专利名称：缓冲电池电源系统的制作方法
技术领域：
本发明是有关于一种电池电源系统，特别是一种可控制施加至一主动系统或可再充电的电池的功率的缓冲电池充电器电路。本发明的特殊用途在于便携式电子装置的电源系统，尽管这里也考虑了其它的用途。
图1为已有技术中用于便携式电子装置24的典型的已有技术的电源拓扑结构20的简化方块示意图。主动系统24由系统直流/直流转换器22控制，自电池18或外部输入电源适配器10(例如一交流输出或是直流电源)获得能量，输入电源适配器10从外部主要电源，如AC输出口或DC源获得能量且直接将该能量提供给系统直流/直流转换器22(通过分离二极管12)以及电池充电器14。该电池18通过分离二极管16与系统直流/直流转换器22连接，并在一旦无法利用主要电源时，向该转换器22提供能量。当可利用主要电源时，由反向极性(反偏)的二极管16将电池18与该系统直流/直流转换器22的电源输入隔绝。此外，当电源是由该主要电源供给时，电池18通过充电器14被充电。图1的拓扑结构的缺点是在节点25有大且快的电压暂态，该节点25为系统直流/直流转换器22的输入端。
图2所示为一缓冲电池电源20’的拓扑结构的简化方块示意图。电池组18与系统直流/直流转换器22的输入端永久性连接且提供其所需的电源。当可用外部主要电源时，外部输入电源适配器10向电池充电器14供电。该外部输入电源适配器10用以使主要电源的参数适合充电器输入的要求。该电池充电器14以并联方式对系统直流/直流转换器22及电池18均供应能量以充电，或是将完全充电的电池的电压维持在最佳水平。此“缓冲式电池拓扑结构”将系统直流/直流转换器输入端的电压变化限制在一正常电池的电压变化，且不允许在该输入端发生快的电压暂态。并且，当系统24所需的电源暂时超过输入电源适配器10的能力时，输入电源适配器10及电池18均会并行地通过转换器22输送能量至系统24。然而，图2的电路20’的没有提供据电池、系统或两者的限制或需求来降低或增加由电池充电器提供的功率的机制。
类似地，Kates等人的美国专利第5,698,964号提供一种电池充电器电路拓扑结构。此种电路可监测交流适配器的电流(即Iin)以及适度地利用所有可用的电流对电池充电。此系统直流/直流转换器直接在与AC适配器连结后由它供应电源，电池并不连接至系统。因此系统直流/直流转换器的输入端的电压在每次高于充电电池电压最大值时，承受由放电电池的低电压至交流适配器的电压的缓慢的暂态。并且，因交流适配器输出电压可能改变，所以对由交流适配器向系统(例如便携式电子设备)和电池发出的功率没有提供实际的控制。Bell等人的美国专利第5,723,970号提供了一种类似结构，亦遇到了上述提到的类似的和/或附加的问题。
因此，亟需一种可控制总输出功率及输送至电池的功率的缓冲电池电源系统。并且，需要提供一种可明显地减短出现在电气装置电池或两者中的电压暂态的系统。
因此，本发明可通过提供一缓冲电池电源系统来解决上述缺陷，该系统包含对电池充电器电路所输送的总输出电流以及输送给电池的电压的反馈控制。并且该反馈控制依据电池充电器电路所输送的总输出功率(总输出电流×总输出电压)提供。
在本发明的一个实施例中，提供的电源系统包含一用以产生用于将电源输送至主动系统和电池的任务周期。提供用以检测该充电器电路所产生的总输出电流的第一反馈回路及用以检测由该充电器电路输送至该电池的电流的第二反馈回路。此第一及第二反馈回路包含对该充电器电路产生误差信号的误差电路。此充电器电路依据该误差信号的值调整任务周期，由此控制输送至该主动系统与该电池的总输出电流。
在本发明的另一实施例中，提供的电源系统包含一输入功率源；一用以产生用于控制该输入功率源输送受控功率至主动系统与电池的任务周期的充电器电路；提供了一用以检测该充电器电路所产生的总输出电流的第一反馈回路，第一反馈回路依据该总输出电流及存在的门限总输出电流信号产生第一误差信号；提供了一用以检测由该充电器电路输送至该电池的电流的第二反馈回路，该第二反馈回路依据输送至该电池的电流及存在的门限电池电流信号产生第二误差信号；提供了一用以检测该充电器电路产生的总输出功率的第三反馈回路，该第三反馈回路依据该总输出功率及存在的门限总输出功率信号产生第三误差信号；通过使用该第一、第二及第三误差信号，该充电器电路调整用于控制输送至该主动系统与该电池的总输出电流与功率的任务周期。
以方法而言，本发明提供一种调节由充电器电路输送至主动系统和电池的电流的方法。该方法包含依据充电器电路的总输出电流及预置的门限总输出电流信号，检测第一误差信号的步骤。该方法亦包含依据由充电器电路输送至电池的电流及预置的门限电池电流信号，检测第二误差信号的步骤。第一或第二误差信号之一被提供至充电器电路用作反馈信号。此充电器电路依据第一或第二反馈误差信号调节输出的电流。
本领域中的熟练人员可以认识到，虽然以下的详细说明参考较佳实施例及使用方法来进行，但本发明并非旨在限定于这些较佳实施例及使用方法。相反地，本发明具有广泛的范围且旨在仅以伴随的权利要求的范围来限定。
随着以下详细的说明及参阅图示，本发明的其它优点及特征将会很明显。图示中相同的图号指相同的元件，其中图1为一已有技术的电源电路结构的方块图；图2为已有技术的另一电源电路的结构方块图；图3为本发明电源系统的一较佳实施例的方块图；图4为图3的实施例的详细电路图；图5为本发明的电源系统的另一实施例的详细电路图；图6为图5的实施例中提供的一电流—电压乘积电路实例的详细电路图；及图7为图5的实施例中提供的—电流—电压乘积电路另一实例的详细电路图；图3显示根据本发明的电池电源系统30的一较佳实施例的方块图。如以上所述，该电池18通过检测电阻34永久连接于系统直流/直流转换器。最好该电阻34的电阻值非常小，以使检测流入和自电池18流出的电流时电压降可以忽略。电池充电器32通过分离二极管12及检测电阻36连接于系统直流/直流转换器的输入端(节点25)。当输入电源适配器10具有一可用的主要电源且其连接至系统30时，该电池充电器32通过直流/直流转换器22对主动系统24提供所需的电源，且同时对电池18充电。由检测电阻34所检测的电池充电电流以及节点25的电压由电池充电器32调节，该充电器利用来自电流检测电阻34和节点25的反馈连结。并且以检测电阻26检测总电池充电器输出电流且通过使用从检测电阻26到电池充电器32的反馈连结将该输出电流限定于一安全值。此电池充电器32通过减少充电电流来做出反应。以下将详细描述通过检测电阻26及34的反馈连结。
参阅图4，该图描述根据本发明的一个实施例的电池充电器电路32的详细电路图。切换MOS晶体管40及42、肖特基二极管46、电感44、电容48以及脉宽调制器38共同构成一受控的降压转换器(buck converter)。在此实施例中，此降压转换器脉冲的任务周期通过至少三个反馈回路由脉宽调制器38来控制I)横跨于误差放大器60建立的电压回路、II)使用电池充电电流检测放大器64与误差放大器58的电池充电电流回路，及III)嵌入输出电流检测放大器62与比较器56的总输出电流限制回路。二极管50、52及54确保最大负值(即二极管具有最大的反偏值)通过脉宽调制器PWM38。此为最大误差的测量值，因此提供了对达到限定值的输出参数的控制。
当输入电源适配器10提供电源至充电器的输入端时，此脉宽调制器38开始产生驱动功率MOS晶体管40及42的栅极脉冲。结果，该充电器的输出端产生一电压。此脉波的任务周期由PWM38接收的来自反馈回路的反馈电压而定。只要没有超过所设的任一限定值，此任务周期就会减小，该减少又会增加此降压转换器的输出电压。如下所述，所设的限定值最好定义为比较器的预置输入。当此转换器的输出电压超过电池电压时，电路80切换为导通(ON)且输出电流到达节点25。此电流分流至系统直流/直流转换器22及电池18。流至电池18的电流会在检测电阻34上产生一电压降。此电压由检测放大器64放大且由误差放大器58与程序值IDAC做一比较。当此充电电流超过此程序的值IDAC时，此误差放大器58的输出会变为负，流经二极管52，并且降低PWM的任务周期以使此充电电流保持在该程序值。同样地，误差放大器60将电池电压与程序值VDAC做一比较，并且，当充电电压超过此程序值VDAC时，缩短降压转换器的任务周期。类似地，降压转换器的总输出电流会在检测电阻26上产生一电压降。此电压降由检测放大器62放大且由误差放大器56将其与预置值Iout-max做一比较。当总输出电流超过此预置值时，误差放大器56的输出为负，且该信号流经二极管50，任务周期会减小以保持总输出电流在此预置的限定值。此减小会降低电池充电电流。如同大家已知的，因为电池具有一低内阻抗，所以电池充电电流会随着电压的减少而快速下降。相反地，系统直流/直流转换器所吸收的电流仅在边缘处受此电压变化的影响。因此，当电池充电电流降低时节点25的总电流ITOT可保持恒定。因此，分配至系统直流/直流转换器22的电流会增加。达到预置限值时，降压转换器的整个输出电流会被分配给系统24。并且，若系统需要更多功率，电压将会下降更多且电池会参与降压转换器提供功率。此特征使得可用较小与较低廉的输入功率整流器。
信号VDAC及IDAC表示可安全送至电池18的最大电流及电压的编程信号，亦即电池安全操作所允许的门限值。在某些情况下，电池18提供信号VDAC及IDAC(亦即若电池18是所谓提供指示最大允许功率的“智慧型电池”)，该信号可以为数字形式。因此，提供D/A转换器(未显示)将信号VDAC及IDAC转换为模拟信号用于分别在误差放大器58、60中进行比较，如上所述。或者是，VDAC及IDAC可以本领域中所知道的其它可程式电路(未显示)来产生。并且，参考信号Iout-max是另一个预置门限值，其表示PWM被许可输送的，用以避免由充电器电路32输送过电流的最大允许电流。此Iout-max可以由分压电路(未显示)或是该专业中所知的其它电流产生电路产生。
必须注意的是，在此实施例中，最好以电路80取代二极管12。二极管12(图3)及电路80均避免从电池18来的反向电流到达PWM。然而，电路80胜过二极管的额外优点是需用于导通电路80的正向电压可忽略。因此相较于二极管，电路80具有很小的电压降，于是电路80所产生的损失在系统中是可忽略的。电路80切断由电池至充电器的反向电流。电路80包含一嵌有二极管72本体的MOS晶体管70，此MOS晶体管70由比较器66驱动。此比较器66具有正如偏压源68提供的确切的正偏移。一旦MOS晶体管的漏极相对其源极为负，则比较器66的输出为高且MOS晶体管70截止。当MOS晶体管的漏极电压超过此偏移量时，比较器66的输出为低且MOS晶体管导通。如此，电路80以很低的正向电压降如同一二极管般工作。
图4的电源系统限制降压转换器的总输出电流。因为降压转换器输出电压依赖于电池电压，所以对于一完全放电的电池而言，输出电流限定方法会迫使降压转换器送出一比额定值低的功率。因此，除了图4所示的控制参数以外，其它解决方法为控制与限制降压转换器的输出功率，图5显示了一类似于图4中系统的系统32’，但增加了一功率限制回路。跨于检测电阻26上的电压降(与总输出电流Iout成比例)被施加至输出电流检测放大器62及乘法器82。通过与乘法器的第二连结可检测输出电压Vout。通过将总输出电流值与输出电压值相乘，此乘法器82在其输出端提供一与输出功率成比例的电压PWR_OUT。对其它回路，由比较器84将此PWR_OUT电压与设定的限制做一比较。放大误差通过二极管86驱动PWM38。此二极管的功能类似于如图4所述的其它二极管20、52、54之一。
图6所示为一用于将降压转换器输出电流值与电压值进行乘法运算的示范性电路82。检测电阻26上的电压降被施加至跨导放大器88。该放大器输出一电流K×Iout，该电流与该电压降成比例，由此也与总输出电流成比例。MOS晶体管90以与降压转换器相同的任务周期斩波此电流。结果，该任务信号被施加至晶体管90的控制线。藉由综合的RC组合94，运算放大器92周围的积分电路将所得的电流积分。此积分器电路92的输出电压会与降压转换器的总输出功率成比例。
图7所示为另一用于将输出电流值与电压值进行乘法运算的示范性电路82’。此电路依据众所周知的差动放大级的特性。此级的输出电压大致上与共源极电流(I＝k×Vout)与差动输入电压的乘积成比例。图7所示的差动放大级包含每个均与参考电压Vcc连结的共源极晶体管98及100。此差动输入连结至总电流检测电阻26。因此放大器96提供的输出电压会与降压转换器的输出功率成比例。
因此，很明显本发明已提供了一种可满足所提出的目的的缓冲电池电源电路。本专业技术人员可以认识到，对本发明可以进行被认为是如附加的权利要求中定义的、在本发明范围内的修改或/和变化。
例如，虽然图4与图5的较佳实施例特定地提到用受控的降压转换器电路，但本专业的技术人员可以认识到该电路可由其它本领域中的可控的电源来代替，包括例如升压器(boost)、升压一降压器(buck-boost)及其它类似电路拓扑结构。该拓扑结构也可由频宽调制电路和/或其它切换拓扑结构得来。
其它的修改也是有可能的，例如可用本专业已知的其它反向偏压开关，包含例如偏压晶体管电路，等效置换二极管50、52、54及56。
权利要求
1.一种电源系统，包括一充电器电路，用以产生用于将功率输送给一主动系统与一电池的任务周期；检测由该充电器电路所产生的总输出电流的第一反馈回路及检测由该充电器电路输送至所述电池的电流的第二反馈回路，该第一及该第二反馈回路包含用于产生到该充电器电路的误差信号的误差电路，其中该充电器电路依据该误差信号值调整用于调节输送至该主动系统与该电池的总输出电流的该任务周期。
2.如权利要求1所述的电源系统，还包含一连接至所述充电器电路的输入功率源。
3.如权利要求1所述的电源系统，其中所述充电器电路、所述主动系统与所述电池为并联连接。
4.如权利要求2所述的电源系统，其中所述充电器电路包含一与所述输入功率源连接的脉宽调制(PWM)电路，该PWM电路提供所述的任务周期以依据由所述第一反馈回路与所述第二反馈回路提供的误差信号调节所述输入功率源。
5.如权利要求1所述的电源系统，其中所述第一反馈回路包含用以检测输送至所述主动系统的总输出电流信号的检测电阻，用以放大该总输出电流信号的第一检测放大器，第一比较器，用以将该放大的总输出电流信号与预定的总输出电流门限值做一比较，以产生第一误差信号；及用以使该第一误差信号流至所述充电器电路的第一开关；所述第二反馈回路包含用以检测输送至所述电池的电流信号的第二检测电阻，用以放大输送至所述电池的电流信号的第二检测放大器，用以将输送至所述电池的所述放大电流信号与预定的电池电流门限值做一比较，以产生第二误差信号的第二比较器，及用以使该第二误差信号流至所述充电器电路的第二开关；其中该第一及第二开关为并联连接，且其中当误差信号施加至所述充电器电路时，该第一与第二误差信号的最大值被允许流过该第一及第二开关。
6.如权利要求5所述的电源系统，还包含第三反馈回路，该第三反馈回路包含用以比较电池电压与预定的电池电压门限信号，以产生第三误差信号的第三比较器，及用以使该第三误差信号流至所述充电器电路的第三开关；其中所述第一、第二及第三开关为并联连接，且其中当所述误差信号施加至所述充电器电路时，该第一、第二及第三误差信号中的最大值被允许流过所述第一、第二及第三开关。
7.如权利要求1所述的电源系统，还包含一直流—直流转换器电路，用于接收由所述充电器电路输出且输送至所述主动系统的所述输出电流。
8.如权利要求1所述的电源系统，还包含一反向电流限制电路，用于限制电流由所述电池流至所述充电器电路。
9.如权利要求8所述的电源系统，其中所述反向电流限制电路包含具有所述总输出电流方向的顺向偏压的二极管。
10.如权利要求8所述的电源系统，其中所述反向电流限制电路包含一晶体管；一比较器，该比较器连接于所述晶体管的输入与输出线，且用于产生与该晶体管的控制线连结的控制信号；一电压源，用于正向偏置该晶体管；其中当电流自所述的输入流至所述的输出时该晶体管导通。
11.如权利要求5所述的电源系统，其中所述的预定总输出电流门限值及所述的预定电池电压门限信号由一可编程电路所产生。
12.如权利要求6所述的电源系统，其中所述预定总输出电流门限值与所述预定电池电压门限信号由一分压电路所产生，该分压电路分压总输出电压与跨于所述电池上的电压。
13.如权利要求5所述的电源系统，还包含一功率限制反馈回路，该反馈回路包含用于将所述总输出电流与总输出电压相乘以产生总输出功率信号的乘法器电路；用以比较所述总输出功率信号与一预定的功率输出门限信号以产生一功率输出误差信号的功率比较器；及用于允许所述功率输出误差信号流向所述充电器电路的功率开关；其中所述第一、第二与功率开关为并联连接，且其中当所述误差信号施加至所述充电器电路时，所述第一、第二与功率误差信号中的最大值可流过所述第一、第二与功率开关。
14.如权利要求13所述的电源系统，其中所述乘法器电路包含用以产生总电流信号的跨导放大器；具有作为来自所述充电器电路的控制线输入的所述任务周期的晶体管，该晶体管用于根据所述任务周期斩波总电流信号作为来自所述充电器电路的控制线，该所述任务周期用于将所述总输出电流与所述输出电压相乘以产生一功率电流信号与一积分电路；该功率电流信号与所述总输出功率成比例；该积分电路用以产生与所述总输出功率成比例的输出电压信号。
15.如权利要求13所述的电源系统，其中所述乘法器电路包含一用以产生与所述总输出功率成比例的输出电压的差动放大器电路。
16.一种电源系统，包含一输入功率源；一充电器电路，用于产生用以控制该输入功率源将受控功率输送至一主动系统与一电池的任务周期；第一反馈回路，用以检测由该充电器电路所产生的总输出电流，该第一反馈回路依据该总输出电流及预置的门限总输出电流信号产生第一误差信号；第二反馈回路，用以检测由该充电器电路输送至该电池的电流，该第二反馈回路依据所述输送至该电池的电流及预置的门限电池电流信号产生第二误差信号；第三反馈回路，用以检测由该充电器电路所产生的总输出功率，该第三反馈回路依据该总输出功率及预置的门限总输出功率信号产生第三误差信号；其中该充电器电路依据该第一、第二及第三误差信号的值调整该任务周期，该任务周期用以调节输送至该主动系统与该电池的总输出电流与功率。
17.如权利要求16所述的电源系统，还包含第四反馈回路，用以检测输送至所述电池的电压，该第四反馈回路依据所述输送至该电池的电压及预置的门限电池电压信号产生第四误差信号；其中该充电器电路依据该第一、第二、第三及第四误差信号的值调整该任务周期，该任务周期用以调节输送至该主动系统与该电池的总输出电流与功率。
18.如权利要求16所述的电源系统，其中所述第一反馈回路包含用于比较所述总输出电流与所述预置的门限总输出电流信号的第一比较器；所述第二反馈回路包括用于比较所述输送至所述电池的电流信号与预置的门限电池电流信号的第二比较器；所述第三反馈回路包括第三比较器，用于比较所述总输出功率与所述预置的门限总输出功率信号，每一该第一、第二及第三比较器分别产生所述第一、第二及第三误差信号。
19.如权利要求16所述的电源系统，其中所述第一、第二及第三误差信号被施加至一开关，其中该开关根据所述第一、第二及第三误差信号的最大值动作。
20.如权利要求18所述的电源系统，其中所述第三反馈回路还包含一乘法器电路，该乘法器电路用于将所述总输出电流与所述总输出电压相乘，并用于产生与所述总输出功率成比例的信号。
21.如权利要求16所述的电源系统，其中所述充电器电路包括一与所述输入功率源连接的脉宽调制(PWM)电路，该PWM电路依据所述第一、第二或第三误差信号产生所述任务周期。
22.如权利要求16所述的电源系统，还包含一反向电流限制电路，用以限制电流由所述电池流至所述充电器电路，其中反向电流限制电路包含一晶体管；一连接于该晶体管的输入线与输出线的比较器，该比较器用以产生连接至该晶体管的控制线的控制信号；及一用以使该晶体管为正偏置的电压源；其中当电流自所述输入流至所述输出时该晶体管导通。
23.一种调节由充电器电路输送到主动系统及电池的电流的方法，该方法包含下列步骤依据该充电器电路与预置的门限总输出电流信号检测第一误差信号；依据由该充电器电路输送至该电池的电流与预置的门限电池电流信号检测第二误差信号；且提供该第一或该第二误差信号之一至该充电器电路作为反馈信号，并依据该第一或该第二反馈误差信号调节该充电器电路输送的电流。
24.如权利要求23所述的方法，还包含下列步骤依据所述总输出电流与所述充电器电路的总输出电压检测第三误差信号，且提供所述第一、第二及第三误差信号至该充电器电路作为反馈信号，并且依据所述第一、第二及第三反馈误差信号调节由充电器电路输送的电流及/或电压。
25.如权利要求23所述的方法，还包含下列步骤依据由所述充电器电路输出至所述电池的电压与预置的门限电池电压信号检测第四误差信号，且向所述充电器电路提供所述第一、第二或第四误差信号作为反馈信号，并且依据所述第一、第二或第四反馈误差信号调节由充电器电路输出的电压及/或电流。
26.如权利要求24所述的方法，还包含下列步骤将所述充电器电路的所述总输出电流乘以所述总输出电压以产生所述第三误差信号，该第三误差信号与所述充电器电路的总输出功率成比例。
27.如权利要求23所述的方法，还包含下列步骤限制来自所述电池且流至所述充电器电路的反向电流。
28.如权利要求23所述的方法，还包含下列步骤放大所述总输出电流，且比较所述总输出电流与所述预置的门限总输出电流信号以产生所述第一误差信号；且放大由所述充电器电路输送至所述电池的所述电流，且比较所述输送至所述电池的电流与所述门限电池电流信号以产生所述第二误差信号。
全文摘要
本发明提供一种缓冲电池电源系统。在一实施例中电池充电器电路提供一输送至主动系统与电池的总输出电流。检测此总输出电流与送至电池的电流,并且分别与预置的门限总输出电流信号及门限电池电流信号比较,该比较信号产生作为电池充电器电路反馈的误差信号以控制总输出电流。另一例中,除了检测总输出电流与电池的电流外,还检测总输出电压,并将其与总输出电流相乘产生一总输出功率误差信号,以便控制总输出电流及/或总输出电压。
文档编号H02J7/00GK1366371SQ01102018
公开日2002年8月28日 申请日期2001年1月19日 优先权日2001年1月19日
发明者弗拉德波普斯库-斯塔内斯特 申请人:凹凸科技国际股份有限公司