用在电荷泵充电模式下的电池电压和电流调节装置的制作方法

1.本发明涉及电路领域，更具体地涉及用在电荷泵充电模式下的电池电压和电流调节装置。


背景技术：

2.随着诸如智能手机、平板电脑之类的移动设备的性能不断增强(例如，处理速度更快、显示屏幕更大等)，为这些移动设备供电的电池容量不断增大。但是，电池容量增大不能以延长充电时间为代价，因为消费者不愿意在电池充电上等待太长时间。所以，能够满足大功率移动设备对于低发热、快速充电需求的电荷泵充电架构应运而生。


技术实现要素：

3.根据本发明实施例的用在电荷泵充电模式下的电池电压调节装置，其中，实现电荷泵充电模式的充电架构包括第一功率开关管，当第一功率开关管处于导通状态时，电源适配器能够经由第一功率开关管对电池充电，电池电压调节装置包括放电控制开关管和放电电流源并且被配置为：基于表征电池充电电压的电池电压检测信号和电池恒压控制阈值，生成电池恒压控制电流；基于电池电压检测信号和电池过压预警阈值，生成电池过压预警信号；以及基于电池过压预警信号，生成用于控制放电控制开关管从关断状态变为导通状态的放电使能信号，其中：当放电控制开关管处于导通状态时，电池恒压控制电流和来自放电电流源的放电电流被用来调节第一功率开关管的栅极电压，当放电控制开关管处于关断状态时，电池恒压控制电流被用来调节第一功率开关管的栅极电压，而来自放电电流源的放电电流不被用来调节第一功率开关管的栅极电压。
4.根据本发明实施例的用在电荷泵充电模式下的电池电流调节装置，其中，实现电荷泵充电模式的充电架构包括第一功率开关管，当第一功率开关管处于导通状态时，电源适配器能够经由第一功率开关管对电池充电，电池电流调节装置包括放电控制开关管和放电电流源并且被配置为：基于表征电池充电电流的电池电流检测信号和电池恒流控制阈值，生成电池恒流控制电流；基于电池电流检测信号和电池过流预警阈值，生成电池过流预警信号；以及基于电池过流预警信号，生成用于控制放电控制开关管从关断状态变为导通状态的放电使能信号，其中：当放电控制开关管处于导通状态时，电池恒流控制电流和来自放电电流源的放电电流被用来调节第一功率开关管的栅极电压，当放电控制开关管处于关断状态时，电池恒流控制电流被用来调节第一功率开关管的栅极电压，而来自放电电流源的放电电流不被用来调节第一功率开关管的栅极电压。
5.根据本发明实施例的电荷泵充电架构，包括上述电荷泵芯片中的一者或两者。
附图说明
6.从下面结合附图对本发明的具体实施方式的描述中可以更好地理解本发明，其中：
7.图1示出了根据本发明实施例的电荷泵充电架构的示例框图。
8.图2示出了用在图1所示的电荷泵芯片中的开关管控制单元的框图。
9.图3示出了图2所示的调节模式单元的框图。
10.图4示出了与图3所示的恒压控制环路有关的多个信号的波形图。
11.图5示出了与图3所示的恒流控制环路有关的多个信号的波形图。
12.图6示出了图3所示的恒压或恒流控制环路中的跨导放大器的示例电路实现。
具体实施方式
13.下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明决不限于下面所提出的任何具体配置和算法，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了元素、部件和算法的任何修改、替换和改进。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以便避免对本发明造成不必要的模糊。
14.图1示出了根据本发明实施例的电荷泵充电架构100的示例框图。如图1所示，电荷泵充电架构100包括电荷泵芯片102和功率开关管m1，电荷泵芯片102包括功率开关管m2，其中：当功率开关管m1和m2处于关断状态时，电源适配器与电池之间不存在电连接因此不能对电池充电(即，此时电源适配器不能经由功率开关管m1对电池充电)；当功率开关管m1和m2处于导通状态时，电源适配器与电池之间存在电连接因此能够对电池充电(即，此时电源适配器能够经由功率开关管m1对电池充电)，此时可以通过调节功率开关管m1的栅极电压来调节电池充电电压vbat或电池充电电流ibat。这里，功率开关管m1和m2可以由例如，n型金属氧化物半导体场效应晶体管(n-mosfet)实现。
15.如图1所示，电荷泵芯片102除了包括功率开关管m2以外还包括直充模式单元1022、电池检测单元1024、以及模-数转换单元1026，其中：直充模式单元1022被配置为实现电池的大电流直充；电池检测单元1024被配置为基于电池充电电压vbat和电池充电电流ibat生成电池电压检测信号vbat_sns和电池电流检测信号ibat_sns，并将电池电压检测信号vbat_sns和电池电流检测信号ibat_sns提供给模-数转换单元1026；模-数转换单元1026被配置为基于电池电压检测信号vbat_sns和电池电流检测信号ibat_sns生成电池电压指示信号vsns《11:0》和电池电流指示信号isns《11:0》，并将电池电压指示信号vsns《11:0》和电池电流指示信号isns《11:0》提供给微控制单元，以使微控制单元根据电池充电电压vbat和电池充电电流ibat的变化适当调节电源适配器提供的充电电压vbus和充电电流ibus，以此来实现电池的高效充电。
16.在电荷泵充电架构100工作在充电模式的情况下，当电源适配器发生异常使得电荷泵充电架构100的输入电压vac瞬时增大时，有可能引起电池充电电压vbat或电池充电电流ibat的瞬时增大，从而误触发电池的过压保护(over voltage protection，ovp)或过流保护(over current protection，ovp)。当电池的ocp或ovp被触发时，电荷泵充电架构100退出充电模式，从而引起充电断流和重启。对于应用电荷泵充电架构100的各种移动设备，这种现象是不希望发生的。
17.因此，提出了一种用在电荷泵芯片102中的电池电压/电流调节装置，能够抑制由于电池充电电压vbat或电池充电电流ibat的异常对电荷泵充电架构100的影响。
18.图2示出了用在图1所示的电荷泵芯片102中的电池电压/电流调节装置200的框图。如图2所示，电池电压/电流调节装置200包括电荷泵1、电荷泵2、反馈电阻rfb、电流采样电阻rcs、以及调节模式单元1028，其中：电荷泵1被配置为基于电源适配器提供的充电电压vbus在时钟信号clk1的高低电平的控制下生成控制电压vcp1，用以经由反馈电阻rfb控制功率开关管m1从关断状态变为导通状态，其中vcp1＝vbus+δv1，δv1是第一预定电压；电荷泵2被配置为基于电源适配器提供的充电电压vbus在时钟信号clk2的高低电平的控制下生成控制电压vcp2，用以控制功率开关管m2从关断状态变为导通状态，其中vcp2＝vbus+δv2，δv2是第二预定电压；反馈电阻rfb用于调节功率开关管m1的栅极电压；电流采样电阻rcs用于对电池充电电流ibus进行采样，电池检测单元1024基于电流采样电阻rcs上的采样电压生成电池电流检测信号ibat_sns；调节模式单元1028被配置为基于电池电压检测信号vbat_sns或电池电流检测信号ibat_sns生成栅电压调节电流ireg，用以经由反馈电阻rfb调节功率开关管m1的栅极电压，从而抑制电池充电电压vbat或电池充电电流ibat的突变，防止由于电池充电电压vbat或电池充电电流ibat的突变造成充电断流和重启。
19.图3示出了图2所示的调节模式单元1028的框图。如图3所示，调节模式单元1028包括恒压控制环路302、恒流控制环路304、调节逻辑306、放电控制开关管m3、以及放电电流源idischg，其中：调节模块306被配置为基于来自恒压控制环路302或恒流控制环路304的相关控制信号控制放电控制开关管m3的导通与关断，从而控制来自放电电流源idischg的放电电流是否被用来调节功率开关管m1的栅极电压(即，是否被作为栅电压调节电流ireg的一部分)。需要说明的是，恒压控制环路302和恒流控制环路304不同时工作，即：当恒压控制环路302工作时，恒流控制环路304不工作；当恒流控制环路304工作时，恒压控制环路302不工作。
20.在一些实施例中，恒压控制环路302被配置为基于电池电压检测信号vbat_sns和电池恒压控制阈值vbat_reg生成电池恒压控制电流icv，并基于电池电压检测信号vbat_sns和电池过压预警阈值vbat_alm生成电池过压预警信号；调节逻辑306被配置为基于电池过压预警信号，生成用于控制放电控制开关管m3从关断状态变为导通状态的放电使能信号one_pulse。这里，当放电控制开关管m3处于导通状态时，电池恒压控制电流icv和来自放电电流源idischg的放电电流idischg被用来调节功率开关管m1的栅极电压(即，栅电极调节电流ireg＝icv+idischg)；当放电控制开关管m3处于关断状态时，电池恒压控制电流icv被用来调节功率开关管m3的栅极电压，而来自放电电流源idischg的放电电流idischg不被用来调节功率开关管m1的栅极电压(即，栅电极调节电流ireg＝icv)。
21.在一些实施例中，恒压控制环路302还被配置为基于电池电压检测信号vbat_sns和电池过压保护阈值vbat_ovp生成电池过压指示信号；调节逻辑306还被配置为基于电池过压指示信号，生成用于控制放电控制开关管m3从导通状态变为关断状态的放电停止信号。
22.在一些实施例中，调节模式单元1028还包括保护逻辑308，在这种情况下，恒压控制环路302还被配置为基于电池电压检测信号vbat_sns和电池过压保护阈值vbat_ovp生成电池过压指示信号；保护逻辑308被配置为基于电池过压指示信号，生成用于控制电源适配
器停止对电池充电的充电停止信号。
23.图4示出了与图3所示的恒压控制环路302有关的多个信号的波形图，其中，vgs表示功率开关管m1的栅极与源极之间的电压差值，vgs_reg表示功率开关管m1的米勒平台电压，one_pulse表示用于控制放电控制开关管m3从关断状态变为导通状态的放电使能信号，vac表示电荷泵充电架构100的输入电压，vbat_sns表示表征电池充电电压vbat的电池电压检测信号，vbat_ovp表示电池过压保护阈值，vbat_alm表示电池过压预警阈值，vbat_reg表示电池恒压控制阈值。
24.下面结合图3和图4，描述电池充电电压vbat的相关调节过程。如图3和图4所示，当电荷泵充电架构100的输入电压vac的快速增大使得电池充电电压vbat_sns大于电池恒压控制阈值vbat_reg时，跨导放大器gm_cv基于电池电压检测信号vbat_sns和电池恒压控制阈值vbat_reg生成电池恒压控制电流icv，用以经由反馈电阻rfb来调节功率开关管m1的栅极电压，其中，vbat_ocp＝vbat_reg+δv3，icv＝gm_cv*(vbat_sns-vbat_reg)，δv3是第三预定电压。由于功率开关管m1的栅极电容一般较大(这会造成环路控制的滞后性)，所以在电池电压检测信号vbat_sns大于电池过压预警阈值vbat_alm时，为了快速抑制电池充电电压vbat的增大：比较器comp_cv1生成指示vbat_sns大于vbat_alm的电池过压预警信号；调节逻辑306基于电池过压预警信号生成一个固定脉宽(tp)的放电使能信号one_pulse，使得放电电流源idischg输出一个固定脉宽(tp)的脉冲大电流idischg，该脉冲大电流idischg和电池恒压控制电流icv一起被用来释放功率开关管m1的栅极电容中的电荷(此时，栅电极调节电流ireg＝icv+idischg)，将功率开关管m1的栅极电压快速调节到功率开关管m1的米勒平台电压附近。然后，跨导放大器gm_cv继续基于电池电流检测信号ibat_sns和电池恒流控制阈值ibat_reg生成电池恒压控制电流icv，用以调节功率开关管m1的栅极电压(此时，栅电极调节电流ireg＝icv)，将功率开关管m1从线性区工作驱动到饱和区工作(即，使功率开关管m1的导通电阻增大)，以防止电池充电电压vbat过大。另外，在电池电压检测信号vbat_sns大于电池过压保护阈值vbat_ocp时，比较器comp_cv2生成指示ibat_sns大于ibat_ocp的电池过压指示信号；调节逻辑306基于电池过压指示信号将放电控制开关管m3强制恢复到关断状态；保护逻辑308基于电池过压指示信号控制电源适配器停止对电池充电。
25.应该理解的是，电池可以等效为一个大电容和电池内阻，当由于外力造成电池损坏而引起电池内阻突然增大时，在电池充电电流ibat不变的条件下电池充电电压vbat也会异常增大。在这种情况下，也可以通过与上述类似的调节过程来调节电池充电电压vbat。
26.在一些实施例中，恒流控制环路304被配置为基于电池电流检测信号ibat_sns和电池恒流控制阈值ibat_reg生成电池恒流控制电流icc，并基于电池电流检测信号ibat_sns和电池过流预警阈值ibat_alm生成电池过流预警信号；调节逻辑306还被配置为基于电池过流预警信号，生成用于控制放电控制开关管m3从关断状态变为导通状态的放电使能信号one_pulse。这里，当放电控制开关管m3处于导通状态时，电池恒流控制电流icc和来自放电电流源idischg的放电电流idischg被用来调节功率开关管m1的栅极电压(即，栅电极调节电流ireg＝icc+idischg)；当放电控制开关管m3处于关断状态时，电池恒流控制电流icc被用来调节功率开关管m3的栅极电压，而来自放电电流源idischg的放电电流idischg不被用来调节功率开关管m1的栅极电压(即，栅电极调节电流ireg＝icc)。
27.在一些实施例中，恒流控制环路304还被配置为基于电池电流检测信号ibat_sns和电池过流保护阈值ibat_ovp生成电池过流指示信号；调节逻辑306还被配置为基于电池过流指示信号，生成用于控制放电控制开关管m3从导通状态变为关断状态的放电停止信号；保护逻辑308还被配置为基于电池过流指示信号，生成用于控制电源适配器停止对电池充电的充电停止信号。
28.图5示出了与图3所示的恒流控制环路304有关的多个信号的波形图，其中，vgs表示功率开关管m1的栅极与源极之间的电压差值，vgs_reg表示功率开关管m1的米勒平台电压，one_pulse表示用于控制放电控制开关管m3从关断状态变为导通状态的放电使能信号，vac表示电荷泵充电架构100的输入电压，ibat_sns表示表征电池充电电流ibat的电池电流检测信号，ibat_ovp表示电池过流保护阈值，ibat_alm表示电池过流预警阈值，ibat_reg表示电池恒流控制阈值。
29.下面结合图3和图5，描述电池充电电流ibat的相关调节过程。如图3和图5所示，当电荷泵充电架构100的输入电压vac的快速增大使得电池充电电流ibat_sns大于电池恒流控制阈值ibat_reg时，跨导放大器gm_cc基于电池电流检测信号ibat_sns和电池恒流控制阈值ibat_reg生成电池恒流控制电流icc，用以经由反馈电阻rfb来调节功率开关管m1的栅极电压，其中，ibat_ocp＝ibat_reg+δv4，icc＝gm_cc*(ibat_sns-ibat_reg)，δv4是第四预定电压。由于功率开关管m1的栅极电容一般较大(这会造成环路控制的滞后性)，所以在电池电流检测信号ibat_sns大于电池过流预警阈值ibat_alm时，为了快速抑制电池充电电流ibat的增大：比较器comp_cc1生成指示ibat_sns大于ibat_alm的电池过流预警信号；调节逻辑306基于电池过流预警信号生成一个固定脉宽(tp)的放电使能信号one_pulse，使得放电电流源idischg输出一个固定脉宽(tp)的脉冲大电流idischg，该脉冲大电流idischg和电池恒流控制电流icc一起被用来释放功率开关管m1的栅极电容中的电荷(此时，栅电极调节电流ireg＝icc+idischg)，将功率开关管m1的栅极电压快速调节到功率开关管m1的米勒平台电压附近。然后，跨导放大器gm_cc继续基于电池电流检测信号ibat_sns和电池恒流控制阈值ibat_reg生成电池恒流控制电流icc，用以调节功率开关管m1的栅极电压，将功率开关管m1从线性区工作驱动到饱和区工作(即，使功率开关管m1的导通电阻增大)，防止电池充电电流ibat过大。另外，在电池电流检测信号ibat_sns大于电池过流保护阈值ibat_ocp时，比较器comp_cc2生成指示ibat_sns大于ibat_ocp的电池过流指示信号；调节逻辑306基于电池过流指示信号将放电控制开关管m3强制恢复到关断状态；保护逻辑308基于电池过流指示信号控制电源适配器停止对电池充电。
30.图6示出了图3所示的恒压或恒流控制环路302或304中的跨导放大器gm_cv或gm_cc的示例电路实现。需要说明的是，跨导放大器gm_cv或gm_cc的具体实现方式有很多，这里仅仅是一个示例。实际应用中，由于功率开关管m1的寄生参数的差异，通常可以编程配置适当的gm_cv、gm_cc、放电脉宽(tp)、放电电流(idischg)来灵活实现电池充电电压vbat或电池充电电流ibat的调节。
31.综上所述，根据本发明实施例的电池电压/电流调节装置，在电池充电电压vbat或电池充电电流ibat超过电池恒压控制阈值vbat_reg、电池过压预警阈值vbat_alm、电池恒流控制阈值ibat_reg、和电池过流预警阈值ibat_alm中的相应阈值时，通过拉低功率开关管m1的栅极电压使其工作在饱和区，可以快速限制电池充电电压vbat或电池充电电流ibat
的增大，从而可以防止由于电池充电电压vbat或电池充电电流ibat的增大造成充电断流和重启。
32.需要说明的是，电荷泵充电架构100是用于实现电荷泵充电模式的示例架构，根据本发明实施例的电池电压/电流调节装置可以用在实现电荷泵充电模式的各种充电架构中，而不仅限于用在电荷泵充电架构100中。
33.本发明可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。例如，特定实施例中所描述的算法可以被修改，而系统体系结构并不脱离本发明的基本精神。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本发明的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明的范围之中。