一种电池充电电路、及其控制电路和控制方法与流程

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、及其控制电路和控制方法。

背景技术：

随着电子技术的发展，计算机系统在人们的日常生活中得到了的越来越广泛的应用，小至手持电子设备，如智能手机、平板电脑、电子书、数码相机，大至用于特定场合的电子设备，例如服务器、基站，以及其它消费类电子，如笔记本电脑、台式电脑、上网本等，均需要计算机系统。在计算机系统中，中央处理器(CPU)用于解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据，电压调节器用来给中央处理器提供供电电压。在没有外部电源供电时，需要电池提供电能，从而电池充电电路也广泛的应用于计算机系统中。

随着用户体验的提升，中央处理器在一些情况下需要提高运行性能，例如增大运行频率。然而，中央处理器提高运行性能的同时所需的功率也大幅度增加，因此需要合理的设计电池充电电路以满足瞬时大功率需求的同时，保证计算机系统的稳定性。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供一种电池充电电路及其控制电路和控制方法。

根据本发明的实施例，提出了一种电池充电电路的控制电路，所述电池充电电路包括具有至少一个开关管及耦接至所述至少一个开关管的电感的开关电路，所述开关电路的输入端具有输入电流，所述开关电路的输出端提供系统电压，并以充电电流对电池充电，所述控制电路包括：充电电流控制环路，接收代表了充电电流的充电电流反馈信号和充电电流参考信号，并根据充电电流反馈信号和充电电流参考信号之间的差值产生补偿信号；限幅电路，耦接至充电电流控制环路以接收补偿信号，并根据补偿信号和最大输入电流参考值提供电感电流参考信号，所述最大输入电流参考值代表了开关电路的最大输入电流，其中限幅电路根据最大输入电流参考值限制补偿信号的幅值，并将经过限幅的补偿信号作为电感电流参考信号；电感电流控制环路，接收代表了电感电流的电感电流反馈信号和电感电流参考信号，并根据电感电流反馈信号和电感电流参考信号的比较结果提供第一环路控制信号；系统电压控制环路，接收代表了系统电压的系统电压反馈信号和系统电压参考信号，并根据系统电压反馈信号和系统电压参考信号的比较结果提供第二环路控制信号；以及开关控制电路，接收第一环路控制信号和第二环路控制信号，并根据第一环路控制信号和第二环路控制信号产生第一控制信号以控制开关电路中所述至少一个开关管。

根据本发明的实施例，还提出了一种电池充电电路，包括：开关电路，包括具有输入电流的输入端、耦接至电池的输出端、至少一个开关管、以及耦接至所述至少一个开关管的电感，当开关电路的输入端连接外部电源时，开关电路在其输出端提供系统电压，并以充电电流对电池充电；以及如上所述的控制电路。

根据本发明的实施例，还提出了一种电池充电电路的控制方法，所述电池充电电路包括具有至少一个开关管及耦接至所述至少一个开关管的电感的开关电路，所述开关电路的输入端具有输入电流，所述开关电路的输出端提供系统电压，并以充电电流对电池充电，所述控制方法包括：根据充电电流参考信号和代表了充电电流的充电电流反馈信号之间的差值得到补偿信号；根据最大输入电流参考值计算得到最大电感电流参考值，所述最大输入电流参考值代表了开关电路的最大输入电流；当补偿信号大于最大电感电流参考值时，提供电感电流参考信号等于最大电感电流参考值；当补偿信号不大于最大电感电流参考值时，提供电感电流参考信号等于补偿信号；根据电感电流参考信号和代表了电感电流的电感电流反馈信号的比较结果，得到第一环路控制信号；根据系统电压参考信号和代表了系统电压的系统电压反馈信号的比较结果，得到第二环路控制信号；以及根据第一环路控制信号和第二环路控制信号产生控制信号以控制开关电路中所述至少一个开关管。

根据本发明实施例提供的电池充电电路、及其控制电路和控制方法，具有较快的响应速度，并且保证了系统的稳定性。

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示出了根据本发明一实施例的电子设备100的电路框图；

图2示出了根据本发明一实施例的控制电路14a的电路框图；

图3示出了根据本发明另一实施例的控制电路14b的电路框图；

图4a～4c示出了根据发明一实施例的图1所示开关电路11的电路图；

图5示出了根据本发明一实施例的图2所示控制电路14a的电路图；

图6示出了根据本发明一实施例的图5所示控制电路14a从控制充电电流恒定切换至控制系统电压恒定的波形图；

图7示出了根据本发明一实施例的图5所示控制电路14a从控制系统电压恒定切换至控制输入电流恒定的波形图；

图8示出了根据本发明一实施例的用于控制图1所示电池充电电路的控制方法流程图800。

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。

针对背景技术中提出的问题，本发明的实施例提出了一种电池充电电路、及其控制电路和控制方法。控制电路包括系统电压控制环路、充电电流控制环路、以及电感电流控制环路，控制电路根据最大输入电流参考值限制充电电流控制环路输出的补偿信号的幅值，并将经过限幅后的补偿信号作为电感电流参考信号，从而可以具有较快的响应速度的同时，保证了系统的稳定性。

图1示出了根据本发明一实施例的电子设备100的电路框图。电子设备100包括由开关电路11、开关管16、及控制电路14组成的电池充电电路、电压调节器(VR)12、以及处理器13，其中处理器13包括中央处理器(CPU)、图形处理器(GPU)、或专用集成电路(ASIC)等。在一个实施例中，电子设备100是计算机平台的一部分，电池充电电路、电池15、及电压调节器12为计算机平台提供供电电源。电池充电电路和/或电池15为计算机平台提供系统电压Vsys，电压调节器12将系统电压Vsys转换为对处理器13供电的处理器电压Vcore。开关电路11具有接收输入电压Vin的输入端和提供系统电压Vsys的输出端，其输入端具有输入电流Iin。当开关电路11与外部电源断开时，输入电压Vin为零，电池15通过开关16提供系统电压Vsys；当开关电路11连接外部电源时，例如通过适配器耦接外部交流电压源或外部直流电压源，外部电源通过开关电路11提供系统电压Vsys，并通过开关16以充电电流Ibat对电池15充电。开关电路11包括至少一个开关管及耦接至所述至少一个开关管的电感。控制电路14接收电池充电电路的多个反馈信号，并根据电池充电电路的多个反馈信号产生至少一个控制信号Ctrl以控制开关电路11，例如控制开关电路11中所述至少一个开关管的导通及关断，其中电池充电电路的多个反馈信号例如包括：代表了电感电流IL的电感电流反馈信号ILfb、代表了系统电压Vsys的系统电压反馈信号Vsysfb、代表了充电电流Ibat的充电电流反馈信号Ibatfb、和/或代表了输入电流Iin的输入电流反馈信号Iinfb。

图2示出了根据本发明一实施例的控制电路14a的电路框图。在图2所示的实施例中，控制电路14a包括充电电流控制环路21、限幅电路22、电感电流控制环路23、系统电压控制环路24、以及开关控制电路25。充电电流控制环路21接收充电电流反馈信号Ibatfb和充电电流参考信号RefIbt，并根据充电电流反馈信号Ibatfb和充电电流参考信号RefIbt之间的差值产生补偿信号EAO。限幅电路22耦接至充电电流控制环路21以接收补偿信号EAO，并根据补偿信号EAO和最大输入电流参考值IinMax提供电感电流参考信号RefIL。最大输入电流参考值IinMax代表了预设的最大输入电流Iin。在一个实施例中，限幅电路22根据最大输入电流参考值IinMax提供最大电感电流参考值ILMax，限制补偿信号EAO的幅值不大于最大电感电流参考值ILMax，并将经过限幅后的补偿信号EAO作为电感电流参考信号RefIL。电感电流控制环路23接收电感电流反馈信号ILfb和电感电流参考信号RefIL，并根据电感电流反馈信号ILfb和电感电流参考信号RefIL的比较结果提供环路控制信号CL。系统电压控制环路24接收系统电压反馈信号Vsysfb和系统电压参考信号RefVsy，并根据系统电压反馈信号Vsysfb和系统电压参考信号RefVsy的比较结果提供环路控制信号CV。开关控制电路25接收环路控制信号CL和环路控制信号CV，并根据环路控制信号CL和环路控制信号CV产生控制信号Ctrl以控制开关电路11中所述至少一个开关管。在一个实施例中，当系统电压控制环路24起作用时，开关控制电路25根据环路控制信号CV控制开关电路11，以控制系统电压Vsys恒定；当电感电流控制环路23起作用，且电感电流参考信号RefIL等于最大电感电流参考值ILMax时，开关控制电路25根据环路控制信号CL控制开关电路11，以控制输入电流Iin恒定；当电感电流控制环路23起作用，且电感电流参考信号RefIL小于最大电感电流参考值ILMax时，开关控制电路25根据环路控制信号CL控制开关电路11，以控制充电电流Ibat恒定。

图3示出了根据本发明另一实施例的控制电路14b的电路框图。图3所示的控制电路14b包括充电电流控制环路31、输入电流控制环路32、系统电压控制环路33、以及开关控制电路34。充电电流控制环路31、输入电流控制环路32及系统电压控制环路33均采用比较器来实现各反馈信号与各参考信号的差值调节，例如充电电流控制环路31中的比较器CMP1根据充电电流反馈信号Ibatfb和充电电流参考信号RefIbt的比较结果产生环路控制信号CC1，输入电流控制环路32中的比较器CMP2根据输入电流反馈信号Iinfb和输入电流参考信号RefIin的比较结果产生环路控制信号CC2，系统电压控制环路33中的比较器CMP3根据系统电压反馈信号Vsysfb和系统电压参考信号RefVsy的比较结果产生环路控制信号CV。开关控制电路34根据环路控制信号CC1、CC2、以及CV产生控制信号Ctrl。图3所示的实施例，各控制环路利用比较器输出逻辑电平形式的各环路控制信号，实现了各控制环路之间的自动切换，有效地避免了误切换和多个控制环路同时工作的发生。

为了增强系统的稳定性及抗干扰能力，充电电流反馈信号Ibatfb、输入电流反馈信号Iinfb、以及系统电压反馈信号Vsysfb需要经过一定的滤波处理。然而，当处理器13的电流迅速增大时，系统电流Isys迅速增大，导致所需的输入电流Iin也迅速增大，输入电压Vin迅速减小。在极端情况下，图3所示的控制电路14b中，输入电流Iin的减小尚未来得及反映至输入电流反馈信号Iinfb时，输入电压Vin已减小至欠压阈值，导致电池充电电路因输入欠压而关机。图2所示的控制电路14a则通过根据最大输入电流参考值IinMax限制电感电流参考值RefIL，并通过直接控制电感电流IL达到限制最大输入电流Iin的目的，避免了极端情况下电池充电电路因输入欠压而关机的问题，从而具有较快的响应速度的同时，提高了系统的稳定性。

图4a～4c示出了根据发明实施例的图1所示的开关电路11的电路图。本领域普通技术人员可以理解，开关电路11的具体结构不限于图4a～4c所示的实施例，也可以采用其它的电路拓扑。为简明起见，在此不一一例举。

图4a所示的开关电路11a以降压(Buck)电路为例进行说明。开关电路11a包括耦接在其输入端和参考地之间的电容C1、耦接在其输出端和参考地之间的电容C2，开关管41、42，以及电感43。开关管41的第一端耦接至开关电路11a的输入端，开关管41的第二端耦接至开关管42的第一端，开关管42的第二端耦接至参考地，电感43的第一端耦接至开关管41的第二端和开关管42的第一端，电感43的第二端耦接至开关电路11a的输出端。开关管41和开关管42在控制信号Ctrl的控制下互补导通。开关管42也可以由二极管替代。

图4b所示的开关电路11b以升压(Boost)电路为例进行说明。开关电路11b包括耦接在其输入端和参考地之间的电容C1、耦接在其输出端和参考地之间的电容C2，开关管45、46，以及电感44。电感44的第一端耦接至开关电路11b的输入端，电感44的第二端耦接至开关管45的第一端和开关管46的第一端，开关管45的第二端耦接至参考地，开关管46的第二端耦接至开关电路11b的输出端。开关管45和开关管46在控制信号Ctrl的控制下互补导通。开关管46也可以由二极管替代。

图4c所示的开关电路11c以升降压(Buck-Boost)电路为例进行说明。开关电路11c包括包括耦接在其输入端和参考地之间的电容C1、耦接在其输出端和参考地之间的电容C2，开关管47、48、50、51，以及电感49。开关管47的第一端耦接至开关电路11c的输入端，开关管47的第二端耦接至开关管48的第一端，开关管48的第二端耦接至参考地，开关管50的第一端耦接至开关电路11c的输出端，开关管50的第二端耦接至开关管51的第一端，开关管51的第二端耦接至参考地，电感49的第一端耦接至开关管47的第二端和开关管48的第一端，电感49的第二端耦接至开关管50的第二端和开关管51的第一端。开关管47和开关管48在控制信号Ctrl的控制下互补导通，开关管50和开关管51在控制信号Ctrl2的控制下互补导通。开关管48、和/或开关管50也可以由二极管替代。

图5示出了根据本发明一实施例的图2所示控制电路14a的电路图。图5所示的实施例中，充电电流控制环路21包括运算单元211和补偿单元212。运算单元211接收充电电流参考信号RefIbt和充电电流反馈信号Ibatfb，并根据充电电流参考信号RefIbt和充电电流反馈信号Ibatfb之间的差值(RefIbt-Ibatfb)产生误差信号Er，补偿单元212接收误差信号Er，并对误差信号Er经过补偿运算提供补偿信号EAO，补偿运算例如包括比例积分(PI)运算、比例积分微分(PID)运算等。

限幅电路22包括计算单元221和限幅输出单元222。计算单元221根据最大输入电流参考值IinMax产生最大电感电流参考值ILMax。在一个实施例中，最大电感电流参考值ILMax等于输入电流Iin的平均值等于最大输入电流参考值IinMax时对应的电感电流IL的谷值。

当开关电路11为如图4a所示的降压电路时，最大电感电流参考值ILMax由以下公式(1)表示：

ILMax＝IinMax/D1–ΔIL/2 (1)

其中D1为开关管41的占空比，也就是开关管41在一个开关周期内的导通时长与开关周期之间的比例，ΔIL为电感电流IL的纹波大小。

当开关电路11为如图4b所示的升压电路时，最大电感电流参考值ILMax由以下公式(2)表示：

ILMax＝IinMax–ΔIL/2 (2)

当开关电路11为如图4c所示的升降压电路时，最大电感电流参考值ILMax由以下公式(3)表示：

ILMax＝IinMax/D2–ΔIL/2 (3)

其中D2为开关管47的占空比，也就是开关管47在一个开关周期内的导通时长与开关周期之间的比例。

限幅输出单元222接收最大电感电流参考值ILMax和补偿信号EAO，并根据最大电感电流参考值ILMax和补偿信号EAO提供电感电流参考信号RefIL。当补偿信号EAO大于最大电感电流参考值ILMax时，电感电流参考信号RefIL等于最大电感电流参考值ILMax；以及当补偿信号EAO不大于最大电感电流参考值ILMax时，电感电流参考信号RefIL等于补偿信号EAO。

电感电流控制环路23包括比较器CMP4。比较器CMP4具有正相输入端、反相输入端和输出端，其正相输入端接收电感电流参考信号RefIL，其反相输入端接收电感电流反馈信号ILfb，其输出端根据电感电流参考信号RefIL和电感电流反馈信号ILfb的比较结果产生环路控制信号CL。系统电压控制环路24包括比较器CMP5。比较器CMP5具有正相输入端、反相输入端和输出端，其正相输入端接收系统电压参考信号RefVsy，其反相输入端接收系统电压反馈信号Vsysfb，其输出端根据系统电压参考信号RefVsy和系统电压反馈信号Vsysfb的比较结果产生环路控制信号CV。

开关控制电路25包括与门电路251、RS触发电路252、以及导通时长控制电路253。与门电路251具有第一输入端、第二输入端、第三输入端和输出端，其第一输入端接收环路控制信号CL，其第二输入端接收环路控制信号CV、其第三输入端接收最小关断时间信号Toffmin，与门电路251对环路控制信号CL、环路控制信号CV及最小关断时间信号Toffmin进行与操作，并在其输出端提供置位信号SET。RS触发电路252具有置位端S、复位端R和输出端Q，其置位端S接收置位信号SET，其复位端R接收复位信号Rs，其输出端Q提供控制信号Ctrl，在一个实施例中，当置位信号SET为高电平时，控制信号Ctrl控制开关电路11中所述至少一个开关管开通，当复位信号Rs为低电平时，控制信号Ctrl控制开关电路11中所述至少一个开关管关断。导通时长控制电路253根据控制信号Ctrl产生复位信号Rs，以控制开关电路11中所述至少一个开关管的导通时长等于预设时长。

本领域技术人员可知控制电路14a不限于图5所示的具体实施例。例如，控制电路14a中比较器的正相输入端和反相输入端可以互换，以与图5所示实施例相反的电平逻辑实现同样的功能。在其它实施例中，开关控制电路25也可以根据环路控制信号CL、CV控制开关电路11中所述至少一个开关管关断，并根据预设时长控制所述至少一个开关管的关断时长。在另一个实施例中，开关控制电路25也可以根据环路控制信号CL、CV产生控制信号Ctrl和控制信号Ctrl2以控制如图4c所示的开关电路。例如，在图4c所示的开关电路11c中，当输入电压Vin大于模式阈值时，开关控制电路25控制开关电路11c工作在降压模式，根据环路控制信号CL、CV产生控制信号Ctrl以控制开关管47和开关管48，同时控制开关管50维持导通，控制开关管51维持关断；当输入电压Vin小于模式阈值时，开关控制电路25控制开关电路11c工作在升压模式，根据环路控制信号CL、CV产生控制信号Ctrl2以控制开关管50和开关管51，同时控制开关管47维持导通，控制开关管48维持关断。

图6示出了根据本发明一实施例的图5所示控制电路14a从控制充电电流Ibat恒定切换至控制系统电压Vsys恒定的波形图。如图6所示，在时刻T1之前，系统电压反馈信号Vsysfb始终小于系统电压参考信号RefVsy，系统电压控制环路24输出维持高电平的环路控制信号CV。电感电流反馈信号ILfb大于电感电流参考信号RefIL时，电感电流控制环路23输出低电平的环路控制信号CL，在电感电流反馈信号ILfb小于电感电流参考信号RefIL时，电感电流控制环路23输出高电平的环路控制信号CL，置位信号SET响应于环路控制信号CL的变化而变化。电感电流参考信号RefIL小于电感电流参考值ILMax，控制电路14a通过充电电流控制环路21控制电感电流参考信号RefIL，从而控制充电电流Ibat恒定。在T1时刻，随着系统电压Vsys的增大，系统电压反馈信号Vsysfb增大至大于系统电压参考信号RefVsy，系统电压控制环路24输出低电平的环路控制信号CV。随后电感电流参考信号RefIL增大至最大电感电流参考值ILMax，电感电流反馈信号ILfb始终小于电感电流参考信号RefIL，电感电流控制环路23输出维持高电平的环路控制信号CL。当系统电压反馈信号Vsysfb小于系统电压参考信号RefVsy时，环路控制信号CV变为高电平，置位信号SET响应于环路控制信号CV的变化而变化。控制电路14a通过系统电压控制环路24控制系统电压Vsys恒定。

图7示出了根据本发明一实施例的图5所示控制电路14a从控制系统电压Vsys恒定切换至控制输入电流Iin恒定的波形图。在T2时刻之前，控制电路14a通过系统电压控制环路24控制系统电压Vsys恒定，电感电流参考信号RefIL等于最大电感电流参考值ILMax。在T2时刻，系统电流Isys突然增大，导致系统电压反馈信号Vsysfb开始减小，电感电流反馈信号ILfb开始增大，直至T3时刻，电感电流反馈信号ILfb增大至大于电感电流参考值RefIL，环路控制信号CL变为低电平，随后系统电压反馈信号Vsysfb始终小于系统电压参考信号RefVsy，环路控制信号CV保持高电平。当电感电流反馈信号ILfb小于电感电流参考值RefIL时，环路控制信号CL变为高电平，置位信号SET响应于环路控制信号CL的变化而变化，控制电路14a通过电感电流控制环路23控制输入电流Iin恒定。

图8示出了根据本发明一实施例的用于控制图1所示电池充电电路的控制方法流程图800，包括步骤S11～S16。

在步骤S11，根据充电电流参考信号RefIbt和充电电流反馈信号Ibatfb之间的差值(RefIbt-Ibatfb)得到补偿信号EAO。

在步骤S12，根据最大输入电流参考值IinMax计算得到最大电感电流参考值ILMax。

在步骤S13，当补偿信号EAO大于最大电感电流参考值ILMax时，电感电流参考信号RefIL等于最大电感电流参考值ILMax，否则，当补偿信号EAO不大于最大电感电流参考值ILMax时，电感电流参考信号RefIL等于补偿信号EAO。

在步骤S14，根据电感电流参考信号RefIL和电感电流反馈信号ILfb的比较结果，得到环路控制信号CL。

在步骤S15，根据系统电压参考信号RefVsy和系统电压反馈信号Vsysfb的比较结果，得到环路控制信号CV。

在步骤S16，根据环路控制信号CV和环路控制信号CL控制开关电路11，例如根据环路控制信号CV和环路控制信号CL产生控制信号Ctrl以控制开关电路11中至少一个开关管。

在一个实施例中，当根据环路控制信号CV产生控制信号Ctrl时，控制系统电压Vsys恒定；当根据环路控制信号CL产生控制信号Ctrl，且电感电流参考信号RefIL等于最大电感电流参考值ILMax时，控制输入电流Iin恒定；以及当根据环路控制信号CL产生控制信号Ctrl，且电感电流参考信号RefIL小于最大电感电流参考值ILMax时，控制充电电流Ibat恒定。

在一个实施例中，最大电感电流参考值ILMax等于，输入电流Iin的平均值等于最大输入电流参考值IinMax时对应的电感电流IL的谷值。

要注意的是，在上述的流程图中各步骤的执行顺序不限于图8所示，两个连续的功能框可以同时被执行，或以相反的顺序执行。例如步骤S15可以在步骤S11～S14之前执行，或与步骤S11～S14同时执行。

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。