CN101741119A - 多模式电池充电器 - Google Patents

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Abstract

一种电池充电器电路包括一晶体管，该晶体管具有用于接收充电电压的第一电流电极、用于接收控制信号的控制电极和用于提供输出电压的第二电流电极。电池充电器电路进一步包括整流器，其具有耦合到晶体管的第二电流电极的端子以及耦合到电源电压端子的另一端子。电池充电器电路还包括控制和调节电路，其具有用于接收表示温度的反馈信号的输入以及用于提供控制信号的输出。控制和调节电路响应于反馈信号而在开关模式或线性模式中操作。

Description

多模式电池充电器
技术领域
本公开通常涉及电池充电器，尤其是涉及多模式电池充电器。
背景技术
电子设备例如便携式电话一般包括内部的、可再充电的电池，以允许可携带性。选择适当的电池充电器一般需要在每种类型的充电器中存在的特定优点和缺点之间进行折衷。例如，开关模式电池充电器可有效地操作并相对快速地给电池充电，但在设备的操作期间可产生导致噪声的干扰。线性模式电池充电器明显比开关模式电池充电器效率更低，因而可能不能够在不使充电器过热的情况下给电池快速充电。然而，线性模式电池充电器一般不引入干扰。
附图说明
通过参考附图，可更好地理解本公开，且其很多特征和优点对本领域技术人员变得明显，其中：
图1是示出电池充电器的充电状态的曲线；
图2在部分结构图和部分示意形式中示出根据本发明的适合于给电池充电的电池充电器；
图3是示出图2的电池充电器的操作的流程图；以及
图4是示出图2的电池充电器的操作的时序图。
在不同附图中相同的参考符号的使用指示类似或相同的部件。
具体实施方式
公开了在4种工作模式之一中自动选择的电池充电器。电池充电器可在线性模式中或在开关模式中操作，且在任一模式中可提供恒定电流或恒定电压调节。电池充电器可根据反馈信号在4个工作模式之间自动转换，反馈信号指示输送到电池的电流、电池电压和温度，例如电池充电器集成电路的温度。也根据电池充电器是从电力网连接的源还是从通用串行总线(USB)外围适配器接收功率来确定充电模式。
图1是示出电池的充电状态的曲线100。曲线100具有表示以小时为单位的时间的横轴，以及表示视情况以安培或伏特为单位的信号振幅的纵轴。曲线100包括表示由电池充电器提供到电池的以安培为单位的电流的波形114、表示在电池处以伏特为单位的电压的波形116、以及时间参考110和112。
曲线100示出实质上放电的电池连接到电池充电器的情况。电池电压最初大约为1伏，并在电池被充电时增加。输送到电池的电流保持在升高的水平，直到电池电压接近该特定电池的标称工作电压。在时间参考110，电池电压增加到大约4.2伏，且输送到电池的电流开始降低。电池还没有被充满电，如电池充电器还在给电池提供大约0.8安培的电流的事实所指示的。随着电池接近充满电的状态，输送到电池的电流继续降低。在时间参考112，电池实质上被充满电，并以大约0.1安培的电流的速率充电。
图2在部分结构图和部分示意形式中示出根据本发明的适合于给电池270充电的电池充电器200。电池充电器200包括电池充电器电路210、感应器240、电阻器240和温度传感器280。电池充电器电路210是集成电路，其包括用于接收标为“VCHRG”的信号的输入端子211、用于接收标为“COMP”的信号的输入端子212、用于接收标为“ENABLE”的信号的输入端子213、用于提供标为“OUT”的信号的输出端子214、用于接收标为“CURRENT”的信号的输入端子215、用于接收标为“VOLTAGE”的信号的输入端子216、用于接收标为“TEMPERATURE”的信号的输入端子217、以及用于接收标为“GND”的信号的输入端子218。电池充电器电路210进一步包括控制和调节电路230、晶体管220以及整流器，该整流器可采取实现同步整流器的晶体管222或二极管224的形式。控制和调节电路230包括调节电路232、控制电路234和双模驱动器236。电池充电器电路210进一步
控制电路234具有连接到输入端子212的第一输入、连接到输入端子213的第二输入、第三输入、第一输出和第二输出。双模驱动器236具有连接到控制电路234的第一输出的第一输入、连接到控制电路234的第二输出的第二输入、连接到输入端子211的第三输入、第一输出和第二输出。晶体管220具有连接到输入端子211的漏极、连接到双模驱动器236的第一输出的栅极和连接到输出端子214的源极。晶体管222具有连接到输出端子214的漏极、连接到双模驱动器236的第二输出的栅极和连接到地的源极。二极管224具有连接到输出端子214的阴极和连接到地的阳极。调节电路232具有连接到输入端子215的第一输入、连接到输入端子216的第二输入、连接到输入端子217的第三输入和连接到控制电路234的第三输入的输出。
感应器240具有连接到电池充电器电路210的输出端子214的第一端子和连接到电池充电器电路210的输入端子215的第二端子。电阻器250具有连接到感应器240的第二端子的第一端子和连接到电池充电器电路210的输入端子216的第二端子。电容器260具有连接到电阻器250的第二端子的第一端子和连接到地的第二端子。电池270具有连接到电阻器250的第二端子的正端子和连接到地的负端子。温度传感器280具有连接到电池充电器电路210的输入端子217的第一端子和连接到地的第二端子。
电池充电器电路210可在4种模式中操作：1)具有恒定电流调节的开关模式，2)具有恒定电压调节的开关模式，3)具有恒定电流调节的线性模式，4)具有恒定电压调节的线性模式。开关模式最佳地适合于以相对高的速率有效地给电池充电。线性模式一般产生可忽略的干扰，但比开关模式效率低。控制和调节电路230监控反馈信号，反馈信号包括在充电期间输送到电池的电流、电池电压以及包含在电池充电器电路210中的功率消耗设备的温度。此外，控制和调节电路230检测是电力网供电的电源(或能够提供相对高的电流的另一源)提供充电电压VCHRG，还是具有相对有限的电流能力的USB外围适配器提供充电电压VCHRG。控制和调节电路230使用所有这些信息来适当地在4个工作模式之间调节。
当电池充电器电路210在线性模式中操作时，双模驱动器电路236的第一输出向晶体管220的栅极提供可变模拟直流电压。控制和调节电路230调节晶体管220的传导性，以当电池充电器电路210在恒定电压调节模式中操作时，将输出端子214处的电位维持在期望电平。控制和调节电路230调节晶体管220的传导性，以便当电池充电器电路210在恒定电流调节模式中操作时，来源于输出端子214的电流实质上保持恒定。当电池充电器电路210在线性模式中操作时，双模驱动器236的第二输出不起作用，并被设置到地电位，且晶体管222保持不传导。当电池充电器电路210在线性模式中操作时，在晶体管220的栅极处的电压的电平确定由晶体管220传导的电流电平。晶体管220因此在线性模式中操作。在所示实施方式中，晶体管220是金属氧化物半导体(MOS)场效应晶体管，但在其它实施方式中可为双极结型晶体管，或能够在线性模式中操作时在线性区中传导电流并且在开关模式中操作时以适当的频率转换的另一设备。
当电池充电器电路210在线性模式中操作时，感应器240对在输出端子214提供的充电电流呈现很小的电阻。电阻器250是电流感测电阻器。电池充电器210监控输入端子215和216之间的电压，且该电压与流经电阻器250的电流成比例。因此，电池充电器210通过监控电阻器250两端的电压获得了对输送到电池270的电流的指示。电池充电器210通过输入端子216监控电池270处的电压。
当电池充电器电路210在开关模式中操作时，双模驱动器236的第一输出提供具有可变占空比的数字脉冲宽度调制(PWM)信号。双模驱动器236的第二输出提供一个信号，其与在双模驱动器210的第一输出处提供的信号的逻辑相反。当双模驱动器236的第一输出在逻辑高电平时，晶体管220是传导的。同时，双模驱动器236的第二输出在逻辑低电平，这使晶体管222为不传导的。当双模驱动器236的第一输出在逻辑低电平时，晶体管220是不传导的。同时，双模驱动器236的第二输出在逻辑高电平，并使晶体管222为传导的。当输出端子214处的电位在地电位之下下降超过二极管224的阈值电压时，二极管224变成传导的。就防止输出端子214处的信号在晶体管220突然关闭时下降到地电位之下而言，晶体管222优于二极管224。在所示实施方式中，二极管224是在晶体管222的主体和沟道之间形成的寄生设备。
电池充电器电路210和感应器240在开关模式中操作时一起实现降压调节器。电容器260结合感应器240实现滤波器，以最小化开关调节器所产生的高频干扰。电阻器250提供被输送到电池的电流的指示，如前所述。控制和调节电路230调节双模驱动器236的占空比，以当在恒定电压模式中操作时控制充电电压，或当在恒定电流模式中操作时控制充电电流。输入端子212用于提供补偿，以在任何模式中操作期间确保调节控制回路的稳定性。例如，包括电容器、感应器或两者的电抗电路网络可连接到端子212。
在另一实施方式中，图2所示的设备可集成在包括电池270的电池组中。此外，晶体管220、晶体管222、感应器240、电阻器250、电容器260和温度传感器280可被物理地集成为电池充电器电路210的部分，或可为与控制和调节电路230分离的分立设备。虽然被示为单个集成电路，在其它实施方式中，电池充电器电路210可实现为多个集成电路。
图3是示出图2的电池充电器200的操作的流程图300。流程图300在判定块302开始，其中控制和调节电路230确定是电力网连接的电源、USB外围适配器还是两者在提供信号VCHRG。如果电力网供电(或能够适当地供应电流的另一可选的源，例如机动车电池)提供信号VCHRG，则流程继续进行到块310，其中电池充电器电路210从电力网(墙壁)功率操作，且如果存在USB输入则其被禁用。流程继续进行到判定块312，其中调节电路232使用温度传感器280确定电池充电器电路210的工作温度。如果工作温度低于110℃，则流程继续进行到块320，其中调节电路232将控制电路234配置成在线性模式中操作。
流程继续进行到判定块322，其中调节电路232确定在电池270处的电压。如果电池电压低于电池270的标称电压阈值(在本例中为4.2伏)，则流程继续进行到块330，其中控制和调节电路230使用恒定电流调节在线性模式中操作。流程继续进行到判定块332，其中调节电路232监控电池充电电路210的温度。如果温度仍然低于110℃，则流程返回到判定块322。如果温度不再低于110℃，则流程返回到判定块312。回到判定块322，如果电池270处的电压不小于4.2伏，则流程继续进行到块340，其中控制和调节电路230使用恒定电压调节在线性模式中操作。流程继续进行到判定块342，其中调节电路232监控电池充电电路210的温度。如果温度仍然低于110℃，则流程返回到判定块322。如果温度不再低于110℃，则流程返回到判定块312。
回到判定块312，如果工作温度不低于110℃，则流程继续进行到块350，其中调节电路232将控制电路234配置成在开关模式中操作。流程继续进行到判定块352，其中调节电路232确定在电池270的电压。如果电池电压低于4.2伏，则流程继续进行到块360，其中控制和调节电路230使用恒定电流调节在开关模式中操作。流程继续进行到判定块362，其中调节电路232确定输送到电池270的电流。如果电池电流不小于500毫安(mA)，则流程返回到判定块352。如果电池电流小于500mA，则流程继续进行到判定块364，其中控制和调节电路230确定电池充电电路210的温度。如果电池充电电路210的温度小于80℃，则流程返回到判定块312。如果电池充电电路210的温度不小于80℃，则流程返回到判定块352。因此，控制和调节电路230实现温度滞后。
回到判定块352，如果电池电压不低于4.2伏，则流程继续进行到块370，其中控制和调节电路230使用恒定电压调节在开关模式中操作。流程继续进行到判定块372，其中调节电路232确定输送到电池270的电流。如果电池电流不小于500mA，则流程返回到判定块352。如果电池电流小于500mA，则流程继续进行到判定块374，其中控制和调节电路230确定电池充电电路210的温度。如果电池充电电路210的温度小于80℃，则流程返回到判定块312。如果电池充电电路210的温度不小于80℃，则流程返回到判定块352。
回到判定块302，如果只有USB适配器提供信号VCHRG，则流程继续进行到判定块380，其中控制和调节电路230从USB功率操作。流程继续进行到判定块382，其中控制和调节电路230确定电池充电电路210的温度。如果电池充电电路210的温度小于110℃，则流程继续进行到判定块384，其中调节电路232确定电池270处的电压。如果电池电压不低于4.2伏，则流程继续进行到块386，且控制和调节电路230使用恒定电压调节在开关模式中操作。流程继续进行到判定块388，其中控制和调节电路230确定电池充电电路210的温度。如果电池充电电路210的温度小于110℃，则流程返回到判定块384。如果电池充电电路210的温度不小于110℃，则流程返回到判定块382。回到判定块384，如果电池电压不小于4.2伏，则流程继续进行到块391，且控制和调节电路230使用恒定电流调节在开关模式中操作。
回到判定块382，如果电池充电电路210的温度不小于110℃，则流程继续进行到判定块390，其中调节电路232确定电池270处的电压。如果电池电压低于4.2伏，则流程继续进行到块391，且控制和调节电路230使用恒定电流调节在开关模式中操作。流程继续进行到判定块392，其中调节电路232确定电池270处的电压。当电池270处的电压不小于4.2伏时，流程返回到块382。回到判定块390，如果电池270的电压不低于4.2伏，则流程继续进行到块395，且控制和调节电路230使用恒定电压调节在开关模式中操作。流程继续进行到判定块396，其中控制和调节电路230确定电池充电电路210的温度。如果电池充电电路210的温度小于80℃，则流程返回到判定块382。如果电池充电电路210的温度不小于80℃，则流程继续进行到判定块397，其中调节电路232确定电池270处的电压。如果电池270处的电压小于4.2伏，流程返回到块395。如果电池270处的电压不小于4.2伏，则流程返回到块382。
前面的例子示出电池充电器的一个实施方式，该电池充电器监控电池电压、充电电流、充电器温度和电源功率，以动态地调节电池充电器的工作模式。注意，控制和调节电路230调节最佳地适合于特定的产品实现、电池类型、环境温度和特定的工作情况的工作模式。在另一实施方式中，从开关模式到线性模式的转换基于一电池电流，其为以前引起到开关模式的转换的电流阈值的期望部分。在又一实施方式中，控制和调节电路230可包括额外的传感器。例如，调节电路232可监控极接近于电池270的额外的温度传感器，以确定电池270的温度。
图4是示出图2的电池充电器200的操作的时序图400。时序图400具有表示以秒为单位的时间的横轴和表示视情况以安培、伏特和摄氏度为单位的电流、电压和温度的纵轴。时序图400包括标为“VGATE”的波形410、标为“TEMPERATURE”的波形420，标为“CURRENT”的波形430，波形410表示由双模驱动器236提供到晶体管220的栅极的信号，波形420表示由温度传感器280提供的温度，而波形430表示输送到电池270的电流。时序图400进一步包括表示110℃的温度的温度阈值422、表示80℃的温度的温度阈值424、表示500mA的电流的电流阈值432以及时间参考450、460和470。
在时间参考450，电池充电器电路210使用恒定电流调节操作在线性模式中，例如在图3的块330示出的。双模驱动器236改变VGATE420以保持信号CURRENT实质上恒定，且晶体管220因此向电池270提供实质上恒定的电流。操作的线性模式比开关模式效率低，并可导致电池充电器电路210的过热。在时间参考460，电池充电器电路210的温度如信号TEMPERATURE 420所指示的增加到相应于温度阈值422的110℃。这种情况由图3中的判定块332表示。在电池270处的电压低于4.2伏(未示出)，所以判定块352的判定结果为肯定的。调节电路232通过将控制和调节电路230配置为使用恒定电流调节在开关模式中操作来对这种高温情况做出响应，例如图3的块360所表示的。
当在开关模式中操作时，控制和调节电路230将信号VGATE410提供为PWM信号，该PWM信号的占空比可操作来维持期望的恒定充电电流。在时间参考470之后不久，电池270处的电压达到4.2伏(未示出)，且信号CURRENT所指示的充电电流开始降低。在时间参考470，信号CURRENT降低到低于由电流阈值432所示的500mA，如由图3中的判定块362所表示的。而且，电池充电器电路210的温度降低到低于温度阈值424所示的80℃，如由图3中的判定块364所表示的。电池270处的电压已达到4.2伏，所以调节电路232将控制和调节电路230配置成使用恒定电压调节在线性模式中操作，如图3中的判定块340所表示的。电池充电器电路210继续在这种状态中操作，直到充电电流、电池电压或充电器温度变化，从而引起根据图3的流程图的模式变化。
电池充电器电路210可操作来在相关的电子设备运行的同时给电池270充电。而且，当用户移除了电池时，电池充电器电路210可给电子设备提供功率。电池充电器电路210通过采用适当的工作模式来适当地响应波动的电流要求。
上面公开的主题被认为是例证性的而不是限制性的，且所附权利要求被规定为包括所有这样的更改、增强和落在权利要求的真实范围内的其它实施方式。因此，在法律所允许的最大程度上，本发明的范围由下列权利要求及其等效形式的最广泛的容许解释来确定，且不应被前述详细描述限制或限定。

Claims (10)

1.一种电池充电器电路(210)，包括：
晶体管(220)，其具有用于接收充电电压的第一电流电极、用于接收第一控制信号的控制电极和用于提供输出电压的第二电流电极；
整流器(222/224)，其具有耦合到所述晶体管(220)的所述第二电流电极的第一端子以及耦合到电源电压端子的第二端子；以及
控制和调节电路(230)，其具有用于接收表示温度的第一反馈信号的第一输入以及用于提供所述第一控制信号的第一输出，
所述控制和调节电路(230)响应于所述第一反馈信号在开关模式和线性模式中选定的一个中操作。
2.如权利要求1所述的电池充电器电路(210)，其中，如果所述温度达到一温度阈值，则所述控制和调节电路(230)在所述开关模式中操作，且当所述温度小于第二温度阈值时，所述控制和调节电路(230)随后从所述开关模式变化回到所述线性模式，所述第二温度阈值小于所述第一温度阈值。
3.如权利要求2所述的电池充电器电路(210)，其中所述控制和调节电路(230)进一步具有用于接收表示电池(270)的电压的第二反馈信号的第二输入，且当所述充电电压由第一类型的充电源提供时，如果所述温度小于所述温度阈值且所述电池(270)的所述电压不小于一电压阈值，则所述控制和调节电路(230)进一步在所述线性模式中操作。
4.如权利要求3所述的电池充电器电路(210)，其中当所述充电电压由第二类型的充电源提供时，如果所述温度小于所述温度阈值且不考虑所述电池(270)的所述电压，所述控制和调节电路(230)进一步在所述线性模式中操作。
5.一种给电池(270)充电的方法(300)，包括以下步骤：
测量(382)温度；
测量(384)所述电池(270)的电压；
如果所述温度小于第一温度阈值且所述电压不小于电压阈值，则在线性恒定电压模式中操作(386)电池充电器电路(210)；以及
如果所述温度小于所述第一温度阈值且所述电压小于所述电压阈值，则在开关恒定电流模式中操作(391)所述电池充电器电路(210)。
6.如权利要求5所述的方法(300)，其中在所述线性恒定电压模式中操作(386)所述电池充电器电路(210)的所述步骤包括：
维持(388)在所述线性恒定电压模式中，直到所述温度落到第二温度阈值之下，所述第二温度阈值小于所述第一温度阈值。
7.如权利要求5所述的方法(300)，其中：
在所述开关恒定电流模式中操作(391)所述电池充电器电路(210)的所述步骤进一步包括：如果所述温度不小于所述第一温度阈值且所述电压小于所述电压阈值，则在所述开关恒定电流模式中操作(391)所述电池充电器电路(210)；以及
所述方法进一步包括：如果所述温度不小于所述第一温度阈值且所述电压不小于所述电压阈值，则在所述开关恒定电压模式中操作(395)所述电池充电器电路(210)。
8.如权利要求7所述的方法(300)，其中在所述开关恒定电流模式中操作(391)所述电池充电器电路(210)的所述步骤包括：
维持(388)在所述开关恒定电流模式中，直到所述电压上升到所述电压阈值之上。
9.如权利要求7所述的方法(300)，进一步包括以下步骤：
如果电池充电源是第一类型而不是第二类型的，则执行测量(382)所述温度、测量(384)所述电压、在所述线性恒定电压模式中操作(386)所述电池充电器电路(210)、在所述开关恒定电流模式中操作(391)所述电池充电器电路(210)以及在所述开关恒定电压模式中操作(395)所述电池充电器电路(210)的所述步骤。
10.如权利要求9所述的方法(300)，进一步包括，如果所述电池充电源是所述第二类型的，则：
如果所述温度小于所述第一温度阈值，则在所述线性模式中操作(320)所述电池充电器电路(210)，而如果所述温度不小于所述第一温度阈值，则在所述开关模式中操作(350)所述电池充电器电路(210)；以及
如果所述电压小于所述电压阈值，则在所述恒定电流模式中操作(330/360)所述电池充电器电路(210)，而如果所述电压不小于所述电压阈值，则在所述恒定电压模式中操作(340/370)所述电池充电器电路(210)。
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