具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

如图1所示，本实施例提供一种线性充电升压芯片，适用于真无线（TWS）蓝牙耳机充电仓，所述线性充电升压芯片包括：欠压锁定模块100、线性充电模块200及升压模块300，

所述欠压锁定模块100用于比较电池电压VBAT和第一设定电压，根据比较结果产生充电切换控制信号，并在电池电压VBAT不小于第一设定电压时产生升压控制信号；

所述线性充电模块200受控于所述充电切换控制信号，用于通过输入电压VIN对电池进行涓流充电或恒流充电，并在电池电压VBAT达到满充设定值时结束充电；

所述升压模块300受控于所述升压控制信号，用于对输出电压VOUT进行升压操作以使其达到输出设定值。

进一步地，如图1所示，所述线性充电升压芯片还包括：工作电压产生模块400，受控于使能信号EN，用于在使能信号EN有效时，比较输入电压VIN和电池电压VBAT并选择其中较大值作为第一工作电压V1，比较电池电压VBAT和输出电压VOUT并选择其中较大值作为第二工作电压V2，比较内部低压V4和第二工作电压V2并选择其中较大值作为第三工作电压V3；其中，所述第一工作电压V1和所述内部低压V4作为所述线性充电模块200的工作电压，所述第二工作电压V2作为所述升压模块300的工作电压，所述第三工作电压V3作为所述欠压锁定模块100的工作电压，用以保证各个模块随时使用最高电压来作为其工作电压，从而来保证各个模块的正常工作。

相应地，如图1所示，所述线性充电升压芯片还包括：内部低压产生模块500，用于对所述输入电压VIN进行线性稳压以产生所述内部低压V4。本实施例中，利用所述内部低压为所述线性充电模块200中的部分器件供电，使这些器件可以采用低压器件来实现，避免使用高压器件所造成的面积过大问题。

具体的，所述欠压锁定模块100以电阻分压方式来判断所述电池电压VBAT是否达到所述第一设定电压（如2.8V），其可采用分压电阻和比较器来实现。

对于充电模式：在所述电池电压VBAT未达到所述第一设定电压（如2.8V）时，所述欠压锁定模块100产生充电切换控制信号以控制所述线性充电模块200对电池进行涓流充电；在所述电池电压VBAT达到所述第一设定电压（如2.8V）时，所述欠压锁定模块100产生充电切换控制信号以控制所述线性充电模块200对电池进行恒流充电。

对于升压模式：只有在所述电池电压VBAT达到所述第一设定电压（如2.8V）时，所述欠压锁定模块100才产生升压控制信号以控制所述升压模块300进行升压操作。

具体的，如图1所示，所述线性充电模块200包括：匹配放大器201、电流环202、满充比较器203、电压环204、选通开关S1、与非门NAND、第一二极管D1、第二二极管D2、第一高压NMOS管HVNM1、第二高压NMOS管HVNM2、第一高压PMOS管HVPM1、第二高压PMOS管HVPM2、第三高压PMOS管HVPM3、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4及第五电阻R5，所述第一高压PMOS管HVPM1的栅极和所述第二高压PMOS管HVPM2的栅极相连并连接充电P管栅极控制信号，所述第一高压PMOS管HVPM1的源极和所述第二高压PMOS管HVPM2的源极相连并连接所述输入电压VIN，所述第一高压PMOS管HVPM1的漏极连接所述匹配放大器201的反相输入端及所述第三高压PMOS管HVPM3的源极，所述第二高压PMOS管HVPM2的漏极连接所述匹配放大器201的同相输入端及所述第一电阻R1的一端，并作为所述线性充电模块200的充电输出端，所述匹配放大器201的输出端连接所述第三高压PMOS管HVPM3的栅极，所述第三高压PMOS管HVPM3的漏极连接所述电流环202的同相输入端及所述满充比较器203的反相输入端，并作为所述线性充电模块200的充电电流编程端，所述第一电阻R1的另一端连接所述电压环204的同相输入端及所述第二电阻R2的一端，所述电流环202的反相输入端连接所述选通开关S1的公共端，所述电流环202的输出端通过所述第一二极管D1输出一充电P管栅极控制信号，所述第三电阻R3、所述第四电阻R4及所述第五电阻R5串联于第一基准电压REF1和地之间，所述第三电阻R3和所述第四电阻R4的连接节点连接所述选通开关S1的第一选通端，所述第四电阻R4和所述第五电阻R5的连接节点连接所述选通开关S1的第二选通端及所述满充比较器203的同相输入端，所述满充比较器203的输出端连接所述与非门NAND的一输入端，所述电压环204的反相输入端连接第一基准电压REF1，所述电压环204的输出端通过所述第二二极管D2输出另一充电P管栅极控制信号，所述第二电阻R2的另一端连接所述第一高压NMOS管HVNM1的漏极，所述与非门NAND的另一输入端连接所述充电切换控制信号，所述与非门NAND的输出端连接所述第二高压NMOS管HVNM2的栅极，所述第一高压NMOS管HVNM1的源极接地，所述第一高压NMOS管HVNM1的栅极连接所述第二高压NMOS管HVNM2的栅极，所述第二高压NMOS管HVNM2的源极接地，所述第二高压NMOS管HVNM2的漏极作为所述线性充电模块200的充电状态输出端；其中，所述选通开关S1受控于所述充电切换控制信号，所述第一高压PMOS管HVPM1的衬底及所述第二高压PMOS管HVPM2的衬底均连接所述第一工作电压V1，所述第一高压NMOS管HVNM1的衬底、所述第二高压NMOS管HVNM2的衬底及所述第三高压PMOS管HVPM3的衬底均与其各自的源极连接，所述电流环202的工作电压及所述电压环204的工作电压均为所述第一工作电压V1，所述匹配放大器201的工作电压、所述满充比较器203的工作电压及所述与非门NAND的工作电压均为所述内部低压V4。可选地，第一高压PMOS管HVPM1和第二高压PMOS管HVPM2的尺寸比为1：1000，以使第二高压PMOS管HVPM2所在支路电流为第一高压PMOS管HVPM1所在支路电流的1000倍。

所述选通开关S1受控于所述充电切换控制信号，使所述电流环202的反相输入端接入不同的电压值（如0.2V或1V），以此来切换不同的充电电流值，实现涓流充电或恒流充电；所述电压环204利用第一电阻R1和第二电阻R2对输出进行电阻分压，并与第一基准电压REF1进行比较，以根据比较结果来控制输出，实现基于负反馈将输出稳定在满充设定值（如4.2V）；所述满充比较器203基于电池满充后充电电流开始下降，在充电电流下降到一定值（如恒流充电下充电电流的1/5）时触发，使充电状态输出端变为高阻态，以此使该端口外接的发光二极管不发光，显示充电结束；所述匹配放大器201使第一高压PMOS管HVPM1和第二高压PMOS管HVPM2的漏极电压一致，从而使镜像1000倍后的电流更为准确。本实施例中，利用输入电压VIN和电池电压VBAT中的较大电压来作为第一高压PMOS管HVPM1和第二高压PMOS管HVPM2的衬底电压，以此防止第一高压PMOS管HVPM1和第二高压PMOS管HVPM2在电池电压VBAT大于输入电压VIN时发生电压倒灌的问题。

具体的，如图1所示，所述线性充电模块200还包括：输入欠压比较单元205、输入过压比较单元206及充电逻辑控制单元207，

所述输入欠压比较单元205用于比较所述输入电压VIN和第二设定电压，并在所述输入电压VIN小于所述第二设定电压时产生输入欠压信号；

所述输入过压比较单元206用于比较所述输入电压VIN和第三设定电压，并在所述输入电压VIN大于所述第三设定电压时产生输入过压信号；

所述充电逻辑控制单元207用于根据所述输入欠压信号或所述输入过压信号产生充电P管关断信号，以控制所述第一高压PMOS管HVPM1和所述第二高压PMOS管HVPM2关断，使所述线性充电模块200不工作；

其中，所述输入欠压比较单元205的工作电压、所述输入过压比较单元206的工作电压及所述充电逻辑控制单元207的工作电压均为所述内部低压V4。

更具体的，所述输入欠压比较单元205以电阻分压方式来判断所述输入电压VIN是否达到所述第二设定电压（如3.8V），其可采用分压电阻和比较器来实现。所述输入过压比较单元206以电阻分压方式来判断所述输入电压VIN是否达到所述第三设定电压（如7.1V），其也可采用分压电阻和比较器来实现。

具体的，如图1所示，所述线性充电模块还包括：端口过压比较器208，其同相输入端连接所述第三高压PMOS管HVPM3的漏极，反相输入端连接所述第一基准电压VREF1，输出端连接所述充电逻辑控制单元207，用于比较所述充电电流编程端的电压和所述第一基准电压VREF1，并在所述充电电流编程端的电压大于所述第一基准电压VREF1时产生端口过压信号；此时，所述充电逻辑控制单元207还用于根据所述端口过压信号产生充电P管关断信号，以控制所述第一高压PMOS管HVPM1和所述第二高压PMOS管HVPM2关断，使所述线性充电模块200不工作，避免端口电压过高导致充电电流过大的问题；其中，所述端口过压比较器208的工作电压为所述内部低压V4。

具体的，如图1所示，所述线性充电模块还包括：电池温度检测单元209，用于检测电池温度，并在电池温度高于第一设定电池温度时产生电池高温信号，在电池温度低于第二设定电池温度时产生电池低温信号；此时，所述充电逻辑控制单元207还用于根据所述电池高温信号或所述电池低温信号产生充电P管关断信号，以控制所述第一高压PMOS管HVPM1和所述第二高压PMOS管HVPM2关断，使所述线性充电模块200不工作；其中，所述电池温度检测单元209的工作电压为所述第一工作电压V1。

更具体的，所述电池温度检测单元209通过在电池附近外接一热敏电阻来检测电池温度，在电池温度上升时，热敏电阻的有效阻值变低，其对应的电阻分压减小，当该电阻分压减小到一定值（如输入电压VIN的30%）时产生电池高温信号，以触发电池高温保护；在电池温度下降时，热敏电阻的有效阻值变高，其对应的电阻分压增大，当该电阻分压增大到一定值（如输入电压VIN的70%）时产生电池低温信号，以触发电池低温保护。实际应用中，所述电池温度检测单元209可采用两个比较器来实现，其中，高温比较器的同相输入端连接输入电压VIN的30%、反相输入端通过温度检测端外接热敏电阻、输出端用于产生电池高温信号，低温比较器的同相输入端连接输入电压VIN的70%、反相输入端通过温度检测端外接热敏电阻、输出端用于产生电池低温信号；此时，为了让所述电池温度检测单元209正常工作，所述温度检测端还应通过外接输入电阻连接输入电压。当然，所述电池温度检测单元209还可以包括一屏蔽比较器，其中，屏蔽比较器的同相输入端接地、反相输入端连接温度检测端、输出端连接高温比较器和低温比较器的控制端，用以在温度检测端接地（而非通过外接输入电阻连接输入电压）时，屏蔽高温比较器和低温比较器（所述电池温度检测单元209的输出固定为不影响器件关闭信号OFF的电平）。

具体的，如图1所示，所述线性充电模块还包括：防反接单元210，用于在所述电池电压为负压时产生反接信号；此时，所述充电逻辑控制单元207还用于根据所述反接信号产生充电P管关断信号，以控制所述第一高压PMOS管HVPM1和所述第二高压PMOS管HVPM2关断，使所述线性充电模块200不工作；其中，所述防反接单元210的工作电压为所述内部低压V4。

更具体的，所述防反接单元210可采用比较器来实现，该比较器的同相输入端连接电池电压VBAT，反相输入端接地，输出端用于产生反接信号；当电池反接时，电池电压VBAT为负压，而该比较器比较电池电压VBAT和地电压，并在电池电压VBAT小于地电压时产生反接信号。

具体的，所述充电逻辑控制单元207在产生所述充电P管关断信号时，其还产生器件关闭信号OFF，用以关闭所述匹配放大器201、所述电流环202、所述满充比较器203及所述电压环204，实现在低功耗时进一步节省工作电流的目的；而在所述线性充电模块200还包括所述端口过压比较器208、所述电池温度检测单元209、所述防反接单元210中至少一个时，该器件关闭信号OFF还用于关闭所述端口过压比较器208、所述电池温度检测单元209、所述防反接单元210中至少一个。

具体的，如图1所示，所述升压模块300包括：PMOS功率管PMOSFET、NMOS功率管NMOSFET、误差放大器301、斜坡发生器302、加法器303、PWM比较器304、恒定关断时间产生单元305、升压逻辑控制单元306、第六电阻R6及第七电阻R7，所述PMOS功率管PMOSFET的栅极连接升压P管栅极控制信号，所述PMOS功率管PMOSFET的源极作为所述升压模块300的电压输出端，所述PMOS功率管PMOSFET的漏极连接所述NMOS功率管NMOSFET的漏极，所述NMOS功率管NMOSFET的源极接地，所述NMOS功率管NMOSFET的栅极连接升压N管栅极控制信号，所述第六电阻R6和所述第七电阻R7串联于所述PMOS功率管PMOSFET的源极和所述NMOS功率管NMOSFET的源极之间，所述第六电阻R6和所述第七电阻R7的连接节点连接所述误差放大器301的反相输入端，所述误差放大器301的同相输入端连接第二基准电压REF2，所述误差放大器301的输出端连接于所述PWM比较器304的同相输入端，所述PWM比较器304的反相输入端连接于所述加法器303的输出端，所述加法器303的第一输入端连接所述斜坡发生器302的输出端，所述加法器303的第二输入端连接基准电流IREF，所述PWM比较器304的输出端连接所述升压逻辑控制单元306的第一输入端，所述恒定关断时间产生单元305的输出端连接所述升压逻辑控制单元306的第二输入端，所述升压逻辑控制单元306的控制端连接所述升压控制信号，所述升压逻辑控制单元306的第一输出端输出所述升压P管栅极控制信号，所述升压逻辑控制单元306的第二输出端输出所述升压N管栅极控制信号；所述恒定关断时间产生单元305用于在所述PWM比较器304产生升压N管关断信号时开始计时，并在计时时间达到设定时间时产生升压P管关断信号，所述升压逻辑控制单元306用于根据所述升压N管关断信号产生所述升压N管栅极控制信号，及根据所述升压P管关断信号产生所述升压P管栅极控制信号；其中，所述PMOS功率管PMOSFET的衬底连接所述第二工作电压V2，所述NMOS功率管NMOSFET的衬底与其源极连接。本实施例中，采用所述恒定关断时间产生单元305来产生升压P管关断信号，可以使升压的稳定性更好。

所述输出电压VOUT经过所述第六电阻R6和所述第七电阻R7进行电阻分压，并通过所述误差放大器301对该电阻分压和第二基准电压VREF2进行误差放大以得到补偿电压VCOMP；所述斜坡发生器302通过对所述NMOS功率管NMOSFET导通时电感电流的检测，产生与电感电流成比例的电流，并通过加法器303将该电流与基准电流相加，以利用两电流相加之和产生斜坡电压；所述PWM比较器304对补偿电压VCOMP和斜坡电压进行PWM比较，以产生升压N管关断信号；而在产生所述升压N管关断信号后，所述恒定关断时间产生单元305利用与输出电压VOUT相关的电流给其内部电容充电，并在该电容电压达到电池电压VBAT时产生升压P管关断信号，使该信号自适应与输出电压VOUT和电池电压VBAT的占空比相关。需要注意的是，所述基准电流是与所述第二基准电压VREF2相关的零温漂电流。

具体的，如图1所示，所述升压模块还包括：过流保护/过零检测单元307，用于检测电压输出端的电流，并在其达到设定峰值电流（如1A）时产生过流信号，达到设定谷值电流（如50mA）时产生过零信号；此时，所述升压逻辑控制单元306还用于根据所述过流信号产生第一关断信号以控制所述NMOS功率管NMOSFET关断，及根据所述过零信号产生第二关断信号以控制所述PMOS功率管PMOSFET关断。

具体的，如图1所示，所述升压模块还包括：短路保护单元308，用于检测所述输出电压VOUT小于等于设定短路电压（如VBAT-0.2V）的持续时间，并在所述持续时间大于设定短路时间（如40ms）时产生短路信号；此时，所述升压逻辑控制单元306还用于根据所述短路信号产生总关断信号以控制所述NMOS功率管NMOSFET和所述PMOS功率管PMOSFET关断，当然，也可以通过所述总关断信号控制所述NMOS功率管NMOSFET和所述PMOS功率管PMOSFET其中之一关断，这对本实施例没有影响。

具体的，所述升压逻辑控制单元306还用于根据所述NMOS功率管及/或所述PMOS功率管的导通、关断产生一升压使能信号，用以在所述NMOS功率管及所述PMOS功率管中至少一个关断时，关闭所述误差放大器、所述斜坡发生器、所述PWM比较器及所述恒定关断时间产生单元，实现在低功耗时进一步节省工作电流的目的；而在所述升压模块300还包括过流保护/过零检测单元307及/或短路保护单元308时，该升压使能信号还控制过流保护/过零检测单元307及/或短路保护单元308。

具体的，如图1所示，所述线性充电升压芯片还包括：热关断模块600，用于在所述线性充电升压芯片工作于升压模式时，检测芯片温度，并在检测温度大于第一设定芯片温度（如150℃）时产生升压热关断信号，在检测温度小于第二设定芯片温度（如130℃）时产生升压恢复信号，此时，所述升压逻辑控制单元306还用于根据所述升压热关断信号产生总关断信号以控制所述NMOS功率管NMOSFET和所述PMOS功率管PMOSFET关断，及根据所述升压恢复信号产生总恢复信号以所述NMOS功率管NMOSFET和所述PMOS功率管PMOSFET导通；所述热关断模块600还用于在所述线性充电升压芯片工作于充电模式时，检测芯片温度，并在检测温度大于第三设定芯片温度（如100℃）时产生充电热关断信号，并通过第三二极管D3直接控制所述第一高压PMOS管HVPM1和所述第二高压PMOS管HVPM2关断，以结束充电；其中，所述热关断模块600的工作电压为所述第三工作电压V3。

具体的，如图1所示，所述线性充电升压芯片还包括：基准电压产生模块700，用于产生所述第一基准电压VREF1和所述第二基准电压VREF2。

更具体的，所述基准电压产生模块700包括：初级基准电压产生单元701及次级基准电压产生单元702，所述初级基准电压产生单元701用于产生零温漂的第二基准电压VREF2，所述次级基准电压产生单元702通过对所述第二基准电压VREF2进行运算放大以产生第一基准电压VREF1；其中，所述初级基准电压产生单元701的工作电压为所述第三工作电压，所述次级基准电压产生单元702的工作电压为所述内部低压V4。本实施例中，所述第一基准电压VREF1具有更强的电阻分压能力，使得经过所述第三电阻R3、所述第四电阻R4及所述第五电阻R5后可以得到更准确的电阻分压。

图2为本实施例所述线性充电升压芯片应用时的外围电路设计，其中，充电电流编程端（即ISET引脚）通过外接编程电阻R_Iset到地，充电电流满足公式I_BAT=（V_Iset/R_Iset）*1000，其中，I_BAT为充电电流，V_Iset为端口电压，R_Iset为编程电阻的阻值；输入端口（即VIN引脚）外接至少1µF 的旁路电容Cin到地，可以支持4.25V-16V的输入电压；充电输出端（即VBAT引脚）外接锂电池组到地，同时外接10uf的电容C1到地；漏极输出端（即SW引脚）外接2.2uH电感L到充电输出端；温度检测端（即NTC引脚）正常工作时通过电阻Rntc_vin接到输入端口，同时通过热敏电阻Rntc到地，如果禁用温度检测功能，则将该端口通过电阻Rntc_gnd接地（为了便于说明，两种情况都在图2中示出，但实际应用中，该端口要么通过电阻Rntc_vin接到输入端口，要么通过电阻Rntc_gnd接地）；充电状态输出端（即CHRG引脚）外接发光二极管和电阻Rchrg到输入端口，通过发光二极管的亮灭来显示是否充电；使能端（即EN引脚）通常与充电输出端电压相同，当使能端连接到地时，芯片的升压模块真关断；电压输出端（即VOUT引脚）外接10uf的输出电容Cout到地。本实施例所述线性充电升压芯片作为线性充电及升压二合一的芯片，在结构上实现了单颗芯片同时具有线性充电及升压的功能，节省了芯片面积。

下面请结合图1和图2，参阅图3和图4，对本实施例所述线性充电升压芯片在充电模式和升压模式下的工作情况进行详细说明。

对于充电模式（如图3所示）：

1）在电池电压VBAT未达到第一设定电压（如2.8V）时，所述线性充电升压芯片对电池进行涓流充电；

2）在电池电压VBAT达到第一设定电压（如2.8V）时，所述线性充电升压芯片对电池进行恒流充电，并最终将所述电池电压VBAT稳定在满充设定值（如4.2V），结束充电。

在充电前，所述线性充电升压芯片还需对输入电压VIN进行输入欠压检测和输入过压检测，对电池进行防反接检测，对充电电流编程端的电压进行过压检测等，并在所有检测都没有问题时，才对电池进行充电；而在充电过程中，同样进行上述检测。

对于升压模式（如图4所示）：

1）判断使能信号是否有效及电池电压VBAT是否达到第一设定电压（如2.8V），并在二者同时满足时启动升压；

2）通过所述升压逻辑控制单元306控制所述NMOS功率管NMOSFET和所述PMOS功率管PMOSFET导通，以对输出电压VOUT进行升压操作；

3）在输出电压VOUT超过电池电压VBAT时，所述误差放大器301、所述斜坡发生器302、所述加法器303、所述PWM比较器304、所述恒定关断时间产生单元305及所述升压逻辑控制单元306开启软启动电流限制，使输出电压VOUT稳定在输出设定值。

在升压前，所述线性充电升压芯片还需进行升压热关断触发判断；而在开启软启动电流限制后，所述线性充电升压芯片还需进行升压热关断触发判断及短路保护判断，当然，也可以进行过流检测/过零检测。

综上所述，本发明的一种线性充电升压芯片，至少包括欠压锁定模块、线性充电模块及升压模块，在一颗芯片上同时实现了线性充电功能和升压功能，支持高耐压、具有超低的工作电流，实现节省面积的同时还具有更优异的性能。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。