本发明涉及集成电路设计及应用领域，特别是涉及一种线性充电系统、恒流恒压控制电路及其电压跟随控制方法。
背景技术：
多年来，各种线性充电管理ic(集成电路)已经得到长足发展和广泛应用，以实现电池充电中恒流恒压输出的控制，应用于各种便携设备的电池管理中。
现有技术中通过控制p管的阻抗及压降来实现电流采样管漏极与输出功率管的漏极电压一致，但由于p管的栅极电压为低电平时p管导通，存在启动时电流过冲的风险。因此，现有技术中的会增加防过冲保护，例如当电流设置端的电压大于1.2v时关闭恒流恒压控制模块，但是，在恶劣的情况下采样电流支路会触发芯片关闭工作或者芯片不断的重启，使芯片不能正常工作，如图3所示，当输入电源vin到来后，芯片开始工作，当防过冲保护起效时(防过冲保护信号shdn高电平时进行防过冲保护)，恒流恒压控制模块关闭，恒流恒压控制模块的输出电流下降；当防过冲保护失效时(防过冲保护信号shdn低电平时不进行防过冲保护)，恒流恒压控制模块开启，恒流恒压控制模块的输出电流上升；多次反复重启，芯片无法工作。另外，由于p管源栅极的钳位，电流采样管的漏极电压无法跟随输出功率管的漏极电压，导致输出功率管的与电流采样管的电流放大倍数偏差于所设定的倍数。
综上所述，找到一种方法或技术来规避采样电流支路触发芯片关闭或芯片不断重启的风险，让输出电流在输出电压较低时仍然保持电流放大倍数较精确，已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。
技术实现要素：
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种线性充电系统、恒流恒压控制电路及其电压跟随控制方法，用于解决现有技术中恒流恒压控制芯片频繁重启、电压跟随精度低等的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种恒流恒压控制电路，所述恒流恒压控制电路至少包括：
电流采样管、输出功率管、电压跟随控制模块、输出电压采样模块及栅极控制模块；
所述电流采样管的源极连接输入电源，栅极连接所述栅极控制模块的输出端，漏极经所述电压跟随控制模块后连接采样电阻的第一端，所述采样电阻的第二端接地，所述电流采样管用于生成采样电流；
所述输出功率管的源极连接所述输入电源，栅极连接所述栅极控制模块的输出端，漏极连接所述输出电压采样模块，用于调整输出电流；
所述电压跟随控制模块连接于所述电流采样管及所述输出功率管的漏极，用于控制所述电流采样管的漏极电压跟随所述输出功率管的漏极电压，其中，所述电压跟随控制模块包括运算放大器及n型调整管；所述运算放大器的输入端分别连接所述电流采样管及所述输出功率管的漏极；所述n型调整管的漏极连接所述电流采样管的漏极，源极连接所述采样电阻的第一端，栅极连接所述运算放大器的输出端；
所述栅极控制模块连接所述输出电压采样模块及所述采样电阻的第一端，将所述输出电压采样模块输出的电压采样反馈信号与第一校准电压进行比较，将所述采样电阻上的电流采样反馈信号与第二校准电压进行比较，并基于两个比较结果调整所述电流采样管及所述输出功率管的栅极电压，进而控制输出电压值。
可选地，所述恒流恒压控制电路还包括恒流校准点选择模块，所述恒流校准点选择模块连接所述输出功率管的漏极，将所述输出功率管的漏极电压与第一基准进行比较，并输出恒流校准点选择信号以确定所述第一校准电压的值。
更可选地，所述恒流恒压控制电路还包括满充判定模块，所述满充判定模块连接所述采样电阻的第一端，将所述电流采样反馈信号与第二基准进行比较，并输出相应满充判断信号。
更可选地，所述满充判定模块包括比较单元及与非逻辑单元；所述比较单元的输入端分别连接所述电流采样反馈信号及所述第二基准；所述与非逻辑单元的输入端分别连接所述比较单元及所述恒流校准点选择模块的输出端，当所述输出功率管的漏极电压大于所述第一基准且所述电流采样反馈信号小于所述第二基准时所述满充判断信号起效。
更可选地，所述恒流恒压控制电路还包括满充关断模块，所述满充关断模块串联于所述输出功率管的电源到地通路中，所述满充关断模块的控制端连接所述满充判断信号。
可选地，所述恒流恒压控制电路还包括衬底选择模块，所述衬底选择模块包括第一二极管及第二二极管；所述第一二极管的阳极连接所述输入电源，阴极连接所述电流采样管及所述输出功率管的衬底；所述第二二极管的阴极连接所述第一二极管的阴极，阳极连接所述输出功率管的漏极。
可选地，所述恒流恒压控制电路还包括基准电压产生模块，所述基准电压产生模块接收所述输入电源，并基于所述输入电源产生所述恒流恒压控制电路中的基准电压及校准电压。
可选地，所述恒流恒压控制电路还包括上拉电流源，所述上拉电流源的一端连接所述输入电源，另一端连接所述采样电阻的第一端。
可选地，所述恒流恒压控制电路还包括下拉电流源，所述下拉电流源的一端连接所述栅极控制模块的输出端，另一端接地。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种线性充电系统，所述线性充电系统至少包括：
上述恒流恒压控制电路，电源输入电路及电池模组；
所述电源输入电路连接所述恒流恒压控制电路，为所述恒流恒压控制电路提供输入电源；
所述电池模组连接于所述输出功率管的漏极，用于接收所述恒流恒压控制电路输出的电能并储存。
可选地，所述线性充电系统还包括充电指示电路，所述充电指示电路的控制端连接所述满充判断信号，当所述线性充电系统停止充电时关断所述充电指示电路。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种上述恒流恒压控制电路的电压跟随控制方法，所述恒流恒压控制电路的电压跟随控制方法至少包括：
比较电流采样管与输出功率管的漏极电压，并基于所述电流采样管与所述输出功率管的漏极电压差线性调整与所述电流采样管串联的n型调整管的阻抗，使所述电流采样管的漏极电压跟随所述输出功率管的漏极电压。
可选地，当所述输出功率管的漏极电压高于所述电流采样管的漏极电压时，增大所述n型调整管的阻抗，使得所述电流采样管的漏极电压升高；反之，当所述输出功率管的漏极电压低于所述电流采样管的漏极电压时，减小所述n型调整管的阻抗，使得所述电流采样管的漏极电压降低；直到所述电流采样管与所述输出功率管的漏极电压相等。
可选地，所述恒流恒压控制电路的输出电流满足如下关系式：
其中，ibat为所述恒流恒压控制电路的输出电流，im2为流经所述输出功率管的电流，k为大于1的实数，im1为流经所述电流采样管的电流，vprog为所述电流采样反馈信号的电压值，rs为所述采样电阻的阻值。
可选地，所述恒流恒压控制电路的输出电压满足如下关系式：
其中，vbat为所述恒流恒压控制电路的输出电压，vfb为所述电压采样反馈信号的电压值，
如上所述，本发明的线性充电系统、恒流恒压控制电路及其电压跟随控制方法，具有以下有益效果：
本发明的线性充电系统、恒流恒压控制电路及其电压跟随控制方法通过线性控制串联在电流采样支路上n型调整管阻抗，无启动电流过冲，解决线性充电管理在启动时存在电流过冲甚至由其导致的不断重启的问题，且可以简化部分电路；且输出电流在输出电压较低时仍然保持高精度的电流放大倍数。
附图说明
图1显示为现有技术中的恒流恒压控制芯片频繁重启的原理示意图。
图2显示为本发明的恒流恒压控制电路的结构示意图。
图3显示为本发明的恒流恒压控制电路的原理示意图。
图4显示为本发明的线性充电系统的结构示意图。
元件标号说明
01线性充电系统
1恒流恒压控制电路
11电压跟随控制模块
111运算放大器
12输出电压采样模块
13恒流校准点选择模块
14栅极控制模块
15满充判定模块
151比较单元
152与非逻辑单元
16衬底选择模块
17基准电压产生模块
2电源输入电路
3电池模组
31电池负载
4充电指示电路
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图2～图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
如图2所示，本实施例提供一种恒流恒压控制电路1，所述恒流恒压控制电路1包括：
电流采样管m1、输出功率管m2、电压跟随控制模块11、输出电压采样模块12、恒流校准点选择模块13及栅极控制模块14。
如图2所示，所述电流采样管m1的源极连接输入电源vin，栅极连接所述栅极控制模块14的输出端，漏极经所述电压跟随控制模块11后连接采样电阻rs的第一端，所述采样电阻rs的第二端接地gnd，所述电流采样管m1用于生成采样电流。
具体地，在本实施例中，所述电流采样管m1为p型晶体管，包括但不限于绝缘栅双极型晶体管、金属-氧化物半导体场效应晶体管，在此不一一赘述。
如图2所示，所述输出功率管m2的源极连接所述输入电源vin，栅极连接所述栅极控制模块14的输出端，漏极连接所述输出电压采样模块12，用于调整输出电流。
具体地，在本实施例中，所述输出功率管m2为p型晶体管，包括但不限于绝缘栅双极型晶体管、金属-氧化物半导体场效应晶体管，在此不一一赘述。所述输出功率管m2与所述电流采样管m1的器件类型相同，宽长比根据需要进行设置，在本实施例中，所述输出功率管m2与所述电流采样管m1的宽长比比值为1000:1。
如图2所示，所述电压跟随控制模块11连接于所述电流采样管m1及所述输出功率管m2的漏极，用于控制所述电流采样管m1的漏极电压vtr跟随所述输出功率管m2的漏极电压bat。
具体地，在本实施例中，所述电压跟随控制模块11包括运算放大器111及n型调整管n1。所述运算放大器111的输入端分别连接所述电流采样管m1及所述输出功率管m2的漏极，在本实施例中，所述运算放大器111的正相输入端连接所述电流采样管m1的漏极，所述运算放大器111的反相输入端连接所述输出功率管m2的漏极，在实际使用中，可通过增加反相器替换输入信号与输入端口的关系，只需满足逻辑关系即可。所述n型调整管n1的漏极连接所述电流采样管m1的漏极，源极连接所述采样电阻rs的第一端，栅极连接所述运算放大器111的输出端，当所述运算放大器111的输出电压vma为高电平时所述n型调整管n1的阻抗减小，当所述运算放大器111的输出电压vma为低电平时所述n型调整管n1的阻抗增大，通过所述运算放大器111的输出电压vma线性控制所述n型调整管n1的阻抗，使得所述电流采样管m1的漏极电压跟随所述输出功率管m2的漏极电压。
作为本实施例的一种实现方式，所述恒流恒压控制电路1还包括上拉电流源s1，所述上拉电流源s1的一端连接所述输入电源vin，另一端连接所述采样电阻rs的第一端。
如图2所示，所述输出电压采样模块12连接于所述输出功率管m2的漏极，用于将所述恒流恒压控制电路1输出端bat的电压比例缩小。
具体地，在本实施例中，所述输出电压采样模块12包括第一电阻r1及第二电阻r2，所述第一电阻r1与所述第二电阻r2串联，通过分压实现电压采样，得到电压采样反馈信号fb。所述输出电压采样模块12可采用任意结构、任意器件的能实现采样的电路，在此不一一赘述。
如图2所示，所述恒流校准点选择模块13连接所述输出功率管m2的漏极，将所述输出功率管m2的漏极电压与第一基准进行比较，并输出恒流校准点选择信号trick。
具体地，在本实施例中，所述恒流校准点选择模块13包括比较器，所述比较器的正相输入端连接所述输出功率管m2的漏极(即所述恒流恒压控制电路1的输出端bat)，所述比较器的反相输入端连接所述第一基准，所述恒流校准点选择模块13输出所述恒流校准点选择信号trick。在实际使用中，可通过增加反相器替换输入信号与输入端口的关系，只需满足逻辑关系即可，不以本实施例为限。所述第一基准可根据实际电路的器件参数做具体设定，不以本实施例为限，在本实施例中，所述第一基准为2.9v。
如图2所示，所述栅极控制模块14连接所述输出电压采样模块12及所述采样电阻rs的第一端，将所述电压采样反馈信号fb与第一校准电压进行比较，将所述采样电阻rs上的电流采样反馈信号prog与第二校准电压进行比较，并基于两个比较结果调整所述电流采样管m1及所述输出功率管m2的栅极电压，进而控制所述恒流恒压控制电路1的输出端bat的电压值。
具体地，在本实施例中，所述第一校准电压设定为1.2v，在实际使用中，可根据所述第一电阻r1、所述第二电阻r2的阻值、所述输出电压bat的取值范围设定所述第一校准电压的值，不以本实施例为限。在本实施例中，所述第二校准电压的值由所述恒流校准点选择模块13选择确定，所述恒流恒压控制电路1的输出端bat的电压大于所述第一基准时对应的所述第二校准电压的值相对于所述恒流恒压控制电路1的输出端bat的电压小于所述第一基准时对应的所述第二校准电压的值较大，具体数值可根据器件参数及使用需要进行设定，在本实施例中，所述恒流恒压控制电路1的输出端bat的电压大于所述第一基准时对应的所述第二校准电压的值为1v，所述恒流恒压控制电路1的输出端bat的电压小于所述第一基准时对应的所述第二校准电压的值为0.2v；即，当vbat≥2.9v时，所述第二校准电压为1v，当vbat＜2.9v时，所述第二校准电压为0.2v，不以本实施例为限。
需要说明的是，在实际使用中，所述第二校准电压可为一固定值，则无需所述恒流校准点选择模块13。本实施例中，增加所述恒流校准点选择模块13，根据输出端bat的电压高低来选择输出电流的档位。
作为本实施例的一种实现方式，所述恒流恒压控制电路1还包括下拉电流源s2，所述下拉电流源s2的一端连接所述栅极控制模块14的输出端，另一端接地。
作为本实施例的一种实现方式，所述恒流恒压控制电路1还包括满充判定模块15，所述满充判定模块15连接所述采样电阻rs的第一端，将所述电流采样反馈信号prog与第二基准进行比较，并输出相应满充判断信号standby。
具体地，在本实施例中，所述满充判定模块15包括比较单元151及与非逻辑单元152。所述比较单元151的输入端分别连接所述电流采样反馈信号prog及所述第二基准，在本实施例中，所述比较单元151的正相输入端连接所述第二基准，所述比较单元151的正相输入端连接所述电流采样反馈信号prog。在实际使用中，可通过增加反相器替换输入信号与输入端口的关系，只需满足逻辑关系即可，不以本实施例为限。所述与非逻辑单元152的输入端分别连接所述比较单元151及所述恒流校准点选择模块13的输出端，当所述输出功率管m2的漏极电压大于所述第一基准且所述电流采样反馈信号prog小于所述第二基准时所述满充判断信号standby起效，在本实施例中，所述与非逻辑单元152采用与非门实现，在实际使用中可采用任意能实现与非逻辑的电路结构，在此不一一赘述。
作为本实施例的一种实现方式，所述恒流恒压控制电路1还包括满充关断模块，所述满充关断模块串联于所述输出功率管m2的电源到地通路中，所述满充关断模块的控制端连接所述满充判断信号standby。
具体地，在本实施例中，所述满充关断模块采用n型开关管n2实现，所述n型开关管n2连接于所述输出电压采样模块12与地gnd之间，所述n型开关管n2的漏极连接所述输出电压采样模块12，所述n型开关管n2的源极接地，所述n型开关管n2的栅极连接所述满充判断信号standby。在实际使用中，所述满充关断模块可以是任意在满充判断信号standby表示为满充时将所述输出功率管m2的电源到地通路断开的电路结构，不限于本实施例的设置位置及器件种类。
作为本实施例的一种实现方式，所述恒流恒压控制电路1还包括衬底选择模块16，所述衬底选择模块16包括第一二极管d1及第二二极管d2。所述第一二极管d1的阳极连接所述输入电源vin，所述第一二极管d1的阴极连接所述电流采样管m1及所述输出功率管m2的衬底；所述第二二极管d2的阴极连接所述第一二极管d1的阴极，所述第二二极管d2的阳极连接所述输出功率管m2的漏极。
作为本实施例的一种实现方式，所述恒流恒压控制电路1还包括基准电压产生模块17，所述基准电压产生模块17接收所述输入电源vin，并基于所述输入电源vin产生所述恒流恒压控制电路1中的各个基准电压及校准电压，包括但不限于所述第一基准(2.9v)、所述第二基准(0.1v)、所述第一校准电压(1.2v)、所述第二校准电压(1v或0.2v)及输入上电后电压满足工作要求的信号vok。
所述恒流恒压控制电路1的工作原理如下：
1)基于电压跟随使电流采样管m1的漏极电压跟随输出功率管m2的漏极电压，电压跟随控制方法包括：
具体地，比较电流采样管m1与输出功率管m2的漏极电压，并基于所述电流采样管m1与所述输出功率管m2的漏极电压差线性调整与所述电流采样管m1串联的n型调整管n1的阻抗，使所述电流采样管m1的漏极电压跟随所述输出功率管m2的漏极电压。
更具体地，当所述输出功率管m2的漏极电压高于所述电流采样管m1的漏极电压时，所述运算放大器111输出低电平，所述n型调整管n1的阻抗增大，所述电流采样管m1的漏极电压升高；反之，当所述输出功率管m2的漏极电压低于所述电流采样管m1的漏极电压时，所述运算放大器111输出高电平，所述n型调整管n1的阻抗减小，所述电流采样管m1的漏极电压降低；经过对所述n型调整管n1的阻抗线性调整使所述电流采样管m1与所述输出功率管m2的漏极电压相等。
需要说明的是，通过线性控制所述n型调整管n1的阻抗来使所述电流采样管m1的漏极电压跟随所述输出功率管m2的漏极电压，由于n型晶体管的特点在于栅源压差低时不导通，栅源压差线性增大时才会线性导通，因此，流经所述电流采样管m1的电流不会出现过冲。如图3所示，所述输入电源vin到来后，vok起效，所述运算放大器111的输出电压vma及所述电流采样反馈信号prog均产生相应电平，所述恒流恒压控制电路1的输出电流ibat稳定输出，未出现过冲现象，因此，无需现有技术中的防过冲保护，电路结构简单，不存在频繁重启的风险。
需要说明的是，当所述n型调整管n1完全导通时，所述电流采样管m1的漏极电压vtr的电压值可以非常接近于所述电流采样反馈信号的电压值vprog，因此当所述恒流恒压控制电路1的输出电压较低时仍然保持所述输出功率管m2与所述电流采样管m1的电流放大倍数不会出现偏差。
2)基于电压采样反馈信号fb及电流采样反馈信号prog调整所述电流采样管m1及所述输出功率管m2的栅极电压，控制输出电流恒定、输出电压恒定。
具体地，当所述电压采样反馈信号fb的电压值高于所述第一校准电压(本实施例中为1.2v)时，将所述电流采样管m1及所述输出功率管m2的栅极电压调整降低；当所述电压采样反馈信号fb的电压值低于所述第一校准电压时，将所述电流采样管m1及所述输出功率管m2的栅极电压调整升高。当所述电流采样反馈信号prog的电压高于所述第二校准电压(本实施例中通过所述恒流校准点选择模块13选择所述第二校准电压为1v或0.2v)时，将所述电流采样管m1及所述输出功率管m2的栅极电压调整降低；当所述电流采样反馈信号prog的电压低于所述第二校准电压时，将所述电流采样管m1及所述输出功率管m2的栅极电压调整升高。
需要说明的是，通过所述电压跟随控制方法，所述电流采样管m1与所述输出功率管m2的三个极的电压一致，使得所述电流采样管m1与所述输出功率管m2的电流呈设定倍数，即：
其中，ibat为所述恒流恒压控制电路1的输出电流，im2为流经所述输出功率管m2的电流，k为大于1的实数，im1为流经所述电流采样管m1的电流，vprog为所述电流采样反馈信号的电压值，rs为所述采样电阻的阻值。在本实施例中，k为1000，恒压输出后vprog为1v或0.2v。由于所述电流采样管m1及所述输出功率管m2的三个极的电压一致，通过恒流恒压控制后输出满足如下关系式：
其中，vbat为输出电压，vfb为所述电压采样反馈信号fb的电压值，
作为本实施例的一种实现方式，还包括3)当满充时关断所述恒流恒压控制电路1。
具体地，基于所述电流采样反馈信号prog判断流经所述输出管率管m2的电流是否下降至设定点，若是则满充判断信号standby起效，关断所述输出管率管m2的电源到地通路，停止充电；反之，保持充电状态。
实施例二
如图4所示，本实施例提供一种线性充电系统01，所述线性充电系统01包括：
实施例一的恒流恒压控制电路1，电源输入电路2及电池模组3。
如图4所示，所述恒流恒压控制电路1用于实现恒流、恒压控制，进而得到稳定的输出。在本实施例中，所述恒流恒压控制电路1形成芯片，为了提高所述恒流恒压控制电路1的灵活性，所述采样电阻rs设置于芯片外部，可通过选择不同阻值的所述采样电阻rs实现对输出电流的设置。所述恒流恒压控制电路1的具体结构及连接关系参阅实施例一的说明，在此不一一赘述。
如图4所示，所述电源输入电路2连接所述恒流恒压控制电路1，为所述恒流恒压控制电路提供输入电源vin。
具体地，在本实施例中，所述电源输入电路2包括电压源s3及第一滤波电容c1，所述电压源s3的一端接地，一端输出所述输入电源vin；所述第一滤波电容c1并联于所述电压源s3的两端，对所述输入电源vin进行滤波。在实际使用中，所述电压源s3可替换为整流模块，通过整流模块将交流电源转换得到所述输入电源vin，不以本实施例为限。
如图4所示，所述电池模组3连接于所述输出功率管m2的漏极，用于接收所述恒流恒压控制电路1输出的电能并储存。
具体地，在本实施例中，所述电池模组3包括电池负载31及第二滤波电容c2，所述电池负载31的正极连接所述恒流恒压控制电路1的输出端，负极接地；所述第二滤波电容c2并联于所述电池负载31的两端，用于对所述恒流恒压控制电路1的输出电压进行滤波。
作为本实施例的一种实现方式，所述线性充电系统01还包括充电指示电路4，所述充电指示电路4的控制端连接所述满充判断信号standby，当所述线性充电系统01停止充电时关闭充电指示灯。
具体地，在本实施例中，所述充电指示电路4包括依次串联的第三电阻r3、充电指示灯d3及开关管n3，在本实施例中，所述充电指示灯d3采用led灯，所述开关管n3采用n型晶体管，在实际使用中，任意可实现指示的装置、可实现开关的器件均适用于本发明。当满充时关断所述充电指示电路4，所述充电指示灯d3熄灭。
需要说明的是，为了提高集成度，在本实施例中，所述开关管n3集成在芯片内部。
综上所述，本发明提供一种线性充电系统、恒流恒压控制电路及其电压跟随控制方法，包括恒流恒压控制电路，为恒流恒压控制电路供电的电源输入电路及用于储能的电池模组；其中，恒流恒压控制电路包括：电流采样管，输出功率管，控制电流采样管及输出功率管的漏极电压相同的电压跟随控制模块，基于电压采样反馈信号及电流采样反馈信号调整电流采样管及输出功率管栅极电压的栅极控制模块。本发明的线性充电系统、恒流恒压控制电路及其电压跟随控制方法通过线性控制串联在电流采样支路上n型调整管阻抗，无启动电流过冲，解决线性充电管理在启动时存在电流过冲甚至由其导致的不断重启的问题，且可以简化部分电路；且输出电流在输出电压较低时仍然保持高精度的电流放大倍数。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。