充电电路及其充电系统

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体地，涉及一种用于电池充电场合的充电电路及其充电系统。

背景技术

便携式设备中的电池可以通过各种电源充电，包括适配器和无线电源。降压(Buck)充电器是一种相当常见的电池充电器拓扑，其可以对输入直流电压进行转换后产生直流输出电压。降压充电器中需要一个反馈环路，以控制电路中功率管的开关时间(也即调节占空比)，以便维持电池充电所需的稳定的输出电流或电压。但是，在降压充电器中，当降压充电器的输入电压远高于电池电压时，效率通常会下降。

在输入源的电压远高于电池电压的情况下，电荷泵电路，也称为开关电容式电压变换器，比降压稳压器具有更高的效率。但是，由于在充电过程中输入电压和电池电压不能保持固定的比率，因此需要控制器来监视电池电压并调节输入源(例如适配器)的电压，以实现电池充电操作，控制较为复杂。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种充电电路及其充电系统，该充电系统包括双输入充电电路，被配置为当输入为可调电压源时，以电荷泵形式工作；当输入为固定电压源时，以混合型开关变换器形式工作，以获得更高的效率。同时，该充电电路采用较少的功率器件，降低了系统成本。

根据本发明的第一方面，提供了一种充电电路，包括：

第一端口，接收第一输入源；

第二端口，与第二输入源或外部设备连接；以及

功率级电路，被配置为在第一状态下以电荷泵形式工作，在第二状态下以混合型开关变换器形式工作，其中所述混合型开关变换器与所述电荷泵共用至少部分功率管。

进一步地，所述第一端口接入所述第一输入源时，所述功率级电路处于所述第一状态，并受控以所述电荷泵形式工作，以给所述功率级电路的输出端耦接的电池充电。

进一步地，在所述第二状态下，所述混合型开关变换器工作在降压或升压模式。

进一步地，当所述第二端口接入所述第二输入源时，所述功率级电路受控以所述混合型开关变换器形式工作，且所述混合型开关变换器工作在降压模式，以给与所述功率级电路的输出端耦接的电池充电。

进一步地，当所述第二端口接入所述外部设备时，所述功率级电路受控以所述混合型开关变换器形式工作，且所述混合型开关变换器工作在升压模式，使得与所述功率级电路的输出端并联的电池给所述外部设备充电。

进一步地，所述第一输入源产生可调节的电压，所述第二输入源产生固定的电压。

进一步地，所述功率级电路包括：

开关网络，包括多个功率管，依次串联耦接在所述第一端口和参考地之间，并形成多个开关中间节点，其中所述开关中间节点为所述功率管之间的公共节点；以及

至少一个跨接电容，其两端分别与对应的开关中间节点相连。

进一步地，所述至少一个跨接电容和所述开关网络共同构成了所述电荷泵。

进一步地，所述电荷泵接收可调节的所述第一输入源，且所述电荷泵中各功率管的开关状态受控以使所述电荷泵产生固定的电压转换比，从而通过调节所述第一端口产生的电压的大小来调节所述电荷泵产生的输出信号，以满足充电要求。

进一步地，所述功率级电路还包括：

电感，耦接在所述第二端口和所述开关网络之间。

进一步地，所述电感、所述至少一个跨接电容和所述开关网络中的至少部分功率管共同构成了所述混合型开关变换器。

进一步地，所述混合型开关变换器被配置为通过调节所述功率管的占空比来调节所述混合型开关变换器的输出信号，从而满足充电要求。

进一步地，所述充电电路还包括：

第一开关，与所述第一端口串联，被配置为在所述第一状态下工作时导通，在所述第二状态下处于关断状态；以及

第二开关，与所述第二端口串联，被配置为在所述第二状态下工作时导通，在所述第一状态下处于关断状态。

进一步地，所述功率级电路包括：

开关网络，包括第一功率管、第二功率管、第三功率管以及第四功率管，依次串联在所述第一端口和参考地之间，并形成了三个开关中间节点，其中所述开关中间节点为所述功率管之间的公共节点；

跨接电容，连接在第一个开关中间节点和第三个开关中间节点之间；以及

输出端，与第二个开关中间节点相连，并与一电池耦接，其中

所述开关网络和所述跨接电容构成了所述电荷泵。

进一步地，当所述第一端口接入所述第一输入源时，所述功率级电路以所述电荷泵形式工作，所述第二和第四功率管的驱动信号相同，所述第一和第三功率管的驱动信号相同，且所述第一和第二功率管的驱动信号之间的相位差为180°。

进一步地，所述功率级电路还包括：

电感，耦接在所述第二端口和所述第一个开关中间节点之间，其中所述电感、所述跨接电容和所述第二功率管、第三功率管以及第四功率管共同构成了混合型开关变换器。

进一步地，当所述功率级电路以所述混合型开关变换器形式工作时，所述第一功率管始终关断，所述第二和第四功率管的开关状态相同，且与所述第三功率管的开关状态互补。

进一步地，所述功率级电路还包括：

电感，耦接在所述第二端口和所述第一功率管的第一端之间，其中所述电感、所述跨接电容和所述第一功率管、第二功率管、第三功率管以及第四功率管共同构成了混合型开关变换器。

进一步地，当所述功率级电路以所述混合型开关变换器形式工作时，所述第一功率管始终维持导通，所述第二和第四功率管的开关状态相同，且与所述第三功率管的开关状态互补。

进一步地，所述充电电路还包括第五功率管，耦接在所述功率级电路的输出端与所述电池之间。

进一步地，在所述电池的电压超过欠压阈值时，所述第五功率管受控处于完全导通状态。

进一步地，在所述电池的电压低于欠压阈值时，所述第五功率管受控处于线性工作状态以限制给所述电池充电的电流。

进一步地，当经由所述电荷泵给所述电池充电时，在第一模式下，根据第一误差信号产生调节信号以调节所述第一输入源产生的电压的大小，从而调节所述功率级电路输出端的电流；并在第二模式下，根据第二误差信号产生所述调节信号以调节所述第一输入源产生的电压的大小，从而调节所述功率级电路输出端的电压，其中

所述第一误差信号根据表征所述功率级电路输出端的电流的电流反馈信号和表征期望的输出电流的电流参考信号产生；所述第二误差信号根据表征所述功率级电路输出端的电压的电压反馈信号和表征期望的输出电压的电压参考信号产生。

进一步地，当经由所述混合型开关变换器给所述电池充电时，在第一模式下，根据第一误差信号产生开关控制信号以调节所述混合型开关变换器中功率管的占空比，从而调节所述功率级电路输出端的电流；并在第二模式下，根据第二误差信号产生所述开关控制信号以调节所述混合型开关变换器中功率管的占空比，从而调节所述功率级电路输出端的电压，其中

所述第一误差信号根据表征所述功率级电路输出端的电流的电流反馈信号和表征期望的输出电流的电流参考信号产生；所述第二误差信号根据表征所述功率级电路输出端的电压的电压反馈信号和表征期望的输出电压的电压参考信号产生。

进一步地，当所述电池经由所述混合型开关变换器给所述外部设备充电时，在第一模式下，根据第一误差信号产生开关控制信号以调节所述混合型开关变换器中功率管的占空比，从而调节所述第二端口的电流；并在第二模式下，根据第二误差信号产生所述开关控制信号以调节所述混合型开关变换器中功率管的占空比，从而调节所述第二端口的电压，其中

所述第一误差信号根据表征所述第二端口的电流的电流反馈信号和表征期望的输出电流的电流参考信号产生；所述第二误差信号根据表征所述第二端口的电压的电压反馈信号和表征期望的输出电压的电压参考信号产生。

根据本发明的第二方面，提供了一种充电系统，包括：

上述任一项所述的充电电路；

控制电路，被配置为根据表征输出电流的电流反馈信号或表征输出电压的电压反馈信号以产生相应的控制信号来控制所述功率级电路的工作状态或控制所述第一输入源产生的电压的大小，从而满足充电要求；

适配器，作为所述充电电路的所述第一输入源接入所述第一端口；以及

电池，耦接在所述功率级电路的输出端。

进一步地，所述充电系统还包括：

USB电源，与所述充电电路的第二端口连接，作为所述充电电路的所述第二输入源，以给所述电池充电。

进一步地，所述充电系统还包括：

外部设备，与所述充电电路的第二端口连接，以使得所述电池放电给所述外部设备充电。

综上所述，本发明实施例的充电系统包括双输入充电电路，其被配置为当输入为可调电压源时，以电荷泵形式工作，当输入为固定电压源时，以混合型开关变换器形式工作，以获得更高的效率。同时，该充电器具有更少的功率开关，降低了系统成本。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1为本发明实施例的第一种充电系统的电路图；

图2为本发明实施例的第二种充电系统的电路图；

图3为本发明实施例的充电电路的具体电路图；

图4为本发明实施例的充电电路中的控制电路的框图；

图5为本发明实施例的第一状态下的充电电路的电路图；

图6为本发明实施例的第二状态下的充电电路的电路图；

图7为本发明实施例的第二状态下的充电电路的工作原理图；以及

图8为本发明实施例的另一种充电电路的具体电路图。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

图1为本发明实施例的第一种充电系统的电路图。如图1所示，充电系统100包括充电电路101、控制电路102以及电池BAT。充电电路101包括第一端口IN1和第二端口IN2以及功率级电路，其中第一端口IN1接收第一输入源，第二端口IN2接收第二输入源或与外部设备(例如，耳机)连接。在本实施例中，第一输入源为可调输入源，以在第一端口IN1处产生可调节的电压Vin1，第二输入源为固定输入源，以在第二端口IN2处产生固定的电压Vin2。功率级电路的输出端OUT与电池BAT耦接。在一些实施例中，充电系统还包括适配器103，与第一端口IN1相连；以及USB电源104，与第二端口IN2相连。其中适配器103用于在第一端口IN1处产生可调的电压Vin1以经由功率级电路给电池BAT充电，USB电源104用于在第二端口IN2处产生固定的电压Vin2以经由功率级电路给电池BAT充电。应理解，其他各种输入源均可适用，在此不作限制。此外，第一和第二端口还分别并联一输入电容Cin1和Cin2。在其他一些实施例中，充电系统还包括外部设备，第二端口IN2可以与外部设备相连，从而电池BAT放电以给外部设备中待充电的电池充电。

在本实施例中，功率级电路被配置为在第一状态下以电荷泵形式工作，在第二状态下以混合型开关变换器形式工作，其中该混合型开关变换器与电荷泵共用至少部分功率管。其中，第一状态为第一端口IN1接入第一输入源(可调)以给电池BAT充电。第二状态分为两种模式，第一种模式是第二端口IN2接入第二输入源(固定)以给电池BAT充电，此时混合型开关变换器工作在降压模式。第二种模式是第二端口IN2接入外部设备，以由电池BAT给外部设备充电，此时混合型开关变换器工作在升压模式。

具体地，功率级电路包括开关网络1001，其包括多个功率管，耦接在第一端口IN1和参考地之间，并形成多个开关中间节点。功率级电路还包括至少一个跨接电容，其两端与对应的开关中间节点相连。该至少一个跨接电容和开关网络1001共同构成了电荷泵，在本实施例中，电荷泵具有固定的电压转换比。在此，通过调节第一输入源产生的电压Vin1的大小来调节电荷泵产生的输出电压或输出电流(即输出端OUT处的电压或电流)。此外，电池BAT和电容C

应理解，根据开关网络1001中功率管与跨接电容的个数和/或连接方式的不同，可在输出端OUT产生电压转换比不同的输出电压。本发明并不旨在对电荷泵电路的结构作任何限制，现有技术中任何开关电容式拓扑均可作为本发明的电荷泵电路。

功率级电路还包括电感L，耦接在第二端口IN2和开关网络1001中对应的功率管之间。其中电感L和至少一个跨接电容以及开关网络1001中的至少部分功率管共同构成混合型开关变换器，通过调节功率管的占空比，以调节混合型开关变换器产生的输出电压或输出电流。

充电电路101还包括第一开关Q

控制电路102被配置为根据表征输出电流的电流反馈信号Ifb或表征输出电压的电压反馈信号Vfb以产生相应的控制信号来控制功率级电路的工作状态，从而满足充放电要求。对于电池来说，一般有恒流充电和恒压充电两种模式，具体地，当电池BAT的电压低于欠压阈值时(例如，3V)，电池需要以较小的电流进行恒流充电。当电池BAT的电压超过欠压阈值时，电池可以以较大的电流进行恒流充电。当电池BAT充满电后(如达到4.2V之后)，电池开始进入恒压充电模式。

在本实施例中，如图1所示，可以通过在功率级电路的输出端OUT和电池BAT之间串联采样电阻Rs，并通过获取采样电阻Rs两端的电压差来获取电流反馈信号Ifb，并通过设置不同的电流参考信号Iref以实现不同的期望充电电流。并且，可以通过采样电容C

在另一实施例中，如图2所示，其为本发明实施例的第二种充电系统的电路图。在该充电系统中，充电电路101还包括串联在功率级电路输出端OUT和电池BAT之间的功率管Q

控制电路102被配置为在检测到第一端口IN1接入可调输入源后(如，接入适配器)，控制功率级电路以电荷泵形式工作，并根据电流反馈信号Ifb或电压反馈信号Vfb产生调节信号Vaj，以调节第一输入源在第一端口IN1处产生的电压Vin1的大小从而满足电池BAT的充电要求。在该模式下，控制电路102还被配置为根据预设的控制逻辑产生驱动信号以控制各功率管的开关状态，从而使得电荷泵的电压转换比恒定。

控制电路102被配置为在检测到第二端口IN2接入固定输入源后(如，接入USB)，控制功率级电路以混合型开关变换器形式工作，且工作在降压模式，并根据电流反馈信号Ifb或电压反馈信号Vfb调节功率管的占空比，从而产生驱动信号以控制各功率管的开关状态，以满足电池BAT的充电要求。

控制电路102还被配置为在电池电量充足的情况下，当检测到第二端口IN2接入外部设备时，控制功率级电路以混合型开关变换器形式工作，且工作在升压模式，并根据第二端口IN2处产生的电压和流过的电流调节功率管的占空比，从而产生驱动信号以控制各功率管的开关状态，以满足外部设备的充电要求。当然，在需要的情况下，也可以根据电池BAT的放电电流调节功率管的占空比，以使得放电电流不超过限流值。

图3给出了本发明实施例的充电电路的具体电路图。在本实施例中，以电压转换比为2:1的电荷泵，即Vin1/Vout＝2为例进行说明。当然，采用其他电压转换比，例如3:1、4:1、…、N：1的电荷泵同样适用于此。以下所示实施例均以带有功率管Q

此外，功率级电路还包括与第一端口IN1相连的第一开关Q

在本实施例中，电荷泵的电压转换比受控保持恒定，无需通过电压或电流反馈信号对功率管的占空比进行调节。因此，在电荷泵工作状态下，要想满足电池在不同阶段的充电电压和充电电流的要求，则需要外部可调输入源(在此为适配器)接入第一端口IN1，从而通过调节第一输入源产生的电压Vin1的大小得到期望的充电电压和充电电流。上述情况仅为本发明的一个实施例，应理解，也可以采用现有技术中其他控制方式对电荷泵的开关状态进行控制，以调节输出电压Vout，本发明并不旨在对电荷泵电路的工作方式进行限制。而对于混合型开关变换器，则需要根据电压或电流反馈信号来调节功率管的占空比，从而调节输出电压Vout和输出电流Iout的大小，以满足电池在不同阶段的充电电压和充电电流的要求。应理解，当电池对外部设备充电时，第二端口IN2处的电压和电流为混合型开关变换器所调节的输出电压Vout和输出电流Iout，以满足外部设备的充电要求。

图4给出了本发明实施例的充电电路中的控制电路的框图。下面结合图3和图4具体对控制电路作详细说明。

如图4所示，控制电路102包括误差放大器EA1、误差放大器EA2、调节器105、PWM产生电路106和驱动电路107。误差放大器EA1用于根据表征电流期望值的电流参考信号Iref和表征输出电流Iout的电流反馈信号Ifb产生第一误差信号Err1。误差放大器EA2根据表征电压期望值的电压参考信号Vref和表征输出电压Vout的电压反馈信号Vfb产生第二误差信号Err2。

调节器105被配置为在功率级电路以电荷泵形式工作时，根据第一误差信号Err1或第二误差信号Err2产生调节信号Vaj，以调节第一输入源产生的电压Vin1的大小；并且在功率级电路以混合型开关变换器形式工作时，调节器105不工作。

在本实施例中，在第一模式下(即控制输出电流Iout恒定)，调节器105根据第一误差信号Err1产生调节信号Vaj，以调节适配器103(即第一输入源)输出的电压Vin1，从而使得流过功率级电路输出端OUT的输出电流Iout等于期望的充电电流。在第二模式下(即控制输出电压Vout恒定)，根据第二误差信号Err2产生调节信号Vaj，以调节适配器103输出的电压Vin1，从而使得功率级电路输出端OUT处的输出电压Vout等于期望的充电电压。其中第一误差信号Err1根据表征流过功率级电路输出端OUT的输出电流Iout的电流反馈信号Ifb和电流参考信号Iref产生，第二误差信号Err2根据表征功率级电路输出端OUT的输出电压Vout的电压反馈信号Vfb和电压参考信号Vref产生。

在本实施例中，调节信号Vaj与第一或第二误差信号正相关。当第一或第二误差信号为正且其值越大时，调节信号Vaj也相应地越大，从而快速增大适配器103输出的电压Vin1，使得输出电流或电压增大；反之则减小适配器103输出的电压Vin1，使得输出电流或电压减小。

应理解，其他任何电池充电的控制方式均可应用于此，本发明不作任何限制。

PWM产生电路106被配置为在功率级电路以电荷泵形式工作时，根据预设的控制逻辑直接产生开关控制信号Vg，以控制电荷泵中功率管的开关状态，使得电荷泵保持固定的电压转换比。

PWM产生电路106被配置为在功率级电路以混合型开关变换器形式工作时，根据第一误差信号Err1或第二误差信号Err2产生开关控制信号Vg以调节混合型开关变换器中功率管的占空比。

具体地，当经由混合型开关变换器给电池BAT充电时，在第一模式下(控制输出电流Iout恒定)，根据第一误差信号Err1调节混合型开关变换器的占空比，以使得流过功率级电路输出端OUT的输出电流Iout等于期望的充电电流。在第二模式下(控制输出电压Vout恒定)，根据第二误差信号Err2调节混合型开关变换器的占空比，以使得功率级电路输出端OUT处的输出电压Vout等于期望的充电电压。其中，第一误差信号Err1根据表征流过功率级电路输出端OUT的电流的电流反馈信号Ifb和电流参考信号Iref产生；第二误差信号Err2根据表征功率级电路输出端OUT处电压Vout的电压反馈信号Vfb和电压参考信号Vref产生。

当电池BAT经由混合型开关变换器给外部设备充电时，在第一模式下(控制输出电流Iout恒定)，根据第一误差信号Err1调节混合型开关变换器的占空比，以使得流过第二端口IN2的输出电流Iout等于期望的充电电流。在第二模式下(控制输出电压Vout恒定)，根据第二误差信号Err2调节混合型开关变换器的占空比，以使得第二端口IN2处的输出电压Vout等于期望的充电电压。其中，第一误差信号Err1根据表征流过第二端口IN2的电流的电流反馈信号Ifb和电流参考信号Iref产生；第二误差信号Err2根据表征第二端口IN2处电压的电压反馈信号Vfb和电压参考信号Vref产生。当然，也可以通过限制电池BAT的放电电流来实现。

应理解，可以采用现有技术中任何控制方式来调节混合型开关变换器的占空比(例如将误差信号与斜坡信号相比较，以产生PWM控制信号，或者采用固定导通时间，调节关断时间以调节开关频率的方式)，本发明对此不作任何限制。

驱动电路107被配置为根据开关控制信号Vg产生功率管Q1-Q4的驱动信号G1-G4。在功率级电路以电荷泵形式工作时，开关控制信号Vg为预设的控制逻辑，不受第一或第二误差信号影响，也即此时各功率管Q1-Q4的驱动信号G1-G4保持不变。在功率级电路以混合型开关变换器形式工作时，开关控制信号Vg根据第一或第二误差信号的变化而相应变化。

在本实施例中，通过在功率级电路中集成电荷泵和混合型开关变换器两者，使得在不同的充电场合下采用不同的模式，从而在不额外增加功率器件的情况下保证了充电系统具有良好的效率。

图5给出了本发明实施例的第一状态下的充电电路的电路图。如图5所示，在第一状态下，第二开关Q

图6给出了本发明实施例的第二状态下的充电电路的电路图。在第二状态下，第一开关Q

根据第二端口IN2连接的部件不同，混合型开关变换器有两种模式。当第二端口IN2接入第二输入源时，输出电压Vout为输出电容C

图7给出了本发明实施例的第二状态下的充电电路的工作原理图。下面结合图6和图7具体分析混合型开关变换器的工作原理。从图中可以看出，在第二状态下，功率管Q2和Q4的驱动信号G2和G4相同，占空比为D。功率管Q3的驱动信号G3与驱动信号G2和G4互补(交替导通)。

当混合型开关变换器工作在降压模式时存在两个阶段。结合图6(a)所示，在第一阶段(t0-t1)，功率管Q2和Q4导通，功率管Q3关断。跨接电容C

(Vin2-Vout)×D+(Vin2-2Vout)×(1-D)＝0

由此可以得出：Vout/Vin2＝1/(2-D)，其中D为功率管Q2和Q4的占空比。也即Vout的变化范围为0.5Vin2～Vin2。同时，也可以得出Iout/Iin2＝2-D，即输出电流Iout的变化范围为Iin2-2Iin2。

当混合型开关变换器工作于升压模式时也存在两个阶段。结合图6(b)所示，在第一阶段(t0-t1)，功率管Q2和Q4导通，功率管Q3关断。跨接电容C

(V

由此可以得出：Vout＝(2-D)×V

图8为本发明实施例的另一种充电电路的具体电路图。如图所示，其与图3所示的充电电路的区别在于电感L耦接在第二端口IN2和功率管Q1的第一端(具体为第二端口IN2和第二开关Q

综上所述，本发明实施例的充电系统包括双输入充电电路，其被配置为当输入为可调电压源时，以电荷泵形式工作，当输入为固定电压源时，以混合型开关变换器形式工作，以获得更高的效率。同时，该充电器具有更少的功率开关，降低了系统成本。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。