专利名称：具有恒定电流到恒定电压转变的电池充电器的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及电池，且更明确地说，涉及用于与此类电池一起使用的电池充电器。
背景技术：
电池充电器是众所周知的。当对电池进行充电时，电池充电器可在恒定电流模式中 操作，其中电池充电器提供恒定电流以对电池进行充电。电池充电器也可在恒定电压模 式中操作，其中电池充电器提供恒定电压以对电池进行充电。常规电池充电器的问题在 于，当电池从恒定电流模式转变到恒定电压模式时，电池充电器可能经历显著较大的充 电电流增加。遗憾的是，如果电池充电器的封装不能够耗散过量功率，那么大的充电电 流可能对电池充电器造成不可逆的损坏。因此，需要用于对电池进行充电的经改进系统 和方法。本发明解决此需要。
发明内容
本发明揭示一种用于对电池进行充电的系统和方法。在一个实施例中，所述系统包 含充电电路，所述充电电路在第一阶段期间以恒定电流对电池进行充电，且在第二阶段 期间以恒定电压对所述电池进行充电。所述系统还包含控制电路，其用于在所述充电从 所述第一阶段转变到所述第二阶段时使过电流闪变最小化。根据本文所揭示的系统和方 法，可以受控且可靠的方式对电池进行充电。
图1是根据一个实施例的充电系统的示意图。
图2是展示一展示电流和电压对时间的理想恒定电流恒定电压(CCCV)充电分布 的实例的曲线图。图3是根据一个实施例的恒定电流电路的示意图。
图4是展示来自图3的恒定电流电路的实例性充电结果的曲线图。
图5展示根据一个实施例的恒定电压电路的示意图。
图6是根据另一实施例的充电系统的示意图。
图7展示通过添加二极管获得的实例性充电结果。
图8展示通过添加二极管获得的更多实例性充电结果。
图9展示通过施加数字控制时序获得的实例性充电结果。
图IO展示通过施加数字控制时序获得的更多实例性充电结果。
图11是根据另一实施例的充电系统的示意图。
图12展示所产生的信号控制的详细图。
图13A是根据一个实施例的存储器点电路的概念示意图，所述电路可用于实施图 11的存储器点电路。
图13B是根据另一实施例的存储器点电路的晶体管电平示意图，所述电路可用于实 施图11的存储器点电路。
图14是单触发信号产生器的示意图。
图15展示图11的充电系统的实例性充电结果。
具体实施例方式
本发明涉及集成电路，且更明确地说，涉及电池充电器。呈现以下描述以使得所属 领域的技术人员能够制作和使用本发明，且在专利申请案及其要求的上下文中提供以下 描述。所属领域的技术人员将容易明白对优选实施例的各种修改以及本文所描述的一般 原理和特征。因此，本发明不希望限于所示的实施例，而是应符合与本文所描述的原理 和特征一致的最广范围。
揭示根据本发明的用于对电池进行充电的系统和方法。所述系统包含充电电路，其 在第一阶段期间以恒定电流对电池进行充电，且在第二阶段期间以恒定电压对电池进行 充电。所述系统还包含控制电路，其通过在转变期间使电流闪变和/或电压闪变最小化来 实现从第一阶段(恒定电流模式)到第二阶段(恒定电压模式)的平稳转变。所述系统 还包含限制电路，其提供专用的控制信号，所述控制信号限制功率晶体管处的过量电压 电平以避免对系统造成不可逆损坏。所述专用信号可由控制电路产生。因此，可以受控 且可靠的方式对电池进行充电。为了更明确地描述本发明的特征，现在结合附图参看以 下描述。虽然本文所揭示的本发明是在锂离子/锂聚合物电池的上下文中描述，但本发明可应 用于其它类型的要求cccv充电技术的电池，且仍保持处于本发明的精神和范围内。
基本充电系统
图I是根据一个实施例的充电系统00的示意图。充电系统100包含多路复用器 (mux) 102和104。在一个实施例中，多路复用器102和104可为模拟多路复用器。充 电系统100还包含恒定增益(GI)电流到电压转换器106和误差放大器108。在一个实 施例中，误差放大器108可具有非常高的增益。充电系统IOO还包含电阻器110和112。 在一个实施例中，电阻器IIO和112可被配置为电阻器桥。充电系统IOO还包含功率晶 体管114。在一个实施例中，晶体管114是金属氧化物半导体(MOS)晶体管。充电系 统100还包含电流感测电阻器122。在一个实施例中，所述感测装置可为任何用于测量 电流的适当装置。电源124耦合到晶体管114。电源可为任何适当的电源，例如交流或 直流壁装适配器或通用串行总线(USB)端口等。在一个实施例中，电池126可耦合到 如图1所示的充电系统。在一个实施例中，电池可为锂离子/锂聚合物型电池。在操作中， 充电系统100以恒定电流恒定电压(CCCV)对电池126进行充电，如以下在图2中所 示。
图2是展示一展示电流和电压对时间的实例性恒定电流恒定电压(CCCV)充电分 布的曲线图。如图2展示，电池充电系统大体上施加恒定电流(开始于TpKCH)以将电池 从初始电压值(例如，VBAT_CC=3V)充电到标称电压值(例如，VBAT_CV=4.2 V)。在一 个实施例中，对电池进行充电所需的所施加充电电流的值等于电池的容量。举例来说， 如果电池容量是1安培小时(Ah)，那么将在1小时期间施加1安培的充电电流以便对 电池进行充电。
在一个实施例中，充电系统IOO可利用预充电模式，其中以恒定电流将电池预充电 到两个给定值(例如，VBAT_PRCH= 2.4 V禾口 VBAT—cc= 3 V)之间的电压。在此情形中，在 一个实施例中，所使用的恒定电流可为电池容量的1/10 (例如，0.1 A二100mA，其中 假定1 Ah的电池容量)。
在一个实施例中，当电池电压达到标称电压值(例如，VBAT_CV=4.2V)时，可将恒 定电压施加于电池。充电电流减小到预定值，称为充电结束电流值。在此时刻，电池充 电完成且充电停止。
在一个实施例中，充电系统IOO使用恒定电流电路和恒定电压电路实现上述充电特 性，所述电路两者在下文中详细描述。 恒定电流电路图3是根据一个实施例的恒定电流电路300的示意图。 一起参看图1和图3两者， 恒定电流电路300包含晶体管114、电流感测电阻器122、电流到电压转换器106以及 误差放大器108。
一般来说，在操作中，恒定电流电路300维持对电池126进行充电的恒定充电电流。 恒定电流电路300通过在电流感测电阻器122处感测充电电流Ic皿c来执行此功能，且调 整充电电流IcH^以保持其恒定。更具体来说，晶体管114经由电流感测电阻器126将充
电电流IcHK。提供到电池126。更具体来说，电流感测电阻器122基于充电电流ICHKC而产
生电压。电流到电压转换器106随后接收跨越电流感测电阻器122的电压差，且将增益 输出到误差放大器108的输入。在一个实施例中，误差放大器108维持恒定电流Vcc的 电压与电流到电压转换器106的输出增益之间的相等。误差放大器108驱动晶体管114 以便维持恒定的充电电流ICHR。。
图4是展示来自图3的恒定电流电路的实例性充电结果的曲线图。如图4展示，恒 定电流电路300施加与Vcc成比例的充电电流IcH^，以便将电池126从一个电压VBAT_CCI 或VBAT—CC2充电到VBAT_CV。 VCC1和VCC2是对应于两个充电电流ICHRG1和ICHRG2的电压。
其为提供从IPRCH=C/10到ICHR。MACX=1C的给定充电电流IcHR0的电压控制。
恒定电压电路
图5展示根据一个实施例的恒定电压电路500的示意图。一起参看图1和图5两者， 恒定电流电路500包含晶体管114、电流感测电阻器122、电阻器110和112以及误差 放大器108。在一个实施例中，电流感测电阻器122恰好是此恒定电压电路300的一部 分，但不对电路回路的功能性提供显著贡献。在一个实施例中，电阻器110和112经配 置作为分压器，其根据以下等式操作
VBAT* R2/(R1 +R2) = Vcv。
一般来说，在操作中，恒定电压电路500维持对电池126进行充电的恒定充电电压。 误差放大器108确保恒定电压Vcv与从电阻器110和112的分压器得到的电压之间的相 等。在一个实施例中，恒定电压Vcv可为由任何适当电压源(例如，带隙电压源)提供 的参考电压。误差放大器108驱动晶体管114以便维持恒定充电电压VBAT。恒定电压电 路500的所得行为类似于线性调节器的所得行为。
恒定电流恒定电压电路
再次参看图1，在一个实施例中，可(例如，由模/数转换器(ADC)、比较器或任 何适当的处理器)连续监视电压控制电位voltagectrl。如果电压控制电位voltagectrl的 值下降到Vcv以下(voltagectrl是经由电阻器桥的Vbat的境像)，那么控制多路复用器102和104的信号cccvmode变为逻辑"0"。这选择Vcc作为多路复用器104的输出且选 择电流信号currentctrl作为多路复用器102的输出。因此，恒定电流电路300 (图3)变 为有效。当跨越电池的电压VBAT达至lJ VBAT_CV = 4.2 v且信号voltagectrl达到Vcv (例如， 1.200 V带隙电压)时，信号cccvmode变为逻辑"1"。这选择Vcv作为多路复用器104 的输出，且选择信号voltagectrl作为多路复用器102的输出。因此，恒定电压电路500 变为有效。
恰在从恒定电流模式向恒定电压模式转变之前，多路复用器104输出是Vcc，且多 路复用器102输出是currentctrl，其高于Vcv = 1.200 V。误差放大器108确保Vcc与 currentctrl信号之间的相等，且驱动晶体管114以使得其产生等于ICHRC5= 1C的充电电流。
在一个实施例中，在从恒定电流模式到恒定电压模式转变期间，且当信号cccvmode 从逻辑"0"变为逻辑"1"时，恒定电流电路300变为无效。在一个实施例中，恒定电 压电路500不会立即变为有效，因为其需要一些时间来变为激活且稳定。当转变发生时， 误差放大器108的输入从Vcc减小到Vcv。理想的是，如果两个输入均瞬时存在，那么 恒定电流电路300变为无效且恒定电压电路500立即变为有效。但到误差放大器108的 输入独立地改变，直到恒定电压电路500稳定且驱动晶体管114的误差放大器108的输 出减小而达到O值为止。因为栅极电压驱动晶体管114，所以通过晶体管114的电流快 速增加以便对电池126进行充电，直到恒定电压电路500稳定为止。晶体管114的电流 可能达到最大电流电荷的两倍(见图7)。如果封装不能够耗散过量的功率，那么这可能 会造成不可逆的损坏。
具有二极管的充电系统
图6是根据另一实施例的充电系统600的示意图。充电系统600类似于图1的充电 系统100，不同之处只是充电系统600包含二极管602。如图6展示，二极管602耦合 在电源(例如，ACDC/USB)与晶体管114的栅极之间。在操作中，二极管602通过确 保将电源与晶体管114的栅极之间的压降限制到(在最差情况下)至少二极管电压(粗 略地为0.6V)来限制晶体管114的栅极处的电压。这是为了限制放大器输出处的电压， 使得其减小并达到O伏。在一个实施例中，如果需要0.6 V以上的压降，那么可利用两 个或两个以上二极管。举例来说，串联耦合的两个二极管将允许1.2 V的最大电压降。 串联的三个二极管将允许1.8V的最大电压降。
一个潜在的问题在于，对于需要较大电压的操作，晶体管114的栅极可能需要多于 一个二极管。因此，栅极电压可能与VDD相比减小到-1.2 V，即使驱动晶体管114所需 的栅极电压至多为0.7 V (恰好高于0.6V)。因此，存在0.5 V的过量电压(1.2 V到0.7V)。在转变期间，充电电流可能由于先前的过量电压而显著增加，且因此对充电电路造 成损坏。由于工艺变化和/或温度而带来的二极管602与晶体管114之间的失配也可能引 起此类问题。图7和图8展示通过添加二极管602获得的实例性充电结果。 具有数字控制的充电系统
提供对充电电流的较佳控制的另一优化是通过减少恒定电流电路仍有效的时间来 执行的。这可使用数字控制来实现。当VBAT达到其标称电池值时，数字信号可立即将信 号cccvmode从逻辑"0"改变到逻辑"l"。由此，恒定电流电路300将在至多 一个时钟 周期内有效。然而，即使对于短持续时间来说，开路配置也是可能的。此外，由于回路 的特征在于给定的恒定时间，因此开路配置可能比一个时钟周期更重要。图9和图10 展示通过施加数字控制时序获得的实例性充电结果。
具有存储器点电路和平稳转变控制电路的充电系统
图11是根据另一实施例的充电系统1100的示意图。图11的充电系统1100类似于 图1的充电系统100，不同之处只是充电系统1100包含存储器点电路1102和转变控制 电路1104。在一个实施例中，转变控制电路1104包含单触发产生器1106、反相器1107 和触发锁存器1108。
如下文更详细地描述，存储器点电路1102和转变控制电路1104通过在转变期间使 电流闪变和/或电压闪变最小化来实现从恒定电流模式到恒定电压模式的平稳转变。更具 体来说，般来说，在操作巾，充电系统1100在从恒定电流模式向恒定电压模式转变 期间维持晶体管114的栅极处的电压。更具体来说，存储器点电路1102提供专用的控 制信号，其存储晶体管114的栅极处的电压或任何其它过量电压。控制信号是由转变控 制电路根据输入信号cccvmode来产生的，所述转变控制电路产生允许控制多路复用器 104和存储器点电路1102的cccvmux。
图12展示cccvmode、 cccvmux禾B cccvmemory信号的时序图。如图12展示，当从 恒定电流模式到恒定电压模式的转变发生时，信号cccvmode从逻辑"1"变为逻辑"0"。 在一个实施例中，平稳转变控制电路1104接收信号cccvmode且单触发产生器1106产 生单脉冲信号，其驱动存储器点电路1102。
图13A是存储器点电路1300的概念示意图，所述存储器点电路1300可用于实施图 11的存储器点电路U02。如图13A展示，存储器点1300可包含开关1110和电容器1112。 在一个实施例中，开关n0可由信号cccvmemory控制，所述信号由单触发信号产生器 1106产生。
图13B是存储器点电路1302的示意图，所述存储器点电路1302可用于实施图11的存储器点电路H02。图13B的存储器点电路1302类似于图13A的存储器点电路1300， 不同之处只是图13B的存储器点电路1302具有用于实施开关1110的晶体管1114。晶体 管1114可为PMOS晶体管或NMOS晶体管。
参看图12和图13A两者，在给定时间T期间，开关1110断开且电容器1112的所 存储电压驱动晶体管114的栅极(图11)。在时间T之后，信号cccvmemory变为逻辑 "0"。触发锁存器1108在信号cccvmemory的下降沿上变为有效，且产生信号cccvmux， 所述信号cccvmux从逻辑"1"变为逻辑"0"，其类似于信号cccvmode但延迟了时间T。 信号cccvmux控制多路复用器104以使得多路复用器104输出Vcv。因此，恒定电流电 路变为无效且充电在恒定电压模式期间是连续的。
图14是单触发信号产生器1400的示意图。在一个实施例中，单触发产生器1400 产生具有给定持续时间的单触发信号。此持续时间维持断开的开关1110 (图13A)且允 许存储在电容器1112上的电压驱动晶体管114的栅极(图l)。时序图(图12)中所展 示的单触发信号的周期T如下给定T = RC * Ln(l+RB/RA)，其中RB、 RA、 R和C在 图14中详细描述。
图15展示图11的充电系统的实例性充电结果。如图15展示，图11的充电系统消 除了在从恒定电流模式向恒定电压模式转变期间可能发生的闪变(如图7和图9中)。 参看下部曲线图，在从恒定电流模式向恒定电压模式转变之后，电流适当地下降。参看 上部曲线图，在从恒定电流模式向恒定电压模式转变之后，电压恒定而没有任何闪变。
根据本文所揭示的系统和方法，实施例提供许多益处。举例来说，实施例消除了在 从恒定电流模式向恒定电压模式转变期间可能发生的闪变。本发明的实施例还改进了充 电系统的准确性和稳固性。
已揭示了用于对电池进行充电的系统和方法。所述系统包含充电电路，所述充电电 路在第一阶段期间以恒定电流对电池进行充电，且在第二阶段期间以恒定电压对电池进 行充电。所述系统还包含控制电路，所述控制电路在充电从第一阶段转变到第二阶段的 同时使闪变最小化。因此，可以受控且可靠的方式对电池进行充电。
已根据所展示的实施例描述了本发明。所属领域的一般技术人员将容易认识到，对 所述实施例可存在变化，且任何变化均将在本发明的精神和范围内。因此，所属领域的 一般技术人员在不脱离所附权利要求书的精神和范围的情况下可做出许多修改。
权利要求
1.一种用于对电池进行充电的系统，所述系统包括充电电路，其在第一阶段期间以恒定电流对所述电池进行充电，且在第二阶段期间以恒定电压对所述电池进行充电；以及控制电路，其耦合到所述充电电路，所述控制电路用于在所述充电从所述第一阶段转变到所述第二阶段时使闪变最小化。
2. 根据权利要求1所述的系统，其中所述控制电路包括单触发产生器；以及触发锁存器，其耦合到所述单触发产生器。
3. 根据权利要求1所述的系统，其中所述充电电路进一步包括-晶体管，其将充电电流提供到所述电池；以及 电压存储电路，其存储所述晶体管的栅极处的电压。
4. 根据权利要求1所述的系统，其中所述充电电路进一步包括-晶体管，其经配置以耦合在电源与电池之间； 放大器，其耦合到所述晶体管的栅极；以及电流到电压转换器，其耦合在所述晶体管与所述电池之间。
5. 根据权利要求4所述的系统，其中所述充电电路进一步包括-第一多路复用器，其耦合在所述转换器的输出与所述放大器的第一输入之间；以及第二多路复用器，其耦合到所述放大器的第二输入。
6. 根据权利要求4所述的系统，其中所述充电电路进一步包括分压器，所述分压器耦 合在所述电流到电压转换器、所述电池与所述第一多路复用器之间。
7. —种用于对电池进行充电的系统，所述系统包括充电电路，其在第一阶段期间以恒定电流对所述电池进行充电，且在第二阶段期间以恒定电压对所述电池进行充电；以及控制电路，其耦合到所述充电电路，所述控制电路用于在所述充电从所述第一阶 段转变到所述第二阶段时使闪变最小化，且其中所述控制电路包括单触发产生器；以及触发锁存器，其耦合到所述单触发产生器。
8. 根据权利要求7所述的系统，其中所述充电电路进一步包括晶体管，其将充电电流提供到所述电池；以及 电压存储电路，其存储所述晶体管的栅极处的电压。
9. 根据权利耍求7所述的系统，其中所述充电电路包括晶体管，其经配置以耦合在电源与电池之间； 放大器，其耦合到所述晶体管的栅极；以及 电流到电压转换器，其耦合在所述晶体管与所述电池之间。
10. 根据权利要求9所述的系统，其中所述充电电路进一步包括第一多路复用器，其耦合在所述电流到电压转换器的输出与所述放大器的第一输 入之间；以及第二多路复用器，其耦合到所述放大器的第二输入。
11. 根据权利要求9所述的系统，其中所述充电电路进一步包括分压器，所述分压器耦 合在所述转换器与所述电池之间。
12. —种用于对电池进行充电的方法，所述方法包括在第 一 阶段期间以恒定电流对所述电池进行充电；在第二阶段期间以恒定电压对所述电池进行充电；以及在从所述第阶段转变到所述第二阶段时使用控制电路使闪变最小化。
13. 根据权利要求12所述的方法，其中所述充电步骤进一步包括经由晶体管将充电电流提供到所述电池；以及 限制所述晶体管的栅极处的电压。
全文摘要
一种系统(1100)包含充电电路，所述充电电路在第一阶段期间以恒定电流对电池(126)进行充电，且在第二阶段期间以恒定电压对所述电池进行充电。所述系统还包含控制电路(1104)，其用于在所述充电从所述第一阶段转变到所述第二阶段时使闪变最小化。因此，可以受控且可靠的方式对电池进行充电。
文档编号H02J7/00GK101617455SQ200880005647
公开日2009年12月30日 申请日期2008年2月22日 优先权日2007年2月22日
发明者格扎维埃·拉拜林, 比拉尔·马纳伊 申请人:爱特梅尔公司