CN101052888B

CN101052888B - 使用间接电流检测的充电方法和充电电路

Info

Publication number: CN101052888B
Application number: CN2005800327027A
Authority: CN
Inventors: 罗兰·A·B·安思尼斯; 因撒·范·卢; 罗伯特·G·霍斯弗
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2004-09-29
Filing date: 2005-09-21
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2025-09-21
Also published as: WO2006035365A3; US20080258689A1; EP1797443A2; JP2008515378A; CN101052888A; US8493035B2; WO2006035365A2; EP1797443B1

Abstract

本发明涉及一种产生充电电流的充电电路和充电方法，该充电电流提供给与待充电的电池(40)连接的输出端子(15)。充电电流被间接检测以产生与充电电流具有预定关系的检测电流。然后，该检测电流与所产生的预定参考电流进行比较，其中响应该比较结果控制充电电流。因而，由于在该电路的充电电流支路中不再需要低欧姆精度电阻器，因此系统成本和功效增加。此外，所提出的方案能够使电路简单地实现为集成电路。

Description

使用间接电流检测的充电方法和充电电路

技术领域

本发明涉及一种产生充电电流的充电电路和充电方法，该充电电流提供给与诸如电池或充电电池等待充电元件连接的输出端子。

背景技术

例如在无线终端或其它手持或移动设备中使用的传统电池充电电路中，在充电期间需要测量和监控相对较高的电流。通常地，串联电阻器放置在充电电流源与连接到待充电电池的相关的充电开关之间。电池充电电流流经串联电阻器并且串联电阻器两端所产生的电压降被检测用于控制充电周期。

图2示出传统集成电池充电电路的示意电路图，该电池充电电路包括连接到墙上插座的墙上插座式连接端子5以及连接到待充电电池的电池连接15。此外，设置开关器件或导通器件来控制充电电流I_C，其中所述开关器件或导通器件通过充电电流I_C并且可以由MOS(金属氧化物半导体)晶体管来实现，该充电电流I_C通过低欧姆检测电阻器R_S和电池连接端子15提供给待充电的电池。检测电阻器R_S两端的电压降由运算放大器OA1测量，并且该运算放大器OA1在一个输入端子具有偏置电压源12以限定预定的偏置电压。基于所测量的电压降，在运算放大器OA1的输出产生控制信号并且将该控制信号提供给导通器件TP22的控制端或栅极。

因此，在图2的集成电池充电电路中，使用串联电阻器RS检测充电电流IC，从而将充电电流Is转变为电压。从检测的电压中减去该限定的偏置电压并且将该限定的偏置电压送给运算放大器或差分放大器OA1。使用运算放大器OA1的输出驱动闭环回路以控制充电电流I_C。

这种传统充电电路的最大的缺点是串联电阻器或测量电阻器需要具有低欧姆值的高精度电阻器。由于大量电流流经测量电阻器，因此测量电阻器也必须具有相对较大的物理尺寸，从而散掉所产生的热量。使用物理尺寸较大的电阻器表明必须使用与集成元件相对的分离和离散元件。这导致成本增加并且生产和测试工作的复杂度增加。此外，必须小心地定位测量电阻器以防止有害的热量影响邻近的电路元件。此外，由于测量电阻器的低欧姆值，所产生的电压缺点很小并且需要使用较高分辨率的模数变换器以得到精确的测量结果。

此外，图2的充电电路或系统的精度由以下因素确定：低欧姆大电流检测电阻器R_S和连接跟踪的精度，连接到电池连接的偏置电压源12以及与偏置电压源12产生的偏置电压相关的内部偏置电压的精度。因而整个精度受到偏置电压实际限制的限制，结果在检测电阻器R_S产生很高的功耗并且在墙上插座式连接端子5与电池连接端子15之间需要很高的电压差。除了这些设计挑战，集成充电电路需要对使用连接到检测电阻器R_S的开尔文连接进行认真的版图设计。

文献US2002/00844772A1公开一种使用充电/放电复制电流的直接模数转换测量电池充电电流和放电电流的方法和装置，其中复制电流由充电电流产生并且闭环回路电流吸入器(sink)工作用于吸入该复制电流。使用闭环回路电流吸入器的数字输出作为充电电流幅度的测量。具体地，使用在得到充电电流的节点处表示电压差的差值信号来迫使在这些节点的电位数值相等。结果，复制电流等于被预定的比例因子分成的充电电流。由于使用比例因子，流经用于测量复制电流的测量仪或检测电阻器的电流大量减小能够产生很大的欧姆值并且进一步提供大量减小的功耗。所产生的较高数值的测量电压有利于精确数字化的实现。

发明内容

本发明的目的是提供一种电池充电电路和充电方法，使用该电池充电电路和充电方法，在保持电路设计简单的同时能够提高精度、减小功耗和系统成本。

通过权利要求1所述的充电电路和权利要求11所述的充电方法实现该目的。

因此，不是使用电压值进行处理，而是直接使用所得到的检测电流或测量电流作进一步的处理，即与参考电流进行比较。因而不需要将充电电流变换为电压值。由于电路的精度由集成电路制造中较好控制的因素决定，因此可以改善性能。此外，由于在大充电电流支路中无须使用相对较贵的低欧姆精度电阻器，因此可以减小系统成本。由于在大充电电流支路中缺少测量电阻器而使充电电路与电池之间所需的电压降减小，从而导致功效增加。

检测电流与参考电流之间的简单比较使得在应用集成充电电路时在板上实现相对容易的大电流跟踪的电路设计的简单应用。

检测装置可以包括第一电流镜装置，该第一电流镜装置使用电流镜技术检测充电电流。电流镜技术简化了间接检测装置的集成，从而保持比较小的电路尺寸。

此外，预定的关系可以是预定的固定比例。由于该固定比例，检测电流将大大低于充电电流，从而可以减小在检测电流处理期间的功耗或功损。

该充电电路可以是集成电路，其中可以设置电流产生装置以基于流经预定电阻器的电流产生预定参考电流。因而，在充电路径上不必设置限定额定电流的精密电阻器，从而可以减小功损并且可以使用较高的电阻值。例如，可以将该预定的电阻器设置为连接到集成电路的外部电阻器。这提供的优点是：可以保持较小尺寸的集成电路并且如果需要可以很容易地更换外部电阻器。

该电流产生装置可以包括电流数模转换器，并将参考电流提供给该电流数模转换器作为额定参考电流。更具体地，电流产生装置可以包括第二电流镜装置，该第二电流镜装置用于复制流经预定电阻器的电流。由于设置电流数模转换器，通过利用通过外电阻器的电流作为数模转换器的参考可以数字化地限定实际的充电电流。比较装置可以包括加法装置并将参考电流和检测电流提供给该加法装置。因而，所得到的差值可以直接作为控制信号。更具体地，该加法装置可以被设置为将参考电流与检测电流之间的差值转换为控制电压，并且基于该控制电压产生该控制信号。转换原理是在单个元件上合并了减法功能和转换功能，从而使电路设计简化并且紧致。

通过设置改进的电流镜装置可以实现精确的且对变化不灵敏的第一电流镜装置和第二电流镜装置的电源电压和充电电压，该改进的电流镜装置包括第一晶体管装置、第二晶体管装置以及附加的第三晶体管装置，其中所述第一晶体管装置和第二晶体管装置在电流镜构造中连接，而该第三晶体管装置由在所述第一晶体管与第二晶体管的各个漏极端子或集电极端子之间连接的放大器装置驱动。因而，通过增加输出阻抗并且减小所述第一电流镜装置和第二电流镜装置的晶体管的漏极或集电极之间的电压差改善了所述第一电流镜装置和第二电流镜装置的性能。

附图说明

参照附图，现在将基于优选实施例描述本发明，其中：

图1示出根据优选实施例的充电电路的示意框图；

图2示出根据现有技术的传统充电电路的示意电路图；

图3示出根据第一优选实施例的充电电路的示意电路图；

图4示出根据第二优选实施例的改进的电流镜电路的示意电路图；

图5示出根据第三优选实施例的改进的电流镜电路的示意电路图；以及

图6示出根据第四优选实施例的充电电路的示意框图；

具体实施方式

现在将基于集成电池充电电路描述优选实施例，在该集成电池充电电路中基于电流镜技术实现间接电流检测。然而，应该注意到间接电流检测可以可选择地通过基于例如不需要串联测量电阻器的电磁耦合技术或其它电流检测技术的其它间接检测或测量技术来实现。通常地，术语“间接检测”应理解为不需要充电电流直接流经电连接的检测器件或元件。

根据图1，设置墙上插座式连接端子5，通过该墙上插座式连接端子5直接连接到或经由其它充电电路元件连接到提供充电电源的插接系统。充电电源被提供给可以是简单导通器件或开关器件的充电控制电路10，用于产生提供给电池连接端子15的充电电流I_c，并且该电池连接端子15连接待充电的充电电池或电池40。在充电控制器件10，在上述检测中间接测量检测电流I_m并且将该检测电流提供给比较器件或比较元件20，而由参考电流产生器30产生的参考电流I_ref也被提供给该比较器件或比较元件20。比较器件20基于检测电流I_m与参考电流I_ref之间的差值产生控制信号V_c并且将该控制信号提供给充电控制器件10。因而，充电电流I_c可以被控制以提供参考电流I_ref与充电电流I_c之间的预定关系，其中该关系可以由用于提供检测电流I_m的测量技术或耦合技术或者在比较器件20使用的比较技术来限定，或者由以上二者共同来限定。

图3示出第一优选实施例的更具体的电路框图，其中使用电流镜技术间接测量充电电流I_c。由图3可见，充电控制器件10包括充电控制晶体管TP22，该充电控制晶体管TP22基于运算放大器OA2产生的控制电压控制充电电流I_c。由附加的第二晶体管TP21建立的电流镜构造测量或复制充电电流I_c，其中该第二晶体管TP21的栅极连接到充电控制晶体管TP22的栅极并且该该第二晶体管TP21的源极连接到充电控制晶体管TP22的源极以实现电流镜构造。因此，流经第二晶体管TP21的测量电流或检测电流I_m与充电电流I_c具有固定的关系。该检测电流I_m被提供给设置为加法节点的比较器件20，其中检测电流I_m和电流数模转换器(DAC)32产生的参考电流I_ref经过或通过该比较器件20。

基于可以是二进制n位控制字的电流设置CS该DAC 32工作。额定参考电流I_refn被提供给DAC 32作为额定值，基于该额定值产生参考电流I_ref。在包含运算放大器OA1的电流产生电路中通过复制流经参考电阻器R_ref的电阻器电流I_r得到额定参考电流I_refn，以及将参考电压V_ref1提供给该运算放大器OA1并且该运算放大器OA1控制电流源晶体管TP12，而该电流源晶体管TP12被设置在具有第二晶体管TP11的第二电流镜构造中，并且该第二晶体管TP11以预定比例产生的额定参考电流I_refn作为电阻器电流I_r的复制。

根据第一优选实施例提出该电路设计，利用电流镜技术在控制器件10中检测充电电流I_c，其中该控制器件10包括充电控制晶体管TP22和第二晶体管或镜像晶体管TP21。因而所得到的检测电流I_m是实际充电电流I_c良好定义的固定比例。不是将充电电流I_c转换为电压，而是将所得到的检测电流I_m在例如加法节点的比较器件20直接用于进一步的处理。

额定的或期望的充电电流可以通过参考电阻器R_ref设置，该参考电阻器R_ref可以是芯片外的精度电阻器。使用通过参考电阻器R_ref的电阻器电流I_r作为DAC 32的参考电流，实际充电电流由电流设置CS数字化限定，通过使电流镜电路和DAC 32的支路连接到加法节点在比较器件20的加法节点从检测电流I_m中减去DAC 32的输出电流。该加法节点的阻抗将检测电流I_m与参考电流I_ref之间的差值转换为馈送到运算放大器OA2的电压，其中该加法节点可以由半导体元件或简单的连接节点来实现。在运算放大器OA2的其它输入端子，提供第二参考电压V_ref2以调节在充电控制晶体管TP22的控制端子上施加的输出控制信号。

以下，基于各个等式得到充电电流I_c与充电电路的参数之间的关系。

电池40的充电电流I_c流经充电控制晶体TP22。充电控制晶体管TP22的栅极端子由运算放大器OA2的输出电压控制。运算放大器OA2的输出信号也驱动镜像晶体管TP21的栅极电压。由于晶体管TP22和TP21二者的栅极、源极连接，因此电流将与晶体管尺寸的比率Ai成正例。因此流经镜像晶体管TP21的检测电流I_m可以认为是充电电流I_c的映像，该充电电流I_c可以用以下等式表示：

I_c＝Ai·I_m (1)

通过连接各个电流支路对检测电流I_m和参考电流I_ref进行相加。比较器件20的加法节点连接到运算放大器OA2的输入。在该平衡的闭环回路，检测电流I_m将由运算放大器OA2和镜像晶体管TP21以I_m+I_ref＝0的方式进行调节，因而I_m＝-I_ref。因此基于等式(1)，可以得到以下等式：

I_c＝-Ai·I_ref (2)

参考电流I_ref由额定参考电流I_refn和n位电流设置CS确定。该DAC32可以由具有n位二进制权重的输出信道以及n个开关的传统电流镜来实现，其中电流设置CS的二进制值定义开关状态。因而，参考电流I_ref可以表达为：

I_ref＝CS·I_refn (3)

额定参考电流I_refn从另一镜像晶体管TP12的漏极电流中得到。根据晶体管TP12和TP11的尺寸比率，另一镜像晶体管TP12的漏极电流与电流产生晶体管TP11的漏极电流成比例，即电阻器电流I_r。

以下这可以表示为：

I_refn＝A_r·I_r (4)

其中参数A_r表示晶体管TP11与TP12的尺寸比率。

运算放大器OA1和电流产生器晶体管TP11的反馈回路确保参考电阻器R_ref两端的电压等于参考电压V_ref与运算放大器OA1的偏置电压V_oa1相加，因此：

I_r＝V_ref/R_ref (5)

等式(2)，(3)，(4)以及(5)合并得到以下表达式用于限定充电电流I_c的值：

I_c＝-Ai·CS·A_r·(V_ref1+V_oa1)/R_ref (6)

基于上述等式(6)，可以看到所提出的根据第一优选实施例的充电电路或系统的精度由参考电压V_ref1的精度确定，其中在内部带隙基准电压的情况下，可以得到例如+/-2％的电压基准，甚至可以通过校准来提高该精度。此外，相对于参考电压V_ref1，精度由运算放大器OA1的偏置电压V_oa1确定。对于优于1％的精度，小于12mV的偏置电压能够满足。此外，充电电路的精度取决于参考电流产生电路的电流镜的精度，该参考电流产生电路包括晶体管TP11和TP12。而且，DAC32的精度由例如所构造的电流镜来确定。此外，充电电流的精度由另一电流镜电路以及参考电阻器R_ref确定以得到所需的精度，其中另一电流镜电路包括充电控制晶体管TP22和镜像晶体管TP21，而基于应用该参考电阻器R_ref可以被放置在外部并且可以被选择。

总而言之，在集成电路制造中充电电路的总体精度可以由控制良好的因子确定。

图4示出根据第二优选实施例的电流镜电路的示意电路图，并且该电流镜电路是对充电电路的参考电流产生器部分包括晶体管TP11和TP12的电流镜电路的改进。使用该改进的电流镜电路，可以得到镜像比率小于1％的精度。因而通过使用该改进的电流镜电路可以得到所需精确的和对变化不灵敏的电源电压以及充电电压。具体地，通过增加电流镜电路的输出阻抗并且减小晶体管TP11与TP12的漏极之间的电压差提高了电流镜的性能。为此，附加的第三晶体管TP11被插入在晶体管TP11的漏极并且由附加的运算放大器OA11驱动，并且该运算放大器OA11被插入并且使其输入端分别连接到晶体管TP12和TP11的漏极。

图5示出根据第三优选实施例的电流镜电路的示意电路图，该电流镜电路是充电电路的充电电流控制部分的电流镜的改进。在此，通过在镜像晶体管TP21的漏极增加附加的第三晶体管TP211使包括晶体管TP21和TP22的电流镜改进，其中该附加的第三晶体管TP211由附加的运算放大器OA22驱动，其中该运算放大器OA22的输入端分别连接在晶体管TP21与TP22的漏极之间。因而，镜像晶体管TP21的输出阻抗增加，从而校准晶体管TP21与晶体管TP22的漏极电压。

根据第二优选实施例和第三优选实施例的电流镜电路的上述修改可以在充电电路中分别实现或者合并实现，从而改善各个电流镜电路的性能。

图6示出根据第四优选实施例的充电电路的可选择实现，其中在充电控制部分使用极性相反的晶体管例如NMOS晶体管代替PMOS晶体管。未使用图2至图5所示的PMOS晶体管，而使用图6所示的NMOS晶体管所提出的电路可以被转变为等效电路。此外，与图2的电路相反，充电电路的参考电流产生器部分电流镜电路的一部分被设置在DAC 32内部，从而将参考电流产生器晶体管TP12的栅极电压直接提供给DAC 32的电流镜电路作为栅极偏置电压。在该可选择的实现中，经由墙上插座式连接端子5充电控制晶体管TN22和镜像晶体管TN21的源极此时连接到电源电压的负端，而在图3中，墙上插座式连接端子5连接到电源电压的正极。结果，这时DAC 32连接到电源电压V_o的正极端子，而在图3中DAC 32连接到基准电势(例如地电位)。

因为根据第四优选实施例的电路工作等效于根据第一优选实施例的电路，所以关于图6所示的可选性电路的工作参照第一优选实施例的上述描述。

除了通过基于在集成电路制造中良好控制的因素精确确定的精度产生的上述提及的性能改善之外，由于在图2的大电流支路中不再需要价格昂贵的低欧姆精度电阻器，因此所提出的电路设计提供了减小系统成本的优点。此外，由于在大电流支路中缺少电阻器导致电源端子5与电池连接端子15之间的电压降减小的事实，因此增加了功效。此外，在实现该集成电路时，在电路板中可以提供相对容易或简单的大电流跟踪设计。

总之，所提出电池充电电路使用间接电流检测并且包括电流镜，其中该电流镜用于得到与充电电流成比例的测量电流。控制回路与DAC共同设置，其中该控制回路包括电流镜和运算放大器作为误差放大器。然后充电电流与DAC提供的参考电流成比例。当数字控制字作为输入施加到DAC时，该参考电流可以由通过附加电流镜的参考电压来确定。

应该注意到本发明不限于上述优选实施例的特定元件。具体地，比较器件20可以基于其它适合的元件，所述元件可以用于对检测电流Im和参考电流Iref进行加法或减法例如加法放大器或差分放大器或其它放大器或晶体管电路。同样适用于运算放大器OA1和OA2，所述运算放大器OA1和OA2可以由具有分离元件的相应的运算放大器电路替代。晶体管TP11，TP12，TP111，TP21，TP211，TP22，TN21以及TN22可以由双极或单极型的晶体管来实现。DAC 32可以是可由额定参考值控制的任何DAC，其中额定参考值I_refn甚至可以转换为数字值或电压值。因而所述优选的实施例可以在所附的权利要求书的范围内变化。

此外，所描述的附图仅仅是示意性的而并非限制性的。在附图中，为说明的目的部分元件的尺寸可能被夸大并且未按照比例绘制。在本发明说明书和权利要求书中使用术语“包括”，但并不排除其它元件或步骤。当提到单数名词时使用例如“a”、“an”或者“the”的不定冠词或者定冠词，除非具体说明的其它情况也包括复数名词的情况。在说明书和权利要求书中使用术语第一、第二、第三等用于区分相同的元件并且不必顺序或连续描述。应该理解在此描述的本发明的实施例除了以在此描述或说明的顺序工作还能够以其它顺序工作。此外，虽然是优选实施例，但是在不脱离所附权利要求书的保护范围的情况下可以在形式和细节上作出各种变化和修改。

Claims

1.一种充电电路，用于产生提供给输出端子(15)的充电电流，所述充电电路包括：

检测装置(10)，用于直接检测所述充电电流并且产生与所述充电电流具有预定关系的检测电流；

电流产生装置(30)，用于产生预定参考电流；

电流比较装置(20)，用于比较该检测电流与所述参考电流以产生控制信号；以及

控制装置(10)，用于响应所述控制信号来控制所述充电电流；

其中所述充电电路是集成电路，并且设置所述电流产生装置(30)以产生基于流经预定电阻器(R_ref)的电流的预定参考电流，以及其中所述预定电阻器是连接到所述集成电路的外部电阻器。

2.如权利要求1所述的电路，其中所述检测装置(10)包括第一电流镜装置(TP21，TP22)，该第一电流镜装置利用电流镜技术检测所述充电电流。

3.如权利要求1或2所述的电路，其中所述预定的关系是预定的固定比例。

4.如权利要求1所述的电路，其中所述电流产生装置(30)包括电流数模转换器，以及将所述参考电流作为额定参考电流提供给该电流数模转换器。

5.如权利要求1或4所述的电路，其中所述电流产生装置(30)包括第二电流镜装置(TP11，TP12)，该第二电流镜装置用于复制流经所述预定电阻器(R_ref)的所述电流。

6.如权利要求1、2和4中任一项所述的电路，其中所述比较装置包括加法装置(20)，以及将所述参考电流和所述检测电流提供给该加法装置。

7.如权利要求3所述的电路，其中所述比较装置包括加法装置(20)，以及将所述参考电流和所述检测电流提供给该加法装置。

8.如权利要求5所述的电路，其中所述比较装置包括加法装置(20)，以及将所述参考电流和所述检测电流提供给该加法装置。

9.如权利要求6所述的电路，其中设置所述加法装置(20)以将所述参考电流与所述检测电流之间的差值转换为控制电压，基于该控制电压产生所述控制信号。

10.如权利要求7所述的电路，其中设置所述加法装置(20)以将所述参考电流与所述检测电流之间的差值转换为控制电压，基于该控制电压产生所述控制信号。

11.如权利要求8所述的电路，其中设置所述加法装置(20)以将所述参考电流与所述检测电流之间的差值转换为控制电压，基于该控制电压产生所述控制信号。

12.如权利要求2所述的电路，其中所述电流镜装置包括的第一晶体管装置和第二晶体管装置(TP11，TP12，TP21，TP22)以及第三晶体管装置(TP111；TP211)，其中所述第一晶体管装置和第二晶体管装置在电流镜构造中连接，而第三电流镜装置由在所述第一晶体管装置与第二晶体管装置的各个漏极端子或集电极端子之间连接的放大器装置(OA11；OA22)驱动。

13.如权利要求5所述的电路，其中所述电流镜装置包括的第一晶体管装置和第二晶体管装置(TP11，TP12，TP21，TP22)以及第三晶体管装置(TP111；TP211)，其中所述第一晶体管装置和第二晶体管装置在电流镜构造中连接，而第三电流镜装置由在所述第一晶体管装置与第二晶体管装置的各个漏极端子或集电极端子之间连接的放大器装置(OA11；OA22)驱动。