CN101563955A

CN101563955A - 充电方案

Info

Publication number: CN101563955A
Application number: CNA2007800391732A
Authority: CN
Inventors: 布鲁诺·弗拉瑞奥
Original assignee: Advanced Analog Technology Inc
Current assignee: Advanced Analog Technology Inc; Advanced Analogic Technologies Inc
Priority date: 2006-10-21
Filing date: 2007-10-16
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2027-10-16

Abstract

移动设备具有有限的电源。在一些情况中，诸如蜂窝电话或数码相机中的相机闪光操作，提供明亮的照明所需要的功率是极大的并且超过了电池电压电平。为了向诸如白光LED(发光二极管)之类的光源提供突发功率或连续的高功率，移动设备通常使用用作可以提供所需功率的能量储存库的电荷存储装置。一种这样的电荷存储装置是超级电容器，其可以通过放电和再充电而重复的提供所需功率。本发明的各种实施例包括用于提供电能并控制充电和放电操作的设备和方法。

Description

充电方案

技术领域

本发明一般涉及移动设备中的功率管理，并且更具体地涉及移动设备中具有特殊应用的能量存储装置，其中，电荷驱动器用于产生对闪光LED供电的短脉冲。

背景技术

白光LED是用于背光、手电筒和相机闪光灯应用中的大众选择，并且消费电子设备的制造商已在使用诸如锂离子或聚合物电池之类的电池运行的移动系统中包括了向白光LED供电的电荷驱动器。在这些应用中，需要白光照明是明亮的，并且随着现在已超过每副图像百万像素的图像分辨率的增加，需要白光照明更加明亮。因此，在大多数应用中，为了产生更明亮的照明，若干个白光LED被组合以便一起操作。然而，当组合时白光LED的强度可能各异并且它们的颜色可能不一样白。这是因为白光LED的前向电流特性在所有白光LED中不完全类似。

在闪光操作期间，例如，白光LED可能需要至少2A闪光电流以产生足够明亮的照明，并且电池的电流消耗(current drain)限于将近1A。在闪光操作期间，锂离子或聚合物电池产生大约1.5-2A的有限的电流峰值，并且这些电流使电池快速放电。电流与电压的增长成比例的增长，因此对于白光LED，需要较高的电压。然而，当电流从电池汲引(draw)出时，电池的内部电阻增加并且它们的电压随之下降。为了操作，白光LED可能需要3.0V电平以上的电压以维持足够明亮的强度并且基本上避免残余黑暗(remaining dark)。充满电的锂离子或聚合物电池提供4.2V的典型输出，随着电池放电其很快下降到3.0V电平。如果直接从电池操作白光LED于是电压下降，则光强度降低并且颜色差异变大。因此，通常需要更精确的电流控制和最小电平的操作电压。

已开发了升压(boost)变换器和能量存储设备以通过提供瞬时高能量的源来支持这种电流需求。例如，升压变换器可以在堆叠电池不切实际的情况下，增加电压并减少电池单元(cell)数目。一般地，升压变换器是通常被看作开关模式电源的电压提高(step-up)变换器。常见的升压变换器电路包括两个或更多个开关(例如晶体管和二极管)和电池以及由电感器和电容器组合而成的一个或多个滤波器。图1A图示出了示例性升压变换器电路。因此，虽然升压变换器可以是高效的，但是这些电路通常在闪光电流源的外部并且包括庞大的组件，例如线圈，其增加了电路板的整体成本和大小。另外，升压变换器(或者开关稳压器(switching regulator)或者电荷泵)不是基于电荷存储的，并且取决于白光LED的前向电压(VF)和从关联电池提供来的电压之间的电压比，它们可能需要这种电池提供两倍的闪光电流。图1B是升压变换器行为的曲线图表示，包括闪光电流和升压变换器输出电压的曲线图。如图所示，电流在闪光状态中过冲(overshoot)并且在闪光状态结束时下降，在闪光状态中需要超过3A的供电。

与升压变换器不同，能量存储设备是基于电荷存储的，并且它们代替电池(电池进而用作电荷存储的供电源(power source))而用作白光LED的供电源。可以通过随着时间从电池汲引电流来存储电荷。一种类型的基于具有高功率放电的电荷存储的高能量存储设备称为“超级电容器”(“supercapacitor”)。超级电容器是由两个串联的电容器构成的电荷存储设备，并且用作能够提供诸如闪光灯和手电筒发光之类的高功率应用所需的突发功率的能量储存库。超级电容器被设计为被重复地充电和再充电，并且利用在放电操作之间的快速再充电来提供瞬时的高放电电流。

图2图示出了具有用在闪光灯应用中的超级电容器的充电电路。另一电路可以包括超级电容器和升压变换器的组合，如图3所示。由位于澳大利亚悉尼的CAP-XX公司提供的一个这种超级电容器具有10mF到2.8F的高电容，并且产生高能量密度。因此，将超级电容器用在这个电路中以存储提供闪光能量脉冲所需的电荷量(即，白光LED所需的突发功率)。可以通过随着时间从电池汲引电流来将电荷存储在超级电容器中，并且如果电流太低，则充电时间会较长并且可能长于用于快速的连续闪光操作的合理时间。实际上，要高电流来快速地对超级电容器进行充电/再充电，并且随着一次或多次闪光操作之后电池功率的耗尽，可获得的充电电流可能相当小，并且导致比较长的充电时间。

如在图2和图3中可见的，超级电容器包括两个串联的电容器，并且在它们之间有一中间抽头(central tap)。固有地，这种设计使得电荷不均衡，因此，存在一对平衡两个电容器两端的电压的电荷均衡电阻器，并且从而提供电荷均衡。超级电容器还经受明显的漏电，最后导致电荷漏尽。

发明内容

本发明部分地基于前面的观察，并且根据本发明的目的，本发明的各个实施例包括用于提供电能并用于控制充电和放电操作的设备和方法。一般地，充电电路的各种实施方式可以使用超级电容器，然而它们可以以其它方式补偿超级电容器固有的问题。其它实施方式可以使用具有适于允许针对闪光或其它操作的充电-放电周期的配置的一对电容器。作为对前述庞大、昂贵且复杂的设计的可能替代，这些实施方式使用集成电路或者通常较小、便宜并且有效控制充电-放电操作的多个分立组件。

根据一个实施例，一种用于提供电能的设备可以包括：具有正极引线和负极引线的电池；具有串联的第一和第二电容器组件以及在它们之间的中间抽头的电荷存储装置；以及位于所述正极引线和所述负极引线之间的第一和第二充电路径。所述第一充电路径经过所述第一电容器组件和所述中间抽头，所述第二充电路径经过所述第二电容器组件和所述中间抽头。在此实施例中，所述电荷存储装置分别经由所述第一和第二充电路径间接地被连接到所述正极引线和所述负极引线，以便使所述电荷存储装置与其隔离。所述电荷存储装置可以被配置为超级电容器或者由两个串联的电容器构成。另外，所述第一和第二充电路径适于在断开和闭合状态之间切换，以使得在任何给定时间时，它们之一被闭合并且允许充电电流从电池流到所述第一和第二电容器组件之一。有时，在充电操作期间，两个充电路径都可以被切断，例如以避免交叉导电或过热，或者当充电完成时。而且，如果在两条路径中流动的电流不均衡，则两条充电路径可能同时闭合，其中一条路径实际上利用低的电流对相应的电容器组件放电，以使得充电强于放电。换言之，第一和第二充电路径可控制来‘接通’、‘切断’或调节来自电源(例如，电池)、通过所述第一和第二充电路径流到所述第一和第二电容器组件之一或者同时流到所述第一和第二电容器组件两者的任何充电电流。

在前面的设备中，所述第一和第二充电路径的每个可以包括分别与所述第一和第二电容器组件串联的一对开关，一个开关被布置在所述第一和第二电容器组件中的相应一个的前面(上游)并且一个开关被布置在后面(下游)。所述第一和第二充电路径的每个还可以包括与所述开关串联的电阻器。在一个实例中，所述电阻器被附接到所述中间抽头并且由所述第一和第二充电路径共享。在另一实例中，所述第一和第二充电路径的每个具有其自己的电阻器。此外，所述开关可以都是晶体管，或者所述开关中的两个是晶体管并且所述开关中的两个是二极管。所述晶体管通常是双极型晶体管、FET(场效应晶体管)、JFET(结型FET)或MOSFET(金属氧化物FET)，其中，所述晶体管的两个是NPN或N沟道的并且另外两个是PNP或P沟道的。在其它实例中，所述第一和第二充电路径的每个还包括与所述开关串联的电流源，或者电流源可以是与所述开关串联、由它们两个公用的。在另一实例中，所述第一和第二充电路径可以包括与所述开关串联的由它们两个公用的稳压器。然而，这样配置的前述设备可以包含在IC(集成电路)中或者作为IC中的功能块，其中，这种IC适于用在诸如闪光相机和/或摄像机之类的移动设备中。

根据另一实施例，一种用于向负载提供电能的设备可以包括：诸如光源之类的负载；与光源串联的电流阱或其它电流控制设备；具有正极引线和负极引线的电池；具有串联的第一和第二电容器组件以及在它们之间的中间抽头的电荷存储装置，其中，光源和电流阱可操作地耦合到所述电荷存储装置的两端以从其接收电能；以及从正极引线穿过到负极引线的第一和第二充电路径。如前所述，所述第一充电路径经过所述第一电容器组件和所述中间抽头，所述第二充电路径经过所述第二电容器组件和所述中间抽头。同样地，所述电荷存储装置分别经由所述第一和第二充电路径间接地被连接到所述正极引线和所述负极引线，以便使所述电荷存储装置与其隔离，并且即使在所述电荷存储装置正向光源供给电能时也允许对电荷存储装置充电。此外，所述第一和第二充电路径的每个适于使充电电流从所述电池分离地流到所述第一和第二电容器组件中的一个。在操作中，电能可以包括突发功率。在此实施例中，电流阱适于限制由负载接收的电能。如上所述，负载可以是包括一个或多个白光LED(发光二极管)在内的光源，所述光源适于闪光灯、电影或手电筒发光操作。该实施例可以是IC(集成电路)或IC中的功能块，其中，这种IC适于用在诸如闪光相机和/或摄像机之类的移动设备中。

根据又一实施例，一种用于可控地提供电能的设备，包括：具有正极引线和负极引线的电池；具有串联的第一和第二电容器组件以及在它们之间的中间抽头的电荷存储装置；以及位于所述正极引线和所述负极引线之间的第一和第二充电路径，其中，第一充电路径经过所述第一电容器组件和所述中间抽头，所述第二充电路径经过所述第二电容器组件和所述中间抽头。同样，所述电荷存储装置分别经由所述第一和第二充电路径间接地被连接到正极引线和负极引线，以便使所述电荷存储装置与其隔离。

在此实施例中，所述第一和第二充电路径各自具有适于提供断开和闭合切换控制的开关控制输入，以使得在任何给定时间，第一和第二充电路径中的一个被闭合，并且允许充电电流从所述电池流到所述第一和第二电容器组件中的一个。如前所述，充电路径可以在某些条件下同时都闭合或都断开。具体地，在操作期间的某些时候，例如当充电已完成时或为了避免过热，两条充电路径可以都断开；并且如果例如在它们中流动的电流不均衡，则两条充电路径可以同时闭合。

在一个实例中，该设备还包括适于以一次一个的形式断言(assert)所述第一和第二充电路径的每个的开关控制输入的控制环，其中，所述控制环包括具有基准电压输入和适于接收电荷感测的采样的感测输入的比较器。在此情况中，比较器还包括输出，该输出被激励来基于基准电压和充电电流采样之间的比较控制充电电流。

注意，取而代之，该比较可以针对被充电的电容器两端的电压或者任何其它可以识别充电状态的量。另外，取决于被感测来评估超级电容器的充电状态的物理实体，基准可以不仅是电压(电压、电流乘以时间，等)。此外，比较器可以由调节充电占空因数以使电容器被充电到基准电压的放大器(附图中代表误差信号放大器的E/A)取代。还注意，在不使用开关的情况下可以对充电电路之一或两者施加控制。例如，(多个)电流源可以具有控制输入以便以多步或以连续方式调节电流。

控制环还可以包括复用器，该复用器具有针对第一和第二充电路径的每个的采样电流输入、可操作地耦合到第一或第二充电路径的开关控制输入的开关控制输入、以及输出。复用器适于基于被断言或被无效(negate)的开关控制来在针对所述第一和第二充电路径的采样电流输入之间切换，所述采样电流输入将采样电流提供给所述比较器的电荷感测输入。注意，可以有两个控制环，各个控制环控制各条充电路径。可以并联使用两条控制路径(‘接通’或‘断开’)来代替对控制器的复用。在另一实例中，设备包括控制电路，该控制电路包括比较器和波源，该波源对比较器作出响应并且适于以一次一个的方式断言开关控制输入。

在一个实施例中，代替开关，控制输入控制流进电容器的电流的水平或者控制传输多少电荷。此外，控制环可以同时控制两条充电路径，这是因为电流源可以被共享，并且可以存在两个独立的控制环来控制每条充电路径。同样地，可以存在两个独立的稳压器来将各个电容器充电到不同电压。该电压可以不需要控制环而被设置，或者其可以由控制环控制以将电容器的充电电压调节到应用所需要的电压(例如，进行控制使进入白光LED的电流为精确的200ma)。因此，控制环可以控制输出电流而非控制电容器的充电(如果我们不感测电荷而是感测输出电流，则所考虑的任何控制方法都可以实现这个)。

进一步根据本发明的目的，一种用于可控地提供电能的方法可以包括：连接到集成地安装到设备内部或者安装在设备外部的具有正极引线和负极引线的电源，例如电池；设置具有串联的第一和第二电容器组件和在它们之间的中间抽头的电荷存储装置；在所述正极引线和所述负极引线之间设置第一和第二充电路径，所述第一充电路径经过所述第一电容器组件和所述中间抽头，所述第二充电路径经过所述第二电容器组件和所述中间抽头。该方法还可以包括：分别经由所述第一和第二充电路径间接地将所述电荷存储装置连接到所述正极引线和所述负极引线，以便使所述电荷存储装置与其隔离；以及在第一和第二充电路径的每个中设置开关控制输入，该开关控制输入适于引入断开和闭合开关控制，以使得在任何给定时间，第一和第二充电路径之一被闭合并且允许充电电流从电池流到第一和第二电容器组件之一，而不同时流到两个电容器组件。同样，可以存在两个控制环，各个控制环控制各条充电路径。两条控制路径(‘接通’或‘断开’)可以并联使用来代替对控制器的复用。

在一个实例中，该方法还包括：例如以一次一条路径或者基本上同时对两条路径(两个并联的感测电路)感测充电条件。确定第一和第二充电路径中的每个的充电条件(例如，充电电流、电压或时间)。基于基准电压或其它基准值，该方法判定是否将每个开关控制输入的状态从断言切换到无效，并且是否将状态从无效切换到断言(或者，是否提供更多/更少的电流或更长/更短的时间)。当第一和第二充电路径之一中的充电电流或任何其它充电状态指示的采样与基准电压基本上匹配时，进行状态切换。注意，控制可以是除了断开/闭合开关以外的例如‘更多电流’/‘更少电流’或‘更长时间’/‘更短时间’。换言之，控制可以包括状态改变或者步进地或连续地向上-向下调节。

从这里的描述、所附权利要求以及如下所述的附图将更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点。

附图说明

包括在本说明书中并且构成了本说明书一部分的附图图示出了本发明的各个方面，并且与描述一起用于说明本发明的原理。为了方便，在整个附图中将使用相同的标号来指代相同或相似的元件。

图1A是具有升压变换器的传统电路。

图1B是升压变换器行为的曲线图表示，包括闪光电流和升压变换器输出电压的曲线图。

图2图示出了具有在闪光应用中使用的超级电容器的充电电路。

图3示出了超级电容器和升压变换器的组合。

图4A-4H是具有控制充电周期的开关的充电电路的各种实施方式的示图。

图5A-5D是具有代表开关的晶体管和/或二极管的充电电路的各个实施例的示图。

图6图示出了IC形式的前述电路的两种可能实施方式。

图7A和7B是用作白光LED的能量储存库的电荷存储装置的两个示例的示图。

图8A-8C是在有和没有负载电流(8A)、在1Hz和0.05Hz充电频率以及0.5A的电池电流限制(8B)的情况下的充电处理期间的电压输出(电池输出)和电池电流随时间的曲线图，以及在200mA的电流负载(8C)情况下的电影操作期间的输出电压和负载电流的曲线图。

图9A和9B图示出了具有环形控制电路的充电电路。

图10A-10D图示出了充电电路的另外的实施例。

具体实施方式

本发明是部分地基于以下观察的：在诸如蜂窝电话或数码相机中的相机闪光灯操作之类的一些情况中，提供明亮的照明所需要的功率极大，并且可能超过电池容量和电压电平。因此，为了向白光LED或其它光源提供突发功率或连续高功率，移动设备通常使用用作可以提供所需要的功率的能量储存库的电荷存储装置。然而，诸如升压变换器之类的充电电路可能是庞大且昂贵的，并且诸如一对串联电容器或前述超级电容器之类的能量存储设备可能具有一些需要特别补偿的固有缺陷。同时，诸如超级电容器或者甚至串联连接的那对电容器之类的电荷存储设备具有中间抽头，该中间抽头可以有利地用于实现大体上的电荷均衡以及较好的充电-再充电性能的目的。具体地，取代必须重新分布电荷以维持电容器组件之间的电荷均衡，中间抽头可以用于利用直接从电池可获得的相同电压以一次一个电容器组件或者同时两个电容器组件(各自通过分离的路径)的形式对每一个电容器组件进行充电并且定期地刷新每个电容器组件中的电荷。所作的其它观察在于：可在没有电荷泵和升压变换器中的任一个或两者的情况下实现充电电路。

因此，根据本发明的充电电路的可能实施方式包括电荷存储装置和用于管理充电-再充电操作的控制电路。控制电路可以包括用于控制超级电容器或者电容器对的充电-再充电的以各种组合形式的一个或多个固态开关、稳压器、电流源和控制环路。可以利用分立组件或者优选地以单个IC(集成电路)或者作为复合IC中的功能构建块来实现这种控制电路。此外，可以在没有通常与升压变换器或电荷泵相关联的外部组件的情况下实现控制电路，从而节约空间并减少成本。

在这些实施方式中，超级电容器常常优于电容器对，这是因为超级电容器相对于电容器对而言可以展现更好的能量密度和几何特性，并且可以是更适合向诸如白光LED之类的光源提供突发功率的能量储存库。因此，虽然可以互换地使用超级电容器和电容器对用于电荷存储，但是由于该优选性，以及为了方便和简单，在下面的各种实施例的描述中，我们最经常提及超级电容器。

图4A图示出了充电电路的一个可能的实施例。如图所示，充电电路10包括连接在电压供给引线26和接地引线28之间的电池22。注意，引线可以广泛地看作包括导体、连接点、导轨(rail)等在内的任何连接装置。在该充电电路中，有四个开关SW1-4以及超级电容器24。四个开关可以由二极管、晶体管(FET(场效应晶体管)、JFET(结型FET)、MOSFET(金属氧化物FET)或双极型晶体管或者可以执行开关功能的分立的或其它形式的其它组件构成；并且，如将进一步说明的，它们需要接地和电压供给引线(导轨)隔离。超级电容器24分别经由开关SW3和SW2连接在电压供给引线和接地引线之间。超级电容器24具有两个电容器组件C1、C2以及中间抽头20。剩余的两个开关SW1和SW4串联连接在电压供给引线和接地引线26和28之间。继而，这些开关SW1和SW4在它们的串联连接点20′处连接到超级电容器的中间抽头20；或者它们可以直接连接到中间抽头20。

在操作中，四个开关一次一对地分别接通/断开SW1-SW2和SW3-SW4，以创建共享中间抽头20的两条分离的导电路径，一条通过电容器组件C1，一条通过电容器组件C2。具体地，当开关SW1和SW2接通(闭合状态)时，电流从电压供给引线经过开关SW1、中间抽头20、电容器组件C2和开关SW2流到接地引线，由此对C2充电；并且当开关SW3和SW4接通时，电流经过开关SW3、电容器组件C1、中间抽头20和开关SW4。在任何给定时间，两对开关都在一对接通而另一对断开的情况下基本上排它地操作。两条路径中的每条可以持续导通直到相应电容器组件充满电为止，或者它们可以为部分充电持续导通并且在两条路径之间来回反转(flip back and forth)直到两个电容器组件都充满电为止。这类似地应用在电荷刷新周期期间。有利地，不需要其它外部组件。

图4B中的电路是前述实施例的变体，其中，增加了电流限制电阻器。除了电流限制能力和RC时间常数(即，充电时间)的可能改变之外，在其它方面该充电电路11的操作原理类似并且产生类似的优点。在图4C中，除了电阻器位于路径的不同部分之外，图示出的充电电路12在大多数方面与图4B的类似。如果例如以这种方式电路或IC布图在物理上更容易实现，则可以优先于前者选择这种配置。在图4D的电路中，只有由两条路径共享的一个电阻器R3。对两条路径使用相同部分R3是可能的，这是因为两条路径基本上排他地操作。这个电阻器部分和安装成本的节省还转化为更好的产品可获得性(因为更少的组件转化为更长的MTBF(平均无故障时间)和更短的MTTR(平均修复时间))。

图4E至4H是分别对充电路径(与开关SW1-4串联)添加电流源(或阱(sink)，例如电阻器)CS1-2、CS3-4、CS5的情况下对前面的设计的进一步的变体。在这些实施方式的每个中，电流源限制可用于对超级电容器充电的电池电流的水平，而无论它们的位置在哪，这是因为它们被布置在各个充电路径中。例如，电流源CS1与开关SW1、C2以及开关SW2串联，如图4E所示。如图4G所示，另一示例使用与电池串联的一个电流源CS5(插入在电压供给引线中)。在这种配置中，电流源以一次一条路径的形式由两条路径共享。另一种限制或调节电池电流的方式是使用稳压器50，如图4H所示。

在替代实施例中，如图5A所示，充电电路14包括代表普通开关SW3和SW2的两个二极管D1和D2。在操作中，当开关SW1或SW4中的任一个接通时，它们两端的电压降基本上为零(取决于开关设备的类型，其可以稍微高于零)。而且，当开关SW1接通(闭合)时，二极管D1被反向偏置，而无论电容器部分C1是否被充电；并且当开关SW4接通(闭合)时，二极管D2被反向偏置。为了使这些条件存在，需要维持前述电压供给导轨和接地导轨相对于连接点30和32的隔离。

为了进一步说明二极管D1和D2为何分别轮流被反向偏置，我们首先假设电容器部分C1和C2的任一个都未被充电，其次我们假设它们被充了电。在第一种情形中，当SW1接通并且C1未被充电时，二极管D1两端的电压基本上为零或者等于SW1两端的电压降；并且，类似地，当SW4接通时，二极管D2两端的电压基本上为零或者等于SW4两端的电压降。如果开关SW1、SW4两端各自的接通电压低于相应二极管D1、D2的前向偏置电压，则二极管不能导电。因此，选择开关和二极管组件来允许这种条件存在。在第二种情形中，当SW1接通并且C1被充了电时，电容器部分C1两端的电压相对于电压供给引线26和中间抽头20为正，并且从绝对值方面来说，其等于电池电压减去SW1两端的电压降。换言之，点30处的电压高于电压供给引线处的电压(即，高于导轨电压)。因此，二极管D1被反向偏置，并且将持续这样直到SW1被断开并且SW4被接通为止。如前所述，这种条件仅由于点30与电压供给引线26相隔离才成为可能。进一步在第二种情形中，当SW4接通并且C2被充了电时，电容器部分C2两端的电压相对于接地引线28和中间抽头20为负，并且从绝对值方面来说，其等于电池电压减去SW4两端的电压降。换言之，点33处的电压低于地。因此，二极管D2被反向偏置，并且将持续这样直到SW4被断开并且SW1被接通为止。同样，这种条件仅由于点32与接地引线26相隔离才成为可能。如前所示，这种方法允许充电电路14独立地对每个电容器组件充电并刷新，而没有电池电荷的任何实质损失。

图5B所示的充电电路15是前述电路的变体。在这种实施方式中，晶体管T1和T4代表开关SW1和SW4，并且晶体管T3和T2代表二极管D1和D2。如图所示，四个晶体管可以是具有适当栅极偏置的N沟道FET、JFET或MOSFET(或者具有适当基极电平控制的NPN双极型晶体管)。在操作中，当晶体管T1导通时晶体管T3维持截止状态；并且，分别地，当晶体管T4导通时，晶体管T2维持截止状态。这样，在如前所述与电压导轨26和接地导轨28具有适当隔离的情况下，每个电容器组件C1和C2可以以一次一个电容器组件的形式轮流被充电。顺便提及，当两个电容器组件都基本上充满电时，点30和32之间的电压是两倍的电池电压减去T1和T4的导通电压。

图5C所示的充电电路除了晶体管的类型和栅极控制偏置之外在结构和操作上都类似于前面的电路(图5B)。在这种实施方式中，四个晶体管中的两个T1和T3可以是P沟道FET或MOSFET(或者具有适当基极电平控制的PNP双极型晶体管)。提供图5D以图示出这种充电电路的操作。如图所示，在每个充电阶段中，电容器组件C1和C2中的不同的一个被充电。在阶段(1)中，晶体管T3由于其偏置(点30高于导轨电压)因此是浮动(floating)组件，并且维持在截止状态。在该阶段中，电容器组件C2被充电。在阶段(2)中，晶体管T2由于其偏置(点33低于地)因此是浮动组件，并且维持在截止状态。在此阶段中，电容器组件C1被充电。在两个阶段中相同的是，由于源偏置高于/低于导轨电压/地，因此组件之一是浮动组件。这仅在组件被设计并制造得允许这种导轨/地隔离时才是可能的。

图5E所示的充电电路也是前述电路的变体，其中晶体管T1和T4分别为P沟道和N沟道，并且二极管D1和D2分别代表晶体管T3和T2。在操作中，当T1导通时D1截止，并且电容器组件C2被充电；并且当T4导通时D2截止并且电容器组件C1被充电。

图6图示出了IC形式的前述电路的两种可能的实施方式。如选项(1)和(2)所示，充电电路40/42基本上包括在IC上，并且外部组件在数目上是有限的，并且包括电池22、跨接电池两端的电容器46、LED 34和超级电容器24。跨接电池两端的电容器46是另一能量储存库，其被设置来处理来自电路的电流浪涌(current surge)(或峰值电流)需求。在一个实例中，如选项(1)所示，充电电路40包括针对更高电压应用的升压变换器，并且在此情况中，电路还包括升压变换器线圈44。

图7A是图示出用作诸如白光LED之类的负载的能量储存库的电荷存储装置的示图。在所示电路中，电容器组件对C1和C2(超级电容器24)用作电荷存储装置。该电荷存储装置被可操作地耦合到LED 34，并且假设其被适当的充电，从而为闪光灯操作提供突发功率或者为手电筒光或电影操作提供持续(较低)功率。闪光电流通过适于比如说2A或更高的电流水平的电流阱(例如，电阻器36)。需要电流阱或电阻器36是因为白光LED两端的前向电压降小于超级电容器24两端的总电压(而电流阱减小了差异)。用于对电容器组件充电的充电电路被以虚线示出，这是因为闪光电流阱34独立于充电周期，并且进而独立于电容器组件C1和C2(超级电容器24)。实际上，虽然闪光操作需要足够的充电电平，但是可以在这种闪光操作处于活动的同时进行电荷刷新。此外，可以以如上所指示的各种方式来配置充电电路，并且以虚线所示的配置可由任何其它的配置来取代。

图7B示出了前述电路的当用于电影操作时的变体。充电电路再次以虚线示出，这是因为给白光LED的电能供给独立于充电周期，并且充电电路可以以多种配置来实现。对于电影操作，电流阱36处于比如说200mA的范围中，并且电流阱电路36在充电或电荷刷新处理期间将在比如说-2.75V和+2.75V(即，+V_battery-V_on(T3+T4)与-V_battery+V_on(T1+T2))之间浮动。

为了进一步图示说明根据本发明实施例所配置的充电电路的操作，图8A示出了在有和没有负载电流的情况下的充电处理期间电压输出(电池输出)和电池电流随时间的曲线图。针对1A负载电流，相对于电池电压、随着时间来分析输出电压。图8B示出了在充电频率为1Hz和0.05Hz并且电池电流限制为0.5A时的充电处理期间随着时间的输出电压和电池电流的曲线图。另外，图8C示出了例如在电流负载为200mA时的电影操作期间的输出电压和负载电流的曲线图。

考虑到这些曲线图以及充电电路的前面的示例，可以进行多种另外的观察。例如，注意，电路拓扑不必包括电荷泵，并且在超级电容器与电压供给导轨和接地导轨隔离(即，超级电容器浮动)的情况下，可以直接从电池对超级电容器充电。此外，不存在从输入到输出的颠簸(bucketing)的快速(flying)(在输入和输出之间切换)电容器充电。因此，电流源可以用来利用使输入噪声最小化的受控稳定输入(电池)电流来对超级电容器充电。

另外，对于作为一次能量突发事件的闪光操作，充电频率并不重要，特别地因为充电时间处于秒的量级上。所需要的是被适当充电的超级电容器。无论充电状态切换得多快，受限电池电流将导致的是在几秒量级的时间中进行充电或电荷刷新。对于电影(手电筒光)操作，充电频率将影响对负载以及输出纹波的承受能力(参见，例如图8B和8C)。频率的选择可能受对音频范围的噪声滤波考虑的影响。

如上所述，电容器组件可以各个被完全充电，或者每个电容器组件可以按周期被部分充电，并且在它们之间重复地来回切换直到它们都达到满电荷为止。为了实现后者，可以将稳压器放在充电路径的前面，或者添加环形控制电路，如图9A和9B所示。本质上，在图9A的电路中，在每个充电周期期间感测电容器电压，并且将其与输入到放大器54基准电压相比较以调节电流供给。电流供给CS6可以是电流源，或者可变电阻器或者具有以串联或并联配置形式来连接它们的开关的多个电阻器。或者，图9B所示的电路图示提供了用于得到控制信号Φ及其互补控制信号Φ的电路部分54、56、58、60，其中，方波控制切换占空因数。以这种方式，在两种配置中，在任何给定时间，都只有一条路径经由复用器52被感测。但是，注意，可以有两条控制环路，各条控制环路控制各条充电路径。两条控制路径(‘接通’或‘断开’)可以并联使用来代替对控制器的复用。在此示例中，基准电压(REF)确定切换点并且进而调节充电(电池)电流水平。

图10A-10D表示用电阻器代表晶体管的另外的实施例。如图所示，电阻器的放置将产生功率损失和/或电荷损失。此外，开关可以跨接到电阻器的两端来减少这些影响。注意，在不同的实施例中，可以用电流源和/或晶体管取代电阻器；并且‘接通’或‘断开’充电路径的开关可以用电流源、晶体管或者二极管取代，如前面举例说明的。类似于电阻器，晶体管将承载受它们的物理尺寸和/或它们的偏置限制的电流。电流源可以有具有连续或步进调节的控制输入(因此，消除了对开关的需要)。

总之，虽然参考本发明的某些优选版本较详细地描述了本发明，但是其它版本是可以的。因此，所附权利要求的精神和范围不应当限于在此所包含的对优选版本的描述。

Claims

1.一种用于提供电能的设备，包括：

电源，该电源具有正极引线和负极引线；

电荷存储装置，该电荷存储装置具有串联的第一电容器组件和第二电容器组件以及在它们之间的中间抽头；以及

第一充电路径和第二充电路径，所述第一充电路径和第二充电路径位于所述正极引线和所述负极引线之间，所述第一充电路径经过所述第一电容器组件和所述中间抽头，所述第二充电路径经过所述第二电容器组件和所述中间抽头，

其中，所述电荷存储装置分别经由所述第一充电路径和第二充电路径间接地被连接到所述正极引线和所述负极引线，以便使所述电荷存储装置与其隔离，并且

其中，所述第一充电路径和第二充电路径是可控的，以便‘接通’、‘切断’或调节来自所述电源、通过所述第一充电路径和第二充电路径流到所述第一电容器组件和第二电容器组件之一或者同时流到所述第一电容器组件和第二电容器组件两者的任何充电电流。

2.如权利要求1所述的设备，其中所述电源是电池。

3.如权利要求1所述的设备，其中，所述电荷存储装置被配置为超级电容器。

4.如权利要求1所述的设备，其中，所述电荷存储装置由两个串联的电容器构成。

5.如权利要求1所述的设备，其中，所述第一充电路径和第二充电路径是可控的以便在断开和闭合状态之间切换，以使得在任何给定时间，它们中的一个或它们两者处于闭合或断开状态。

6.如权利要求5所述的设备，其中，所述第一充电路径和第二充电路径是可控的，以切换到断开状态从而避免在它们之间交叉导电或者使它们过热，或者在对所述电荷存储装置的充电基本完成时切换到断开状态。

7.如权利要求5所述的设备，其中，所述第一充电路径和第二充电路径是可控的以切换到闭合状态，以允许以低的电流水平对所述第一电容器组件或第二电容器组件放电。

8.如权利要求1所述的设备，其中，所述第一充电路径和第二充电路径的每个包括一对开关，每对开关分别与所述第一电容器组件和第二电容器组件串联，一个开关被布置在所述第一电容器组件和第二电容器组件中的相应一个的上游并且一个开关被布置在所述第一电容器组件和第二电容器组件中的相应一个的下游。

9.如权利要求8所述的设备，其中，所述第一充电路径和第二充电路径的每个还包括与所述开关串联的电阻器。

10.如权利要求9所述的设备，其中，所述电阻器被附接到所述中间抽头并且由所述第一充电路径和第二充电路径共享。

11.如权利要求9所述的设备，其中，所述第一充电路径和第二充电路径的每个具有其自己的电阻器。

12.如权利要求8所述的设备，其中，所述开关是晶体管。

13.如权利要求8所述的设备，其中，所述开关中的两个是晶体管并且所述开关中的另两个是二极管。

14.如权利要求12所述的设备，其中，所述晶体管是双极型晶体管、场效应晶体管、结型场效应晶体管或金属氧化物场效应晶体管。

15.如权利要求12所述的设备，其中，所述晶体管的两个是NPN或N沟道的并且另外两个是PNP或P沟道的。

16.如权利要求8所述的设备，其中，所述第一充电路径和第二充电路径的每个还包括与所述开关串联的电流源。

17.如权利要求8所述的设备，其中，所述第一充电路径和第二充电路径还包括与所述开关串联的由它们两个公用的电流源。

18.如权利要求8所述的设备，其中，所述第一充电路径和第二充电路径还包括与所述开关串联的由它们两个公用的稳压器。

19.如权利要求1所述的设备，其中，所述第一充电路径和第二充电路径的每个包括多个设备，每组所述多个设备分别串联地与所述第一电容器组件和第二电容器组件耦合，其中，至少一个设备被布置在所述第一电容器组件和第二电容器组件的相应一个的上游并且一个被布置在所述第一电容器组件和第二电容器组件的相应一个的下游。

20.如权利要求19所述的设备，其中，每组所述多个设备包括以下各项中的两个或更多个的任意组合：开关、电阻器、晶体管、二极管、稳压器和电流源。

21.如权利要求1所述的设备，其中，所述第一充电路径和第二充电路径是可控的以允许根据所述电荷存储装置的充电情况向上-向下连续地或步进地调节所述充电电流。

22.如权利要求1所述的设备，所述设备被包含在集成电路中或者作为集成电路中的功能块。

23.如权利要求22所述的设备，其中，所述电源、所述电荷存储装置或它们两者位于所述集成电路的外部。

24.一种用于向负载提供电能的设备，包括：

负载；

电源，该电源具有正极引线和负极引线；

电荷存储装置，该电荷存储装置具有串联的第一电容器组件和第二电容器组件以及在它们之间的中间抽头，其中，所述负载可操作地被耦合到所述电荷存储装置的两端以从所述电荷存储装置接收电能；以及

其中，所述电荷存储装置分别经由所述第一充电路径和第二充电路径间接地被连接到所述正极引线和所述负极引线，以便使所述电荷存储装置与其隔离，并且即使在所述电荷存储装置正向所述负载供给所述电能时也允许对所述电荷存储装置充电，并且

其中，所述第一充电路径和第二充电路径的每个适于使充电电流从所述电池分离地流到所述第一电容器组件和第二电容器组件中的一个。

25.如权利要求24所述的设备，还包括电流限制设备，所述电流限制设备与所述负载串联，并且适于限制通过所述负载的电流。

26.如权利要求24所述的设备，还包括电流阱，所述电流阱与所述负载串联，并且适于降低通过所述负载的电流以限制由所述负载接收的所述电能。

27.如权利要求24所述的设备，其中，所述负载是包括一个或多个白光发光二极管在内的光源。

28.如权利要求27所述的设备，其中，所述一个或多个白光发光二极管适于闪光灯、电影或手电筒发光操作。

29.如权利要求24所述的设备，其中，所述电能包括与电流脉冲相对应的突发功率或者与电流水平相对应的连续功率。

30.如权利要求29所述的设备，其中，所述电流脉冲大约2A并且所述电流水平大约200mA。

31.如权利要求24所述的设备，所述设备包含在集成电路中或者作为集成电路中的功能块。

32.如权利要求31所述的设备，其中，所述集成电路适于用在移动设备中。

33.如权利要求32所述的设备，其中，所述移动设备包括具有闪光相机和/或摄像机的蜂窝电话。

34.如权利要求24所述的设备，其中，所述电源是安装在所述设备外部或者集成在所述设备内部的电池。

35.一种用于可控地提供电能的设备，包括：

电源，该电源具有正极引线和负极引线；

其中，所述第一充电路径和第二充电路径各自具有适于提供断开和闭合切换控制的开关控制输入，以使得在任何给定时间时，它们中的一个或它们两者被闭合，并且分别允许充电电流从所述电池流到所述第一电容器组件和第二电容器组件中的一个或者同时流到所述第一电容器组件和第二电容器组件两者。

36.如权利要求35所述的设备，还包括：适于断言所述第一充电路径和第二充电路径的每个的所述开关控制输入的控制环。

37.如权利要求35所述的设备，还包括：可操作地耦合到所述开关控制输入的稳压器。

38.如权利要求35所述的设备，其中，所述控制环包括具有基准输入和适于接收充电状态的采样的电荷感测输入的控制设备，并且其中，所述控制设备还包括输出，该输出被激励来基于基准和充电电流采样之间的比较控制所述充电电流。

39.如权利要求38所述的设备，其中，所述控制设备包括比较器或放大器。

40.如权利要求38所述的设备，其中，所述基准输入是电压、电流和时间中的一个。

41.如权利要求38所述的设备，其中，所述充电状态作为电压、电流和时间中的一个或多个而被采样。

42.如权利要求38所述的设备，其中，所述控制环还包括复用器，所述复用器具有针对所述第一充电路径和第二充电路径的每个的采样电流输入、可操作地耦合到所述第一充电路径或第二充电路径的所述开关控制输入的开关控制输入、以及输出，并且其中，所述复用器适于基于被断言或被无效的开关控制来在针对所述第一充电路径和第二充电路径的所述采样电流输入之间切换，所述采样电流输入将来自所述第一充电路径或第二充电路径的采样电流提供给所述比较器的电荷感测输入。

43.如权利要求42所述的设备，还包括控制电路，所述控制电路包括比较器和波源，所述波源对所述比较器作出响应，并且适于断言所述开关控制输入。

44.如权利要求35所述的设备，其中，所述电源是安装在所述设备外部或者集成在所述设备内部的电池。

45.一种用于可控地提供电能的设备，包括：

电源，该电源具有正极引线和负极引线；

其中，所述第一充电路径和第二充电路径各自具有输入，该输入可操作地耦合到稳压器并且适于提供充电电流控制，并且

其中，所述电荷存储装置分别经由所述第一充电路径和第二充电路径间接地被连接到所述正极引线和所述负极引线，以便使所述电荷存储装置与其隔离。

46.如权利要求45所述的设备，其中，所述第一充电路径和第二充电路径通过它们各自的输入而可控，以便‘接通’、‘切断’或调节来自所述电源、通过所述第一充电路径和第二充电路径流到所述第一电容器组件和第二电容器组件之一或者同时流到所述第一电容器组件和第二电容器组件两者的任何充电电流。

47.如权利要求45所述的设备，其中，所述电源是安装在所述设备外部或者集成在所述设备内部的电池。

48.一种用于可控地提供电能的方法，包括：

连接到具有正极引线和负极引线的电源；

设置具有串联的第一电容器组件和第二电容器组件以及在它们之间的中间抽头的电荷存储装置；

在所述正极引线和所述负极引线之间设置第一充电路径和第二充电路径，所述第一充电路径经过所述第一电容器组件和所述中间抽头，所述第二充电路径经过所述第二电容器组件和所述中间抽头；

分别经由所述第一充电路径和第二充电路径间接地将所述电荷存储装置连接到所述正极引线和所述负极引线，以便使所述电荷存储装置与其隔离；以及

控制所述第一充电路径和第二充电路径的每个，以便‘接通’、‘切断’或调节来自所述电源、通过所述第一充电路径和第二充电路径流到所述第一电容器组件和第二电容器组件之一或者同时流到所述第一电容器组件和第二电容器组件两者的任何充电电流。

49.如权利要求31所述的方法，还包括：感测所述第一充电路径和第二充电路径的每个中的充电状态，并且基于基准输入，判定是否将状态从断言切换到无效，以及是否将状态从无效切换到断言，或者是否向上-向下调节所述第一充电路径和第二充电路径的一个或多个控制输入。