一種開關充電電路和電源管理系統的製作方法

2023-09-19 09:44:00 1

專利名稱：一種開關充電電路和電源管理系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及電源管理技術領域，特別是涉及一種開關充電電路和電源管理系統。
背景技術：
隨著可攜式電子產品的日益普及，電子設備的功能不斷增強和逐漸豐富，使得電子產品功耗增加，需要可攜式電子設備的電源管理技術不斷進步與更新來適應產品功耗。目前的可攜式電子設備通常採用鋰電池供電，同時具有USB接口和交流適配器接口。因此需要根據不同的輸入電源的情況和應用情況，在不同的輸入電源中選擇正確的供電來源給系統供電，同時又對鋰電池進行充電管理。在實際應用中，各種不同輸入電源的驅動能力差別很大。比如，同為5V的交流適配器，為了滿足不同的成本要求，驅動能力可以從200mA到2A以上；而USB接口連接器的驅動能力也有IOOmA或500mA等多種規格，而最新的USB3.0規格要求是900mA。同時隨著手機適配器接口國家標準的發布，越來越多的交流適配器也做成USB插頭，因此應用情況更加複雜。現有的充電管理晶片或者電源管理晶片，一般採用管腳來設置限流的大小，需要主控晶片通過輸入輸出接口去實時檢測外部電源接入的狀況，並且分辨是適配器插入還是USB插入。如果是適配器輸入就不需要設置限流，如果發現USB插入，通過主控晶片輸出接口控制電源晶片管腳來改變限流設置，即依靠主控制晶片來判斷外部接入電源的狀況，再通過主控晶片的通用輸入輸出接口來設置限流的大小。這樣的控制方式，電源晶片自身並不判斷輸入電源究竟有多大的驅動能力，而需要依靠主控晶片判斷外部接入電源的狀況，再通過主控晶片的通用輸入輸出接口來設置限流的大小，使得系統的軟體和硬體都變得非常的複雜。因為需要主控晶片實時檢測外部電源狀況，這就需要主控晶片的修改軟體、驅動程序。同時需要通過輸出管腳控制外部電路改變限流的設置，這樣就需要增加外部的硬體電路。因此需要軟體硬體工程師協同配合，才能實現，而且需要大量時間驗證整個系統工作的可靠性和正確性；同時主控晶片需要實時檢測，會佔用主控晶片CPU資源，降低效率。同時由於鋰電池的容量不斷變大，為了保證充電時間在可接受範圍內，因此充電電流也隨之不斷增大。傳統的線性充電器，由於效率很低，造成晶片發熱嚴重，因此難以滿足大容量鋰電池充電的需求。

發明內容
本發明的目的在於提供一種開關充電電路和電源管理系統，其解決了現有技術中的需要軟體硬體結合而導致實施複雜的問題，以及採用線性充電方式導致晶片發熱的問題。為實現本發明目的而提供的一種開關充電電路，包括系統電源端、電池端、參考電源端、充電使能信號端和電池供電判斷信號端，還包括開關充電模塊，所述開關充電模塊包括開關充電控制邏輯模塊、充電電壓控制模塊、充電電流控制模塊、脈衝寬度控制模塊和開關功率級；所述開關充電控制邏輯模塊、所述充電電壓控制模塊、所述脈衝寬度控制模塊均與所述充電使能信號端、所述電池供電判斷信號端連接；所述充電電壓控制模塊還與所述電池端、參考電源端連接，輸出充電電壓誤差信號至所述脈衝寬度調製模塊；所述脈衝寬度調製模塊輸出脈衝寬度調製信號至所述開關充電控制邏輯模塊，用於將所述充電電壓誤差信號轉換為脈衝寬度調製信號；所述開關功率級還與所述電池端、所述系統電源端連接，包括高端功率開關管、低端功率開關管和功率電感，所述高端功率開關管和所述低端功率開關管的導通脈寬決定充電電流的大小；所述充電電流控制模塊與所述充電使能信號端、所述電池供電判斷信號端、所述參考電源端連接，接收所述開關功率級的功率電感反饋的電流信號，輸出充電電流誤差信號至所述脈衝寬度調製模塊；所述開關充電控制邏輯模塊還與所述開關功率級連接，用於根據所述脈衝寬度調製信號控制所述高端功率開關管和所述低端功率開關管的導通脈寬，進而調節充電電流。其中，所述充電電壓控制模塊包括第一差分放大器、第一電阻和第二電阻；所述第一電阻的一端與所述電池端連接，所述第一電阻的另一端和所述第二電阻的一端連接，所述第二電阻的另一端接地；所述第一電阻和所述第二電阻之間的連接點與所述第一差分放大器的正輸入端連接；所述第一差分放大器的負輸入端與所述參考電源端連接；所述第一差分放大器的輸出端輸出充電電壓誤差信號。其中，所述充電電流控制模塊包括第二差分放大器；所述第二差分放大器的正輸入端接入由所述開關功率級的功率電感反饋的電流信號，所述第二差分放大器的負輸入端與所述參考電源連接，所述第二差分放大的輸出端輸出充電電流誤差信號。其中，所述脈衝寬度調製模塊包括第三差分放大器、第一比較器、疊加單元、第二電容、第三電容、第四電容、第三電阻、第四電阻和第五電阻；所述疊加單元將所述充電電壓誤差信號、所述充電電流誤差信號疊加；所述第三電阻的一端與所述疊加單元的輸出端連接，所述第三電阻的另一端與所述第三差分放大器的負輸入端連接，所述第三差分放大器的正輸入端與所述參考電源端連接；所述第二電容的一端與所述疊加單元的輸出端連接，所述第二電容的另一端與所述第四電阻的一端連接，所述第四電阻的另一端與所述第三差分放大器的負輸入端連接；所述第五電阻的一端與所述第三差分放大器的負輸入端連接，所述第五電阻的另一端與所述第三電容的一端連接，所述第三電容的另一端與所述第三差分放大器的輸出端連接；所述第四電容的一端與所述第三差分放大器的負輸入端連接，另一端與所述第三差分放大器的輸出端連接；所述第三差分放大器的輸出端與所述第一比較器的負輸入端連接，所述第一比較器的正輸入端輸入三角波；所述第一比較器的輸出端輸出脈衝寬度調製信號。其中，所述開關充電控制邏輯模塊包括功率管控制邏輯單元、可控計時器和第二比較器或數模轉換器；所述第二比較器或數模轉換器與所述參考電源端連接、所述充電使能端和所述開關功率級的功率電感連接，輸出電流數據信號或電流比較信號至所述可控計時器；所述可控計時器與所述充電使能信號端連接，同時接收時鐘頻率信號和電流數據信號或電流比較信號，輸出充電超時信號至所述功率管控制邏輯單元；所述功率管邏輯控制單元接收充電使能信號、電池供電判斷信號、所述脈衝寬度調製信號和所述充電超時信號，輸出高端功率開關管控制信號至所述高端功率開關管，輸出低端功率開關管控制信號至所述低端功率開關管。其中，所述功率管控制邏輯單元包括觸發器、第一與門、第二與門、第三與門、第一或門、第二或門、第一反相器、第二反相器、第三反相器、第四反相器、第一驅動級、第二驅動級。所述電池供電判斷信號經過第四反相器反相後與所述充電使能信號以及所述充電超時信號作為所述第一與門的三個輸入端信號，第一與門的輸出端信號與所述時鐘頻率信號作為所述第二與門的兩個輸入端信號，所述第一與門的輸出端信號經過第一反相器反相後與所述脈衝寬度調製信號作為所述第一或門的兩個輸入端信號，所述第二與門的輸出端信號連接至所述觸發器的S端，所述第一或門的輸出端信號連接至所述觸發器的R端。所述觸發器的Q端信號經第三反相器反相後與所述第二驅動級的輸出端信號作為所述第二或門的兩個輸入端信號，所述第二或門的輸出端信號連接至所述第一驅動級的輸入端，所述第一驅動級的輸出端信號為所述高端功率開關管控制信號，連接至所述高端功率開關管。所述觸發器的Q端信號經第二反相器反相後與所述第一與門的輸出端信號以及第一驅動級的輸出端信號作為所述第三與門的三個輸入端信號，所述第三與門的輸出端信號連接至所述第二驅動級的輸入端，所述第二驅動級的輸出端信號為所述低端功率開關管控制信號，連接至所述低端功率開關管。其中，所述可控計時器包括兩個以上分頻器和多選一多路選擇器和計時器；所述兩個以上的分頻器的輸入端都接收所述時鐘頻率信號，所述分頻器的輸出端與所述多選一多路選擇器連接，所述兩個以上的分頻器的分頻係數為以分頻器個數的倒數作等差的遞增數列；多選一多路選擇器還接收所述電流數據信號或所述電流比較信號，輸出計時器時鐘頻率至所述計時器；所述計時器還與所述充電使能端連接。其中，所述高端功率開關管為一 P溝道MOS管，所述低端功率開關管為一 N溝道MOS管；所述P溝道MOS管的柵極和所述N溝道MOS管的柵極與所述開關充電控制邏輯連接；所述P溝道MOS管的源極與所述系統電源端連接，所述P溝道MOS管的漏極與所述N溝道MOS管的漏極連接，所述N溝道MOS管的源極接地；所述P溝道MOS管和所述N溝道MOS管的連接點與所述功率電感的一端連接，功率電感的另一端與所述電池端連接。本發明還公開一種電源管理系統，包括第一電壓比較模塊、第二電壓比較模塊、邏輯控制模塊、第一電壓維持模塊、第二電壓維持模塊、第一開關單元、第二開關單元、參考電源端、外部電源輸入端、系統電源端、電池端，還包括如前所述的開關充電模塊和第一電壓轉換模塊；所述開關充電模塊與所述系統電源端、所述參考電源端、所述電池端連接，接收由所述邏輯控制模塊輸出的充電使能信號和由所述第二電壓比較模塊輸出的電池供電判斷信號以及由所述第二電壓維持模塊輸出的第二電壓維持信號；所述第一電壓轉換模塊與所述系統電源端和所述參考電源端連接，接收由所述邏輯控制模塊輸出的外部電源供電選擇信號，輸出端與所述第一開關單元連接。其中，還包括線性充電模塊，所述線性充電模塊與所述電池端、所述參考電源端和所述第二開關單元連接。其中，還包括第一限流模塊；所述第一限流模塊包括第六差分放大器，所述第六差分放大器的正輸入端接入由所述外部電源輸入端反饋的電流信號，負輸入端與所述參考電源端連接，輸出端與所述第一開關單元連接。其中，還包括第二限流模塊，所述第二限流模塊包括第七差分放大器，所述第七差分放大器的正輸入端接入由所述電池端反饋的電流信號，負輸入端與所述參考電源端連接，輸出端與所述第二開關單元連接。其中，所述第一開關單元包括第一開關管和第一上拉優先模塊；所述第一開關管為第一 PMOS管或第一 PNP管；所述第一上拉優先模塊包括第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管和一個指向地的電流源；所述第一電壓維持模塊的輸出端、所述第一電壓轉換模塊的輸出端和第一限流模塊的輸出端分別與所述第三PMOS管的柵極、第四PMOS管的柵極和第五PMOS管的柵極連接；所述第三PMOS管的漏極、第四PMOS管的漏極和第五PMOS管的漏極短接後作為輸出端連接至所述第一 PMOS管的柵極或第一 PNP管的基極，並與所述電流源的電流流入端連接，所述電流源的電流流出端接地。其中，還包括第三電壓比較模塊、第二電壓轉換模塊、第三電壓維持模塊、第三開關單元、USB限流模塊、VBUS輸入端；所述第三電壓比較模塊與所述VBUS輸入端、所述電池端連接，輸出VBUS有效信號至所述邏輯控制模塊；所述第三電壓維持模塊與所述VBUS輸入端、所述參考電源端連接，接收由所述邏輯控制模塊輸出的VBUS選擇信號，輸出第三電壓維持信號至所述第三開關單元；所述第二電壓轉換模塊與所述系統電源端、參考電源端連接，接收由所述邏輯控制模塊輸出的VBUS選擇信號，輸出第二電壓轉換信號至所述第三開關單元；第三開關單元還與所述VBUS輸入端、系統電源端連接。本發明的有益效果是:本發明提供的一種開關充電電路和電源管理系統，通過設置充電電壓控制模塊根據接收的充電使能信號和電池供電判斷信號以及電池端的電壓信號，輸出充電電壓誤差信號至所述脈衝寬度調製模塊，所述脈衝寬度調製模塊根據充電使能信號、電池供電判斷信號以及所述充電誤差信號輸出脈衝寬度調製信號，所述開關充電控制邏輯再根據所述脈衝寬度調製信號調整開關功率級的高端功率開關管和低端功率開關管的導通脈寬，進而調節充電電流，實現了根據多路電源輸入的情況來調節充電電流，在可以對電池端進行大電流充電時，增大充電電流，解決了單純的線性充電進行大電流充電而導致晶片發熱的問題，且本申請的技術方案單純的採用硬體，結構明了，實施簡單，不會出現由於需要軟體、硬體結合而導致的實施複雜的問題。


圖1為本發明的開關充電電路的電路結構圖；圖2為本發明的充電電壓控制模塊的電路圖；圖3為本發明的充電電流控制模塊的電路圖；圖4為本發明的脈衝寬度調製模塊的電路圖；圖5為本發明的開關充電控制邏輯模塊的電路結構圖；圖6為本發明的可控計時器的電路圖；圖7為功率管邏輯控制單元的電路圖；圖8為本發明的實施例二中的電源管理系統的電路結構圖；圖9為本發明的第一電壓維持模塊的電路圖；圖10為本發明的第一電壓轉換模塊的電路圖；圖11為本發明的實施例二中的脈衝寬度調製模塊的電路圖；圖12為本發明的實施例三中的電源管理系統的電路結構圖13為本發明的第一限流模塊的電路圖；圖14為本發明的第一開關單元以及與之相連的模塊的連接關係圖；圖15為本發明的上拉優先模塊的電路圖；圖16為本發明的實施例四中的電源管理系統的電路結構圖。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明的一種開關充電電路和電源管理系統進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。實施例一為了描述的方便，將外部電源輸入端ACIN標記為ACIN，電池端BAT標記為BAT，系統電源端SYS標記為SYS，參考電源端REF標記為REF。相應地，輸入電源端電壓信號標記為VAaN,電池端BAT電壓信號標記為Vbat,系統電源端SYS電壓信號標記為Vsys,參考電源端REF電壓信號標記為VKEF。作為一種可實施方式，本發明提供的一種開關充電電路包括系統電源端SYS、電池端BAT、參考電源端REF、充電使能信號端和電池供電判斷信號端、開關充電模塊。參見圖1，所述開關充電模塊包括開關充電控制邏輯模塊、充電電壓控制模塊、充電電流控制模塊、脈衝寬度控制模塊和開關功率級。所述充電電壓控制模塊與所述充電使能信號端、所述電池供電判斷信號端、所述電池端BAT、參考電源端REF連接，輸出充電電壓誤差信號至所述脈衝寬度調製模塊。所述充電電流控制模塊與所述充電使能信號端、所述電池供電判斷信號端、所述參考電源端REF連接，接收所述開關功率級的功率電感反饋的電流信號ISENSE，輸出充電電流誤差信號至所述脈衝寬度調製模塊。所述脈衝寬度控制模塊與所述充電使能信號端、所述電池供電判斷信號端連接，輸出脈衝寬度調製信號至所述開關充電控制邏輯模塊，用於將所述充電電壓誤差信號轉換為脈衝寬度調製信號。所述開關功率級與所述開關充電控制邏輯、所述電池端BAT、所述系統電源端SYS連接，包括高端功率開關管、低端功率開關管和功率電感。所述電池端BAT連接有第一電容Cl，第一電容Cl的一端接地。所述開關充電控制邏輯模塊與所述充電使能信號端、所述電池供電判斷信號端、所述開關功率級、所述脈衝寬度調製模塊連接，接收由所述脈衝寬度調製模塊輸出的脈衝寬度調製信號，並根據所述脈衝寬度調製信號控制所述高端功率開關管和所述低端功率開關管的導通脈寬。參見圖2,作為一種可實施方式,所述充電電壓控制模塊包括第一差分放大器、第一電阻Rl和第二電阻R2。第一電阻Rl的一端與所述電池端BAT連接，另一端與第二電阻R2的一端連接，第一電阻Rl和第二電阻R2的連接點作為第一差分放大器的正端輸入CHFB，第二電阻R2的另
一端接地。第一差分放大器的負輸入端連接參考電源端REF,輸出端輸出充電電壓誤差信號至脈衝寬度調製模塊。所述充電使能信號CHGEN和所述電池供電判斷信號USEBAT連接至所述第一差分放大器的兩個使能端。這樣的連接方式使電池電壓VBAT經第一電阻Rl和第二電阻R2分壓得到正端輸入電壓CHFB，負輸入端連接參考電壓VKEF，從而對經過分壓的電池電壓VBAT和參考電壓Vkef進行差分放大。一旦發現VBAT超過VKEF，則充電電壓誤差信號會上升；如果VBAT小於VKEF，充電電壓誤差信號會下降。參見圖3,作為一種可實施方式,所述充電電流控制模塊包括第二差分放大器。所述第二差分放大器的正輸入端接入由所述開關功率級的功率電感反饋的電流信號ISENSE，負輸入端與所述參考電源端REF連接，輸出端輸出充電電流誤差信號至所述脈衝覽度調製t旲塊。所述充電使能信號CHGEN和所述電池供電判斷信號USEBAT連接至所述第二差分放大器的兩個使能端。一旦發現ISENSE超過VKEF，則充電電流誤差信號會上升；如果ISENSE小於VKEF，充電電流誤差信號會下降。參見圖4，作為一種可實施方式，所述脈衝寬度調製模塊包括第三差分放大器、第一比較器、疊加單元、第二電容C2、第三電容C3、第四電容C4、第三電阻R3、第四電阻R4和第五電阻R5。 所述疊加單元將所述充電電壓誤差信號、所述充電電流誤差信號疊加。所述第三電阻R3的一端與所述疊加單元的輸出端連接，所述第三電阻R3的另一端與所述第三差分放大器的負輸入端連接，所述第三差分放大器的正輸入端與所述參考電源端REF連接。所述第二電容C2的一端與所述疊加單元的輸出端連接，所述第二電容C2的另一端與所述第四電阻R4的一端連接，所述第四電阻R4的另一端與所述第三差分放大器的負輸入端連接。所述第五電阻R5的一端與所述第三差分放大器的負輸入端連接，所述第五電阻R5的另一端與所述第三電容C3的一端連接，所述第三電容C3的另一端與所述第三差分放大器的輸出端連接。所述第四電容C4的一端與所述第三差分放大器的負輸入端連接，另一端與所述第三差分放大器的輸出端連接。所述第三差分放大器的輸出端與所述第一比較器的負輸入端連接，所述第一比較器的正輸入端輸入三角波。所述第一比較器的輸出端輸出脈衝寬度調製信號。充電電壓誤差信號、充電電流誤差信號被疊加，然後輸入到由第三差分放大器與電阻電容組成的補償放大網絡，補償網路的輸出誤差信號VEA連接到第一比較器負輸入端，第一比較器正輸入端連接三角波，第一比較器的輸出端輸出脈衝寬度調製信號。所述充電使能信號CHGEN和所述電池供電判斷信號USEBAT連接至所述第三差分放大器的兩個使能端(圖4中未示出)。—旦充電電流誤差信號、充電電壓誤差信號中任何一個上升超過Vkef,都將使第三差分放大器的輸出的誤差信號VEA下降，由於脈寬調製信號佔空比等於VEA和三角波幅度
VSAW的比值，即β = =，從而導致脈寬調製信號的佔空比下降，使得開關充電電流下降。
作為一種可實施方式，所述開關功率級的高端功率開關管為一 P溝道MOS管，所述低端功率開關管為一 N溝道MOS管。所述P溝道MOS管的柵極和所述N溝道MOS管的柵極與所述開關充電控制邏輯連接。所述P溝道MOS管的源極與所述系統電源端SYS連接，所述P溝道MOS管的漏極與所述N溝道MOS管的漏極連接，所述N溝道MOS管的源極接地。所述P溝道MOS管和所述N溝道MOS管的連接點與所述功率電感的一端連接。所述功率電感的另一端安裝有電流檢測電路，用以檢測流經功率電感的電流並將檢測到的電流信號ISENSE傳遞至所述充電電流控制模塊。所述開關充電模塊通過調節所述高端功率開關管和低端功率開關管的導通的佔空比，控制充電電流和充電目標電壓。在電源負載能力小於系統電源端SYS負載需求時，高端P溝道MOS管導通，低端N 溝道MOS管關閉，電池能夠通過電感和高端P溝道MOS管組成的電源路徑向系統電源供電。參見圖5，作為一種可實施方式，所述開關充電控制邏輯模塊包括功率管控制邏輯單元、可控計時器和第二比較器或數模轉換器(ADC)。開關充電控制邏輯接收脈衝寬度調製信號、充電使能信號CHGEN、電池供電判斷信號USEBAT以及時鐘頻率，控制高端功率開關管和低端功率開關管的導通和關斷。所述開關充電控制模塊還設置有自適應計時機制，主要由可控計時器與電流檢測電路配合完成，可控計時器根據電流檢測電路檢測到的實際充電電流大小，改變計時器的計時長度，或者改變計時器時鐘信號的頻率，從而有效避免實際充電電流小於設定充電電流造成充電超時的問題。所述第二比較器或數模轉換器與所述參考電源端REF連接、所述充電使能端和所述電流檢測電路連接，輸出電流數據信號或電流比較信號至所述可控計時器。所述可控計時器與所述充電使能信號端連接，同時接收時鐘頻率信號和電流數據信號或電流比較信號，輸出充電超時信號至所述功率管控制邏輯單元。參見圖6，作為一種可實施方式，所述可控計時器包括兩個以上分頻器和多選一多路選擇器和計時器。所述多個分頻器的輸入端都接收所述時鐘頻率信號，所述分頻器的輸出端與所述多選一多路選擇器連接，所述兩個以上的分頻器的分頻頻率為以分頻器個數的倒數作等差的遞增數列。即若有η個分頻器，則第一分頻器的分頻係數為1/η，第二分頻器的分頻係數為2/η，第三分頻器的分頻係數為3/η……直到(η_1)/η分頻、I分頻。多選一多路選擇器還接收所述電流數據信號ISENSE或所述電流比較信號，輸出計時器時鐘頻率至所述計時器。所述計時器還與所述充電使能端連接。所述可控計時器的工作過程為，多個不同分頻係數的分頻器將時鐘來源轉換成不同頻率的時鐘信號，輸出到多選一多路選擇器MUX。數模轉換器ADC將檢測到的充電電流轉換成數位訊號既充電電流數據，輸出到多選一多路選擇器，選擇對應充電電流的頻率，輸出計時器時鐘頻率到計數器。如果充電電流變小，ADC送出的充電電流數據隨之變小，充電電流數據控制多選一多路選擇器選擇更低的計時器頻率輸出。因此，計時器時鐘頻率隨著充電電流的變化而變化。計時器時鐘頻率變慢相當於延長了計時器的時間長度。計時器接受計時器時鐘頻率，一旦充電使能信號CHGEN = 1，計時器開始計時。從而實現了計時器隨電流大小變化而動態變化的功能。所述功率管邏輯控制單元接收充電使能信號CHGEN、電池供電判斷信號USEBAT和所述脈衝寬度調製信號以及充電超時信號，輸出高端功率開關管控制信號至所述高端功率開關管，輸出低端功率開關管控制信號至所述低端功率開關管。參見圖7，作為一種可實施方式，所述功率管邏輯控制單元由觸發器D1，第一與門ANl、第二與門AN2、第三與門AN3，第一或門ORl、第二或門0R2，第一反相器11、第二反相器
12、第三反相器13、第四反相器14，第一驅動級B1、第二驅動級B2組成。所述電池供電判斷信號USEBAT經過第四反相器14反相後與所述充電使能信號CHGEN以及所述充電超時信號作為所述第一與門ANl的三個輸入端信號，第一與門ANl的輸出端信號與所述時鐘頻率信號作為所述第二與門AN2的兩個輸入端信號，所述第一與門ANl的輸出端信號經過第一反相器Il反相後與所述脈衝寬度調製信號作為所述第一或門ORl的兩個輸入端信號，所述第二與門AN2的輸出端信號連接至所述觸發器Dl的S端，所述第一或門ORl的輸出端信號連接至所述觸發器Dl的R端。所述觸發器Dl的Q端信號經第三反相器13反相後與所述第二驅動級B2的輸出端信號作為所述第二或門0R2的兩個輸入端信號，所述第二或門0R2的輸出端信號連接至所述第一驅動級BI的輸入端，所述第一驅動級BI的輸出端信號為所述高端功率開關管控制信號，連接至所述高端功率開關管。所述觸發器的Q端信號經第二反相器12反相後與所述第一與門ANl的輸出端信號以及第一驅動級BI的輸出端信號作為所述第三與門AN3的三個輸入端信號,所述第三與門AN3的輸出端信號連接至所述第二驅動級B2的輸入端，所述第二驅動級B2的輸出端信號為所述低端功率開關管控制信號，連接至所述低端功率開關管。
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作為一種可實施方式，本實施例中所述觸發器Dl為D觸發器，本領域技術人員可根據實際情況選用其他類型的觸發器。所述功率管邏輯控制單元的工作過程為:當充電使能信號CHGEN為O或者電池供電判斷信號USEBAT為I時，第一與門ANl的輸出端EN為零。則觸發器Dl輸出為零，高端功率開關管控制信號為1，高端功率開關管(PM0S管)保持關斷；同時，低端功率開關管控制信號為0，低端功率開關管(NM0S管)保持關斷。當充電使能信號CHGEN為I同時電池供電判斷信號USEBAT為零時，EN為I。時鐘信號脈衝將觸發器Dl置1，則高端功率開關管控制信號為0，高端功率開關管導通，同時低端功率開關管控制信號為0，低端功率開關管保持關斷；一旦脈衝寬度調製信號為1，則第一或門ORl輸出為1，觸發器Dl輸出為零，則高端功率開關管控制信號為1，高端功率開關管關斷，低端功率開關管控制信號為1，低端功率開關管導通。其中第二或門0R2作用在於，低端功率開關管控制信號為I時，保持高端功率開關管控制 目號為I，保持聞端功率開關管關斷，防止聞端功率開關管和低端功率開關管同時導通，造成系統電源端VSYS通過高端功率開關管和低端功率開關管產生到地的大電流。其中第三與門ΑΝ3的作用在於，高端功率開關管控制信號為O時，保持低端功率開關管控制信號為0，保持低端功率開關管關斷，防止高端功率開關管和低端功率開關管同時導通，造成系統電源端VSYS通過高端功率開關管和低端功率開關管產生到地的大電流。
在現有技術中，為了保證鋰電池充電安全，鋰電池充電器一般都會設定一個充電安全計時器，一旦充電時間到達計時器設定時間，而充電過程尚未結束，充電器就會停止充電，並輸出充電異常終止信號，以防止充電意外情況出現，但是由於輸入電源驅動能力往往有可能小於充電設置電流，而且即使輸入電源驅動能力足夠，也可能由於系統耗電與充電電流之和大於輸入電源驅動能力，造成實際充電電流偏小，使充電時間拉長，甚至超出計時器的設定時間，造成充電器停止充電，並錯誤的發出充電異常終止信號。本發明的開關充電模塊的數模轉換器ADC將檢測到的充電電流被轉換成數位訊號，或者由第二比較器將檢測到的充電電流和設定的電流值進行比較，自動改變計時器的長度，或者改變計數器時鐘頻率，使鋰電池的充電超時計時器的長度隨充電電流大小而改變，當1k減小到接近零電流時，計時器會保持停止計時。優選地，所述開關充電模塊還包括電池過溫保護模塊和晶片過溫保護模塊，當晶片溫度或者電池溫度超出安全工作溫度範圍時，將自動減小充電電流或者自動停止充電，直到晶片溫度或者電池溫度回復到安全工作溫度範圍內。傳統的鋰電池充電器的充電超時計時器長度固定，而且不會隨著充電電流的大小而調整計時長度和計時的時鐘頻率。由於外部電源供電能力Idkive是固定的，隨著系統耗電Isys的變化，Idhve和『+1 的相對大小發生改變時，Iaffi會隨著Isys變化而變化，當Idkive< Isys時，充電電流甚至會減小到零。因此傳統的計時器會存在錯誤超時的危險。因此本發明中的隨充電電流改變計時長度的可控計時器，有效避免了因系統耗電導致充電時間拉長帶來的計時器錯誤超時的問題。本發明所提供的一種開關充電電路，不需要軟體編程，完全通過硬體實現，有效地解決現有技術中存在的實施複雜的問題，同時解決了採用線性充電方式進行大電流充電而導致的晶片發熱、計時器錯誤超時等問題。實施例二參見圖8，作為一種可實施方式，所述電源管理系統包括第一電壓比較模塊、第二電壓比較模塊、邏輯控制模塊、第一電壓維持模塊、第二電壓維持模塊、第一開關單元、第二開關單元、參考電源端REF、外部電源輸入端ACIN、系統電源端SYS、電池端BAT，還包括開關充電模塊和第一電壓轉換模塊。所述參考電源端REF產生參考電壓，作為所述電源管理系統轉換和比較的參考電壓。所述第一開關單兀與外部電源輸入端ACIN、第一電壓維持模塊、第一電壓轉換模塊和系統電源端SYS連接。包括第一開關管，所述第一開關管為第一 PMOS管或第一 PNP管。所述第一電壓比較模塊與所述外部電源輸入端ACIN和所述參考電源端REF連接，比較外部電源輸入端電壓Vacin和電池端電壓Vbat，輸出外部電源有效信號ACINVALID至所述邏輯控制模塊。所述第二電壓比較模塊與所述系統電源端SYS和所述電池端BAT連接，比較系統端電壓Vsys與電池端電壓Vbat，輸出電池供電判斷信號USEBAT至所述邏輯控制模塊。所述邏輯控制模塊連接於所述第一電壓比較模塊和第二電壓比較模塊，接收外部電源有效信號ACINVALID和電池供電判斷信號USEBAT，並輸出充電使能信號CHGEN、電池供電選擇信號SELBAT和外部電源供電選擇信號SELACIN。
參見圖9，作為一種可實施方式，所述第一電壓維持模塊，連接於參考電源端REF、外部電源輸入端ACIN,輸出第一電壓維持信號至第一開關單兀,包括第六電阻R6、第七電阻R7和第四差分放大器。第四差分放大器的正輸入端連接到參考電源。外部電源輸入電壓ACIN經過第六電阻R6和第七電阻R7的分壓後，得到的分壓
A⑶IV連接到差分放大器負輸入端。因為=所以通過第六電阻R6和第七
Rb~\~ K!
電阻R7的分壓比例和參考電源可以設置外部電源輸入電壓ACIN的維持電壓值。差分放大器輸出端VO輸出第一電壓維持信號既第一電壓維持模塊的輸出信號。第一電壓維持信號連接到第一 PMOS管的柵極或者第一 PNP管的基極。當外部電源輸入電壓νΑαΝ下降,導致ACDIV小於Vkef,使第一電壓維持信號上升，由於第一 PMOS管的柵極電壓上升，因此使第一 PMOS管的電阻增大，使流過第一 PMOS管的電流減小，從而維持ACIN電壓在設定值。參見圖10,作為一種可實施方式,所述第一電壓轉換模塊連接於外部電源輸入端ACIN、參考電源端REF、系統電源端SYS,輸出第一電壓轉換控制信號至所述第一開關單兀。第一電壓轉換模塊包括第八電阻R8、第九電阻R9和第五差分放大器組成。第五差分放大器的負輸入端連接到參考電源。系統 電源電壓VSYS經過第八電阻R8和第九電阻R9的分壓後，得到的分壓FB連
接到差分放大器負輸入端。因為M，所以通過第八電阻R8和第九電阻R9分壓的
RS+ R9
比例和參考電源可以設置VSYS電壓。第五差分放大器輸出端VO輸出第一電壓轉換信號既第一電壓轉換模塊的輸出信號。第一電壓轉換信號連接到第一 PMOS管的柵極或者第一 PNP管的基極。當系統電源端SYS電壓VSYS下降，導致FB小於VREF，使電壓轉換控制信號下降，由於第一 PMOS管的柵極電壓下降，因此使第一 PMOS管的電阻減小；當系統電源端SYS電壓VSYS上升，導致FB高於VREF，使第一電壓轉換信號上升，由於第一 PMOS管的柵極電壓上升，因此使第一 PMOS管的電阻增大。第五差分放大器使系統電源端SYS電壓VSYS達到動態平衡，使FB等於VREF，從而維持VSYS電壓在設定值。所述第二開關單元與電池端BAT、邏輯控制模塊以及系統電源端SYS連接，包括第二開關管，所述第二開關管為第二 PMOS管或第二 PNP管。當沒有外部電源輸入時，第二開關單元導通為系統電源端SYS供電，當有外部電源輸入時，第二開關單元關閉。一旦發現外部電源不足以支撐系統耗電，電池供電路徑將會導通,和外部電源一起為系統電源端SYS供電。所述第二電壓維持模塊連接於系統電源端SYS和參考電源端REF，並輸出第二電壓維持信號到開關充電模塊。所述開關充電模塊包括開關充電控制邏輯模塊、充電電壓控制模塊、充電電流控制模塊、脈衝寬度控制模塊和開關功率級，與所述系統電源端SYS、所述參考電源端REF、所述電池端BAT連接，接收由所述邏輯控制模塊輸出的充電使能信號CHGEN和由所述第二電壓比較模塊輸出的電池供電判斷信號USEBAT以及由所述第二電壓維持模塊輸出的第二電壓維持信號。本實施例的開關充電模塊的內部結構與實施例一相似，不再贅述。參見圖10，其中，本實施例與實施例一不同的是，所述第二電壓維持信號輸出至所述開關充電模塊的脈衝寬度調製模塊的疊加單元，即作為一種可實施方式，所述充電電壓誤差信號、所述充電電流誤差信號和所述第二電壓維持信號一併被所述疊加器疊加。本實施例提供的電源管理系統的具體工作過程為:第一電壓比較模塊比較Vahn和Vbat的高低，當Vacin高於Vbat —定值時，輸出外部電源有效信號ACINVALID到邏輯控制模塊。當有外部電源輸入而且電池端BAT連上電池時，由於一般的外部輸入電源要具備給電池充電的能力，必須滿足外部輸入電源電壓高於電池端BAT電壓。當輸入電源端電壓信號Vacin和電池端BAT電壓信號Vbat滿足關係Vahn彡Vbat+Λ VI，其中AVl代表一個直流電壓信號的差值，此處對直流電壓信號的差值不做特別的限定，僅表示輸入電源端電壓信號和電池端BAT電壓信號存在一個差值，直流電壓信號的差值可以取值例如0.2V。當Vahn彡Vbat+Λ Vl關係滿足時，第一電壓比較模塊輸出信號ACINVALID = I，否則輸出信號ACINVALID = O。第二電壓比較模塊比較Vbat和Vsys電壓的高低，輸出電池供電信號(USEBAT)至Ij邏輯控制模塊。當電池端BAT電壓信號Vbat和系統電源端SYS電壓信號Vsys滿足關係Vbat ^ VSYS+AV2，其中AV2代表一個直流電壓信號的差值，此處對直流電壓信號的差值不做特別的限定，僅表示電池端BAT電壓信號和系統電源端SYS電壓信號存在一個差值，直流電壓信號的差值可以取值例如0.04V。當Vbat彡Vsys+AV2關係滿足時，第二電壓比較模塊輸出信號USEBAT = 1，否則輸出信號USEBAT = O。當Vbat彡Vsys+AV2時，表明外部電源供電能力不足以提供系統耗電，需要電池輔助供電通路導通。此時，開關充電模塊接收電池輔助供電信號使開關充電模塊中的高端MOS導通,低端MOS管關閉，關閉開關充電功能，同時使高端MOS和電感組成輔助供電通路，該通路將會從電池向系統電源端SYS供電。邏輯控制模塊接收電池供電判斷信號USEBAT和外部電源有效信號ACINVALID，輸出外部電源供電選擇信號SELACIN、電池供電選擇信號SELBAT和充電使能信號CHGEN。按照接收的外部電源有效信號ACINVALID和電池供電判斷信號USEBAT狀態不同，分為三種情況:⑴當ACINVALID = O時，不管`USEBAT為何狀態，輸出都是SELBAT = 1，CHGEN = O ； (2)當 ACINVALID = I，USEBAT = O 時，輸出為 SELBAT = O，CHGEN = I ; (3)當 ACINVALID = 1，USEBAT = I 時，輸出為 SELBAT = 1，CHGEN = O。所述第一開關單元為一 PMOS管或PNP管。第一電壓維持模塊接收外部電源供電選擇信號SELACIN，當外部電源供電選擇信號SELACIN為高時，對外部電源輸入電壓VAaN和Veef的差值放大，輸出第一電壓維持信號到第一 PMOS管的柵極或者第一 PNP管的基極，改變PMOS或者PNP管的電阻，將Vahn維持在設定電壓。當接收的Vahn下降時，引起第一電壓維持信號上升，PMOS柵極電壓上升，使PMOS管的導通電阻變大，PMOS管導通電阻上升使得流過PMOS管漏極的電流下降，即通過PMOS管從ACIN流向VSYS的電流下降，從而阻礙Vacin電壓信號下降。當電壓信號下降至與參考電壓信號Vkef相等時，輸入電壓信號維持信號和PMOS形成的閉環反饋環路達到動態平衡，從而維持VAaN在設定值。第一電源轉換模塊接收外部電源供電選擇信號SELACIN，當外部電源供電選擇信號SELACIN為高時，將Vsys和Vkef的差值放大，輸出電壓轉換控制信號到第一 PMOS管柵極和第一 PNP管基極，調節PMOS或者PNP的電阻，將Vsys維持在設定值保證系統供電。當接收Vsys的下降時，引起電壓轉換控制信號下降，使第一 PMOS管的電阻下降，增大漏極電流，從而阻礙Vsys電壓下降。同理,第二電壓維持模塊將Vsys和Vkef的差值放大,輸出第二電壓維持信號到開關充電模塊，當Vsys下降到設定的保證系統安全工作所需設定的安全工作電壓Vsys ■後，第二電壓維持信號將會下降。開關充電模塊的脈衝寬度調製模塊接收到下降的第二電壓維持信號之後，將充電的佔空比減小，減小充電電流，從而維持Vsys到設定的安全工作電壓Vsys SAFE，保證系統的正常工作。所述開關充電模塊受充電信號CHGEN控制，經過涓流充電、恆流充電、恆壓充電等過程，將電池充滿，然後停止充電，等待系統滿足再次充電的條件。當接收的充電使能信號CHGENCHGEN = 0，充電控制模塊關閉充電過程；當接收的充電使能信號CHGENCHGEN = 1，充電控制模塊開始充電過程。本實施例提供的電源管理系統，當有外部電源輸入時，開始工作，如果外部輸入電源的電流驅動能力Idkive小於系統消耗電流Isys和電池的充電電流Iaffi之和，即:IDKIVE< IsyJIqk,會導致系統電源端SYS電壓Vsys下降。上述的電源管理系統將會根據不同的應用情況自動平衡充電和放電電流，保證系統正常工作，其具體過程描述如下。如果電池端BAT電壓Vbat大於系統安全工作電壓Vsys safe，則隨著Vsys的下降，Vsys會先下降至接近Vbat，由於開關充電模塊的高端功率開關管存在導通電阻，所以經高端功率開關管流向電池端BAT的充電電流會隨著系統電源端SYS電壓Vsys的下降而自動減小，當Vsys下降至等於Vbat，充電電流信號ISENSE減小為零。如果此時仍然存在Idkive < IsyJIqk,則Vsys還會繼續下降至比Vbat還低。此時第二電壓比較模塊則輸出信號USEBAT = I ;邏輯控制模塊根據ACINVALID =I，USEBAT = I輸出信號CHGEN = 0，SELBAT = I，邏輯控制模塊此時將使第二開關單元(第二 PMOS管)導通，使電池向系統電源端SYS補充供電。同時開關充電控制模塊接收的信號為CHGEN = O而關閉充電過程，同時將開關充電功率級的高端功率開關管導通，並關斷低端功率開關管，從而使開關功率級和功率電感組成的輔助供電通路導通。此時第二 PMOS管和開關充電輔助供電通路同時導通，一起組成電池向系統供電的通路，這樣減小供電通路的電阻，提高系統電源轉換的效率。所以此時輸入電源端電壓Vacin和電池端BAT電壓Vbat供電路徑同時導通，向系統電源端SYS電壓Vsys配合供電，確保了系統不會因為外部輸入電源電流驅動能力不足而導致的系統電源端SYS電壓不足使系統不能正常工作。如果電池端BAT電壓信號Vbat小於系統安全工作電壓Vsys safe,則隨著系統電源端SYS電壓信號Vsys的下降，Vsys會先下降至接近Vsys safe。此時第二電壓維持模塊系統對電源端電壓和參考電源端REF電壓的差值放大,輸出第二電壓維持信號至開關充電模塊,開關充電模塊接收到下降的第二電壓維持信號後，降低開關充電的導通脈寬，降低充電電流。當Vsys下降至VsysSAFE，充電電流減小為零，如果此時Idkive < Isys+Ichg仍然滿足，則Vsys還會繼續下降，直到比電池端BAT電壓信號Vbat還低。此時第二電壓比較模塊則輸出信號 USEBAT = I ;邏輯控制模塊根據 ACINVALID = I,USEBAT = I 輸出信號 CHGEN = O, SELBAT=1，同時使第二 PMOS管導通。而開關充電模塊接收到CHGEN = O後，將關閉充電過程，使高端功率開關管常通，並關斷 低端功率開關管，使系統電源端SYSSYS與電池端BATBAT間的輔助供電路徑導通。此時系統電源端SYS電壓信號Vsys的來源既是輸入電源端電壓信號Vacin,又是電池端BAT電壓信號VBAT。本發明提出的電源管理系統能夠根據系統耗電和外部電源供電能力，動態管理充電電流和系統供電路徑，滿足系統安全穩定的運行。其中，外部電源供電優先級高於電池供電優先級，當有外部電源插入時，優先使用外部電源供電；系統供電優先級高於電池充電優先級，外部電源的供電電流優先滿足系統用電需求，剩餘供電能力用於電池充電，當系統耗電電流變化時，根據系統耗電和外部電源供電能力動態調整充電電流的大小；當外部電源不足以支撐系統耗電時，啟動電池供電路徑為系統供電，此時外部電源不足部分由電池提供。本實施例的電源管理系統在同時具有多個輸入來源情況下，優先使用外部電源為系統供電，在優先保證系統供電的前提下，將滿足系統用電後的剩餘的外部電源電流用於給電池充電，根據外部電源負載能力和系統用電情況動態分配充電電流大小，能夠防止出現外部輸入電源不足以同時給系統供電和給電池充電時，而導致的系統無法正常工作的問題，同時還解決了計時器錯誤超時以及線性充電電流小、效率低的問題。實施例三參見圖12所示，作為一種可實施方式，本發明的電源管理系統包括第一電壓比較模塊、第二電壓比較模塊、邏輯控制模塊、第一電壓維持模塊、第二電壓維持模塊、第一開關單元、第二開關單元、參考電源端REF、外部電源輸入端ACIN、系統電源端SYS、電池端BAT、開關充電模塊和第一電壓轉換模塊，還包括線性充電模塊、第一限流模塊和第二限流模塊。所述線性充電模塊與所述電池端BAT、所述參考電源端REF和所述第二開關單元連接。線性充電模塊連接於第二開關單元，控制充電電流和充電電壓。在本電源管理系統中，線性充電模塊和開關充電模塊配合工作。首先充電電路啟用開關充電電路，同時監測電流大小，當電池接近充滿時，充電電流將會減小，當充電電流小於預先設定值時，首先關閉開關充電電路，然後啟動線性充電電路為電池充電。線性充電模塊工作時，對系統電源電壓沒有幹擾，但是效率較低，晶片內的電能損耗很高，這些電能損耗將會轉換成熱量，導致在大電流充電時，使得晶片發熱嚴重。開關充電模塊充電效率高，晶片內的電能損耗小，但是由於頻換開關，會對系統電源電壓造成幹擾。因此本發明採用的技術方案為檢測到充電電流很小時，系統將自動關閉開關充電模塊，打開線性充電模塊給電池充電，由於充電電流小，因此晶片發熱不大，同時也避免了開關充電對系統電源電壓的幹擾；當檢測到充電電流變大時，自動關閉線性充電模塊，打開開關充電模塊給電池充電，利用開關充電高效率和大電流充電的能力，能避免晶片發熱，同時使電池快速充滿電。參見圖13，作為一種可實施方式，所述第一限流模塊接收外部電源供電選擇信號SELACIN和由所述外部電源輸入端ACIN反饋的電流信號ISENSE，輸出第一限流信號至所述第一開關單元。第一限流模塊包括第六差分放大器。在本實施例中，在外部電源輸入端ACIN設有電流檢測電路，所述電流檢測電路將檢測到的電流信號ISENSE連接到第六差分放大器的正輸入端，第六差分放大器的負輸入端連接參考電源端REF，第六差分放大器的輸出端VO輸出第一限流控制信號。第一限流控制信號傳遞至所述第一PMOS管的柵極或者第一PNP管的基極。到當檢測到電流信號ISENSE超過參考電源端電壓VREF後，第一限流控制信號上升，使第一 PMOS管或者第一 PNP管的電阻增大，使流過第一 PMOS管漏極或者第一 PNP管的集電極的電流減小。所述第二限流模塊與所述電池端BAT和第二開關單元連接，接收由所述電池端BAT反饋的電流信號ISENSE。包括第七差分放大器。所述電池端BAT也設有一電流檢測電路，所述電流檢測電路將檢測到的電流信號ISENSE傳遞至第七差分放大器的正輸入端，第七差分放大器的負輸入端與所述參考電源端REF連接，輸出端VO輸出第二限流信號至第二PMOS管的柵極或第二 PNP管的基極。參見圖14和圖15,作為一種可實施方式,本實施例的第一開關單兀包括第一開關管和第一上拉優先模塊，所述第一開關管為第一 PMOS管或第一 PNP管。第一電壓維持模塊、第一電壓轉換模塊和第一限流模塊的輸出信號採用上拉優先的方式疊加之後，連接至第一PMOS柵極或者第一 PNP管的基極。外部電源輸入電壓ACIN下降到ACIN維持電壓、VSYS超過設定值以及第一 PMOS管漏極電流超過設定值這三種情況中任何一種出現，都會導致第一 PMOS管的柵極電壓被拉高，增大第一 PMOS管的電阻，防止這三種意外情況發生。參見圖15，作為一種可實施方式，所述第一上拉優先模塊包括第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管和一個電流流向指向地(圖示方向為向下)的電流源組成。A、B、C為所述上拉優先模塊的三個輸入端，VO為輸出端。當A點信號下降時，則A點連接的PMOS管的電阻下降，一旦該PMOS管電阻上拉電流能力超過電流源的電流時，就會使VO上升。因此A、B、C任何一個信號下降，導致對應的PMOS管的上拉電流超過向下電流源的電流時，都將導致VO上升。作為一種可實施方式，所述第二開關單元包括第二開關管和第二上拉優先模塊，所述第二開關管為第二 PMOS管或第二 PNP管，所述第二上拉優先模塊的結構參照第一上拉優先模塊，第二上拉優先模塊的PMOS管的個數設置取決於輸入信號的個數，本領域技術人員可根據本申請的技術構思靈活改動，此處不作進一步限定。本系統通過設置第一限流模塊為外部電源ACIN供電路徑提供了限流功能，同時設置第二限流模塊為電池端BAT的供電路徑提供了限流功能。當檢測到流過供電路徑的電流超過了限流設定值時，第一限流模塊或第二限流模塊將Ismse與參考信號的差值放大，輸出限流控制信號到供電路徑PMOS管的柵極，增大PMOS管的電阻，使電流被限制在安全設定電流。由於供電路徑PMOS的電阻增大，將會導致Vsys下降，當Vsys下降到系統關機電壓Vsyscw後，系統將會關閉供電路徑，直到短路條件被取消之後，供電路徑才能夠打開，從而有效防止晶片被短路時燒毀。由於在應用中經常出現輸出被短路到地的錯誤用法，因此兩條供電路徑都具有限流功能是系統在錯誤短路時的一個有效和必備的安全措施，可以防止系統在短路時電流能夠被限制在安全範圍內，保證系統不會被燒毀。實施例四參見圖16，由於在電子設備中通常具有適配器輸入口和USB接口兩個外部電源輸入來源。因此本實施例提供了同時具有外部適配器輸入口和USB接口的解決方案。作為一種可實施方式，本發明提供的電源管理系統還包括第三電壓比較模塊、第二電壓轉換模塊、第三電壓維持模塊、USB限流模塊、VBUS輸入端和第三開關單元。所述第三電壓比較模塊與所述第一電壓比較模塊的工作原理類似，與所述VBUS輸入端、所述電池端BAT連接，輸出VBUS有效信號VBUSVALID至所述邏輯控制模塊。所述第三電壓維持模塊與所述第一電壓維持模塊的工作原理類似，與所述VBUS輸入端、所述參考電源端REF連接，接收由所述邏輯控制模塊輸出的VBUS選擇信號，輸出第三電壓維持信號至所述第三開關單元。所述第二電壓轉換模塊與所述第一電壓轉換模塊的工作原理類似，與系統電源端SYS、參考電源端REF連接，接收由所述邏輯控制模塊輸出的VBUS選擇信號，輸出第二電壓轉換信號至所述第三開關單元。所述第三開關單元與第一開關單元的工作原理類似，包括第三PMOS管，與所述VBUS輸入端、系統電源端SYS連接。本實施例的電源管理系統的第一電壓比較模塊、第二電壓比較模塊、邏輯控制模塊、第一電壓維持模塊、第二電壓維持模塊、第一開關單元、第二開關單元、參考電源端REF、外部電源輸入端ACIN、系統電源端SYS、電池端BAT、開關充電模塊和第一電壓轉換,這些組成模塊的連接關係以及工作過程參照前述實施例，不在贅述。下面詳細說明USB接口有關模塊的工作過程。第三電壓比較模塊將Vvbus和Vbat比較，輸出Vvbus電源有效信號VBUSVALID。第二電壓轉換模塊將Vsys和Vkef的差值放大，輸出電壓轉換控制信號到VBUS路徑PMOS管(第三PMOS管)的柵極，使VBUS轉換到VSYS。在USB連接時，必須保證Vvbus高於安全連接電壓Vvbushold 一旦因為系統耗電導致Vvbus下降到Vvbusikm以下，將會導致USB掉線。因此第三電壓維持模塊檢測Vvbus,當Vvbus下降到USB連線安全電壓VVBUSH_，將輸出第三電壓維持模塊到VBUS路徑PMOS管柵極，增大PMOS管的電阻，減小VBUS到SYS端的電流，使Vvbus維持在Vvbushold不會繼續下降，從而保i正USB不會掉線。當同時具有ACIN輸入和VBUS輸入時，優先使用ACIN耗電，保證系統不會從VBUS抽電，導致VBUS連接出現異常。`如果一旦發現ACIN不足以支持系統耗電導致Vsys下降到Vsys safe，VBUS供電通路將會啟動，此時ACIN和VBUS共同為系統供電，保證系統正常工作。如果IAaN+I_s < IsysjVsys將會下降到小於VBAT，一旦Vbat彡Vsys+ Δ V2條件滿足，系統將會使電池供電路徑PMOS管導通，並打開開關充電的輔助供電通路，此時供電電流由ACIN、VBUS和BAT三方共同提供，保證系統正常工作，同時還能保證USB的正常連接。因此，本發明為USB的正常連接提供了兩重安全保護。本實施方式公開的技術方案，為了能夠保證系統穩定工作，同時能夠實現對鋰離子電池的安全充電，在具有鋰電池供電，同時又有兩路外部電源輸入時，對三種供電電源劃分了使用優先級並對三種供電電源的各自充電、工作過程做了合理的調控。在有外部電源的情況下，優先使用外部電源為系統供電，同時系統供電的優先級也高於充電的優先級。在優先保證系統供電的前提下，將滿足系統用電後的剩餘的外部電源電流用於給電池充電，因此電源管理系統需要根據外部電源負載能力和系統用電情況動態分配充電電流大小。同時在有交流適配器和USB接口外部電源輸入時，交流適配器供電優先級高於USB電源，因為USB電源如果被負載電流拉低，會導致USB連線失敗。因此在同時具有交流適配器和USB電源輸入時，優先從交流適配器供電，保證USB電源電壓正常，使USB連線不會發生異常；如果交流適配器不足以供給系統耗電時，則會啟用USB電源，此時交流適配器和USB電源同時向系統供電，保證系統正常工作；如果交流適配器和USB同時供電也不足以滿足系統耗電需求，就啟動電池供電，此時系統將由交流適配器、USB以及電池三路電源同時向系統供電，不但可以滿足系統工作的耗電需求，還能保證USB電源電壓不會因系統耗電拉低，保證USB連線正常。本發明提供的電源管理系統，實現鋰電池大電流高效率的安全充電，並且根據電子設備外部輸入電源的情況和負載情況自動選擇供電電源路徑，並且在充電和供電之間自動平衡，實現電能的自動分配，保證系統正常工作。同時開關充電模塊還具有和實際充電電流自動適應的計時器，避免實際充電電流偏小造成的充電超時的問題。最後應當說明的是，很顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬於本發明權利要求及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型。
權利要求
1.一種開關充電電路，包括系統電源端、電池端、參考電源端、充電使能信號端和電池供電判斷信號端，其特徵在於，還包括開關充電模塊，所述開關充電模塊包括開關充電控制邏輯模塊、充電電壓控制模塊、充電電流控制模塊、脈衝寬度控制模塊和開關功率級； 所述開關充電控制邏輯模塊、所述充電電壓控制模塊、所述脈衝寬度控制模塊均與所述充電使能信號端、所述電池供電判斷信號端連接； 所述充電電壓控制模塊還與所述電池端、參考電源端連接，輸出充電電壓誤差信號至所述脈衝寬度調製模塊； 所述脈衝寬度調製模塊輸 出脈衝寬度調製信號至所述開關充電控制邏輯模塊，用於將所述充電電壓誤差信號轉換為脈衝寬度調製信號； 所述開關功率級還與所述電池端、所述系統電源端連接，包括高端功率開關管、低端功率開關管和功率電感，所述高端功率開關管和所述低端功率開關管的導通脈寬決定充電電流的大小； 所述充電電流控制模塊與所述充電使能信號端、所述電池供電判斷信號端、所述參考電源端連接，接收所述開關功率級的功率電感反饋的電流信號，輸出充電電流誤差信號至所述脈衝寬度調製模塊； 所述開關充電控制邏輯模塊還與所述開關功率級連接，用於根據所述脈衝寬度調製信號控制所述高端功率開關管和所述低端功率開關管的導通脈寬，進而調節充電電流。
2.根據權利要求1所述的開關充電電路，其特徵在於，所述充電電壓控制模塊包括第一差分放大器、第一電阻和第二電阻； 所述第一電阻的一端與所述電池端連接，所述第一電阻的另一端和所述第二電阻的一端連接，所述第二電阻的另一端接地； 所述第一電阻和所述第二電阻之間的連接點與所述第一差分放大器的正輸入端連接; 所述第一差分放大器的負輸入端與所述參考電源端連接； 所述第一差分放大器的輸出端輸出充電電壓誤差信號。
3.根據權利要求1所述的開關充電電路，其特徵在於，所述充電電流控制模塊包括第二差分放大器； 所述第二差分放大器的正輸入端接入由所述開關功率級的功率電感反饋的電流信號，所述第二差分放大器的負輸入端與所述參考電源連接，所述第二差分放大的輸出端輸出充電電流誤差號。
4.根據權利要求1所述的開關充電電路，其特徵在於，所述脈衝寬度調製模塊包括第三差分放大器、第一比較器、疊加單元、第二電容、第三電容、第四電容、第三電阻、第四電阻和第五電阻； 所述疊加單元將所述充電電壓誤差信號、所述充電電流誤差信號疊加； 所述第三電阻的一端與所述疊加單元的輸出端連接，所述第三電阻的另一端與所述第三差分放大器的負輸入端連接，所述第三差分放大器的正輸入端與所述參考電源端連接；所述第二電容的一端與所述疊加單元的輸出端連接，所述第二電容的另一端與所述第四電阻的一端連接，所述第四電阻的另一端與所述第三差分放大器的負輸入端連接； 所述第五電阻的一端與所述第三差分放大器的負輸入端連接，所述第五電阻的另一端與所述第三電容的一端連接，所述第三電容的另一端與所述第三差分放大器的輸出端連接； 所述第四電容的一端與所述第三差分放大器的負輸入端連接，另一端與所述第三差分放大器的輸出端連接； 所述第三差分放大器的輸出端與所述第一比較器的負輸入端連接，所述第一比較器的正輸入端輸入三角波； 所述第一比較器的輸出端輸出脈衝寬度調製信號。
5.根據權利要求1所述的開關充電電路，其特徵在於，所述開關充電控制邏輯模塊包括功率管控制邏輯單元、可控計時器和第二比較器或數模轉換器； 所述第二比較器或數模轉換器與所述參考電源端連接、所述充電使能端和所述開關功率級的功率電感連接，輸出電流數據信號或電流比較信號至所述可控計時器； 所述可控計時器與所述充電使能信號端連接，同時接收時鐘頻率信號和電流數據信號或電流比較信號，輸出充電超時信號至所述功率管控制邏輯單元； 所述功率管邏輯控制單元接收充電使能信號、電池供電判斷信號、所述脈衝寬度調製信號和所述充電超時信號，輸出高端功率開關管控制信號至所述高端功率開關管，輸出低端功率開關管控制信號至所述低端功率開關管。
6.根據權利要求5所述的開關充電電路，其特徵在於，所述功率管控制邏輯單元包括觸發器、第一與門、第二與門、第三與門、第一或門、第二或門、第一反相器、第二反相器、第三反相器、第四反相器、第一驅動級、第二驅動級； 所述電池供電判斷信號經過第四反相器反相後與所述充電使能信號以及所述充電超時信號作為所述第一與門的三個輸入端信號，第一與門的輸出端信號與時鐘頻率信號作為所述第二與門的兩個輸入端信號，所述第一與門的輸出端信號經過第一反相器反相後與所述脈衝寬度調製信號作為所述第一或門的兩個輸入端信號，所述第二與門的輸出端信號連接至所述觸發器的S端，所述第一或門的輸出端信號連接至所述觸發器的R端； 所述觸發器的Q端信號經第三反相器反相後與所述第二驅動級的輸出端信號作為所述第二或門的兩個輸入端信號，所述第二或門的輸出端信號連接至所述第一驅動級的輸入端，所述第一驅動級的輸出端信號為所述高端功率開關管控制信號，連接至所述高端功率開關管； 所述觸發器的Q端信號經第二反相器反相後與所述第一與門的輸出端信號以及第一驅動級的輸出端信號作為所述第三與門的三個輸入端信號，所述第三與門的輸出端信號連接至所述第二驅動級的輸入端，所述第二驅動級的輸出端信號為所述低端功率開關管控制信號，連接至所述低端功率開關管。
7.根據權利要求5所述的開關充電電路，其特徵在於，所述可控計時器包括兩個以上分頻器和多選一多路選擇器和計時器； 所述兩個以上的分頻器的輸入端都接收所述時鐘頻率信號，所述分頻器的輸出端與所述多選一多路選擇器連接，所述兩個以上的分頻器的分頻係數為以分頻器個數的倒數作等差的遞增數列； 多選一多路選擇器還接收所述電流數據信號或所述電流比較信號，輸出計時器時鐘頻率至所述計時器；所述計時器還與所述充電使能端連接。
8.根據權利要求1所述的開關充電電路，其特徵在於，所述高端功率開關管為一P溝道MOS管，所述低端功率開關管為一 N溝道MOS管； 所述P溝道MOS管的柵極和所述N溝道MOS管的柵極與所述開關充電控制邏輯連接； 所述P溝道MOS管的源極與所述系統電源端連接，所述P溝道MOS管的漏極與所述N溝道MOS管的漏極連接，所述N溝道MOS管的源極接地； 所述P溝道MOS管和所述N溝道MOS管的連接點與所述功率電感的一端連接，功率電感的另一端與所述電池端連接。
9.一種電源管理系統，包括第一電壓比較模塊、第二電壓比較模塊、邏輯控制模塊、第一電壓維持模塊、第二電壓維持模塊、第一開關單元、第二開關單元、參考電源端、外部電源輸入端、系統電源端、電池端，其特徵在於，還包括如權利要求1所述的開關充電模塊和第一電壓轉換模塊； 所述開關充電模塊與所述系統電源端、所述參考電源端、所述電池端連接，接收由所述邏輯控制模塊輸出的充電使能信號和由所述第二電壓比較模塊輸出的電池供電判斷信號以及由所述第二電壓維持模塊輸出的第二電壓維持信號； 所述第一電壓轉換模塊與所述系統電源端和所述參考電源端連接，接收由所述邏輯控制模塊輸出的外部電源供電選擇信號，輸出端與所述第一開關單元連接。
10.根據權利要求9所述的電源管理系統，其特徵在於，還包括線性充電模塊，所述線性充電模塊與所述電池端、所述參考電源端和所述第二開關單元連接。
11.根據權利要求9所述的電源管理系統，其特徵在於，還包括第一限流模塊； 所述第一限流模塊包括第六差分放大器，所述第六差分放大器的正輸入端接入由所述外部電源輸入端反饋的電流信號，負輸入端與所述參考電源端連接，輸出端與所述第一開關單元連接。
12.根據權利要求9所述的電源管理系統，其特徵在於，還包括第二限流模塊，所述第二限流模塊包括第七差分放大器，所述第七差分放大器的正輸入端接入由所述電池端反饋的電流信號，負輸入端與所述參考電源端連接，輸出端與所述第二開關單元連接。
13.根據權利要求11所述的電源管理系統，其特徵在於，所述第一開關單元包括第一開關管和第一上拉優先模塊； 所述第一開關管為第一 PMOS管或第一 PNP管； 所述第一上拉優先模塊包括第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管和一個指向地的電流源； 所述第一電壓維持模塊的輸出端、所述第一電壓轉換模塊的輸出端和第一限流模塊的輸出端分別與所述第三PMOS管的柵極、第四PMOS管的柵極和第五PMOS管的柵極連接； 所述第三PMOS管的漏極、第四PMOS管的漏極和第五PMOS管的漏極短接後作為輸出端連接至所述第一 PMOS管的柵極或第一 PNP管的基極，並與所述電流源的電流流入端連接，所述電流源的電流流出端接地。
14.根據權利要求9所述的電源管理系統，其特徵在於，還包括第三電壓比較模塊、第二電壓轉換模塊、第三電壓維持模塊、第三開關單元、USB限流模塊、VBUS輸入端； 所述第三電壓比較模塊與所述VBUS輸入端、所述電池端連接，輸出VBUS有效信號至所述邏輯控制模塊； 所述第三電壓維持模塊與所述VBUS輸入端、所述參考電源端連接，接收由所述邏輯控制模塊輸出的VBUS選擇信號，輸出第三電壓維持信號至所述第三開關單元； 所述第二電壓轉換模塊與所述系統電源端、參考電源端連接，接收由所述邏輯控制模塊輸出的VBUS選擇信號，輸出第二電壓轉換信號至所述第三開關單元； 第三開關單元還與所述VBUS輸入端、系統電源端連接。
全文摘要
本發明公開一種開關充電電路和電源管理系統，所述開關充電電路包括系統電源端、電池端、參考電源端、充電使能信號端、電池供電判斷信號端和開關充電模塊，所述開關充電模塊包括開關充電控制邏輯模塊、充電電壓控制模塊、充電電流控制模塊、脈衝寬度控制模塊和開關功率級。所述電源管理系統，包括第一電壓比較模塊、第二電壓比較模塊、邏輯控制模塊、第一電壓維持模塊、第二電壓維持模塊、第一開關單元、第二開關單元、參考電源端、外部電源輸入端、系統電源端、電池端和開關充電模塊以及第一電壓轉換模塊。本發明所公開的一種開關充電電路和電源管理系統實施簡單，充電效率高。
文檔編號H02J7/00GK103107562SQ20111035316
公開日2013年5月15日 申請日期2011年11月9日 優先權日2011年11月9日
發明者鄧琴 申請人:珠海全志科技股份有限公司