，以調(diào)節(jié)電池充電電流為涓流電流；
當(dāng)電池電壓大于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于 導(dǎo)通狀態(tài)。
進(jìn)一步的，所述升壓變換電路包括功率級電路和升壓變換控制電路；
所述升壓變換控制電路控制所述功率級電路的開關(guān)動作以維持所述輸出信號恒
當(dāng)電池電壓小于所述第一閾值電壓時，所述升壓變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于所述第一閾值電壓；
當(dāng)電池電壓大于所述第一閾值電壓而小于終值電壓時，所述升壓變換控制電路維 持所述輸出信號的電流值為第一工作電流；
當(dāng)電池電壓等于所述終值電壓時，所述升壓變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于關(guān)斷電流閾值，所述升壓變換電路停止工作。
進(jìn)一步的，所述升壓變換控制電路包括第一反饋電路、第二反饋電路、第三反饋電 路、選擇電路和PWM控制電路；其中，
所述第一反饋電路根據(jù)所述輸出信號的電壓值和第一工作電壓的誤差產(chǎn)生第一 反饋信號；
所述第二反饋電路根據(jù)所述輸出信號的電流值和第一工作電流的誤差產(chǎn)生第二 反饋信號；
所述第三反饋電路根據(jù)電池電壓與所述終值電壓的誤差產(chǎn)生第三反饋信號；
所述選擇電路選取所述第一反饋信號、第二反饋信號和第三反饋信號中最低者輸 出給所述PWM控制電路；
所述PWM控制電路根據(jù)所述選擇電路的輸出信號控制所述功率級電路的開關(guān)動作。
進(jìn)一步的，所述第一反饋電路和第二反饋電路接收一屏蔽信號，所述屏蔽信號根 據(jù)電池電壓與所述第一閾值電壓的比較結(jié)果選擇性地將所述第一反饋信號或第二反饋信 號拉高。
進(jìn)一步的，包括一限流保護(hù)電路，當(dāng)所述直流輸入電壓小于限流電壓閾值時，限流 保護(hù)電路對電池充電電流進(jìn)行限制，進(jìn)而限制所述升壓變換電路的輸入電流。
進(jìn)一步的，包括一短路保護(hù)電路，當(dāng)電池電壓小于短路保護(hù)閾值時，所述短路保護(hù) 電路控制電池充電電流為第一電流值，所述第一電流值小于所述涓流電流。
優(yōu)選的，當(dāng)耗能負(fù)載代替電池與所述升壓變換電路連接且負(fù)載電壓小于第一閾值 電壓時，所述短路保護(hù)電路控制電池充電電流為斷續(xù)電流，其最大值大于所述輸出信號為 第一閾值電壓時對應(yīng)的負(fù)載電流。
優(yōu)選的，所述升壓變換電路的拓?fù)錇锽oost變換器、Buck-Boost變換器、Sepic變 換器、Cuk變換器或Zeta變換器。
優(yōu)選的，當(dāng)所述升壓變換電路的拓?fù)錇橥秸鰾oost變換器時，進(jìn)一步包括一 節(jié)能控制電路，當(dāng)電池充電電流小于所述節(jié)能模式電流閾值時，所述節(jié)能控制電路控制同 步開關(guān)管保持關(guān)斷。
依據(jù)本發(fā)明一實施例的一種升壓型電池充電管理系統(tǒng)的控制方法，利用升壓變換 電路的輸出電能對電池進(jìn)行充電，包括以下步驟
接收一直流輸入電壓并對其進(jìn)行升壓轉(zhuǎn)換得到一輸出信號，所述輸出信號對電池 進(jìn)行充電；
當(dāng)電池電壓小于第一閾值電壓時，對所述輸出信號進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保持電池充電電 流為涓流電流；
當(dāng)電池電壓大于所述第一閾值電壓時，所述輸出信號直接對電池進(jìn)行充電；其中 所述第一閾值電壓大于所述直流輸入電壓。
進(jìn)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變換電路的輸出端和 電池之間；
當(dāng)電池電壓小于所述第一閾值電壓時，調(diào)節(jié)所述功率管的控制端電壓使其工作在 線性區(qū)域，以調(diào)節(jié)電池充電電流為涓流電流；
當(dāng)電池電壓大于所述第一閾值電壓時，控制所述功率管處于導(dǎo)通狀態(tài)。
進(jìn)一步的，包括下列步驟
當(dāng)電池電壓小于所述第一閾值電壓時，維持所述升壓變換電路的輸出電壓為第一 工作電壓，所述第一工作電壓大于所述第一閾值電壓；
當(dāng)電池電壓大于所述第一閾值電壓而小于終值電壓時，維持所述升壓變換電路的 輸出電流為第一工作電流；
當(dāng)電池電壓等于所述終值電壓時，維持所述升壓變換電路的輸出電壓為終值電 壓，直至電池充電電流小于關(guān)斷電流閾值，所述升壓變換電路停止工作。
進(jìn)一步的，包括下列步驟
根據(jù)所述輸出信號的電壓值和第一工作電壓的誤差產(chǎn)生第一反饋信號；
根據(jù)所述輸出信號的電流值和第一工作電流的誤差產(chǎn)生第二反饋信號；
根據(jù)電池電壓與所述終值電壓的誤差產(chǎn)生第三反饋信號；
根據(jù)所述第一反饋信號、第二反饋信號和第三反饋信號中最低者控制所述升壓變 換電路的開關(guān)動作。
進(jìn)一步的，包括下列步驟根據(jù)電池電壓與所述第一閾值電壓的比較結(jié)果選擇性 地將所述第一反饋信號或第二反饋信號拉高。
優(yōu)選的，當(dāng)所述直流輸入電壓小于限流電壓閾值時，對電池充電電流進(jìn)行限制，進(jìn) 而限制所述升壓變換電路的輸入電流。
進(jìn)一步的，包括下列步驟當(dāng)電池電壓小于短路保護(hù)閾值時，控制電池充電電流為 第一電流值，所述第一電流值小于所述涓流電流。
進(jìn)一步的，包括下列步驟當(dāng)耗能負(fù)載代替電池與升壓變換電路連接且負(fù)載電壓 小于第一閾值電壓時，控制電池充電電流為斷續(xù)電流，其最大值大于所述輸出信號為第一 閾值電壓時對應(yīng)的負(fù)載電流。
優(yōu)選的，所述升壓變換電路的拓?fù)錇锽oost變換器、Buck-Boost變換器、Sepic變 換器、Cuk變換器或Zeta變換器。
優(yōu)選的，當(dāng)所述升壓變換電路的拓?fù)錇橥秸鰾oost變換器時，進(jìn)一步包括，當(dāng) 電池充電電流小于所述節(jié)能模式電流閾值時，控制同步開關(guān)管保持關(guān)斷。
經(jīng)由上述的技術(shù)方案可知，本發(fā)明提供的升壓型電池充電管理系統(tǒng)，利用充電控 制電路中的功率管的工作狀態(tài)的變化，在充電的初始階段控制充電電流為涓流電流，當(dāng)電 池電壓達(dá)到一定閾值后，控制升壓變換電路的輸出直接對電池進(jìn)行恒流或恒壓充電。而升 壓變換控制電路中的選擇電路對不同反饋信號進(jìn)行篩選以控制功率級電路，能夠?qū)崿F(xiàn)充電 的初始階段到恒流充電以及恒壓充電等不同充電模式的自然切換。
另外依據(jù)本發(fā)明的升壓型電池充電管理系統(tǒng)，還可以實現(xiàn)以下有益效果
(I)具有短路保護(hù)功能，當(dāng)電池電壓過小時，能夠控制充電電流降為更低，有效保護(hù)了電子設(shè)備及其電池，延長其使用壽命。
(2)加入了限流保護(hù)電路，在恒流充電的過程中當(dāng)輸入電壓過小時，通過減小電池 充電電流對升壓變換電路的輸入電流進(jìn)行限制。
(3)在升壓變換電路的拓?fù)錇橥秸鰾oost變換器時，在充電電流過低時進(jìn)入 節(jié)能模式，控制電路工作在非同步狀態(tài)，以降低開關(guān)損耗，提高轉(zhuǎn)換效率。
(4)即使出現(xiàn)電池設(shè)備與整個系統(tǒng)的連接異常，升壓變換電路的輸出端連接耗能 負(fù)載時，整個系統(tǒng)仍然能夠正常運行。而且依據(jù)本發(fā)明的實施例并不限制升壓轉(zhuǎn)換電路的 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制策略。
為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn) 有技術(shù)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(fā)明的實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù) 提供的附圖獲得其他的附圖。
圖1所示為依據(jù)本發(fā)明的升壓型電池充電管理系統(tǒng)的第一實施例的原理框圖2所示為依據(jù)本發(fā)明的升壓型電池充電管理系統(tǒng)的第二實施例的原理框圖3所示為依據(jù)本發(fā)明的升壓型電池充電管理系統(tǒng)的第三實施例的原理框圖4所示為依據(jù)本發(fā)明的升壓型電池充電管理系統(tǒng)的第四實施例的原理框圖5所示為圖4中依據(jù)本發(fā)明的升壓型電池充電管理系統(tǒng)的工作波形圖6所示為電池連接不正常時，電池充電電流的期望波形圖7所示為PWM控制電路和節(jié)能控制電路的原理框圖8所示為依據(jù)本發(fā)明的升壓型電池充電管理系統(tǒng)的控制方法的流程圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的幾個優(yōu)選實施例進(jìn)行詳細(xì)描述，但本發(fā)明并不僅僅限于 這些實施例。本發(fā)明涵蓋任何在本發(fā)明的精髓和范圍上做的替代、修改、等效方法以及方 案。為了使公眾對本發(fā)明有徹底的了解，在以下本發(fā)明優(yōu)選實施例中詳細(xì)說明了具體的細(xì) 節(jié)，而對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說沒有這些細(xì)節(jié)的描述也可以完全理解本發(fā)明。
依據(jù)本發(fā)明的升壓型電池充電管理系統(tǒng)，從功率級電路的拓?fù)浣嵌葋砜矗軌驅(qū)?現(xiàn)升壓功能的有 Boost、Buck_Boost、Sepic、Cuk、Zeta 等結(jié)構(gòu)。但其中 Boost 和 Buck-Boost 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(yōu)勢。單管 結(jié)構(gòu)的Buck-Boost拓?fù)淦漭敵龃嬖谪?fù)壓，不利于充電管理系統(tǒng)的設(shè)計。而四管結(jié)構(gòu)的 Buck-Boost在成本及效率方面沒有優(yōu)勢。因此Boost變換器是充電管理系統(tǒng)中相對優(yōu)選的 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以下即以Boost變換器為例對本發(fā)明的具體實施例進(jìn)行詳細(xì)描述。
參考圖1，100所示為依據(jù)本發(fā)明的升壓型電池充電管理系統(tǒng)的第一實施例的原 理框圖，其由升壓變換電路和充電控制電路201組成；其中，所述升壓變換電路接收一直流 輸入電壓Vin并對其進(jìn)行升壓轉(zhuǎn)換得到一輸出信號，所述輸出信號對多個串聯(lián)的鋰電池進(jìn) 行充電；其中直流輸入電壓Vin—般由USB充電器或其他低壓供電系統(tǒng)提供。
所述升壓變換電路的功率級電路101為由電感L、主開關(guān)管S1、同步開關(guān)管S2以及輸出電容Cbd組成的同步整流Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),在小電流場合，同步開關(guān)管S2也可以用二極 管代替以降低成本。
而升壓變換控制電路102分別根據(jù)功率級電路的輸出電壓Vwt、輸出電流Iwt以及 電池電壓Vbat輸出主開關(guān)管S1、同步開關(guān)管S2的控制信號Gl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(jìn)行恒壓或恒流控制。
所述充電控制電路201與功率級電路101的輸出端連接，接收并比較電池電壓Vbat 和第一閾值電壓Vthi，根據(jù)比較的結(jié)果對功率級電路101的輸出信號進(jìn)行調(diào)節(jié)，其中所述第 一閾值電壓Vthi大于所述直流輸入電壓Vin。
當(dāng)電池電壓Vbat小于第一閾值電壓Vthi時,所述充電控制電路201對所述輸出信號 進(jìn)行調(diào)節(jié)，以數(shù)值較小的涓流電流對電池充電(涓流電流一般設(shè)置為恒流充電電流的1/10 左右)；當(dāng)電池電壓Vbat大于所述第一閾值電壓Vthi時,則控制所述輸出信號直接對電池進(jìn) 行充電。
參考圖2，所示為依據(jù)本發(fā)明的升壓型電池充電管理系統(tǒng)的第二實施例的原理框 圖；其中給出了充電控制電路201的一種實現(xiàn)方法，其具體包括一功率管Q1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Q1工作在線性區(qū)域或完全導(dǎo)通這 兩種狀態(tài)，因此其類型可以為任何合適的功率開關(guān)管，在本實施例中優(yōu)選為N溝道增強型 場效應(yīng)晶體管，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(dǎo)放大器302的同相輸入端接收表征涓流電流期望 值的信號I ，反相輸入端接收功率級電路101的輸出電流Iwt，跨導(dǎo)放大器302的輸出電流 對補償網(wǎng)絡(luò)Zw進(jìn)行充放電控制以得到一控制信號Vrtrt。
比較器303的同相輸入端接收電池電壓Vbat，反相輸入端接收所述第一閾值電壓 Vthi，其輸出信號經(jīng)過RC濾波電路后得到一高低電平信號。
所述控制信號Vetri和比較器303輸出的高低電平信號分別通過二極管連接至所述 功率管Q1的柵極，其中低電平信號的數(shù)值始終小于控制信號Vrtrt，高電平信號的數(shù)值始終 大于控制信號因此兩個信號中數(shù)值較大的將用以控制所述功率管Q1的工作狀態(tài)。
當(dāng)串聯(lián)的鋰電池連接正常，而功率級電路無輸入信號時，電容Cbd被電池通過所述 功率管Q1的體二極管充電，則輸出電壓Vtjut接近于電池電壓Vbat ；
當(dāng)功率級電路的輸入信號接入時，若所述直流輸入電壓Vin高于電池電壓Vbat，則 電容Cbd通過同步開關(guān)管S2的體二極管充電至接近于直流輸入電壓Vin，此時電池電壓Vbat小 于輸出電壓Vtjut,即此時電池電壓Vbat小于所述第一閾值電壓Vthi,比較器303輸出低電平， 因此由所述控制信號Vrtrt調(diào)節(jié)所述功率管Q1的柵極電壓使其工作在線性區(qū)域，并閉環(huán)調(diào)節(jié) 以涓流電流為電池充電。此時升壓變換控制電路將輸出電壓Vtjut閉環(huán)控制在略高于Vin的 第一工作電壓，所述第一工作電壓略大于所述第一閾值電壓(以5V的直流輸入電壓為例， 可以設(shè)置VTm=5. 4V或5. 3V，第一工作電壓設(shè)置為5. 8V)。
當(dāng)電池電壓Vbat大于所述第一閾值電壓Vthi時，比較器303輸出高電平信號控制所 述功率管Q1完全導(dǎo)通，此時所述功率級電路101的輸出信號直接對電池進(jìn)行充電；其中
當(dāng)電池電壓Vbat大于所述第一閾值電壓Vthi而小于終值電壓Vct時(如兩節(jié)鋰電池 串聯(lián)連接時，可以設(shè)置終值電壓為8. 4V)，所述升壓變換控制電路將輸出電流Irat維持在第一工作電流(可以設(shè)置第一工作電流為2A，相應(yīng)的選取涓流電流大小為200mA)，進(jìn)而對電 池進(jìn)行恒流充電。
當(dāng)電池電壓Vbat等于所述終值電壓Vct時，所述升壓變換控制電路閉環(huán)控制所述輸 出電壓Vrat等于所述終值電壓Vw，進(jìn)而使電池進(jìn)行恒壓充電(此處忽略了功率管Q1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 于終值電壓)，直至電池充電電流小于關(guān)斷電流閾值(一般設(shè)定為IOOmA或更小)時，升壓變 換控制電路首先關(guān)斷主開關(guān)管S1以防止功率級電路中電感電流繼續(xù)上升，當(dāng)電感電流降至 零后同時關(guān)斷同步開關(guān)管S2與功率管Q1,電池充電過程隨之結(jié)束。
為防止電池向升壓變換電路的輸入端漏電耗能，需要在電感電流降至零后再關(guān)斷 同步開關(guān)管和功率管。類似的，當(dāng)整個充電電路出現(xiàn)除輸出短路保護(hù)以外的各類保護(hù)響應(yīng) 時，例如輸入過壓、輸出過壓、過慢、超時等，主開關(guān)管S1S即關(guān)斷，當(dāng)電感電流降至零后，同 步開關(guān)管S2與功率管Q1同時關(guān)斷。
為了實現(xiàn)升壓變換電路在恒壓控制和恒流控制之間的自然切換，圖3在圖2所示 實施例的基礎(chǔ)上給出了升壓變換控制電路的具體電路框圖，其電路結(jié)構(gòu)和工作原理可參照 下文
所述升壓變換控制電路102包括第一反饋電路、第二反饋電路、第三反饋電路、選 擇電路和PWM控制電路；其中，
所述第一反饋電路由跨導(dǎo)放大器401和補償網(wǎng)絡(luò)Za組成，其根據(jù)輸出電壓Vwt和第一工作電壓VMfl的誤差產(chǎn)生第一反饋信號Vci ；
所述第二反饋電路由跨導(dǎo)放大器402和補償網(wǎng)絡(luò)Zc2組成，其根據(jù)輸出電流Iwt和 第一工作電流IMfl的誤差產(chǎn)生第二反饋信號Vc2 ；
所述第三反饋電路由跨導(dǎo)放大器403和補償網(wǎng)絡(luò)Zc3組成，根據(jù)電池電壓Vbat與所 述終值電壓Vct的誤差產(chǎn)生第三反饋信號Vc3 ；
以上反饋信號輸入至由三個二極管組成的選擇電路，將數(shù)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(guān)控制信號Gl和G2。
當(dāng)電池電壓Vbat小于所述第一閾值電壓Vthi時，由于此時電池充電電流被調(diào)節(jié)為 涓流電流，其值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于第一工作電流IMfl，同時，電池電壓遠(yuǎn)小于所述終值電壓，因此第 二反饋信號和第三反饋信號Vra的數(shù)值較大，由第一反饋信號Va輸入至PWM控制電路， 從而將輸出電壓維持在第一工作電壓VMfl。
當(dāng)電池電壓Vbat大于所述第一閾值電壓Vthi而小于終值電壓Vcv時，由于此時輸出 電壓Vwt會被瞬間拉低，因此第一反饋信號Va會瞬間提升，由于電池電壓仍小于所述終值 電壓，因此第三反饋信號Vra的數(shù)值仍然要大于第二反饋信號\2，因此由第二反饋信號\2 輸入至PWM控制電路，從而將輸出電流維持在第一工作電流Irefl對電池進(jìn)行恒流充電。
當(dāng)電池電壓Vbat等于所述終值電壓Vw時，第三反饋信號Vra的數(shù)值變?yōu)樽钚?，輸?至PWM控制電路以控制電池進(jìn)行恒壓充電，此時電池充電電流開始下降，當(dāng)其數(shù)值小于關(guān) 斷電流閾值時，整個充電過程結(jié)束。
由上述升壓變換控制電路102的工作過程可以推知升壓變換控制電路中的選擇 電路對不同反饋信號進(jìn)行篩選以控制功率級電路，能夠?qū)崿F(xiàn)充電的初始階段到恒流充電以 及恒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(dāng)升壓變換控制電路從維持第一工作電壓的恒壓工作跳變到恒流工作的過程中， 由于功率級電路的輸出電壓可能出現(xiàn)瞬間的掉電，使得第一反饋信號再次變?yōu)閿?shù)值最低的反饋信號，這樣整個升壓變換電路無法順利跳轉(zhuǎn)至恒流工作狀態(tài)。在本實施例中可以采用一屏蔽信號Nor解決上述問題
當(dāng)電池電壓Vbat小于所述第一閾值電壓Vthi時,屏蔽信號Nor為無效狀態(tài),其反相信號控制跨導(dǎo)放大器402的輸出端與輸Λ電源Vcc 接從而將第二反饋信號拉高；
在實際電路中，可以將比較器303的輸出經(jīng)過RC濾波得到的高低電平信號作為所述屏蔽信號Nor。
這里需要說明的是連接在跨導(dǎo)放大器輸出端的補償網(wǎng)絡(luò)(ZC1、ZC2, Zc3和Zc4)其組成形式可以為電容或電容與電阻串聯(lián)，也可以為實現(xiàn)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框圖中可以看出本發(fā)明提供的升壓型電池充電管理系統(tǒng)，利用充電控制電路中的功率管的工作狀態(tài)的變化，在充電的初始階段控制充電電流為涓流電流，當(dāng)電池電壓達(dá)到一定閾值后，控制升壓變換電路的輸出直接對電池進(jìn)行恒流或恒壓充電。而當(dāng)電池設(shè)備與整個系統(tǒng)的連接異常，升壓變換電路的輸出端連接耗能負(fù)載時，整個系統(tǒng)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并大于內(nèi)部欠壓鎖定閾值后，充電控制電路中的功率管逐步導(dǎo)通以限制浪涌電流，升壓變換電路開始工作在恒壓/恒流模式。
另外在說明書中對一些電壓或電流信號結(jié)合優(yōu)選數(shù)值進(jìn)行的說明，其目的在于使得本領(lǐng)域的技術(shù)人員更直觀清晰的理解不同信號之間的大小、比例關(guān)系，而非限制本發(fā)明在任何具體參數(shù)的電路中。
上述實施例中的升壓型電池充電管理系統(tǒng)還存在以下問題當(dāng)電池電壓過小時， 過大的充電電流容易損壞電子設(shè)備；在恒流充電的過程中，當(dāng)輸入功率過小時將導(dǎo)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(tǒng)在圖3所示實施例的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加入了短路保護(hù)電路501和限流保護(hù)電路601。
所述短路保護(hù)電路501接收電池電壓Vbat和短路保護(hù)閾值Vs。，在電池充電的初始階段，電池電壓Vbat小于短路保護(hù)閾值Vsc，系統(tǒng)出現(xiàn)輸出短路保護(hù)響應(yīng)，若此時電池連接正常，則先關(guān)斷主開關(guān)管S1，而功率管Q1工作于線性區(qū)域，所述短路保護(hù)電路控制電池充電電流為小于涓流電流的第一電流值(以兩節(jié)串聯(lián)連接的鋰電池為例，可以設(shè)置VSC=2V，涓流電流為200mA時，可以設(shè)置第一電流值為100mA)，具體電路中可以利用短路保護(hù)電路的輸出信 號減小跨導(dǎo)放大器302同相輸入端的參考數(shù)值使其表征第一電流值。
所述限流保護(hù)電路601與所述功率級電路101的輸入端連接，并將所述直流輸入電壓Vin與一限流電壓閾值相比較，當(dāng)所述直流輸入電壓Vin小于限流電壓閾值時，限流保護(hù)電路對電池充電電流進(jìn)行限制，進(jìn)而限制所述升壓變換電路的輸入電流。與上述短路保護(hù)電路相類似的，利用限流保護(hù)電路的輸出信號減小跨導(dǎo)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(hù)電路的實現(xiàn)方法和工作原理均在申請?zhí)枮?01210516649. X專利中已作詳細(xì)介紹，在此不重復(fù)闡述)。
圖5所示為圖4中的升壓型電池充電管理系統(tǒng)電池電壓和充電電流的對應(yīng)波形圖，從圖中可以看出加入限流保護(hù)電路和短路保護(hù)電路后，當(dāng)電池電壓過小時，能夠控制充電電流降為更低，有效保護(hù)了電子設(shè)備及其電池，延長其使用壽命。
在實際應(yīng)用中，電池充電管理系統(tǒng)需要考慮到電池連接出現(xiàn)異常的情況，此時如果電池由一耗能負(fù)載(如電阻設(shè)備)所取代時，主開關(guān)管首先關(guān)斷，負(fù)載電壓一旦小于第一閾值電壓，功率管控制電路就開始控制功率管工作在線性區(qū)域，以較小的涓流電流對負(fù)載進(jìn)行供電，由于耗能負(fù)載的電壓無法如充電電池一樣緩慢上升，因此一旦進(jìn)入功率管線性工作狀態(tài)就很難跳轉(zhuǎn)至正常的恒流或恒壓工作狀態(tài)，此時需要控制電池充電電流為斷續(xù)電流。
具體的在功率管控制電路中，所述跨導(dǎo)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(xù)三角波，三角波的峰值大于所述輸出信號為第一閾值電壓時對應(yīng)的負(fù)載電流,這樣當(dāng)電池充電電流被控制在第一閾值電壓時對應(yīng)的負(fù)載電流以上時，負(fù)載電壓即大于第一閾值電壓，此時功率管完全導(dǎo)通，再次由升壓變換電路的輸出信號為負(fù)載供電。當(dāng)然充電電流參考信號的波形也不局限于斷續(xù)的三角波，其他形式的斷續(xù)波形如斷續(xù)正弦半波、斷續(xù)方波同樣可以滿足需求。
依據(jù)本發(fā)明的升壓型電池充電管理系統(tǒng)可采用各類通用的控制手段，如峰值電流控制、恒定導(dǎo)通時間控制、恒定關(guān)斷時間控制、電流滯環(huán)控制等，圖7所示為以峰值電流控制為例的PWM控制電路的具體框圖，并加入了一節(jié)能控制電路701，所述節(jié)能控制電路701 利用比較器702接收電池充電電流Idlg和節(jié)能模式電流閾值ΙΕω，在電池充電電流Idlg低于所述節(jié)能模式電流閾值I 時進(jìn)入節(jié)能模式，其比較器的輸出信號通過邏輯器件控制同步開關(guān)管S2關(guān)斷，同步整流Boost變換器工作在非同步狀態(tài)，以降低開關(guān)損耗，提聞轉(zhuǎn)換效率。
以下結(jié)合附圖對依據(jù)本發(fā)明的升壓型電池充電管理系統(tǒng)的控制方法的優(yōu)選實施例進(jìn)行詳細(xì)描述。
參考圖8，所示為依據(jù)本發(fā)明的升壓型電池充電管理系統(tǒng)的控制方法的一實施例的流程圖。利用升壓變換電路的輸出電能對電池進(jìn)行充電，其包括以下步驟
S801 :接收一直流輸入電壓并對其進(jìn)行升壓轉(zhuǎn)換得到一輸出信號,所述輸出信號對電池進(jìn)行充電；
S802 :當(dāng)電池電壓小于第一閾值電壓時，對所述輸出信號進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保持電池充電電流為涓流電流；
S803 :當(dāng)電池電壓大于所述第一閾值電壓時,所述輸出信號直接對電池進(jìn)行充電； 其中所述第一閾值電壓大于所述直流輸入電壓。
其中對電池充電電流的控制進(jìn)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變換電路的輸出端和電池之間；
當(dāng)電池電壓小于所述第一閾 值電壓時，調(diào)節(jié)所述功率管的控制端電壓使其工作在線性區(qū)域，以調(diào)節(jié)電池充電電流為涓流電流；
當(dāng)電池電壓大于所述第一閾值電壓時，控制所述功率管處于導(dǎo)通狀態(tài)。
其中對于升壓變換電路的輸出信號的控制進(jìn)一步包括以下步驟
當(dāng)電池電壓小于所述第一閾值電壓時，維持所述升壓變換電路的輸出電壓為第一 工作電壓，所述第一工作電壓大于所述第一閾值電壓；
當(dāng)電池電壓大于所述第一閾值電壓而小于終值電壓時，維持所述升壓變換電路的 輸出電流為第一工作電流；
當(dāng)電池電壓等于所述終值電壓時，維持所述升壓變換電路的輸出電壓為終值電 壓，直至電池充電電流小于關(guān)斷電流閾值，所述升壓變換電路停止工作。
以上對升壓變換電路的輸出信號的控制方法可以具體包括
根據(jù)所述輸出信號的電壓值和第一工作電壓的誤差產(chǎn)生第一反饋信號；
根據(jù)所述輸出信號的電流值和第一工作電流的誤差產(chǎn)生第二反饋信號；
根據(jù)電池電壓與所述終值電壓的誤差產(chǎn)生第三反饋信號；
根據(jù)所述第一反饋信號、第二反饋信號和第三反饋信號中最低者控制所述升壓變 換電路的開關(guān)動作。
進(jìn)一步的，可以根據(jù)電池電壓與所述第一閾值電壓的比較結(jié)果選擇性地將所述第一反饋信號或第二反饋信號拉高。
加入限流保護(hù)功能后，控制方法可以進(jìn)一步包括
當(dāng)所述直流輸入電壓小于限流電壓閾值時，對電池充電電流進(jìn)行限制，進(jìn)而限制 所述升壓變換電路的輸入電流。
加入短路保護(hù)功能后，控制方法可以進(jìn)一步包括
當(dāng)電池電壓小于短路保護(hù)閾值時，控制電池充電電流為第一電流值，所述第一電 流值小于所述涓流電流。
進(jìn)一步的，當(dāng)耗能負(fù)載代替電池與升壓變換電路連接且負(fù)載電壓小于第一閾值電 壓時，控制電池充電電流為斷續(xù)電流，其最大值大于所述輸出信號為第一閾值電壓時對應(yīng) 的負(fù)載電流。
其中，所述升壓變換電路的拓?fù)錇锽oost變換器、Buck-Boost變換器、Sepic變換 器、Cuk變換器或Zeta變換器。
當(dāng)所述升壓變換電路的拓?fù)錇橥秸鰾oost變換器時，進(jìn)一步包括，當(dāng)電池充 電電流小于所述節(jié)能模式電流閾值時，控制同步開關(guān)管保持關(guān)斷。
需要說明的是，本發(fā)明各個實施例間名稱相同的器件功能也相同，且改進(jìn)行性的 實施例可分別與上述多個相關(guān)實施例進(jìn)行結(jié)合，但說明時僅在上一實施例的基礎(chǔ)上舉例說 明?；诒景l(fā)明實施例的升壓型電池充電管理系統(tǒng)可以適用于其他合適形式的升壓型拓?fù)?結(jié)構(gòu)中，如Buck-Boost變換器、Sepic變換器、Cuk變換器或Zeta變換器等,而并不局限于 本發(fā)明實施例中的Boost變換器。并且，功率管控制電路、選擇電路以及PWM控制電路以及 相關(guān)電路包括但并不限定于以上公開的電路結(jié)構(gòu)，只要能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明實施例所述的相關(guān) 電路的功能即可，因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員在本發(fā)明實施例公開的電路的基礎(chǔ)上所做的相關(guān) 的改進(jìn)，也在本發(fā)明實施例的保護(hù)范圍之內(nèi)。
依照本發(fā)明的實施例如上文所述，這些實施例并沒有詳盡敘述所有的細(xì)節(jié)，也不 限制該發(fā)明僅為所述的具體實施例。顯然，根據(jù)以上描述，可作很多的修改和變化。本說明 書選取并具體描述這些實施例，是為了更好地解釋本發(fā)明的原理和實際應(yīng)用，從而使所屬技術(shù)領(lǐng)域技 術(shù)人員能很好地利用本發(fā)明以及在本發(fā)明基礎(chǔ)上的修改使用。本發(fā)明僅受權(quán)利要求書及其全部范圍和等效物的限制。
權(quán)利要求
1.一種升壓型電池充電管理系統(tǒng)，其特征在于，包括升壓變換電路和充電控制電路；其中， 所述升壓變換電路接收一直流輸入電壓并對其進(jìn)行升壓轉(zhuǎn)換得到一輸出信號，所述輸出信號對電池進(jìn)行充電； 所述充電控制電路與所述升壓變換電路的輸出端連接，當(dāng)電池電壓小于第一閾值電壓時，所述充電控制電路對所述輸出信號進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保持電池充電電流為涓流電流；當(dāng)電池電壓大于所述第一閾值電壓時，所述輸出信號直接對電池進(jìn)行充電；其中所述第一閾值電壓大于所述直流輸入電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的升壓型電池充電管理系統(tǒng)，其特征在于，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變換電路的輸出端和電池之間； 當(dāng)電池電壓小于所述第一閾值電壓時，所述功率管控制電路調(diào)節(jié)所述功率管的控制端電壓使其工作在線性區(qū)域，以調(diào)節(jié)電池充電電流為涓流電流； 當(dāng)電池電壓大于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于導(dǎo)通狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的升壓型電池充電管理系統(tǒng)，其特征在于，所述升壓變換電路包括功率級電路和升壓變換控制電路； 所述升壓變換控制電路控制所述功率級電路的開關(guān)動作以維持所述輸出信號恒定； 當(dāng)電池電壓小于所述第一閾值電壓時，所述升壓變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于所述第一閾值電壓； 當(dāng)電池電壓大于所述第一閾值電壓而小于終值電壓時，所述升壓變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(dāng)電池電壓等于所述終值電壓時，所述升壓變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于關(guān)斷電流閾值，所述升壓變換電路停止工作。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的升壓型電池充電管理系統(tǒng)，其特征在于，所述升壓變換控制電路包括第一反饋電路、第二反饋電路、第三反饋電路、選擇電路和PWM控制電路；其中， 所述第一反饋電路根據(jù)所述輸出信號的電壓值和第一工作電壓的誤差產(chǎn)生第一反饋信號; 所述第二反饋電路根據(jù)所述輸出信號的電流值和第一工作電流的誤差產(chǎn)生第二反饋信號; 所述第三反饋電路根據(jù)電池電壓與所述終值電壓的誤差產(chǎn)生第三反饋信號； 所述選擇電路選取所述第一反饋信號、第二反饋信號和第三反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(jù)所述選擇電路的輸出信號控制所述功率級電路的開關(guān)動作。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的升壓型電池充電管理系統(tǒng)，其特征在于，所述第一反饋電路和第二反饋電路接收一屏蔽信號，所述屏蔽信號根據(jù)電池電壓與所述第一閾值電壓的比較結(jié)果選擇性地將所述第一反饋信號或第二反饋信號拉高。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的升壓型電池充電管理系統(tǒng)，其特征在于，進(jìn)一步包括一限流保護(hù)電路，當(dāng)所述直流輸入電壓小于限流電壓閾值時，限流保護(hù)電路對電池充電電流進(jìn)行限制，進(jìn)而限制所述升壓變換電路的輸入電流。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的升壓型電池充電管理系統(tǒng)，其特征在于，進(jìn)一步包括一短路保護(hù)電路，當(dāng)電池電壓小于短路保護(hù)閾值時，所述短路保護(hù)電路控制電池充電電流為第一電流值，所述第一電流值小于所述涓流電流。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的升壓型電池充電管理系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng)耗能負(fù)載代替電池與所述升壓變換電路連接且負(fù)載電壓小于第一閾值電壓時，所述短路保護(hù)電路控制電池充電電流為斷續(xù)電流，其最大值大于所述輸出信號為第一閾值電壓時對應(yīng)的負(fù)載電流。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的升壓型電池充電管理系統(tǒng)，其特征在于，所述升壓變換電路的拓?fù)錇锽oost變換器、Buck-Boost變換器、Sepic變換器、Cuk變換器或Zeta變換器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的升壓型電池充電管理系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng)所述升壓變換電路的拓?fù)錇橥秸鰾oost變換器時,進(jìn)一步包括一節(jié)能控制電路，當(dāng)電池充電電流小于所述節(jié)能模式電流閾值時，所述節(jié)能控制電路控制同步開關(guān)管保持關(guān)斷。
11.一種升壓型電池充電管理系統(tǒng)的控制方法，利用升壓變換電路的輸出電能對電池進(jìn)行充電，其特征在于，包括以下步驟接收一直流輸入電壓并對其進(jìn)行升壓轉(zhuǎn)換得到一輸出信號，所述輸出信號對電池進(jìn)行充電；當(dāng)電池電壓小于第一閾值電壓時，對所述輸出信號進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保持電池充電電流為涓流電流；當(dāng)電池電壓大于所述第一閾值電壓時，所述輸出信號直接對電池進(jìn)行充電；其中所述第一閾值電壓大于所述直流輸入電壓。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的控制方法，其特征在于，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變換電路的輸出端和電池之間；當(dāng)電池電壓小于所述第一閾值電壓時，調(diào)節(jié)所述功率管的控制端電壓使其工作在線性區(qū)域，以調(diào)節(jié)電池充電電流為涓流電流；當(dāng)電池電壓大于所述第一閾值電壓時，控制所述功率管處于導(dǎo)通狀態(tài)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的控制方法，其特征在于，當(dāng)電池電壓小于所述第一閾值電壓時，維持所述升壓變換電路的輸出電壓為第一工作電壓，所述第一工作電壓大于所述第一閾值電壓；當(dāng)電池電壓大于所述第一閾值電壓而小于終值電壓時，維持所述升壓變換電路的輸出電流為第一工作電流；當(dāng)電池電壓等于所述終值電壓時，維持所述升壓變換電路的輸出電壓為終值電壓，直至電池充電電流小于關(guān)斷電流閾值，所述升壓變換電路停止工作。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的控制方法，其特征在于，根據(jù)所述輸出信號的電壓值和第一工作電壓的誤差產(chǎn)生第一反饋信號；根據(jù)所述輸出信號的電流值和第一工作電流的誤差產(chǎn)生第二反饋信號；根據(jù)電池電壓與所述終值電壓的誤差產(chǎn)生第三反饋信號；根據(jù)所述第一反饋信號、第二反饋信號和第三反饋信號中最低者控制所述升壓變換電路的開關(guān)動作。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的控制方法，其特征在于，根據(jù)電池電壓與所述第一閾值電壓的比較結(jié)果選擇性地將所述第一反饋信號或第二反饋信號拉高。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的控制方法，其特征在于，進(jìn)一步包括，當(dāng)所述直流輸入電壓小于限流電壓閾值時，對電池充電電流進(jìn)行限制，進(jìn)而限制所述升壓變換電路的輸入電流。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的控制方法，其特征在于，進(jìn)一步包括，當(dāng)電池電壓小于短路保護(hù)閾值時，控制電池充電電流為第一電流值，所述第一電流值小于所述涓流電流。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的控制方法，其特征在于，當(dāng)耗能負(fù)載代替電池與升壓變換電路連接且負(fù)載電壓小于第一閾值電壓時，控制電池充電電流為斷續(xù)電流，其最大值大于所述輸出信號為第一閾值電壓時對應(yīng)的負(fù)載電流。
19.根據(jù)權(quán)利要求11所述的控制方法，其特征在于，所述升壓變換電路的拓?fù)錇锽oost 變換器、Buck-Boost變換器、Sepic變換器、Cuk變換器或Zeta變換器。
20.根據(jù)權(quán)利要求11所述的控制方法，其特征在于，當(dāng)所述升壓變換電路的拓?fù)錇橥秸鰾oost變換器時,進(jìn)一步包括,當(dāng)電池充電電流小于所述節(jié)能模式電流閾值時，控制同步開關(guān)管保持關(guān)斷。
全文摘要
依據(jù)本發(fā)明的一種升壓型電池充電管理系統(tǒng)及其控制方法，其中包括升壓變換電路和充電控制電路；其中，所述升壓變換電路接收一直流輸入電壓并對其進(jìn)行升壓轉(zhuǎn)換得到一輸出信號，所述輸出信號對電池進(jìn)行充電；所述充電控制電路與所述升壓變換電路的輸出端連接，當(dāng)電池電壓小于第一閾值電壓時，所述充電控制電路對所述輸出信號進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保持電池充電電流為涓流電流；當(dāng)電池電壓大于所述第一閾值電壓時，所述輸出信號直接對電池進(jìn)行充電；其中所述第一閾值電壓大于所述直流輸入電壓。
文檔編號H02J7/00GK103066666SQ20131002489
公開日2013年4月24日 申請日期2013年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月22日
發(fā)明者趙晨, 程帥, 姚杰 申請人:矽力杰半導(dǎo)體技術(shù)(杭州)有限公司