CN101316044B - 可提供逆向电流与突波电流保护的充电装置 - Google Patents

Abstract

一种可提供逆向电流与突波电流保护的充电装置，包含有一接收端用来接收一充电电压；一充电电池；以及一动态保护单元，耦接于该接收端与该充电电池之间，用来根据一控制信号及该接收端与该充电电压间的连结状况，控制该接收端至该充电电池的连结。

Description

可提供逆向电流与突波电流保护的充电装置

技术领域

本发明涉及一种可提供逆向电流与突波电流保护的充电装置，特别涉及一种藉由一动态保护单元，以同时提供逆向电流与突波电流保护的充电装置。

背景技术

随着电子装置体积的日益缩小以及重量的日益减轻，便携式的消费性电子装置<如：行动电话、相机、MP3播放器等>，在日常生活中被使用的机会也大幅增加。为了要方便使用者随身携带，便携式电子装置皆配备有储电的充电电池，用来提供便携式电子装置运作时所需的电力。一般来说，当充电电池的电力用尽时，便携式电子装置可通过转接线连接一外部电源，例如：通过计算机系统的通用序列总线接口<Universal Serial Bus，USB>，对储电的电池进行充电，以便延续便携式电器的有效运作。当便携式电子装置接上外部电源时，便携式电子装置内部的电源控制电路会将电源供应源由充电电池切换至外部电源。此时，外部电源不仅提供便携式电子装置正常操作所需要的电源，同时还会对充电电池进行充电，以补充充电电池所消耗的电力，直到便携式电子装置不与外部电源连接为止。

然而，上述的充电方式一般来说会产生下列两种问题。第一，当便携式电子装置接上外部电源进行充电时，在系统稳定之前瞬间会产生一突波电流<Inrush Current>，冲击便携式电子装置中的集成电路内部电路和电池，长期下来将造成组件的损害。第二，当充电完毕后，将便携式电子装置由外部电源移除时，若电源控制电路未能立即切断充电路径，此时将经由充电电池产生一逆向电流<Backflow Current>倒灌至便携式电子装置中的集成电路，造成便携式电子装置的错误动作。

针对上述的问题，美国专利第6,967,468号「Overvoltage and BackflowCurrent Protection for A Battery Charger」揭露一充电器装置，其藉由在电流源和充电电池间加入一保护装置，当充电电压消失时，该保护装置即切断电池和电流源之间的路径，使得电流没有办法经由电流源电路回灌至集成电路其它地方。请参考图1，图1为美国专利第6,967,468号所揭露的充电器装置10的电路示意图。在图1中，一晶体管MP1为提供充电电流的电流源，一保护装置11由晶体管MP2、MN1及电阻R1、R2及R3所组成。在正常充电模式下，晶体管MN1导通，使得电阻R1及R2可提供一偏压给晶体管MP2，另藉由适当调整电阻R1、R2及R3之间的权重，可以使得晶体管MP2导通，因此充电器装置10可正常工作。当充电完毕时，外部电源<+5V>的电压消失，此时电阻R3提供晶体管MP2的栅极一来自电池的电压，同时晶体管MN1阻断来自电阻R1及R2的偏压，使得晶体管MP2关闭，因此晶体管MP1和电池间的路径即被断开以达成逆向电流保护的效果。

在上述的现有技术中，当充电器装置10刚接上外部电源<+5V>时，由于晶体管MP1的栅极端仍处于浮动<Floating>的状态，因此在系统未稳定之前，晶体管MP1和MP2会形成导通的路径，造成瞬间不可控制的突波电流，导致组件的损害。除此之外，由于保护装置11会在电流源晶体管MP1和电池间产生一电压差，为了避免晶体管MP1在充电过程中被压缩进入线性区<Triode Region>的情形发生，晶体管MP2的源极至栅极电压Vsg不能太大，因而势必要增加晶体管MP2的面积；另一方面，由于电池在充电时，会经由电阻R3及R2产生一漏电流到地端<Ground>，因此为了要避免所产生的漏电流过大，必须要加大电阻的阻值，导致布局时面积的增加。

因此，上述的现有技术虽然提供了逆向电流保护的方法，但并未能同时提供突波电流保护的功能；此外，现有技术需大幅地增加电路布局时的面积，导致生产成本的提高。

发明内容

因此，本发明的主要目的即在于提供一种可提供逆向电流与突波电流保护的充电装置。

本发明揭露一种可提供逆向电流与突波电流保护的充电装置，其包含有一接收端，用来接收一充电电压；一充电电池；以及一动态保护单元耦接于该接收端与该充电电池之间，用来根据一控制信号及该接收端与该充电电压间的连结状况，控制该接收端至该充电电池的连结。

附图说明

图1为现有技术一充电器装置的电路示意图。

图2为本发明一充电装置的示意图。

图3为本发明一充电装置的实施例示意图。

图4为本发明实施例一切换单元的示意图。

附图符号说明

10                                           充电器装置

11                                           保护装置

20、30                                       充电装置

210、310                                     接收端

220、320                                     充电电池

230、330                                     动态保护单元

340                                          电流产生单元

350                                          切换单元

360                                          控制单元

Vs                                           充电电压

D-Well                                       电压

I1                                           充电电流

361、362、363、351、352、355                 端点

A、B、C                                      节点

DET                                          控制信号

MN1、MP1、MP2、MP3、MP4、MP5、MP6、MP7、MP8  晶体管

R1、R2、R3                                   电阻

Iref                                         参考电流源。

具体实施方式

请参考图2，图2为本发明一充电装置20的示意图。充电装置20可用于一便携式电子装置，在充电时提供逆向电流<Backflow Current>与突波电流<Inrush Current>的保护，其包含有一接收端210、一充电电池220及一动态保护单元230。接收端210用来接收一充电电压Vs。动态保护单元230耦接于接收端210与充电电池230之间，用来根据一控制信号DET及接收端210与充电电压Vs间的连结状况，控制接收端210至充电电池230的连结。较佳地，动态保护单元230可于接收端210与充电电压Vs的连结移除时，根据控制信号DET的一第一电平及充电电池220的电压，切断接收端210与充电电池220间的电流路径，以及于接收端210接上充电电压Vs时，根据控制信号DET的一第二电平及充电电压Vs，导通接收端210与充电电池220间的电流路径。

此外，控制信号DET可由一控制信号输出单元<未绘于图2中>产生，该控制信号输出单元可于充电电压Vs移除时，输出第一电平的控制信号DET，及于接上充电电压Vs时，在一预设时间后，亦即系统稳定后，输出第二电平的控制信号DET。其中，该第一电平是一低逻辑电压电平，而该第二电平系一高逻辑电压电平。值得注意的是，该控制信号输出单元可以一固件或任何硬件实现，并不限制本发明的范围。

因此，本发明充电装置20可于接收端210与充电电压Vs的连结移除时，即充电完毕移除外部电源时，根据控制信号DET的第一电平及充电电池220的电压，切断接收端210与充电电池220间的电流路径，以达到逆向电流保护的效果；另一方面，本发明充电装置20可在接收端210接上充电电压Vs时，即充电装置20接上外部电源时，在系统稳定下来后，根据控制信号DET的第二电平及充电电压Vs，导通接收端210与充电电池220间的电流路径，以达到突波电流保护的功能。

请参考图3，图3为本发明一充电装置30的实施例示意图。充电装置30用于实现充电装置20，接收端310及充电电池320皆与充电装置20相同，于此不再赘述。充电装置30较佳地可设置于一便携式电子装置，其可通过一计算机系统的通用序列总线接口<Universal Serial Bus，USB>来进行充电。动态保护单元330包含有一电流产生单元340、一切换单元350及一控制单元360。电流产生单元340耦接于接收端310及充电电池320之间，用来产生一充电电流I1及对应的电流路径。切换单元350用来于接收端310与充电电压Vs的连结移除时，输出充电电池320的电压，以及于接收端310接上充电电压Vs时，输出充电电压Vs。控制单元360通过一第一端361及一第二端362分别耦接于电流产生单元340的偏压端<节点A及B>，并通过一第三端363耦接于切换单元350，用来根据控制信号DET的电平及切换单元350所输出的电压，控制电流产生单元340的偏压端<节点A及B>的连结。关于动态保护单元330的各部分详细操作，请见以下说明。

请参考图4，图4为本发明实施例切换单元350的示意图。切换单元350由P型金属氧化物半导体导体晶体管MP7、MP8所组成。其中，晶体管MP7的源极通过一第一输入端351耦接于充电装置30的接收端310，漏极耦接于一输出端355，以栅极通过一第二输入端352耦接于充电电池320；晶体管MP8的源极通过第二输入端352耦接于充电电池320，漏极耦接于输出端355，以栅极通过第一输入端351耦接于充电装置30的接收端310。因此，当充电装置30接上充电电压Vs时，亦即进入充电模式时，第一输入端351所接收的电压会高于第二输入端352的电压，因此输出端355所输出的电压D-Well会立刻调整为充电电压Vs。相反地，当接收端310与充电电压Vs的连结移除时，亦即充电完毕移除外部电源瞬间，充电电压Vs消失，此时第二输入端352的电压会高于第一输入端351的电压，因此输出端355所输出的电压D-Well会立刻切换成充电电池320的电压。

回到图3，在图3中，电流产生单元340是一电流镜电路<Currentmirror>，由P型金属氧化物半导体导体晶体管MP2及MP3所组成。其中，晶体管MP2的源极耦接于接收端310，漏极耦接于一参考电流源Iref，以栅极耦接于参考电流源Iref及电流产生单元340的偏压端<即节点A>；晶体管MP3的源极耦接于接收端310，漏极耦接于充电电池320，以及电流产生单元340的偏压端<即节点B>。因此，如本领域具通常知识者所知，电流产生单元340可根据接收端310所接收的充电电压Vs及电流产生单元340的偏压端<即节点A及B>的连结状况，将参考电流源Iref的电流「镜射」放大，以使晶体管MP3产生对应的充电电流I1至充电电池320。较佳地，晶体管MP3的栅极可耦接于切换单元350的输出端355，用来根据切换单元350输出的电压D-Well，提供晶体管MP3的栅极一反向偏压。

请继续参考图3，控制单元360由P型金属氧化物半导体导体晶体管MP4、MP5及MP6与N型金属氧化物半导体导体晶体管MN1所组成。其中，晶体管MP5及MP6的源极通过控制单元360的第三端363耦接于切换单元350，栅极耦接于控制信号DET，而漏极则分别耦接于控制单元360的第二端362及一节点C；晶体管MN1的源极耦接于一地端，漏极耦接于节点C，而栅极则耦接于控制信号DET；晶体管MP4的源极耦接于控制单元360的第一端361，漏极耦接于控制单元360的第二端362，而栅极则耦接于节点C。因此，当接收端310接上充电电压Vs时，即充电装置30接上外部电源时，在系统尚未稳定前，控制信号DET仍维持在低电平状态，而切换单元350所输出的电压D-Well已切换为充电电压Vs。如此一来，晶体管MP5及MP6导通，使得晶体管MP3的栅极电压<节点B>变为充电电压Vs，导致晶体管MP3仍维持在关闭的状态，因此可防止突波电流的产生。等到系统稳定后，由控制信号输出单元决定是否进行充电的动作；若是，则将控制信号DET由低电平切换为高电平，此时晶体管MP5及MP6关闭，而晶体管MN1导通，使得晶体管MP4亦导通。因此，晶体管MP3的栅极<即节点B>可接收到来自节点A的偏压，以导通晶体管MP3，产生对应的充电电流I1的充电电池320。另一方面，当充电完毕时，亦即充电装置30的接收端310与充电电压Vs的连结移除时，切换单元350所输出的电压D-Well会立刻切换成充电电池320的电压，而控制信号DET亦由高逻辑电平转换为低逻辑电平，此时晶体管MP5及MP6导通，晶体管MN1关闭，因此晶体管MP3及MP4的栅极电压都被锁在充电电池320的电压。如此一来，晶体管MP3及MP4都无法导通，自然无法产生相对应的电流路径使电流回灌，以达到防止逆向电流产生的效果。

因此，本发明藉由动态保护单元330，可于充电装置30接上外部电源时，在系统稳定下来之后，才导通充电电流的电流路径，以防止突波电流的产生；另一方面，在充电完毕移除外部电源时，本发明可瞬间切断相对应的电流路径，以防止电流倒灌，达到逆向电流保护的效果。

综上所述，本发明充电装置可藉由动态保护单元同时解决逆向电流及突波电流的问题。除此之外，相较于现有技术，本发明充电装置可藉由少数的晶体管以简单的电路实现，因此不需要耗费很大的电路面积，进而降低生产成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (12)

1.一种可提供逆向电流与突波电流保护的充电装置，包含有：

一接收端，用来接收一充电电压；

一充电电池；以及

一动态保护单元，耦接于该接收端与该充电电池之间，用来根据一控制信号及该接收端与该充电电压间的连结状况，控制该接收端至该充电电池的连结，

其中，该动态保护单元当该接收端与该充电电压的连结移除时，根据该控制信号的一第一电平及该充电电池的电压，切断该接收端与该充电电池间的电流路径，以及当该接收端接上该充电电压时，根据该控制信号的一第二电平及该充电电压，导通该接收端与该充电电池间的电流路径，

其中，该动态保护单元包含有：

一电流产生单元，耦接于该接收端及该充电电池之间，用来产生一充电电流及对应的电流路径；

一切换单元，用来当该接收端与该充电电压的连结移除时，输出该充电电池的电压，以及当该接收端接上该充电电压时，输出该充电电压；以及

一控制单元，通过一第一端及一第二端耦接于该电流产生单元的偏压端，及一第三端耦接于该切换单元，用来根据该控制信号的电平及该切换单元所输出的电压，控制该电流产生单元的该偏压端的连结。

2.如权利要求1所述的充电装置，其中，该电流产生单元是一电流镜。

3.如权利要求2所述的充电装置，其中，该电流产生单元包含有：

一第一P型金属氧化物半导体导体晶体管，其源极耦接于该接收端，漏极耦接于一参考电流源，以栅极耦接于该参考电流源及该控制单元的该第一端；以及

一第二P型金属氧化物半导体导体晶体管，其源极耦接于该接收端，漏极耦接于该充电电池，以栅极耦接至该控制单元的该第二端。

4.如权利要求3所述的充电装置，其中，该第二P型金属氧化物半导体导体晶体管的栅极耦接于该切换单元，用来根据该切换单元输出的电压，提供该栅极一反向偏压。

5.如权利要求1所述的充电装置，其中，该切换单元包含有：

一第一输入端，耦接于该接收端，用来接收该充电电压；

一第二输入端，耦接于该充电电池，用来接收该充电电池的电压；

一输出端；

一第一P型金属氧化物半导体导体晶体管，包含有一源极耦接于该第一输入端，一漏极耦接于该输出端，以及一栅极耦接于该第二输入端；以及

一第二P型金属氧化物半导体导体晶体管，包含有一源极耦接于该第二输入端，一漏极耦接于该输出端，以及一栅极耦接于该第一输入端。

6.如权利要求1所述的充电装置，其中，该控制单元包含有：

一第一P型金属氧化物半导体导体晶体管包含有一源极耦接于该控制单元的该第三端，一漏极耦接于该控制单元的该第二端，及一栅极耦接于该控制信号，用来根据该控制信号的电平及该第三端的电压，控制该第一P型金属氧化物半导体导体晶体管的电性连结；

一第二P型金属氧化物半导体导体晶体管包含有一源极耦接于该控制单元的该第三端，一漏极耦接于一节点，及一栅极耦接于该控制信号，用来根据该控制信号的电平及该第三端的电压，控制该第二P型金属氧化物半导体导体晶体管的电性连结；

一第一N型金属氧化物半导体导体晶体管包含有一源极耦接于一地端，一漏极耦接于该节点，一栅极耦接于该控制信号，用来根据该控制信号的电平，控制该第一N型金属氧化物半导体导体晶体管的电性连结；以及

一第三P型金属氧化物半导体导体晶体管包含有一源极耦接于该控制单元的该第一端，一漏极耦接于该控制单元的该第二端，一栅极耦接于该节点，用来根据该节点及该第控制单元的该第二端的电压，控制该第三P型金属氧化物半导体导体晶体管的电性连结。

7.如权利要求1所述的充电装置，其中，该控制信号由一控制信号输出单元产生，该控制信号输出单元当该充电电压移除时，输出一第一电平的该控制信号，及当接上该充电电压时，在一预设时间后，输出一第二电平的该控制信号。

8.如权利要求7所述的充电装置，其中，该控制信号输出单元可以一固件实现。

9.如权利要求1所述的充电装置，其中，该控制信号的该第一电平是一低逻辑电压电平。

10.如权利要求1所述的充电装置，其中，该控制信号的该第二电平是一高逻辑电压电平。

11.如权利要求1所述的充电装置，其中，该充电电压由一外部电源提供。

12.如权利要求11所述的充电装置，其中，该充电电压由一通用序列总线提供。

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