CN101088059A - 电池充电器系统 - Google Patents

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CN101088059A CNA200580038730XA CN200580038730A CN101088059A CN 101088059 A CN101088059 A CN 101088059A CN A200580038730X A CNA200580038730X A CN A200580038730XA CN 200580038730 A CN200580038730 A CN 200580038730A CN 101088059 A CN101088059 A CN 101088059A
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Abstract

本发明提供一种电池充电器，该电池充电器包含电源输入，用于接收电源以便为电池充电；在一电压下工作的集成电路芯片，用于为所述电池充电器工作提供片上功能，该芯片耦合至所述电源输入并适用于与所述电池通信。该集成电路包含耦合至充电控制器和/或充电器电路的电压输入Vchg；以及插入在电压输入Vchg和所述充电控制器和/或充电器电路之间的调压器，使得该调压器适于调节电压输入Vchg处的所述电压，以提供与该集成电路电压工作相一致的已调电压Vreg。

Description

电池充电器系统
优先权信息
本申请要求于2004年11月12日提交的序列号为60/627,643的临时申请的优先权，该申请全文合并在此作为参考。
发明领域
本发明涉及电池充电器体系结构和系统。
发明背景
近年来已经开发出多种电池充电器体系结构，尤其是在例如移动或蜂窝电话的便携式电子设备领域。现有许多不同的制造商，它们制造在不同充电电压下工作以便为电池充电的电池充电器。
如下将参考图1以及一个移动或蜂窝电话来简单解释用于移动设备的现有技术的电池充电器是如何工作的。墙适配器1在被插入到电话(未示出)时连接至与该电话相关联的芯片(例如，CMOS集成电路(IC))上的“Vchg”管脚2。该Vchg管脚2是送至IC的电源电压。通常假设任何CMOS集成电路(IC)的电源都不超过CMOS工艺的额定电压以实现IC的可靠工作。对于5V CMOS工艺而言，任何节点都必须限制在5V+/-10％。这给出了5.5V的绝对最大值。这意味着图1的应用电路被限制为小于或等于5.5V的AC适配器电压。然而大多数电话制造商使用电压范围在5V至8V的AC适配器。在许多情况下，它们往往无法对AC适配器充电以适应IC的工艺限制。无法适应比具体的CMOS工艺的额定电压要大的片上AC适配器电压是电池充电应用的一大问题。现今约50％的移动电话充电器使用在大于5.5V电压下工作的AC适配器。这意味着这些种类的充电器需要使用如下将详细讨论的图2和图3所示的实现。
现更为详细地参考图1，该充电器由片上电路和片外电路组成，这由图1中定义片外和片上电路之间的边界的中心线3来区分。片上电路是集成电路IC区域。在IC之外还存在由反相的保护二极管4、PMOS通过器件(pass device)5以及传感电阻器6组成的充电路径。反相的保护二极管4防止电流从电池7倒流。PMOS通过器件5是用于控制流向电池7的充电电流的元件。该充电电流控制经由GateDrive管脚8来完成。Rsense电阻器6用于经由Isense 9和Vbatsense管脚10来传感充电电流。充电控制器11控制充电功能的开/关，从而控制对电池7的充电。该充电控制器11接收来自各个模拟传感电路的输入并据此对充电进行控制。这些传感电路可以包括电池监视器、Vchg电压监视器、充电定时器、电池温度监视器。由框12指示的通用充电器电路包括用于利用以连续反馈的方式来控制充电工作的恒流充电环路来控制用以向电池7充电的电流流量的充电DAC。
存在用于单个电池充电器应用的多种适应不同AC适配器电压的方法。
一种已知的生产充电器的方法是选择带有足够高的额定工艺电压的工艺，以便能够适应该IC上所有可能的充电器电压。然而，充电器只是包括许多其他功能的大型IC中的一个元件。尤其是用于蜂窝电话的IC包括许多其他数字电路功能。这一数字电路与所选的低电压细线(fine line)CMOS工艺相配。CMOS工艺通常在3V以下工作并且能够在低至1V的电压下工作。细线CMOS工艺允许非常致密的电路布局并由此允许生产更简单的产品。这样的数字电路无法与不允许这一致密布局的高电压CMOS工艺相配。因此仅基于充电器来选择用于集成电路的工艺就引起了诸多技术问题并使得集成电路的成本和尺寸过分增加，而这些都不是人们所希望的。
一种适应使用CMOS工艺的多种AC适配器电压的方法是如现有技术的图2所示使用齐纳二极管20以及限流电阻器(Rzener)21。这一方案将Vchg管脚2处的电压箝位到被选为与额定工艺电压相一致的齐纳二极管电压。然而这一方案是不利的，因为当负载电流和AC适配器电压变化时会导致例如对移动电话而言过大的功耗(通常为400mW)要求。这对于蜂窝电话应用而言是不可接收的功率损耗。此外，齐纳二极管20的成本以及这一功耗要求都使其不适于商用。
为充电器提供大于额定工艺电压的多种不同AC适配器电压的另一种方法是如图3所示使用片外调压器25。片外调压器25增加了充电器功能的成本。另外，取决于调压器上呈现的负载以及调压器两端的电压差，调压器的电池充电器的功耗会过大。此外，外部调压器25还需要额外的印刷电路板(PCB)区域。于是就在PCB布局设计时增加了额外的设计考虑，例如该外部调压器25需要独立的输入和输出。在许多应用中，调压器通常需要具有单独输入和输出的去耦电容器，而这会增加充电电路的总体复杂度并会限制充电电路的体系结构设计。
因此，本发明试图提供一种改善的电池充电器体系结构和系统。
发明概述
由所附权利要求书阐明的本发明提供一种包含接收用于为电池充电的电源的电源输入的电池充电器。提供一种可在工作电压下工作以便为电池充电器的工作供应片上功能的集成电路芯片，该芯片耦合至电源输入并适用于与电池通信。该集成电路包含电压输入Vchg、充电控制器和/或充电器电路，其中所述电压输入Vchg与充电控制器和/或充电器电路相耦合。在所述电压输入Vchg和所述充电控制器和/或充电器电路之间插入调压器，所述调压器适用于调节所述电压输入Vchg处的电压，以便调节电压输入Vchg来提供已调电压Vreg，该已调电压Vreg与所述集成电路芯片的所述工作电压相一致。理想情况下该集成电路是CMOS集成电路。该集成电路优选地将在小于5.5V的电压下工作。
本发明的充电器提供多种优点。在集成电路内提供片上调压器允许用更高电压的AC适配器进行充电而无需改变CMOS工艺以使得额定工艺电压与该AC适配器相一致。不需要如图1所示的现有技术中所要求的额外的外部部件。另外也不需要考虑片上功耗之外的其他额外功耗。同时还能避免使用更为昂贵的高电压CMOS工艺。
理想地，该调压器获取电压输入Vchg处的电压作为输入电压，并将该电压调节至Vreg电压，所述Vreg电压与所述集成电路的额定工艺电压相一致。
在一个实施例中，调压器是NMOS调压器。NMOS调压器包含与一放大器相连接的NMOS器件。该放大器适于在反馈模式中驱动来自所述电压输入Vchg的数字和/或模拟负载信号，用以由所述NMOS器件来调节电压。
在另一个实施例中，NMOS调压器包含与一放大器相连接的NMOS器件，所述放大器被配置成处于非反相增益模式，其中该增益由用作电阻分压器的一对电阻器来设定。
在又一个实施例中，NMOS调压器包含以二极管连接模式配置的NMOS器件，用以在所述电压输入Vchg和所述已调电压Vreg之间提供基本恒定的压降。
合适的调压器可以是PMOS调压器。PMOS调压器包含与一放大器相连接的PMOS器件，所述放大器适用于驱动来自所述电压输入的模拟负载信号用以由所述PMOS器件来调节电压。或者，PMOS调压器包含与一放大器相连接的PMOS器件，所述放大器被配置成处于非反相增益模式，其中该增益由用作电阻分压器的一对电阻器来设定。
理想地，该PMOS调压器包括连接在所述PMOS器件的漏极与地之间的电容器，以提供来自所述电压输入的数字和/或模拟负载信号，用以由所述PMOS器件来调节电压。
在另一个实施例中，PMOS调压器包含以二极管连接模式配置的PMOS器件，用以在所述电压输入Vchg和所述已调电压Vreg之间提供基本恒定的压降。
本发明还提供用于电池充电器的集成电路，所述集成电路包括：
电压输入Vchg、充电控制器和/或充电器电路，其中所述电压输入Vchg与充电控制器和/或充电器电路相耦合；以及
插入在所述电压输入Vchg和所述充电控制器和/或充电器电路之间的调压器，所述调压器适用于调节所述电压输入Vchg处的电压，以便调节电压输入Vchg来提供已调电压Vreg，该已调电压Vreg与所述集成电路芯片的工作电压相一致。
在又一个实施例中，本发明提供一种在集成电路内使用的调压器，所述调压器包含：用于将接收自电压输入Vchg的电压调节至与集成电路工作相一致的电压值Vreg的装置。合适的装置包含与一放大器相连接的NMOS器件，所述放大器适于在反馈模式中驱动来自所述电压输入Vchg的数字和/或模拟负载信号，用以由所述NMOS器件来调节电压。在另一个实施例中，该装置包含与一放大器相连接的PMOS器件，所述放大器适于驱动来自所述电压输入Vchg的模拟负载信号，用以由所述PMOS器件来调节电压。
附图简述
将参考附图描述本发明的实施例，在附图中：
图1至图3示出了现有技术电池充电器实现的示意图；
图4是根据本发明的充电器的示意图；
图5是关于充电器工作的本发明的一个示意图；
图6是关于充电器工作的本发明的另一个示意图；
图7是关于充电器工作的本发明的又一个示意图；
图8a和8b是本发明另一个实现的示意图；以及
图9a和9b是本发明又一个实现的示意图。
较佳实施例的描述
将参考具体实施例并参考某些附图来描述本发明，但是本发明不限于此，而仅由权利要求书所限定。所述各附图仅是示意性而非限制性的。
本发明并不将其应用限制在以下描述或附图所示的结构细节及部件排列。本发明也可包括其它实施例并能够以各种方法来实践或实现。同样，在此使用的措辞和术语是出于描述的目的而不应被理解为限制。在此使用的“包括”、“包含”或“具有”、“含有”、“涉及”及其变体指的是囊括其后列出的各项及其等效项，以及附加各项。此外，说明书和权利要求书中的术语第一、第二、第三等用于区别类似的元件，而不一定是用于描述顺序或编年次序。
图4示出了根据本发明的电池充电器的示意图。使用与图2和图3所用相同的标号来表示类似的部件。电源1向电源输入Vchg 2供电以对电池7进行充电。片上管脚8提供用于控制电池7的充电的电流信号。所提供的类型的电压通常来自AC墙适配器充电调压器并且在一般情况下是提供恒压和限流电源的开关调压器。一集成电路为充电器工作提供片上功能。该集成电路包含连接至充电控制器和充电器电路的电压输入2 Vchg。应该理解该集成电路区域被限定为分界线3以下的区域。插入或位于所述电压输入2 Vchg与所述充电控制器11和充电器电路12之间的调压器30调节电压输入处的电压，用以供应与该集成电路电压工作相一致的已调电压负载。调压器30能够为电子电路提供基本恒定的已调电压，以使该已调电压与电子电路的电压工作相一致。调压器30能够逐步增加或降低电压输入值并将输出电压保持在期望值上，而不考虑输入负载电流或者与电子电路(例如，LC芯片)的电压工作相一致的输入电压的变化。在本申请的上下文中，术语“相一致”指的是已调电压被调节至期望值，以允许集成电路芯片的正确电压工作。
所提供的片上调压器30获取Vchg管脚2中的电压并将该电压向下调节至与集成电路工作的额定工艺电压相一致的Vreg电压。通常情况下用于电池充电器应用的CMOS集成电路具有5.5V的最大电源电压。对于较小的CMOS集成电路而言，集成电路几何尺寸为90nm或更小的最大工作额定电压为1V。
图4的调压器30可以如图5和图6所示由各种方法实现。图5示出了NMOS型调压器。该调压器适于驱动数字和/或模拟型负载。图6示出了PMOS型调压器。该调压器适于驱动呈现相对恒定的电流负载的模拟型负载-负载。
图5的NMOS调压器电路30工作方式如下。NMOS器件31可以被看作是跟随器输出，即是说源极输出电压将会以栅源压降Vgs来跟随栅极电压。例如一运放的放大器32被配置成处于负反馈模式。运放32具有较高的开环增益，对于大多数应用而言50dB的增益是足够的。运放32的输入参考电压是Vref。调压器30由电阻器分压器网络33和34配置为处于非反相增益模式，其中增益如下给出：
(R1+R2)/R2
运放32在反馈模式下工作以迫使正负节点相等。由电阻器分压器网络33和34提供的闭环反馈提供了对电压Vreg的调节。由此该调压器的输出为：
Vreg＝Vref×(R1+R2)/R2
图6的PMOS调压器电路30工作方式如下。PMOS输出器件连同R1/R2电阻器分压器33和34一起可被看作是带有某些有限增益的反相器。运放32在调压器30内被配置成处于负反馈模式。运放32具有较高的开环增益，通常为50dB。运放32的输入参考电压是Vref。调压器30本身被配置为处于非反相增益模式，其中增益如下给出：
(R1+R2)/R2
运放32在反馈模式下工作以迫使正负节点相等。由此该调压器的输出为：
Vreg＝Vref×(R1+R2)/R2
因为PMOS Vreg输出是电流输出节点，所以它仅适用于驱动缓慢变化的负载电流-电阻型或模拟电路型负载电路。应该理解，模拟信号可由PMOS型调压器驱动。为使得PMOS调压器能够同时处理模拟和/或数字信号，可以在PMOS器件35和地37之间连接一去耦电容器36，用以提供来自用于电压的Vchg管脚2的数字和/或模拟负载信号以提供Vreg处的已调电压。图7示出了带有去耦电容器36的PMOS型调压器30。该调压器比图6中的简单PMOS调压器更为稳健并且适于同时驱动数字和/或模拟型负载。
图8a和8b示出了本发明的替换实现。图8a中所示的电路如下。PMOS器件代替了调压器30并被配置成“二极管连接的”模式。在此模式中，该器件能够不考虑变化的负载电流而提供相对恒定的压降。这一配置适用于同时供应模拟和数字电路。然而，Vchg的允许范围会因为没有运放32来提供负反馈而不如图5或图6那样宽。
图8b的电路的工作方式如下。NMOS器输出件代替了调压器30并被配置成“二极管连接的”模式。在此模式中，该器件能够不考虑变化的负载电流而提供相对恒定的压降。这一配置适用于同时供应模拟和数字电路。然而，Vchg的允许范围会因为没有运放来提供负反馈而不如图5或图6那样宽。同时该电路会因为NMOS器件的“体效应”而无法像图8a那样工作。
应该认识到，在实践中在要求限制在额定工艺电压之下的芯片上仅存在特定的差动电压。这些电压是CMOS器件的Vgs、Vgd和Vds。在实践中对片上电压相对于接地基板的实际限制是与PMOS 35和NMOS 31器件相关联的二极管(未示出)反向击穿电压。该二极管反向击穿电压要高于该工艺的额定电压。从概念上来讲，如果保持片上电压小于二极管反向击穿电压并且如果保持差动电压Vgs、Vgd和Vds小于额定工艺电压，则芯片将可靠工作。
参见图9a，使用Resistor，即Rdrop来提供来自电源管脚Vchg的压降，由此保护片上电路免于过大的电压。在工作中，电源管脚Vchg可经由电阻器Rdrop耦合至节点Vreg，而该节点随后则用作对芯片的电压源，只要电流Iload被维持相对恒定。Iload能够恒定，因为该负载电路相对恒定或者因为以上所示的可能的分流负载。
参见图9b，使用另一个Resistor，即Rin提供来自电池充电器体系结构中的信号管脚的压降，由此保护片上电路免于过大的电压。图9b示出了信号管脚Vchg如何经由电阻器Rin耦合至小于工艺电压限制的节点Vx。该结构的好处在于Vin能够超过工艺限制并由此能够实现更大的输入信号摆动并能实现更好的信噪比(SNR)。将会认识到可以从本发明的教示中用任何数目的方法来产生电压Vx。
参考附图描述的本发明实施例可包含计算机装置和/或在例如蜂窝电话的计算装置内执行的过程。然而，本发明还能扩展至计算机程序，尤其是存储在适于将该电池充电器的某些方面用于实践的载体上或载体内的计算机程序。该程序可具有源代码、目标代码、或者是源代码和目标代码的中间代码的形式，诸如部分以汇编形式或者以适于在根据本发明的方法的实现中使用的任何其他形式。载体可以包括存储介质，诸如CD ROM等ROM，或者可以是磁性记录介质，诸如软盘或硬盘。载体可以是经由电缆或光缆或通过无线电或其他途径传输的电信号或光信号。
本发明不限于在此描述的实施例，对这些实施例进行的修改或变化都不背离本发明的范围。

Claims (19)

1.一种电池充电器，包括：
电源输入，用于接收电源以便为电池充电；
在工作电压下工作的集成电路芯片，用于为所述电池充电器工作提供片上功能，所述芯片耦合至所述电源输入并适用于与所述电池通信；
所述集成电路芯片包含：
电压输入Vchg、充电控制器和/或充电器电路，所述电压输入Vchg与所述充电控制器和/或充电器电路相耦合；以及
插入在所述电压输入Vchg和所述充电控制器和/或充电器电路之间的调压器，所述调压器适用于调节所述电压输入Vchg处的所述电压，以便调节所述电压输入Vchg来提供已调电压Vreg，所述已调电压Vreg与所述集成电路芯片的所述工作电压相一致。
2.如权利要求1所述的电池充电器，其特征在于，所述集成电路芯片是CMOS集成电路芯片。
3.如权利要求1或2所述的电池充电器，其特征在于，提供给所述电压输入Vchg的电压要大于一致的集成电路电压工作所需的电压。
4.如前述任何权利要求所述的电池充电器，其特征在于，所述调压器获取所述电压输入Vchg处的电压作为输入电压，并将所述电压调节至Vreg电压，所述Vreg电压与所述集成电路的额定工艺电压相一致。
5.如权利要求4所述的电池充电器，其特征在于，所述集成电路的额定电压小于5.5V。
6.如前述任何权利要求所述的电池充电器，其特征在于，所述调压器是NMOS调压器。
7.如权利要求6所述的电池充电器，其特征在于，所述NMOS调压器包含与一放大器相连接的NMOS器件，所述放大器适于在反馈模式中驱动来自所述电压输入Vchg的数字和/或模拟负载信号，用以由所述NMOS器件来调节电压。
8.如权利要求6所述的电池充电器，其特征在于，所述NMOS调压器包含与一放大器相连接的NMOS器件，所述放大器被配置成处于非反相增益模式，其中所述增益由用作电阻分压器的一对电阻器来设定。
9.如权利要求6所述的电池充电器，其特征在于，所述NMOS调压器包含以二极管连接的模式配置的NMOS器件，用以在所述电压输入Vchg和所述已调电压Vreg之间提供基本恒定的压降。
10.如权利要求1至5中任一项所述的电池充电器，其特征在于，所述调压器是PMOS调压器。
11.如权利要求10所述的电池充电器，其特征在于，所述PMOS调压器包含与一放大器相连接的PMOS器件，所述放大器适用于驱动来自所述电压输入的模拟负载信号用以由所述PMOS器件来调节电压。
12.如权利要求10所述的电池充电器，其特征在于，所述PMOS调压器包含与一放大器相连接的PMOS器件，所述放大器被配置成处于非反相增益模式，其中所述增益由用作电阻分压器的一对电阻器来设定。
13.如权利要求10所述的电池充电器，其特征在于，所述PMOS调压器包含连接在所述PMOS器件的漏极与地之间的电容器，以提供来自所述电压输入的数字和/或模拟负载信号，用以由所述PMOS器件来调节电压。
14.如权利要求10所述的电池充电器，其特征在于，所述PMOS调压器包含以二极管连接的模式配置的PMOS器件，用以在所述电压输入Vchg和所述已调电压Vreg之间提供基本恒定的压降。
15.一种用于电池充电器的集成电路，所述集成电路包含：
电压输入Vchg、充电控制器和/或充电器电路，所述电压输入Vchg与所述充电控制器和/或充电器电路相耦合；以及
插入在所述电压输入Vchg和所述充电控制器和/或充电器电路之间的调压器，所述调压器适用于调节所述电压输入Vchg处的电压，以便调节所述电压输入Vchg来提供已调电压Vreg，所述已调电压Vreg与所述集成电路芯片的工作电压相一致。
16.一种CMOS集成电路芯片，包括：
电压输入Vchg、充电控制器和/或充电器电路，所述电压输入Vchg与所述充电控制器和/或充电器电路相耦合；以及
插入在所述电压输入Vchg和所述充电控制器和/或充电器电路之间的调压器，所述调压器适用于调节所述电压输入Vchg处的电压，以便调节所述电压输入Vchg来提供已调电压Vreg，所述已调电压Vreg与所述集成电路芯片的工作电压相一致。
17.一种在集成电路内使用的调压器，所述调压器包含：
用于将接收自电压输入Vchg的电压调节至与所述集成电路的工作电压相一致的电压值Vreg的装置。
18.如权利要求16所述的调压器，其特征在于，所述装置包含与一放大器相连接的NMOS器件，所述放大器适用于在反馈模式中驱动来自所述电压输入Vchg的数字和/或模拟负载信号，用以由所述NMOS器件来调节电压。
19.如权利要求16所述的调压器，其特征在于，所述装置包含与一放大器相连接的PMOS器件，所述放大器适用于驱动来自所述电压输入Vchg的模拟负载信号，用以由所述PMOS器件来调节电压。
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