用單電感實現同步降壓充電與升壓供電的電路架構的製作方法
2023-05-08 02:08:06
專利名稱：用單電感實現同步降壓充電與升壓供電的電路架構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種備用電源，尤其是涉及一種用單電感實現同步降壓充電與升壓供電的電路架構。
背景技術：
在可攜式產品中如手機、掌上電腦、移動多媒體設備、手持醫療設備、手持測試儀 器、煤礦中的LED礦燈等都不可或缺的使用可充電的鋰離子電池或磷酸鐵鋰電池給行動裝置供電。儘管這些可攜式設備大都採用單位體積、單位重量能量密度更高的鋰離子電池或磷酸鐵鋰電池給行動裝置供電。但隨著這些移動產品功能的增加功耗會相應增加，另外，為滿足消費者對某些便攜產品的美觀和小型化要求，有些可攜式產品又不能採用體積、容量更大的電池供電(典型產品如蘋果的iPad和iPhone等)，這勢必大大縮短電池的續航時間。為應對這種挑戰,大多數使用蘋果iPad和iPhone產品的消費者都會給自己的設備另外配備一種集電池、電池充電、電池供電的小型化的「後備電源」設備，以便在可攜式產品中的電池電量將要消耗殆盡時，使用「後備電源」給可攜式產品供電。現有的「後備電源」系統通常有如下兩種電路架構①由線性充電1C、升壓1C、輸出短路檢測的高精度運算放大器0P1、檢測和顯示電池電量及控制各電路單元協同工作的MCU組成。見圖6所示。但明顯存在以下弊端@由於採用線性充電方式，充電效率低，無法實現快速充電。 由於系統至少需要5個獨立的1C，「後備電源」的系統板製造費用昂貴且無法實現小型化。②由開關降壓充電1C、升壓電源管理1C、輸出短路檢測的高精度運算放大器、檢測和顯示電池電量及控制各電路單元協同工作的MCU組成。見圖7所示。儘管為了克服線性充電方式效率低的問題而採用了同步降壓充電1C，但卻需要兩個電感，仍無法克服上述「後備電源」的系統板製造費用昂貴且無法實現小型化」的弊端。有關降壓式開關電源(BUCK拓撲)和升壓式開關電源(BOOST拓撲)的基本理論可參見[美]Sanjaya Maniktala 著編的 Switching Power Supplies Ato Z 一書。
發明內容
本發明的目的在於針對上述現有的後備電源系統中存在著充電效率低或系統板製造費用昂貴且無法實現小型化的弊端，提供一種用單電感實現同步降壓充電與升壓供電的電路架構。本發明的第I技術方案為本發明設有3個與外部連接的埠，4個MOS場效應電晶體M1J2、M3、M4,1個電感L，3個電容Ci、C2、Ctjut, I個電流採樣電阻Rs和7個節點1、2、3、4、5、6、7 ；所述3個與外部連接的埠為輸入埠 Vin、輸出埠 Vwt和BAT埠，所述輸入埠 Vin與外部適配器或USB的輸出相連,所述輸出埠 Vtjut與外部用電設備的電源輸入相連，所述BAT埠外接可充電電池的正極； 所述MOS場效應電晶體Ml的漏極接節點5，MOS場效應電晶體M1的源極接節點I，MOS場效應電晶體M1的柵極接節點G1，所述節點G1外接控制電路；所述MOS場效應電晶體M2的漏極接節點7，MOS場效應電晶體M2的源極接節點I，MOS場效應電晶體M2的柵極接節點G2，所述節點G2外接控制電路；所述MOS場效應電晶體M3的漏極接節點2，MOS場效應電晶體M3的源極接節點I，MOS場效應電晶體M3的柵極外接控制電路；所述MOS場效應電晶體M4的漏極接節點2，MOS場效應電晶體M4的源極接節點4，MOS場效應電晶體M4的柵極外接控制電路； 在節點I和節點G1之間設有電阻R1，在節點I和節點G2之間設有電阻R2 ;所述電流採樣電阻Rs的兩端分別與節點3和節點6相連；所述電容C1的正極接節點1，電容C1的負極接節點4 ；所述電容C2的正極接節點3，電容C2的負極接節點4 ；所述電容Ctjut的正端接節點7，電容Cwt的負端接節點4 ；所述電感L的兩端分別接節點2和節點3。本發明的第2技術方案為本發明設有3個與外部連接的埠，二極體D0，3個MOS場效應電晶體M2、M3、M4，I個電感L，3個電容Q、C2、Cout, I個電流採樣電阻Rs和7個節點1、2、3、4、5、6、7 ；所述3個與外部連接的埠為輸入埠 Vin、輸出埠 Vwt和BAT埠，所述輸入埠 Vin與外部適配器或USB的輸出相連,所述輸出埠 Vtjut與外部用電設備的電源輸入相連，所述BAT埠外接可充電電池的正極；所述二極體DO的正極接輸入埠 Vin，二極體DO的負極接節點I ; 所述MOS場效應電晶體M2的漏極接節點7，MOS場效應電晶體M2的源極接節點I，MOS場效應電晶體M2的柵極接節點G2，所述節點G2外接控制電路；所述MOS場效應電晶體M3的漏極接節點2，MOS場效應電晶體M3的源極接節點I，MOS場效應電晶體M3的柵極外接控制電路；所述MOS場效應電晶體M4的漏極接節點2，MOS場效應電晶體M4的源極接節點4，MOS場效應電晶體M4的柵極外接控制電路；在節點I和節點G2之間設有電阻R2 ;所述電流採樣電阻Rs的兩端分別與節點3和節點6相連；所述電容C1的正極接節點1，電容C1的負極接節點4 ；所述電容C2的正極接節點3，電容C2的負極接節點4 ；所述電容Cout的正端接節點7,電容Cout的負端接節點4 ；所述電感L的兩端分別接節點2和節點3。本發明克服了線性充電效率低、無法實現快速充電以及「後備電源」的系統板製造費用昂貴且無法實現小型化的弊端。
其中MOS場效應電晶體Ml在電路架構中擁有兩個作用①當外部的控制IC檢測到系統有輸入電壓時，控制IC會自動將Ml打開，將節點5和節點I之間連通(見圖2所示)，使系統處於等待充電狀態或正在充電狀態。②當外部的控制IC檢測到系統無輸入電壓時，控制IC會自動將Ml關閉，將節點5和節點I之間斷開(見圖4所示)，以使系統處在等待升壓狀態或正在升壓狀態，防止電池中的電流反灌到輸入端。③由於二極體具有自動正嚮導通反向截至的功能，因此採用二極體代替MOS場效應電晶體Ml和電阻Rl也可完成上述①、②所述功能(見圖5所示)。採用這種方法，其好處是外部的控制IC至少可減少一個控制Ml關斷與導通的引腳，但帶來的弊端是在充電過程中二極體Dl會消耗過多的功耗，降低充 電效率。MOS場效應電晶體M2的作用①在無輸入電壓的情況下，當外部的控制IC檢測到系統有輸出負載時，控制IC會自動將M2打開，將節點I和節點7之間連通(見圖4所示)，使系統處於等待同步升壓狀態或處於正在同步升壓狀態，電池給輸出負載供電。②在無輸入電壓的情況下，當外部的控制IC檢測到系統無輸出負載時，控制IC會自動將M2關斷，將節點I和節點7之間斷開(見圖2所示)，並同時關斷MOS管M3、M4。以減小系統對電池能量的消耗。MOS場效應電晶體M3、M4的作用①在無輸入電壓的情況下，電池BAT、M0S管M3、M4、儲能電感L、採樣電阻Rs、濾波電容C2和Cout組成了同步升壓架構。以特定開關頻率工作的外部控制IC驅動著MOS管M3、M4交替導通與關斷，在電路中起同步開關作用。儲能電感L，濾波電容C2、Cout,電流採樣電阻Rs的作用①在同步降壓充電模式下，儲能電感L、濾波電容C2可組成無源LC濾波器。②在同步升壓供電模式下，儲能電感L、濾波電容Cout可組成無源LC濾波器。③無論是在同步降壓充電模式還是在同步升壓供電模式，外部的控制IC都是通過檢測流經採樣電阻Rs上的電流來控制流經儲能電感中的電流。本發明可廣泛應用到可攜式產品如智慧型手機、掌上電腦、移動多媒體設備、手持醫療設備、手持測試儀器等後備電源(或稱移動電源)設備中。
圖I是本發明實施例的電路組成示意圖。圖2是本發明實施例可實現同步降壓充電功能等效電路圖。圖3是本發明實施例可同時實現同步降壓充電和給Vout輸出負載供電等效電路圖。圖4是本發明實施例可實現同步升壓由電池BAT給輸出負載Vout供電等效電路圖。圖5是用二極體DO代替Ml和Rl實現的同步降壓充電、同步升壓架構電路圖。圖6是現有的後備電源線性充電方案簡化電路圖。圖7是現有的後備電源開關充電方案簡化電路圖。
圖8是本發明實施例使用廈門理摯半導體科技有限公司設計的專用控制IC在後備電源系統中的典型應用電路圖。
具體實施例方式參見圖1，本發明實施例設有3個與外部連接的埠，4個MOS場效應電晶體Ml、M2、M3、M4，I個電感L，3個電容Cl、C2、Cout，I個電流採樣電阻Rs和7個節點1、2、3、4、5、
6、7。 所述3個與外部連接的埠為輸入埠 Vin (即節點5)、輸出埠 Vout (即節點7)和BAT埠(即節點6)，所述輸入埠 Vin與外部適配器或USB的輸出相連，所述輸出埠 Vout與外部用電設備的電源輸入相連，所述BAT埠外接可充電電池的正極。所述MOS場效應電晶體Ml的漏極接節點5，MOS場效應電晶體Ml的源極接節點I，MOS場效應電晶體Ml的柵極接節點Gl，所述節點Gl外接控制電路。所述MOS場效應電晶體M2的漏極接節點7，MOS場效應電晶體M2的源極接節點I，MOS場效應電晶體M2的柵極接節點G2，所述節點G2外接控制電路。所述MOS場效應電晶體M3的漏極接節點2，MOS場效應電晶體M3的源極接節點I，MOS場效應電晶體M3的柵極外接控制電路。所述MOS場效應電晶體M4的漏極接節點2，MOS場效應電晶體M4的源極接節點4，MOS場效應電晶體M4的柵極外接控制電路。在節點I和節點Gl之間設有電阻R1，在節點I和節點G2之間設有電阻R2。所述電流採樣電阻Rs的兩端分別與節點3和節點6相連。所述電容Cl的正極接節點1，電容Cl的負極接節點4。所述電容C2的正極接節點3，電容C2的負極接節點4。所述電容Cout的正端接節點7,電容Cout的負端接節點4。所述電感L的兩端分別接節點2和節點3。在圖I中，節點4接地。所述MOS場效應電晶體Ml和M2在電路中可當作開關使用。當輸入埠 Vin施加直流電壓且Ml導通M2斷開時，MOS場效應電晶體M3、M4，電感L，電容C2，電流採樣電阻Rs和外部的控制IC可構成同步降壓電路高效率的由Vin給電池BAT充電。實現同步降壓充電功能等效電路圖參見圖2。在圖2中，箭頭指能量傳輸方向，包圍線中的器件組成同步降壓電路架構。當輸入埠 Vin施加直流電壓且MOS場效應電晶體Ml、M2同時導通時，構成的同步降壓電路架構可由Vin給電池BAT充電以及通過導通的MOS場效應電晶體M2直接給輸出負載Vout供電。可同時實現同步降壓充電和給Vout輸出負載供電等效電路圖如圖3所示，在圖3中，箭頭指能量傳輸方向，包圍線中的器件組成同步降壓電路架構。當輸入埠 Vin無直流電壓且MOS場效應電晶體Ml斷開、MOS場效應電晶體M2導通時，由起輸入作用的電池BAT，電流採樣電阻Rs，電感L，M0S場效應電晶體M3、M4，輸出電容Cout及外部的控制IC可構成同步升壓電路高效率的給輸出負載Vout供電。當輸入埠 Vin無電壓時，組成的同步升壓電路由電池BAT給輸出負載Vout供電等效電路圖如圖4所示，在圖4中，箭頭指能量傳輸方向，包圍線中的器件組成同步升壓電路架構。
在圖I中的MOS場效應電晶體Ml可由正嚮導通，反向截止的二極體Dl代替，用二極體DO代替Ml實現的同步降壓充電、同步升壓供電電路圖如圖5所示。儘管用二極體Dl代替MOS電晶體Ml可實現上述功能，但由於二極體的正向壓降通常比導通的MOS場效應電晶體的VDS值高許多，因此在給電池BAT充電時，會降低系統效率。在典型的2A輸入電流下，圖5中的Dl即便使用價格昂貴的肖特基二極體，其正向壓降最小值一般也會大於300mV，而處在線性區導通的MOS場效應電晶體的源漏電壓VDS最小值可小於20mV。所述的外部控制IC可採用廈門理摯半導體科技有限公司針對移動電源系統應用設計的一款控制1C，型號為RS8175，集成電路布圖專利保護型號為M5175。該控制IC具有如下特徵■輸入電壓 Vin = 5 10V。■內置高精度軌至軌電流採樣放大器。■內置輸入過壓保護和輸出負載限流功能。■電池浮充精度±1%。■升壓輸出精度± I %。■降壓充電效率高達95 %與升壓供電效率高達90 %。■系統睡眠時靜態電流小於30 U A0■內置動態路徑管理功能。 ■電池內阻跟蹤補償和電量指示功能。■電池溫度檢測和電池復充功能。■輸出空載和電池空載檢測功能。
■輸入電源掉電檢測與自動升壓功能。■降壓與升壓軟啟動功能。
權利要求
1.用單電感實現同步降壓充電與升壓供電的電路架構，其特徵在於設有3個與外部連接的埠，4個MOS場效應電晶體Mp M2、M3、M4,1個電感L，3個電容Q、C2、Cout, I個電流採樣電阻Rs和7個節點1、2、3、4、5、6、7 ； 所述3個與外部連接的埠為輸入埠 Vin、輸出埠 Vtjut和BAT埠，所述輸入埠Vin與外部適配器或USB的輸出相連，所述輸出埠 Vtjut與外部用電設備的電源輸入相連，所述BAT埠外接可充電電池的正極； 所述MOS場效應電晶體M1的漏極接節點5，MOS場效應電晶體M1的源極接節點1，MOS場效應電晶體M1的柵極接節點G1，所述節點G1外接控制電路； 所述MOS場效應電晶體M2的漏極接節點7，MOS場效應電晶體M2的源極接節點1，MOS場效應電晶體M2的柵極接節點G2，所述節點G2外接控制電路； 所述MOS場效應電晶體M3的漏極接節點2，MOS場效應電晶體M3的源極接節點1，MOS場效應電晶體M3的柵極外接控制電路； 所述MOS場效應電晶體M4的漏極接節點2，MOS場效應電晶體M4的源極接節點4，MOS場效應電晶體M4的柵極外接控制電路； 在節點I和節點G1之間設有電阻R1，在節點I和節點G2之間設有電阻R2 ； 所述電流採樣電阻Rs的兩端分別與節點3和節點6相連； 所述電容C1的正極接節點1，電容C1的負極接節點4 ； 所述電容C2的正極接節點3，電容C2的負極接節點4 ； 所述電容Ctjut的正端接節點7，電容Ctjut的負端接節點4 ； 所述電感L的兩端分別接節點2和節點3。
2.用單電感實現同步降壓充電與升壓供電的電路架構，其特徵在於設有3個與外部連接的埠，I個二極體D0，3個MOS場效應電晶體M2、M3、M4，I個電感L，3個電容Q、C2、Cout,I個電流採樣電阻Rs和7個節點1、2、3、4、5、6、7 ； 所述3個與外部連接的埠為輸入埠 Vin、輸出埠 Vtjut和BAT埠，所述輸入埠Vin與外部適配器或USB的輸出相連，所述輸出埠 Vtjut與外部用電設備的電源輸入相連，所述BAT埠外接可充電電池的正極； 所述二極體DO的正極接輸入埠 Vin，二極體DO的負極接節點I ; 所述MOS場效應電晶體M2的漏極接節點7，MOS場效應電晶體M2的源極接節點1，MOS場效應電晶體M2的柵極接節點G2，所述節點G2外接控制電路； 所述MOS場效應電晶體M3的漏極接節點2，MOS場效應電晶體M3的源極接節點1，MOS場效應電晶體M3的柵極外接控制電路； 所述MOS場效應電晶體M4的漏極接節點2，MOS場效應電晶體M4的源極接節點4，MOS場效應電晶體M4的柵極外接控制電路； 在節點I和節點G2之間設有電阻R2 ； 所述電流採樣電阻Rs的兩端分別與節點3和節點6相連； 所述電容C1的正極接節點1，電容C1的負極接節點4 ； 所述電容C2的正極接節點3，電容C2的負極接節點4 ； 所述電容Ctjut的正端接節點7，電容Ctjut的負端接節點4 ； 所述電感L的兩端分別接節點2和節點3。
全文摘要
用單電感實現同步降壓充電與升壓供電的電路架構，涉及一種備用電源。設有3個與外部連接的埠，4個MOS場效應電晶體M1、M2、M3、M4，1個電感L，3個電容C1、C2、Cout，1個電流採樣電阻Rs和7個節點1、2、3、4、5、6、7；3個與外部連接的埠為輸入埠Vin、輸出埠Vout和BAT埠，輸入埠Vin與外部適配器或USB的輸出相連，所述輸出埠Vout與外部用電設備的電源輸入相連，所述BAT埠外接可充電電池的正極。所述M1可由二極體替代。克服了線性充電效率低、無法實現快速充電以及「後備電源」的系統板製造費用昂貴且無法實現小型化的弊端。
文檔編號H02M3/155GK102629825SQ20121012761
公開日2012年8月8日 申請日期2012年4月26日 優先權日2012年4月26日
發明者邢建力, 邢舟 申請人:廈門理摯半導體科技有限公司