CN101752893A

CN101752893A - 用于电池充电器的电缆电压降补偿

Info

Publication number: CN101752893A
Application number: CN200910258125A
Authority: CN
Inventors: H·蔡
Original assignee: Fairchild Semiconductor Corp
Current assignee: Fairchild Semiconductor Corp
Priority date: 2008-12-17
Filing date: 2009-12-14
Publication date: 2010-06-23
Also published as: US20100148730A1; US8143845B2

Abstract

电池充电器可以被配置为经充电电缆来给电池充电。电池充电器的电压控制环路的DC增益可以被限定至预定的值以补偿该充电电缆上的电压降。例如，电压控制环路上的误差放大器的DC增益可以被限定至用于电缆电压降补偿的预定的值。误差放大器可以使用根据误差信号产生的参考信号。可以通过连接电阻器以形成在误差放大器的输出节点上的RC电路来限制误差放大器的DC增益。

Description

用于电池充电器的电缆电压降补偿

技术领域

本发明总地涉及电路，并且更具体而不唯一地涉及电池充电器。

背景技术

电池充电器可以用以充电便携式电子装置的电池，该便携式电子装置包括移动电话、电动工具、数字照相机、MP3播放器和个人数字助理等，这里仅举几个例子。可以采用市场上可获得的PWM(脉冲宽度调制)控制器集成电路(IC)，例如来自Fairchild Semiconductor公司的FAN102初级侧调节的(PSR)PWM控制器来实现电池充电器。当应用于电池充电器中时，PWM控制器IC被配置为补偿在将电池充电器连接到电池的充电电缆上的电压降。在诸如FAN 102控制器的常规PWM控制器中，电缆电压降使得使用专门的电缆补偿电路和使用用于接附附加电气部件的额外专门的IC引脚成为必需，以便满足特定应用规格，例如输出电流、输出电压和电缆电阻。

发明内容

电池充电器可以被配置为经充电电缆来充电电池。电池充电器的电压控制环路的DC增益可以被限定至预定的值以补偿在该充电电缆上的电压降。例如，电压控制环路上的误差放大器的DC增益可以被限定至预定的值用于电缆电压降补偿。误差放大器可以使用根据误差信号产生的参考信号。可以通过连接电阻器以形成在误差放大器的输出节点上的RC电路来限制误差放大器的DC增益。

通过阅读包括附图和权利要求的全部公开内容，本发明的这些和其他特征对于本领域的普通技术人员来说是显而易见的。

附图说明

图1示意性示出根据本发明实施例的电池充电器；

图2示意性示出根据本发明实施例的图1的电池充电器的PWM控制器中的参考电压发生器；

图3示出根据本发明实施例的图2的电池充电器中的信号的时序图；

图4示出在参考电压为恒定的并且误差放大器的增益在理论上为无限的情形下电池电压和输出电压随输出电流变化的曲线图的曲线；

图5示出根据本发明实施例的电池充电器的电池电压和输出电压随输出电流变化的曲线；

图6示出在根据本发明实施例的电池充电器的电压控制环路中的误差放大器的增益对频率的曲线；

图7示出根据本发明实施例的电池充电器的输出电压对输出电流的曲线；

图8示出根据本发明实施例的电池充电器的电池电压对输出电流的曲线。

在不同附图中使用相同附图标记表示相同或相似的部件。

具体实施方式

在本公开内容中，提供诸如电路、部件和方法的示例的多个具体细节来提供对本发明实施例的全面理解。但是本领域内的普通技术人员可以认识到，无需该具体细节中的一个或者多个也可以实现本发明。在其他情况中，公知的细节没有示出或者描述，以避免使本发明的方面模糊。

图1示例性示出根据本发明实施例的电池充电器100。在图1的示例中，全波整流器101整流输入的AC线电压V_AC。整流后的电压通过输入电容器C1被耦合到变压器112的初级线圈。在变压器112的次级线圈上产生的电压通过二极管D 1耦合到输出电容器C2。跨在输出电容器C2两端的电压呈现为充电器100产生的输出电压V_O。节点121和122表示充电电缆102所连接到的连接器，用以对可重复充电的电池104充电。电池电压V_O.BAT是由输出电压V_O在电池104两端产生的最终电压。

电池充电器100的运行由作为IC(集成电路)芯片实现的PWM(脉冲宽度调制)控制器130所控制。在图1的示例中，PWM控制器130包括误差放大器106、PWM比较器107、振荡器108、SR(置位-复位)触发器109和驱动电路110。由于包括小的形状因子和低制造成本的多种原因，使用IC芯片是有利的。

在图1的示例中，PWM控制器130在封装有引脚131-134的IC中。引脚131-134在电池充电器100中作为节点被示意性示出。引脚131提供控制信号来驱动晶体管M1的栅极，引脚132用于感测当晶体管M1在导通的状态时流过晶体管M1的漏-源电流，引脚133用于经由输出检测电路105感测输出电压Vo，以及引脚134允许接附附加部件(在此例中的电阻器Rc和电容器Cc)以用于对电压控制环路进行补偿。PWM控制器130还具有用于接收电源的引脚、用于接地的引脚、以及用于接附附加部件以补偿电流环路的另一个引脚，共有7个引脚。因为在下面更明显的原因，PWM控制器130不需要单独的引脚来将电气部件耦合到PWM控制器130以便构造电缆电压降补偿。这有利于节省制造成本、降低复杂性和减小尺寸。典型地，用于构造电缆电压降补偿的部件是在PWM控制器IC的外部，以使得该IC能够适应于针对于不同应用的不同充电电缆。针对电缆电压降补偿的这种引脚对于PWM控制器130不是必需的，因此PWM控制器130可以在一个具有少于8个引脚的IC上实现，8个引脚是常规PWM控制器的典型的引脚数。

在图1的示例中，电池充电器100是初级侧调节(PSR)的电池充电器，其中通过控制变压器112的初级线圈到接地(或其他电路)的耦合来产生输出电压V_O。更具体地，PWM控制器130根据反映出在参考电压V_O.REF和输出电压V_O之间的差的误差电压V_EA来驱动晶体管M1的导通和关断。总的来说，PWM控制器130被配置成用以控制晶体管M1的导通的占空比以使得当误差电压V_EA增大时降低占空比并且当误差电压V_EA减小时提高占空比。PWM控制器130控制晶体管M1的导通时间的占空比以使得在目标电压(即所期望的输出电压的值)和输出电压V_O之间的误差能够最小化。在一个实施例中，PWM控制器130使用峰值电流模式PWM以控制晶体管M1的导通时间的占空比以使得输出电压跟随目标电压。

具有K_S增益的输出检测电路105采样输出电压以产生指示输出电压V_O的采样的输出电压V_O.SAMPLE。如图1所示，输出检测电路105可以在非连接到电池104的次级线圈的次级线圈处采样输出电压V_O。在图1的示例中，输出检测电路105在接受电源V_DD的输出二极管D2的阳极处采样输出电压V_O。可以将电源V_DD连接到用于将输出二极管D2的阴极连接到输出电容器C3的节点处。如以下更明显的，包括电阻器Rc和电容器Cc的RC电路201限制误差放大器106的DC增益以便进行充电电缆电压降补偿。

图2示意性示出根据本发明实施例的在PWM控制器130内部的参考电压发生器202。在图2的示例中，PWM控制器130执行峰值电流模式控制PWM以控制晶体管M1的导通时间的占空比以使得输出电压跟随目标电压。一旦晶体管M1被导通，漏-源电流I_DS线性增加并流过变压器112的初级线圈和晶体管M1。利用感测电阻器R_S将电流I_DS转换为引脚132上的感测电压。通过从参考电压V_O.REF中减去引脚133上的采样的输出电压V_O.SAMPLE，误差放大器106在其位于引脚134处的输出节点上产生误差电压V_EA。当感测电压达到误差电压V_EA时，晶体管M1被PWM比较器107所关断。因此，当误差电压V_EA提高时晶体管M1具有更长的导通时间。

参考电压发生器202可以被配置为根据误差电压V_EA产生参考电压V_O.REF。例如，所产生的参考电压V_O.REF可以与误差电压V_EA成正比。在一个实施例中，参考电压发生器202被配置为当误差电压V_EA增加时提高参考电压V_O.REF并且当误差电压V_EA减小时降低参考电压V_O.REF。在图2的示例中，参考电压发生器202可以被配置为基本上以线性的方式随着误差电压V_EA提高或降低(见曲线图203)。然而应注意，这种情况不是必须的，因为参考电压发生器202还可以采用非线性函数来根据误差电压V_EA产生参考电压V_O.REF。

为了便于说明，在图2的示例中，示意性示出输出检测电路105跨接在输出电容器C2的两端。如图1所示，在不背离本发明的精神的情况下，输出检测电路105可以在变压器112的次级侧上的另一个节点处采样输出电压V_O。

如图2所示，输出检测电路105采样输出电压V_O以产生采样的输出电压V_O.SAMPLE。采样的输出电压V_O.SAMPLE可以表示为：

V_O.SAMPLE＝K_SV_O 公式1

其中K_S为输出检测电路105的增益。

在图2的示例中，误差放大器106包括具有跨导增益K_VI的跨导放大器。误差放大器106将采样的输出电压V_O.SAMPLE与参考电压V_O.REF比较以产生指示输出电压V_O的大小的误差放大器输出电流I_EA。该误差放大器输出电流I_EA可以表示为：

I_EA＝K_VI(V_O.REF-V_O.SAMPLE) 公式2

误差放大器106在其输出节点处产生误差放大器输出电流I_EA以馈送给包括电阻器Rc和电容器Cc的RC电路201。RC电路201将有限的DC增益引到误差放大器106的输出以产生还指示输出电压的大小的误差电压V_EA。

变压器112的初级线圈的电感由电感器Lm表示。当晶体管M1导通时，流过电感器Lm即变压器112的初级线圈的电流为穿过晶体管M1的漏-源电流I_ds。该电流I_ds在电阻器Rs两端产生感测电压。如可以理解，在电阻器Rs两端的感测电压指示流过电感器Lm的电感电流。PWM比较器107将误差电压V_EA与电阻器Rs两端所产生的感测电压相比较以重置SR触发器109，并因此根据峰值电流模式控制PWM关断晶体管M1。一般而言，当在电阻器Rs上的感测电压升高到和误差电压V_EA相等的电平时PWM比较器107开始关断晶体管M1。

驱动电路110被配置为当SR触发器109的输出Q为逻辑高时导通晶体管M1而当SR触发器109的输出Q为逻辑低时关断晶体管M1。振荡器108提供周期性置位SR触发器109以导通晶体管M1的时钟信号。因此当电感电流升高使得感测电阻器Rs两端的感测电压升高到和误差电压V_EA相等的电平时，PWM比较器107复位SR触发器109，并且由此关断晶体管M1。图3总结了在振荡器108的振荡时钟输出(“OSC CLK”)、因驱动电路110的驱动而得到的晶体管M1的栅-源电压V_GS、感测电阻器Rs上的感测电压(“Rs*I_ds”)和误差电压V_EA之间的时序关系。

参考回图2，输出电压V_O通过电缆102呈现为电池104两端的电池电压V_O.BAT。由于在电缆102上的电压降，在正常工作期间输出电压V_O典型地高于电池电压V_O.BAT。除非采用了某种形式的电缆电压降补偿，不然当由电池充电器100所产生的输出电流I_O变化时，电池电压V_O.BAT也将改变。

在诸如Fairchild Semiconductor公司的FAN102 PWM控制器的常规PWM控制器中，采用专门的电缆补偿电路来执行电缆电压降补偿以产生用于电压控制环路上的误差放大器的参考电压。该方案不仅需要专门的电缆补偿电路还需要单独的IC引脚来配置该电缆补偿电路。在鲜明的对比下，PWM控制器130不需要专门的电缆补偿电路和必不可少的补偿引脚。例如，在电池充电器100中，产生参考电压V_O.REF的方式在工厂中已被预先确定并且在现场使用中保持不变，而不管所使用的充电电缆。因此通过确定电缆补偿增益和使用输出电压控制环路的DC(直流)环路增益来调节电缆补偿可实现电缆补偿，从而满足特定应用的要求，例如输出电流、输出电压和电缆电阻的要求。在图2的示例中，RC电路201充当低通滤波器并示出了在由电阻器Rc和电容器Cc所形成的RC电路201的临界频率以下的恒定增益特性(见公式12)。

在图2的示例中，输出电压控制环路的DC环路增益由误差放大器106的DC增益来设定。通过根据诸如输出电压、输出电流和电缆电阻的系统规格来确定输出电压控制环路的DC环路增益，稳态误差被引入到输出电压V_O中。稳态误差依赖于DC环路增益并且可以用作可调节的电缆电压降补偿。参考图4和图5对本发明的该特征作进一步解释。

图4示出在参考电压V_O.REF为恒定的并且误差放大器106的增益在理论上为无限(即不受限的；没有电阻器Rc和电容器Cc形成的积分器)的情形下电池电压V_O.BAT和输出电压V_O随输出电流I_O变化的曲线。注意到电缆102上的电压降是如何随着输出电流的增大而增大的，从而导致未调整的电池电压V_O.BAT。

图5示出了在电池充电器100的情况下电池电压V_O.BAT和输出电压V_O随输出电流I_O变化的曲线。在电池充电器100中，参考电压V_O.REF被配置为使参考电压V_O.REF随误差电压V_EA升高而升高。当负载电流因为负载电阻器(包括电缆102的电阻)减小而出现升高时，误差电压V_EA也升高。

和常规电池充电器不同，图2中的误差放大器106的增益不是理论上无限的，而是受限于电阻器Rc和电容器Cc形成的RC电路201。可以调节电阻器Rc的值以改变误差放大器106的DC增益。这导致随输出电流增大而增大的稳态误差，其补偿在电缆102上的电压降。这在图5中得到示意说明，其中获得的电缆102上的电压降随着输出电流I_O的改变而变化，从而在电池104两端提供调整后(即相对恒定的或在有限的电压范围内)的电池电压V_O.BAT。

参考回图2，电池充电器100的输出功率P_O，电池充电器100的输入功率P_IN和误差放大器106的DC增益K_EA.DC可以如下表示：

P_{o} = \frac{{V_{o}}^{2}}{R_{L}}

公式3

P_{m} = \frac{1}{2} L_{m} f_{s} {({I_{ds}}^{pk})}^{2} = \frac{1}{2} L_{m} f_{s} {(\frac{V_{EA}}{R_{S}})}^{2}

公式4

K_EA.DC＝K_VIR_C 公式5

其中f_S是由振荡器108所决定的切换频率，I_DS ^PK是峰值电感电流(即通过电感器Lm的电流I_ds的峰值)，以及R_L是有效负载电阻(V_O/I_O)。设置输出功率P_O等于输入功率P_IN并求得稳态误差电压V_EA.DC，

P_{o} = P_{m} &DoubleRightArrow; \frac{{V_{o}}^{2}}{R_{L}} = \frac{1}{2} L_{m} f_{s} {(\frac{V_{EA}}{R_{S}})}^{2}

公式6

V_{o} = \sqrt{\frac{1}{2} L_{m} f_{s} R_{L}} (\frac{V_{EA}}{R_{S}})

公式7

V_EA.DC＝K_VIR_C(V_o，ref-V_o，sample)＝K_EA.DC(V_o，ref-V_o，sample) 公式8

可以得到稳态下的输出电压V_O如下，

V_{o} = \sqrt{\frac{1}{2} L_{m} f_{s} R_{L}} \cdot \frac{K_{EA . DC}}{R_{S}} (V_{o, ref} - K_{S} V_{o})

公式9

∴公式10

V_{o} = \frac{M \cdot \sqrt{R_{L}} \cdot K_{EA . DC}}{1 + M \cdot \sqrt{R_{L}} K_{EA . DC}} \cdot \frac{V_{o, ref}}{K_{S}}

公式11

其中，K_S是输出检测电路105的增益(见图2)。

公式11示出如果电压控制环路的DC增益K_EA.DC是无限的，输出电压V_O与其目标值(即V_O.ref/K_S)相同。当电压控制环路的DC增益K_EA.DC不是无限的，产生稳态误差并且输出电压V_O将不再与其目标值相同。公式11还示出随着负载电阻器R_L增加(即随着输出电流I_O降低)稳态误差降低并且当负载电阻器R_L为无穷大时(即当输出电流I_O为零时)稳态误差变为零。因此可以通过调节误差放大器106的DC增益K_EA来调节输出电压V_O，而误差放大器106的DC增益K_EA又可以通过适当选择电阻器Rc的值(见公式5)来调节。这有利于允许设计者选择电阻器Rc的值以产生输出电压V_O，由此得到针对给定的充电电缆和诸如所期望的或具体应用的输出电流和输出电压的其他负载特性的所期望的电池电压V_O.BAT。

图6示出在根据本发明实施例的PWM控制器的电压控制环路中的误差放大器的增益对频率的曲线图401。在图6的示例中，误差放大器是电池充电器100的误差放大器106(见图2)。

如图6所示，误差放大器106的稳态或DC增益K_EA，以及由此的电压控制环路被由电阻器Rc和电容器Cc形成的RC电路限制为预定的值。该误差放大器106的DC增益K_EA针对在临界频率F_C以下的切换频率的范围，该临界频率F_C由电阻器Rc和电容器Cc的值所决定，具体如下，

F_{C} = \frac{1}{R_{C} C_{c}}

公式12

在没有电阻器Rc(即没有RC电路)的情况下，误差放大器106的DC增益K_EA不受限制，如图6中虚线所示。利用放置RC电路以限制DC增益K_EA，设计者可以调节电阻器Rc以调节DC增益K_EA至预定的值以补偿不同的充电电缆特性。这有利于允许电缆电压降补偿而无需专门的和复杂的电缆补偿电路。如可以理解，不需要使用单独的电路块就能容易地实现在电压控制环路中的误差放大器的输出处的RC电路。另外，不需要用于电缆电压降补偿的附加的引脚。可以将电阻器Rc耦合到误差放大器的输出的引脚；无论怎样，一般都提供这样的引脚用于电压控制环路上的频率补偿。

图7示出了根据本发明实施例的输出电压V_O对输出电流I_O的曲线。如图7所示，通过调节电压控制环路误差放大器的DC增益K_EA可以调节输出电压V_O。一种调节DC增益K_EA的方式是通过调节耦合到误差放大器的输出的RC电路上的电阻器Rc的值。DC增益K_EA影响稳态误差，该稳态误差影响输出电压V_O。

图8示出根据本发明实施例的电池电压V_O.BAT对输出电流的曲线。如图8所示，可以调节DC增益K_EA以实现在可重复充电的电池两端的调整后的目标电池电压V_O.BAT。通过调节DC增益K_EA改变输出电压V_O以补偿在充电电缆上的电压降。

已公开了用于在电池充电器中的充电电缆电压降补偿的电路和方法。尽管本发明已提供了具体实施例，但是应该理解这些实施例仅出于示意目的而非限定。许多其他实施例对阅读本发明内容的本领域普通技术人员是显然的。

Claims

1.一种电池充电器，包括：

具有初级线圈和次级线圈的变压器；

晶体管，其被配置为当该晶体管导通时将该初级线圈耦合至接地和当该晶体管关断时将该初级线圈从接地去耦合，该晶体管被配置为当该晶体管导通时接收通过该初级线圈的电感电流；

比较器，其被配置为通过比较指示该电感电流的感测信号和指示由该电池充电器所产生的用于经充电电缆给电池充电的输出电压的大小的误差信号来产生用于控制该晶体管的切换的控制信号；

误差放大器，其被配置为通过将该输出电压的采样与参考电压进行比较来产生该误差信号，该参考电压被配置为随该误差信号变化，该误差放大器被配置为通过具有预定的和有限的DC增益来补偿该充电电缆上的电压降。

2.根据权利要求1所述的电池充电器，其中该误差放大器包括跨导放大器。

3.根据权利要求1所述的电池充电器，还包括耦合于该误差放大器的输出节点的RC电路，用于限定该误差放大器的该DC增益至预定的值。

4.根据权利要求1所述的电池充电器，其中该比较器包括PWM(脉冲宽度调制)比较器，其被配置为当该电感电流上升到阈值时关断该晶体管。

5.根据权利要求4所述的电池充电器，其中该误差信号是误差电压和该感测信号是由该电感电流在感测电阻器上产生的感测电压，并且当该感测电压上升到与该误差电压相等的电平时该PWM比较器关断该晶体管。

6.根据权利要求4所述的电池充电器，还包括SR触发器，并且其中当该电感电流上升到阈值时该PWM比较器复位SR触发器以关断该晶体管。

7.根据权利要求1所述的电池充电器，还包括感测电阻器，其被耦合以当该晶体管导通时接收该电感电流以产生包括感测电压的该感测信号。

8.根据权利要求1所述的电池充电器，还包括振荡器，其被配置为周期性置位SR触发器以导通该晶体管。

9.根据权利要求1所述的电池充电器，还包括输出检测电路，其被配置为通过采样该输出电压来产生采样的输出电压，该输出检测电路被配置为提供该采样的输出电压至误差放大器用于与该参考电压的比较。

10.一种用于充电电池的电路，该电路包括：

在被配置为经充电电缆来给电池充电的电池充电器的电压控制环路中的误差放大器，该误差放大器被配置为通过比较指示该电池充电器的输出电压的采样的输出电压和参考电压来产生误差信号，该电压控制环路的DC增益被限定为预定的值以补偿该充电电缆上的电压降并且产生调整后的电池电压以便给该电池充电；

被配置为根据该误差信号产生该参考电压的参考电压发生器；和

比较器，其被配置为通过比较该误差信号和指示流过该电池充电器的变压器的初级线圈的电感电流的感测信号来产生控制信号，以便控制该晶体管的切换和该输出电压的产生。

11.根据权利要求10所述的电路，其中该误差放大器包括跨导放大器，该误差信号是由该误差放大器的误差电流输出在RC电路两端产生的误差电压，并且该感测信号包括在感测电阻器上由该电感电流产生的感测电压。

12.根据权利要求10所述的电路，还包括：

晶体管，其被耦合以当该晶体管导通时接收该电感电流，并且其中该感测信号包括在耦合到该晶体管的感测电阻器上由该电感电流产生的感测电压。

13.根据权利要求10所述的电路，其中该电压控制环路的DC增益受限于该误差放大器的DC增益。

14.根据权利要求13所述的电路，其中该误差放大器的DC增益具有由耦合到该误差放大器的输出节点的电阻器所设置的预定的值。

15.根据权利要求10所述的电路，还包括输出检测电路，其被配置为采样该输出电压以产生该采样的输出电压。

16.根据权利要求10所述的电路，其中该比较器包括PWM比较器。

17.一种补偿将电池充电器耦合到可重复充电的电池的充电电缆上的电压降的方法，该方法由电路来执行并且包括：

感测该电池充电器的输出电压以产生采样的输出电压；

利用误差放大器比较该采样的输出电压和电压参考以产生误差电压，该误差放大器具有有限的DC增益；

根据该误差电压调节该电压参考；

比较该误差电压和指示在变压器的初级线圈上的电感电流的感测电压以控制该输出电压的产生；以及

使用由通过该充电电缆的该输出电压所呈现的电池电压充电该可重复充电的电池，该误差放大器的DC增益被配置为产生该电池电压以补偿在该充电电缆上的电压降。

18.根据权利要求17所述的方法，其中该误差放大器具有由将该误差放大器的输出耦合至接地的RC电路限定的DC增益。

19.根据权利要求18所述的方法，其中由PWM比较器执行该误差电压和该感测电压的比较。

20.根据权利要求17所述的方法，其中该误差放大器包括跨导放大器并且该方法还包括：

从该误差放大器输出误差放大器输出电流到耦合至该误差放大器的输出节点的RC电路。