一种可调节电流的电池充电电路的制作方法
【专利摘要】一种可调节电流的电池充电电路，用于在电池供电的电子设备中。此电路包括一个为电子设备供电的电源。电池充电电路控制电源输出的一个输出电流或其他参数。反馈电路调节电池充电电路的输出，使输出电流或其他参数被保持在预定范围内。
【专利说明】—种可调节电流的电池充电电路
【技术领域】:
[0001]本发明涉及为便携式电子设备提供电源的方法和电路。更具体地，本发明涉及电池充电电路。其特征在于，上述电池的充电电流可以被调节到一个限制值。
【背景技术】:
[0002]社会流动性的增强为便携式电池供电的电子设备，如笔记本电脑、摄像机和移动电话创造了巨大的市场。集成电路技术的发展不断缩小电子设备的尺寸和对功率的要求，使移动电池电源取代“有线”电源成为迫切的要求。
[0003]一般情况下，电池是安全、结构紧凑、便携和方便的，从而使它们适合用于便携式电子设备。过去，为电子设备供电的电池的一个缺点是需要频繁更换不可充电的电池，这造成了成本和不便的问题。可充电电池在很大程度上克服了频繁更换电池的缺点，但仍需要频繁充电。
[0004]某些便携式电子设备的内部有集成的电池充电电路，从而使电池在不从设备中取出的情况下也可以充电。例如，许多笔记本电脑包含为电池充电的电路，当笔记本电脑连接到一个外部电源时，此电路就像一个AC/DC功率转换器。这样的功率转换器通常提供一个有最大额定功率或电流的稳定的输出电压。
[0005]上述具有充电功能的AC/DC功率转换器可以被设计为便携式电子设备的所有电路提供电源，同时为移动设备的电池进行充电。例如，一个笔记本电脑中的AC/DC功率转换器可能被设计为提供最大50瓦的功率:其中20瓦的功率为笔记本电脑本身提供电能，其它30瓦的功率为笔记本电脑的电池充电。
[0006]然而，由于体积、重量和费用的增加，设计的AC/DC功率转换器可能工作在最坏功率负载情况下，这是我们不希望的。另外，如图2A所示，功率转换器的大部分功率可能被浪费。使用上述的笔记本电脑为例，在电池充电期间，50瓦功率中的30瓦被浪费，即60%的功率未被使用。
[0007]另外，在便携式设备中其它电路的控制信号下，电池充电电路可能需要在任何一个数量级的功率电平上工作。这允许一个AC/DC功率转换器被设计为具有仅稍大于便携式电子设备需要的功率容量。例如，若一个笔记本电脑需要20瓦的功率，可以为其设计一个30瓦特的功率转换器。如图2B所示，当笔记本电脑处于空闲状态时，处理器可为电池充电电路提供一个控制信号，让它使用全部的30瓦功率为电池充电。相反，当笔记本电脑正在被使用时，上述处理器可为电池充电电路提供一个控制信号，以限制可用的电池充电功率小于约10瓦。虽然在离散的水平上控制电池充电功率减少了功率的浪费,一部分AC/DC功率转换器的功率仍可能没有被利用。
[0008]便携式电子设备采用了大量的节能技术，以减少它们的平均功耗。例如，一台笔记本电脑在闲置期间可能会关闭其磁盘驱动器和显示器，或减少主处理器的时钟频率。这样的省电功能可能会使便携式设备的平均使用功率远低于其峰值功率。如图2B所示，除非电池充电电路可以在许多不同的功率电平下操作，一些功率可能仍无法被用于电池的充电而被浪费。
[0009]功率不可被利用或因其他方式被浪费导致了较大的AC/DC功率转换器的使用，或增加了电池的充电次数。例如，一个设备需要在两小时内完全将电池充满，如果一些功率被浪费，就需要一个更大的AC/DC功率转换器。由于一个AC/DC功率转换器的尺寸和重量一般取决于其电容量，功率更大的电源通常比具有较低额定功率的功率转换器体积更大、更重、更昂贵。
[0010]因此，需要提供使输入功率得到有效利用，从而使功率转换器的体积更小、重量更轻、成本更低，同时保持最佳的电池充电能力的电路。
[0011]当移动设备的功率负载比较低时，以较高的速率为电池充电；当移动设备的功率负载比较高时，以较低的速率为电池充电也是需要的。
[0012]此外，由于便携式电子设备(如笔记本电脑)的功率需求，在不同情况下以不同的充电速率为电池充电，以更好地利用功率转换器的功率也是需要的。
【发明内容】
:
[0013]鉴于上述情况，本发明的第一个目的是为电池供电的电子设备提供更小、更轻、成本更低的外部电源转换器电路。
[0014]本发明的第二个目的是提供一种充电电路，当设备的功率负载比较低时，以较高的速率为电池充电；当移动设备的功率负载比较高时，以较低的速率为电池充电。
[0015]本发明的第三个目的是提供一种充电电路，最大限度地利用为电池充电的外部电源转换器的功率。
[0016]本发明的第四个目的是提供一种充电电路，以不同的充电速率为电池充电，以防止功率转换器的总功率超过一定的限制。
[0017]本发明的第五个目的是提供一种充电电路，用于该电路充电的电池与其他任何一个电池的结构并无区别。
[0018]这些目的和其它目的通过本发明提供的电池充电电路实现，该电路包括一个反馈控制环路，该环路控制充电速率以限制电源转换器的输出电流。
[0019]本发明的技术解决方案:
[0020]本发明是一种可调节电流的电池充电电路，用于在电池供电的便携式电子设备中。此电路包括一个为电子设备供电的电源。电池充电电路控制电源输出的输出电流或其他参数。反馈电路调节电池充电电路的输出，使输出电流或其他参数被保持在预定范围内。
[0021]对比专利文献:CN203205896U —种电池包充电电路201220737144.1，CN203014466U锂电池充电电路模块201320017581.0
【专利附图】
【附图说明】:
[0022]图1是一种典型的便携式电子设备的电源电路的简化框图；
[0023]图2A示出笔记本电脑的典型功率使用情况，其中外部功率转换器被设计以处理笔记本电脑的峰值功率；
[0024]图2B和2C示出笔记本电脑的其他典型功率使用情况，其中功率被电池充电电路所限制，以适应笔记本电脑在不同的离散电平下工作；[0025]图3是一种根据本发明得到的电源电路，包括为笔记本电脑充电的电池充电电路；
[0026]图4A和图4B分别是根据本发明的原则设计的电池充电电路的一种说明性示意图，其中说明性的方框图使用集成电路制造。
【具体实施方式】:
[0027]图1是典型的电源电路10用于便携式电子设备的简化框图。系统DC/DC转换器12提供稳压直流电源到设备电路13，它是便携式电子设备的功能电路。例如，在一个手机中，电路13可能包括一个数字信号处理器、无线电收发器、存储器，以及各种支持电路。在便携式操作中，设备电路13由电池14供电。当电池14耗尽时，它可以通过电池充电器20从AC/DC功率转换器18充电。
[0028]用于为电池14再充电的电源由输入功率转换器18提供，它可能将电源插座中的AC电能转换成适合用于电池充电器20和DC/DC转换器12的一种形式。另外，输入功率转换器18也可以是一个DC/DC转换器，该转换器从一个DC源(例如汽车点烟器插座)转换电源。如果用于笔记本电脑，AC/DC功率转换器18通常是与电脑分开的，但也可以内置到笔记本电脑中。例如，功率转换器18可以接受交流电源，并为笔记本电脑提供24伏的直流电源。
[0029]在使用时，功率转换器18同时为DC/DC转换器12和电池充电器20提供电源。二极管22和16作为开关，防止电源通过电源电路10流入其他不当电路。具体而言，二极管22防止功率转换器18是关闭或断开时，功率转换器18和电池充电器20加载到电池14，而二极管16防止功率转换器18为DC/DC转换器12提供电源时，电池14无节制地充电。在许多应用中，二极管16和22被实现为逻辑控制的MOSFET开关，以使得功率转换器18或电池14与DC/DC转换器12之间的电压降和功率损失最小化。
[0030]通常情况下，功率转换器18是由它的输出电压和最大电流能力评估。例如，功率转换器18可被评估为最大电流为1.5安培时可输出24伏的直流电压。如果一个电流高于最大额定电流，这可能会导致功率转换器18的损坏或可靠性的降低。因此，需要确保便携式电子设备的总消耗功率(即由DC/DC转换器12和电池充电器20吸取的功率总和)不超过功率转换器18的额定输出功率。
[0031]为了确保不超过其功率额定值，输入功率转换器18的输出功率通常被设计得大于DC/DC转换器12和设备电路13所需的最大总功率。例如，笔记本电脑可能工作在电流需求最大的最坏情况下，此时笔记本的显示器在工作、其硬盘在旋转、它的CPU操作在最大时钟速度下。如上所述，设备电路13在工作时，电池充电电路20可能被限制在低电池充电速率，以确保不超过功率转换器18的额定功率。
[0032]图2A和2B表示两个替代先前已知的方法来设计电源10和AC/DC转换器18。在图2A中，区域17表示为电池14充电时输入到电池充电器20的功率。区域15表示移动设备电路13需要的功率，它可能随时间的变化而不同。例如，功率增加21可能代表笔记本电脑由于硬盘加速旋转或启动显示器而增加的功率。通过设计AC/DC转换器18，使得它的功率处理能力限制23被设置得足够高，从而能够容纳电池充电电路13所需的最大负载。然而，正如图2A中的区域25所示，AC/DC转换器18的大部分容量未被使用。[0033]如图2B所示，电池充电器20可以被设计，使得它可以工作在两个不同的状态下。在根据现有技术的设计中，电池充电器20可以以高速率或低速率对电池14进行充电，这取决于设备电路13是否开启。例如，如果设备电路13是关闭的或者在睡眠状态(即减少了功耗)，电池充电器20可以根据需要从AC/DC转换器18获得尽可能多的功率。然而，当设备电路13开启(区域15)时，电池充电器20被限制使用一个较小的预定功率电平。例如，当设备电路13处于开启状态时，电池充电器20可被限定只为电池14提供一个小的功率。典型地，电池充电器20根据设备电路13中的一个控制信号限制电池充电功率。虽然这种设计允许AC/DC转换器18被设计比图2A具有较低的额定功率，仍有一些功率被浪费(区域25)。
[0034]过高的设计确保功率转换器18不会在超过额定功率下工作，它也保证了它的功率处理能力将充分利用大部分的时间。因此，这将是一种有利的功率转换器18的设计方法。
[0035]例如，在图2C中，设备电路13使用的功率(区域15)被有效地从AC/DC功率转换器18的功率容量中减去。功率极限23和区域15下面的区域可用于电池充电电路20。由于电池充电器20可以使用部分或所有的多余功率，AC/DC功率转换器18的功率处理能力可以更有效地被使用，因此，AC/DC功率转换器18可能比已知的现有技术体积更小、重量更轻，且成本更低。
[0036]如图2C所示，功率分配安排积极地限制了电池充电器20的功率需求，以确保不超过AC/DC转换器18的功率极限23。功率限制通过监测AC/DC转换器18的输出功率实现，并且控制电池充电电路20的功率需求以保证输出功率在安全限度内。在一般情况下，输入功率转换器18具有一个固定的输出电压，以便监测和限制其输出电流。同时也限制了功率转换器18的输出功率。
[0037]图3示例性地给出用于笔记本电脑的图1中的电源供应电路10的电路。然而，本发明并不限于这样的应用，本【技术领域】的技术人员根据本发明的原则将容易地得到许多其他的应用例子。
[0038]笔记本电脑电源供应电路10包括DC/DC转换器12,用于把一个输入电压转换成所要求的各种稳压电压。例如，DC/DC转换器12可以从图1中的功率转换器18接收24伏的电压，并且为笔记本电脑的各个部分(如集成电路和磁盘驱动器)提供2.9V、3.0V、3.3V、
5.0V或12.0V的直流电压。DC/DC转换器12的输入功率根据外部电源和功率转换器18的可用性，可从功率转换器18或电池14获得。当电源从家庭或办公室的电源插座获取时，功率转换器18从电源插座上接受直流电源，并为转换器12提供直流电源。
[0039]当无法从外部电源方便地获取功率时，可充电电池14可通过阻塞二极管16为DC/DC转换器12提供临时的电源。不接外部电源的便携式电子设备可以工作的时间长度由电池14的容量决定的。最终，电池14可能无法再向DC/DC转换器12提供足够的功率，而必须进行充电。
[0040]常见的笔记本电脑中，电源电路10包括电池充电电路和DC/DC转换器32、控制电路34。DC/DC转换器32为充电电池14提供电源。
[0041]控制电路34包括用于监测充电电压和充电电流的反馈回路，并根据电池14的设计以及其放电状态控制它们。
[0042]仍参照图3，电流检测电阻38、电流检测放大器36、误差放大器44组成一个反馈回路，用于控制电池14的充电电流。电流检测放大器36提供与检测电阻38两端的电压成比例的输出电流，并以此代表通过电阻器38的电流。误差放大器44产生一个与电流检测放大器36的输出电流和基准电压源46提供的参考电平之间的差值成比例的控制信号。基于上述控制信号，DC/DC转换器32的输出被调节以控制电池14的充电电流。
[0043]例如，如果充电电流太低，电阻38两端的电压也将很低，电流检测放大器36的输出电流相对于参考电平较低，从而误差放大器44的控制信号将导致DC/DC转换器32输出更高的电流。
[0044]类似地，电阻40和42、误差放大器48的结合组成一个反馈回路，用于监测和控制电池的充电电压。充电电压反馈回路维持节点41的电压与基准电压源46的电压值相等。电阻40和42形成一个分压器，使电池14的电压与参考电压46的值大致相等。误差放大器48提供一个控制信号到DC/DC转换器32，此控制信号取决于节点41的电压和参考电压的差值。该控制信号被提供给DC/DC转换器32，以保持所需的电池充电电压。
[0045]根据本发明的原则，第三个反馈回路被提供以检测来自输入功率转换器18的电流。电流检测放大器54提供一个与通过电流检测电阻50的电流成比例的信号。误差放大器52提供一个控制信号到DC/DC转换器32,此控制信号与电流检测放大器54的输出电压和基准电压源46之间的差值成正比。因此，当通过电阻50的电流过高时，电流检测放大器54的输出相对于参考电平较高。误差放大器52从而产生一个控制信号，使DC/DC转换器32降低充电电流，从而降低从功率转换器18中所汲取的电流。二极管56、58和60防止由误差放大器44、48和52提供的控制信号相互干扰，从而使具有最低输出的误差放大器控制电池充电DC/DC转换器32的操作。
[0046]第三个反馈环路调节电池充电DC/DC转换器32的输出电压和电流以限制通过电流检测电阻50的总电流。例如，当笔记本电脑的显示器被计算机的电源管理系统关闭时，系统DC/DC转换器12提供更低的功率，因此更多的功率可用于电池充电器的DC/DC转换器32。然而，当用户按下笔记本电脑键盘上的按键时，笔记本电脑重新启动其显示系统，此时系统的DC/DC转换器12提供的功率增加，引起通过电流感测电阻50的电流超过AC/DC转换器18的电流限制。输入电流反馈环路然后使电池充电器的DC/DC转换器32减少电池充电电流，从而降低了 DC/DC转换器32的功率需求，并且使由功率转换器18供给的电流在一定限度内。
[0047]图4A是电池充电电路20的说明性示意图，包括集成电路70，它在图4B中被更详细地说明。集成电路70包括常规的电流模式开关的DC/DC转换器，包括触发器74、开关电路76、关机和保护电路78。开关电路76与电感110、电容器112、二极管114、肖特基整流器116、电容器140和142相结合，形成了一个“巴克”降压式DC/DC功率转换器。该转换器接受直流电源输入(集成电路的引脚20、21和22连接到Vcc)，并在节点72提供直流稳压输出。
[0048]在电池充电期间，节点72的电压被调节，使得电流通过电流检测电阻38为电池14充电。电流检测电阻38上的电压降被集成电路70通过其SENSE和BAT端(引脚12和14)检测。电阻78和80形成补偿偏置电流流入集成电路70的SENSE和BAT端，同时形成电流调节环路的一部分。
[0049]现在参照图4B，集成电路70的SENSE和BAT端连接到电流检测放大器82。晶体管84和电流检测放大器82构成一个电压-电流放大器，其特征在于，流经晶体管84的集电极电流由感测电阻38两端的电压差决定，即由流过电流检测电阻38 (图4A)的电流决定。晶体管84的集电极电流因此指示电池的充电电流。
[0050]电流镜86形成一个与晶体管84的集电极电流相等的电流，并流经内部电阻88。假设放大器118和120输出低电压(即集成电路70调节充电电流)，则通过电阻88中的电流都必须流出PROG (引脚19)，并通过编程电阻89和90 (图4A)。这导致误差放大器94反相输入端上的电压正比于电池的充电电流。
[0051]当放大器94的反相输入端电压低于其非反相输入端电压时，即节点92处的电压低于参考电压，误差放大器94输出高电平。相反地，当节点92处的电压高于参考电压时，误差放大器94输出低电平。
[0052]误差放大器94的输出为图3中的节点62提供一个控制电压。一个锯齿波施加到比较器106的非反相输入端，与节点104处的电压比较后，在放大器106的输出端输出脉冲宽度调制(PWM)信号。该PWM信号被耦合到触发器74，以控制开关电路76的操作，从而调节DC/DC转换器的输出电压，即节点72处的电压。
[0053]作为一个例子，考虑充电电流低于所需值的情况。低于所需值的电流将被感测放大器82通过电阻38两端的电压感测。晶体管84和电流镜86将产生一个相对较低的电流流过内部电阻88和外部编程电阻89和90。因为通过电阻的电流相对较低，内部节点92处的电压将小于放大器94的非反相输入端的参考电压。
[0054]由于节点92的电压小于参考电压,误差放大器94将输出一个较高的电压,导致节点104处的电压也升高，从而使电压比较器106的非反相输入端电压上升。这延迟了比较器106处的200kHz复位脉冲，增加了 “开启”的占空比。“开启”占空比的增加导致DC/DC转换器32的输出电压增加，从而增加了流过电流检测电阻38的电流。类似地，过高的充电电流将导致节点92的电压超过参考电压，降低误差放大器94的输出电压，减少通过感测电阻38的电流。
[0055]根据前面的描述，很明显图4A和4B中的电路控制DC/DC转换器32的输出(即节点72)，从而使节点92处的电压与参考电压大致相等。节点92处的电压值是外部编程电阻89和90的总和乘以电流镜86中流过的电流的函数。通过使用各种编程电阻，目标充电电流值可被编程到上述电池充电电路。
[0056]同样，影响内部节点92处电压的是反馈放大器118和120的输出。响应于其非反相输入端处的基准电压和集成电路70的过压端子(0VP，引脚8)之间的关系，反馈放大器118提供额外的电流流至节点92。外部电阻40和42形成一个分压器，使电池14所需的最大电压值约等于参考电压。
[0057]例如，如果OVP端子的电压(由电阻40和42分压形成)超过参考电压，则误差放大器118提供额外的电流到节点92，使节点92处的电压增加，从而降低节点104处的阈值电压。较低的阈值电压降低了由比较器106输出的PWM复位信号的延迟,导致开关电路76的占空比减小。其结果是节点72处的电压将降低，同样地，OVP处的电压也将降低。因此，放大器118和它的相关电路用于限制施加到电池14的电压至一个由电阻40和42决定的值。
[0058]根据本发明的原则，第三个反馈环路包括电流检测电阻50和放大器120，根据AC/DC电源转换器18的输出调节DC/DC变换器32。放大器120根据功率转换器18的输出电流提供额外的电流到节点92。上述输出电流由放大器120感测为电流检测电阻50两端的电压降。如果电压降超过恒定电压源122提供的IOOmV偏移量，放大器120将通过二极管124提供额外的电流到节点92。因此，节点92处的电压将增加，导致它超过放大器94的非反相输入端的参考电压。正如前面的段落所述，提高节点92处的电压将导致导通占空比的降低，从而减少了 DC/DC转换器32的功率。因此，第三个反馈环路调节开关电路76，以限制功率转换器18的最大电流。为了适应不同的功率转换器，电阻50的值可被选择，使得在所需的电流时电阻50两端的电压降约100mV。
[0059]总体而言，图4A和图4B中的电池充电电路20为DC/DC转换器32的输出(即节点72)提供了一个稳定的电压。电压调节是通过控制开关电路76的导通占空比实现的。导通占空比是由节点104处的电压、放大器94和节点92处的电压所确定的。反过来，节点92处的电压值是(I)放大器82所确定的充电电流、(2)放大器118所确定的电池电压和(3)放大器120所确定的功率转换器输出电流的函数。
[0060]附加在图4A和4B中的各电路器件提供了各种配套和代偿功能。例如，晶体管126提供了一种启用和禁用充电电路20的方法。一个CHG_ENABLE处的信号导通晶体管126，有效接地使集成电路70的Vc端接地。因为Vc端子接地，所以节点104处的电压将不会超过放大器108设置的电压阈值，所以开关电路76将保持关闭状态。同样因为Vc端子接地，电容96和电阻100形成一个补偿网络，用于稳定反馈环路，从而防止控制回路振荡。图4A还包括电容128、134、136和138，它们提供额外的频率补偿和滤波功能。
[0061]尽管本发明已通过具体的例子(便携式笔记本电脑)体现，但是上述例子只是为了说明本发明而不应限制本发明。应当指出，只要没有脱离本发明的实质并且符合权利要求中的定义，在上述例子上做适当修改仍属本发明的范畴。例如，编程电阻89和90、电压调节电阻40和42可以被替换为或结合数字-模拟转换器，以允许主机微处理器根据设计的电池14对电流和电压进行编程。
【权利要求】
1.一种可调节电流的电池充电电路，其特征是:包括一个用于从电源接收能量的输入端；一个为电池提供能量的输出端；监测至少一个参数的感测电路；耦合到输入端、输出端和感测电路的调节电路，它根据监测的参数调节电池充电电路输出端的电压或电流。
2.根据权利要求1所述的一种可调节电流的电池充电电路，其特征是:上述调节电路根据预定的电池充电电压和电流的值，调节输出到电池的充电电压和电流。
3.根据权利要求1所述的一种可调节电流的电池充电电路，其特征是:上述调节电路包括用于调节输出端的电压和电流的电路。
4.根据权利要求1所述的一种可调节电流的电池充电电路，其特征是:至少一个参数是电源的输出电流；上述预定值是一个的电源的最大电流额定值。
5.根据权利要求1所述的一种可调节电流的电池充电电路，其特征是:上述调节电路包括响应至少一个参数，以保证至少一个参数不超过预定限制值的电路。
6.根据权利要求1所述的一种可调节电流的电池充电电路，其特征是:该电路包括一个功率转换器，其输入端耦合到电源的输出，输出端耦合到电池，该功率转换器将电源提供的电能转换为用于对电池充电的一种合适形式；第一个反馈电路耦合到功率转换器，根据功率转换器输出处的电压控制功率转换器；第二个反馈电路也耦合到功率转换器，根据功率转换器输出处的电流控制功率转换器；第三个反馈电路耦合到电源和功率转换器，根据一个或多个预定的参数控制功率转换器。
7.根据权利要求6所述的一种可调节电流的电池充电电路，其特征是:上述预定的多个参数包括电源输出处的电流。
8.根据权利要求7所述的一种可调节电流的电池充电电路，其特征是:其中第三个反馈电路控制功率转换器，以保证电源的输出电流不超过预定值。
9.根据权利要求1所述的一种可调节电流的电池充电电路，其特征是:此电池充电电路用于便携式电子设备中，它包括:第一个节点耦合到便携式电子设备电源的外部；第二个节点耦合到一个电池；第三个节点耦合到上述第一和第二个节点；电池充电电路包括:反馈电路耦合到第一个节点，根据电源的输出参数提供一个控制信号；调节电路耦合到第一、第二个节点和反馈电路，为电池提供能量，此提供到电池的能量被上述控制信号调节。
【文档编号】H02J7/04GK203562821SQ201320763801
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年11月27日 优先权日:2013年11月27日
【发明者】不公告发明人 申请人:苏州贝克微电子有限公司