专利名称：测量电池充电和放电电流的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及电池充电电路和方法，更具体地说，涉及测量电池充电电流以及电池放电电流所用的方法和装置。
背景技术：
对于这些论述最感兴趣的电池充电电路是与亦称为移动台或个人通信器的无线终端配合使用的电路。在充电操作过程中，需要测量和监视相对较高的电流，一般在几百毫安(mA)甚至更大的范围内。参照图1，常规做法是在以充电器1表示的充电电流源和相关的充电器开关(Msw)2之间设置串联电阻(Rmeas)。Msw耦合到要再充电的电池3。电池充电电流(Ich)流经Rmeas，并检测在Rmeas两端得到的电压降(Vmeas)，以便控制充电周期。例如，模数转换器(ADC)4可以用来把Vmeas转换成数字表示，而后者又可用来调制从脉宽调制器(PWM)5输出的信号的脉冲宽度。也可把Vmeas用作电池电压的测量值。可直接使用PWM 5的输出、或由充电控制器6进一步修改、以便向Msw提供开关信号(Vcntrl)。以这种方法改变Msw的导通状态，以便随着电池3达到充足电、可以逐渐减少Msw的导通时间，直至最后Msw只向电池3提供维持(微电流)充电。在另一个实施例中，从Rmeas到Vcntrl的反馈回路可以用全模拟的方式、或以模拟/数字混合方式实现。
使用和操作这类常规充电电路的一个明显缺点是要求Rmeas为低欧姆值的高精度的电阻。由于流经Rmeas的电流很大，它还必须实际上大些，以便散发所产生的热量。使用物理体积大的电阻意味着要使用单独的分立元件，而不是集成元件，这增大了成本以及制造和测试操作的复杂性。另外，Rmeas必须被精心定位，以免过分加热邻近的电路元件。此外，由于Rmeas的阻值低，产生的电压降Vmeas也小，这可能要求使用高分辨率ADC 4来获得准确的Ich测量值。
发明内容
本发明的第一个目的和优点是提供一种改进的电池能量管理电路。
本发明的另一个目的和优点是提供一种供无线终端用的克服了上述及其他问题的改进的电池充电电路。
本发明的再一个目的和优点是提供一种用于做电池容量及其他类型的测量的改进的电池放电电路。
由按照本发明实施例的方法和装置来克服上述和其他问题以及实现上述目的和优点。
这里所公开的是对电池充电的方法和实现该方法的电路。该方法包括以下步骤(a)产生电池用的充电电流(Ich)；(b)产生Ich的复制电流(Irep)，其中Irep＝Ich/N，式中N＞1；(c)测量Irep在测量电阻两端引起的电压降；以及(d)利用所测得的电压降来控制Ich的大小。N约大于10较好，N约大于100则更好，在最佳实施例中，N在大约100至大约1000的范围内。产生充电电流(Ich)的步骤包括操作具有耦合到充电电流源的输入节点的第一器件的步骤；产生复制电流(Irep)的步骤包括操作具有耦合到充电电流源的输入节点的第二器件的步骤；其中第一器件和第二器件均由相同的控制信号来驱动。该控制信号可以是脉冲宽度被控制而随着测得的测量电阻两端的电压降变化而变化的脉宽调制信号。该控制信号也可以是具有可调电压值的直流电压，其电压值被控制、随着所测得的测量电阻两端的电压降变化而变化。在最佳实施例中，产生复制电流(Irep)的步骤包括操作伺服回路以迫使第二器件的输出节点上出现的电位等于第一器件的输出节点上出现的电位的步骤。
按照这些论述的电池充电电路包括由控制信号驱动的第一器件，该信号控制第一器件的通断时间和/或导通状况，从而控制提供给要再充电的电池的充电电流量(Ich)。第一器件具有耦合到充电电流源的输入节点和把充电电流Ich耦合到要再充电的电池的输出节点。电池充电电路还包括第二器件，它由控制信号驱动，并且具有耦合到充电电流源的输入节点和耦合到测量电阻的输出节点。检测由流经测量电阻的电流Irep在该测量电阻两端产生的电压降，以便控制第一器件的导通。
最好Irep等于Ich/N，其中N是大于1的比例因子。
该电路还包括差分放大器，该差分放大器的第一输入端耦合到第一器件的输出节点，第二输入端耦合到第二器件的输出节点，而其输出端耦合到与测量电阻串联的晶体管的控制端。该差分放大器操作晶体管，迫使出现在第二器件的输出节点的电位等于出现在第一器件的输出节点的电位。
测量电阻可以串联耦合在第二器件的输出节点与晶体管的输入节点之间，或者所述晶体管可以串联地耦合在所述第二器件的输出节点与测量电阻之间。
可以把所公开的电路和方法加以扩展，以提供一种电池放电测量电路，使电池容量测试能得以完成。
结合附图参阅以下对本发明的详细描述，本发明上面提出的和其他的特点将变得更加明显。
图1是描述常规电池充电器配置的、部分采用框图形式的电路图；图2是描述按照本发明的论述的电池充电电路、部分采用框图形式的电路图；图3表示图2的测量电阻和伺服回路晶体管Mctl的替代配置；以及图4是描述按照本发明的论述的电池放电电路、部分采用框图形式的电路图。
具体实施例方式
现参照图2，图2部分以框图形式、表示按照本发明论述的电池充电电路的电路图。也见于图1的各元件被相应地加上标号。
在图2中，借助以元件Mrep 10、Adiff 12和Mctl 14实现的伺服控制电路产生充电电流Ich的按比例缩小的以Irep表示的复制电流。流过测量电阻Rmeas2的是电流Irep而不是Ich。充电电流的复制电流Irep是实际充电电流Ich的精确表示，因为Msw 2和Mrep 10在其各自的输入节点及其各自输出节点(N1和N2)具有相同的端电位。也就是说，由于由伺服电路形成的反馈，晶体管Msw 2和Mrep 10在其输入端及其栅极(G)端(或Vcntl)都见到相同的电压，它们各自的输出端(N1和N2)也都处于相同的电位。更具体地说，输出代表出现在节点N1和N2的电位之间差值的差值信号的差分放大器Adiff 12与晶体管Mctl 14结合，迫使节点N2的电位等于节点N1的电位。结果，Irep等于Ich/N，其中N是接着要描述的比例因子或比率。
通过使电流复制晶体管或器件Mrep 10的尺寸(沟道宽/长比)，相对于充电晶体管或器件Msw 2的宽/长比，按缩放因子或比率N缩小来达到电流按比例缩放。一般来讲，N大于1。N约大于10较好，约大于100更好，最好是，缩放因子或比率(N)是在例如大约100至大约1000左右的范围内。
由于电流是随晶体管沟道几何尺寸而线性缩放的并且假定，按照实例，缩放因子为500对于200mA的充电电流Ich，复制电流Irep仅为400微安(400μA)。流过测量或检测电阻Rmeas2的电流的这种明显减小，使要用于Rmeas2的欧姆值(相对于图1的先有技术电路)大得多，并且还提供了明显更小的功率耗散。例如，假定Irep的值为400μA，值为1.5kΩ的Rmeas2产生值为600mV的Vmeas2。因此，对于将Vmeas2的数值精确地数字化，10位的ADC 4显然适用。
因此，本发明的这个方面还使得能用体积明显缩小的实际电阻元件。使用较小的实际电阻元件使得电阻能被集成在例如、能量管理集成电路中，从而消除设置分立的实际电阻的需要。当对Rmeas2采用集成电阻时，可能需要设置ADC 4输出的或者模拟/电阻校准或者数字校准。
在本发明的各种实施例中，充电晶体管Msw、电流复制晶体管Mrep和控制器件Mctl可以是N沟道金属氧化物半导体(NMOS型)器件或P沟道金属氧化物半导体(PMOS型)器件，还可以是或者NPN或者PNP器件。通过为差分放大器Adiff 12提供相应的适当极性，可以使所有这些变化按照这些论述起作用。器件类型的最优选择，一般来讲，随应用和半导体工艺而定。
在图2中所示的实施例中，在把Vmeas2加到ADC 4(示于图1中)之前，最好采用浮动检测放大器(未示出)对Vmeas2进行缓冲。
也可以交换测量电阻Rmeas2和控制器件Mctl的位置，以便实现Vmeas2的单端测量，如图3中所示实施例中描绘的。
下表用来解释图1所示的常规充电电路与图2所示的新颖充电电路之间的差别。
表测量电阻的功率耗散和AD转换电压范围(图1)Rmeas上的功率耗散 Pdis＝Ich×Ich×Rmeas电压范围 Vrange＝Ich×Rmeas测量电阻的功率耗散和AD转换电压范围(图2)Rmeas2上的功率耗散Pdis＝Ich/N×Ich/N×Rmeas×M＝Irep×Irep×Rmeas2
电压范围 Vrange＝Ich/N×Rmeas×M＝Irep×Rmeas2在目前最佳的实施例中，利用电流复制晶体管Mrep 10(按照N)和测量电阻Rmeas2(按照M)的比例缩放，可以独立地选择测量电阻(Rmeas2)上的功率耗散和所述电压范围。由此，通过相应地选择缩放因子，有可能同时实现低功率耗散和宽电压范围。Rmeas2的低功率耗散使得能采用物理体积较小的外部或集成电阻，同时增大的测量电压范围放松了对检测放大器和ADC 4转换器的偏移和精确度要求。对于ADC 4，分辨率的适当位数是10位，但也可采用大于或小于10位。
现参照图4，还应该明白，本发明的论述也适用于对电池3进行放电测试的技术，其中电池3向对于电池3提供的电流起电流吸收器作用的要被供电的电路20提供电流。在所有其他方面，本放电电路可以按照图2所示的实施例来构造，或按照图3所示的单端测量实施例来构造。在放电测试过程中，用测量电阻Rmeas2来检测以Vmeas2的量值反映的电池放电电流(Idisch)。放电电流与电池3两端电压的测量值相结合，用于预测电池容量剩余的量。在此实施例中，在放电测试过程中可以减小电池放电电流，以此保存剩余的电池电力。
应该指出，可以由Vcntrl以开关方式操作充电晶体管或器件Msw以及复制晶体管或器件Mrep，以便由Vcntrl来让它们导通和截止。但是，在其线性方式(即并非导通和截止转换)下操作充电晶体管或器件Msw以及复制晶体管或器件Mrep也在本论述的范围之内。在这种情况下，产生Vcntrl作为具有可调电压值的直流电压，以改变Msw和Mrep的导通状态。但是，后一种选择可能对于某些应用场合更不合乎要求，因为如众所周知的，与开关方式下的操作相比，以线性方式操作一般消耗较多功率并且产生较多热量。
尽管本发明的论述已经就诸如蜂窝电话或个人通信器等无线终端用的电池充电电路作了描述，但是本专业的技术人员应该明白，这些论述并不限于仅仅是这一重要应用，而是可将其用于以可再充电电池为电源的范围很广的各种装置，诸如个人数字助理、膝上型和笔记本式计算机以及各类玩具。
因此，尽管已就本发明的最佳实施例对本发明作了具体说明和描述，但本专业的技术人员应该明白，这里只要不背离本发明的范围和精神，可以作出形式上和细节上的变化。
权利要求
1.一种电池充电电路，它包括第一器件，所述第一器件由控制信号来驱动并且具有耦合到充电电流源的输入节点和用于把充电电流Ich耦合到要再充电的电池的输出节点；以及第二器件，所述第二器件由所述控制信号驱动并且具有耦合到所述充电电流源的输入节点和耦合到测量电阻的输出节点，其中检测由流经所述测量电阻的电流Irep在所述测量电阻两端引起的电压降以控制流经所述第一器件的电流，并且其中Irep等于Ich/N，式中N是大于1的缩放因子。
2.权利要求1的电池充电电路，其特征在于它还包括差分放大器，所述差分放大器具有耦合到所述第一器件的所述输出节点的第一输入端、耦合到所述第二器件的所述输出节点的第二输入端、以及耦合到与所述测量电阻串联的晶体管的控制端的输出端，所述差分放大器操作所述晶体管以迫使出现在所述第二器件的所述输出节点的电位等于出现在所述第一器件的所述输出节点的电位。
3.权利要求2的电池充电电路，其特征在于所述测量电阻串联耦合在所述第二器件的所述输出节点与所述晶体管的输入节点之间。
4.权利要求2的电池充电电路，其特征在于所述晶体管串联耦合在所述第二器件的所述输出节点与所述测量电阻之间。
5.权利要求1的电池充电电路，其特征在于N约大于10。
6.权利要求1的电池充电电路，其特征在于N约大于100。
7.权利要求1的电池充电电路，其特征在于N在大约100到大约1000的范围内。
8.权利要求1的电池充电电路，其特征在于所述测量电阻位于集成电路内。
9.一种对电池充电的方法，它包括以下步骤产生电池用的充电电流(Ich)；产生Ich的复制电流(Irep)，其中Irep＝Ich/N，式中N＞1；测量Irep在测量电阻两端引起的电压降；以及利用所测得的电压降控制Ich的大小。
10.权利要求9的方法，其特征在于N约大于10。
11.权利要求9的方法，其特征在于N约大于100。
12.权利要求9的方法，其特征在于N在大约100到大约1000的范围内。
13.权利要求9的方法，其特征在于产生所述充电电流(Ich)的所述步骤包括操作具有耦合到充电电流源的输入节点的第一器件的步骤；产生所述复制电流(Irep)的所述步骤包括操作具有耦合到所述充电电流源的输入节点的第二器件的步骤；并且所述第一器件和所述第二器件均由相同的控制信号来驱动。
14.权利要求13的方法，其特征在于所述控制信号是具有受控制而随测得的所述测量电阻两端的电压降变化而变化的脉冲宽度的脉宽调制信号、或者具有受控制而随测得的所述测量电阻两端的电压降变化而变化的可调电压值的直流电压中的一个。
15.权利要求13的方法，其特征在于产生所述复制电流(Irep)的所述步骤包括操作伺服回路以迫使所述第二器件的输出节点上出现的电位等于所述第一器件的输出节点上出现的电位的步骤。
16.一种测量电池放电电流用的电路，它包括第一器件，所述第一器件受控制信号驱动并且具有耦合到要被放电测试的电池的输入节点和把电池放电电流Idisch耦合到电流吸收器的输出节点；以及第二器件，所述第二器件受所述控制信号驱动并且具有耦合到所述电池的输入节点和耦合到测量电阻的输出节点，其中由流经所述测量电阻的电流Irep引起的所述测量电阻两端的电压降等于Ich/N，式中N是大于1的比例因子。
17.权利要求16的电池放电电路，其特征在于它还包括差分放大器，所述差分放大器具有耦合到所述第一器件的所述输出节点的第一输入端、耦合到所述第二器件的所述输出节点的第二输入端以及耦合到与所述测量电阻串联的晶体管的控制端的输出端，所述差分放大器操作所述晶体管以迫使出现在所述第二器件的所述输出节点的电位等于出现在所述第一器件的所述输出节点的电位。
18.权利要求17的电池放电电路，其特征在于所述测量电阻串联耦合在所述第二器件的所述输出节点与所述晶体管的输入节点之间。
19.权利要求17的电池放电电路，其特征在于所述晶体管串联耦合在所述第二器件的所述输出节点与所述测量电阻之间。
20.权利要求16的电池放电电路，其特征在于N约大于10。
21.权利要求16的电池放电电路，其特征在于N约大于100。
22.权利要求16的电池放电电路，其特征在于N在大约100到大约1000的范围内。
23.权利要求16的电池放电电路，其特征在于所述测量电阻位于集成电路内。
24.权利要求16的电池放电电路，其特征在于所述控制信号是具有受控制而随测得的所述测量电阻两端的电压降变化而变化的脉冲宽度的脉宽调制信号、或者具有受控制而随测得的所述测量电阻两端的电压降变化而变化的可调电压值的直流电压中的一个。
25.权利要求16的电池放电电路，其特征在于它还包括用于迫使所述第二器件的输出节点上出现的电位等于所述第一器件的输出节点上出现的电位的伺服回路。
全文摘要
所公开的是电池充、放电方法和电路。充电方法包括:(a)产生电池充电电流(Ich);(b)产生Ich的复制电流(Irep),其中Irep=Ich/N,N>1;(c)测量Irep在测量电阻上的电压降;(d)用所测电压降控制Ich的大小。N约大于10,约大于100更好,在最佳实施例中,N在约100至约1000的范围内。步骤(a)包括操作具有耦合到充电电流源的输入节点的第一器件的步骤;步骤(b)包括操作具有耦合到充电电流源的输入节点的第二器件的步骤;第一和第二器件均由脉冲宽度受控而随测得的测量电阻两端的电压降变化的脉宽调制信号或电压值可调的直流电压控制。在最佳实施例中,步骤(b)包括操作伺服回路以迫使第二器件输出节点上电位等于第一器件输出节点上电位的步骤。
文档编号G01R31/36GK1361572SQ0113777
公开日2002年7月31日 申请日期2001年10月29日 优先权日2000年12月29日
发明者A·鲁哈 申请人:诺基亚移动电话有限公司