專利名稱：用單電感實現(xiàn)同步降壓充電與升壓供電的電路架構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種備用電源，尤其是涉及一種用單電感實現(xiàn)同步降壓充電與升壓供電的電路架構。
背景技術：
在便攜式產(chǎn)品中如手機、掌上電腦、移動多媒體設備、手持醫(yī)療設備、手持測試儀 器、煤礦中的LED礦燈等都不可或缺的使用可充電的鋰離子電池或磷酸鐵鋰電池給移動設備供電。盡管這些便攜式設備大都采用單位體積、單位重量能量密度更高的鋰離子電池或磷酸鐵鋰電池給移動設備供電。但隨著這些移動產(chǎn)品功能的增加功耗會相應增加，另外，為滿足消費者對某些便攜產(chǎn)品的美觀和小型化要求，有些便攜式產(chǎn)品又不能采用體積、容量更大的電池供電(典型產(chǎn)品如蘋果的iPad和iPhone等)，這勢必大大縮短電池的續(xù)航時間。為應對這種挑戰(zhàn),大多數(shù)使用蘋果iPad和iPhone產(chǎn)品的消費者都會給自己的設備另外配備一種集電池、電池充電、電池供電的小型化的“后備電源”設備，以便在便攜式產(chǎn)品中的電池電量將要消耗殆盡時，使用“后備電源”給便攜式產(chǎn)品供電?，F(xiàn)有的“后備電源”系統(tǒng)通常有如下兩種電路架構①由線性充電1C、升壓1C、輸出短路檢測的高精度運算放大器0P1、檢測和顯示電池電量及控制各電路單元協(xié)同工作的MCU組成。見圖6所示。但明顯存在以下弊端@由于采用線性充電方式，充電效率低，無法實現(xiàn)快速充電。 由于系統(tǒng)至少需要5個獨立的1C，“后備電源”的系統(tǒng)板制造費用昂貴且無法實現(xiàn)小型化。②由開關降壓充電1C、升壓電源管理1C、輸出短路檢測的高精度運算放大器、檢測和顯示電池電量及控制各電路單元協(xié)同工作的MCU組成。見圖7所示。盡管為了克服線性充電方式效率低的問題而采用了同步降壓充電1C，但卻需要兩個電感，仍無法克服上述“后備電源”的系統(tǒng)板制造費用昂貴且無法實現(xiàn)小型化”的弊端。有關降壓式開關電源(BUCK拓撲)和升壓式開關電源(BOOST拓撲)的基本理論可參見[美]Sanjaya Maniktala 著編的 Switching Power Supplies Ato Z 一書。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有的后備電源系統(tǒng)中存在著充電效率低或系統(tǒng)板制造費用昂貴且無法實現(xiàn)小型化的弊端，提供一種用單電感實現(xiàn)同步降壓充電與升壓供電的電路架構。本發(fā)明的第I技術方案為本發(fā)明設有3個與外部連接的端口，4個MOS場效應晶體管M1J2、M3、M4,1個電感L，3個電容Ci、C2、Ctjut, I個電流采樣電阻Rs和7個節(jié)點1、2、3、4、5、6、7 ；所述3個與外部連接的端口為輸入端口 Vin、輸出端口 Vwt和BAT端口，所述輸入端口 Vin與外部適配器或USB的輸出相連,所述輸出端口 Vtjut與外部用電設備的電源輸入相連，所述BAT端口外接可充電電池的正極； 所述MOS場效應晶體管Ml的漏極接節(jié)點5，MOS場效應晶體管M1的源極接節(jié)點I，MOS場效應晶體管M1的柵極接節(jié)點G1，所述節(jié)點G1外接控制電路；所述MOS場效應晶體管M2的漏極接節(jié)點7，MOS場效應晶體管M2的源極接節(jié)點I，MOS場效應晶體管M2的柵極接節(jié)點G2，所述節(jié)點G2外接控制電路；所述MOS場效應晶體管M3的漏極接節(jié)點2，MOS場效應晶體管M3的源極接節(jié)點I，MOS場效應晶體管M3的柵極外接控制電路；所述MOS場效應晶體管M4的漏極接節(jié)點2，MOS場效應晶體管M4的源極接節(jié)點4，MOS場效應晶體管M4的柵極外接控制電路； 在節(jié)點I和節(jié)點G1之間設有電阻R1，在節(jié)點I和節(jié)點G2之間設有電阻R2 ;所述電流采樣電阻Rs的兩端分別與節(jié)點3和節(jié)點6相連；所述電容C1的正極接節(jié)點1，電容C1的負極接節(jié)點4 ；所述電容C2的正極接節(jié)點3，電容C2的負極接節(jié)點4 ；所述電容Ctjut的正端接節(jié)點7，電容Cwt的負端接節(jié)點4 ；所述電感L的兩端分別接節(jié)點2和節(jié)點3。本發(fā)明的第2技術方案為本發(fā)明設有3個與外部連接的端口，二極管D0，3個MOS場效應晶體管M2、M3、M4，I個電感L，3個電容Q、C2、Cout, I個電流采樣電阻Rs和7個節(jié)點1、2、3、4、5、6、7 ；所述3個與外部連接的端口為輸入端口 Vin、輸出端口 Vwt和BAT端口，所述輸入端口 Vin與外部適配器或USB的輸出相連,所述輸出端口 Vtjut與外部用電設備的電源輸入相連，所述BAT端口外接可充電電池的正極；所述二極管DO的正極接輸入端口 Vin，二極管DO的負極接節(jié)點I ; 所述MOS場效應晶體管M2的漏極接節(jié)點7，MOS場效應晶體管M2的源極接節(jié)點I，MOS場效應晶體管M2的柵極接節(jié)點G2，所述節(jié)點G2外接控制電路；所述MOS場效應晶體管M3的漏極接節(jié)點2，MOS場效應晶體管M3的源極接節(jié)點I，MOS場效應晶體管M3的柵極外接控制電路；所述MOS場效應晶體管M4的漏極接節(jié)點2，MOS場效應晶體管M4的源極接節(jié)點4，MOS場效應晶體管M4的柵極外接控制電路；在節(jié)點I和節(jié)點G2之間設有電阻R2 ;所述電流采樣電阻Rs的兩端分別與節(jié)點3和節(jié)點6相連；所述電容C1的正極接節(jié)點1，電容C1的負極接節(jié)點4 ；所述電容C2的正極接節(jié)點3，電容C2的負極接節(jié)點4 ；所述電容Cout的正端接節(jié)點7,電容Cout的負端接節(jié)點4 ；所述電感L的兩端分別接節(jié)點2和節(jié)點3。本發(fā)明克服了線性充電效率低、無法實現(xiàn)快速充電以及“后備電源”的系統(tǒng)板制造費用昂貴且無法實現(xiàn)小型化的弊端。
其中MOS場效應晶體管Ml在電路架構中擁有兩個作用①當外部的控制IC檢測到系統(tǒng)有輸入電壓時，控制IC會自動將Ml打開，將節(jié)點5和節(jié)點I之間連通(見圖2所示)，使系統(tǒng)處于等待充電狀態(tài)或正在充電狀態(tài)。②當外部的控制IC檢測到系統(tǒng)無輸入電壓時，控制IC會自動將Ml關閉，將節(jié)點5和節(jié)點I之間斷開(見圖4所示)，以使系統(tǒng)處在等待升壓狀態(tài)或正在升壓狀態(tài)，防止電池中的電流反灌到輸入端。③由于二極管具有自動正向導通反向截至的功能，因此采用二極管代替MOS場效應晶體管Ml和電阻Rl也可完成上述①、②所述功能(見圖5所示)。采用這種方法，其好處是外部的控制IC至少可減少一個控制Ml關斷與導通的引腳，但帶來的弊端是在充電過程中二極管Dl會消耗過多的功耗，降低充 電效率。MOS場效應晶體管M2的作用①在無輸入電壓的情況下，當外部的控制IC檢測到系統(tǒng)有輸出負載時，控制IC會自動將M2打開，將節(jié)點I和節(jié)點7之間連通(見圖4所示)，使系統(tǒng)處于等待同步升壓狀態(tài)或處于正在同步升壓狀態(tài)，電池給輸出負載供電。②在無輸入電壓的情況下，當外部的控制IC檢測到系統(tǒng)無輸出負載時，控制IC會自動將M2關斷，將節(jié)點I和節(jié)點7之間斷開(見圖2所示)，并同時關斷MOS管M3、M4。以減小系統(tǒng)對電池能量的消耗。MOS場效應晶體管M3、M4的作用①在無輸入電壓的情況下，電池BAT、M0S管M3、M4、儲能電感L、采樣電阻Rs、濾波電容C2和Cout組成了同步升壓架構。以特定開關頻率工作的外部控制IC驅動著MOS管M3、M4交替導通與關斷，在電路中起同步開關作用。儲能電感L，濾波電容C2、Cout,電流采樣電阻Rs的作用①在同步降壓充電模式下，儲能電感L、濾波電容C2可組成無源LC濾波器。②在同步升壓供電模式下，儲能電感L、濾波電容Cout可組成無源LC濾波器。③無論是在同步降壓充電模式還是在同步升壓供電模式，外部的控制IC都是通過檢測流經(jīng)采樣電阻Rs上的電流來控制流經(jīng)儲能電感中的電流。本發(fā)明可廣泛應用到便攜式產(chǎn)品如智能手機、掌上電腦、移動多媒體設備、手持醫(yī)療設備、手持測試儀器等后備電源(或稱移動電源)設備中。


圖I是本發(fā)明實施例的電路組成示意圖。圖2是本發(fā)明實施例可實現(xiàn)同步降壓充電功能等效電路圖。圖3是本發(fā)明實施例可同時實現(xiàn)同步降壓充電和給Vout輸出負載供電等效電路圖。圖4是本發(fā)明實施例可實現(xiàn)同步升壓由電池BAT給輸出負載Vout供電等效電路圖。圖5是用二極管DO代替Ml和Rl實現(xiàn)的同步降壓充電、同步升壓架構電路圖。圖6是現(xiàn)有的后備電源線性充電方案簡化電路圖。圖7是現(xiàn)有的后備電源開關充電方案簡化電路圖。
圖8是本發(fā)明實施例使用廈門理摯半導體科技有限公司設計的專用控制IC在后備電源系統(tǒng)中的典型應用電路圖。
具體實施例方式參見圖1，本發(fā)明實施例設有3個與外部連接的端口，4個MOS場效應晶體管Ml、M2、M3、M4，I個電感L，3個電容Cl、C2、Cout，I個電流采樣電阻Rs和7個節(jié)點1、2、3、4、5、
6、7。 所述3個與外部連接的端口為輸入端口 Vin (即節(jié)點5)、輸出端口 Vout (即節(jié)點7)和BAT端口(即節(jié)點6)，所述輸入端口 Vin與外部適配器或USB的輸出相連，所述輸出端口 Vout與外部用電設備的電源輸入相連，所述BAT端口外接可充電電池的正極。所述MOS場效應晶體管Ml的漏極接節(jié)點5，MOS場效應晶體管Ml的源極接節(jié)點I，MOS場效應晶體管Ml的柵極接節(jié)點Gl，所述節(jié)點Gl外接控制電路。所述MOS場效應晶體管M2的漏極接節(jié)點7，MOS場效應晶體管M2的源極接節(jié)點I，MOS場效應晶體管M2的柵極接節(jié)點G2，所述節(jié)點G2外接控制電路。所述MOS場效應晶體管M3的漏極接節(jié)點2，MOS場效應晶體管M3的源極接節(jié)點I，MOS場效應晶體管M3的柵極外接控制電路。所述MOS場效應晶體管M4的漏極接節(jié)點2，MOS場效應晶體管M4的源極接節(jié)點4，MOS場效應晶體管M4的柵極外接控制電路。在節(jié)點I和節(jié)點Gl之間設有電阻R1，在節(jié)點I和節(jié)點G2之間設有電阻R2。所述電流采樣電阻Rs的兩端分別與節(jié)點3和節(jié)點6相連。所述電容Cl的正極接節(jié)點1，電容Cl的負極接節(jié)點4。所述電容C2的正極接節(jié)點3，電容C2的負極接節(jié)點4。所述電容Cout的正端接節(jié)點7,電容Cout的負端接節(jié)點4。所述電感L的兩端分別接節(jié)點2和節(jié)點3。在圖I中，節(jié)點4接地。所述MOS場效應晶體管Ml和M2在電路中可當作開關使用。當輸入端口 Vin施加直流電壓且Ml導通M2斷開時，MOS場效應晶體管M3、M4，電感L，電容C2，電流采樣電阻Rs和外部的控制IC可構成同步降壓電路高效率的由Vin給電池BAT充電。實現(xiàn)同步降壓充電功能等效電路圖參見圖2。在圖2中，箭頭指能量傳輸方向，包圍線中的器件組成同步降壓電路架構。當輸入端口 Vin施加直流電壓且MOS場效應晶體管Ml、M2同時導通時，構成的同步降壓電路架構可由Vin給電池BAT充電以及通過導通的MOS場效應晶體管M2直接給輸出負載Vout供電?？赏瑫r實現(xiàn)同步降壓充電和給Vout輸出負載供電等效電路圖如圖3所示，在圖3中，箭頭指能量傳輸方向，包圍線中的器件組成同步降壓電路架構。當輸入端口 Vin無直流電壓且MOS場效應晶體管Ml斷開、MOS場效應晶體管M2導通時，由起輸入作用的電池BAT，電流采樣電阻Rs，電感L，M0S場效應晶體管M3、M4，輸出電容Cout及外部的控制IC可構成同步升壓電路高效率的給輸出負載Vout供電。當輸入端口 Vin無電壓時，組成的同步升壓電路由電池BAT給輸出負載Vout供電等效電路圖如圖4所示，在圖4中，箭頭指能量傳輸方向，包圍線中的器件組成同步升壓電路架構。
在圖I中的MOS場效應晶體管Ml可由正向導通，反向截止的二極管Dl代替，用二極管DO代替Ml實現(xiàn)的同步降壓充電、同步升壓供電電路圖如圖5所示。盡管用二極管Dl代替MOS晶體管Ml可實現(xiàn)上述功能，但由于二極管的正向壓降通常比導通的MOS場效應晶體管的VDS值高許多，因此在給電池BAT充電時，會降低系統(tǒng)效率。在典型的2A輸入電流下，圖5中的Dl即便使用價格昂貴的肖特基二極管，其正向壓降最小值一般也會大于300mV，而處在線性區(qū)導通的MOS場效應晶體管的源漏電壓VDS最小值可小于20mV。所述的外部控制IC可采用廈門理摯半導體科技有限公司針對移動電源系統(tǒng)應用設計的一款控制1C，型號為RS8175，集成電路布圖專利保護型號為M5175。該控制IC具有如下特征■輸入電壓 Vin = 5 10V?！鰞戎酶呔溶壷淋夒娏鞑蓸臃糯笃??！鰞戎幂斎脒^壓保護和輸出負載限流功能?！鲭姵馗〕渚取?%。■升壓輸出精度± I %?！鼋祲撼潆娦矢哌_95 %與升壓供電效率高達90 %?！鱿到y(tǒng)睡眠時靜態(tài)電流小于30 U A0■內置動態(tài)路徑管理功能。 ■電池內阻跟蹤補償和電量指示功能?！鲭姵販囟葯z測和電池復充功能?！鲚敵隹蛰d和電池空載檢測功能。
■輸入電源掉電檢測與自動升壓功能?！鼋祲号c升壓軟啟動功能。
權利要求
1.用單電感實現(xiàn)同步降壓充電與升壓供電的電路架構，其特征在于設有3個與外部連接的端口，4個MOS場效應晶體管Mp M2、M3、M4,1個電感L，3個電容Q、C2、Cout, I個電流采樣電阻Rs和7個節(jié)點1、2、3、4、5、6、7 ； 所述3個與外部連接的端口為輸入端口 Vin、輸出端口 Vtjut和BAT端口，所述輸入端口Vin與外部適配器或USB的輸出相連，所述輸出端口 Vtjut與外部用電設備的電源輸入相連，所述BAT端口外接可充電電池的正極； 所述MOS場效應晶體管M1的漏極接節(jié)點5，MOS場效應晶體管M1的源極接節(jié)點1，MOS場效應晶體管M1的柵極接節(jié)點G1，所述節(jié)點G1外接控制電路； 所述MOS場效應晶體管M2的漏極接節(jié)點7，MOS場效應晶體管M2的源極接節(jié)點1，MOS場效應晶體管M2的柵極接節(jié)點G2，所述節(jié)點G2外接控制電路； 所述MOS場效應晶體管M3的漏極接節(jié)點2，MOS場效應晶體管M3的源極接節(jié)點1，MOS場效應晶體管M3的柵極外接控制電路； 所述MOS場效應晶體管M4的漏極接節(jié)點2，MOS場效應晶體管M4的源極接節(jié)點4，MOS場效應晶體管M4的柵極外接控制電路； 在節(jié)點I和節(jié)點G1之間設有電阻R1，在節(jié)點I和節(jié)點G2之間設有電阻R2 ； 所述電流采樣電阻Rs的兩端分別與節(jié)點3和節(jié)點6相連； 所述電容C1的正極接節(jié)點1，電容C1的負極接節(jié)點4 ； 所述電容C2的正極接節(jié)點3，電容C2的負極接節(jié)點4 ； 所述電容Ctjut的正端接節(jié)點7，電容Ctjut的負端接節(jié)點4 ； 所述電感L的兩端分別接節(jié)點2和節(jié)點3。
2.用單電感實現(xiàn)同步降壓充電與升壓供電的電路架構，其特征在于設有3個與外部連接的端口，I個二極管D0，3個MOS場效應晶體管M2、M3、M4，I個電感L，3個電容Q、C2、Cout,I個電流采樣電阻Rs和7個節(jié)點1、2、3、4、5、6、7 ； 所述3個與外部連接的端口為輸入端口 Vin、輸出端口 Vtjut和BAT端口，所述輸入端口Vin與外部適配器或USB的輸出相連，所述輸出端口 Vtjut與外部用電設備的電源輸入相連，所述BAT端口外接可充電電池的正極； 所述二極管DO的正極接輸入端口 Vin，二極管DO的負極接節(jié)點I ; 所述MOS場效應晶體管M2的漏極接節(jié)點7，MOS場效應晶體管M2的源極接節(jié)點1，MOS場效應晶體管M2的柵極接節(jié)點G2，所述節(jié)點G2外接控制電路； 所述MOS場效應晶體管M3的漏極接節(jié)點2，MOS場效應晶體管M3的源極接節(jié)點1，MOS場效應晶體管M3的柵極外接控制電路； 所述MOS場效應晶體管M4的漏極接節(jié)點2，MOS場效應晶體管M4的源極接節(jié)點4，MOS場效應晶體管M4的柵極外接控制電路； 在節(jié)點I和節(jié)點G2之間設有電阻R2 ； 所述電流采樣電阻Rs的兩端分別與節(jié)點3和節(jié)點6相連； 所述電容C1的正極接節(jié)點1，電容C1的負極接節(jié)點4 ； 所述電容C2的正極接節(jié)點3，電容C2的負極接節(jié)點4 ； 所述電容Ctjut的正端接節(jié)點7，電容Ctjut的負端接節(jié)點4 ； 所述電感L的兩端分別接節(jié)點2和節(jié)點3。
全文摘要
用單電感實現(xiàn)同步降壓充電與升壓供電的電路架構，涉及一種備用電源。設有3個與外部連接的端口，4個MOS場效應晶體管M1、M2、M3、M4，1個電感L，3個電容C1、C2、Cout，1個電流采樣電阻Rs和7個節(jié)點1、2、3、4、5、6、7；3個與外部連接的端口為輸入端口Vin、輸出端口Vout和BAT端口，輸入端口Vin與外部適配器或USB的輸出相連，所述輸出端口Vout與外部用電設備的電源輸入相連，所述BAT端口外接可充電電池的正極。所述M1可由二極管替代?？朔司€性充電效率低、無法實現(xiàn)快速充電以及“后備電源”的系統(tǒng)板制造費用昂貴且無法實現(xiàn)小型化的弊端。
文檔編號H02M3/155GK102629825SQ20121012761
公開日2012年8月8日 申請日期2012年4月26日 優(yōu)先權日2012年4月26日
發(fā)明者邢建力, 邢舟 申請人:廈門理摯半導體科技有限公司