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CN112350397A - 电池充电电路以及用于该电路的充电方法 - Google Patents

电池充电电路以及用于该电路的充电方法 Download PDF

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CN112350397A CN202011136631.8A CN202011136631A CN112350397A CN 112350397 A CN112350397 A CN 112350397A CN 202011136631 A CN202011136631 A CN 202011136631A CN 112350397 A CN112350397 A CN 112350397A
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Abstract

公开了电池充电电路和充电方法以及可再充电池的充电方法，该电池充电电路包括耦接在输入节点与系统节点之间的第一晶体管和耦接在系统节点与电池节点之间的第二晶体管，为负载提供系统电压，并为一电池充电，流过第二晶体管的电流为充电电流，该充电方法包括：以具有第一数值的充电电流对电池进行预充电，直到电池电压逐渐增大至第一阈值；以具有第二数值的充电电流对电池进行充电，电池电压继续增大，其中第一数值小于第二数值；充电电流从第二数值逐渐减小，直到电池电压增大至第二阈值；以及电池电压保持不变且充电电流继续减小至终端电流。

Description

电池充电电路以及用于该电路的充电方法
技术领域
本发明的实施例涉及一种电子电路，更具体地说，尤其涉及一种电池充电电路以及用于该电池充电电路的充电方法。
背景技术
随着电池供电设备的设计变得越来越紧凑，功耗功能越来越多，留给电池的空间也变得越来越局限，且大部分电池均不可拆卸，因此电池供电设备的工作时长，即工作效率变成了头等大事。为了提高设备的便携性，实现设备的可穿戴，大家经常会使用更大电池容量的辅助充电设备，比如智能手机的移动电源、用于耳塞和电子烟的充电盒等。
由于便携性设备性能的增大需求和电池大小和容量之间的冲突，辅助供电设备需要更紧凑的设计(尺寸更小)和更高的效率(操作时间更长)，充电盒之类的设备也同样如此。
发明内容
为解决一个或多个技术问题，本发明提供一种电池充电电路及用于该电路的电池充电方法。
根据本发明的实施例，提出了一种用于电池充电电路的充电方法，该电池充电电路包括耦接在输入节点与系统节点之间的第一晶体管和耦接在系统节点与电池节点之间的第二晶体管，为负载提供系统电压，并为一电池充电，流过第二晶体管的电流为充电电流，该充电方法包括：在第一充电阶段，以具有第一数值的充电电流对电池进行预充电，直到电池电压逐渐增大至第一阈值；在第二充电阶段，以具有第二数值的充电电流对电池进行充电，电池电压继续增大，其中第一数值小于第二数值；在第三充电阶段，充电电流从第二数值逐渐减小至第三数值，直到电池电压增大至第二阈值，其中第三数值大于第一数值；以及在第四充电阶段，充电电流继续减小至第四数值，电池电压保持第二阈值不变。
根据本发明的实施例，还提出了一种电池充电电路，接收输入电压为系统负载提供系统电压，并为一电池充电，该电池充电电路包括：第一晶体管，耦接在输入节点和系统节点之间；以及第二晶体管，耦接在系统节点和电池节点之间，其中第二晶体管被配置为在第一充电阶段运行于预充电模式，在第二充电阶段运行于恒流充电模式，在第三充电阶段运行于电流减小充电模式，在第四充电阶段运行于恒压充电模式。
根据本发明的实施例，还提出了一种可再充电池的充电方法，包括：在第一充电阶段，以具有第一数值的充电电流对电池进行预充电，直到电池电压增大至第一阈值；在第二充电阶段，以具有第二数值的充电电流对电池进行充电，电池电压继续增大，其中第一数值小于第二数值；在第三充电阶段，充电电流从第二数值逐渐减小，直到电池电压增大至第二阈值；以及在第四充电阶段，充电电流继续减小至终端电流，电池电压保持第二阈值不变。
根据本发明实施例，输入电压与系统电压之间的差值减小，电池充电过程被扩展为预充电阶段、恒流充电阶段、电流减小充电阶段以及恒压充电阶段。其中在电流减小充电阶段，流入电池的充电电流减小，电池电压持续增加，直至电池电压达到电池电压阈值时，才进入恒压充电阶段。不仅改善了充电曲线，还可以减小静态电流，实现了更紧凑的设计和更低的BOM成本，具有杰出的效率性能。
附图说明
为了更好的理解本发明，将根据以下附图对本发明进行详细描述：
图1为集成了电源路径管理的电池充电电路100；
图2为传统的电池充电过程中的电压电流关系示意图；
图3为根据本发明一实施例的电池充电过程中的电压电流关系示意图；
图4为根据本发明一实施例的电池充电方法的流程图300。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
使用在耳塞充电盒中的电池供电设备包括具有集成电源路径管理的线性充电电路。图1为集成了电源路径管理的电池充电电路100的电路图。如图1所示，电池充电电路100从交流适配器或者USB接口获取功率，供电给系统负载101，同时为一电池102充电。系统负载101包括LDO、MCU等用电设备。
电源路径管理功能用于自动选择输入电源、电池或两者来为系统负载101提供连续的供电。如图1所示，电池充电电路100包括耦接在输入节点IN和系统节点SYS之间的晶体管Q1，以及耦接在系统节点SYS与电池节点BATT之间的晶体管Q2。示意性地，图1中晶体管Q1的导通电阻为300mΩ，晶体管Q2的导通电阻为100mΩ。
在传统的应用中，电池供电结构100的输入端为USB接口，输入端接收的输入电压Vin为5V，系统电压Vsys为4.65V，电池101充满后的电池电压VBATT为4.4V。传统应用下电池充电过程包括三个充电阶段：预充电阶段(Pre-charge)、恒流充电阶段(CC)以及恒压充电阶段(CV)。
图2为传统的电池充电过程中的电压电流关系示意图。如图2所示，在预充电阶段，先用小电流IPRE对完全耗尽的电池102进行预充电，电池电压VBATT开始增大。当电池电压VBATT增大到大于第一阈值VBAT_PRE时，进入恒流充电阶段。
在恒流充电阶段，充电电流ICHG为恒定值，如图2所示，恒等于电流参考ICC，对电池102进行快速充电，电池电压VBATT继续增大。当电池电压VBATT增大到第二阈值VBAT_REG时，进入恒压充电阶段。
在恒压充电阶段，充电电流ICHG逐渐减小，保持电池电压VBATT恒等于电池电压阈值VBATT_REG，直到充电电流ICHG减小到终端电流ITERM时，恒压充电结束，电池102基本充满。
在以上充电过程中，图1所示的晶体管Q1和晶体管Q2在三个充电阶段均工作在饱和区。
随着技术和应用的新发展，为了提高电池充电电路100的运行效率，用户希望输入节点IN的输入电压Vin降低(例如4.6V)，系统电压Vsys为4.65V，电池充满后的电压VBATT仍为4.4V。
对于图1所示的电池充电电路100，通常认为，晶体管Q1的导通电阻越小，电流路径上产生的损耗越小，电池充电电路的效率也就越高。也就是说，通常会采用晶体管Q1具有减小导通电阻的方案。
然而，发明人发现，如果采用减小晶体管Q1导通电阻的技术方案，将会带来以下缺点：晶体管Q1的尺寸会增大、晶体管Q1的所需的驱动电流变大、电池充电电路集成芯片的整体尺寸变大，以及输入的静态电流变大，生产成本也随之变高。
本发明将晶体管Q1的导通电阻增大，例如增大3倍到5倍，其结果使得电池充电电路的效率更高，总体性能更好，优于晶体管Q1导通电阻减小的方案。
根据本发明的一个实施例，电池充电电路100仍然可以采用图1所示的电路结构。与传统解决方案的不同之处在于，输入电压Vin由原边的5V减小至4.6V，耦接在输入节点IN与系统节点SYS之间的晶体管Q1的导通电阻被增大，例如增大至1Ω。而最重要的，晶体管Q2被配置为在第一充电阶段运行于预充电模式，在第二充电阶段运行于恒流充电模式，在第三充电阶段运行于电流减小充电模式，在第四充电阶段运行于恒压充电模式。其充电过程如图3所示。
图3为根据本发明一实施例的电池充电过程中的电压电流关系示意图。该电池充电过程包括第一充电阶段到第四充电阶段。
在第一充电阶段，即预充电阶段，先用小电流IPRE作为充电电流ICHG对深耗尽的电池102进行预充电，电池电压VBATT逐渐增大。当电池电压VBATT增大到第一阈值VBAT_PRE时，进入第二充电阶段。
在第二充电阶段，保持充电电流ICHG恒为电流参考ICC，对电池102进行快速充电，电池电压VBATT继续增大。
接下来，在第三充电阶段，由于晶体管Q1的导通电阻变大，充电电流ICHG将在第三充电阶段逐渐减小，例如从电流参考ICC减小到一个较小的值，电池电压VBATT继续增大，直到增大至第二阈值VBAT_REG。
在第四充电阶段，充电电流ICHG继续减小至终端电流ITREM，电池电压VBATT保持第二阈值VBAT_REG不变。恒压充电结束，电池102基本充满。
在以上第一到第四充电阶段中，图1所示的晶体管Q1一直工作在欧姆区。在第三充电阶段中，晶体管Q2工作在欧姆区。在一个实施例中，输入电压Vin小于或等于系统电压Vsys。例如，输入电压Vin为4.6V，系统电压Vsys为4.65V，电池电压VBATT为4.4V。
图4示出了根据本发明一实施例的电池充电电路的充电方法300的流程图，该电池充电电路包括耦接在输入节点与系统节点之间的第一晶体管和耦接在系统节点与电池节点之间的第二晶体管，接收输入电压为负载提供系统电压，并为一电池充电，流过第二晶体管的电流为充电电流，该充电方法包括步骤301～308。
在步骤301，电池充电电路开始运行。准备进入电池充电过程的第一充电阶段。
在步骤302，以具有第一数值的充电电流对电池进行预充电，电池电压逐渐增大。
在步骤303，当电池电压增大至第一阈值VBATT_PRE，则进入步骤304；若否，则返回步骤302继续执行。其中步骤302和步骤303为电池充电过程的第一充电阶段，即预充电阶段。
在步骤304，以具有第二数值的充电电流对电池进行充电，电池电压继续增大，其中第一数值小于第二数值。步骤304为电池充电过程的第二阶段，即恒流充电阶段。
在步骤305，充电电流从第二数值开始减小，电池电压继续增大。
在步骤306，当电池电压增大至第二阈值VBATT_REG时，进入步骤307；否则返回步骤305。步骤305和步骤306为电池充电过程的第三充电阶段，即电流减小充电阶段。
在步骤307，充电电流继续减小，电池电压保持第二阈值VBATT_REG不变，直到充电电流减小至终端电流。进入步骤308，电池充电过程结束。
在一个实施例中，第一晶体管在第一至第四充电阶段工作在欧姆区，第二晶体管在第三充电阶段工作于欧姆区。
在另一方面，本发明涉及一种可再充电池的充电方法，包括：在第一充电阶段，以具有第一数值的充电电流对电池进行预充电，直到电池电压增大至第一阈值；在第二充电阶段，以具有第二数值的充电电流对电池进行充电，电池电压继续增大，其中第一数值小于第二数值；在第三充电阶段，充电电流从第二数值逐渐减小至第三数值，直到电池电压增大至第二阈值，其中第三数值大于第一数值；以及在第四充电阶段，充电电流继续减小至第四数值，电池电压保持第二阈值不变。在其中一个实施例中，耦接至电池一端的充电晶体管在第三充电阶段工作于欧姆区。
虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种用于电池充电电路的充电方法，该电池充电电路包括耦接在输入节点与系统节点之间的第一晶体管和耦接在系统节点与电池节点之间的第二晶体管，接收输入电压为负载提供系统电压，并为一电池充电，流过第二晶体管的电流为充电电流，该充电方法包括：
在第一充电阶段，以具有第一数值的充电电流对电池进行预充电，直到电池电压逐渐增大至第一阈值；
在第二充电阶段，以具有第二数值的充电电流对电池进行充电，电池电压继续增大，其中第一数值小于第二数值；
在第三充电阶段，充电电流从第二数值逐渐减小至第三数值，直到电池电压增大至第二阈值，其中第三数值大于第一数值；以及
在第四充电阶段，充电电流从第三数值继续减小至第四数值，电池电压保持第二阈值不变。
2.如权利要求1所述的充电方法，其中在第一至第四充电阶段中第一晶体管工作在欧姆区。
3.如权利要求1所述的充电方法，其中第二晶体管在第三充电阶段工作于欧姆区。
4.一种电池充电电路，接收输入电压为系统负载提供系统电压，并为一电池充电，该电池充电电路包括：
第一晶体管，耦接在输入节点和系统节点之间；以及
第二晶体管，耦接在系统节点和电池节点之间，其中第二晶体管被配置为在第一充电阶段运行于预充电模式，在第二充电阶段运行于恒流充电模式，在第三充电阶段运行于电流减小充电模式，在第四充电阶段运行于恒压充电模式。
5.如权利要求4所述的电池充电电路，其中第一晶体管在第一至第四充电阶段工作于欧姆区，第二晶体管在第三充电阶段工作于欧姆区。
6.如权利要求4所述的电池充电电路，其中输入电压小于或等于系统电压。
7.如权利要求4所述的电池充电电路，其中流过第二晶体管的电流为充电电流，第三充电阶段下充电电流逐渐减小，电池电压逐渐增大，直至电池电压增大至电池电压阈值。
8.如权利要求7所述的电池充电电路，其中在第四充电阶段下，充电电流继续减小至终端电流，电池电压保持电池电压阈值不变。
9.一种可再充电池的充电方法，包括：
在第一充电阶段，以具有第一数值的充电电流对电池进行预充电，直到电池电压增大至第一阈值；
在第二充电阶段，以具有第二数值的充电电流对电池进行充电，电池电压继续增大，其中第一数值小于第二数值；
在第三充电阶段，充电电流从第二数值逐渐减小，直到电池电压增大至第二阈值；以及
在第四充电阶段，充电电流继续减小至终端电流，电池电压保持第二阈值不变。
10.如权利要求9所述的充电方法，其中耦接至电池一端的充电晶体管在第三充电阶段工作于欧姆区。
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