一种双通道独立自动识别电池负载的升降压电路的制作方法

1.本发明属于电源电路设计技术领域，涉及一种双通道独立自动识别电池负载的升降压电路。


背景技术：

2.随着集成电路技术的不断发展，升降压的直流转换电源管理类产品得到广泛的发展和应用，实现了高效率的直流到直流电源转换，可以应用于各种电子类产品的使用环境及场合。
3.请参阅图1，图1所示为现有技术中升降压直流转换电路的连接示意图。如图1所示，控制芯片212共有5个端口vin、端口lx、端口bat、端口vout1及接地端gnd。其中，输入电容102的正极及usb电源端口usb port与端口vin连接，输入电容102的负极接地；储能电感104连接在端口lx和端口bat之间，电池旁路电容105连接在端口bat和接地端gnd之间；可充电电池106的正极连接在端口bat和接地端gnd之间；端口输出电容107和电池负载108并接在端口vout1和接地端gnd之间。
4.本领域技术人员清楚，在上述电路中，可以通过对端口vin的电压值来判断直流转换模式，例如，降压或升压的直流转换模式。具体地，通过端口mode模块401对端口vin进行电压值判断选择电源转换模式时，可以分为如下几种情况：
①
. 当vin≥4.7v时，端口vin、开关pmos管404、续流nmos管405和电感104形成了同步降压的架构，电池106进行开关型充电，同时也对端口vout的电池负载提供电源能量；
②
. 当4.5≤vin＜4.7v时同步降压不工作，端口vin仅给电池负载提供电源能量；
③
. 当vin＜4.5v时，开关nmos管405、续流pmos管404、储能电感104形成了同步升压的架构，电池106进行放电，给电池负载108提供电源能量；
④
. 当vin端口浮空时，端口vout连接的电池负载108是通过控制芯片212及储能电感104形成的同步升压对电池负载108进行充电。
5.从上述电路的工作原理可以看出，当vin端口浮空时，如果对电池负载108进行充电的情况下，无法对电池负载108是否充满进行监测，即使电池负载108充满了，同步升压仍然一直处于工作状态。


技术实现要素：

6.为解决的上述技术问题，本发明提出一种双通道独立自动识别电池负载的升降压电路，其技术方案如下：一种双通道独立自动识别电池负载的升降压电路，其包括升降压控制芯片、储能电感、可充电电池、第一电池负载和第二电池负载；其特征在于，所述的升降压控制芯片包括升降压控制模块、负载检测模块、升压旁路电容、第一检测电阻、第二检测电阻、电源端口vin、电感端口lx、充电端口bat、升降压端口pmid、输出端口vout1、输出端口vout2、第一检测端口vend1、第二检测端口vend2及接地端gnd；所述端口vin接收电源的电压；所述储能电
感连接在所述端口lx和所述端口bat之间，所述可充电电池的正极接在所述端口bat，所述可充电电池的负极连接地端gnd，所述第一电池负载连接在所述输出端口vout1和接地端gnd之间，所述第二电池负载连接在所述输出端口vout2和接地端gnd之间；所述升压旁路电容连接在升降压端口pmid和接地端gnd之间；所述第一检测电阻连接在第一检测端口vend1和接地端gnd之间，所述第二检测电阻连接在第二检测端口vend2和接地端gnd之间；其中，所述升降压控制模块用于根据所述电源端口vin的输入电压进行电源路径的管理选择；所述负载检测模块分别检测所述输出端口vout1、所述输出端口vout2、第一检测端口vend1以及第二检测端口vend2；当所述输出端口vout1的电压大于等于v11且小于v12时，再加上所述第一检测端口vend1的电压小于一预定阈值v1时，所述第一电池负载的充电结束；或者，所述输出端口vout2的电压大于等于v21且小于等于v22时，再加上所述第二检测端口vend1的电压小于一预定阈值v1时，所述第二电池负载的充电结束。
7.进一步地，所述负载检测模块包括负载控制器、第一充电通道pmos管、第一充电采样pmos管、第二充电通道pmos管和第二充电采样pmos管；其中，所述负载控制器根据输出端口vout1、第一检测端口vend1、输出端口vout2及第二检测端口vend2的反馈信号分别输出不同的信号vgt1及信号vgt2，对第一充电通道pmos管、第一充电采样pmos管503、第二充电通道pmos管、第二充电采样pmos管进行控制，以便连接于输出端口vout1及输出端口vout2的电池负载实现三段式充电；第一段充电：当负载检测器检测到输出端口vout1＜v13时，所述第一充电通道pmos管处于涓流充电模式，所述第一检测端口vend1的电压值为v2；当负载检测器检测到输出端口vout2＜v23时，所述第一充电通道pmos管处于涓流充电模式，所述第二检测端口vend1的电压值为v2；其中，v13小于v12，v23小于v22，v2大于v1；第二段充电：当负载检测器检测到输出端口v13≤vout1＜v12时，所述第一充电通道pmos管处于恒流充电模式，所述第一检测端口vend1的电压值为v3；充电电流为设定值的100%；同理，当负载检测器检测到输出端口v23≤vout2＜v22时，所述第二充电通道pmos管处于恒流充电模式，所述第二检测端口vend1的电压值为v3；充电电流为设定值的100%；其中，v3大于v2；第三段充电：当负载检测器检测到输出端口v12≤vout1＜v11时，所述第一充电通道pmos管处于恒压充电模式，充电电流随着输出端口vout1的电压线性下降，所述第一检测端口vend1的电压值为预定阈值v1时结束充电；同理，当负载检测器检测到输出端口v12≤vout1＜v11时，所述第二充电通道pmos管处于恒压充电模式，充电电流随着输出端口vout2的电压线性下降，直到第二检测端口的电压为预定阈值v1时结束充电，其中，v11大于v12，v21大于v22，v3大于v2。
8.进一步地，所述v11和v21为4.2伏；所述v12和v22为4.05伏；所述v13和v23为2.9伏；所述v1为0.1，v2为1伏，v3为0.2伏。
9.进一步地，所述的双通道独立自动识别电池负载的升降压电路还包括高压隔离模块；所述升降压控制模块包括模式选择器，所述模式选择器用于根据所述电源端口vin的输入电压进行电源路径的管理选择；当vin≥v2时，在含有所述储能电感的回路中形成同步降压回路，对可充电电池进行开关型充电，同时也对所述负载提供电源能量；当v41≤vin＜v42时，所述同步降压回路不工作，所述电源端口vin仅给所述负载提供电源能量；当vin＜v41时，在含有所述储能电感的回路中形成同步升压回路，对所述可充电电池进行放电，给所述负载提供电源能量；其中，v41小于v42，所述升降压控制模块及负载的工作电压为v43，
v43大于v42；当vin≥v44或vin＜v41时，所述输入高压隔离模块，用于将所述电源端口vin与所述升降压控制模块及所述输出端口vout隔离开；其中，v43＜v44。
10.进一步地，所述的高压隔离模块包括nmos隔离管、电源调整器及电荷泵；其中，所述nmos隔离管的漏极连接到所述端口vin，其源极连接到所述端口vout，其栅极连接到所述电荷泵的输出；所述电源调整器的输入连接到端口vin，其输出作为电源供给所述电荷泵；所述电荷泵的输入连接到所述电源调整器的输出，其输出连接到nmos隔离管的栅极。
11.进一步地，所述高压隔离模块包括电源调整器、栅极钳位齐纳二极管、pmos隔离管、第一衬底切换二极管和第二衬底切换二极管；其中，所述pmos隔离管的源极连接到端口vin，其漏极连接到端口vout，其栅极连接到所述电源调整器的输出节点enb；所述电源调整器的输入连接到端口vin，其输出连接到输出节点enb；所述栅极钳位齐纳二极管的阳极连接到输出节点enb，其阴极连接到pmos隔离管的源极；所述第一衬底切换二极管的阳极连接到端口vin，其阴极连接到所述pmos隔离管的衬底；所述第二衬底切换二极管的阳极连接到vout，其阴极连接到所述pmos隔离管的衬底。
12.进一步地，所述的升降压控制模块包括pmos管、nmos管、模式选择器、衬底选择器、升降压控制器。其中：pmos管的源极连接到vout，其漏极连接到lx，其栅极连接到升降压控制器的vpg输出端；nmos管的源极连接到地，其漏极连接到lx，其栅极连接到升降压控制器的vng输出端；模式选择器的输入连端连接到vin，其输出端连接到升降压控制器的输入端vmod；衬底选择器的两个输入端分别为vout及bat，输出端为vsub连接到升降压控制器的输入端；升降压控制器的4个输入分别为vout、vmod、vsub及bat，两个输出分别为vpg及vng。
13.进一步地，所述的v41为4.5伏，v42为4.7伏，v43为5伏和v44为6.5伏。
14.进一步地，所述的具有功能型定时电路的芯片还包括输入电容和电池旁路电容，所述的输入电容连接在所述端口vin和接地端gnd之间；所述的电池旁路电容连接在所述可充电电池正极和接地端gnd之间。
15.进一步地，所述的双通道独立自动识别电池负载的升降压电路还包括第一输出电容和第二输出电容，所述的第一输出电容连接在所述第一电池负载和接地端gnd之间；所述的第二输出电容连接在所述第二电池负载和接地端gnd之间。
16.从上述技术方案可以看出，本发明的基于上述电路的一种双通道独立自动识别电池负载的升降压电路，实现双通道电池负载的独立的自动识别及三段式充电管理。
附图说明
17.图1所示为现有技术中升降压直流转换电路的连接示意图图2所示为本发明实施例中双通道独立自动识别电池负载的升降压电路示意图图3所示为本发明实施例中双通道负载检测波形的示意图图4所示为本发明实施例中输入高压隔离模块的示意图图5所示为本发明实施例中电源路径管理的示意图。
18.元件标号说明101
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控制芯片102
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输入电容103
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升压旁路电容
104
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储能电感105
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电池旁路电容106
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可充电电池107
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第一输出电容108
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第一电池负载109
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第一检测电阻110
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第二输出电容111
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第二电池负载112
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第二检测电阻201
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高压隔离模块202
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升降压控制模块203
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负载检测模块501
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负载控制器502
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第一充电通道pmos管503
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第一充电采样pmos管504
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第二充电通道pmos管505
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第二充电采样pmos管。
具体实施方式
19.下面结合附图2-3，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
20.需要说明的是，本发明的双通道独立自动识别电池负载的升降压电路中，其增加负载检测模块、第一检测端口vend1、第二检测端口vend2、第一检测电阻和第二检测电阻，通过检测输出端和检测端口的电压，实现双通道独立自动识别电池负载并进行充电状态的控制。
21.请参阅图2，图2所示为本发明实施例中双通道独立自动识别电池负载的升降压电路示意图。如图2所示，该双通道独立自动识别电池负载的升降压电路包括：升降压控制芯片101、输入电容102、储能电感104、电池旁路电容105、可充电电池106、升压旁路电容103、第一输出电容107、第一电池负载108、第一检测电阻109、第二输出电容110、第二电池负载111及第二检测电阻112。
22.所述的升降压控制芯片101包括输入高压隔离模块201、升降压控制模块202、负载检测模块203、电源端口vin、电感端口lx、充电端口bat、升压输出端口pmid、第一输出端口vout1、第一检测端口vend1、第二输出端口vout2、第二检测端口vend2及接地端gnd。
23.在本发明的实施例中，所述端口vin可以连接到一个充电器（例如，usb port）。所述端口lx连接到储能电感104一端，所述储能电感104的另一端连接到所述控制芯片101的端口bat、电池旁路电容105的正极以及可充电电池106的正极；所述端口pmid连接到升压旁路电容103的正极；所述端口vout1连接到第一输出电容107的正极以及第一电池负载108正极；所述端口vend1连接到采样电阻109的一端，采样电阻109的另一端连接到地；所述端口vout2连接到第二输出电容110的正极以及第二电池负载111正极；所述端口vend2连接到采样电阻112的一端，采样电阻112的另一端连接到地；所述端口gnd端连接到地；所述输入电
容102的负极、升压旁路电容103的负极、电池旁路电容105的负极、可充电电池106的负极、第一输出电容107的负极、第一电池负载的负极、第二输出电容110的负极及第二电池负载108的负极均连接到接地端gnd。
24.其中，所述升降压控制模块用于根据所述电源端口vin的输入电压进行电源路径的管理选择；所述负载检测模块分别检测所述输出端口vout1、所述输出端口vout2、第一检测端口vend1以及第二检测端口vend2；其中：vout1为所述芯片101的端口vout1的电压值，vend1为所述芯片101的端口vend1的电压值，vgt1为负载控制器501根据vout1及vend1信号进行处理后输出的信号并控制第一充电通道pmos管502及第一充电采样pmos管503的导通能力，vgt1的最高电压为端口pmid的电压值vpmid，iout1为流经第一充电通道pmos管的电流。
25.当所述输出端口vout1的电压大于等于v11且小于v12时，再加上所述第一检测端口vend1的电压小于一预定阈值v1时，所述第一电池负载的充电结束；或者，所述输出端口vout2的电压大于等于v21且小于等于v22时，再加上所述第二检测端口vend1的电压小于一预定阈值v1时，所述第二电池负载的充电结束。
26.具体地，在本发明的一个较佳实施例中，所述负载检测模块包括负载控制器、第一充电通道pmos管、第一充电采样pmos管、第二充电通道pmos管和第二充电采样pmos管；其中，所述负载控制器根据输出端口vout1、第一检测端口vend1、输出端口vout2及第二检测端口vend2的反馈信号分别输出不同的信号vgt1及信号vgt2，对第一充电通道pmos管、第一充电采样pmos管503、第二充电通道pmos管、第二充电采样pmos管进行控制，以便连接于输出端口vout1及输出端口vout2的电池负载实现三段式充电。
27.第一段充电：当负载检测器检测到输出端口vout1＜v13时，所述第一充电通道pmos管处于涓流充电模式，所述第一检测端口vend1的电压值为v2；当负载检测器检测到输出端口vout2＜v23时，所述第一充电通道pmos管处于涓流充电模式，所述第二检测端口vend1的电压值为v2；其中，v13小于v12，v23小于v22，v2大于v1。
28.第二段充电：当负载检测器检测到输出端口v13≤vout1＜v12时，所述第一充电通道pmos管处于恒流充电模式，所述第一检测端口vend1的电压值为v3；充电电流为设定值的100%；同理，当负载检测器检测到输出端口v23≤vout2＜v22时，所述第二充电通道pmos管处于恒流充电模式，所述第二检测端口vend1的电压值为v3；充电电流为设定值的100%；其中，v3大于v2。
29.第三段充电：当负载检测器检测到输出端口v12≤vout1＜v11时，所述第一充电通道pmos管处于恒压充电模式，充电电流随着输出端口vout1的电压线性下降，所述第一检测端口vend1的电压值为预定阈值v1时结束充电；同理，当负载检测器检测到输出端口v12≤vout1＜v11时，所述第二充电通道pmos管处于恒压充电模式，充电电流随着输出端口vout2的电压线性下降，直到第二检测端口的电压为预定阈值v1时结束充电，其中，v11大于v12，v21大于v22，v3大于v2。
30.请参阅图3，图3所示为本发明实施例中双通道负载检测波形的示意图。在本发明的实施例中，可以假设，所述v11和v21为4.2伏；所述v12和v22为4.05伏；所述v13和v23为2.9伏；所述v1为0.1，v2为1伏，v3为0.2伏。下面以第一充电通道为例进行说明。
31.如图3所示，当负载检测器501检测到vout1＜2.9v时，第一充电通道pmos管502处
于涓流充电模式，充电电流iout1为设定值的20%，vend1的电压值为0.2v；当负载检测器501检测到2.9v≤vout1＜4.15v时，第一充电通道pmos管502处于恒流充电模式，充电电流iout1为设定值的100%，vend1的电压值为1v；当负载检测器501检测到4.15v≤vout1＜4.2v时，第一充电通道pmos管502处于恒压充电模式，充电电流iout1随着vout1的电压线性下降，直到vend1的电压为0.1v时结束充电；当vout1的电压从4.2v下降至4.05v时将触发进入恒流充电模式。
32.需要说明的是，第二充电通道pmos管504与第一充电通道pmos各自独立，检测互不影响，但两个充电通道的工作原理相同。
33.在本发明的一些较佳实施例中，假设，升降压控制模块202及负载108为5v工作电压，当vin为高电压（例如：大于6.5伏）时，或者，vin为低电压（例如：小于4.5伏）时，输入高压隔离模块201把芯片端口vin与升降压控制模块202及输出端口vout隔离开，即负载108仅接受可充电电池106的放电，这样，就不会损坏升降压控制模块202及连接到输出端口vout的负载108，并且，可充电电池106也可以避免给充电器（例如，usb port）倒充的情况。
34.再请参阅图2，在该实施例中，所述高压隔离模块201可以包括nmos隔离管303、电源调整器（reg/uvlo/ovp）301及电荷泵（pump）302。其中，nmos隔离管303的漏极连接到端口vin，其源极连接到输出端vout，其栅极连接到电荷泵302的输出；电源调整器301的输入连接到vin，其输出作为电源供给电荷泵302；电荷泵302的输入连接到电源调整器301的输出，其输出连接到nmos隔离管303的栅极。
35.在本发明的另一个较佳实施例中，如图4所示，所述高压隔离模块201也可以包括电源调整器304、栅极钳位齐纳二极管305、pmos隔离管306、第一衬底切换二极管307和第二衬底切换二极管308。其中，pmos隔离管306的源极连接到端口vin，其漏极连接到端口vout，其栅极连接到电源调整器的输出enb；电源调整器的输入连接到端口vin，输出为enb；栅极钳位齐纳二极管305的阳极连接到enb，其阴极连接到pmos隔离管的源极；第一衬底切换二极管307的阳极连接到端口vin，其阴极连接到pmos隔离管306的衬氏；第二衬底切换二极管308的阳极连接到端口vout，其阴极连接到pmos隔离管306的衬底。
36.需要说明的是，所述升降压控制模块202可以采用现有技术中的任何一种。例如，在本发明的实施例中，如图2所示，该升降压控制模块202可以包括pmos晶体管404、nmos晶体管405、模式选择器（mode）401、衬底选择器（sub）402和升降压控制器（buck-boost control）403。
37.其中，pmos晶体管404的源极连接到vout，其漏极连接到lx，其栅极连接到升降压控制器403的vpg输出端；nmos晶体管405的源极连接到地，其漏极连接到lx，其栅极连接到升降压控制器403的vng输出端；模式选择器401的输入连端连接到端口vin，其输出端连接到升降压控制器403的输入端vmod；衬底选择器402的两个输入端分别为端口vout及端口bat，输出端为vsub连接到升降压控制器403的输入端；升降压控制器403的4个输入分别为端口vout、端口vmod、端口vsub及端口bat，两个输出分别为端口vpg及端口vng。
38.在本实施例中，由于衬底选择器402对本发明的技术方案没有起到关联性的作用，在此不再赘述。
39.下面结合图2参照图5，对本发明的发明原理进行说明。在该实施例中，如图2所示，所述升降压控制模块202包括模式选择器401，所述模式选择器401用于根据所述电源端口
vin的输入电压进行电源路径的管理选择。当vin≥v2时，在含有所述储能电感的回路中形成同步降压回路，对可充电电池进行开关型充电，同时也对所述负载提供电源能量；当v41≤vin＜v42时，所述同步降压回路不工作，所述电源端口vin仅给所述负载提供电源能量；当vin＜v41时，在含有所述储能电感的回路中形成同步升压回路，对所述可充电电池进行放电，给所述负载提供电源能量；其中，v41小于v42，所述升降压控制模块及负载的工作电压为v3，v3大于v42。当vin≥v44或vin＜v41时，所述输入高压隔离模块，用于将所述电源端口vin与所述升降压控制模块及所述输出端口vout隔离开；其中，v43＜v44。
40.具体地，请参阅图3，图3所示为本发明实施例中电源路径管理的示意图。在该实施例中，v41、v42、v43和v44均为直流电压值，且v41＜v42＜v43＜v44。如图3所示，所述的v41为4.5伏，v42为4.7伏，v43为5伏和v44为6.5伏。也就是说，所述升降压控制模块及负载的工作电压为v3=5伏。
41.当模式选择器401检测到vin＜4.5v或vin＞6.5v时，电源调整器301的vreg输出电平为0，电荷泵302不工作其输出电平为0，即nmos隔离管303的栅极为低电平，nmos隔离管303为关断，端口vin与端口vout间为开路，同时模式选择器401检测到vin＜4.5v或vin＞6.5v时，输出信号vmod使升降压控制器403处于升压工作模式，可充电电池106经储能电感104及升降压控制模块202到负载108进行放电。
42.当模式选择器401检测到4.5v≤vin≤6.5v时，电源调整器301的vreg输出为vin（4.5v≤vin≤5v时）或vreg输出为5v（5v＜vin≤6.5v时），电荷泵302工作其输出电平为7v，即nmos隔离管303的栅极为高电平7v，故nmos隔离管303为导通，端口vin与端口vout间为闭合。
43.当模式选择器401检测到4.5v≤vin＜4.7v时，输出信号vmod使升降压控制器403处于待机模式，升降压控制模块202不对可充电电池106进行充放电，vin经nmos隔离管303直接给vout提供电源。
44.当模式选择器401检测到4.7v≤vin＜6.5v时，输出信号vmod使升降压控制器403处于充电模式，vin经nmos隔离管303、升降压控制模块202对可充电电池106进行充电，且vin经nmos隔离管303直接给vout 提供电源。
45.综上所述，本发明的双通道独立自动识别电池负载的升降压电路中，其可以具体要用到耳机中，其增加负载检测模块、第一检测端口vend1、第二检测端口vend2、第一检测电阻和第二检测电阻，通过检测左右耳机的输出端和检测端口的电压，实现独立自动分别检测左右耳机双通道电池负载的充电状态，方便地监控左右耳机双通道电池负载是否充电完成。
46.以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。