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CN101902043B - 充电电路管理装置及无线终端 - Google Patents

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CN101902043B CN201010239150.XA CN201010239150A CN101902043B CN 101902043 B CN101902043 B CN 101902043B CN 201010239150 A CN201010239150 A CN 201010239150A CN 101902043 B CN101902043 B CN 101902043B
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Abstract

本发明公开了一种充电电路管理装置及无线终端，属于线性充电电路管理控制技术领域。该装置包括：电源管理模块、降压型开关式电压转换器和线性充电电路，所述电源管理模块包括：可调线性降压电压转换器和数模转换器；其中，所述电源管理模块的可调线性降压电压转换器的输出端通过第一预设电阻与所述降压型开关式电压转换器的反馈端相连，所述电源管理模块的数模转换器的输入端与电池的正极相连，所述电源管理模块的控制端与所述线性充电电路的控制端相连；所述降压型开关式电压转换器的输出端与所述线性充电电路的输入端相连；所述线性充电电路的输出端与所述电池正极相连。本发明可以减少了能量损耗，因降低了整机功耗。

Description

充电电路管理装置及无线终端
技术领域
本发明涉及线性充电电路管理控制技术领域，特别涉及一种充电电路管理装置及无线终端。
背景技术
随着电子产品功能越来越复杂，电子产品的小型化，便携式发展，特别是无线通讯终端的广泛应用，给设计者提出了更高的要求：比如要求功耗低，整机发热少，可靠性高，才会给用户带来良好的体验。但产品小型化不利于散热，散热不良导致可靠性降低，因此降低整机功率可以有效减少整机发热，提高可靠性。
无线终端便携式产品一般自身具有充电功能，对线性充电电路的深入研究，对于提高充电效率，具有重要意义。现有技术一公开了如下技术方案；在充电器中增加动态反馈控制电路调节输出电压来提高负载的瞬态变化，使充电器的输出电压接近电池电压，达到减少功率消耗。现有技术二公开了如下技术方案：采用控制输出电压和电流的TL494脉宽调制组件，采取了改进型恒流充电，初期大电流低电压，逐渐减少电流提高电压，避免过充电。从现有技术一和现有技术二中可以看出，两种方案都是从充电器着手，调整充电电压或者充电电流，提高充电效率。
目前，由于通用串行总线(USB，Universal Serial BUS)接口具有优良的数据传输能力以及可以对外设供电，使用方便，应用广，越来越多有充电功能的电子产品采用USB接口作为充电接口，使得数据接口和充电接口达到统一。便携式无线通讯终端如手机等都是采用线性充电电路，一般可以用适配器或者PC机的USB接口充电。如果把高效率的充电装置放在电子产品上，那么不管是用适配器充电还是PC机的USB接口充电，效率都会高。电池电量低时电压低，随着电量增加，电池电压也升高，在充电过程中，输入电压和电池电压有一个变化的电压差，这个电压差主要落在充电管器件上，造成不必要的能量损耗，特别是充电电流比较大的情况下，这种能量损耗会更大。
发明内容
本发明提供了一种充电电路管理装置及无线终端，以解决现有技术中充电过程中能耗损耗过大和充电效率低的问题。
为了解决上述问题，本发明提供了充电电路管理装置及无线终端，技术方案如下：
一种充电电路管理装置，包括：电源管理模块、降压型开关式电压转换器和线性充电电路，所述电源管理模块包括：可调线性降压电压转换器和数模转换器；其中，所述电源管理模块的可调线性降压电压转换器的输出端通过第一预设电阻与所述降压型开关式电压转换器的反馈端相连，所述电源管理模块的数模转换器的输入端与电池的正极相连，所述电源管理模块的控制端与所述线性充电电路的控制端相连；所述降压型开关式电压转换器的输出端与所述线性充电电路的输入端相连；所述线性充电电路的输出端与所述电池正极相连。
进一步地，在对所述电池进行充电时，所述电源管理模块的数模转换器对所述电池进行采样，在判断所述电池有效和电池电量未满时，根据电池电压将可调线性降压电压转换器的输出电压反馈到所述降压型开关式电压转换器，所述压型开关式电压转换器根据反馈向所述线性充电电路输出电压，所述线性充电电路在所述电源管理模块的控制下对所述电池进行充电。
进一步地，所述降压型开关式电压转换器输出电压Vvdc_out与所述可调线性降压电压转换器输出电压Vldo_ctrl的关系是：
(Vvdc_out-Vfb)/V3+(Vldo_ctrl-Vfb)/V1＝Vfb/V2，其中，Vfb为降压型开关式电压转换器的反馈端的电压，V1为所述第一预设电阻的阻值，V2为第二预设电阻的阻值，V3为第三预设电阻的阻值。
一种无线终端，包括：充电电路管理装置；所述充电电路管理装置包括：电源管理模块、降压型开关式电压转换器和线性充电电路，所述电源管理模块包括：可调线性降压电压转换器和数模转换器；其中，所述电源管理模块的可调线性降压电压转换器的输出端通过预设电阻与所述降压型开关式电压转换器的反馈端相连，所述电源管理模块的数模转换器的输入端与电池的正极相连，所述电源管理模块的控制端与所述线性充电电路的控制端相连；所述降压型开关式电压转换器的输出端与所述线性充电电路的输入端相连；所述线性充电电路的输出端与所述电池正极相连。
进一步地，在对所述电池进行充电时，所述电源管理模块的数模转换器对所述电池进行采样，在判断所述电池有效和电池电量未满时，根据电池电压将可调线性降压电压转换器的输出电压反馈到所述降压型开关式电压转换器，所述降压型开关式电压转换器根据反馈向所述线性充电电路输出电压，所述线性充电电路在所述电源管理模块的控制下对所述电池进行充电。
进一步地，所述降压型开关式电压转换器输出电压Vvdc_out与所述可调线性降压电压转换器输出电压Vldo_ctrl的关系是：
(Vvdc_out-Vfb)/V3+(Vldo_ctrl-Vfb)/V1＝Vfb/V2，其中，Vfb为降压型开关式电压转换器的反馈端的电压，V1为第一预设电阻的阻值，V2为第二预设电阻的阻值，V3为第三预设电阻的阻值。
本发明通过增加降压型开关式电压转换器，并利用电源管理模块中的可调线性降压电压转换器，可以实现自动调整充电电压，降低了充电管上的压降，即减少了能量损耗，因此降低了整机功耗，从而很好地改善了整机发热。
附图说明
图1是本发明提供的充电电路管理装置的结构图；
图2是本发明提供的线性充电电路的原理示意图；
图3是本发明提供的充电电压自动调节电路原理图；
图4是本发明提供的充电控制的流程图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例一提供了一种充电电路管理装置，如图1所示，包括：电源管理模块、降压型开关式电压转换器和线性充电电路，该电源管理模块包括：可调线性降压电压转换器和数模转换器；其中，该电源管理模块的可调线性降压电压转换器的输出端通过预设电阻与该降压型开关式电压转换器的反馈端相连，该电源管理模块的数模转换器的输入端与电池的正极相连，该电源管理模块的控制端与该线性充电电路的控制端相连；该降压型开关式电压转换器的输出端与该线性充电电路的输入端相连；该线性充电电路的输出端与该电池正极相连；
在对该电池进行充电时，该电源管理模块的数模转换器对该电池进行采样，在判断该电池有效和电池电量未满时，根据电池电压将可调线性降压电压转换器的输出电压反馈到该降压型开关式电压转换器，降压型开关式电压转换器根据反馈向该线性充电电路输出电压，该线性充电电路在该电源管理模块的控制下对该电池进行充电。
其中，该降压型开关式电压转换器输出电压Vvdc_out与该可调线性降压电压转换器输出电压Vldo_ctrl的关系是：
(Vvdc_out-Vfb)/V3+(Vldo_ctrl-Vfb)/V1＝Vfb/V2，其中，Vfb为降压型开关式电压转换器的反馈端的电压，V1为所述第一预设电阻的阻值，V2为第二预设电阻的阻值，V3为第三预设电阻的阻值。
下面结合附图对本发明自动调整充电电压的控制方法进行说明，该充电电路管理装置包括硬件电路部分和软件控制部分，其中，硬件电路部分包括：电源管理模块、降压型开关式电压转换器和线性充电电路。
其中，如图2所示，传统的线性充电电路由PNP充电管，sense电阻以及P沟道增强型场效应管(P type Metal-Oxide-Semiconductor，PMOS)控制管等组成。PNP充电管的发射集就是充电电路的输入端，集电极的电压近似于电池电压，当充电电压与电池电压的差值较大时，PNP充电管上的压降也就较大。其中，图2所示的线性充电电路只是为了举例需要，本发明的保护范围并不限于此。
其中，电源管理模块包括可调线性降压电压转换器(Low Dropout(LDO)Linear Regulator)和模数转换器(Analog-to-Digtial Conventor)。其中，降压型开关式电压转换器是本发明的核心，使用高效率的降压型开关式电压转换器，由电源管理模块内部的可调线性降压电压转换器的输出电压来控制降压型开关式电压转换器的反馈端，达到其输出电压可调目的。需要说明的是，本实施例中是以高通PM7540电源管理模块为例，本发明的保护范围并不限于此。
电源管理模块的可调线性降压电压转换器的输出电压是根据电池电压来设置的，这样就构成了一个反馈控制电路，根据电池电压实时调整降压型开关式电压转换器的输出电压从而对电池进行充电。根据电池电压自动调整降压型开关式电压转换器的输出电压通常比电池电压高0.3V左右，可以利用此输出电压作为充电电路的输入。恒流充电时，PMOS控制管和sense电阻合在一起的压降约0.1V，PNP充电管的饱和电压最大可为0.08V，因此充电电路的输入电压与电池电压的压差为0.3V即可保证正常充电，那么充电电路上的压降近似0.3V。而传统充电方式，充电电压恒定为5V，锂电池电压为3.7V，那么充电电路上的压降为1.3V左右。根据锂电池的电特性，正常工作电压范围是3.3V～4.2V，PNP充电管上的压降为一个动态范围。需要说明的是，降压型开关式电压转换器和充电电路的压差0.3V只是一个优选地数值，本发明的保护范围并不限于此。
降压型开关式电压转换器为本发明的核心，如图3所示，输出电压可调的电压转换器是在传统固定输出的降压型开关式电压转换器基础上改进的，反馈端的控制是该电路的核心，组成了根据电池电压自动调节充电电压的控制系统。反馈电压受电源管理模块内部可调LDO输出电压(VBAT_CTRL)和动态输出电压(VDC_OUT)的共同影响，选取恰当的反馈电阻可以得到合适的降压型开关式电压转换器芯片的输出电压范围。
下面对电压转换器的输出电压可调节的工作原理进行详细说明：
电压转换器是以低成本高效率降压型开关式电压转换器为基础的，在本实施例中以Zi1153降压型开关式电压转换器芯片为例进行说明，此芯片在本发明的使用场景是，输入电压为5V±10％，输出电压为3.5～4.4V，输出电流在700mA左右，从器件资料上可以得知，电源效率在90％以上；反馈端门限电压是0.6V(Vfb)，反馈输入偏置电流小于30nA，相当于虚断，输出电压由分压电阻决定的。从图3可以看出，除了电阻R26，电阻R34构成分压外，另外增加了电阻R62控制反馈端。电阻R62一端的电压由电源管理模块内置的可调LDO电压转换器输出，此LDO电压转换器的输出电压是根据电池电压进行设置的。对以上三个电阻选择合适的阻值(至少1％精度)，降压型开关式电压转换器的输出电压范围可以满足充电要求。
如图3所示，电阻R26，R34和R62所选取的阻值分别是121K欧姆，19.1K欧姆，121K欧姆。由于降压型开关式电压转换器芯片反馈端的输入电流小于30nA，而流过三个电阻的电流是在几十微安，可以把流入反馈端的电流忽略。由KCL定律得知，降压型开关式电压转换器输出电压(Vvdc_out)与可调LDO电压转换器输出电压(Vldo_ctrl)的关系是：
(Vvdc_out-Vfb)/VR26+(Vldo_ctrl-Vfb)/VR62＝Vfb/VR34    (1)
其中，Vfb为降压型开关式电压转换器的反馈端的电压，VR26为电阻R26的阻值，VR34为电阻R34的阻值，VR62为电阻R62的阻值。
其中，电阻R62即为第一预设电阻，电阻R34即为第二预设电阻，电阻R26即为第三预设电阻，它们的取值不限于上述的阻值，Vfb的值取决于所用的降压型开关式电压转换器芯片。
根据关系式(1)，将本实施例选取的参数代入，可得到化简后的关系式为Vvdc_out＝5.0-Vldo_ctrl，因此Vvdc_out与Vldo_ctrl是单调递减关系。可调LDO电压转换器的输出范围是0.75～1.5V之间，从而降压型开关式电压转换器的输出电压也随之确定。例如设置可调LDO电压转换器输出电压为1.5V，那么降压型开关式电压转换器的输出电压就是3.5V。设置LDO电压转换器输出0.75V，那么降压型开关式电压转换器的输出电压就是4.25V。电池电压在3.2～3.95V之间，可以设置为恒流充电状态，此时降压型开关式电压转换器的输出电压在3.5～4.25V内调节。电池电压在3.95～4.2V之间，可以设置为恒压充电状态或者脉冲充电状态，在此充电状态下关掉可调LDO电压转换器的输出，相当于与降压型开关式电压转换器芯片的反馈端断开。这时降压型开关式电压转换器的输出电压仅由R26和R34决定，输出电压为Vvdc_out＝Vfb*(1+R26/R34)＝0.6*(1+121K/19.1K)＝4.4V。在整机上电过程中，电源管理模块内置的可调LDO电压转换器还没有输出，此时降压型开关式电压转换器的输出电压为4.4V，满足开机要求。
降压型开关式电压转换器输出电压可调的实现需要软件控制，软件控制流程如图4所示。在硬件上电开机(步骤S0)过程中，电源管理模块的内置可调LDO电压转换器还没有输出电压，降压型开关式电压转换器的输出电压为4.4V，可以正常为整机供电，完成开机。等软件启动后，电源管理模块的ADC检测电池ID和对电池电压进行采样(步骤S1)，如果ID有效且电池电量未满，则根据电池电压设置可调LDO电压转换器的输出电压(步骤S2)，可调LDO电压转换器输出电压的变化反馈到降压型开关式电压转换器，从而完成降压型开关式电压转换器输出电压的自动调整(步骤S4)。然后检测充电电流和电压是否在容许范围内(步骤S5)，如果正常，则对电池进行正常充电(步骤S7)，电池电压在持续增加，可调LDO电压转换器的输出电压设置逐渐降低，可调LDO电压转换器设置输出电压与降压型开关式电压转换器输出电压的对应关系如表1所示，方便编程实现。
Figure BSA00000208180400071
Figure BSA00000208180400081
表1
如果检测到电池电压达到4.2V(即充满)或者电池ID无效，则关闭可调LDO电压转换器的输出，这样可保证整机是外供电，不消耗电池电量，对电池寿命和安全性都有好处。同时，降压型开关式电压转换器输出固定电压(步骤S3)，然后充电完成或充电异常终止(步骤S6)。在整个充电控制过程中，电池电压是一个变化量，可调LDO电压转换器的输出跟随变化，从而自动调整降压型开关式电压转换器的输出电压，使得充电电压高于电池电压，并保持一定的差值，这样既能满足充电要求，又能减少PNP充电管的损耗，在整个充电系统中达到最佳的充电效率。
在本发明中，降压型开关式电压转换器的效率在90％以上，降压型开关式电压转换器的输出电压作为充电电路的输入，典型值是4.0V(电池电压3.7V+0.3V)，充电电路效率为3.7V/4V＝92.5％，把两部分电路组合起来的效率即为本发明充电电路的效率90％*92.5％＝83.25％，需要说明的是，此处的效率是一优选值。传统线性充电电路的效率近似于电池电压与输入电压的比值，是一个动态过程，可以取一个典型值为3.7V/5V＝74％。对比两者的效率，可以看出提高了83.25％-74％＝9.75％。由于电池的容量是一定的，充电效率的提高，必然带来输入功率的减少，从而降低了整机功率。
对于新兴的MIFI产品，要求可以长时间边工作边充电，产品的小型化给整机发热提出了挑战，而终端产品解决发热问题最好的办法是降低整机功耗，利用本发明的充电电路可以有效降低整机发热。除此同时还带来了另外一个好处，MIFI产品在最坏情况下的工作电流在600mA以上，由于USB接口电流输出能力是500mA，传统充电电路用USB供电会存在电流不够用的情况，因为外供电电流不够用情况下会导致电池放电，电池电压降低，降压型开关式电压转换器的输出电压也跟随降低，而一般是电池电压低于3.3V会自动关机，根据上文介绍，那么降压型开关式电压转换器的输出电压至少是3.6V才能保证正常工作。采用本发明，降压型开关式电压转换器电流输出能力最大约为5V*500mA*90％/3.6V＝625mA，可以大大降低电流不够用的概率。
本发明实施例二还提供了一种无线终端，包括：充电电路管理装置；该充电电路管理装置包括：电源管理模块、降压型开关式电压转换器和线性充电电路，该电源管理模块包括：可调线性降压电压转换器和数模转换器；其中，该电源管理模块的可调线性降压电压转换器的输出端通过第一预设电阻与该降压型开关式电压转换器的反馈端相连，该电源管理模块的数模转换器的输入端与电池的正极相连，该电源管理模块的控制端与该线性充电电路的控制端相连；该降压型开关式电压转换器的输出端与该线性充电电路的输入端相连；该线性充电电路的输出端与该电池正极相连；
在对该电池进行充电时，该电源管理模块的数模转换器对该电池进行采样，在判断该电池有效和电池电量未满时，根据电池电压将可调线性降压电压转换器的输出电压反馈到该降压型开关式电压转换器，降压型开关式电压转换器根据反馈向该线性充电电路输出电压，该线性充电电路在该电源管理模块的控制下对该电池进行充电。
其中，该降压型开关式电压转换器输出电压Vvdc_out与该可调线性降压电压转换器输出电压Vldo_ctrl的关系是：
(Vvdc_out-Vfb)/V3+(Vldo_ctrl-Vfb)/V1＝Vfb/V2，其中，Vfb为降压型开关式电压转换器的反馈端的电压，V1为所述第一预设电阻的阻值，V2为第二预设电阻的阻值，V3为第三预设电阻的阻值。
其中，关于充电电路管理装置可以参照实施例一的相应描述，在此不再赘述。
本发明通过增加降压型开关式电压转换器，并利用电源管理模块中的可调线性降压电压转换器，可以实现自动调整充电电压，降低了充电管上的压降，即减少了能量损耗，因此降低了整机功耗，从而很好地改善了整机发热。
上述说明示出并描述了本发明的一个优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权力要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种充电电路管理装置，其特征在于，包括：电源管理模块、降压型开关式电压转换器和线性充电电路，所述电源管理模块包括：可调线性降压电压转换器和模数转换器；其中，所述电源管理模块的可调线性降压电压转换器的输出端与第一预设电阻的一端相连，第二预设电阻的一端与地相连，第三预设电阻的一端与所述降压型开关式电压转换器的输出端相连，所述第一预设电阻、所述第二预设电阻以及所述第三预设电阻构成一个T字型，所述T字型的公共节点与所述降压型开关式电压转换器的反馈端相连，所述电源管理模块的模数转换器的输入端与电池的正极相连，所述电源管理模块的控制端与所述线性充电电路的控制端相连；所述降压型开关式电压转换器的输出端与所述线性充电电路的输入端相连；所述线性充电电路的输出端与所述电池正极相连。
2.如权利要求1所述的充电电路管理装置，其特征在于，在对所述电池进行充电时，所述电源管理模块的模数转换器对所述电池进行采样，在判断所述电池有效和电池电量未满时，根据电池电压将可调线性降压电压转换器的输出电压反馈到所述降压型开关式电压转换器，所述降压型开关式电压转换器根据反馈向所述线性充电电路输出电压，所述线性充电电路在所述电源管理模块的控制下对所述电池进行充电。
3.如权利要求1所述的充电电路管理装置，其特征在于，所述降压型开关式电压转换器输出电压Vvdc_out与所述可调线性降压电压转换器输出电压Vldo_ctrl的关系是：
(Vvdc_out-Vfb)/V3+(Vldo_ctrl-Vfb)/V1＝Vfb/V2，其中，Vfb为降压型开关式电压转换器的反馈端的电压，V1为所述第一预设电阻的阻值，V2为第二预设电阻的阻值，V3为第三预设电阻的阻值。
4.一种无线终端，其特征在于，包括：充电电路管理装置；所述充电电路管理装置包括：电源管理模块、降压型开关式电压转换器和线性充电电路，所述电源管理模块包括：可调线性降压电压转换器和模数转换器；其中，所述电源管理模块的可调线性降压电压转换器的输出端与第一预设电阻的一端相连，第二预设电阻的一端与地相连，第三预设电阻的一端与所述降压型开关式电压转换器的输出端相连，所述第一预设电阻、所述第二预设电阻以及所述第三预设电阻构成一个T字型，所述T字型的公共节点与所述降压型开关式电压转换器的反馈端相连，所述电源管理模块的模数转换器的输入端与电池的正极相连，所述电源管理模块的控制端与所述线性充电电路的控制端相连；所述降压型开关式电压转换器的输出端与所述线性充电电路的输入端相连；所述线性充电电路的输出端与所述电池正极相连。
5.如权利要求4所述的无线终端，其特征在于，在对所述电池进行充电时，所述电源管理模块的模数转换器对所述电池进行采样，在判断所述电池有效和电池电量未满时，根据电池电压将可调线性降压电压转换器的输出电压反馈到所述降压型开关式电压转换器，所述降压型开关式电压转换器根据反馈向所述线性充电电路输出电压，所述线性充电电路在所述电源管理模块的控制下对所述电池进行充电。
6.如权利要求4所述的无线终端，其特征在于，所述降压型开关式电压转换器输出电压Vvdc_out与所述可调线性降压电压转换器输出电压Vldo_ctrl的关系是：
(Vvdc_out-Vfb)/V3+(Vldo_ctrl-Vfb)/V1＝Vfb/V2，其中，Vfb为降压型开关式电压转换器的反馈端的电压，V1为第一预设电阻的阻值，V2为第二预设电阻的阻值，V3为第三预设电阻的阻值。
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