充电电路

摘要

本发明提供一种充电电路，其包括：功率晶体管；镜像晶体管；检测电阻；电流控制晶体管；钳位运算放大器；恒压运算放大器；恒流运算放大器，其第一输入端与第二参考电压相连，其第二输入端与所述检测电阻的第一连接端相连，其输出端与所述电流控制晶体管的控制端相连。所述充电电路还包括：电荷泵，其将输入电源电压进行升压后得到升压电源电压，所述恒压运算放大器和钳位运算放大器以所述升压电源电压为工作电压。本发明中充电电路，无需电感，成本低。

权利要求

1.一种充电电路，其特征在于，其包括：

功率晶体管，其第一连接端作为电源输入端与输入电源电压相连，第二连接端作为充电输出端与电池相连；

镜像晶体管，其控制端与所述功率晶体管的控制端相连，其第一连接端与所述功率晶体管的第一连接端相连；

检测电阻，其第二连接端接地；

电流控制晶体管，其第一连接端与所述镜像晶体管的第二连接端相连，其第二连接端与检测电阻的第一连接端相连；

钳位运算放大器，其具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端与所述功率晶体管的第二连接端相连，其第二输入端与所述镜像晶体管的第二连接端相连，其输出端通过第一开关与所述功率晶体管的控制端相连；

恒压运算放大器，其具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端与第一参考电压相连，第二输入端与所述充电输出端相连，其输出端通过第二开关与所述功率晶体管的控制端相连；

恒流运算放大器，其具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端与第二参考电压相连，其第二输入端与所述检测电阻的第一连接端相连，其输出端与所述电流控制晶体管的控制端相连；

其特征在于，其还包括：电荷泵，其将输入电源电压进行升压后得到升压电源电压，所述恒压运算放大器和钳位运算放大器以所述升压电源电压为工作电压，其还包括：输入电压反馈电路，其基于电池电压、充电电流和/或当前输入电源电压得到数字目标输入电源电压，并将数字目标输入电源电压传送给电源适配器，所述输入电压反馈电路包括：第一模数转换器，其将模拟电池电压转换成数字电池电压；

第二模数转换器，其将当前模拟输入电源电压转换成数字输入电源电压；

第一加法器，其在所述数字电池电压基础上增加第一数字电压得到第一加总电压，该第一数字电压等于或大于充电电流与所述功率晶体管的导通电阻的乘积；

第二加法器，其在第一加总电压的基础上增加第二数字电压得到第二加总电压；

数字比较器，其比较数字输入电源电压、第一加总电压和第二加总电压，在数字输入电源电压低于第一加总电压时输出增加控制信号，在数字输入电源电压高于第二加总电压时输出减少控制信号，在数字输入电源电压高于第一加总电压且低于第二加总电压时，输出保持控制信号；

调整电路，其根据基于数字比较器的输出来调整并输出偏差电压；

第三加法器，其将第一加总电压与所述偏差电压相加得到数字目标输入电源电压。

2.根据权利要求1所述的充电电路，其特征在于，功率晶体管、镜像晶体管和电流控制晶体管为NMOS晶体管，NMOS晶体管的源极为第二连接端，其漏极为第一连接端，其栅极为控制端，所述钳位运算放大器、所述恒压运算放大器和恒流运算放大器的正相输入端为其第一输入端，负相输入端为其第二输入端。

3.根据权利要求1所述的充电电路，其特征在于，其还包括：

电压比较器，其第一输入端与所述充电输出端相连，第二输入端与第三参考电压相连，在所述充电输出端的电压高于第三参考电压时，控制第二开关导通，第一开关截止，在所述充电输出端的电压低于第三参考电压时，控制第二开关截止，第一开关导通。

4.根据权利要求3所述的充电电路，其特征在于，所述电压比较器的输出端与第二开关的控制端相连，所述电压比较器的输出端经过反相器与第一开关的控制端相连，所述反相器以升压电源电压为工作电压。

5.根据权利要求1所述的充电电路，其特征在于，所述电源适配器包括：数模转换电路，其将数字目标输入电源电压转换成模拟目标输入电源电压；

误差放大器，其第一输入端与模拟目标输入电源电压相连，第二输入端与所述电源适配器的输出端相连；

控制器，其根据所述误差放大器的输出端输出的误差放大信号得到脉宽调制信号；

电源转换器，其控制端与所述控制器的输出端相连，其输入端接收输入电压，其输出端作为所述电源适配器的输出端，所述电源适配器的输出给提供所述输入电源电压。

说明书

充电电路

【技术领域】

[0001] 本发明涉及电池充电领域，特别涉及一种低成本高效充电电路。【背景技术】

[0002] 现有技术中通常采用开关型充电器来实现高效率的充电电路，例如中国专利申请(申请号:CN201110409311.X和CN201110392273.1)，其特点都是采用了电感元件作为储能元件，来搬移能量，实现高效率，一般效率约90％左右。开关型充电器通过利用电感储能的原理实现较高的转换效率，这样在充电电路上的发热较小。对例如手机、蓝牙耳机这样体积空间较小的设备来说，发热已经成为日益严重的问题。提高充电效率，减小发热，可以提高电路可靠性。然而，电感通常需要占用较大的芯片面积，提高了成本。

[0003] 因此有必要提供一种新的解决方案来解决上述问题。【发明内容】

[0004] 本发明的目的在于提供一种高效率充电电路，其无需电感，成本低。

[0005] 为实现上述目的，本发明提供一种充电电路，其包括：功率晶体管，其第一连接端作为电源输入端与输入电源电压相连，第二连接端作为充电输出端与电池相连；镜像晶体管，其控制端与所述功率晶体管的控制端相连，其第一连接端与所述功率晶体管的第一连接端相连；检测电阻，其第二连接端接地；电流控制晶体管，其第一连接端与所述镜像晶体管的第二连接端相连，其第二连接端与检测电阻的第一连接端相连；钳位运算放大器，其具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端与所述功率晶体管的第二连接端相连，其第二输入端与所述镜像晶体管的第二连接端相连，其输出端通过第一开关与所述功率晶体管的控制端相连；恒压运算放大器，其具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端与第一参考电压相连，第二输入端与所述充电输出端相连，其输出端通过第二开关与所述功率晶体管的控制端相连；恒流运算放大器，其具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端与第二参考电压相连，其第二输入端与所述检测电阻的第一连接端相连，其输出端与所述电流控制晶体管的控制端相连。所述充电电路还包括：电荷泵，其将输入电源电压进行升压后得到升压电源电压，所述恒压运算放大器和钳位运算放大器以所述升压电源电压为工作电压。

[0006] 进一步的，功率晶体管、镜像晶体管和电流控制晶体管为NMOS晶体管，NMOS晶体管的源极为第二连接端，其漏极为第一连接端，其栅极为控制端，所述钳位运算放大器、所述恒压运算放大器和恒流运算放大器的正相输入端为其第一输入端，负相输入端为其第二输入端。

[0007] 进一步的，所述充电电路还包括：电压比较器，其第一输入端与所述充电输出端相连，第二输入端与第三参考电压相连，在所述充电输出端的电压高于第三参考电压时，控制第二开关导通，第一开关截止，在所述充电输出端的电压低于第三参考电压时，控制第二开关截止，第一开关导通。

[0008] 进一步的，所述电压比较器的输出端与第二开关的控制端相连，所述电压比较器的输出端经过反相器与第一开关的控制端相连，所述反相器以升压电源电压为工作电压。

[0009] 进一步的，所述充电电路还包括：输入电压反馈电路，其基于电池电压、充电电流和/或当前输入电源电压得到数字目标输入电源电压，并将数字目标输入电源电压传送给电源适配器。

[0010] 进一步的，所述输入电压反馈电路包括：模数转换器，其将模拟电池电压转换成数字电池电压；加法器，在所述数字电池电压基础上增加第一数字电压得到目标输入电源电压，该第一数字电压等于或大于充电电流与所述功率晶体管的导通电阻的乘积。

[0011] 进一步的，所述输入电压反馈电路包括：第一模数转换器，其将模拟电池电压转换成数字电池电压；第二模数转换器，其将当前模拟输入电源电压转换成数字输入电源电压；第一加法器，其在所述数字电池电压基础上增加第一数字电压得到第一加总电压，该第一数字电压等于或大于充电电流与所述功率晶体管的导通电阻的乘积；第二加法器，其在第一加总电压的基础上增加第二数字电压得到第二加总电压；数字比较器，其比较数字输入电源电压、第一加总电压和第二加总电压，在数字输入电源电压低于第一加总电压时输出增加控制信号，在数字输入电源电压高于第二加总电压时输出减少控制信号，在数字输入电源电压高于第一加总电压且低于第二加总电压时，输出保持控制信号；调整电路，其根据基于数字比较器的输出来调整并输出偏差电压；第三加法器，其将第一加总电压与所述偏差电压相加得到数字目标输入电源电压。

[0012] 进一步的，所述电源适配器包括：数模转换电路，其将数字目标输入电源电压转换成模拟目标输入电源电压；误差放大器，其第一输入端与模拟目标输入电源电压相连，第二输入端与所述电源适配器的输出端相连；控制器，其根据所述误差放大器的输出端输出的误差放大信号得到脉宽调制信号；电源转换器，其控制端与所述控制器的输出端相连，其输入端接收输入电压，其输出端作为所述电源适配器的输出端，所述电源适配器的输出给提供所述输入电源电压。

[0013] 与现有技术相比，本发明中充电电路，无需电感，成本低。【附图说明】

[0014] 结合参考附图及接下来的详细描述，本发明将更容易理解，其中同样的附图标记对应同样的结构部件，其中：

[0015] 图1为本发明中的充电电路在一个实施中的电路示意图；

[0016] 图2为本发明中的电源适配器在一个实施例中的电路示意图；

[0017] 图3为本发明中的充电电路在另一个实施中的电路示意图。【具体实施方式】

[0018] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0019] 此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指与所述实施例相关的特定特征、结构或特性至少可包含于本发明至少一个实现方式中。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非必须都指同一个实施例，也不必须是与其他实施例互相排斥的单独或选择实施例。本发明中的“多个”、“若干”表示两个或两个以上。本发明中的“和/或”表示“和”或者“或”。

[0020] 图1为本发明中的充电电路在一个实施中100的电路示意图。如图1所示的，所述充电电路100包括功率晶体管MNB、镜像晶体管MNS、检测电阻R1、电流控制晶体管MN1、钳位运算放大器IA、恒压运算放大器VA、恒流运算放大器CA、第一开关SW1、第二开关SW2和电荷泵CP。

[0021] 所述功率晶体管MNB的第一连接端作为电源输入端与输入电源电压VDD相连，第二连接端作为充电输出端与电池BAT相连。所述镜像晶体管MNS的控制端与所述功率晶体管MNB的控制端相连，其第一连接端与所述功率晶体管MNB的第一连接端相连。所述检测电阻R1的第二连接端接地，第一连接端与所述电流控制晶体管的第二连接端相连。所述电流控制晶体管MN1的第一连接端与所述镜像晶体管MNS的第二连接端相连。所述钳位运算放大器IA具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端与所述功率晶体管MNB的第二连接端相连，其第二输入端与所述镜像晶体管MNS的第二连接端相连，其输出端通过第一开关SW1与所述功率晶体管MNB的控制端相连。所述恒压运算放大器VA具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端与第一参考电压VR1相连，第二输入端与所述充电输出端相连，其输出端通过第二开关SW2与所述功率晶体管的控制端相连。所述恒流运算放大器CA具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端与第二参考电压VR2相连，其第二输入端与所述检测电阻R1的第一连接端相连，其输出端与所述电流控制晶体管MN1的控制端相连。

[0022] 所述电荷泵将输入电源电压VDD进行升压后得到升压电源电压VH，所述恒压运算放大器VA和钳位运算放大器IA以所述升压电源电压VH为工作电压。

[0023] 在一个实施例中，如图3所示的，所述功率晶体管MNB、镜像晶体管MNS和电流控制晶体管MN1为NMOS晶体管，NMOS晶体管的源极为第二连接端，其漏极为第一连接端，其栅极为控制端。所述钳位运算放大器IA、恒压运算放大器VA和恒流运算放大器CA的正相输入端为其第一输入端，负相输入端为其第二输入端。

[0024] 在一个实施例中，如图3所示的，所述充电电路100还包括电压比较器Comp1。所述电压比较器的第一输入端与所述充电输出端相连，第二输入端与第三参考电压VR3相连，在所述充电输出端的电压VBAT高于第三参考电压VR时，控制第二开关SW2导通，第一开关SW1截止，此时通过所述功率晶体管MNB对所述电池BAT进行恒流充电。在所述充电输出端的电压VBAT低于第三参考电压VR时，控制第二开关SW2截止，第一开关SW1导通,此时通过所述功率晶体管MNB对所述电池BAT进行恒压充电。具体的，所述电压比较器Comp1的输出端与第二开关SW2的控制端相连，所述电压比较器Comp1的输出端经过反相器INV1与第一开关SW1的控制端相连，所述反相器INV1以升压电源电压VH为工作电压。

[0025] 电荷泵CP有利于让功率晶体管MNB和镜像晶体管MNS的栅极电压可以工作在比输入电源电压VDD和电池的电压VBAT更高的电压，这样可以实现让功率晶体管MNB和镜像晶体管MNS导通更好，其导通电阻更低，因为MOS管的导通电阻反比于其栅极电压。当它们导通电阻非常低时，进行大电流充电时，其漏极和源极的电压差越小，其上的热量更低，这样有利于减小便携系统在充电时的发热。发热功率可以由下面的公式计算：

[0026] P＝I2.Ron

[0027] 其中P为发热功率，I为充电电流，Ron为功率晶体管MNB的导通电阻。可见，导通电阻越小，发热越小。

[0028] 下面描述一下所述充电电路100的工作原理。当电池电压低于第三参考电压时，电压比较器Comp1输出BH低电平，经过反相器INV1后BL信号为高电平，控制第一开关SW1导通，由钳位运算放大器IA控制晶体管MNS和MNB的栅极电压，此时第二开关SW2断开，恒压运算放大器VA不参与工作。恒流运算放大器CA和检测电阻R1、NMOS管MN1一起工作产生参考电流IR，参考电流IR流经镜像晶体管MNS，钳位运算放大器IA调整使得晶体管MNS和MNB的源极电压相等。由于晶体管MNS和MNB的栅极连接在一起，因此两者的栅极电压都相等。同时晶体管MNS和MNB的漏极连接在一起，因此两者的漏极电压都相等。这样晶体管MNS和MNB的栅极、源极、漏极电压都相等，因此其电流成镜像关系，即其电流比等于两者的宽长比，这样可以实现通过改变检测电阻R1来设定充电电流。当电池的电压VBAT大于第三参考电压时，电压比较器Comp1输出BH变为高电平，第二开关SW2导通，经过反相器的BL信号为低电平，第一开关SW1断开。恒压运算放大器VA将电池电压VBAT维持为第一参考电压的恒压状态。

[0029] 在一个实施例中，所述充电电路100还包括输入电压反馈电路110，所述输入电压反馈电路110基于电池电压VBAT、充电电流和/或当前输入电源电压VDD得到数字目标输入电源电压Data，并将数字目标输入电源电压Data传送给电源适配器。

[0030] 在一个实施例中，通过充电线中的数据线将数字目标输入电源电压Data传送给电源适配器(Adapter)，电源适配器(Adapter)根据数据线Data中传递的设定电压数据来调节提供给所述充电电路100的输入电源电压VDD。

[0031] 图2为本发明中的电源适配器在一个实施例中的电路示意图。如图2所示，所述电源适配器包括数模转换电路DAC、误差放大器EA、控制器和电源转换器。所述数模转换电路DAC将数字目标输入电源电压Data转换成模拟目标输入电源电压VR。所述误差放大器EA的第一输入端与模拟目标输入电源电压VR相连，第二输入端与所述电源适配器的输出端相连。所述误差放大器EA比较输入电源电压VDD和模拟目标输入电源电压VR产生误差信号EAO。所述控制器根据所述误差放大器EA的输出端输出的误差放大信号EAO得到脉宽调制信号PWM。所述电源转换器的控制端与所述控制器的输出端相连，其输入端接收输入电压VS，其输出端作为所述电源适配器的输出端，所述电源适配器的输出给提供所述输入电源电压VDD。

[0032] 在一个实施例中，如图3所示的，所述输入电压反馈电路110包括：模数转换器ADC和加法器Adder。所述模数转换器ADC将模拟电池电压VBAT转换成数字电池电压VDB。所述加法器Adder在所述数字电池电压VDB基础上增加第一数字电压VDC得到目标输入电源电压Data，该第一数字电压VDC等于或大于充电电流与所述功率晶体管MNB的导通电阻的乘积。

[0033] 所述功率晶体管MNB的导通电阻Ron与充电电流的乘积是满足所需充电电流时最低的输入电源电压VDD和电池的电压VBAT之间的电压差。将第一数字电压VDC设置为此值，则实现了满足充电电流的最低输入电源电压VDD，因此实现了最低的发热。例如充电电流为2A，MNB的导通电阻Ron被设计为50毫欧姆，则第一数字电压VDC被设置为0.1V，对于电池的电压VBAT为3V时，充电效率为3V/(3V+0.1V)＝96.77％；对于电池的电压VBAT为4V时，充电效率为4V/(4V+0.1V)＝97.56％，可见可以实现比传统开关型充电电路更高的效率，即发热更少。同时本发明无需电感器件，成本更低，也有利于减小便携式设备的体积。

[0034] 图3为本发明中的充电电路在另一个实施300中的电路示意图。图3中的充电电路300与图1中的充电电路100结构基本相同，不同之处在于：图3中的充电电路300的输入电压反馈电路310的结构与图1中的充电电路100的输入电压反馈电路110的结构不同。

[0035] 如图3所示的，所述输入电压反馈电路310包括第一模数转换器ADC1、第二模数转换器ADC2、第一加法器Adder1、第二加法器Adder2、第三加法器Adder2、数字比较器和调整电路。

[0036] 第一模数转换器ADC1将模拟电池电压VBAT转换成数字电池电压VDB。第二模数转换器ADC2将当前模拟输入电源电压VDD转换成数字输入电源电压DVDD。第一加法器Adder1在所述数字电池电压VDB基础上增加第一数字电压VDC得到第一加总电压VDT，该第一数字电压VDC等于或大于充电电流与所述功率晶体管MNB的导通电阻的乘积。

[0037] 第二加法器Adder2在第一加总电压VDT的基础上增加第二数字电压VS TEP得到第二加总电压VDC。数字比较器比较数字输入电源电压DVDD、第一加总电压VDT和第二加总电压VDC。在数字输入电源电压DVDD低于第一加总电压VDT时输出增加控制信号UP，在数字输入电源电压DVDD高于第二加总电压VDC时输出减少控制信号DN，在数字输入电源电压DVDD高于第一加总电压VDT且低于第二加总电压VDC时，输出保持控制信号。调整电路根据基于数字比较器的输出来调整并输出偏差电压VOS。第三加法器Adder3将第一加总电压VDT与所述偏差电压VOS相加得到数字目标输入电源电压。其中第二数字电压VS TEP是一个小量，为调整的最小步进(即最小误差电压)。

[0038] 有些应用场合下充电线(比如USB线)上存在较大的电压降，例如USB线较长且充电电流较大时，为了实现更好效果，数字比较电路比较DVDD与VDT(VDD的目标电压)和(VDT+VSTEP)。当DVDD小于VDT时，数字比较电路输出一个信号up，调整电路则增加偏差电压VOS；当DVDD大于(VDT+VSTEP)，比较电路输出一个信号dn，调整电路则减小偏差电压VOS；当DVDD大于VDT且小于(VDT+VSTEP)时，数字比较电路维持信号up和dn为低电平，即不产生脉冲信号，调整电路也维持VOS不变。加法器Adder3叠加VOS和VDT产生Data。系统通过调整至合适的VOS值来实现抵消连接充电电路和适配器之间连线上产生的电压降，调整完成后，DVDD介于VDT和(VDT+VSTEP)之间的值，其中VSTEP是一个小量，为调整的最小步进(即最小误差)。

[0039] 本发明中的连接、相接、相连等表示电性连接的词都是指直接或间接的电性连接，所述间接是指通过一个元件，比如电容、电感或晶体管等电性连接。

[0040] 上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于所述具体实施方式。