一种适用于多节电池组应用系统的电源建立方法

技术领域

本发明属于电池管理充电技术领域，具体的说是涉及一种适用于多节电池组应用系统的电源建立方法。

背景技术

基于2S电池组合的充放电拓扑架构如图1所示，适配器输出电源VADP经过一个降压电感式DC-DC BUCK给系统电源VSYS供电，同时通过BATFET开关和反向1：2电荷泵CP(Charge Pump，电荷泵)给电池组充电，BATFET开关可以起到调节充电电流作用，CP将BATFET输出V1X经过1：2升压后连接到电池。当适配器不在位时，电池组进入放电模式，BATFET将选择配置直通模式，电池电压经过2：1CP降压后给系统电源VSYS供电，启动建立稳定后系统电源VSYS和电池组半压电源V1X可以保持相近的电平状态。所述电荷泵可以实现双向升降压控制，电池组充电模式下电荷泵可以表现为反向1：2升压转换器，电池组放电模式下电荷泵可以表现为正向2：1降压转换器。

双向2：1电荷泵电路拓扑如图2所示，主要由四个功率开关和一个FLY电容组成，在充电模式下，PHASE1 Q2和Q4导通，V1X对FLY电容充电，PHASE2 Q1和Q3导通，FLY电容对电池V2X放电；在放电模式下，PHASE1 Q1和Q3导通，电池V2X对FLY电容充电，PHASE2 Q2和Q4导通，FLY电容对输出V1X放电。

当适配器不在位条件下，传统方法系统电源建立时序关系为：1、电池组装机，V2X电源上电；2、2：1电荷泵经过缓启后建立半压电源V1X；3、开启反向BATFET，系统电源VSYS开始建立。通常在手机PMIC应用中系统电源后级挂着100uF量级以上的电容，即系统电源所在的电容容值远大于V1X电源的有效容值，因此，在BATFET开启瞬间V1X端将会出现短暂短路状态给系统电源所在的电容充电，如果系统选择上电屏蔽电荷泵过压/过流保护，芯片将会出现可靠性风险，如果系统选择保留电荷泵所有保护机制，电荷泵将会瞬间触发过流保护后停止工作，时序电源建立关系如图3所示，电荷泵关机后延迟一段时间再自启动，BATFET重新打开后再触发电荷泵保护再重新关机，如此反复状态将使得系统电源无法正常建立。

发明内容

本发明提出一种预充电式系统电源实现方法，即在电荷泵缓启结束后采用开关source/sink电流源对V1X所在电容预充电/放电的方法来保持V1X和V2X的半压关系。由于所述预充电模式是限流状态，BATFET打开后无需触发保护机制来重启。当系统电源建立完成后AP(Application Processor)开始响应，发出SYS_OK状态信号后电荷泵退出预充电模式，进入主功率开关模式。

针对上述问题，本发明的技术方案是：

一种适用于多节电池组应用系统的电源建立方法，所述多节电池组应用系统包括电池组、电荷泵、BUCK电路，BUCK电路的输入连接外部电源，BUCK电路的输出为系统供电，并通过控制BATFET开关经过电荷泵给电池组充电；在没有外部电源时，BATFET选择配置直通模式，电池组通过电荷泵为系统供电；将电池组与电荷泵连接端的电压定义为V2X，电荷泵与系统端连接的电压定义为V1X；其特征在于，还包括预充电电路，所述预充电电路用于将V1X维持在二分之一V2X电平附近，在BATFET打开后预充电电路自动对V1X进行限流模式充电，当系统电源充满后预充电电路对V1X进行下拉；当应用处理器响应并判断系统电源正常建立后发送确认信号给电荷泵，电荷泵退出预充电模式，进入主功率开关模式进行放电；所述电源建立方法包括：

阶段一，BATFET打开，V1X电容电荷和系统电源电容电荷进行电荷分享，系统电源VSYS上升，V1X下降；

阶段二，当V1X电压低于BATFET检测的欠压保护后BATFET重新关闭，VSYS电压处于HOLD状态；

阶段三，V1X电压通过预充电电路重新预充电到V2X二分之一附近，且V1X欠压保护去抖时间计时满后BATFET第二次打开，VSYS充到和V1X电平相等后保持迟滞电压模状态，迟滞电压频率和纹波由预充电电路调节改变；

阶段四，应用处理器响应判断系统电源建立完成发送确认信号给电荷泵，电荷泵进入主功率开关电容模式。

进一步的，所述电荷泵包括源漏端依次相连的第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、FLY电容；第一开关管的漏极为V2X，第四开关管的源极接地，FLY电容的上极板接第一开关管源极与第二开关管漏极的连接点，FLY电容的下极板接第三开关管源极与第四开关管漏极的连接点；第二开关管源极与第三开关管漏极的连接点接电池组正极，为V1X；

所述预充电电路包括第一开关管、第四开关管、第一电流源、第二电流源，其中预充电电路中的第一开关管和第四开关管与电荷泵中第一开关管和第四开关管为复用的；第一开关管用于控制第一电流源的开启或者关闭，第四开关管用于控制第二电流源的开启或者关闭；所述第一电流源由第一电压-电流转换器、第一高压PMOS电流镜组成、第一高压NMOS电流镜组成，其中第一电压-电流转换器用于实现第一电流源的可编程调节，第一高压PMOS电流镜用于实现将低压电流源转换成V2X电源轨，高压NMOS电流镜用于实现将电流源转换成V1X电源轨，第一电流源的漏极连接FLY电容的上极板，第一电流源的源极连接V1X；所述第二电流源由第二电压-电流转换器、第二高压PMOS电流镜组成，其中第二电压-电流转换器用于实现第二电流源的可编程调节，第二高压PMOS电流镜用于实现将低压电流源转换成V2X电源轨，所述第二电流源的漏极连接FLY电容下级板，第二电流源的源极连接V1X。

进一步的。还包括检测电路，所述检测电路用于控制预充电电路模式的状态切换，具体为：当V1X电平上升到二分一V2X电平后，第一电流源关闭第二电流源开启，当V1X电平下降到二分一V2X电平减去一个迟滞电压后由第一电流源开启第二电流源关闭。

进一步的，所述检测电路由两个串联的比例电阻、比较器和输出开关控制电流源组成，串联的比例电阻一端连接V2X，另一端接地，两个比例电阻的连接点连接比较器反向输入端，比较器正向输入端连接V1X电平，开关控制电流源和其中一个电阻乘积用于决定状态检测迟滞电压。

本发明的有益效果是：本发明提出的预充电式系统电源实现方法相比于传统技术方案，可以解决系统电源上电过程中反复启机的问题。

附图说明

图1为2S电池充放电拓扑原理图；

图2为双向2：1电荷泵电路拓扑；

图3为传统系统电源建立的实现方法；

图4为预充电电路实现；

图5为电流源结构示意图，其中(a)预充电sink电流源；(b)预充电source电流源；

图6为迟滞电压判断比较电路，其中(a)迟滞电压判断比较电路；(b)V1X迟滞电压波形；

图7为系统电源VSYS建立关键信号波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的描述。

本发明提出的系统电源建立主要有四个阶段：阶段一，BATFET打开，V1X电容电荷和系统电源电容电荷进行电荷分享，系统电源VSYS上升，V1X下降；阶段二，当V1X电压低于BATFET检测的欠压保护后BATFET重新关闭，VSYS电压处于HOLD状态；阶段三，V1X电压重新预充电到V2X二分之一附近，且V1X欠压保护去抖时间计时满后BATFET第二次打开，VSYS充到和V1X电平相等后保持迟滞电压模状态，迟滞电压频率和纹波可以由预充电电路调节改变；阶段四，AP响应判断系统电源建立完成发送SYS_OK状态信号给电荷泵，电荷泵进入主功率开关电容模式。

本发明中，电池组装机，电池电源电压上电后，电荷泵先进入缓启模式，所述缓启模式将完成FLY电容、驱动电源、BST电容的建立以及各级短路状态的检查，缓启过程正常结束后电荷泵将进入预充电模式，所述预充电模式可以将半压电源V1X维持在二分之一V2X电平附近，BATFET打开后V1X电源将会出现强下拉状态，预充电电路自动进入source模式对V1X进行限流模式充电，当系统电源充满后预充电电路将自动切换到sink模式对V1X进行下拉；当AP响应并判断系统电源正常建立后发送SYS_OK状态信号给电荷泵，电荷泵退出预充电模式，进入主功率开关模式进行放电。

所示预充电电路，由开关电流源组成，所述开关可以是主功率管的Q1和Q4，其中Q1可以控制source电流源的开启或者关闭，Q4可以控制sink电流源的开启或者关闭；所述source电流源是由电压-电流转换器、高压PMOS电流镜组成、高压NMOS电流镜组成，其中电压-电流转换器可以实现source电流源的可编程调节，高压PMOS电流镜实现将低压电流源转换成V2X电源轨，高压NMOS电流镜实现将电流源转换成V1X电源轨，所述驱动电流源drain端可以连接FLY电容上级板CFP，source端可以连接V1X；所述sink电流源是由电压-电流转换器、高压PMOS电流镜组成，其中电压-电流转换器可以实现source电流源的可编程调节，高压PMOS电流镜实现将低压电流源转换成V2X电源轨，所述驱动电流源drain端可以连接FLY电容下级板CFN，source端可以连接V1X。

所述预充电机制还包括状态检测电路，所述状态检测电路可以控制预充电电路source和sink模式的状态切换，具体实现可以是，当V1X电平上升到二分一V2X电平后由source模式切换到sink模式，当V1X电平下降到二分一V2X电平减去一个迟滞电压后由sink模式切换到source模式。

所述预充电状态检测电路主要由两个比例电阻、比较器和输出开关控制电流源组成，比例电阻一端连接V2X，另一个端连接比较器反向输入端，比较器正向输入端可以连接V1X电平，开关控制电流源和其中一个电阻乘积可以决定状态检测迟滞电压。

预充电电路实现如图4所示，主要由迟滞电压比较器、主功率管Q1和Q4、source电流源ILIM_SP和sink电流源ILIM_SN，其中主功率管及其电平转换器和驱动电路可以复用开关电容控制电路的一部分，source电流源ILIM_SP和sink电流源ILIM_SN具体实现为可编程高压电流源，当Q1开关导通且Q4开关断开，source电流源通路导通对V1X电容充电，当Q4开关导通且Q1开关断开，sink电流源通路导通对V1X电容放电。

预充电sink电流源电路实现如图5(a)所示，主要由基准电压VREF_SP、运算放大器AMP、可编程电阻R0、高压PMOS电流镜MP1&MP2组成，通过改变电阻R0值可以实现sink电流源的调节；预充电source电流源电路实现如图5(b)所示，主要由基准电压VREF_SN、运算放大器AMP、可编程电阻R1、高压PMOS电流镜MN1&MN2、高压NMOS电流镜MN3&MN4组成，通过改变电阻R1值可以实现source电流源的调节；

迟滞电压判断比较电路如图6(a)所示，主要由匹配电阻R0&R1、比较器CMP、开关S0、电流源I0组成，其中电阻R0和R1比例可以是1：1，预充电刚开启时，V1X电平较低，逻辑电平PRECHG_OK为低电平，开关S0断开，当V1X电压建立到接近二分之一V2X电压后PRECHG_OK信号变为高电平，预充电电路由source电流模式转换为sink电流模式，V1X电压开始线性下降。开关S0导通，比较器反向参考电压变为1/2V2X-I0*R0，当V1X电压低于到1/2V2X-I0*R0后PRECHG_OK信号重新变为低电平，预充电电路由sink电流模式转换为source电流模式，其中变量I0*R0可以表征为V1X电压的迟滞分量HYS。

系统电源VSYS电压波形如图7所示，电池电压V2X上电后系统电源VSYS电压建立主要分为四个阶段：第一阶段，Precharge Mode，BATFET第一次开启，V1X所在的电容电荷和VSYS所在电容电荷进行电荷分享，具体电路表现为V1X电压下跌，VSYS电压开始上升；第二阶段，Hold Mode，当V1X电压下跌到一定阈值后BATFET开关进入欠压保护状态，BATFET开关断开，VSYS电压保持恒定状态，与此同时，V1X电压又重新被预充电电路充到二分之一V2X电压附近；第三阶段，Hys-Voltage Mode，当V1X电压恢复且欠压保护去抖时间计时到后，BATFET开关第二次重新打开，经过一段建立时间后VSYS和V1X保持同步迟滞电压模式；第四阶段，Switch-Capacitor Mode，当AP响应且检测到系统电源建立完成后将向电荷泵发送SYS_OK状态信号，电荷泵接受到此信号后退出预充电模式，进入到主功率级开关电容模式。