一种反向充电保护电路的制作方法

1.本发明实施例涉及保护电路技术领域，具体涉及一种反向充电保护电路。


背景技术：

2.随着信息技术的发展，手机已经成为人们交换信息的核心设备。随着手机 内部硬件性能越来越强、屏幕越来越大，软件运行越来越复杂，手机的耗电也 越来越快。提升续航能力，除了加大手机电池的容量之外，提升充电功率也是 各厂家的重中之重。电荷泵快充芯片虽然能实现大电流高效率的充电，帮助手 机充电芯片突破物理限制，但是就其原理来说有一个缺点。电荷泵充电电路同 时可以正向充电也可以反向充电，反向充电会产生严重的安全隐患，所以在电 荷泵充电芯片中，需要一个反向充电保护电路，一旦检测反向充电，就立即关 掉电荷泵快充芯片，阻断充电通路，保护输入源和电池，保证充电安全。
3.现有技术如图1所示，反向充电的通路是供电电源vbat经过电荷泵充电 通路到中间电源pmid，再从中间电源pmid经过保护开关qb到输入电源vbus。 开关qb_sns是开关qb的镜像管，开关qb_sns与开关管qb导通电阻的比例是x:1， 通过可变下拉电流源iref流过qb_sns的导通电阻产生电压为vbus_sns， vbus_sns＝pmid-iref*rqb_sns(rqb_sns是qb_sns的导通电阻)。vbus的电 压为pmid-iload*rqb(rqb是qb的导通电阻)。当vbus＝vbus_sns时，即 iref*rqb_sns＝iload*rqb，可以得到iload＝x*iref。当iload》x*iref时， vbus《vbus_sns，iload为输入电源的电流，高精度比较电路的正极》负极， 比较电路的输出信号rcp从低变高，指示从中间电源pmid到输入电源vbus 的电流超过x*iref的保护阈值，需要关掉电荷泵充电电路防止反向充电。
4.随着电池充电电流越来越大，为了效率的考虑，需要qb的导通电阻越来越小 (小于6mω)，而反向充电电流的阈值一般都会比较小(小于0.2a左右),所以 会出现iref*rqb_sns比较小的情况，比如0.2a*5mω＝1mv。反向电流保护电路 的阈值的修调一般是通过调整修调电路iref的电流来矫正阈值的偏差，这就使 得vbus_sns的正向修调范围最大的情况就是iref＝0时即iref*rqbsns＝0。阈值 的偏差最大的来源就是比较电路的输入失调电压。如果比较电路的输入失调电 压vos是2mv，那么反向充电保护电路的电流阈值偏差就是vos/rqb＝2mv/5m ω＝0.4a。为了能使比较电路的输入失调电压能被修调范围覆盖，使绝大多数 芯片的阈值都能矫正回中心点，需要比较电路自身的失调电压vos小于 iref*rqbsns即1mv。这就需要比较电路的设计按照高精度比较电路的要求来设 计，通常要保证比较电路3σ的失调电压小于1mv即1σ小于0.33mv。这就需 要使用很多特别大尺寸的器件来保证比较电路的失配足够小，而大尺寸的器件 使用不仅会增加面积，还会引入很大的寄生电容，从而严重影响比较电路的反 应速度，当反向电流快速变化到很大的时侯，反向保护电路反应慢不能及时的 关断反向充电电路，就会引入安全风险，损坏输入源或者电池。


技术实现要素：

5.为此，本发明实施例提供一种反向充电保护电路，以解决现有技术中反向 保护电
路反应慢不能及时的关断反向充电电路所引入的安全风险，损坏输入源 或者电池等技术问题。
6.第一方面，本技术实施例提供了一种反向充电保护电路，包括：第一开关， 第二开关，修调电路和比较电路；
7.所述第一开关第一端均与输入电源和修调电路第一端连接，所述第二开关 第一端与修调电路第一端连接；
8.所述第一开关第二端和所述第二开关第二端均与中间电源连接；
9.所述第一开关第三端和第二开关第三端均与第一偏置电路连接；
10.所述修调电路第二端与比较电路第一端连接，所述修调电路第三端与参考 地连接；
11.所述比较电路包括第一比较电路支路，第二比较电路支路，电平转换电路 和驱动电路，所述第一比较电路支路和第二比较电路支路并联设置，所述第一 比较电路支路第一端和第二比较电路支路第一端与修调电路第二端连接，所述 第一比较电路支路第二端和所述第二比较电路支路第二端与参考地连接，所述 第二比较电路支路第三端与所述电平转换电路第一端连接，所述电平转换电路 第二端与驱动电路第一端连接，所述驱动电路第二端与所述第一开关和所述第 二开关第一端连接，通过所述驱动电路的控制信号关闭第一开关以防止反向充 电。
12.作为本技术一优选实施例，所述电路还包括迟滞产生电路；
13.所述驱动电路第二端与所述迟滞产生电路第一端连接，所述迟滞产生电路 第二端与所述第二开关第一端连接，所述迟滞产生电路第三端与参考地连接， 所述迟滞产生电路用于避免比较电路的两个输入端的电压相近时比较电路输 出逻辑电平不稳定。
14.作为本技术一优选实施例，所述修调电路包括：修调支路和第一电流源；
15.所述修调支路第一端分别与所述第一开关第一端和所述第二开关第一端 连接；
16.所述第一电流源第一端与修调支路第二端连接，所述第一电流源第二端与 参考地连接。
17.作为本技术一优选实施例，所述修调支路包括第一电阻和第二电阻；
18.所述第一电阻第一端与第一开关第一端连接，第二电阻第一端与第二开关 第一端连接，所述第一电阻第二端分别与第一比较电路支路第一端和第一电流 源第一端连接，所述第二电阻第二端与第二比较电路支路第一端和第一电流源 第一端连接。
19.作为本技术一优选实施例，所述修调电路包括：所述第一电阻第二端和第 二电阻第二端之间设置有第一电容。
20.作为本技术一优选实施例，所述第一比较电路支路包括相互串联的第一 pmos管和第二电流源，所述第二比较电路支路包括相互串联的第二pmos 管和第二电流源；
21.所述第一pmos管的栅极和漏极连接，且所述第一pmos管的栅极与第 二pmos管的栅极连接，所述第一pmos管的源极与第一电阻第二端连接， 所述第一pmos管的漏极与第二电流源第一端连接，所述第二电流源第二端 与参考地连接；
22.所述第二pmos管的源极与第二电阻第二端连接，所述第二pmos管的 漏极与第三电流源第一端连接，所述第三电流源第二端与参考地连接。
23.作为本技术一优选实施例，所述第一比较电路支路上还设置有第一nmos 管，所述
第一nmos管的漏极与所述第一pmos管的漏极连接，所述第一 nmos管的栅极与第二偏置电路连接，所述第一nmos管的源极与所述第二 电流源第一端连接；
24.所述第一比较电路支路上还设置有第三pmos管，所述第三pmos管的 源极与所述第二pmos管的漏极连接，所述第三pmos管的栅极与第三偏置 电路连接，所述第三pmos管的漏极与第三电流源第一端连接。
25.作为本技术一优选实施例，所述电平转换电路包括第二nmos管，第三 nmos管和第四电流源；
26.所述第二nmos管的漏极与第三pmos管的漏极连接，所述第二nmos 管的源极与第三电流源第一端连接，所述第二nmos管的源极与第三电流源 第一端之间的公共端与所述第三nmos管的栅极连接，所述第三nmos管的 源极与参考地连接，所述第三nmos管的漏极与第四电流源第一端连接。
27.作为本技术一优选实施例，所述驱动电路第一端与所述第四电电流源第一 端与第三nmos管的漏极之间的公共端连接。
28.作为本技术一优选实施例，所述迟滞产生电路为第五电流源。
29.与现有技术相比，本技术实施例提供了一种反向充电保护电路，从电路结 构上对反向充电电路结构进行改进，大量减少高压器件的使用，减少大尺寸器 件的使用，用最少的器件，最少的功耗，可靠的实现反向充电保护的功能，同 时也修改了修调方案，有效扩大修调范围，从而在不影响反向充电保护电路电 流阈值精度的前提下，降低比较器精度的要求，从而减小比较电路的尺寸，增 加比较电路的反应速度从而及时阻止反向充电。增加保护电路的可靠性，减小 电路的面积。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对 实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下 面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创 造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
31.本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内 容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条 件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调 整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明 所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
32.图1为现有技术中提供的一种反向充电保护电路结构示意图；
33.图2为本技术实施例提供的一种反向充电保护电路结构示意图；
34.图3为本技术实施例提供的一种反向充电保护电路结构示意图；
35.图4为本技术实施例提供的一种反向充电保护电路的工作波形图。
具体实施方式
36.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由 本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的 实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例， 本领域普通技术人员在没
有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都属于本发明保护的范围。
37.如图2所示，本技术实施例提供了一种反向充电保护电路，包括：第一开 关02，第二开关07，修调电路05和比较电路04；
38.所述第一开关02相当于现有技术图1中的开关qb，第二开关07相当于 现有技术图1中的开关qb_sns，第二开关07为第一开关02的镜像管，所述 第一开关02和第二开关07均为nmos管，所述第一开关02第一端和第二开 关07的第一端均为源极，所述第一开关02第二端和第二开关07的第二端均 为漏极，所述第一开关02第三端和第二开关07的第三端均为栅极，在本技术 实施例中，所述第一开关02第一端均与输入电源01和修调电路05第一端连 接，所述第二开关07第一端与修调电路05第一端连接，所述第二开关07第 一端与修调电路05第一端连接；所述第一开关02第二端和所述第二开关07 第二端均与中间电源03连接；所述第一开关02第三端和第二开关07第三端 均与第一偏置电路07连接以便可以通过第一偏置电路07开启第一开关02和 第二开关07。
39.所述修调电路05第二端与比较电路04第一端连接，所述修调电路05第 三端与参考地连接，所述比较电路04包括第一比较电路支路04-1，第二比较 电路支路04-2，电平转换电路04-3和驱动电路04-4，所述第一比较电路支路 04-1和第二比较电路支路04-2并联设置。
40.所述第一比较电路支路04-1第一端和第二比较电路支路04-2第一端与修 调电路05第二端连接，所述第一比较电路支路04-1第二端和所述第二比较电 路支路04-2第二端与参考地连接，所述第二比较电路支路04-2第三端与所述 电平转换电路04-3第一端连接，所述电平转换电路04-3第二端与驱动电路 04-4第一端连接，所述驱动电路04-4第二端与所述第一开关02和所述第二开 关07第一端连接，通过所述驱动电路04-4的控制信号关闭第一开关02以防 止反向充电。
41.优选地，所述修调电路05包括：修调支路和第一电流源05-3，所述修调 支路第一端分别与所述第一开关02第一端和所述第二开关07第一端连接；所 述第一电流源05-3第一端与修调支路第二端连接；所述第一电流源05-3第二 端与参考地连接。
42.在本技术实施例中，所述修调支路包括第一电阻05-1和第二电阻05-2；
43.其中，所述第一电阻05-1第一端与第一开关02第一端连接，第二电阻05-2 第一端与第二开关07第一端连接，所述第一电阻05-1第二端分别与第一比较 电路支路04-1第一端和第一电流源05-3第一端连接，所述第二电阻05-2第二 端与第二比较电路支路04-2第一端和第一电流源05-3第一端连接，其中，所 述第一电阻05-1的阻值小于第二电阻05-2的阻值。通过本技术的修调电路05 可以扩大修调范围，从而在不影响反向充电保护电路电流阈值精度的前提下， 降低比较电路精度的要求，从而减小比较电路的尺寸，增加比较电路的反应速 度从而及时阻止反向充电，进而增加保护电路的可靠性，减小电路的面积。
44.具体的，设置第一电阻05-1的电阻值r1与第二电阻05-2的电阻值r2 比值为β，设置β＝0.5，设置第一电流源05-3的电流itrim等于第二电流源 04-1-2的电流i1。电压v1＝pmid-(iload+itrim+i1)*rqb-(itrim+i1)*r1， 电压v2＝pmid-(i2+ihys)*rqb_sns-i2*r2，其中，v1为第一pmos管04-1-1 的源极电压或者比较电路的输入电压，v2为第二pmos管04-2-1的源极电压 或者比较电路的输入电压，iload为输入电源01的电流，pmid为中间电源03 的输出电压，rqb为第一开关02的导通电阻，ihys为第一电流源05-3的电流， rqb_sns
04-3-1，第三nmos管04-3-2和第四电流源04-3-3；第三pmos管04-2-3可 以保证第一pmos管04-1-1的漏极电压和第二pmos管04-2-1的漏极电压相 等。
58.所述第二nmos管04-3-1的漏极与第三pmos管04-2-3的漏极连接，所 述第二nmos管04-3-1的源极与第三电流源04-2-2第一端连接，所述第二 nmos管04-3-1的源极与第三电流源04-2-2第一端之间的公共端与所述第三 nmos管04-3-2的栅极连接，所述第三nmos管04-3-2的源极与参考地连接， 所述第三nmos管04-3-2的漏极与第四电流源04-3-3第一端连接，所述第二 nmos管04-3-1相当于一个开关，当所述第二nmos管04-3-1的源极电压 v3超过预设值时，则所述第二nmos管04-3-1关断，这样可以保证所述第二 nmos管04-3-1源极电压v3可以为比较低的电压。
59.在本技术实施例中，所述驱动电路04-4第一端与所述第四电电流源04-3-3 第一端与第三nmos管04-3-2的漏极之间的公共端连接。
60.比较电路04核心由第一pmos管04-1-1、第二pmos管04-2-1、第三 pmos管04-2-3、第一nmos管04-1-3、第二nmos管04-3-1、第三nmos 管04-3-2、第二电流源04-1-2、第三电流源04-2-2、第四电流源04-3-3组成， 其工作原理是：
61.设置i1＝i2，第一pmos管04-1-1的宽长比等于第二pmos管04-2-1的 宽长比，其中，第一pmos管04-1-1、第二pmos管04-2-1为低压pmos管， 第三pmos管04-2-3为高压pmos管，设置第二偏置电路04-1-4的电压vb1 为vbus-2*vthp。vthp为pmos的开启阈值电压。通过这样的设计使第二 pmos管04-2-1的vds和第一pmos管04-1-1的vds都在vbus－vthp左右， 这样一方面可以保护第二pmos管04-2-1的vds不会过压，还会使第二pmos 管04-2-1和第一pmos管04-1-1的vds相等从而消除了沟道长度调制效应引 入的失效电压，其中，vds为pmos管的栅极与源极之间的电压。设置第二偏 置电路04-1-4的电压vb2的电压为2*vthn，其中，vthn为nmos的开启阈 值电压。比较电路在翻转点时，v3的电压等于vthn，而第一nmos管04-1-3 的源级电压也是vthn，这样就能消除由第二电流源04-1-2和第三电流源04-2-2 的不同压降引入的电流失调。第二nmos管04-3-1的栅极接低压电源vdd， 这样就可以限制v3的电压最高不能超过vdd－vthn，第三nmos管04-3-2和 第四电流源04-3-3组成的共源级放大器作为比较电路的第二级把v3的逻辑高 电平从vdd－vthn转到vdd，vdd为低压电源，通过反相驱动电路drv04-4， 输出rcp控制信号给充电控制电路控制电荷泵充电电路的关断。
62.当v1＞v2时，所述第二pmos管04-2-1的栅源电压vds大于第一pmos 管04-1-1的栅源电压vds，所以，流过第二pmos管p2 04-2-1的电流ip2大 于流过第一pmos管p1 04-1-1的电流ip1，而i1＝i2＝ip2。所以i2＞ip1，对 v3点来说下拉电流大于上拉电流，v3被拉低，第三nmos管04-3-2的栅极被 拉低，第三nmos管04-3-2截至，v4被第四电流源04-3-3拉高，经驱动电路 04-4drv反向得到比较电路输出控制信号rcp＝0，电荷泵充电电路正常工 作。
63.当v1＜v2时，第二pmos管04-2-1的栅源电压vds小于第一pmos管 04-1-1的栅源电压vds，所以流过第二pmos管p2 04-2-1的电流ip2小于流 过第一pmos管p1 04-1-1的电流ip1，而i1＝i2＝i*p1管。所以i2＜i*p1，对 v3点来说下拉电流小于上拉电流，v3被拉高，当v3被拉高到vdd－vthn时， 第二nmos管04-3-1的栅源电压vds小于vthn，第二nmos管04-3-1截至， 第三nmos管04-3-2的栅极不能继续升高。第三nmos管04-3-2的栅极电 压超过vthn，第三nmos管04-3-2开启，v4被拉低，经过驱动电路drv 04-4 反向得到比较器输出信号rcp
＝1，电荷泵充电电路关闭。
64.如上所述，现有技术中的比较电路，浮地产生电路和电平转化电路的功能 都在本专利中中实现。
65.优选的，本技术实施例提供的的反向充电保护电路还包括迟滞产生电路 06；所述驱动电路04-4第二端与所述迟滞产生电路06第一端连接，所述迟滞 产生电路06第三端与参考地连接，所述迟滞产生电路06第二端与所述第二开 关07第一端，所述迟滞产生电路06用于避免比较电路的两个输入端的电压相 近时比较电路输出逻辑电平不稳定，在本技术实施例中，所述迟滞产生电路 06为第五电流源，当rcp＝0时，第五电流源开启，当rcp＝1时，第五电流 源关闭，vbus_sns上升ihys*rqb_sns，也就是说输入电源01增大使rcp＝ 1之后，需要输入电源01下降到比rcp从0变1的阈值低x*ihys电流之后 才能使rcp从1恢复为0，比较器迟滞的作用是为了防止在vbus和 vbus_sns比较接近的时候，比较电路04来回翻转而不能输出稳定的逻辑电 平。
66.综上所述，现有技术中的iref电路功能在本专利的比较电路04中实现， 而且修调范围得到有效扩大。修调范围的扩大使比较电路精度设计的难度大大 降低。器件尺寸和设计复杂度就会大大减小，小尺寸器件代替大尺寸器件的使 用也会让比较器的速度大大提升。
67.反向充电保护电路的工作原理和波形图如图4所示：
68.当输入电源01电流iload上升时，输入电源01电压vbus下降，v1电 压也跟随下降，因为第一电阻r1 05-1和第二电阻r2 05-2的压降相同，所以 当vbus下降到小于vbus_sns电压时。v1电压小于v2，第二pmos管04-2-1 的栅源电压变大，第二pmos管04-2-1的上拉电流变大，v3点上拉电流大于 下拉电流，v3变高，但是被第三nmos管04-3-1钳位到vdd-vthn，第三nmos 管04-3-2的栅极电压变高，第三nmos管04-3-2开启使v4变低，经过反向 驱动电路04-4drv，rcp输出为高。表示反向充电保护工作，电荷泵充电电 路关闭，第五电流源关闭，vbus_sns上升，使rcp控制信号从高变低的iload 电流阈值下降。
69.当输入电源01iload电流下降时，输入电源01电压vbus上升，v1电压 也上升，因为r1和r2的压降是一样的，所以当上升到大于vbus_sns电压 时。v1电压大于v2，第二pmos管04-2-1的栅源电压变小，第二pmos管 04-2-1的上拉电流变小，v3点上拉电流小于下拉电流，v3变低，第三nmos 管04-3-2截止，第四电流源04-3-3上拉使v4变高，经过反向驱动电路04-4drv， rcp控制信号输出为低，表示反向充电保护不工作，电荷泵充电电路可以工 作。第五电流源开启，vbus_sns下降。rcp控制信号从低变高的输入电源01 iload电流阈值上升。
70.本技术实施例提供的保护电路结构简单，面积小(节约面积大于50％)， 实现成本低，功能可靠，功耗小(小于现有技术的50％)，修调范围的增加， 在不影响比较电路04精度的前提下，最大限度的减小了比较电路04的面积， 提高了比较电路04的速度(反应时间小于20％)，使反向充电保护能够快速 可靠的阻断待供电器件vbat到输入源vbus的反向充电通路，提高了安全 性。
71.虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述， 但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是 显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均 属于本发明要求保护的范围。