一种开关充电电路和电源管理系统的制作方法

专利名称：一种开关充电电路和电源管理系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及电源管理技术领域，特别是涉及一种开关充电电路和电源管理系统。
背景技术：
随着便携式电子产品的日益普及，电子设备的功能不断增强和逐渐丰富，使得电子产品功耗增加，需要便携式电子设备的电源管理技术不断进步与更新来适应产品功耗。目前的便携式电子设备通常采用锂电池供电，同时具有USB接口和交流适配器接口。因此需要根据不同的输入电源的情况和应用情况，在不同的输入电源中选择正确的供电来源给系统供电，同时又对锂电池进行充电管理。在实际应用中，各种不同输入电源的驱动能力差别很大。比如，同为5V的交流适配器，为了满足不同的成本要求，驱动能力可以从200mA到2A以上；而USB接口连接器的驱动能力也有IOOmA或500mA等多种规格，而最新的USB3.0规格要求是900mA。同时随着手机适配器接口国家标准的发布，越来越多的交流适配器也做成USB插头，因此应用情况更加复杂。现有的充电管理芯片或者电源管理芯片，一般采用管脚来设置限流的大小，需要主控芯片通过输入输出接口去实时检测外部电源接入的状况，并且分辨是适配器插入还是USB插入。如果是适配器输入就不需要设置限流，如果发现USB插入，通过主控芯片输出接口控制电源芯片管脚来改变限流设置，即依靠主控制芯片来判断外部接入电源的状况，再通过主控芯片的通用输入输出接口来设置限流的大小。这样的控制方式，电源芯片自身并不判断输入电源究竟有多大的驱动能力，而需要依靠主控芯片判断外部接入电源的状况，再通过主控芯片的通用输入输出接口来设置限流的大小，使得系统的软件和硬件都变得非常的复杂。因为需要主控芯片实时检测外部电源状况，这就需要主控芯片的修改软件、驱动程序。同时需要通过输出管脚控制外部电路改变限流的设置，这样就需要增加外部的硬件电路。因此需要软件硬件工程师协同配合，才能实现，而且需要大量时间验证整个系统工作的可靠性和正确性；同时主控芯片需要实时检测，会占用主控芯片CPU资源，降低效率。同时由于锂电池的容量不断变大，为了保证充电时间在可接受范围内，因此充电电流也随之不断增大。传统的线性充电器，由于效率很低，造成芯片发热严重，因此难以满足大容量锂电池充电的需求。

发明内容
本发明的目的在于提供一种开关充电电路和电源管理系统，其解决了现有技术中的需要软件硬件结合而导致实施复杂的问题，以及采用线性充电方式导致芯片发热的问题。为实现本发明目的而提供的一种开关充电电路，包括系统电源端、电池端、参考电源端、充电使能信号端和电池供电判断信号端，还包括开关充电模块，所述开关充电模块包括开关充电控制逻辑模块、充电电压控制模块、充电电流控制模块、脉冲宽度控制模块和开关功率级；所述开关充电控制逻辑模块、所述充电电压控制模块、所述脉冲宽度控制模块均与所述充电使能信号端、所述电池供电判断信号端连接；所述充电电压控制模块还与所述电池端、参考电源端连接，输出充电电压误差信号至所述脉冲宽度调制模块；所述脉冲宽度调制模块输出脉冲宽度调制信号至所述开关充电控制逻辑模块，用于将所述充电电压误差信号转换为脉冲宽度调制信号；所述开关功率级还与所述电池端、所述系统电源端连接，包括高端功率开关管、低端功率开关管和功率电感，所述高端功率开关管和所述低端功率开关管的导通脉宽决定充电电流的大小；所述充电电流控制模块与所述充电使能信号端、所述电池供电判断信号端、所述参考电源端连接，接收所述开关功率级的功率电感反馈的电流信号，输出充电电流误差信号至所述脉冲宽度调制模块；所述开关充电控制逻辑模块还与所述开关功率级连接，用于根据所述脉冲宽度调制信号控制所述高端功率开关管和所述低端功率开关管的导通脉宽，进而调节充电电流。其中，所述充电电压控制模块包括第一差分放大器、第一电阻和第二电阻；所述第一电阻的一端与所述电池端连接，所述第一电阻的另一端和所述第二电阻的一端连接，所述第二电阻的另一端接地；所述第一电阻和所述第二电阻之间的连接点与所述第一差分放大器的正输入端连接；所述第一差分放大器的负输入端与所述参考电源端连接；所述第一差分放大器的输出端输出充电电压误差信号。其中，所述充电电流控制模块包括第二差分放大器；所述第二差分放大器的正输入端接入由所述开关功率级的功率电感反馈的电流信号，所述第二差分放大器的负输入端与所述参考电源连接，所述第二差分放大的输出端输出充电电流误差信号。其中，所述脉冲宽度调制模块包括第三差分放大器、第一比较器、叠加单元、第二电容、第三电容、第四电容、第三电阻、第四电阻和第五电阻；所述叠加单元将所述充电电压误差信号、所述充电电流误差信号叠加；所述第三电阻的一端与所述叠加单元的输出端连接，所述第三电阻的另一端与所述第三差分放大器的负输入端连接，所述第三差分放大器的正输入端与所述参考电源端连接；所述第二电容的一端与所述叠加单元的输出端连接，所述第二电容的另一端与所述第四电阻的一端连接，所述第四电阻的另一端与所述第三差分放大器的负输入端连接；所述第五电阻的一端与所述第三差分放大器的负输入端连接，所述第五电阻的另一端与所述第三电容的一端连接，所述第三电容的另一端与所述第三差分放大器的输出端连接；所述第四电容的一端与所述第三差分放大器的负输入端连接，另一端与所述第三差分放大器的输出端连接；所述第三差分放大器的输出端与所述第一比较器的负输入端连接，所述第一比较器的正输入端输入三角波；所述第一比较器的输出端输出脉冲宽度调制信号。其中，所述开关充电控制逻辑模块包括功率管控制逻辑单元、可控计时器和第二比较器或数模转换器；所述第二比较器或数模转换器与所述参考电源端连接、所述充电使能端和所述开关功率级的功率电感连接，输出电流数据信号或电流比较信号至所述可控计时器；所述可控计时器与所述充电使能信号端连接，同时接收时钟频率信号和电流数据信号或电流比较信号，输出充电超时信号至所述功率管控制逻辑单元；所述功率管逻辑控制单元接收充电使能信号、电池供电判断信号、所述脉冲宽度调制信号和所述充电超时信号，输出高端功率开关管控制信号至所述高端功率开关管，输出低端功率开关管控制信号至所述低端功率开关管。其中，所述功率管控制逻辑单元包括触发器、第一与门、第二与门、第三与门、第一或门、第二或门、第一反相器、第二反相器、第三反相器、第四反相器、第一驱动级、第二驱动级。所述电池供电判断信号经过第四反相器反相后与所述充电使能信号以及所述充电超时信号作为所述第一与门的三个输入端信号，第一与门的输出端信号与所述时钟频率信号作为所述第二与门的两个输入端信号，所述第一与门的输出端信号经过第一反相器反相后与所述脉冲宽度调制信号作为所述第一或门的两个输入端信号，所述第二与门的输出端信号连接至所述触发器的S端，所述第一或门的输出端信号连接至所述触发器的R端。所述触发器的Q端信号经第三反相器反相后与所述第二驱动级的输出端信号作为所述第二或门的两个输入端信号，所述第二或门的输出端信号连接至所述第一驱动级的输入端，所述第一驱动级的输出端信号为所述高端功率开关管控制信号，连接至所述高端功率开关管。所述触发器的Q端信号经第二反相器反相后与所述第一与门的输出端信号以及第一驱动级的输出端信号作为所述第三与门的三个输入端信号，所述第三与门的输出端信号连接至所述第二驱动级的输入端，所述第二驱动级的输出端信号为所述低端功率开关管控制信号，连接至所述低端功率开关管。其中，所述可控计时器包括两个以上分频器和多选一多路选择器和计时器；所述两个以上的分频器的输入端都接收所述时钟频率信号，所述分频器的输出端与所述多选一多路选择器连接，所述两个以上的分频器的分频系数为以分频器个数的倒数作等差的递增数列；多选一多路选择器还接收所述电流数据信号或所述电流比较信号，输出计时器时钟频率至所述计时器；所述计时器还与所述充电使能端连接。其中，所述高端功率开关管为一 P沟道MOS管，所述低端功率开关管为一 N沟道MOS管；所述P沟道MOS管的栅极和所述N沟道MOS管的栅极与所述开关充电控制逻辑连接；所述P沟道MOS管的源极与所述系统电源端连接，所述P沟道MOS管的漏极与所述N沟道MOS管的漏极连接，所述N沟道MOS管的源极接地；所述P沟道MOS管和所述N沟道MOS管的连接点与所述功率电感的一端连接，功率电感的另一端与所述电池端连接。本发明还公开一种电源管理系统，包括第一电压比较模块、第二电压比较模块、逻辑控制模块、第一电压维持模块、第二电压维持模块、第一开关单元、第二开关单元、参考电源端、外部电源输入端、系统电源端、电池端，还包括如前所述的开关充电模块和第一电压转换模块；所述开关充电模块与所述系统电源端、所述参考电源端、所述电池端连接，接收由所述逻辑控制模块输出的充电使能信号和由所述第二电压比较模块输出的电池供电判断信号以及由所述第二电压维持模块输出的第二电压维持信号；所述第一电压转换模块与所述系统电源端和所述参考电源端连接，接收由所述逻辑控制模块输出的外部电源供电选择信号，输出端与所述第一开关单元连接。其中，还包括线性充电模块，所述线性充电模块与所述电池端、所述参考电源端和所述第二开关单元连接。其中，还包括第一限流模块；所述第一限流模块包括第六差分放大器，所述第六差分放大器的正输入端接入由所述外部电源输入端反馈的电流信号，负输入端与所述参考电源端连接，输出端与所述第一开关单元连接。其中，还包括第二限流模块，所述第二限流模块包括第七差分放大器，所述第七差分放大器的正输入端接入由所述电池端反馈的电流信号，负输入端与所述参考电源端连接，输出端与所述第二开关单元连接。其中，所述第一开关单元包括第一开关管和第一上拉优先模块；所述第一开关管为第一 PMOS管或第一 PNP管；所述第一上拉优先模块包括第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管和一个指向地的电流源；所述第一电压维持模块的输出端、所述第一电压转换模块的输出端和第一限流模块的输出端分别与所述第三PMOS管的栅极、第四PMOS管的栅极和第五PMOS管的栅极连接；所述第三PMOS管的漏极、第四PMOS管的漏极和第五PMOS管的漏极短接后作为输出端连接至所述第一 PMOS管的栅极或第一 PNP管的基极，并与所述电流源的电流流入端连接，所述电流源的电流流出端接地。其中，还包括第三电压比较模块、第二电压转换模块、第三电压维持模块、第三开关单元、USB限流模块、VBUS输入端；所述第三电压比较模块与所述VBUS输入端、所述电池端连接，输出VBUS有效信号至所述逻辑控制模块；所述第三电压维持模块与所述VBUS输入端、所述参考电源端连接，接收由所述逻辑控制模块输出的VBUS选择信号，输出第三电压维持信号至所述第三开关单元；所述第二电压转换模块与所述系统电源端、参考电源端连接，接收由所述逻辑控制模块输出的VBUS选择信号，输出第二电压转换信号至所述第三开关单元；第三开关单元还与所述VBUS输入端、系统电源端连接。本发明的有益效果是:本发明提供的一种开关充电电路和电源管理系统，通过设置充电电压控制模块根据接收的充电使能信号和电池供电判断信号以及电池端的电压信号，输出充电电压误差信号至所述脉冲宽度调制模块，所述脉冲宽度调制模块根据充电使能信号、电池供电判断信号以及所述充电误差信号输出脉冲宽度调制信号，所述开关充电控制逻辑再根据所述脉冲宽度调制信号调整开关功率级的高端功率开关管和低端功率开关管的导通脉宽，进而调节充电电流，实现了根据多路电源输入的情况来调节充电电流，在可以对电池端进行大电流充电时，增大充电电流，解决了单纯的线性充电进行大电流充电而导致芯片发热的问题，且本申请的技术方案单纯的采用硬件，结构明了，实施简单，不会出现由于需要软件、硬件结合而导致的实施复杂的问题。


图1为本发明的开关充电电路的电路结构图；图2为本发明的充电电压控制模块的电路图；图3为本发明的充电电流控制模块的电路图；图4为本发明的脉冲宽度调制模块的电路图；图5为本发明的开关充电控制逻辑模块的电路结构图；图6为本发明的可控计时器的电路图；图7为功率管逻辑控制单元的电路图；图8为本发明的实施例二中的电源管理系统的电路结构图；图9为本发明的第一电压维持模块的电路图；图10为本发明的第一电压转换模块的电路图；图11为本发明的实施例二中的脉冲宽度调制模块的电路图；图12为本发明的实施例三中的电源管理系统的电路结构图13为本发明的第一限流模块的电路图；图14为本发明的第一开关单元以及与之相连的模块的连接关系图；图15为本发明的上拉优先模块的电路图；图16为本发明的实施例四中的电源管理系统的电路结构图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明的一种开关充电电路和电源管理系统进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。实施例一为了描述的方便，将外部电源输入端ACIN标记为ACIN，电池端BAT标记为BAT，系统电源端SYS标记为SYS，参考电源端REF标记为REF。相应地，输入电源端电压信号标记为VAaN,电池端BAT电压信号标记为Vbat,系统电源端SYS电压信号标记为Vsys,参考电源端REF电压信号标记为VKEF。作为一种可实施方式，本发明提供的一种开关充电电路包括系统电源端SYS、电池端BAT、参考电源端REF、充电使能信号端和电池供电判断信号端、开关充电模块。参见图1，所述开关充电模块包括开关充电控制逻辑模块、充电电压控制模块、充电电流控制模块、脉冲宽度控制模块和开关功率级。所述充电电压控制模块与所述充电使能信号端、所述电池供电判断信号端、所述电池端BAT、参考电源端REF连接，输出充电电压误差信号至所述脉冲宽度调制模块。所述充电电流控制模块与所述充电使能信号端、所述电池供电判断信号端、所述参考电源端REF连接，接收所述开关功率级的功率电感反馈的电流信号ISENSE，输出充电电流误差信号至所述脉冲宽度调制模块。所述脉冲宽度控制模块与所述充电使能信号端、所述电池供电判断信号端连接，输出脉冲宽度调制信号至所述开关充电控制逻辑模块，用于将所述充电电压误差信号转换为脉冲宽度调制信号。所述开关功率级与所述开关充电控制逻辑、所述电池端BAT、所述系统电源端SYS连接，包括高端功率开关管、低端功率开关管和功率电感。所述电池端BAT连接有第一电容Cl，第一电容Cl的一端接地。所述开关充电控制逻辑模块与所述充电使能信号端、所述电池供电判断信号端、所述开关功率级、所述脉冲宽度调制模块连接，接收由所述脉冲宽度调制模块输出的脉冲宽度调制信号，并根据所述脉冲宽度调制信号控制所述高端功率开关管和所述低端功率开关管的导通脉宽。参见图2,作为一种可实施方式,所述充电电压控制模块包括第一差分放大器、第一电阻Rl和第二电阻R2。第一电阻Rl的一端与所述电池端BAT连接，另一端与第二电阻R2的一端连接，第一电阻Rl和第二电阻R2的连接点作为第一差分放大器的正端输入CHFB，第二电阻R2的另
一端接地。第一差分放大器的负输入端连接参考电源端REF,输出端输出充电电压误差信号至脉冲宽度调制模块。所述充电使能信号CHGEN和所述电池供电判断信号USEBAT连接至所述第一差分放大器的两个使能端。这样的连接方式使电池电压VBAT经第一电阻Rl和第二电阻R2分压得到正端输入电压CHFB，负输入端连接参考电压VKEF，从而对经过分压的电池电压VBAT和参考电压Vkef进行差分放大。一旦发现VBAT超过VKEF，则充电电压误差信号会上升；如果VBAT小于VKEF，充电电压误差信号会下降。参见图3,作为一种可实施方式,所述充电电流控制模块包括第二差分放大器。所述第二差分放大器的正输入端接入由所述开关功率级的功率电感反馈的电流信号ISENSE，负输入端与所述参考电源端REF连接，输出端输出充电电流误差信号至所述脉冲览度调制t旲块。所述充电使能信号CHGEN和所述电池供电判断信号USEBAT连接至所述第二差分放大器的两个使能端。一旦发现ISENSE超过VKEF，则充电电流误差信号会上升；如果ISENSE小于VKEF，充电电流误差信号会下降。参见图4，作为一种可实施方式，所述脉冲宽度调制模块包括第三差分放大器、第一比较器、叠加单元、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5。 所述叠加单元将所述充电电压误差信号、所述充电电流误差信号叠加。所述第三电阻R3的一端与所述叠加单元的输出端连接，所述第三电阻R3的另一端与所述第三差分放大器的负输入端连接，所述第三差分放大器的正输入端与所述参考电源端REF连接。所述第二电容C2的一端与所述叠加单元的输出端连接，所述第二电容C2的另一端与所述第四电阻R4的一端连接，所述第四电阻R4的另一端与所述第三差分放大器的负输入端连接。所述第五电阻R5的一端与所述第三差分放大器的负输入端连接，所述第五电阻R5的另一端与所述第三电容C3的一端连接，所述第三电容C3的另一端与所述第三差分放大器的输出端连接。所述第四电容C4的一端与所述第三差分放大器的负输入端连接，另一端与所述第三差分放大器的输出端连接。所述第三差分放大器的输出端与所述第一比较器的负输入端连接，所述第一比较器的正输入端输入三角波。所述第一比较器的输出端输出脉冲宽度调制信号。充电电压误差信号、充电电流误差信号被叠加，然后输入到由第三差分放大器与电阻电容组成的补偿放大网络，补偿网路的输出误差信号VEA连接到第一比较器负输入端，第一比较器正输入端连接三角波，第一比较器的输出端输出脉冲宽度调制信号。所述充电使能信号CHGEN和所述电池供电判断信号USEBAT连接至所述第三差分放大器的两个使能端(图4中未示出)。—旦充电电流误差信号、充电电压误差信号中任何一个上升超过Vkef,都将使第三差分放大器的输出的误差信号VEA下降，由于脉宽调制信号占空比等于VEA和三角波幅度
VSAW的比值，即β = =，从而导致脉宽调制信号的占空比下降，使得开关充电电流下降。
作为一种可实施方式，所述开关功率级的高端功率开关管为一 P沟道MOS管，所述低端功率开关管为一 N沟道MOS管。所述P沟道MOS管的栅极和所述N沟道MOS管的栅极与所述开关充电控制逻辑连接。所述P沟道MOS管的源极与所述系统电源端SYS连接，所述P沟道MOS管的漏极与所述N沟道MOS管的漏极连接，所述N沟道MOS管的源极接地。所述P沟道MOS管和所述N沟道MOS管的连接点与所述功率电感的一端连接。所述功率电感的另一端安装有电流检测电路，用以检测流经功率电感的电流并将检测到的电流信号ISENSE传递至所述充电电流控制模块。所述开关充电模块通过调节所述高端功率开关管和低端功率开关管的导通的占空比，控制充电电流和充电目标电压。在电源负载能力小于系统电源端SYS负载需求时，高端P沟道MOS管导通，低端N 沟道MOS管关闭，电池能够通过电感和高端P沟道MOS管组成的电源路径向系统电源供电。参见图5，作为一种可实施方式，所述开关充电控制逻辑模块包括功率管控制逻辑单元、可控计时器和第二比较器或数模转换器(ADC)。开关充电控制逻辑接收脉冲宽度调制信号、充电使能信号CHGEN、电池供电判断信号USEBAT以及时钟频率，控制高端功率开关管和低端功率开关管的导通和关断。所述开关充电控制模块还设置有自适应计时机制，主要由可控计时器与电流检测电路配合完成，可控计时器根据电流检测电路检测到的实际充电电流大小，改变计时器的计时长度，或者改变计时器时钟信号的频率，从而有效避免实际充电电流小于设定充电电流造成充电超时的问题。所述第二比较器或数模转换器与所述参考电源端REF连接、所述充电使能端和所述电流检测电路连接，输出电流数据信号或电流比较信号至所述可控计时器。所述可控计时器与所述充电使能信号端连接，同时接收时钟频率信号和电流数据信号或电流比较信号，输出充电超时信号至所述功率管控制逻辑单元。参见图6，作为一种可实施方式，所述可控计时器包括两个以上分频器和多选一多路选择器和计时器。所述多个分频器的输入端都接收所述时钟频率信号，所述分频器的输出端与所述多选一多路选择器连接，所述两个以上的分频器的分频频率为以分频器个数的倒数作等差的递增数列。即若有η个分频器，则第一分频器的分频系数为1/η，第二分频器的分频系数为2/η，第三分频器的分频系数为3/η……直到(η_1)/η分频、I分频。多选一多路选择器还接收所述电流数据信号ISENSE或所述电流比较信号，输出计时器时钟频率至所述计时器。所述计时器还与所述充电使能端连接。所述可控计时器的工作过程为，多个不同分频系数的分频器将时钟来源转换成不同频率的时钟信号，输出到多选一多路选择器MUX。数模转换器ADC将检测到的充电电流转换成数字信号既充电电流数据，输出到多选一多路选择器，选择对应充电电流的频率，输出计时器时钟频率到计数器。如果充电电流变小，ADC送出的充电电流数据随之变小，充电电流数据控制多选一多路选择器选择更低的计时器频率输出。因此，计时器时钟频率随着充电电流的变化而变化。计时器时钟频率变慢相当于延长了计时器的时间长度。计时器接受计时器时钟频率，一旦充电使能信号CHGEN = 1，计时器开始计时。从而实现了计时器随电流大小变化而动态变化的功能。所述功率管逻辑控制单元接收充电使能信号CHGEN、电池供电判断信号USEBAT和所述脉冲宽度调制信号以及充电超时信号，输出高端功率开关管控制信号至所述高端功率开关管，输出低端功率开关管控制信号至所述低端功率开关管。参见图7，作为一种可实施方式，所述功率管逻辑控制单元由触发器D1，第一与门ANl、第二与门AN2、第三与门AN3，第一或门ORl、第二或门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，第一驱动级B1、第二驱动级B2组成。所述电池供电判断信号USEBAT经过第四反相器14反相后与所述充电使能信号CHGEN以及所述充电超时信号作为所述第一与门ANl的三个输入端信号，第一与门ANl的输出端信号与所述时钟频率信号作为所述第二与门AN2的两个输入端信号，所述第一与门ANl的输出端信号经过第一反相器Il反相后与所述脉冲宽度调制信号作为所述第一或门ORl的两个输入端信号，所述第二与门AN2的输出端信号连接至所述触发器Dl的S端，所述第一或门ORl的输出端信号连接至所述触发器Dl的R端。所述触发器Dl的Q端信号经第三反相器13反相后与所述第二驱动级B2的输出端信号作为所述第二或门0R2的两个输入端信号，所述第二或门0R2的输出端信号连接至所述第一驱动级BI的输入端，所述第一驱动级BI的输出端信号为所述高端功率开关管控制信号，连接至所述高端功率开关管。所述触发器的Q端信号经第二反相器12反相后与所述第一与门ANl的输出端信号以及第一驱动级BI的输出端信号作为所述第三与门AN3的三个输入端信号,所述第三与门AN3的输出端信号连接至所述第二驱动级B2的输入端，所述第二驱动级B2的输出端信号为所述低端功率开关管控制信号，连接至所述低端功率开关管。
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作为一种可实施方式，本实施例中所述触发器Dl为D触发器，本领域技术人员可根据实际情况选用其他类型的触发器。所述功率管逻辑控制单元的工作过程为:当充电使能信号CHGEN为O或者电池供电判断信号USEBAT为I时，第一与门ANl的输出端EN为零。则触发器Dl输出为零，高端功率开关管控制信号为1，高端功率开关管(PM0S管)保持关断；同时，低端功率开关管控制信号为0，低端功率开关管(NM0S管)保持关断。当充电使能信号CHGEN为I同时电池供电判断信号USEBAT为零时，EN为I。时钟信号脉冲将触发器Dl置1，则高端功率开关管控制信号为0，高端功率开关管导通，同时低端功率开关管控制信号为0，低端功率开关管保持关断；一旦脉冲宽度调制信号为1，则第一或门ORl输出为1，触发器Dl输出为零，则高端功率开关管控制信号为1，高端功率开关管关断，低端功率开关管控制信号为1，低端功率开关管导通。其中第二或门0R2作用在于，低端功率开关管控制信号为I时，保持高端功率开关管控制 目号为I，保持闻端功率开关管关断，防止闻端功率开关管和低端功率开关管同时导通，造成系统电源端VSYS通过高端功率开关管和低端功率开关管产生到地的大电流。其中第三与门ΑΝ3的作用在于，高端功率开关管控制信号为O时，保持低端功率开关管控制信号为0，保持低端功率开关管关断，防止高端功率开关管和低端功率开关管同时导通，造成系统电源端VSYS通过高端功率开关管和低端功率开关管产生到地的大电流。
在现有技术中，为了保证锂电池充电安全，锂电池充电器一般都会设定一个充电安全计时器，一旦充电时间到达计时器设定时间，而充电过程尚未结束，充电器就会停止充电，并输出充电异常终止信号，以防止充电意外情况出现，但是由于输入电源驱动能力往往有可能小于充电设置电流，而且即使输入电源驱动能力足够，也可能由于系统耗电与充电电流之和大于输入电源驱动能力，造成实际充电电流偏小，使充电时间拉长，甚至超出计时器的设定时间，造成充电器停止充电，并错误的发出充电异常终止信号。本发明的开关充电模块的数模转换器ADC将检测到的充电电流被转换成数字信号，或者由第二比较器将检测到的充电电流和设定的电流值进行比较，自动改变计时器的长度，或者改变计数器时钟频率，使锂电池的充电超时计时器的长度随充电电流大小而改变，当1k减小到接近零电流时，计时器会保持停止计时。优选地，所述开关充电模块还包括电池过温保护模块和芯片过温保护模块，当芯片温度或者电池温度超出安全工作温度范围时，将自动减小充电电流或者自动停止充电，直到芯片温度或者电池温度回复到安全工作温度范围内。传统的锂电池充电器的充电超时计时器长度固定，而且不会随着充电电流的大小而调整计时长度和计时的时钟频率。由于外部电源供电能力Idkive是固定的，随着系统耗电Isys的变化，Idhve和‘+1 的相对大小发生改变时，Iaffi会随着Isys变化而变化，当Idkive< Isys时，充电电流甚至会减小到零。因此传统的计时器会存在错误超时的危险。因此本发明中的随充电电流改变计时长度的可控计时器，有效避免了因系统耗电导致充电时间拉长带来的计时器错误超时的问题。本发明所提供的一种开关充电电路，不需要软件编程，完全通过硬件实现，有效地解决现有技术中存在的实施复杂的问题，同时解决了采用线性充电方式进行大电流充电而导致的芯片发热、计时器错误超时等问题。实施例二参见图8，作为一种可实施方式，所述电源管理系统包括第一电压比较模块、第二电压比较模块、逻辑控制模块、第一电压维持模块、第二电压维持模块、第一开关单元、第二开关单元、参考电源端REF、外部电源输入端ACIN、系统电源端SYS、电池端BAT，还包括开关充电模块和第一电压转换模块。所述参考电源端REF产生参考电压，作为所述电源管理系统转换和比较的参考电压。所述第一开关单兀与外部电源输入端ACIN、第一电压维持模块、第一电压转换模块和系统电源端SYS连接。包括第一开关管，所述第一开关管为第一 PMOS管或第一 PNP管。所述第一电压比较模块与所述外部电源输入端ACIN和所述参考电源端REF连接，比较外部电源输入端电压Vacin和电池端电压Vbat，输出外部电源有效信号ACINVALID至所述逻辑控制模块。所述第二电压比较模块与所述系统电源端SYS和所述电池端BAT连接，比较系统端电压Vsys与电池端电压Vbat，输出电池供电判断信号USEBAT至所述逻辑控制模块。所述逻辑控制模块连接于所述第一电压比较模块和第二电压比较模块，接收外部电源有效信号ACINVALID和电池供电判断信号USEBAT，并输出充电使能信号CHGEN、电池供电选择信号SELBAT和外部电源供电选择信号SELACIN。
参见图9，作为一种可实施方式，所述第一电压维持模块，连接于参考电源端REF、外部电源输入端ACIN,输出第一电压维持信号至第一开关单兀,包括第六电阻R6、第七电阻R7和第四差分放大器。第四差分放大器的正输入端连接到参考电源。外部电源输入电压ACIN经过第六电阻R6和第七电阻R7的分压后，得到的分压
A⑶IV连接到差分放大器负输入端。因为=所以通过第六电阻R6和第七
Rb~\~ K!
电阻R7的分压比例和参考电源可以设置外部电源输入电压ACIN的维持电压值。差分放大器输出端VO输出第一电压维持信号既第一电压维持模块的输出信号。第一电压维持信号连接到第一 PMOS管的栅极或者第一 PNP管的基极。当外部电源输入电压νΑαΝ下降,导致ACDIV小于Vkef,使第一电压维持信号上升，由于第一 PMOS管的栅极电压上升，因此使第一 PMOS管的电阻增大，使流过第一 PMOS管的电流减小，从而维持ACIN电压在设定值。参见图10,作为一种可实施方式,所述第一电压转换模块连接于外部电源输入端ACIN、参考电源端REF、系统电源端SYS,输出第一电压转换控制信号至所述第一开关单兀。第一电压转换模块包括第八电阻R8、第九电阻R9和第五差分放大器组成。第五差分放大器的负输入端连接到参考电源。系统 电源电压VSYS经过第八电阻R8和第九电阻R9的分压后，得到的分压FB连
接到差分放大器负输入端。因为M，所以通过第八电阻R8和第九电阻R9分压的
RS+ R9
比例和参考电源可以设置VSYS电压。第五差分放大器输出端VO输出第一电压转换信号既第一电压转换模块的输出信号。第一电压转换信号连接到第一 PMOS管的栅极或者第一 PNP管的基极。当系统电源端SYS电压VSYS下降，导致FB小于VREF，使电压转换控制信号下降，由于第一 PMOS管的栅极电压下降，因此使第一 PMOS管的电阻减小；当系统电源端SYS电压VSYS上升，导致FB高于VREF，使第一电压转换信号上升，由于第一 PMOS管的栅极电压上升，因此使第一 PMOS管的电阻增大。第五差分放大器使系统电源端SYS电压VSYS达到动态平衡，使FB等于VREF，从而维持VSYS电压在设定值。所述第二开关单元与电池端BAT、逻辑控制模块以及系统电源端SYS连接，包括第二开关管，所述第二开关管为第二 PMOS管或第二 PNP管。当没有外部电源输入时，第二开关单元导通为系统电源端SYS供电，当有外部电源输入时，第二开关单元关闭。一旦发现外部电源不足以支撑系统耗电，电池供电路径将会导通,和外部电源一起为系统电源端SYS供电。所述第二电压维持模块连接于系统电源端SYS和参考电源端REF，并输出第二电压维持信号到开关充电模块。所述开关充电模块包括开关充电控制逻辑模块、充电电压控制模块、充电电流控制模块、脉冲宽度控制模块和开关功率级，与所述系统电源端SYS、所述参考电源端REF、所述电池端BAT连接，接收由所述逻辑控制模块输出的充电使能信号CHGEN和由所述第二电压比较模块输出的电池供电判断信号USEBAT以及由所述第二电压维持模块输出的第二电压维持信号。本实施例的开关充电模块的内部结构与实施例一相似，不再赘述。参见图10，其中，本实施例与实施例一不同的是，所述第二电压维持信号输出至所述开关充电模块的脉冲宽度调制模块的叠加单元，即作为一种可实施方式，所述充电电压误差信号、所述充电电流误差信号和所述第二电压维持信号一并被所述叠加器叠加。本实施例提供的电源管理系统的具体工作过程为:第一电压比较模块比较Vahn和Vbat的高低，当Vacin高于Vbat —定值时，输出外部电源有效信号ACINVALID到逻辑控制模块。当有外部电源输入而且电池端BAT连上电池时，由于一般的外部输入电源要具备给电池充电的能力，必须满足外部输入电源电压高于电池端BAT电压。当输入电源端电压信号Vacin和电池端BAT电压信号Vbat满足关系Vahn彡Vbat+Λ VI，其中AVl代表一个直流电压信号的差值，此处对直流电压信号的差值不做特别的限定，仅表示输入电源端电压信号和电池端BAT电压信号存在一个差值，直流电压信号的差值可以取值例如0.2V。当Vahn彡Vbat+Λ Vl关系满足时，第一电压比较模块输出信号ACINVALID = I，否则输出信号ACINVALID = O。第二电压比较模块比较Vbat和Vsys电压的高低，输出电池供电信号(USEBAT)至Ij逻辑控制模块。当电池端BAT电压信号Vbat和系统电源端SYS电压信号Vsys满足关系Vbat ^ VSYS+AV2，其中AV2代表一个直流电压信号的差值，此处对直流电压信号的差值不做特别的限定，仅表示电池端BAT电压信号和系统电源端SYS电压信号存在一个差值，直流电压信号的差值可以取值例如0.04V。当Vbat彡Vsys+AV2关系满足时，第二电压比较模块输出信号USEBAT = 1，否则输出信号USEBAT = O。当Vbat彡Vsys+AV2时，表明外部电源供电能力不足以提供系统耗电，需要电池辅助供电通路导通。此时，开关充电模块接收电池辅助供电信号使开关充电模块中的高端MOS导通,低端MOS管关闭，关闭开关充电功能，同时使高端MOS和电感组成辅助供电通路，该通路将会从电池向系统电源端SYS供电。逻辑控制模块接收电池供电判断信号USEBAT和外部电源有效信号ACINVALID，输出外部电源供电选择信号SELACIN、电池供电选择信号SELBAT和充电使能信号CHGEN。按照接收的外部电源有效信号ACINVALID和电池供电判断信号USEBAT状态不同，分为三种情况:⑴当ACINVALID = O时，不管`USEBAT为何状态，输出都是SELBAT = 1，CHGEN = O ； (2)当 ACINVALID = I，USEBAT = O 时，输出为 SELBAT = O，CHGEN = I ; (3)当 ACINVALID = 1，USEBAT = I 时，输出为 SELBAT = 1，CHGEN = O。所述第一开关单元为一 PMOS管或PNP管。第一电压维持模块接收外部电源供电选择信号SELACIN，当外部电源供电选择信号SELACIN为高时，对外部电源输入电压VAaN和Veef的差值放大，输出第一电压维持信号到第一 PMOS管的栅极或者第一 PNP管的基极，改变PMOS或者PNP管的电阻，将Vahn维持在设定电压。当接收的Vahn下降时，引起第一电压维持信号上升，PMOS栅极电压上升，使PMOS管的导通电阻变大，PMOS管导通电阻上升使得流过PMOS管漏极的电流下降，即通过PMOS管从ACIN流向VSYS的电流下降，从而阻碍Vacin电压信号下降。当电压信号下降至与参考电压信号Vkef相等时，输入电压信号维持信号和PMOS形成的闭环反馈环路达到动态平衡，从而维持VAaN在设定值。第一电源转换模块接收外部电源供电选择信号SELACIN，当外部电源供电选择信号SELACIN为高时，将Vsys和Vkef的差值放大，输出电压转换控制信号到第一 PMOS管栅极和第一 PNP管基极，调节PMOS或者PNP的电阻，将Vsys维持在设定值保证系统供电。当接收Vsys的下降时，引起电压转换控制信号下降，使第一 PMOS管的电阻下降，增大漏极电流，从而阻碍Vsys电压下降。同理,第二电压维持模块将Vsys和Vkef的差值放大,输出第二电压维持信号到开关充电模块，当Vsys下降到设定的保证系统安全工作所需设定的安全工作电压Vsys ■后，第二电压维持信号将会下降。开关充电模块的脉冲宽度调制模块接收到下降的第二电压维持信号之后，将充电的占空比减小，减小充电电流，从而维持Vsys到设定的安全工作电压Vsys SAFE，保证系统的正常工作。所述开关充电模块受充电信号CHGEN控制，经过涓流充电、恒流充电、恒压充电等过程，将电池充满，然后停止充电，等待系统满足再次充电的条件。当接收的充电使能信号CHGENCHGEN = 0，充电控制模块关闭充电过程；当接收的充电使能信号CHGENCHGEN = 1，充电控制模块开始充电过程。本实施例提供的电源管理系统，当有外部电源输入时，开始工作，如果外部输入电源的电流驱动能力Idkive小于系统消耗电流Isys和电池的充电电流Iaffi之和，即:IDKIVE< IsyJIqk,会导致系统电源端SYS电压Vsys下降。上述的电源管理系统将会根据不同的应用情况自动平衡充电和放电电流，保证系统正常工作，其具体过程描述如下。如果电池端BAT电压Vbat大于系统安全工作电压Vsys safe，则随着Vsys的下降，Vsys会先下降至接近Vbat，由于开关充电模块的高端功率开关管存在导通电阻，所以经高端功率开关管流向电池端BAT的充电电流会随着系统电源端SYS电压Vsys的下降而自动减小，当Vsys下降至等于Vbat，充电电流信号ISENSE减小为零。如果此时仍然存在Idkive < IsyJIqk,则Vsys还会继续下降至比Vbat还低。此时第二电压比较模块则输出信号USEBAT = I ;逻辑控制模块根据ACINVALID =I，USEBAT = I输出信号CHGEN = 0，SELBAT = I，逻辑控制模块此时将使第二开关单元(第二 PMOS管)导通，使电池向系统电源端SYS补充供电。同时开关充电控制模块接收的信号为CHGEN = O而关闭充电过程，同时将开关充电功率级的高端功率开关管导通，并关断低端功率开关管，从而使开关功率级和功率电感组成的辅助供电通路导通。此时第二 PMOS管和开关充电辅助供电通路同时导通，一起组成电池向系统供电的通路，这样减小供电通路的电阻，提高系统电源转换的效率。所以此时输入电源端电压Vacin和电池端BAT电压Vbat供电路径同时导通，向系统电源端SYS电压Vsys配合供电，确保了系统不会因为外部输入电源电流驱动能力不足而导致的系统电源端SYS电压不足使系统不能正常工作。如果电池端BAT电压信号Vbat小于系统安全工作电压Vsys safe,则随着系统电源端SYS电压信号Vsys的下降，Vsys会先下降至接近Vsys safe。此时第二电压维持模块系统对电源端电压和参考电源端REF电压的差值放大,输出第二电压维持信号至开关充电模块,开关充电模块接收到下降的第二电压维持信号后，降低开关充电的导通脉宽，降低充电电流。当Vsys下降至VsysSAFE，充电电流减小为零，如果此时Idkive < Isys+Ichg仍然满足，则Vsys还会继续下降，直到比电池端BAT电压信号Vbat还低。此时第二电压比较模块则输出信号 USEBAT = I ;逻辑控制模块根据 ACINVALID = I,USEBAT = I 输出信号 CHGEN = O, SELBAT=1，同时使第二 PMOS管导通。而开关充电模块接收到CHGEN = O后，将关闭充电过程，使高端功率开关管常通，并关断 低端功率开关管，使系统电源端SYSSYS与电池端BATBAT间的辅助供电路径导通。此时系统电源端SYS电压信号Vsys的来源既是输入电源端电压信号Vacin,又是电池端BAT电压信号VBAT。本发明提出的电源管理系统能够根据系统耗电和外部电源供电能力，动态管理充电电流和系统供电路径，满足系统安全稳定的运行。其中，外部电源供电优先级高于电池供电优先级，当有外部电源插入时，优先使用外部电源供电；系统供电优先级高于电池充电优先级，外部电源的供电电流优先满足系统用电需求，剩余供电能力用于电池充电，当系统耗电电流变化时，根据系统耗电和外部电源供电能力动态调整充电电流的大小；当外部电源不足以支撑系统耗电时，启动电池供电路径为系统供电，此时外部电源不足部分由电池提供。本实施例的电源管理系统在同时具有多个输入来源情况下，优先使用外部电源为系统供电，在优先保证系统供电的前提下，将满足系统用电后的剩余的外部电源电流用于给电池充电，根据外部电源负载能力和系统用电情况动态分配充电电流大小，能够防止出现外部输入电源不足以同时给系统供电和给电池充电时，而导致的系统无法正常工作的问题，同时还解决了计时器错误超时以及线性充电电流小、效率低的问题。实施例三参见图12所示，作为一种可实施方式，本发明的电源管理系统包括第一电压比较模块、第二电压比较模块、逻辑控制模块、第一电压维持模块、第二电压维持模块、第一开关单元、第二开关单元、参考电源端REF、外部电源输入端ACIN、系统电源端SYS、电池端BAT、开关充电模块和第一电压转换模块，还包括线性充电模块、第一限流模块和第二限流模块。所述线性充电模块与所述电池端BAT、所述参考电源端REF和所述第二开关单元连接。线性充电模块连接于第二开关单元，控制充电电流和充电电压。在本电源管理系统中，线性充电模块和开关充电模块配合工作。首先充电电路启用开关充电电路，同时监测电流大小，当电池接近充满时，充电电流将会减小，当充电电流小于预先设定值时，首先关闭开关充电电路，然后启动线性充电电路为电池充电。线性充电模块工作时，对系统电源电压没有干扰，但是效率较低，芯片内的电能损耗很高，这些电能损耗将会转换成热量，导致在大电流充电时，使得芯片发热严重。开关充电模块充电效率高，芯片内的电能损耗小，但是由于频换开关，会对系统电源电压造成干扰。因此本发明采用的技术方案为检测到充电电流很小时，系统将自动关闭开关充电模块，打开线性充电模块给电池充电，由于充电电流小，因此芯片发热不大，同时也避免了开关充电对系统电源电压的干扰；当检测到充电电流变大时，自动关闭线性充电模块，打开开关充电模块给电池充电，利用开关充电高效率和大电流充电的能力，能避免芯片发热，同时使电池快速充满电。参见图13，作为一种可实施方式，所述第一限流模块接收外部电源供电选择信号SELACIN和由所述外部电源输入端ACIN反馈的电流信号ISENSE，输出第一限流信号至所述第一开关单元。第一限流模块包括第六差分放大器。在本实施例中，在外部电源输入端ACIN设有电流检测电路，所述电流检测电路将检测到的电流信号ISENSE连接到第六差分放大器的正输入端，第六差分放大器的负输入端连接参考电源端REF，第六差分放大器的输出端VO输出第一限流控制信号。第一限流控制信号传递至所述第一PMOS管的栅极或者第一PNP管的基极。到当检测到电流信号ISENSE超过参考电源端电压VREF后，第一限流控制信号上升，使第一 PMOS管或者第一 PNP管的电阻增大，使流过第一 PMOS管漏极或者第一 PNP管的集电极的电流减小。所述第二限流模块与所述电池端BAT和第二开关单元连接，接收由所述电池端BAT反馈的电流信号ISENSE。包括第七差分放大器。所述电池端BAT也设有一电流检测电路，所述电流检测电路将检测到的电流信号ISENSE传递至第七差分放大器的正输入端，第七差分放大器的负输入端与所述参考电源端REF连接，输出端VO输出第二限流信号至第二PMOS管的栅极或第二 PNP管的基极。参见图14和图15,作为一种可实施方式,本实施例的第一开关单兀包括第一开关管和第一上拉优先模块，所述第一开关管为第一 PMOS管或第一 PNP管。第一电压维持模块、第一电压转换模块和第一限流模块的输出信号采用上拉优先的方式叠加之后，连接至第一PMOS栅极或者第一 PNP管的基极。外部电源输入电压ACIN下降到ACIN维持电压、VSYS超过设定值以及第一 PMOS管漏极电流超过设定值这三种情况中任何一种出现，都会导致第一 PMOS管的栅极电压被拉高，增大第一 PMOS管的电阻，防止这三种意外情况发生。参见图15，作为一种可实施方式，所述第一上拉优先模块包括第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管和一个电流流向指向地(图示方向为向下)的电流源组成。A、B、C为所述上拉优先模块的三个输入端，VO为输出端。当A点信号下降时，则A点连接的PMOS管的电阻下降，一旦该PMOS管电阻上拉电流能力超过电流源的电流时，就会使VO上升。因此A、B、C任何一个信号下降，导致对应的PMOS管的上拉电流超过向下电流源的电流时，都将导致VO上升。作为一种可实施方式，所述第二开关单元包括第二开关管和第二上拉优先模块，所述第二开关管为第二 PMOS管或第二 PNP管，所述第二上拉优先模块的结构参照第一上拉优先模块，第二上拉优先模块的PMOS管的个数设置取决于输入信号的个数，本领域技术人员可根据本申请的技术构思灵活改动，此处不作进一步限定。本系统通过设置第一限流模块为外部电源ACIN供电路径提供了限流功能，同时设置第二限流模块为电池端BAT的供电路径提供了限流功能。当检测到流过供电路径的电流超过了限流设定值时，第一限流模块或第二限流模块将Ismse与参考信号的差值放大，输出限流控制信号到供电路径PMOS管的栅极，增大PMOS管的电阻，使电流被限制在安全设定电流。由于供电路径PMOS的电阻增大，将会导致Vsys下降，当Vsys下降到系统关机电压Vsyscw后，系统将会关闭供电路径，直到短路条件被取消之后，供电路径才能够打开，从而有效防止芯片被短路时烧毁。由于在应用中经常出现输出被短路到地的错误用法，因此两条供电路径都具有限流功能是系统在错误短路时的一个有效和必备的安全措施，可以防止系统在短路时电流能够被限制在安全范围内，保证系统不会被烧毁。实施例四参见图16，由于在电子设备中通常具有适配器输入口和USB接口两个外部电源输入来源。因此本实施例提供了同时具有外部适配器输入口和USB接口的解决方案。作为一种可实施方式，本发明提供的电源管理系统还包括第三电压比较模块、第二电压转换模块、第三电压维持模块、USB限流模块、VBUS输入端和第三开关单元。所述第三电压比较模块与所述第一电压比较模块的工作原理类似，与所述VBUS输入端、所述电池端BAT连接，输出VBUS有效信号VBUSVALID至所述逻辑控制模块。所述第三电压维持模块与所述第一电压维持模块的工作原理类似，与所述VBUS输入端、所述参考电源端REF连接，接收由所述逻辑控制模块输出的VBUS选择信号，输出第三电压维持信号至所述第三开关单元。所述第二电压转换模块与所述第一电压转换模块的工作原理类似，与系统电源端SYS、参考电源端REF连接，接收由所述逻辑控制模块输出的VBUS选择信号，输出第二电压转换信号至所述第三开关单元。所述第三开关单元与第一开关单元的工作原理类似，包括第三PMOS管，与所述VBUS输入端、系统电源端SYS连接。本实施例的电源管理系统的第一电压比较模块、第二电压比较模块、逻辑控制模块、第一电压维持模块、第二电压维持模块、第一开关单元、第二开关单元、参考电源端REF、外部电源输入端ACIN、系统电源端SYS、电池端BAT、开关充电模块和第一电压转换,这些组成模块的连接关系以及工作过程参照前述实施例，不在赘述。下面详细说明USB接口有关模块的工作过程。第三电压比较模块将Vvbus和Vbat比较，输出Vvbus电源有效信号VBUSVALID。第二电压转换模块将Vsys和Vkef的差值放大，输出电压转换控制信号到VBUS路径PMOS管(第三PMOS管)的栅极，使VBUS转换到VSYS。在USB连接时，必须保证Vvbus高于安全连接电压Vvbushold 一旦因为系统耗电导致Vvbus下降到Vvbusikm以下，将会导致USB掉线。因此第三电压维持模块检测Vvbus,当Vvbus下降到USB连线安全电压VVBUSH_，将输出第三电压维持模块到VBUS路径PMOS管栅极，增大PMOS管的电阻，减小VBUS到SYS端的电流，使Vvbus维持在Vvbushold不会继续下降，从而保i正USB不会掉线。当同时具有ACIN输入和VBUS输入时，优先使用ACIN耗电，保证系统不会从VBUS抽电，导致VBUS连接出现异常。`如果一旦发现ACIN不足以支持系统耗电导致Vsys下降到Vsys safe，VBUS供电通路将会启动，此时ACIN和VBUS共同为系统供电，保证系统正常工作。如果IAaN+I_s < IsysjVsys将会下降到小于VBAT，一旦Vbat彡Vsys+ Δ V2条件满足，系统将会使电池供电路径PMOS管导通，并打开开关充电的辅助供电通路，此时供电电流由ACIN、VBUS和BAT三方共同提供，保证系统正常工作，同时还能保证USB的正常连接。因此，本发明为USB的正常连接提供了两重安全保护。本实施方式公开的技术方案，为了能够保证系统稳定工作，同时能够实现对锂离子电池的安全充电，在具有锂电池供电，同时又有两路外部电源输入时，对三种供电电源划分了使用优先级并对三种供电电源的各自充电、工作过程做了合理的调控。在有外部电源的情况下，优先使用外部电源为系统供电，同时系统供电的优先级也高于充电的优先级。在优先保证系统供电的前提下，将满足系统用电后的剩余的外部电源电流用于给电池充电，因此电源管理系统需要根据外部电源负载能力和系统用电情况动态分配充电电流大小。同时在有交流适配器和USB接口外部电源输入时，交流适配器供电优先级高于USB电源，因为USB电源如果被负载电流拉低，会导致USB连线失败。因此在同时具有交流适配器和USB电源输入时，优先从交流适配器供电，保证USB电源电压正常，使USB连线不会发生异常；如果交流适配器不足以供给系统耗电时，则会启用USB电源，此时交流适配器和USB电源同时向系统供电，保证系统正常工作；如果交流适配器和USB同时供电也不足以满足系统耗电需求，就启动电池供电，此时系统将由交流适配器、USB以及电池三路电源同时向系统供电，不但可以满足系统工作的耗电需求，还能保证USB电源电压不会因系统耗电拉低，保证USB连线正常。本发明提供的电源管理系统，实现锂电池大电流高效率的安全充电，并且根据电子设备外部输入电源的情况和负载情况自动选择供电电源路径，并且在充电和供电之间自动平衡，实现电能的自动分配，保证系统正常工作。同时开关充电模块还具有和实际充电电流自动适应的计时器，避免实际充电电流偏小造成的充电超时的问题。最后应当说明的是，很显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。
权利要求
1.一种开关充电电路，包括系统电源端、电池端、参考电源端、充电使能信号端和电池供电判断信号端，其特征在于，还包括开关充电模块，所述开关充电模块包括开关充电控制逻辑模块、充电电压控制模块、充电电流控制模块、脉冲宽度控制模块和开关功率级； 所述开关充电控制逻辑模块、所述充电电压控制模块、所述脉冲宽度控制模块均与所述充电使能信号端、所述电池供电判断信号端连接； 所述充电电压控制模块还与所述电池端、参考电源端连接，输出充电电压误差信号至所述脉冲宽度调制模块； 所述脉冲宽度调制模块输 出脉冲宽度调制信号至所述开关充电控制逻辑模块，用于将所述充电电压误差信号转换为脉冲宽度调制信号； 所述开关功率级还与所述电池端、所述系统电源端连接，包括高端功率开关管、低端功率开关管和功率电感，所述高端功率开关管和所述低端功率开关管的导通脉宽决定充电电流的大小； 所述充电电流控制模块与所述充电使能信号端、所述电池供电判断信号端、所述参考电源端连接，接收所述开关功率级的功率电感反馈的电流信号，输出充电电流误差信号至所述脉冲宽度调制模块； 所述开关充电控制逻辑模块还与所述开关功率级连接，用于根据所述脉冲宽度调制信号控制所述高端功率开关管和所述低端功率开关管的导通脉宽，进而调节充电电流。
2.根据权利要求1所述的开关充电电路，其特征在于，所述充电电压控制模块包括第一差分放大器、第一电阻和第二电阻； 所述第一电阻的一端与所述电池端连接，所述第一电阻的另一端和所述第二电阻的一端连接，所述第二电阻的另一端接地； 所述第一电阻和所述第二电阻之间的连接点与所述第一差分放大器的正输入端连接; 所述第一差分放大器的负输入端与所述参考电源端连接； 所述第一差分放大器的输出端输出充电电压误差信号。
3.根据权利要求1所述的开关充电电路，其特征在于，所述充电电流控制模块包括第二差分放大器； 所述第二差分放大器的正输入端接入由所述开关功率级的功率电感反馈的电流信号，所述第二差分放大器的负输入端与所述参考电源连接，所述第二差分放大的输出端输出充电电流误差号。
4.根据权利要求1所述的开关充电电路，其特征在于，所述脉冲宽度调制模块包括第三差分放大器、第一比较器、叠加单元、第二电容、第三电容、第四电容、第三电阻、第四电阻和第五电阻； 所述叠加单元将所述充电电压误差信号、所述充电电流误差信号叠加； 所述第三电阻的一端与所述叠加单元的输出端连接，所述第三电阻的另一端与所述第三差分放大器的负输入端连接，所述第三差分放大器的正输入端与所述参考电源端连接；所述第二电容的一端与所述叠加单元的输出端连接，所述第二电容的另一端与所述第四电阻的一端连接，所述第四电阻的另一端与所述第三差分放大器的负输入端连接； 所述第五电阻的一端与所述第三差分放大器的负输入端连接，所述第五电阻的另一端与所述第三电容的一端连接，所述第三电容的另一端与所述第三差分放大器的输出端连接； 所述第四电容的一端与所述第三差分放大器的负输入端连接，另一端与所述第三差分放大器的输出端连接； 所述第三差分放大器的输出端与所述第一比较器的负输入端连接，所述第一比较器的正输入端输入三角波； 所述第一比较器的输出端输出脉冲宽度调制信号。
5.根据权利要求1所述的开关充电电路，其特征在于，所述开关充电控制逻辑模块包括功率管控制逻辑单元、可控计时器和第二比较器或数模转换器； 所述第二比较器或数模转换器与所述参考电源端连接、所述充电使能端和所述开关功率级的功率电感连接，输出电流数据信号或电流比较信号至所述可控计时器； 所述可控计时器与所述充电使能信号端连接，同时接收时钟频率信号和电流数据信号或电流比较信号，输出充电超时信号至所述功率管控制逻辑单元； 所述功率管逻辑控制单元接收充电使能信号、电池供电判断信号、所述脉冲宽度调制信号和所述充电超时信号，输出高端功率开关管控制信号至所述高端功率开关管，输出低端功率开关管控制信号至所述低端功率开关管。
6.根据权利要求5所述的开关充电电路，其特征在于，所述功率管控制逻辑单元包括触发器、第一与门、第二与门、第三与门、第一或门、第二或门、第一反相器、第二反相器、第三反相器、第四反相器、第一驱动级、第二驱动级； 所述电池供电判断信号经过第四反相器反相后与所述充电使能信号以及所述充电超时信号作为所述第一与门的三个输入端信号，第一与门的输出端信号与时钟频率信号作为所述第二与门的两个输入端信号，所述第一与门的输出端信号经过第一反相器反相后与所述脉冲宽度调制信号作为所述第一或门的两个输入端信号，所述第二与门的输出端信号连接至所述触发器的S端，所述第一或门的输出端信号连接至所述触发器的R端； 所述触发器的Q端信号经第三反相器反相后与所述第二驱动级的输出端信号作为所述第二或门的两个输入端信号，所述第二或门的输出端信号连接至所述第一驱动级的输入端，所述第一驱动级的输出端信号为所述高端功率开关管控制信号，连接至所述高端功率开关管； 所述触发器的Q端信号经第二反相器反相后与所述第一与门的输出端信号以及第一驱动级的输出端信号作为所述第三与门的三个输入端信号，所述第三与门的输出端信号连接至所述第二驱动级的输入端，所述第二驱动级的输出端信号为所述低端功率开关管控制信号，连接至所述低端功率开关管。
7.根据权利要求5所述的开关充电电路，其特征在于，所述可控计时器包括两个以上分频器和多选一多路选择器和计时器； 所述两个以上的分频器的输入端都接收所述时钟频率信号，所述分频器的输出端与所述多选一多路选择器连接，所述两个以上的分频器的分频系数为以分频器个数的倒数作等差的递增数列； 多选一多路选择器还接收所述电流数据信号或所述电流比较信号，输出计时器时钟频率至所述计时器；所述计时器还与所述充电使能端连接。
8.根据权利要求1所述的开关充电电路，其特征在于，所述高端功率开关管为一P沟道MOS管，所述低端功率开关管为一 N沟道MOS管； 所述P沟道MOS管的栅极和所述N沟道MOS管的栅极与所述开关充电控制逻辑连接； 所述P沟道MOS管的源极与所述系统电源端连接，所述P沟道MOS管的漏极与所述N沟道MOS管的漏极连接，所述N沟道MOS管的源极接地； 所述P沟道MOS管和所述N沟道MOS管的连接点与所述功率电感的一端连接，功率电感的另一端与所述电池端连接。
9.一种电源管理系统，包括第一电压比较模块、第二电压比较模块、逻辑控制模块、第一电压维持模块、第二电压维持模块、第一开关单元、第二开关单元、参考电源端、外部电源输入端、系统电源端、电池端，其特征在于，还包括如权利要求1所述的开关充电模块和第一电压转换模块； 所述开关充电模块与所述系统电源端、所述参考电源端、所述电池端连接，接收由所述逻辑控制模块输出的充电使能信号和由所述第二电压比较模块输出的电池供电判断信号以及由所述第二电压维持模块输出的第二电压维持信号； 所述第一电压转换模块与所述系统电源端和所述参考电源端连接，接收由所述逻辑控制模块输出的外部电源供电选择信号，输出端与所述第一开关单元连接。
10.根据权利要求9所述的电源管理系统，其特征在于，还包括线性充电模块，所述线性充电模块与所述电池端、所述参考电源端和所述第二开关单元连接。
11.根据权利要求9所述的电源管理系统，其特征在于，还包括第一限流模块； 所述第一限流模块包括第六差分放大器，所述第六差分放大器的正输入端接入由所述外部电源输入端反馈的电流信号，负输入端与所述参考电源端连接，输出端与所述第一开关单元连接。
12.根据权利要求9所述的电源管理系统，其特征在于，还包括第二限流模块，所述第二限流模块包括第七差分放大器，所述第七差分放大器的正输入端接入由所述电池端反馈的电流信号，负输入端与所述参考电源端连接，输出端与所述第二开关单元连接。
13.根据权利要求11所述的电源管理系统，其特征在于，所述第一开关单元包括第一开关管和第一上拉优先模块； 所述第一开关管为第一 PMOS管或第一 PNP管； 所述第一上拉优先模块包括第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管和一个指向地的电流源； 所述第一电压维持模块的输出端、所述第一电压转换模块的输出端和第一限流模块的输出端分别与所述第三PMOS管的栅极、第四PMOS管的栅极和第五PMOS管的栅极连接； 所述第三PMOS管的漏极、第四PMOS管的漏极和第五PMOS管的漏极短接后作为输出端连接至所述第一 PMOS管的栅极或第一 PNP管的基极，并与所述电流源的电流流入端连接，所述电流源的电流流出端接地。
14.根据权利要求9所述的电源管理系统，其特征在于，还包括第三电压比较模块、第二电压转换模块、第三电压维持模块、第三开关单元、USB限流模块、VBUS输入端； 所述第三电压比较模块与所述VBUS输入端、所述电池端连接，输出VBUS有效信号至所述逻辑控制模块； 所述第三电压维持模块与所述VBUS输入端、所述参考电源端连接，接收由所述逻辑控制模块输出的VBUS选择信号，输出第三电压维持信号至所述第三开关单元； 所述第二电压转换模块与所述系统电源端、参考电源端连接，接收由所述逻辑控制模块输出的VBUS选择信号，输出第二电压转换信号至所述第三开关单元； 第三开关单元还与所述VBUS输入端、系统电源端连接。
全文摘要
本发明公开一种开关充电电路和电源管理系统，所述开关充电电路包括系统电源端、电池端、参考电源端、充电使能信号端、电池供电判断信号端和开关充电模块，所述开关充电模块包括开关充电控制逻辑模块、充电电压控制模块、充电电流控制模块、脉冲宽度控制模块和开关功率级。所述电源管理系统，包括第一电压比较模块、第二电压比较模块、逻辑控制模块、第一电压维持模块、第二电压维持模块、第一开关单元、第二开关单元、参考电源端、外部电源输入端、系统电源端、电池端和开关充电模块以及第一电压转换模块。本发明所公开的一种开关充电电路和电源管理系统实施简单，充电效率高。
文档编号H02J7/00GK103107562SQ20111035316
公开日2013年5月15日 申请日期2011年11月9日 优先权日2011年11月9日
发明者邓琴 申请人:珠海全志科技股份有限公司