一种基于耗尽管的高压充电管理芯片

技术领域

本发明属于充电管理技术领域，尤其涉及一种基于耗尽管的高压充电管理芯片。

背景技术

锂电池的产业化，带动了便携式电子设备的蓬勃发展，同时也带火了充电管理芯片。任何一个基于锂电池供电的设备都离不开充电管理芯片，安全、可靠、高效的充电过程需要充电管理芯片保障。

锂离子电池是目前便携式电子产品中使用最为广泛的可充电电池。锂离子电池(Li-ion Battery)是指以两种不同的能够可逆插入和脱出锂离子的化合分别作为电池的正极和负极的二次电池。和其它化学电池一样，锂离子电池主要由正极材料、负极材料和电解质材料组成。

随着电池容量的不断提高，锂离子电池将成为21世纪电动汽车的主要动力电源之一，并将在人造卫星、航空航天和储能方面得到应用。由于锂离子电池本身电学特性的原因，几乎每一块锂离子电池都需要一个充电管理芯片来提供充放电保护以延长其使用寿命。

合理的充电方式及参数(电流、电压和温度)可以极大的延长锂电池的使用寿命。自从第一个可充电电池出现以后，如何更好进行充电管理就成为大家一直研究的方向。及至现在随着技术的不断发展，可充电电池的充电方式也越来越丰富，不同的电池应用环境都可以找到与之对应的充电方式。

就充电器芯片的整体充电方案来说，主要采用以下三种充电方式：线性充电方式、开关充电方式以及脉冲充电方式。线性充电芯片因其结构简单、易用性强等优点，广受欢迎，线性充电芯片也经历了几代发展：基于CMOS工艺的低压线性充电芯片——基于特殊CMOS工艺的、带电池反接保护等可靠性更佳的芯片——基于BCD工艺的高耐压高可靠性、集成全面保护的芯片。

申请号为CN202011232823.9的中国发明专利申请提出锂电池充电管理系统，包括电源电路、开关电路、数据采集电路、控制电路和锂电池，电源电路与控制电路连接，控制电路与开关电路连接，开关电路与锂电池连接，控制电路和锂电池连接至数据采集电路，电源电路与开关电路的开关芯片连接，开关芯片包括第一场效应管和第一三极管，快恢复二极管和电感属于开关电路，第一三极管的集电极连接至快恢复二极管，快恢复二极管与电感连接，电感连接至锂电池，数据采集电路包括电流反馈电路和过流保护电路，电流反馈电路包括第二三极管，过流保护电路包括多个并联的二极管组成的二极管组。该发明可有效防止电路功耗过高，避免出现发热损坏电路的问题，提高工作可靠性。

然而，发明人发现，传统基于低压CMOS工艺的线性充电管理芯片架构，其充电输入可支持的最高电压通常低于7V，在缺乏芯片外围保护的情况下，容易在充电输入(比如USB端口)插拔时损坏；此外，随着USB-PD等快充协议的普及，越来越多的适配器(充电器)可以支持快充，即在完成握手通讯协议后，适配器可以改变输出电压，由传统的5V输出提高至9V、12V，甚至20V。换言之，一旦适配器出错，可能在未经通讯握手的情况下输出高压，导致传统低压充电芯片损坏；通常对此改进的方式是增加电荷泵驱动，又使得控制复杂，成本进一步增加。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种基于耗尽管的高压充电管理芯片，所述芯片由稳压电路、检测控制电路以及耗尽型高压器件组成。所述稳压电路连接外部电压输入端，对所述外部电压进行转换后，作为所述检测控制电路的输入电压；所述检测控制电路连接电池充电端，用于检测充电电流/电压，并控制充电过程；所述耗尽型高压器件由一个横向扩散的耗尽型N型MOS管和一个二极管组成；所述横向扩散的耗尽型N型MOS的衬底通过所述二极管接地。

本发明提出的所述高压充电管理芯片不包含电荷泵，可大大简化芯片系统架构，降低芯片成本，提高芯片可靠性，同时可在遭遇充电端插拔引起的尖峰高电压和适配器(充电器)工作异常输出高压时，避免芯片损坏。

具体来说，本发明的技术方案实现如下：

一种基于耗尽管的高压充电管理芯片，所述芯片由稳压电路、检测控制电路以及耗尽型高压器件组成。

其中，所述稳压电路连接外部电压输入端，对所述外部电压进行转换后，作为所述检测控制电路的输入电压；

更具体的，所述稳压电路包括基准电路、偏置电路以及线性稳压电路；

所述基准电路包括带隙基准电压源电路以及对称电流镜；

所述偏置电路包括偏置电压源以及偏置可调模块；

所述线性稳压电路与所述基准电路和所述偏置电路连接。

所述检测控制电路连接电池充电端，用于检测充电电流/电压，并控制充电过程。

所述检测控制电路与所述偏置电路的偏置可调模块连接；

基于所述检测控制电路检测到的所述充电电流/电压，配置所述偏置可调模块的偏置参数，基于所述偏置参数控制所述偏置电压源。

更具体的，所述检测控制电路包括第一比较器、第二比较器以及第三比较器；

所述第一比较器、第二比较器以及第三比较器的输出端均连接至同一个逻辑控制电路。

所述耗尽型高压器件由一个横向扩散的耗尽型N型MOS管和一个二极管组成；

所述横向扩散的耗尽型N型MOS的衬底通过所述二极管接地。

本发明采用dldnmos(横向扩散的耗尽型N型MOSFET)作为充电芯片的核心器件，一方面该dldnmos同样可以承受VBUS端自定义的高压能力；此外，无须电荷泵电路来驱动。同时，该耗尽型ldnmos的衬底端固定接地，不存在倒灌问题。

本发明的进一步优点将结合说明书附图在具体实施例部分进一步详细体现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术的一种传统低压CMOS的充电芯片架构示意图

图2是现有技术的一种用于高压输入的基于BCD工艺的充电芯片架构图

图3是本发明提出的一种可防倒灌的充电芯片架构图

图4是本发明一个实施例的一种基于耗尽管的高压充电管理芯片的模块组成图

图5是图4所述基于耗尽管的高压充电管理芯片的更具体实施例

图6是图4或图5中所述基于耗尽管的高压充电管理芯片使用的稳压电路结构示意图

图7是图4或图5中所述基于耗尽管的高压充电管理芯片使用的检测控制电路结构示意图

图8是图4或图5中所述基于耗尽管的高压充电管理芯片使用的偏置可调模块的结构示意图

具体实施方式

在介绍本发明的技术方案之前，首先引入部分相关现有技术的介绍。

如前述背景技术所述，充电管理芯片按工作方式可以分为线性充电和开关充电，线性充电芯片因其结构简单、易用性强等优点，广受欢迎，线性充电芯片也经历了几代发展：

□基于CMOS工艺的低压线性充电芯片；

□基于特殊CMOS工艺的、带电池反接保护等可靠性更佳的芯片；

□基于BCD工艺的高耐压高可靠性、集成全面保护的芯片。

图1给出现有技术的一种传统低压CMOS的充电芯片架构示意图。

由于图1本身是现有技术，且不构成本发明的改进技术方案，本发明对其具体结构元器件及其连接关系不作详细展开介绍，附图1中的元器件符号遵循本领域的惯用理解。

图1是传统基于低压CMOS工艺的线性充电管理芯片架构，其充电输入可支持的最高电压通常低于7V，在缺乏芯片外围保护的情况下，容易在充电输入(比如USB端口)插拔时损坏；

此外，随着USB-PD等快充协议的普及，越来越多的适配器(充电器)可以支持快充，即在完成握手通讯协议后，适配器可以改变输出电压，由传统的5V输出提高至9V、12V，甚至20V。换言之，一旦适配器出错，可能在未经通讯握手的情况下输出高压，导致传统低压充电芯片损坏。

为了应对上述高压环境，同时降低成本、节省外围保护电路，基于BCD工艺的充电芯片可以支持自定义的高压输入，比如30V、甚至40V。图2是该类芯片的示意图，其中关键器件Mn1是ldnmos(横向扩散的增强型N型MOSFET)，该器件可以承受充电输入端VBUS端的高压。

然而，发明人发现，图2的架构不支持防倒灌，即当充电输入端没有接入时，电池电压会通过体二极管D1倒灌回VBUS端，进而消耗电池电量。

为此，发明人进行了初次改进，如图3，采用两个ldnmos”背靠背”连接，这样在没有充电输入时，可通过将两个ldnmos断开来切断从电池端回流到VBUS端的通路。

然而，实际应用中，发明人发现，两个ldnmos将大大增加芯片的成本，此外两个ldnmos都需要电荷泵电路来驱动，使得控制复杂，成本进一步增加。

由此，发明人进一步改进，从而得到本发明的技术方案。本发明要求保护的技术方案从图4开始介绍。

在图4中，是本发明一个实施例的一种基于耗尽管的高压充电管理芯片的模块组成图。

其中，所述高压充电管理芯片由稳压电路、检测控制电路以及耗尽型高压器件组成。

更具体的，所述稳压电路连接外部电压输入端，对所述外部电压进行转换后，作为所述检测控制电路的输入电压；

所述检测控制电路连接电池充电端，用于检测充电电流/电压，并控制充电过程；

所述耗尽型高压器件由一个横向扩散的耗尽型N型MOS管和一个二极管组成；

所述横向扩散的耗尽型N型MOS的衬底通过所述二极管接地。

需要注意的是，本发明所述的高压充电管理芯片不包含电荷泵。

1.采用dldnmos(横向扩散的耗尽型N型MOSFET)作为充电芯片的核心器件，如图5，一方面该dldnmos同样可以承受VBUS端自定义的高压能力；此外，无须电荷泵电路来驱动。

2.该耗尽型ldnmos的衬底端固定接地，不存在倒灌问题，从而无须两个器件”背靠背”连接，只需要单个器件就可满足要求。

作为进一步的改进，参见图6，图6是图4或图5中所述基于耗尽管的高压充电管理芯片使用的稳压电路结构示意图。

具体的，所述稳压电路包括基准电路、偏置电路以及线性稳压电路；

所述基准电路包括带隙基准电压源电路以及对称电流镜；

所述偏置电路包括偏置电压源以及偏置可调模块；

所述线性稳压电路与所述基准电路和所述偏置电路连接。

所述检测控制电路与所述偏置电路的偏置可调模块连接；

基于所述检测控制电路检测到的所述充电电流/电压，配置所述偏置可调模块的偏置参数，基于所述偏置参数控制所述偏置电压源。

所述基准电路的所述带隙基准电压源电路包括启动电路和亚阈电流产生电路；

所述启动电路连接外部电压输入端；

所述亚阈电流产生电路与所述对称电流镜连接。

图7则给出图4或图5中所述基于耗尽管的高压充电管理芯片使用的检测控制电路结构示意图。

在图7中，所述检测控制电路包括第一比较器、第二比较器以及第三比较器；

所述第一比较器、第二比较器以及第三比较器的输出端均连接至同一个逻辑控制电路。

所述第一比较器、第二比较器以及第三比较器的正向输入端共同连接至热敏电阻；

所述第一比较器、第二比较器以及第三比较器的各自的反向输入端通过不同的分压电阻接收输入电压。

图8则是图4或图5中所述基于耗尽管的高压充电管理芯片使用的偏置可调模块的结构示意图。

在图8中，所述偏置可调模块包括第一PMOS管M11、第三PMOS管M13、第五PMOS管M15、第二NMOS管M12、第四NMOS管M14以及可变电容C和可变电阻R；

其中，M11和M12通过栅极对接，M13和M14通过栅极对接；

M13、M11和M15的源极连接，并共同连接至可变电容C的第一端；

M15的漏极连接至可变电容C的第二端；

所述可变电容的第二端与所述可变电阻的第一端连接；

M14的源极连接至所述可变电容的第一端，并连接至所述启动电路。

结合图4-图8可以看出，本发明的实施例中，共有3部分组成：

1)稳压电路–将高压输入转换为低压，给检测控制电路工作电路供电；

2)检测控制电路–负责电压、电流、温度检测，并控制充电过程；

3)耗尽型高压器件(dldnmos)–负责耐输入高压，防止倒灌，以及充电电流控制。

更具体的，传统ldnmos控制充电电流时，由于其开启阈值电压远大于0V，ldnmos的栅极需要一个比输入VBUS端和VBAT电池端都高的电压才能有效驱动，因此需要电荷泵电路来抬高产生该电压，才能维持充电电流流过。而耗尽型dldnmos的开启阈值电压小于0V，因此只需要比电池电压略高的驱动电压就可以维持充电电流，无须电荷泵电路。

本发明首次将耗尽型dldnmos用于高压充电管理芯片，实现了dldnmos驱动无须电荷泵电路的结构，并采用dldnmos衬底接地的防倒灌方式。

衬底接地后，体二极管从地指向输入端，不存在从电池回流的通路，也就不存在倒灌的问题。这样就不必采用两个ldnmos“背靠背”连接的，大大降低了芯片成本。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。