CN201266840Y - 一种直流电源管理器、电源转化电路及电池包 - Google Patents

Abstract

本实用新型适用于电源管理领域，提供了一种直流电源管理器，所述直流电源管理器包括：检测电源输入端电压、电源输出端电压，输出相应的保护控制信号和芯片内电路上电完成指示信号，保护直流电源管理器自身安全的保护单元；与所述保护单元芯片内电路上电完成指示信号输出端连接，根据接收到的所述保护单元输出的芯片内电路上电完成指示信号生成使能信号并输出的连接单元；以及与所述连接单元连接，根据接收到的所述连接单元输出的使能信号控制自身工作状态，检测电源输入端电压、电源输出端电压、反馈输入的电流，调节电源输入端电压、电源输出端电压比，根据电压比选择能量转换方向并进行能量转换，输出电压转化控制信号的DC－DC控制单元。

Description

一种直流电源管理器、电源转化电路及电池包

技术领域

本实用新型属于电源管理领域，尤其涉及一种直流电源管理器、电源转化电路及电池包。

背景技术

与便携设备中最常用的锂电池相比，铁电池以其长寿命、高安全性、低成本将具有巨大市场潜力。但是目前很多便携设备还在沿用锂电池供电平台，要将铁电池尽快打入便携设备市场，一种直接的解决方案是保留原本便携设备的所有供电方案和系统，通过一些措施将铁电池电压拟合成锂电池对应电压输出，以兼容原有锂电池供电系统的最低电压要求以及锂电电量检测系统。

由于锂电电压与铁电电压之比约为1.12，要实现上述解决方案，需从以下几个方面考虑：一是为兼容原有锂电供电系统最低电压，必然要求铁电池通过直流-直流(Direct Current—Direct Current，DC-DC)转换电路升压放电；二是为兼容原有锂电充放电时的电量检测，则要求DC-DC的输出不是恒压，而是跟随铁电电压的起落而同时又吻合锂电的对应电压值，由此铁电池只能选择通过升压DC-DC放电，同时通过降压DC-DC充电，并且随时维持DC-DC两端电压比例恒定为1.12；三是保证电池的安全性，防止电池过充电、过放电、过流、短路及正反高压充电等。

现有电源管理集成电路产品几乎都是分别使用独立的电量释放转化模块、充电管理模块以及专用保护电路模块。并且由于当前市场已有的传统DC-DC都为恒压功能，不方便实现输出电压跟随输入电压变化，只能实现恒压功能。现以铁电3.3V为输入，拟合为锂电3.7V恒压输出为例，现有集成电路(IntegratedCircuit，IC)的技术解决方案如图1所示。现有技术需要两套独立的DC-DC控制器IC，即升压型脉宽调制控制器IC BOOST、降压型脉宽调制控制器ICBUCK，两套DC-DC控制器的外围电路，即升压型脉宽调制控制器IC BOOST的外围电路(包括电感L1、检流第一电阻Rs1、开关管NMOS1和PMOS1、输出电容Cout1)，降压型脉宽调制控制器IC BUCK的外围电路(包括电感L2、检流第一电阻Rs2、开关管MMOS2和PMOS2、输出电容Cout2)。还需要专用的功率开关SWITCH做双路选通，专用电池保护IC PROTECTION，两个用于保护功能的开关MOS管NMOS3、NMOS4，一个保证整个系统各部分时钟同步的振荡器IC OSC。

现有技术实现起来电路结构复杂、面积大、成本高，而且对双路选通开关的控制逻辑及速度要求较高，同时还要考虑整个系统的时序匹配问题和双环路稳定问题，现实意义不大。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种新型直流电源管理器，旨在解决现有将铁电池充放电特性拟合成锂电池充放电特性的实现电路结构复杂、成本高的问题。

本实用新型是这样实现的，一种直流电源管理器，所述直流电源管理器包括：

检测电源输入端电压、电源输出端电压，输出相应的保护控制信号和芯片内电路上电完成指示信号，保护直流电源管理器自身安全的保护单元；

与所述保护单元芯片内电路上电完成指示信号输出端连接，根据接收到的所述保护单元输出的芯片内电路上电完成指示信号生成使能信号并输出的连接单元；以及

与所述连接单元连接，根据接收到的所述连接单元输出的使能信号控制自身工作状态，检测电源输入端电压、电源输出端电压、反馈输入的电流，调节电源输入端电压、电源输出端电压比，根据电压比选择能量转换方向并进行能量转换，输出电压转化控制信号的DC-DC控制单元。

本实用新型的另一目的在于提供一种电源转化电路，所述电源转化电路包括：

直流电源管理器；

与所述直流电源管理器连接，根据接收到的电压转化控制信号将电源输入电压进行升压或者降压转换的电压转换电路；以及

与所述直流电源管理器连接，根据接收到的保护控制信号控制电源放电的保护电路；

所述直流电源管理器包括：

检测电源输入端电压、电源输出端电压，输出相应的保护控制信号和芯片内电路上电完成指示信号，保护直流电源管理器自身安全的保护单元；

与所述保护单元芯片内电路上电完成指示信号输出端连接，根据接收到的所述保护单元输出的芯片内电路上电完成指示信号生成使能信号并输出的连接单元；以及

与所述连接单元连接，根据接收到的所述连接单元输出的使能信号控制自身工作状态，检测电源输入端电压、电源输出端电压、反馈输入的电流，调节电源输入端电压、电源输出端电压比，根据电压比选择能量转换方向并进行能量转换，输出电压转化控制信号的DC-DC控制单元。

本实用新型的另一目的在于提供包含有上述电源转化电路的电池包

在本实用新型中，将通用于稳压用途的DC-DC控制单元和保护单元集成在一个芯片中，构成一种带保护功能、双向DC-DC控制的直流电源管理器，电路结构简单、成本低、具有完善的保护功能。采用该直流电源管理器，仅用少量外围元器件即可实现能量双向传递并始终维持两端电压比，适用于将一种电源A的电压转换为另一种电源B的电压的电路。

附图说明

图1是现有技术提供的将铁电池电压拟合成锂电池电压的实现电路结构图；

图2是本实用新型实施例提供的电池包的结构原理图；

图3是本实用新型实施例提供的电源转化电路的结构原理图；

图4是本实用新型实施例提供的电源转化电路的电路图；

图5是本实用新型实施例提供的直流电源管理器的结构原理图；

图6是本实用新型实施例提供的直流电源管理器的电路图；

图7是本实用新型实施例提供的保护单元的电路图；

图8是本实用新型实施例提供的DC-DC控制单元的结构原理图；

图9是本实用新型实施例提供的DC-DC控制单元的电路图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型实施例通过将双向DC-DC控制单元和保护单元集成在一个芯片中，实现了一种带保护功能、双向DC-DC控制的直流电源管理器，电路结构简单、成本低、具有完善的保护功能。

图2示出了本实用新型实施例提供的电池包的结构，该电池包将铁电池电压拟合成锂电池对应电压输出，以兼容原有锂电池供电系统的最低电压要求以及锂电电量检测系统，可以用于使用锂电池供电的设备。铁电池201为电池包中的供电电源。电源转化电路202将铁电池201拟合为锂电池输出，并保护铁电池201和自身安全。

图3示出了本实用新型实施例提供电源转化电路结构。为了便于说明，仅示出了与本实用新型相关的部分。

直流电源管理器301根据检测到的电源输入端电压、电源输出端电压、反馈输入的电流，生成电压转化控制信号、保护控制信号并输出。

电压转换电路302与所述直流电源管理器301连接，根据接收到的电压转化控制信号将电源输出电压进行升压或者降压转换。

保护电路303与所述直流电源管理器301连接，根据接收到的保护控制信号控制电源放电。

本实用新型实施例提供的电源转化电路的电路结构如图4所示，为了便于说明，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分。

电压转换电路302包括第一电阻Rs、电感L、第一开关管Pmos1、第二开关管Nmos1。电源输入端正极B+经第一电阻Rs、电感L分别与第一开关管Pmos1和第二开关管Nmos1一端连接；直流电源管理器301的释能控制端P_drv与第一开关管Pmos1的栅极连接，控制第一开关管Pmos1通断；直流电源管理器301的储能控制端N_drv与第二开关管Nmos1的栅极连接，控制第二开关管Nmos1通断；第一开关管Pmos1的另一端与电源输出端正极P+连接；第二开关管Nmos1的另一端与电源输入端负极B-与连接。

保护电路303包括第三开关管Nmos2、第四开关管Nmos3和第三电阻R2。直流电源管理器301的过放控制端DO与第三开关管Nmos2栅极连接，控制第三开关管Nmos2通断；直流电源管理器301的过充控制端CO与第四开关管Nmos3栅极连接，控制第四开关管Nmos3通断；电源输入端负极B-与第三开关管Nmos2一端连接；第四开关管Nmos3一端与电源输出端负极P-连接；第四开关管Nmos3另一端与第三开关管Nmos2另一端连接；直流电源管理器301的参考电压端VM经第三电阻R2与电源输出端负极P-连接。

图5示出了本实用新型实施例提供的直流电源管理器301的结构原理，为了便于描述，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分。

保护单元501检测电源输入端电压、电源输出端电压，输出相应的保护控制信号和芯片内电路上电完成指示信号，保护直流电源管理器301自身安全，以避免当直流电源管理器301处于非正常工作环境中或人为操作不当的情况下造成的损坏甚至危险事故的发生。例如对直流电源管理器301自身进行过压保护、非正常充电保护、过流保护、短路保护等。保护控制信号为过流保护控制信号、短路保护控制信号、过压保护控制信号或者异常充电保护控制信号等。

连接单元502接收保护单元501输出的芯片内电路上电完成指示信号，生成使能控制信号并输出。

DC-DC控制单元503根据接收到的连接单元502输出的使能信号控制自身工作状态，检测电源输入端电压、电源输出端电压、反馈输入的电流，调节电源输入端电压、电源输出端电压比，根据电压比选择能量转换方向并进行能量转换，输出电压转化控制信号。

为减小IC面积，降低IC成本，直流电源管理器301内部的功率管驱动部分只采用5V低压工艺。

本实用新型实施例提供的直流电源管理器301的电路结构如图6所示，连接单元502可以为与门。保护单元501的过放指示端OD输出高电平，上电指示端EN1输出芯片内电路上电完成指示信号。保护单元501的过放指示端OD、上电指示端EN1分别与与门502的输入端连接。与门502的使能控制信号输出端与DC-DC控制单元503的使能输入端EN2连接。DC-DC控制单元503的电源输入端VB与保护单元501的电源输入端VB连接；DC-DC控制单元503的电源输出端VP与保护单元501的电源输出端VP连接。当直流电源管理器301内电路已完成上电，并且保护单元501恢复解除过放状态，则过放指示端OD端和上电指示端EN1端输出高电平，使能输入端EN2端随之输入高电平，使DC-DC控制单元503开始工作。

图7示出了本实用新型实施例提供的保护单元的电路结构。延时电路接收振荡器输出的时钟信号生成延迟时间信号Tvdet1、Vdet2并输出至逻辑电路。输入电压检测器5011检测电源输入端VB的电压Vb，并适当分压后输出所需的分压电压。输出电压检测器5012检测电源输出端VP的电压Vp，并适当分压后输出所需的分压电压。

过流保护：过流比较器一端接参考电压端VM，另一端接收内部基准电压电路产生的基准电压verf。放电过程中，随着负载电流增大，参考电压端VM与保护电路地端VSSB之间的电压差跟随放电电流升高而增大。一旦参考电压端VM与保护电路地端VSSB之间的电压差大于放电过流门限值Vdet3，过流比较器将发出信号至逻辑电路，若持续时间超过过流延时时间Tvdet3，逻辑电路控制过放控制端DO跳为低电平。当过流状态回复后，即参考电压端VM电压小于Vdet3时，过流比较器发出解除过流保护的控制信号至逻辑电路，逻辑电路控制过放控制端DO再复位为高电平。

短路保护：输入电压检测器5011的短路电压转换单元将电源输入端VB的电压Vb进行检测并适当分压后送入短路比较器的一端，输出电压检测器5012的短路电压转换单元将电源输出端VP的电压Vp进行检测并适当分压后送入短路比较器的另一端。为可靠保护系统各器件，一旦电源输出端VP的电压Vp低于0.9倍的电源输入端VB的电压Vb，短路比较器将发出信号至逻辑电路，若持续时间超过短路保护延时时间Tshort，逻辑电路控制过放控制端DO将跳转为低电平。若电源输出端VP的电压Vp回复到高于0.9倍电源输入端VB的电压Vb，短路比较器发出解除短路保护的控制信号，则短路状态消除，逻辑电路控制过放控制端DO复位为高电平。

过压保护：输入电压检测器5011的过压电压转换单元将电源输入端VB的电压Vb进行检测并适当分压后送入过压比较器的一端，输出电压检测器5012的过压电压转换单元将电源输出端VP的电压Vp进行检测并适当分压后送入过压比较器的另一端。一旦电源输出端VP的电压Vp和电源输入端VB的电压Vb的比值高于一定值，例如1.28，则过压比较器将发出信号至逻辑电路，逻辑电路控制零延时将过充控制端CO置为低电平。当过压状态回复后，即电源输出端VP的电压Vp和电源输入端VB的电压Vb的比值小于1.28，过压比较器发出解除过压保护的控制信号至逻辑电路，逻辑电路控制过充控制端CO复位为高电平。

异常充电保护：输出电压检测器5012的异常电压转换单元将电源输出端VP的电压Vp进行检测并适当分压后送入异常充电比较器的一端，该比较器另一端接内部电路的地VSSB。若电池处于反极性充电状态时，电源输出端VP的电压小于0V，则反极性充电比较器NV将发出信号至逻辑电路，逻辑电路控制零延时将过放控制端DO置为低电平。

进一步地，为了使电源管理器用于对电池进行电压管理时能保护电池电芯安全，本实用新型实施例提供的保护单元501还包括：输入电压检测器5011的过充电压转换单元、过充比较器，输入电压检测器5011的过放电压转换单元、过放比较器。当保护保护单元501进入过放保护时，过放指示端OD端输出为低电平，使能输入端EN2输入端随之为低电平，从而使DC-DC控制单元503停止工作。保护单元501输出的控制信号还包括过充保护控制信号、过放保护控制信号。

过充保护：输入电压检测器5011的过充电压转换单元将电源输入端VB的电压Vb进行检测并适当分压后送入过充比较器的一端，该过充比较器的另一端接收内部基准电压电路产生的基准电压verf。充电过充中，当电源输入端VB的电压Vb充电超过过充保护阈值Vdet1时，例如设为3.85V，过充比较器将发出信号至逻辑电路，经过一段过压保护延迟时间Tvdet1后，逻辑电路控制过充控制端CO将由高电平跳变为低电平。

过充保护回复：当电源输入端VB的电压开始低于过充保护回复电压Vrel1时，过充比较器将发出信号至逻辑电路，若保持时间足够长以至超过过充保护回复延迟时间Tvrel1，过充保护状态将被解除，此时逻辑电路控制过充控制端CO的由低电平跳转为高电平。

过放保护：输入电压检测器5011的过放电压转换单元将电源输入端VB的电压Vb进行检测并适当分压后送入过放比较器的一端，该过放比较器的另一端接收内部基准电压电路产生的基准电压verf。放电过程中，当电源输入端VB的电压Vb低于过放保护门限电压Vdet2时，过放比较器将发出信号至逻辑电路，经过一段过放保护延迟时间Tvdet2后，逻辑电路控制过放控制端DO转变为低电平。

过放保护回复：当电池处于过放状态时，如果有充电器给电池充电，使电源输入端VB的电压Vb回升到超出Vdet2时，过放比较器将发出信号至逻辑电路，若保持时间足够长以至超过过放保护回复延迟时间Tvrel1，过放保护状态将被解除，此时逻辑电路控制过放控制端DO的输出由低电平跳转为高电平。

由于芯片内部连接电源输出端VP或P_VP的很多电路均为低压5V工艺，不能长时间直接承受高于6V的电压。为了兼容对其他高压充电保护和实现对电芯的零伏充电功能，本实用新型实施例提供的保护单元501还包括过压控制端OV，输入电压检测器5011的0V电压转换单元和输出电压检测器5012的0V电压转换单元，泄放比较器。保护单元501还具备泄放保护功能和0V充电功能，还输出泄放保护控制信号或者0V充电控制信号。

泄放保护：输入电压检测器5011的0V电压转换单元将电源输入端VB的电压Vb进行检测并适当分压后送入泄放比较器的一端，输出电压检测器5012的0V电压转换单元将电源输出端VP的电压Vp进行检测并适当分压后送入泄放比较器的另一端。当电源输出端VP的电压Vp与电源输入端VB的电压Vb的电压差大于设定值时发生，例如在将铁电池拟合为锂电池时，当电源输出端VP的电压Vp与电源输入端VB的电压Vb的电压差大于2.5V时，此时泄放比较器将发出信号至逻辑电路，零延时逻辑电路控制将过压控制端OV置为低电平。当电源输出端VP的电压Vp与电源输入端VB的电压Vb的电压差小于1V时，逻辑电路控制过压控制端OV将回复为高电平。

0V充电：此功能应用于电池自身放电到电芯过放保护值以下时，即电源输入端VB的电压Vb低于过放值，DC-DC控制单元503部分已停止工作，但此时仍然需要对电芯充电。逻辑电路控制过压控制端OV置为低电平。当电源输入端VB的电压Vb不断升高直到高于过放保护回复值，DC-DC控制单元503部分开始工作，逻辑电路控制过压控制端OV置为高电平。

上述输入电压检测器5011和输出电压检测器5012可以采用电阻来实现分压。

在本实用新型实施例中，DC-DC控制单元503为双向脉宽调制(Pulse WidthModu1ation，PWM)升降压DC-DC控制单元，其结构原理如图8所示。DC-DC控制单元503包括信号处理组件5031、脉宽调制组件5032和控制组件5033。

信号处理组件5031根据电源输入端电压、电源输出端电压和反馈输入的电流，生成电流比较信号、方向指示信号、反向电流比较信号，并输出给脉宽调制组件5032。

控制组件5033接收与门502输出的使能控制信号、脉宽调制组件5032输出的辅助控制信号，根据使能控制信号、辅助控制信号生成控制脉宽调制组件5032开始、停止运行的运行控制信号并输出。

脉宽调制组件5032根据接收到控制组件5033输出的运行控制信号控制自身工作状态，并向控制组件5033输出辅助控制信号，接收信号处理组件5031输出的电流比较信号、方向指示信号、反向电流比较信号，生成脉宽控制信号并输出。

本实用新型实施例提供的DC-DC控制单元的电路如图9所示。

以下用Vb表示电源输入端VB与地端VSSA之间的电压差，Vp表示电源输出端VP与地端VSSA之间的电压差。

使能输入端EN2为高电平，允许双向PWM升降压DC-DC控制单元503工作。当控制电源进行升压转换时，DC-DC控制单元503的工作原理如下：

1)误差放大器实时对电源输出端VP和电源输入端VB的检测信号进行比较放大，并将这一误差放大信号送至电流设置器；

2)电流检测器检测比较电源输入端VB与地端VSSA之间的电压差Vb和电流检测端I_Sense的信号，将电流检测端Isense的电流放大为电压信号，这里指定为I_snl，同时电流检测器生成一路电流信号的静态电位信号，其电位值等于Vb与I_Sense相等时I_snl的电位，此时对应第一电阻RS上的电流为零，这里指定这一静态电位信号为V_qus，设置放大关系为I_snl-V_qus＝A·(I_Sense-Vb)，其中A为电流检测放大器增益(在这里放大关系也可以通过调换差分放大正负输入端设为I_snl-V_qus＝-A·(I_Sense-Vb))；

3)电流设置器根据误差放大器输出的误差放大信号生成一路电流峰值信号I_peak0，对于升压放电模式下，该峰值信号低于V_qus；

4)方向比较器比较V_pus和I_peak0，在升压模式下比较得I_peak0低于V_qus，生成方向选择信号dir_sle，这里设置dir_sle为高电平则指示为升压状态，低电平指示为降压状态；

5)振荡器产生的时钟信号输出至第一斜坡补偿电路，第一斜坡补偿电路产生一个同步于该时钟信号的斜坡补偿信号slope1，斜坡补偿信号slope1的波形为锯齿形且斜率上升，I_peak0通过叠加斜坡补偿信号slope1，生成用于升压模式下电流比较的峰值信号I_peak1并送至双路选通器；

6)双路选通器由方向选择信号dir_sle控制，在升压模式下双路选通器选通I_peak1，指定选通信号I_peak为I_peak1；

7)I_peak和I_snl分别送至电流比较器的两个输入端，电流比较器为电压输入的差分比较器，设置I_snl送至正向输入端，I_peak送至负向输入端，则在升压模式下当I_snl低至I_peak电位的时，比较信号I_comp翻转为低电平；

8)同时，Vb和I_Sense信号也送至反向电流比较器，比较I_Sense和Vb的电位，设置I_Sense送至正向输入端，Vb送至负向输入端，生成比较信号I_rcmp；

9)电流比较信号I_comp、方向指示信号dir_sle和反向电流比较信号I_rcmp一同送至PWM逻辑控制器，振荡器向PWM逻辑控制器输出时钟信号CLK，由该模块分别输出释能控制信号P_con、储能控制信号N_con，具体的逻辑控制操作过程为：每次CLK上升沿，N_con由低翻转为高，电感L进行储能，当I_comp由高翻转为低时N_con翻转为低，同时P_con由高翻转为低，之后当I_rcmp信号由低翻转为高时，P_con翻转为高，电感L进行释能，如果在下一次CLK时钟之前I_rcmp没有翻转，则直到下一次CLK上升沿P_con翻转为高，之后N_con随之翻转为高，进入下一次时钟周期，循环反复；

10)N_con和P_con信号分别送至第一驱动器和第二驱动器，生成脉宽控制信号，在本实用新型实施例中，为释能开关信号P_drv和储能开关信号N_drv。

降压控制时，主控环路各个模块工作原理和升压状态基本相同，仅是一些信号方向和正负的反向：

1)误差放大器实时对电源输出端VP和电源输入端VB的检测信号进行比较放大，并这一误差放大信号送至电流设置器；

2)电流检测器检测放大I_Sense和Vb的差值，生成电流信号I_snl；

3)电流设置器根据误差放大器输出的误差放大信号生成一路电流峰值信号I_peak0，对于降压放电模式下，该峰值信号高于V_qus；

4)振荡器产生的时钟信号输出至第一斜坡补偿电路，第二斜坡补偿电路slope comp2产生一个同步于该时钟信号的斜坡补偿信号slope2，斜坡补偿信号slope2的波形为锯齿形且斜率下降，I_peak0经过叠加斜坡补偿信号slope2，生成用于降压模式下的电流比较的峰值信号I_peak2并送至双路选通器；

5)双路选通器由方向选择信号dir_sle控制，在降压模式下选通I_peak2，指定选通信号I_peak为I_peak2；

6)I_peak和I_snl送至电流比较器生成比较信号I_comp；

7)同时，Vb和I_Sense送至向电流比较器IRCMP，比较I_Sense和Vb的电位，设置I_Sense送至正向输入端，Vb送至负向输入端，生成比较信号I_rcmp；

8)电流比较信号I_comp、方向指示信号dir_sle和反向电流比较信号I_rcmp一同送至PWM逻辑控制器，振荡器向PWM逻辑控制器输出时钟信号CLK，由该模块分别输出释能控制信号P_con、储能控制信号N_con，具体的逻辑控制操作过程为：每次CLK上升沿，P_con由翻转为低，电感L进行释能，当I_comp由低翻转为高时P_con翻转为高，同时N_con由低翻转为高，之后当I_rcmp信号由高翻转为低时，N_con翻转为低，电感L进行储能，如果在下一次CLK时钟前I_rcmp没有翻转，则到了下一次CLK上升沿N_con翻转为低，之后P_con翻转为低，进入下一次时钟周期，循环反复；

9)N_con和P_con信号分别送至第一驱动器和第二驱动器，生成释能开关信号P_drv和储能开关信号N_drv。

综上所述，本实用新型实施例提供的双向PWM升降压DC-DC控制器单元可以自动根据电源输出端VP的电流变化切换电能转化方向，在双向转化的情况下都可以通过脉宽调制控制电源输出端VP和电源输入端VB的电压比例恒定。另外，在集成电路内部的设计上，上面叙述中所指定的信号的正负方向、高低电平、放大器或比较器的正负输入端等包含方向的信号很多可以做出正负或高低的对调，通过在逻辑上反向最终仍可以实现上文所述的检测关系及操作。

其中，双向PWM升降压DC-DC控制单元的创新点可归纳如下：

1)传统DC-DC都为稳压用途，误差放大器的同向输入端接一基准电压，反向输入端接输出电压反馈，从而使输出电压稳定于基准电压的某一倍数。与传统DC-DC的稳压用途不同，本使用新型中的双向PWM升降压DC-DC控制单元将电源输入端VB和电源输出端VP结合各自分压电阻R3、R4和R1、R2分别作为反馈电压送到误差放大器的同向输入端和反向输入端，来设置电源输入端VB和电源输出端VP的电压比，从而使电源输出端VP和电源输入端VB电压比维持恒定。

2)一种电流检测方式为在电压较低的电能输入输出端的正端和电感之间串接检流电阻，通过检测电阻的压降来检测电流。由于电能在两个电压间转化时较低电压的一端上会是持续的电流，而较高电压的一端上是间断电流，本实用新型实施例中的双向PWM升降压DC-DC控制单元采用上述电流检测方式实现对电流检测端Isense在整个操作周期进行检测，也可以同时兼顾到电流检测端Isense在两个方向上的各自的上升电流。

3)区别于传统DC-DC控制单元仅对电流检测信号幅值进行放大不体现电流方向的做法，本实用新型中的双向PWM升降压DC-DC控制单元首先模拟生成电流检测端Isense电流为零时电流放大信号的电位，作为电流放大和峰值的参考电位，电流放大信号体现为高于这一参考电位或低于参考电位的放大，同时还体现出电流检测端Isense电流的方向和幅值。

4)区别于传统DC-DC控制单元的峰值信号仅作为限制对电流大小的限制，仅允许单一的电流方向，本实用新型实施例中的双向PWM升降压DC-DC控制单元的电流峰值设置以上述的参考电位为参考，生成高于参考电位或低于参考电位的原始电流峰值信号，可以根据状态需求允许电流检测端Isense电流选择正反两种方向，同时结合反向电流比较器作用，既限制了电流检测端Isense电流峰值的大小，也限定了电流检测端Isense电流的方向；通过原始电流峰值信号与电流信号参考电位的比较生成方向选择指示信号来指示当前电路工作状态为升压或降压；电流峰值信号叠加相应状态下的斜坡补偿信号经过选通后作为作为最终电流比较的峰值信号；时钟信号、电流比较信号、反向电流比较信号、方向选择信号按照之前操作步骤当中所述的逻辑行为组合通过释能控制端P_drv、储能控制端N_drv输出释能开关信号P_drv、储能开关信号N_drv。

双向PWM升降压DC-DC控制单元采用双向脉宽调制控制原理，兼顾了升、降压两种电能转化功能，自行识别应用需要并切换升降压模式。具体而言，当电源输出端VP的电压Vp高于或低于电源输入端VB的电压Vb的设定倍数时，双向PWM升降压DC-DC控制单元将自动进入升压或降压工作状态，例如当将铁电池拟合为锂电池时，Vp/Vb比为1.12。直流电源管理器301将电源输入端VB电压的Vb和电源输出端VP的电压Vp结合各自分压第二电阻R1、R2和R3、R4，分别作为反馈电压送到误差放大器的同向输入端和反向输入端，来设置Vb和Vp的电压比，使Vp/Vb为设定倍数。

针对便携设备应用的低功耗高效率要求，本实用新型实施例提供的双向PWM升降压DC-DC控制单元503在轻负载时进入省电模式。当电源输出端VP负载较轻时，直流电源管理器301在升压状态下交替工作于空闲模式和正常工作模式之间，进入省电模式。在省电模式下，只有振荡器和误差比较器EA保持工作状态，其他电路模块都掉电。

当然，电压转换电路302中的第一开关管Pmos1、第二开关管Nmos1也可以集成到直流电源管理器301中。并且，其中的Pmos、Nmos等金氧半导体场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)也可以为场效晶体管(Field-Effect Transistor，FET)或者双极结型晶体管(BipolarJunction Transistor，BJT)。

进一步地，直流电源管理器301的电源输入端VB与输入电源正极B+连接；输入电压检测端VT经第二电阻R1与输入电源正极B+连接；电源输出端VP与输出电源正极P+连接，检测输出端的电压Vp；电路检流端Isense连接至电感L的任意一端，检测电感L上的电流大小，以通过释能控制端P_drv和储能控制端N_drv控制第一开关管Pmos1和第二开关管Nmos2的开关状态；过充保护输入端VP_CO经第四电阻R3与输出电源正极P+连接；正极性电压供电端口VP_P与输出电源正极P+连接；负极性电压供电端口VSSA_P、保护单元负极VSSB以及控制单元负极VSSA与电源负极B-连接。输入电源正极B+经输入电容CIN与电源负极B-连接。

进一步地，保护电路303还包括：二极管D1正极接第三开关管Nmos2源极，负极接第三开关管Nmos2漏极；二极管D2正极接第四开关管Nmos3源极，负极接第四开关管Nmos3漏极。

以将铁电池拟合为锂电池为例，放电时，铁电池经电源转化电路升压1.12倍放电；充电时，经电源转化电路降1.12倍向铁电池充电，从而实现铁电充放点特性与锂电相似，并且还要保护铁电池安全。

当铁电池进行升压放电和降压充电时，直流电源管理器301释能控制端P_drv和储能控制端N_drv实时对第一开关管Pmos1和第二开关管Nmos1的栅极输出PWM驱动信号，进而调节输入输出电流，达到电源输出端VP电压和电源输入端VB电压的比例平衡稳定。

过充保护时，直流电源管理器301过充控制端CO输出为低电平，第四开关管Nmos3随之关断，切断电池充电通路，停止充电。

过充保护回复时，直流电源管理器301过充控制端CO输出为高电平，第四开关管Nmos3随之开启，连通电池充电通路，开始充电。

过放保护时，直流电源管理器301过放控制端DO输出转变为低电平，第三开关管Nmos2随之关断，切断电池放电通路，停止放电。

过放保护回复时，直流电源管理器301过放控制端DO的输出为高电平，第三开关管Nmos2随之开启，连通电池放电通路。

过流保护时，直流电源管理器301过放控制端DO跳为低电平，第三开关管Nmos2随之关断，切断电池放电通路。过流状态回复后，直流电源管理器301过放控制端DO再复位为高电平。第三开关管Nmos2随之开启，连通电池放电通路。

短路保护时，直流电源管理器301过放控制端DO输出为低电平，第三开关管Nmos2随之关断，切断电池放电通路。短路状态消除后，直流电源管理器301过放控制端DO复位为高电平，第三开关管Nmos2随之开启，连通电池放电通路。

过压保护时，直流电源管理器301过充控制端CO置为低电平，第四开关管Nmos3随之关断，切断电池充电通路。当过压状态回复后，直流电源管理器301过充控制端CO复位为高电平，第四开关管Nmos3随之开启，连通电池充电通路。

异常充电保护时，直流电源管理器301过放控制端DO置为低电平，第三开关管Nmos2随之关断，切断电池放电通路。

进一步地，为了在正负高压充电时保护直流电源管理器301和对电池实现零伏充电功能，本实用新型实施例提供的保护电路303还包括第五开关管Pmos2。直流电源管理器301过压控制端OV与第五开关管Pmos2栅极连接，输出电源正极P+与第五开关管Pmos2源极连接，输入电源正极B+与第五开关管Pmos2漏极连接。

泄放保护时，直流电源管理器301过压控制端OV置为低电平，第五开关管Pmos2随之开启，连通电源输出端VP与电源输入端VB，此时电流迅速从电源输出端VP涌入电源输入端VB。一方面避免芯片因输出端VP输入电压过高导致损坏，另一方面使铁电池能够适应某些输出电压高于5V的非标准充电器。当电源输出端VP电压与电源输入端VB电压的电压差小于1V时，直流电源管理器301过压控制端OV将复位为高电平，第五开关管Pmos2随之关断，切断电源输出端VP与电源输入端VB的直接连接关系。

0V充电时，直流电源管理器301过压控制端OV会被动置为低电平，第五开关管Pmos2随之导通，直接连接电源输出端VP和电源输入端VB，此时第五开关管Pmos2即可作为充电通道。当电源输入端VB电压不断升高直到高于过放保护回复值，DC-DC控制单元503部分开始工作，直流电源管理器301过压控制端OV输出为高电平，第五开关管Pmos2随之关断，充电器继而通过DC-DC控制单元503给电源输入端VB充电。

本实用新型实施例提供的电源转化电路中，如图4所示，Rs为30mΩ、R1为1kΩ、R2为2.7kΩ、R3为10k、L为2.2u、CIN为1uF、COUT为47uF。

在本实用新型实施例中，直流电源管理器301可以采用小型贴片QFN3*3_16L封装。

本实用新型实施例提供的直流电源管理器，将双向DC-DC控制单元和保护单元集成在一个芯片中，构成一种带保护功能、双向DC-DC控制的直流电源管理器，电路结构简单、成本低、具有完善的保护功能。采用该直流电源管理器，仅用少量外围元器件即可实现能量双向传递并始终维持两端电压比，适用于将一种电源A的电压转换为另一种电源B的电压的电路，特别适用于兼容锂电供电的铁电池供电便携式设备供电系统。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1、一种直流电源管理器，其特征在于，所述直流电源管理器包括：

检测电源输入端电压、电源输出端电压，输出相应的保护控制信号和芯片内电路上电完成指示信号，保护直流电源管理器自身安全的保护单元；

与所述保护单元芯片内电路上电完成指示信号输出端连接，根据接收到的所述保护单元输出的芯片内电路上电完成指示信号生成使能信号并输出的连接单元；以及

与所述连接单元连接，根据接收到的所述连接单元输出的使能信号控制自身工作状态，检测电源输入端电压、电源输出端电压、反馈输入的电流，调节电源输入端电压、电源输出端电压比，根据电压比选择能量转换方向并进行能量转换，输出电压转化控制信号的DC-DC控制单元。

2、如权利要求1所述的直流电源管理器，其特征在于，所述连接单元为与门，所述与门一个输入端与所述保护单元的芯片内电路上电完成指示信号输出端连接，另一个输入端接高电平，所述与门输出端输出使能控制信号至所述DC-DC控制单元。

3、如权利要求1所述的直流电源管理器，其特征在于，所述DC-DC控制单元为输出脉宽控制信号的双向PWM升降压DC-DC控制单元。

4、如权利要求3所述的直流电源管理器，其特征在于，所述双向PWM升降压DC-DC控制单元包括：

根据电源输入端电压、电源输出端电压和反馈输入的电流，生成比较信号并输出的信号处理组件；

根据接收到的运行控制信号控制自身工作状态，并输出辅助控制信号，接收所述信号处理组件输出的比较信号，生成脉宽控制信号并输出的脉宽调制组件；以及

根据所述连接单元输出端输出的使能控制信号、所述脉宽调制组件输出的辅助控制信号，生成所述运行控制信号并输出的控制组件。

5、一种电源转化电路，其特征在于，所述电源转化电路包括：

直流电源管理器；

与所述直流电源管理器连接，根据接收到的电压转化控制信号将电源输入电压进行升压或者降压转换的电压转换电路；以及

与所述直流电源管理器连接，根据接收到的保护控制信号控制电源放电的保护电路；

所述直流电源管理器包括：

检测电源输入端电压、电源输出端电压，输出相应的保护控制信号和芯片内电路上电完成指示信号，保护直流电源管理器自身安全的保护单元；

与所述保护单元芯片内电路上电完成指示信号输出端连接，根据接收到的所述保护单元输出的芯片内电路上电完成指示信号生成使能信号并输出的连接单元；以及

与所述连接单元连接，根据接收到的所述连接单元输出的使能信号控制自身工作状态，检测电源输入端电压、电源输出端电压、反馈输入的电流，调节电源输入端电压、电源输出端电压比，根据电压比选择能量转换方向并进行能量转换，输出电压转化控制信号的DC-DC控制单元。

6、如权利要求5所述的电源转化电路，其特征在于，所述电压转换电路包括：

第一电阻、电感、第一开关管和第二开关管；

所述第一开关管控制端与所述直流电源管理器释能控制端连接，两个主电流导通极分别接电源输出端正极、经所述电感和第一电阻接电源输入端正极；

所述第二开关管控制端与所述直流电源管理器储能控制端连接，两个主电流导通极分别接电源输人端负极、经所述电感和第一电阻接电源输入端正极。

7、如权利要求5所述的电源转化电路，其特征在于，所述保护电路包括：

第三开关管、第四开关管和第三电阻；

所述第三开关管控制端与所述直流电源管理器过放控制端连接，两个主电流导通极分别接电源输人端负极、经所述第四开关管接电源输出端负极；

所述第四开关管控制端与所述直流电源管理器过充控制端连接，两个主电流导通极分别接电源输出端负极、经所述第三开关管接电源输入端负极；

所述第三电阻一端接所述直流电源管理器参考电压端，另一端接电源输出端负极。

8、一种包含有电源转化电路的电池包，其特征在于，所述电源转化电路为权利要求5所述的电源转化电路。

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