CN100585980C - 调节功率的控制装置和方法 - Google Patents
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Abstract
在电子设备的电池充电领域，已知使用多种措施来避免充电系统中传递设备的过度功率耗散。但是，这些措施中的许多措施或者与线性充电方式不相兼容，或者增加了适配器和/或充电系统的成本。本发明提供一种功率耗散测量电路，用于对控制设备进行控制，该控制设备与另一限定了最大电流的控制设备串行动作，以控制到传递设备的驱动电流，使得将传递设备的功率耗散限定为最大阈值。
Description
技术领域
本发明涉及控制类型的装置，例如用于调节连接在电源和负载之间的传递设备(诸如要充电的电池)的功率耗散。本发明还涉及一种调节电路中功率的方法，该电路包括传递设备，诸如要充电的电池，用于将电源连接到负载。
背景技术
可充电电池现在在许多应用中都得到广泛使用。电子设备，特别是便携电子设备，是范围从蜂窝电话手持设备到数码相机的设备，其严重依赖于高质量的可充电电池。
与具有例如无线通信能力的电子设备相关的是，该电子设备通常配备有内部充电系统来对同样配备于电子设备中的主电池进行充电。充电系统具有传递设备，设计该传递设备连接在外部电力变压器(后文称之为“适配器”)和电池之间。但是，第三方(有时称为“盗版”)适配器的广泛可用性，引起了电子设备制造商的安全关注，因为有时适配器的输出不兼容。这些关注之一涉及传递设备所耗散的功率，其中，适配器供应比传递设备的功率额度功率更多的功率。在此条件下，传递设备会被损坏、完全故障，或者至少传递设备的使用寿命会缩短；电池甚至可能变得很危险。
典型地，设计适配器用于连接到墙壁安装的电插座或车辆(诸如汽车)中的点烟器。进而，现代适配器期望能在具有不同的主电压供应的多个不同国家中使用。因此，由于这些性能要求，某些适配器制造商已经选择了另外的设计，以便确保只有真正的原始设备制造商(OEM)适配器用于电子设备，由此试图消除或至少减轻对充电系统、电池和/或用户的潜在危害。有关于此，制造商设计了具有低调节输出电压的适配器，并且已经通过向适配器提供预定连接器配置以连接适配器到电子设备来努力鼓励使用这样的适配器。但是，尽管这样的配置以一种积极的方式减少了连接灵活性以鼓励使用安全的OEM适配器，但该配置增加了电子设备和手持设备的成本。
另一方法使用了外部保护性措施。例如，电子设备可以配备有保险丝。但是，提供保险丝增加了电子设备的成本并且一旦保险丝熔断就不能重新使用或者变得不可用，从而使得充电系统不可用。另一措施是向充电系统提供温度关闭电路，例如包括由热调节环路保护的内部传递设备的电路，其使得充电系统的充电速率最大化，如美国专利6,521,118所述。但是，这样的解决方案由于下面的原因而缺乏吸引力。首先，美国专利6,521,118所述的电路并不是用于使用适配器外部的传递设备的充电系统的。其次，美国专利6,521,118的电路将增加电子设备的成本，因为它由于电路的高散热而不能集成到更大功率的管理芯片中。因此，电子设备中的芯片数增加，使得电路在经济上与低成本充电配置不符合。进而，额外的电路内部功率耗散与完全集成功率管理电路的电路布置不相符合。
用于应对传递设备的过度功率耗散的另一技术是使用具有更高功率耗散性能的传递设备。但是，高额定功率的传递设备需要的物理封装比低额定功率的传递设备更大，且因此将占用更多的电路板空间；它们还会增加电子设备的成本，因此不是所希望的解决方案。
另一已知充电系统在美国专利6,144,187中公开，其使用模拟乘法器来计算AC适配器输出功率。控制环路限定AC适配器所提供的功率，但是相比用于电子设备的线性充电系统，生产起来更加昂贵。因此，上述的电路不能提供对于线性充电应用中传递设备的保护。此外，该电路限定了对电池充电可用的功率量。
发明内容
根据本发明，提供了一种用于调节功率的控制装置和方法，如所附权利要求所述。
附图说明
现在将描述本发明的至少一个实施例，其只是举例，并结合附图，在附图中：
图1是包括构成本发明实施例的功率调节装置的电路的总体示意图；
图2是图1的功率调节装置的示意图，其中更详细地示出了功率调节装置；
图3是图2中功率调节装置的示意图，更为详细；
图4是图3的装置的总体工作的流程图；
图5是关于在第一时间使用的三个不同电压源的功率耗散曲线和充电电流曲线图；
图6是用于在两个不同时间使用的单一电压源的功率耗散曲线和充电电流曲线图；以及
图7是图3的功率调节装置的一部分的示意图。
具体实施方式
下面的描述中，相同附图标记通篇用于标示类似部件。
参看图1，充电配置100包括连接到充电系统104的适配器102，充电系统104连接到电池，例如电池106。适配器102可以被表示为电压源108，其与适配器102的等价内部电阻100串联连接，该电阻包括附加到适配器102的电插头(未示出)的电阻分布。
充电系统104在适配器102之外，并且被设置于电子设备(未示出)之内，电子设备例如是无线通信设备，诸如蜂窝电话手持设备。充电系统具有输入端112，例如通过双芯电缆(未示出)和一对连接器(也未示出)连接到适配器102的输出端114。双芯电缆具有正电压线和地线。充电系统104的输入端112包括正电源导轨116和地导轨118，正电源导轨116连接到正电压线，地导轨118连接到地线。在这个例子中，电缆的电阻损耗由电阻损耗113来表示。
正电源导轨116连接到控制器122的输入120，控制器122的第一输出端124连接到地导轨118。控制器122的第二输出端126连接到受控电流源130的输入端128。
驱动电流源130的控制端132连接到传递设备136的控制端134，传递设备136的第二输入端138连接到正电源导轨116。传递设备136独立于适配器102。传递设备136的输出端140直接连接到充电系统104并且还连接到外部读出电阻144的第一端142，外部读出电阻144的第二端146也连接到充电系统104。将在后面更详细描述传递设备136与充电系统104之间的精确连接。传递设备136是能够设定和修改到电池的充电电流Ich的任何合适的设备。在这个例子中，传递设备136是双极型PNP晶体管，但本领域技术人员将认识到，也可以使用其他的设备。
读出电阻144的第二端146还连接到电池106的正电压端148，电池106的特征在于包括连接到至少一个电池单元152的电池的等价内部电阻150。电池106的正电压端148连接到内部电阻150，内部电阻150，如上所解释的那样，连接到至少一个电池单元152。该至少一个电池单元152连接到电池106的地端154，电池106的接地端154连接充电系统104的地导轨118。
转来看图2，控制器122包括控制单元200，其第一端202连接到正电源导轨116，其第二端204连接到地导轨118。控制单元200包括计数器206，其输出(未示出)连接到控制单元200的输出端208。控制单元200的输出端208连接到功率读出电路212的第一端210。功率读出电路212的第二端214连接到差分电压读出电路218的第一端216，差分电压读出电路218的第二端220连接到正电源导轨116。功率读出电路212的第三端222还连接到充电电流读出电路226的第一端224，充电电流读出电路226的第二端228连接到差分电压读出电路218的第三端230以及传递设备136的输出端140。
充电电流读出电路226的第三端232连接到读出电阻144的第二端146，充电电流读出电路226的第四端234连接到驱动电流源130的第一N沟道金属氧化物半导体(NMOS)场效应晶体管(FET)238的栅极端236。第一NMOS FET 238的漏极端240连接到第一负载电阻244的第一端242，第一负载电阻244的第二端246连接到传递设备136的第一输入端134。第一负载电阻244对用作传递设备136的PNP双极型晶体管的基极提供额外的保护。
第一NMOS FET 238的源极端248连接到第二NMOS FET 252的漏极端250，第二NMOS FET 252的源极端254连接到地导轨118。第二NMOS FET 252的栅极端256连接到功率读出电路212的第四端258。
参看图3，控制器122包括差分电压读出电路218、充电电流读出电路226和功率读出电路212。尽管在图1和2中未示出，控制器122还包括参考电流生成电路300。
差分电压读出电路218包括集成读出电阻Rvce302，该电阻连接到正电源导轨116和第一运算放大器304的反相输入端以及第一P沟道金属氧化物半导体(PMOS)FET 306的源极端。第一PMOS FET 306的栅极端连接到运算放大器304的输出端。第一运算放大器304的非反相输入端连接到传递设备136的输出端140。第一PMOS FET 306的漏极端连接到电流反射镜配置308。集成读出电阻302、第一运算放大器304、第一PMOS FET 306和电流反射镜配置308一起用作电流源电路，用于生成第一读出电流Ivce，该第一读出电流Ivce与传递设备136的集电极-发射极电压Vce成正比。
第一运算放大器304的非反相输入端还连接到第三读出电阻310，该第三读出电阻310还连接到第二运算放大器312的反相输入端以及第二PMOS FET 314的源极端。第二PMOS FET 314的栅极端连接到第二运算放大器312的输出端，第二PMOS FET 314的漏极端连接到第二电流反射镜配置316。第二电流反射镜配置316连接到第三电流反射镜配置318。第二运算放大器312的非反相输入端连接到电池106的正电压端148。第三读出电阻310、第二PMOS ET 314、第二运算放大器312以及第二和第三电流反射镜配置316、318一起用作第二电流源电路，其用于生成第二读出电流Icc，该第二读出电流Icc与流经传递设备136的电流，即充电电流Ich成正比，并用于限定充电电流。
第三电流反射镜配置318的源极端320连接到Gilbert电池单元配置324的第一端322。Gilbert电池电源配置324包括多个PMOS FET和NPN双极型晶体管，其配置是本领域技术人员已知的，因此出于简明的原因而在这里不做进一步描述。
Gilbert电池单元配置324的第二端326连接到参考电压源Vref(未示出)。Gilbert电池单元配置324的第三端328连接到第一电流反射镜配置308的漏极端330，且Gilbert电池单元配置324的第四端连接到参考电流生成电路300的第四电流反射镜配置336的漏极端334。Gilbert电池单元配置324连接到第五电流反射镜配置338，第五电流反射镜配置338连接到第六电流反射镜配置340。第六电流反射镜配置340的漏极端342提供与传递设备136所耗散的功率Pd成正比的第三读出电流Ipw。
参考电流生成电路300包括第三运算放大器344，其具有连接到参考电压源Vref的非反相输入端。尽管在附图中没有示出，生成参考电压Vref的电路是集成电路的已知标准特征，并且常规被设计在集成电路中以便组成集成电路的多个电路使用。典型地，参考电压Vref是关于温度和制造过程变化相对稳定的电压。PMOS FET的阵列346并联连接，它们的栅极端连接到运算放大器344的输出端，PMOS FET的阵列346的反向输出端和第一PMOS FET 348的漏极端经由参考电阻350连接到地导轨118。PMOS FET阵列346的第二PMOS FET 352的漏极端连接到第四电流反射镜配置336。第三运算放大器344、PMOS FET阵列346、参考电阻350和第四电流反射镜配置336一起用作电流源，用来生成参考电流，在第四电流反射镜配置336的漏极端334提供的第一参考电流Iref，在PMOS FET阵列346的第三PMOS FET 354的漏极端提供的第二阈值参考充电电流Irefc，在PMOS FET阵列346的第四PMOS FET 356的漏极端提供的第三阈值功率参考电流Irefp。
工作中，适配器102被插入到电力插座中，并且连接到电子设备，由此将适配器102连接到充电系统104。电池106当然也以上面已经描述过的方式连接到充电系统104。
一旦对充电系统104加电，将参考电压Vref提供给参考电流生成电路300，使得其中的电流源电路生成第一、第二和第三参考电流Iref、Irefc、Irefp。参考电阻350被设置为使得阈值参考充电电流Irefc对应于在电池充电时允许流经传递设备136和电池106的预定最大阈值电流。在这个例子中，阈值参考充电电流Irefc对应于1A的最大充电电流。类似地，参考电阻350的设置也确保阈值功率参考电流Irefp对应于1W的传递设备136的最大允许功率耗散。
与此同时，差分电压读出电路218的电流源将正电源导轨116和第一运算放大器304的非反相输入端上提供的电压转换为第一读出电流Ivce。正电源导轨116和第一运算放大器304的非反相输入端两端的电压是传递设备136的集电极-发射极电压Vce，因此第二读出电流Ivce与传递设备136的集电极-发射极电压Vce成正比。此外，第一读出电阻144两端的电压被应用在第一运算放大器304的非反相输入端和第二运算放大器312的非反相输入端的两端。第一读出电阻144上的电压被充电电流读出电路226的电流源电路转换成第二读出电流Icc。如同上面已经提到的，第二读出电流Icc与流经传递设备136的电流成正比，该流经传递设备136的电流对应于充电系统104的充电电流Ich。充电系统104因此具有充电电流Ich和传递设备136的集电极-发射极电压Vce的测量数。
Gilbert电池单元配置324是交叉耦合的差分放大器，将正比于充电电流Ich的第二读出电流Icc的值乘以正比于集电极-发射极电压Vce的第一读出电流Ivce，以达到功率耗散读出电流Ipw，该功率耗散读出电流Ipw与传递设备136的功率耗散Pd成正比。参考电压Vref用于设置Gilbert电池单元配置324的正确工作点，第一参考电流Iref用于提供关于第三读出电流Ipw的缩放因子，即Ipw＝(Ivce×Icc)/Iref。
将充电电流Ich的知识与阈值参考充电电流Irefc相结合使用，以控制第一NMOS FET 238。与第一NMOS FET 328串联的第二NMOS FET252受到功率耗散读出电流Ipw与阈值功率参考电流Irefp相结合的控制，由此提供对流经传递设备136的电流以及充电电流Ich的独立控制。
转到图4和5，在适配器102的第一例子中，电源导轨116处于8V，适配器102的电阻Rplug为6Ω，电池106上的初始充电电压为3V。这些初始参数导致了第一充电电流曲线500以及传递设备136所耗散的功率Pd的第一功率耗散曲线502。在这个第一例子中，阈值参考充电电流Irefc和第二读出电流Icc以相反方向流动，导致第一误差信号Irefc-Icc，第一误差信号用作第一NMOS FET 328的控制信号，该控制信号由第一NMOS FET 328的跨导放大，以用作传递设备136的驱动电路的第一控制。类似地，并且参看图7，阈值功率参考电流Irefp和功率耗散读出电流Ipw以相反方向流动，导致第二误差信号Irefp-Ipw，该第二误差信号用作第二PMOS FET 252的控制信号，该控制信号由第二PMOS FET 252的跨导放大，以用作传递设备136的驱动电路的第二控制。
因此，随着驱动电流的增大，传递设备136所耗散的功率Pd也在增大，直到其达到第一峰值504，约950mW。此后，随着驱动电流的进一步增大，传递设备136所耗散的功率降低到约200mW。结果，第一误差信号没有达到足以使得第一NMOS FET 238限定驱动电流并由此将流经传递设备136的充电电流限定到1A的第一预定阈值电流的电平(步骤400)。类似地，第二误差信号没有达到足以使得第二PMOSFET 252限定驱动电流并由此将传递设备136所耗散的功率限定到1W的第二预定阈值功率耗散的电平(步骤402)。
在适配器102的第二例子中，电源导轨116处于10V，适配器102的电阻Rplug为6Ω，电池106两端的初始充电电压为3V。这些初始参数导致了第二充电电流曲线506以及传递设备136所耗散的功率Pd的第二功率耗散曲线508。但是，随着流经传递设备136的驱动电流增大到1A，第一误差信号开始达到上述提及的电平(步骤400)，其足以使得第一NMOS FET 238限定驱动电流并由此将流经传递设备136的充电电流Ich限定到不超过1A的第一预定阈值电流。由于当第一误差信号表示充电电流为1A的最大值时，传递设备136所耗散的功率Pd小于1W的预定阈值功率耗散，因此，第二误差信号没有达到足以使得第二PMOS FET 252限定驱动电流的电平(步骤402)；当1A流经传递设备136时，传递设备136所耗散的功率Pd约为700mW。
在适配器102的第三例子中，电源导轨116处于12V，适配器102的电阻Rplug为6Ω，电池106两端的初始充电电压为3V。这些初始参数导致了第三充电电流曲线510以及传递设备136所耗散的功率Pd的第三功率耗散曲线512。但是，随着流经传递设备136的驱动电流增大到1A，第一误差信号开始达到上述提及的电平(步骤400)，其足以使得第一NMOS FET 238限定驱动电流并由此将流经传递设备136的充电电流限定到不超过1A的第一预定阈值电流。但是，在1A的限定充电电流，传递设备136所耗散的功率Pd远远高于1W(2.6W)，因此第二误差信号达到了足够的电平(步骤402)，其足以使得第二PMOSFET 252限定(步骤404)PNP驱动电流为约1mA，由此限定充电电流Ich为约100mA，从而将传递设备136所耗散的功率Pd限定为1W的最大值。因此，可以看到，上述的电路将传递设备所耗散的功率Pd限定为安全的最大值，在本例中是1W。
上面的例子涉及初始参数。但是，随着电池106充电的进行，电池106两端的电压上升。在适配器102的第四例子中，电源导轨116处于11V，适配器102的电阻Rplug为6Ω，且电池106上的初始充电电压为3V。这些初始参数导致了第四充电电流曲线600以及传递设备136所耗散的功率Pd的第四功率耗散曲线602。但是，随着流经传递设备136的驱动电流增大到1A，第一误差信号开始达到上述提及的电平(步骤400)，其足以使得第一NMOS FET 238限定驱动电流并由此将流经传递设备136的充电电流限定到不超过1A的第一预定阈值电流。此时，传递设备136所耗散的功率为1.6W，因此，当第一误差信号表示充电电流为1A的最大值时，传递设备136所耗散的功率Pd大于1W(1.6W)，因此第二误差信号达到了足够的电平(步骤402)，其足以使得第二PMOS FET 252限定(步骤404)PNP驱动电流为约1mA，由此限定充电电流为约100mA，从而将传递设备136所耗散的功率Pd限定为1W的最大值。
随着电池106充电的进行，电池106上的电压增加，且因此第四充电电流曲线600以及第四功率耗散曲线602都发生了变化。在接近充电周期的末尾，接下来分别是第五充电电流曲线604以及第五功率耗散曲线606。此处，第一误差信号将仍旧使得第一NMOS FET 238限定(步骤400)驱动电流到约12.5mA，由此将流经传递设备136的充电电流限定到不超过1A。但是，传递设备136的功率耗散特性向下移动，导致传递设备136在充电电流为1A时耗散更少的功率。因此，不再达到1W的第二预定阈值功率耗散，充电系统具有刷新机制(步骤406)来确保最高可允许的充电电流流经传递设备136，同时保持传递设备所耗散的功率Pd低于预定功率耗散阈值。
因此，在另一实施例中，充电系统104通过使用第一误差信号确保流经传递设备136的充电电流处于预定阈值充电电流(步骤400)。然后，使用第二误差信号，充电系统104确保传递设备136所耗散的功率不超过(步骤402)预定功率耗散阈值。假设没有超过预定功率耗散阈值，充电电流保持在预定阈值充电电流。但是，一旦超过了预定功率耗散阈值，通过使用第二误差信号，第二误差信号使得充电电流降低(步骤404)到足以确保不再超过预定功率耗散阈值的低值，同时保持充电电流在预定功率耗散阈值的限定下处于尽可能高的值。但是，如上所述，随着充电周期的进程，电池106两端的电压增大，由此充电条件也发生变化。因此，控制器208的计数器206周期性地禁用(步骤406)功率读出电路212一段预定临时时期，例如，每1s有10μs的禁用时期，但是该时期不会长到由于传递设备136耗散过度功率而对传递设备136造成损害。当这种情况发生时，只通过第一误差信号来控制驱动电流，由此充电系统104使得流经传递设备136的充电电流Ich返回到预定阈值充电电流，而不管传递设备136所耗散的功率Pd。随后，在预定临时时期之后恢复功率读出电路212的控制，并且，通过使用第二误差信号，功率读出电路212将到传递设备136的驱动电流降低到不大于预定功率耗散阈值的安全电平。因此，随着在充电周期期间充电电流和传递设备的功率耗散特性的变化，充电电流总是保持在最大可能值，同时不超过预定功率耗散阈值，由此确保了优化的安全充电时间。
因此，返回到第五功率耗散曲线606，当第一误差信号将流经传递设备136的充电电流限定为不大于1A时，第二误差信号没有达到使得第二NMOS FET 252进一步限定驱动电流的足够的电平；因此，第一NMOS FET 238设置的约12.5mA的驱动电流保持不变，传递设备136所耗散的功率Pd保持在降低的电平600mW。
因此，可以看出，通过控制同第二切换设备串联连接的第一切换设备用于充电电流限定，第一切换设备可以用来提供对驱动电流的额外的控制来控制传递设备，从而确保传递设备不会超过预定阈值功率耗散电平地耗散功率。
尽管在上面的例子中，功率读出电路212已经被禁用，例如通过禁用PMOS FET 700(图7)，但本领域技术人员很明显知道，可以使用任何其他合适的已知技术来暂时允许在一段预定时期内超过预定功率耗散阈值。
应该认识到，尽管上述例子涉及电池充电的领域，但上述例子背后的原理可以用于其他应用，例如与电压调节器电路、音频放大器电路、或需要传递设备的任何电路相关，其中的传递设备可耗散比其能承受的更多的功率，因为供应给传递设备的电源电平是未知的。
因此，有可能提供一种用于调节功率的控制装置和方法，其执行实时和准确的功率耗散计算。该装置具有低材料清单(BOM)成本，使用小型和低成本PNP晶体管。此外，低成本未调节适配器可以用于包括该控制装置的充电系统。进而，对于传递设备温度监控的需要不再是必需的。而且，对电池充电所花费的时间得到了优化，并且对于传递设备的可允许的功率耗散得到了最大化。另外一个好处是，传递设备的寿命不会由于充电设备的过度功率耗散而缩短。
Claims (12)
1.一种用于控制连接在电源和负载之间的传递设备的控制装置，所述装置包括：
输入，用于从电源接收电力；
输出，用于向负载提供电力；以及
电流控制电路，被配置以生成第一控制信号，用于在使用时将流经传递设备的电流限定在预定电流电平；所述装置的特征在于还包括：
功率控制电路，被配置以生成第二控制信号，用于在使用时将传递设备所耗散的功率限定为预定功率耗散电平，其中，在预定时期内暂时禁用所述功率控制电路。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述电流控制电路生成第一控制信号，用于在使用时以其线性方式驱动传递设备。
3.如权利要求1或权利要求2所述的装置，其中，所述功率控制电路生成第二控制信号，用于限定流经传递设备的电流。
4.如权利要求1或权利要求2所述的装置，其中，所述功率控制电路与第一控制信号相独立地生成第二控制信号。
5.如权利要求1或权利要求2所述的装置，其中，所述功率控制电路被配置以生成第二控制信号，用于当在使用时，在预定时期内进行控制以暂时允许所述传递设备所耗散的功率超过预定功率耗散电平。
6.如权利要求5所述的装置，其中，所述功率控制电路被配置以生成第二控制信号，用于当在使用时，在预定时刻进行控制以暂时允许所述传递设备所耗散的功率超过所述预定功率耗散电平。
7.如权利要求1所述的装置，其中所述功率控制电路被配置以在预定时刻被暂时禁用。
8.如权利要求6或权利要求7所述的装置，其中，所述预定时刻按预定频率出现。
9.如权利要求1或权利要求2所述的装置，其中，所述负载是可充电电池单元。
10.一种调节电路中的功率的方法，该电路包括用于将电源连接到负载的传递设备，所述方法包括如下步骤：
测量传递设备所耗散的功率；
使用功率控制电路，响应于测量的功率耗散控制流经传递设备的电流，以将传递设备的功率耗散限定为预定功率耗散电平；以及
在预定时期内暂时禁用所述功率控制电路。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述测量传递设备所耗散的功率的步骤进一步包括如下步骤：
测量流经传递设备的电流；
以及所述控制流经传递设备的电流的步骤包括：
响应于测量的电流控制流经传递设备的电流，以将流经传递设备的电流限定为预定电流电平。
12.一种对电池单元充电的方法，包括如下步骤：
将电源经由充电电路连接到负载；
根据权利要求10或权利要求11中所述的方法来调节电路中的功率。
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