一种恒流充电器电路的制作方法

本发明属于电子电路技术领域，特别涉及一种高精度高稳定性的恒流充电电路，可以用于单节锂电池充电器中。

背景技术：

随着手机、平板、可穿戴式电子设备的流行，对于这些移动电子设备的电源管理变得越来越重要。锂电池由于工作电压高，寿命长等优点，被广泛应用于移动电子设备中。而根据锂电池的化学特性，现在最为流行的充电方式是三阶段充电法：涓流充电、恒流充电、恒压充电。其中恒流充电占据了锂电池充电的主要过程。

图1为传统锂电池恒流充电电路简图。其中sys为dc-dc(直流-直流)稳压器的稳定输出，在恒流充电阶段，sys电压始终比电池电压高△v1(△v1>0v)，n1管为锂电池充电器的功率管，s1管为采样管。bat为需要充电的锂电池，r1为外接的零温高精度电阻，ref为基准电平，pumpc为电荷泵的输出。恒流充电原理为，采样管s1与功率管n1的栅、漏、衬底电压分别相等，通过运放的深度负反馈，保证s1与n1的源端电压也相等。在四端电压都相等的情况下，采样比例仅和mos管宽长比有关。采样电流ibfeth流过电阻r1产生采样电压，与基准电压作比较，调整功率管栅端电压pump，以此将充电电流控制在一个恒定值。

由于设计和工艺的原因，运放a1存在失调电压(offset)，会导致采样电流产生误差，进而导致恒流充电电流产生偏差。偏差电流为：

由此式可以看出失调电压(offset)误差会被放大(vpump-vbat-vth)倍，(vpump-vbat-vth)为功率管n1的过驱动电压，这意味着当预设的充电电流越大时，电流偏差越大。此时容易使电流超出恒流充电环路的调节范围，恒流充电功能失效。而现如今随着电池容量的不断增大和使用者对充电时间的严格要求，恒流充电电流将不断增大，这就意味着由于失调电压引起的电路稳定性问题将被不断的放大。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种具有高精度高稳定性的恒流充电器电路，通过使用开关电容技术，以实现消除运放的失调电压(offset)，减小电流采样误差，使得锂电池充电器可以在大电流恒流充电时依然保持充电电流精准，充电环路稳定。

为实现上述目的，本发明一种恒流充电器电路包括：充电单元1、采样单元2、信号转换单元5、充电电流调节单元6、数字控制单元7，其特征在于包括：开关电容电路单元3、电压补偿单元4；

所述充电单元1，用于给锂电池进行恒流充电；其设有两路输入，第一输入端连接至前级dc-dc(直流-直流)转换器的输出电压sys，第二输入端连接至充电电流调节单元6的输出；输出端连接至待充电的锂电池的阳极电压bat；

所述采样单元2，其设有两路输入，用于对充电电流进行比例采样；第一输入端连接至dc-dc(直流-直流)转换器输出电压sys，第二输入端连接至充电单元1的输入端；输出端bfeth输出采样电流信号ibfeth；

所述开关电容电路单元3，其设有四路输入，第一输入端连接至待充电的锂电池的阳极电压bat，第二输入端连接采样单元2的输出端bfeth，第三输入端连接至数字控制单元7的输出的逻辑控制信号p1，第四输入端连接至数字控制单元7的输出的逻辑控制信号p1x；其输出端连接至电压补偿单元4的输入端；

所述电压补偿单元4，其输出端连接至信号转换单元5的第一输入端，用于补偿开关电容电路单元3的输出电压，减小采样精度误差；

所述信号转换单元5，其设有两路输入，其第二输入端连接采样电流信号ibfeth；开关电容电路单元3、电压补偿单元4和信号转换单元5构成反馈环路，用以保证采样单元2能够精准的按比例采样充电电流；输出端连接至充电电流调节单元6的第一输入端；

所述充电电流调节单元6，其设有两路输入，第二输入端连接基准电压ref，其输出端连接至信号采样单元2的输入端和充电单元1的输入端，用以调节充电电流，保证充电电流恒定不变；

所述数字控制单元7，用于产生两个逻辑控制信号p1和p1x，其中第一逻辑控制信号p1控制开关电容电路单元3中的联动开关s1～s6，第二逻辑控制信号p1x控制开关电容电路单元3中的联动开关s7～s12。

上述充电单元1，由第一晶体管mn1构成，此晶体管由n(n>1)个完全相同的nmos管并联而成；第一晶体管mn1的栅端连接至充电电流调节单元6的输出端，源端连接至锂电池的阳极电压bat，漏端连接至前级dc-dc(直流-直流)转换器的输出电压sys，且sys＝vbat+△v1(△v1>0v)。

上述采样单元2由第二晶体管mn2构成，其尺寸与构成第一晶体管mn1的nmos管的尺寸完全相同，个数比为1:n；所述第二晶体管mn2的漏端和第一晶体管mn1的漏端相连，所述第二晶体管mn2的栅端和第一晶体管mn1的栅端相连，第二晶体管mn2的源端作为采样单元2的输出端bfeth，输出采样电流信号ibfeth。

上述开关电容电路单元3包括第一运算放大器a1、第二运算放大器a2、第一电容c1、第二电容c2和12个联动开关s1～s12：

所述第一联动开关s1连接采样单元2的输出端bfeth和第一电容c1的上极板，第一电容c1的下极板与第一运算放大器a1的反向输入端相连；

所述第二联动开关s2连接锂电池的阳极电压bat和第一运算放大器a1的正向输入端；

所述第三联动开关s3连接第一运算放大器a1的输出端和电压补偿单元4的输入端a；

所述第四联动开关s4跨接第二运算放大器a2的反向输入端和输出端；

所述第五联动开关s5连接第二电容c2的上极板和第二运算放大器a2的正向输入端；

所述第六联动开关s6连接第二运算放大器a2的正向输入端和电压补偿单元4的输入端a；

所述第七联动开关s7跨接第一运算放大器a1的反向输入端和输出端；

所述第八联动开关s8连接第一电容c1的上极板和第一运算放大器a1的正向输入端；

所述第九联动开关s9连接第一运算放大器a1的正向输入端和电压补偿单元4的输入端a；

所述第十联动开关s10连接采样单元2的输出端bfeth和第二电容c2的上极板，第二电容c2的下极板与第二运算放大器a2的反向输入端相连；

所述第十一联动开关s11连接锂电池的阳极电压bat和第二运算放大器a2的正向输入端；

所述第十二联动开关s12连接第二运算放大器a2的输出端和电压补偿单元4的输入端a。

上述电压补偿单元4包括第三晶体管mn3和一个恒定电流源i1；

所述第三晶体管mn3的栅端作为电压补偿单元4的输入端，漏端连接至电源电压vcc，源端作为电压补偿单元4的输出端；

所述电流源i1跨接于第三晶体管mn3的源端和地之间。

上述信号转换单元5包括第四晶体管mp1和第一电阻r1；

所述第四晶体管mp1的栅端作为信号转换单元5的输入端，源端连接至采样单元2的输出端bfeth，漏端作为信号转换单元5的输出端；

所述第一电阻r1跨接于第四晶体管mp1的漏端和地之间。

上述充电电流调节单元6包括第三运算放大器a3，第五晶体管mn4和第二电阻r2；

所述第三运算放大器a3的反向输入端作为充电电流调节单元6的第一输入端，正向输入端作为充电电流调节单元6的第二输入端，并连接基准电压ref；其输出端连接至第五晶体管mn4的栅端；

所述第五晶体管mn4的源端连接至地，其漏端通过第二电阻r2连接至外部电荷泵输出电压pumpc；第五晶体管mn4和第二电阻r2的公共端pump作为充电电流调节单元6的输出端。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明通过引入开关电容电路，将放大器的失调电压记录并存储在电容中，并在采样过程中释放与原本的失调电压抵消，从而保证充电电流的采样精度，以此解决因为采样误差而导致的恒流充电环路在大电流充电时不稳定易失效的问题，大大提高了恒流充电的电流精度与电路系统的稳定性。

2.本发明通过引入电压补偿电路，对处在失调电压存储阶段的运算放大器的直流工作点进行修正，减小开关电容电路状态切换时，运算放大器输入端寄生电容对电路精度的影响。

附图说明

图1传统锂电池恒流充电电路工作示意图；

图2本发明的锂电池恒流充电系统框图；

图3本发明的开关电容电路单元电路图；

图4本发明的电压补偿单元电路图；

图5本发明的信号转换单元电路图；

图6本发明的充电电流调节单元电路图；

图7本发明的数字控制单元产生的逻辑控制信号示意图；

图8本发明的恒流充电电路的整体工作示意图；

图9本发明的恒流充电电路在不同工作状态时的等效电路图；

具体实施方式

以下参照说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

参考图2，本发明提供的一种恒流充电器电路，包括充电单元1、采样单元2、开关电容电路单元3、电压补偿单元4、信号转换单元5、充电电流调节单元6，数字控制单元7，其中：

所述充电单元1，用于给锂电池进行恒流充电；其设有两路输入，第一输入端连接至前级dc-dc(直流-直流)转换器的输出电压sys，第二输入端连接至充电电流调节单元6的输出；输出端连接至待充电的锂电池的阳极电压bat；

所述采样单元2，其设有两路输入，用于对充电电流进行比例采样；第一输入端连接至dc-dc(直流-直流)转换器输出电压sys，第二输入端连接至充电单元1的输入端；输出端bfeth输出采样电流信号ibfeth；

所述开关电容电路单元3，其设有四路输入，第一输入端连接至待充电的锂电池的阳极电压bat，第二输入端连接采样电流信号ibfeth，第三输入端连接至数字控制单元7的输出的逻辑控制信号p1，第四输入端连接至数字控制单元7的输出的逻辑控制信号p1x；其输出端连接至电压补偿单元4的输入端；

所述电压补偿单元4，其输出端连接至信号转换单元5的第一输入端，用于补偿开关电容电路单元3的输出电压，减小采样精度误差；

所述信号转换单元5，其设有两路输入，其第二输入端连接采样电流信号ibfeth；输出端连接至充电电流调节单元6的第一输入端。开关电容电路单元3、电压补偿单元4和信号转换单元5构成反馈环路，用以保证采样单元2能够精准的按比例采样充电电流。

所述充电电流调节单元6，其设有两路输入，第二输入端连接基准电压ref，其输出端连接至信号采样单元2的输入端和充电单元1的输入端，用以调节充电电流，保证充电电流恒定不变；

所述数字控制单元7，用于产生两个逻辑控制信号p1和p1x，其中第一逻辑控制信号p1控制开关电容电路单元3中的联动开关s1～s6，第二逻辑控制信号p1x控制开关电容电路单元3中的联动开关s7～s12。

进一步的，参考图2，所述充电单元1，由第一晶体管mn1构成，此晶体管由n(n>1)个完全相同的nmos管并联而成；所述采样单元2由第二晶体管mn2构成，其尺寸与构成第一晶体管mn1的nmos管的尺寸完全相同，个数比为1:n。所述第二晶体管mn2的漏端和第一晶体管mn1的漏端相连，所述第二晶体管mn2的栅端和第一晶体管mn1的栅端相连，第二晶体管mn2的源端输出采样电流信号ibfeth；通过开关电容电路单元3、电压补偿单元4和信号转换单元5构成反馈环路，保证第二晶体管mn2的源端电压和充电单元1中的第一晶体管mn1的源端电压相等，以此保证流经第二晶体管mn2的电流为流经第一晶体管mn1的电流的1/n，以此达到电流采样的目的。同时采样电流信号ibfeth通过信号转换单元5转换为采样电压并输出给充电电流调节单元6。该充电电流调节单元6将所述采样电压与基准电压ref相比较，得到充电电流调节信号反馈至第一晶体管mn1的栅端，用于控制并调节恒流充电电流的大小。

第一晶体管mn1的漏端连接至前级dc-dc(直流-直流)转换器的输出电压sys，且sys＝bat+△v1(△v1>0v)，栅端连接至充电电流调节单元6的输出端，源端连接至待充电锂电池的阳极电压bat。由于sys电压恒比bat电压高△v，这意味着该功率管的源漏电压固定不变，那么功率管通过的电流大小就由栅端电压唯一确定。

参考图3，所述开关电容电路单元3包括第一运算放大器a1、第二运算放大器a2、第一电容c1、第二电容c2和12个联动开关s1～s12：

所述第一联动开关s1连接采样单元(2)的输出端bfeth和第一电容c1的上极板，第一电容c1的下极板与第一运算放大器a1的反向输入端相连；

所述第二联动开关s2连接锂电池的阳极电压bat和第一运算放大器a1的正向输入端；

所述第三联动开关s3连接第一运算放大器a1的输出端和电压补偿单元(4)的输入端a；

所述第四联动开关s4跨接第二运算放大器a2的反向输入端和输出端；

所述第五联动开关s5连接第二电容c2的上极板和第二运算放大器a2的正向输入端；

所述第六联动开关s6连接第二运算放大器a2的正向输入端和电压补偿单元(4)的输入端a；

所述第七联动开关s7跨接第一运算放大器a1的反向输入端和输出端；

所述第八联动开关s8连接第一电容c1的上极板和第一运算放大器a1的正向输入端；

所述第九联动开关s9连接第一运算放大器a1的正向输入端和电压补偿单元(4)的输入端a；

所述第十联动开关s10连接采样单元(2)的输出端bfeth和第二电容c2的上极板，第二电容c2的下极板与第二运算放大器a2的反向输入端相连；

所述第十一联动开关s11连接锂电池的阳极电压bat和第二运算放大器a2的正向输入端；

所述第十二联动开关s12连接第二运算放大器a2的输出端和电压补偿单元(4)的输入端a。

参考图4，所述电压补偿单元4包括第三晶体管mn3和一个恒定电流源i1；第三晶体管mn3的栅端作为电压补偿单元4的输入端a，漏端连接至电源电压vcc，源端作为电压补偿单元4的输出端b；电流源i1跨接于第三晶体管mn3的源端和地之间；mn3接成源跟随器的形式，用于对开关电容电路单元3的输出电压进行电压补偿，减小开关电容电路单元3中第一运算放大器a1和第二运算放大器a2的正负输入端寄生电容对精度产生的影响。

参考图5，所述信号转换单元5包括第四晶体管mp1和第一电阻r1；第四晶体管mp1的栅端作为信号转换单元5的输入端，源端连接至采样单元2的输出端bfeth，漏端作为信号转换单元5的输出端；第一电阻r1跨接于第四晶体管mp1的漏端和地之间。

进一步的，参考图3，4，5；采样单元2的输出端电压bfeth经过开关电容电路单元3，电压补偿单元4得到输出电压b并连接至第四晶体管mp1的栅端，该第四晶体管mp1将输出电压b反馈回开关电容电路单元3的输入端，形成负反馈环路。以保证开关电容电路单元3的两个输入端bfeth和bat电压相等，即保证采样单元2中的mn2的漏端电压与充电单元1中的mn1的漏端电压相等，此时mn2与mn1的源端、栅端、漏端电压都相等，保证采样单元2可以按比例精确采样充电电流。

参考图6，所述充电电流调节单元6包括第三运算放大器a3，第五晶体管mn4和一个电阻r2；所述第三运算放大器a3的反向输入端作为充电电流调节单元6的第一输入端，正向输入端作为充电电流调节单元6的第二输入端，并连接基准电压ref；其输出端连接至第五晶体管mn4的栅端；所述第五晶体管mn4的源端接地，其漏端通过第二电阻r2连接至外部电荷泵输出电压pumpc；第五晶体管mn4和电阻r2的公共端pump作为充电电流调节单元6的输出端；第五晶体管mn4的漏端作为本单元的输出连接至充电单元1的栅端，用以调节充电单元1的恒流充电电流。

本发明的数字控制单元7用于产生逻辑控制信号，用于控制开关电容电路单元3中的联动开关的导通和关断，从而改变电路的工作状态。控制开关电容电路单元3的工作控制时序如图7所示，其中高电平代表开关闭合，低电平代表开关断开。

图8为本发明具有高精度高稳定性的恒流充电电路的整体工作示意图，假设第一运算放大器a1和第二运算放大器a2的失调电压分别为vos1和vos2。

结合图7和图8，本发明具体工作过程说明如下：

定义联动开关s1～s6闭合，联动开关s7～s12断开时，整体电路处于t1阶段，其等效结构如图9a所示。此时第二运算放大器a2接成深度负反馈形式，正负输入端电压相等，那么有第二电容c2两端电压vc2＝vos2，这也就意味着第二运算放大器a2的失调电压vos2被存储于第二电容c2中；

定义联动开关s7～s12闭合，联动开关s1～s6断开时，整体电路处于t2阶段，其等效结构如图9b所示。此时第二运算放大器a2、第二电容c2与电压补偿单元4和信号转换单元5构成电压信号环路，那么第二运算放大器a2的正负输入端电压相等，即bfeth-vc2＝bat-vos2，由于在t1阶段，第二电容c2两端电压vc2等于失调电压vos2，且电容电压不能突变，则bfeth＝bat，消除了失调电压vos2对电路精度的影响(传统电路中bat-vos＝bfeth，及bat＝bfeth+vos)。

同理，第一运算放大器a1的失调电压vos1也可以被消除，t2阶段时第一电容c1记录第一运算放大器a1的失调电压vos1，t1状态时，失调电压vos1与第一电容c1两端电压vc1相抵消，bfeth仍等于bat。

因为t1、t2阶段表示一个完整的信号采集与放大处理周期，则在整个周期中bfeth恒等于bat，那么运算放大器失调电压不会对电流采样精度产生影响。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的技术人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。