CN100365906C - 直流-直流转换充电设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种对可再充电装置(108)进行充电的方法和一种充电设备，其中，可再充电装置(108)连接到电池连接端口(107)和地(106)，具有输入电压(114)的外部直流源连接到充电设备的输入电阻器(101)上，电流参考值(109)和电压参考值(110)被反馈给控制单元(104)，占空比(d)根据反馈到控制单元(104)的电流参考值(109)和电压参考值(110)来确定，并且，通过充电开关(103)，利用占空比(d)在依赖于电流参考值(109)和电压参考值(110)的最小输出电压(404)和最大输出电压(405)之间切换施加到可再充电装置(108)的输出电压(402，403)。

Description

直流-直流转换充电设备

技术领域

本发明涉及一种直流-直流(DC-DC)转换器，特别是一种使用RC滤波器的直流-直流转换器。

背景技术

直流-直流转换器在如“Daniel M.Mitchell，DC-DC stitching RegulatorAnalysis，McGraw Hill 1988”中有详细的描述。

转换器是商业上可获得的，如，来自HN Electronic Components GmbH，Langenselbold，因此其功能很容易解释。此外，可以从如网站http://www.techno-project.de所述的Technoproject获得这种转换器。目前的直流-直流转换器有许多应用，例如，与移动电话的充电设备相结合。

能量管理在便携式电子装置中是一个基本问题。这个问题存在于所有的有利于装置便携的元件中，并影响这个装置的耐用性、使用时间、尺寸和重量。

传统的充电设备使用线性调节器，其中一个功率晶体管被集成在充电设备中，并且此调节器需要一个具有非常准确的输出电压的可调外部交流适配器，以致功率晶体管的电压降减少，并且耗散的功率保持在可接受的值内。

通常使用的交流适配器(连接器)的主要缺点是成本高。在许多应用中广泛使用不可调的交流适配器，由于该交流适配器包含直流-直流转换器，使得输出电压是连续的。

不可调的适配器的另一个缺点是它们不具有维持输出电压稳定的反馈环，这样导致很高的、依赖于负载的输出电压。

这种不可调的适配器的再一个缺点是耗散的功率高，使得在许多场合不可能集成到功率晶体管中。

这导致更进一步的缺点，功率晶体管不得不安装在外部，并且充电电流必需减少。

另一个版本的交流适配器包括一个具有产生半波整流波形的二极管桥的小型变压器。二极管桥后紧跟一个用来限制流向负载的最大电流的PTC(正温度系数)电阻，该负载例如是一个包含以二极管结构连接的集成功率晶体管的移动电话。此设计的主要缺点是充电时间增加。

另一个当前水平的配置是直流-直流转换器，其具有非常高的效率并且可以与可调的以及不可调的直流-直流转换器-交流适配器一起使用。这种配置的一个优点是它具有允许移动电话和车用蓄电池直接连接的内部电流限制。由于效率高，该功率晶体管可以集成。此配置的一个主要缺点是成本和这种配置必须用到的感应线圈的尺寸。

另一种传统装置使用需要外部交流适配器的脉冲充电，此外部交流适配器必需包含一个具有电流限制值的直流-直流转换器。在这种结构中，功率晶体管用作在极低频率下的充电开关，如在0.1-10Hz的范围内。此结构的主要缺点是：有可能电压峰值超过如锂离子电池组在生产过程中所限定的最高电压。然而这种充电类型效率高，允许功率晶体管集成。这种结构不需要外部元件，并且可以适用于各种适配器。

这种脉冲充电结构的一个主要缺点是，这种设计需要在电路结构上变化，以便采用适用于专门的交流适配器。另一个缺点是，需要一个外部二极管。还有一个缺点是，电池生产者没有指出可以使用高于指定电压的电压。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一个不具有当前装置的缺点的直流-直流转换器。

此目的通过设计一个RC(电阻器-电容器)滤波器的直流-直流转换器来实现的。

本发明的一个优点是提供一个充电设备，此设备和多种型号的交流适配器协同操作，或直接和电池或可再充电装置协同操作。

根据本发明的对可再充电装置进行充电的方法本质上包括以下步骤：

a)将可再充电装置与电池连接端口和地连接；

a1)将具有输入电压的外部直流源连接到充电设备的输入电阻器，其中，充电开关上的晶体管电压降被最小化，以便减少充电开关耗散的功率；

b)把电流参考值反馈到控制单元；

c)把电压参考值反馈到控制单元；

d)根据反馈到控制单元的电流参考值和电压参考值确定占空比；

e)通过充电开关，利用占空比在依赖于电流参考值和电压参考值的最小输出电压和最大输出电压之间切换施加到可再充电装置的输出电压；以及

f)断开已充电的可再充电装置；在步骤e)中，由输入电压和可再充电装置的充电状态确定由控制单元提供的占空比。

根据本发明的另一方面，电阻器是独立于充电设备安装的。在根据本发明的电路设计中，这是一个主要优点，因为大多数的功率被电阻器消耗掉。

另一个优点是，通常使用的电路可以连接到车用蓄电池上，并且车用适配器可以用作便宜的电阻器。

根据本发明的另一个方面，该电路设计适用于避免电压高于在使用锂离子电池中指定的电压。

根据本发明的另一方面，提供了一种软切换，以避免电磁干扰问题。

根据本发明的另一方面，由充电设备产生的功率主要在充电设备外耗散。

根据本发明，对可再充电装置进行充电的充电设备包括：

a)电池连接端口，用于连接此可再充电装置到充电设备；

b)控制单元，用于根据反馈到控制单元的电流参考值和电压参考值确定占空比；

c)充电开关，其利用占空比，在依赖于电流参考值和电压参考值的最小输出电压和最大输出电压之间切换施加到可再充电装置的输出电压；其特征在于，此充电设备进一步包括：

d)输入电阻器，用于连接具有输入电压的外部直流源到充电设备，其中d1)充电开关上的晶体管电压降被最小化，以便减少充电开关耗散的功率；d2)输入电阻器与充电设备分开安装，以便于把输入电阻器耗散的功率释放在充电设备之外；以及d3)由输入电压和可再充电装置的充电状态确定由控制单元提供的占空比。

附图说明

本发明具体实施例在图中描绘，并且在下面的描述中更详细的给出说明。

图1是根据本发明实施例的电路图；

图2(a)是显示与开关打开时一个时间周期相对应的电路结构的电路图；

图2(b)是显示与开关关闭时一个时间周期相对应的电路结构的电路图；

图3(a)显示根据传统线性调节器的输入电压的函数的耗散的总功率(粗线)、图2(a)显示的aa输入电阻器耗散的功率(中粗线)、以及由晶体管消耗的功率(细线)；

图3(b)显示根据本发明实施例的RC滤波器的直流-直流转换器的输入电压的函数的耗散的总功率(粗线)、图2(a)显示的aa输入电阻器消耗的功率(中粗线)、以及由晶体管消耗的功率(细线)；

图4显示图2(a)和(b)中两种情况下输出电压作为时间函数的变化；

图5(a)显示根据本发明实施例的输入电压函数的瞬时电流(粗线)和平均电流(细线)；

图5(b)显示根据本发明实施例的输入电压函数的晶体管上的电压降；和

图5(c)显示根据本发明实施例的输入电压函数的占空比。

具体实施方式

在图1显示的电路图中，输入电阻器101连接到电源端口102。输入电阻器101的第二端子连接到充电开关103和控制单元104。充电开关103的第二端子连接到控制单元104的第二端子和充电电容器的第一端子105。充电电容器105的第二端子连接到地106。充电开关103的第二端子和充电电容器105的第一端子的交点被指定为电池连接端口107，此端口与电池的第一端子相连接，即与可再充电装置108的第一端子相连接。

接下来将描述图1显示的充电设备的操作。控制单元104被提供来自输入电阻器101第二端子的电流参考值109和来自电池连接端口107的电压参考值110。

依照被提供的电流参考值109和电压参考值110，控制单元104操作充电开关103，当闭合时，该开关传输转换电流111。这样，充电电流112通过连接电池连接端口107和电池的第一端子的通路对电池108进行供电，从而，电池108的第二端子连接到地106。充电电压113在电池连接端口107和地106之间测量，作为电池充电状态的指示。

图2(a)和2(b)分别代表图1的电路在充电开关103打开时(图2(b))和在充电开关103闭合时(图2(b))的结构。图2(a)的电路图显示相应于开关打开时的电路结构，图2(b)电路图显示当开关闭合时的电路结构。

参考图2(a)，输入电压114由来自车用蓄电池的交流适配器提供。晶体管电压降202被加到通过输入电阻器101、由开关电流111(I₁)引起的电压降上，晶体管电压降指定为V_CE。充电电流112(I₂)通过电池电阻201引起电压降，由此开关电流111(I₁)被分为充电电流(I₂)和充电电容器电流203(I₃)。

在循环的第一阶段，有一大电流流过输入电阻器101进入充电电容器105，并且部分流入电池108。在第二阶段，如图2(b)所示，次级充电电流204(I₄)从充电电容器105流向电池108。通过电池的电流因此被由充电电容器105(c)和电池电阻201(R)组成的RC滤波器滤波。

控制循环对控制平均电流和平均电压的控制单元104的占空比起作用。电池电阻201耗散的功率P_R由以下方程计算：

P_R＝(R_sense·I_ist ²)·d

其中，d代表占空比，R_sense是输入电阻器101的值，I_ist是流过输入电阻器101的瞬时电流。晶体管耗散的功率P_T由以下方程得到：

P_T＝(V_CE·I_ist ²)·d

V_CE是通过晶体管205集电极-发射极通路的晶体管电压降202。这样耗散的总功率P_tot可以写为：

P_tot＝P_R+P_T

具有同样充电电流112的线性调节器和根据本发明实施例的调节器的比较如下：

P_lin＝(V_in-V_batt)·I_avg

此处I_avg是平均充电电流112，V_in示输入电压114，而V_batt是电池端子的电压，即电池电压206。耗散的功率分布在输入电阻器101和晶体管205之间，如下所述：

P_Rlin＝R_sense·I_media ²

P_T＝(V_in-V_batt-R_sense·I_media)·I_media

I_media是通过输入电阻器101的平均电流。

如图3(a)和(b)所示，输入电压114的变化，此处显示为从六伏到十四伏的变化，这表示典型的车用电源电压(车用蓄电池电压)的一个实例，这种变化导致分布在输入电阻器101和晶体管205之间的功率的不同变化。

如图3(b)显示的用细线301表示的晶体管205耗散的功率远少于图2(a)中描述传统线性调节器的情况。图3(a)和3(b)的中粗线给出了输入电阻器101耗散的功率，而粗线303代表耗散的总功率。

这样，由于如图3(b)显示的由晶体管205减少的耗散功率301，晶体管205在本发明实施例中可以集成进充电单元。

在下文中，如图4所示，根据图2(a)和(b)显示的两种情况计算出输出电压纹波，对第一种情况，即在开关打开时间内401的输出电压402由以下方程给出；

V_out(t)＝A+C·exp(-(t/τ_on))

其中

τ_on＝(R_sense//R_batt)·C_out

A和C的表达式为

$A=(\frac{V_{\mathrm{in}}-V_{\mathrm{CE}}}{R_{\mathrm{sense}}}+\frac{V_{\mathrm{batt}}}{R_{\mathrm{batt}}})\·\left(\frac{R_{\mathrm{batt}}\·R_{\mathrm{sense}}}{R_{\mathrm{sense}}+R_{\mathrm{batt}}}\right)$

C＝(B-A+D)exp(t/τ_on)。

对第二种情况，即在开关闭合时间内407的输出电压403由以下方程给出：

V_out(t)＝B+D exp(t/τ_off)

其中

τ_off＝R_batt·C_out

A和B的表达式为

$A=(\frac{V_{\mathrm{in}}-V_{\mathrm{CE}}}{R_{\mathrm{sense}}}+\frac{V_{\mathrm{batt}}}{R_{\mathrm{batt}}})\·\left(\frac{R_{\mathrm{batt}}\·R_{\mathrm{sense}}}{R_{\mathrm{sense}}+R_{\mathrm{batt}}}\right)$

B＝V_batt

这样，可以看到输出电压402和403分别在最小输出电压404和最大输出电压406之间变化，由此可以获得平均输出电压405，如图4所示。

在图5(a)到(c)中，瞬时电流501和平均电流502，晶体管电压降503和占空比504作为输入电压114的函数进行描述。

尽管示出并描述了具体实施例，但是可以获得各种改进和替换而不脱离本发明实质和范围。相应地，可以理解对本发明的描述是示意性的而非限制性的。

附图标记对照表

101输入电阻器R_sense

102电源端口

103充电开关

104控制单元

105充电电容器C_out

106地

107电池连接端口

108电池

109电流参考值

110电压参考值

111开关电流I₁

112充电电流I₂

113充电电压

114输入电压V_in

201电池电阻R_batt

202晶体管电压降V_CE

203充电电容器电流I₃

204次级充电电流I₄

205晶体管

206电池电压V_Batt

301晶体管耗散的功率

302输入电阻器耗散的功率

303耗散的总功率

401打开时间

402打开时间的输出电压

403闭合时间的输出电压

404最小输出电压

405平均输出电压

406最大输出电压

407闭合时间

501瞬时电流

502平均电流

503晶体管电压降

504占空比

Claims (9)

1.一种对可再充电装(108)进行充电的方法，包括以下步骤：

a)将可再充电装置(108)与电池连接端口(107)和地(106)连接；

a1)将具有输入电压(114)的外部直流源连接到充电设备的输入电阻器(101)，其中，充电开关(103)上的晶体管电压降(202)被最小化，以便减少充电开关(103)耗散的功率(301)；

b)把电流参考值(109)反馈到控制单元(104)；

c)把电压参考值(110)反馈到控制单元(104)；

d)根据反馈到控制单元(104)的电流参考值(109)和电压参考值(110)确定占空比(d)；

e)通过充电开关(103)，利用占空比(d)在依赖于电流参考值(109)和电压参考值(110)的最小输出电压(404)和最大输出电压(406)之间切换施加到可再充电装置(108)的输出电压(402，403)；以及

f)断开已充电的可再充电装置(108)；

其特征在于，在步骤e)中，

由输入电压(114)和可再充电装置(108)的充电状态确定由控制单元(104)提供的占空比(d)。

2.根据权利要求1所述的对可再充电装置(108)进行充电的方法，其特征在于，提供使用了晶体管(205)的软切换，以便避免电磁干扰问题。

3.根据权利要求1所述的对可再充电装置(108)进行充电的方法，其特征在于，处于最小输出电压(404)和最大输出电压(406)之间的平均输出电压(405)被施加到可再充电装置(108)。

4.根据权利要求1所述的对可再充电装置(108)进行充电的方法，其特征在于，避免了充电电压(113)高于由电池制造商针对特定的可再充电装置所指定的电压等级。

5.根据权利要求2所述的对可再充电装置(108)进行充电的方法，其特征在于，输入电阻器(101)耗散的功率(302)超过了晶体管(205)耗散的功率(301)，以减少充电设备内部耗散的功率。

6.一种对可再充电装置(108)进行充电的充电设备，包括：

a)电池连接端口(107)，用于连接此可再充电装置(108)到充电设备；

b)控制单元(104)，用于根据反馈到控制单元(104)的电流参考值(109)和电压参考值(110)确定占空比(d)；

c)充电开关(103)，其利用占空比(d)，在依赖于电流参考值(109)和电压参考值(110)的最小输出电压(404)和最大输出电压(406)之间切换施加到可再充电装置(108)的输出电压(402，403)；

其特征在于，此充电设备进一步包括：

d)输入电阻器(101)，用于连接具有输入电压(114)的外部直流源到充电设备，其中

d1)充电开关(103)上的晶体管电压降(202)被最小化，以便减少充电开关(103)耗散的功率(301)；

d2)输入电阻器(101)与充电设备分开安装，以便于把输入电阻器耗散的功率(302)释放在充电设备之外；  以及

d3)由输入电压(114)和可再充电装置(108)的充电状态确定由控制单元(104)提供的占空比(d)。

7.根据权利要求6所述的对可再充电装置(108)进行充电的充电设备，其特征在于，充电开关(103)是晶体管(205)。

8.根据权利要求6所述的对可再充电装置(108)进行充电的充电设备，其特征在于，充电设备能够被连接到商用交流适配器上。

9.根据权利要求6所述的对可再充电装置(108)进行充电的充电设备，其特征在于，具有连接到充电设备的输入电阻器(101)的输入电压(114)的外部直流源是车用蓄电池。

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