CN101764418A - 电池充电系统、充电电路及控制电池充电的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电池充电系统、充电电路及控制电池充电的方法。电池充电系统包括用于将充电电流导通至电池的充电开关，以及耦合于充电开关的第一放大器和第二放大器。第一放大器用于根据充电开关的功耗值调节充电电流。第二放大器用于根据电池的电压调节充电电流。当电池的电压小于预设电压阈值时，由第一放大器调节流经充电开关的充电电流，使充电开关的功耗维持恒定。当电池的电压大于预设电压阈值时，由第二放大器调节流经充电开关的充电电流，使电池的电压维持恒定。与现有技术相比，本发明的电池充电系统在整个充电过程中，即使充电电源电压与电池电压间的压差较大，也不会出现过热现象，从而提高了充电效率。
Description
技术领域
本发明是关于电池系统，尤其是关于一种电池充电系统、充电电路及控制电池充电的方法。
背景技术
传统电池充电系统，例如，锂电池充电系统，包含三个充电阶段，分别是预充电阶段，恒电流充电阶段和恒电压充电阶段。如图1所示是传统电池充电系统在这三个充电阶段中的充电曲线图100。
在图1中，充电曲线图100包括电池单元的充电电流曲线图102和电池单元的电压曲线图104。在上述三个充电阶段中，充电电流曲线图102随着电压曲线图104变化而变化。在预充电阶段，采用较小的预充电电流为电池单元充电，如充电电流曲线图102所示，同时，电池单元电压将随之缓慢增长，如电压曲线图104所示。当电池单元电压达到电压曲线图104中所标示的恒流模式的电压阈值时，电池充电系统将进入恒电流充电阶段。在恒电流充电阶段，采用恒电流对电池单元进行充电，如充电电流曲线图102所示，并且相应的电池单元电压将随之快速增长，如电压曲线图104所示。当电池单元电压达到电压曲线图104中所标示的恒压模式的电压阈值时，电池充电系统将进入恒电压充电阶段。在恒电压充电阶段中，流向电池单元的充电电流将逐渐减小，如充电电流曲线图102所示，从而使电池单元的电压维持在恒压模式的电压阈值。
在电池充电系统中，充电开关的功耗可以表示为ICC ＊(VIN-VBATT)，其中ICC表示对电池充电的恒电流值，(VIN-VBATT)表示电源电压与电池单元电压间的压差。在采用线性充电器的电池充电系统中，当电池单元电压较低时，ICC ＊(VIN-VBATT)的值较大，因此，在恒电流充电阶段有可能出现充电开关过热现象。该过热现象有可能触发电池充电系统的过热保护机制，导致电池充电系统停止充电，直到系统温度下降到合理值，再继续充电。在某些情况下，电池充电系统有可能在短时间充电后，就导致系统过热，从而停止充电。这将导致电池充电系统在充电和停止充电间频繁切换，从而降低电池充电系统的充电效率。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种电池充电系统、充电电路及控制电池充电的方法，通过控制用于导通充电电流的充电开关上的功耗，可以避免充电开关出现过热现象，并且提高充电效率。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种充电电路，其包括：开关，用于将充电电流导通至电池；以及耦合于开关的第一放大器，用于根据开关的功耗值调节充电电流。
本发明还提供了一种控制电池充电的方法，其至少包括下列步骤：导通流经充电开关的充电电流；以及采用放大器根据充电开关的功耗值调节流经充电开关的充电电流。
本发明还提供了一种电池充电系统。该电池充电系统包括用于将充电电流导通至电池的充电开关及耦合于充电开关的第一放大器和第二放大器。当电池的电压小于预设电压阈值，第一放大器根据充电开关的功耗值调节充电电流。当电池的电压达到预设电压阈值，第二放大器根据电池的电压调节充电电流。
与现有技术相比，本发明的电池充电系统采用第一放大器根据充电开关的功耗调节流经充电开关的电流，以及采用第二放大器根据电池的电压调节流经充电开关的电流。如果电池电压小于预设电压阈值，由第一放大器调节流经充电开关的电流，以使充电开关的功耗维持恒定。如果电池电压大于预设电压阈值，由第二放大器调节流经充电开关的电流，以使电池电压维持恒定。由此，本发明的电池充电系统在整个充电过程中，即使充电电源电压与电池电压间的压差较大，充电开关也不会出现过热现象，从而提高了充电效率。
附图说明
以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细的描述，以使本发明的特征和优点更为明显。其中：
图1所示为传统电池充电系统的充电曲线图。
图2所示为根据本发明的一个实施例的电池充电系统的结构框图。
图3所示为根据本发明的另一个实施例的电池充电系统的结构框图。
图4所示为根据本发明的一个实施例的电池充电系统的充电曲线图。
图5所示为根据本发明的一个实施例的电池充电系统的操作流程图。
图6所示为根据本发明的一个实施例的电池充电系统中将充电开关的功耗与一个预设功耗阈值进行比较的方法流程图。
具体实施方式
以下将对本发明的实施例给出详细的说明。虽然本发明将结合实施例进行阐述，但应理解为这并非意指将本发明限定于这些实施例。相反，本发明旨在涵盖由后附权利要求项所界定的本发明精神和范围内所定义的各种可选项、可修改项和等同项。
此外，在以下对本发明的详细描述中，为了提供针对本发明的完全的理解，阐明了大量的具体细节。然而，本领域技术人员将理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。在另外的一些实例中，对于大家熟知的方案、流程、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明之主旨。
图2所示为根据本发明的一个实施例的电池充电系统200的结构框图。在该实施例中，向放大器202，例如，运算放大器，的正相输入端提供第一参考电压VSET。并且，运算放大器202的反相输入端和输出端分别与晶体管206，例如，N型金属氧化物半导体(N-Metal-Oxide-Semiconductor，NMOS)晶体管，的源极和栅极相耦合。此外，电阻210耦合于NMOS晶体管206的源极和地之间。
由于运算放大器202的反相输入端电压与其正相输入端电压相等，因此NMOS晶体管206的源极电压等于参考电压VSET。忽略掉NMOS晶体管206的栅极电流以及运算放大器202的反相输入电流，流经晶体管206的第一参考电流IREF1可由等式(1)表示。
IREF1＝VSET/R210 (1)
R210表示电阻210的阻值。
此外，向放大器204，例如，运算放大器，的正相输入端提供第二参考电压VSET’。在一个实施例中，第二参考电压VSET’与第一参考电压VSET相同。运算放大器204的反相输入端与输出端分别与晶体管208，例如，NMOS晶体管，的源极和栅极相耦合。电阻212耦合于NMOS晶体管208的源极和地之间。
类似的，运算放大器204的反相输入电压与其正相输入电压相等，因此NMOS晶体管208的源极电压与参考电压VSET相等。忽略掉NMOS晶体管208的栅极电流和运算放大器204的反相输入电流，流经晶体管208的第二参考电流IREF2可由等式(2)表示。
IREF2＝VSET′/R212＝VSET/R212 (2)
R212表示电阻212的阻值。
在实施例中，电池充电系统200还包括由晶体管214和216，例如，P型金属氧化物半导体(P-Metal-Oxide-Semiconductor，PMOS)晶体管，构成的第一电流镜。在实施例中，PMOS晶体管214和216相同或相匹配。一电流镜耦合于NMOS晶体管206和晶体管218，例如，PNP晶体管，之间。PNP晶体管218的基极和集电极耦合于地。电池充电系统200还包括由晶体管220和222，例如，PMOS晶体管，构成的第二电流镜。在实施例中，PMOS晶体管220和222相同或相匹配。第二电流镜耦合于NMOS晶体管208和晶体管224，例如，PNP晶体管，之间。通过将PNP晶体管224的基极和PNP晶体管218的发射极相连，从而使PNP晶体管224与PNP晶体管218阶式级联。PNP晶体管224的集电极与地相连。
忽略掉PNP晶体管218和224的基极电流，流经PNP晶体管218的电流IREF1’与第一参考电流IREF1相等。因此，PNP晶体管218的射-基极间电压VEB1可由等式(3)表示。
VEB1＝VT*ln(IREF1′/IS)＝VT*ln(IREF1/IS) (3)
VT表示电池充电系统200中每个PNP晶体管，例如，PNP晶体管218和224，在给定温度下的热电压。IS表示每个PNP晶体管，例如，PNP晶体管218和224，的基-射极间二极管的反向饱和电流。
类似的，忽略掉PNP晶体管224的基极电流，流经PNP晶体管224的电流IREF2’等于第二参考电流IREF2。因此PNP晶体管224的射-基极间电压VEB2可由等式(4)表示。
VEB2＝VT*ln(IREF2′/IS)＝VT*ln(IREF2/IS) (4)
由于PNP晶体管218的基极与地相连，并且PNP晶体管224的基极与PNP晶体管218的发射极相连，PNP晶体管224的射极电压VA可由等式(5)所表示。
VA＝VEB1+VEB2＝VT*ln(IREF1/IS)+VT*ln(IREF2/IS)
(5)
＝VT*ln((VSET 2/R210)/(R212*IS 2))
在实施例中，电池充电系统200还包括充电电流感应器230，例如PMOS晶体管。该充电电流感应器230与一个充电开关252，例如，充电场效应晶体管(Field Effect Transistor，FET)，相耦合。在实施例中，充电FET 252可以是一个PMOS晶体管。该充电FET 252的栅极和源极分别与PMOS晶体管230的栅极和源极相连。因此，充电场效应晶体管252和PMOS晶体管230具有相同的栅-源极间驱动电压。在实施例中，PMOS晶体管230的面积是充电场效应晶体管252的面积的1/K。因此，如果忽略其短沟道调制效应，流经PMOS晶体管230的电流ISEN将是充电电流ICHG的1/K。电流ISEN可由等式(6)表示。
ISEN＝ICHG/K (6)
电池充电系统200还包括放大器234，例如，运算跨导放大器(Operational Transconductance Amplifier，OTA)。该运算跨导放大器具有一个跨导增益。在实施例中，OTA234的跨导增益可以设置为1/R212。在OTA234的正向输入端提供一个充电输入电压，并且将电池单元258的电压提供给OTA234的反向输入端。OTA234将充电输入电压与电池单元258的电压间的压差转换成偏置电流IDC。该偏置电流IDC可有公式(7)表示。
IDC＝(VIN-VBATT)*Gm＝(VIN-VBATT)/R212 (7)
VIN表示充电输入电压。VBATT表示电池单元258的电压。
在实施例中，耦合于PMOS晶体管230的晶体管232，例如PNP晶体管，用于接收感应电流ISEN。PNP晶体管232的基极和集电极与地相连。此外，耦合于OTA234的晶体管236，例如，PNP晶体管，用于接收偏置电流IDC。通过将PNP晶体管236的基极和PNP晶体管232的发射极相连，从而使PNP晶体管236与PNP晶体管232阶式级联。PNP晶体管236的集电极与地相连。
忽略掉PNP晶体管232和236的基极电流，流经PNP晶体管232的电流与感应电流ISEN相等。因此，PNP晶体管232的射-基极间电压VEB3可由等式(8)表示。
VEB3＝VT*ln(ISEM/IS) (8)
VT表示电池充电系统200中每个PNP晶体管，例如，PNP晶体管218，224，232和236，在给定温度下的热电压。IS表示每个PNP晶体管，例如，PNP晶体管218，224，232和236，的基-射极间二极管的反向饱和电流。
类似的，忽略掉PNP晶体管236的基极电流，流经PNP晶体管236的电流等于偏置电流IDC。因此，PNP晶体管236的射-基极间电压VEB4可由等式(9)给出。
VEB4＝VT*ln(IDC/IS) (9)
由于PNP晶体管232的基极与地相连，并且PNP晶体管236的基极与PNP晶体管232的发射极相连，PNP晶体管236的射极电压VB可由等式(10)所表示。
VB＝VEB3+VEB4＝VT*ln(IDC/IS)+VT*lN(ISEN/IS)＝VT*ln(ISEN*IDC/IS 2)
＝VT*ln((VIN-VBATT)*ICHG/(K*R212*IS 2)) (10)
＝VT*ln(PCHG)-VT*ln(K*R212*IS 2)
等于(VIN-VBATT)*ICHG的PCHG表示充电FET252的功耗。
在实施例中，电池充电系统200包括误差放大器240，例如，运算放大器，用于将充电FET252的功耗PCHG维持在预设功耗阈值PSET上。运算放大器240的正相输入端与PNP晶体管236的射极相连，并且运算放大器240的反向输入端与PNP晶体管224的射极相连。正相输入电压VB与反相输入电压VA间的电压差VDEF1可由等式(11)表示。
VDEF1
＝VB-VA＝VT*ln(PCHG)-VT*ln(K*R212*IS 2)-VT*ln((VSET 2/R210)/(R212*IS 2))
＝VT*ln(PCHG)-VT*ln(K*R212*IS 2)-VT*ln((K*VSET 2/R210)/(K*R212*IS 2)) (11)
＝VT*ln(PCHG)-VT*ln(K*R212*IS 2)-VT*ln(K*VSET 2/R210)+VT*ln(K*R212*IS 2)
＝VT*ln(PCHG)-VT*ln(PSET)
等于K*VSET 2/R210的PSET表示电池充电系统200的预设功耗阈值。在实施例中，通过调节电阻R210的阻值可设定预设功耗阈值PSET。根据电压差VDEF1，运算放大器240可产生第一驱动电流IDRV1至充电FET252。
在实施例中，电池充电系统200还包括误差放大器244，例如，运算放大器，用于使电池单元电压VBATT维持在预设电压阈值上。此外，串联耦合的电阻248和电阻250连接在电池单元258的正负极之间。运算放大器244的正相输入端耦合于电阻248和电阻250之间。因此，运算放大器244的正相输入端电压VC可由等式(12)表示。
VC＝VBATT*R250/(R248+R250) (12)
R248表示电阻248的阻值。R250表示电阻250的阻值。此外，向运算放大器244的反向输入端提供一个参考电压VREF。在实施例中，参考电压VREF可由等式(13)表示。
VREF＝VPRE*R250/(R248+R250) (13)
VPRE表示预设电压阈值。
因此，正相输入电压VC与反相输入电压VREF间的电压差VDEF2可由等式(14)给出。
VDEF2＝VC-VREF＝(VBATT-VPRE)*R250/(R248+R250) (14)
根据电压差VDEF2，运算放大器244可产生一个第二驱动电流IDRV2至充电FET 252。
此外，电阻254耦合于充电FET 252的栅极和源极之间。充电FET252的源-栅极间电压近似等于电阻254上的电压。与电阻254串联耦合的恒电流源256用于提供一个恒定电流ICC至电阻254。
当充电器(未示于图中)插入电池充电系统200中时，如果电池单元258的电压VBATT低于预设电压阈值，根据等式(14)，电压差VDRE2将为负值。由此，由运算放大器244产生至充电FET 252的第二驱动电流IDRV2将非常小。因此，第二驱动电流IDRV2即可被忽略。此外，耦合于运算放大器244的输出端的二极管246可防止反向电流流入运算放大器244的输出端。因此，充电FET 252的驱动电流将不受运算放大器244的影响。充电FET 252将主要由运算放大器240输出的第一驱动电流IDRV1控制。因此，对电池单元258进行充电时，即可控制充电FET252的功耗恒定。
在恒定功耗充电阶段，如果充电FET252的功耗PCHG大于预设功耗阈值PSET，根据等式(11)，电压差VDEF1可为正值。因此，由运算放大器240输出的第一驱动电流IDRV1将增大。由于电流ICC恒定，根据等式(15)，电阻254上的电压降V254将减小。
V254＝(ICC-IDRV1)*R254 (15)
R254表示电阻254的阻值。由此，充电FET 252的源栅极间电压将减小，从而导致充电电流ICHG和功耗PCHG减小。
如果充电FET 252的功耗PCHG小于预设功耗阈值PSET，根据等式(11)，电压差VDEF1可为负值。因此，由运算放大器240输出的第一驱动电流IDRV1将减小。由于电流ICC恒定，根据等式(15)，电阻254上的电压降V254将增大。由此，充电FET 252的源栅极间电压将增大，从而导致充电电流ICHG和功耗PCHG增大。
因此，充电FET 252的功耗PCHG即可维持在一个近似恒定值。由此，在恒功耗充电阶段，在电池充电系统200中将不会出现过热现象。
当电池单元电压VBATT接近预设电压阈值时，根据等式(14)，电压差VDEF2将接近零值。因此，由运算放大器244输出的第二驱动电流IDRV2即可缓慢增大并且不再被忽略。由此，电阻254上的电压降V254可由等式(16)给出。
V254＝(ICC-IDRV1-IDRV2)*R254 (16)
如果第二驱动电流IDRV2持续增大，压降V254将减小。充电电流ICHG将随之减小。因此，功耗PCHG将会减小，从而导致运算放大器240的正相输入电压VB减小。由此，由运算放大器240产生的第一驱动电流IDRV1将减小。由于在第一驱动电流IDRV1减小的同时第二驱动电流IDRV2增大，压降V254将不会随着第一驱动电流IDRV1的减小而增大。由此，当电池单元电压VBATT逐步接近预设电压阈值时，第一驱动电流IDRV1将逐渐减小。
当电池单元电压VBATT等于或大于预设电压阈值时，由运算放大器240输出的第一驱动电流IDRV1将会非常小。因此既可忽略第一驱动电流IDRV1。此外，耦合于运算放大器240的二极管242可用于防止反向电流流入运算放大器240的输出端。此时，充电FET 252将主要由运算放大器244输出的第二驱动电流IDRV2所控制。由此，电池单元258将在恒定电压控制模式下进行充电。因此，即可实现由恒定功耗控制模式向恒定电压控制模式的平滑过渡。
在恒定电压充电阶段，如果电池单元电压VBATT增大至大于预设电压阈值，根据等式(14)，电压差VDEF2为正值。由此，由运算放大器244产生的第二驱动电流IDRV2将增大。由于电流ICC恒定，根据等式(17)所计算的电阻254上的压降V254将减小。
V254＝(ICC-IDRV2)*R254 (17)
由此，充电FET 252的源栅极间电压将减小，因此充电电流ICHG也随之减小。当充电电流ICHG减小时，电池单元电压VBATT将增加的越来越慢。由此，即可维持电池单元电压VBATT近似等于预设电压阈值VPRE。
此外，当第一驱动电流IDRV1和第二驱动电流IDRV2都接近零值时，电阻254上的压降V254将等于ICC*R254。由于每个充电器的输入电压都是某个电压范围内，例如，从4.5V到5.5V，的一个恒定值，即可将ICC*R254的值设为该范围内的最大值，例如，5.5V。因此，即可在相应范围内调节充电FET 252。
有利的是，当电池单元电压VBATT小于预设电压阈值时，电池充电系统200即可控制使充电FET252上的功耗恒定。当电池电压VBATT等于或大于预设电压阈值时，电池充电系统200即可控制电池单元258的电压恒定。由图1所述，在传统电池充电系统中，在恒定电流充电阶段，如果充电电源的输入电压与电池单元电压间的压差较大，将会出现过热现象。与传统电池充电系统相比，对于电池充电系统200，在整个充电阶段，即使充电电源的输入电压与电池单元电压间的压差较大，也不会出现过热现象。并且，电池充电系统200还可用于对过放电电池单元进行充电。当电池单元电压VBATT较低时，为了维持功率恒定，充电电流同样较小，从而对电池单元258进行预充电。此外，当电池单元电压VBATT升高时，充电电流也将同样增大直到充电FET252的功耗PCHG达到预设功耗阈值PSET。因此，电池的充电速度将得到较大提高。
图3所示为根据本发明的另一个实施例的电池充电系统300的结构框图。与图2中标记相同的元件具有相似的功能，为了简明起见，在此将不对其进行重复性描述。图3将结合图2进行描述。
在图3中，耦合于NMOS晶体管206的晶体管318，例如NPN晶体管，用于接收参考电流IREF1。此外，耦合于NMOS晶体管208的晶体管324，例如NPN晶体管，用于接收参考电流IREF2。NPN晶体管318的基极和集电极与输入电压VIN相连。NPN晶体管324的基极与NPN晶体管318的发射极相连。因此，NPN晶体管324与NPN晶体管318级联。NPN晶体管324的集电极与输入电压VIN相连。
由于NPN晶体管318和324的基极电流可被忽略，因此流经NPN晶体管318的电流等于第一参考电流IREF1。因此NPN晶体管318的基-射极间电压VBE1即可由等式(18)表示。
VBE1＝VT*ln(IREF1/IS) (18)
VT表示电池充电系统300中各个NPN晶体管，例如，NPN晶体管318和324，在给定温度下的热电压。IS表示各个晶体管，例如，NPN晶体管318和324，的基-射极间二极管的反向饱和电流。
类似的，由于NPN晶体管324的基极电流可被忽略，流经NPN晶体管324的电流将等于第二参考电流IREF2。因此NPN晶体管324的基-射极间电压VBE2即可由等式(19)表示。
VBE2＝VT*ln(IREF2/IS) (19)
由于NPN晶体管318的基极与输入电压VIN相连，并且NPN晶体管324的基极与NPN晶体管318的发射极相连，NPN晶体管324的发射极电压VA即可由等式(20)表示。
VA＝VIN-(VBE1+VBE2)＝VIN-(VT*ln(PSET)-VT*ln(K*R212*IS 2)) (20)
等于K*VSET 2/R210的PSET表示电池充电系统300的预设功耗阈值。在实施例中，通过调节电阻R210的阻值可设定预设功耗阈值PSET。
在实施例中，电池充电系统300包括由晶体管314和316，例如NMOS晶体管，构成的第一电流镜。在实施例中，晶体管314和316是相同或相匹配的。第一电流镜耦合于PMOS晶体管230和晶体管332，例如，NPN晶体管，之间。NPN晶体管332的基极和集电极与输入电压VIN相连。电池充电系统300还包括由晶体管320和322，例如NMOS晶体管，构成的第二电流镜。在实施例中，晶体管320和322是相同或相匹配的。第二电流镜耦合于OTA234的输出端和晶体管336，例如，NPN晶体管，之间。通过将NPN晶体管336的基极与NPN晶体管332的发射极相连，使NPN晶体管336与NPN晶体管332级联。NPN晶体管336的集电极与输入电压VIN相连。
由于NPN晶体管332和336的基极电流可忽略，流经NPN晶体管332的电流ISEN’将等于流经NMOS晶体管314的感应电流ISEN。因此，NPN晶体管332的基-射极间电压VBE3即可由等式(21)表示。
VBE3＝VT*ln(ISEN′/IS)＝VT*ln(ISEN/IS) (21)
VT表示电池充电系统300中各个NPN晶体管，例如，NPN晶体管318，324，332和336，在给定温度下的热电压。IS表示各个晶体管，例如，NPN晶体管318，324，332和336，的基-射极间二极管的反向饱和电流。
类似的，由于NPN晶体管336的基极电流可被忽略，流经NPN晶体管336的电流IDC’将等于流经NMOS晶体管320的偏置电流IDC。因此，NPN晶体管336的基-射极间电压VBE4即可由等式(22)表示。
VEB4＝VT*ln(IDC’／IS)＝VT*ln(IDC/IS) (22)
由于NPN晶体管332的基极与输入电压VIN相连，并且NPN晶体管336的基极与NPN晶体管332的发射极相连，NPN晶体管326的发射极电压VB即可由等式(23)表示。
VB＝VIN-(VBE3+VBE4)＝VIN-(VT*ln(PCHG)-VT*ln(K*R212*IS 2) (23)
等于(VIN-VBATT)*ICHG的PCHG表示充电FET252的功耗。
在实施例中，运算放大器240的正相输入端与NPN晶体管336的发射极相耦合。运算放大器240的反向输入端与NPN晶体管324的发射极相耦合。因此，正相输入电压VB与反相输入电压VA间的压差VDEF1可由等式(24)表示。
VDEF1＝VB-VA＝VT*ln(PCHG)-VT*ln(PSET) (24)
根据电压差VDEF1，运算放大器240即可产生第一驱动电流IDRV1至充电FET 252。
因此，电池充电系统300可采用与图2中电池充电系统200的相同的处理方式，从而控制充电FET252上的功耗恒定，以及/或者控制电池单元258上的电压恒定。
图4所示为根据本发明的一个实施例的电池充电系统，例如，图2所示电池充电系统200，在整个充电过程中的充电曲线图。图4将结合图2进行描述。充电曲线图400包括充电FET252的功耗曲线图402，电池单元258的充电电流曲线图404和电池单元258的电压曲线图406。功耗曲线图402将随着充电电流曲线图404和电压曲线图406的变化而变化。
当一个充电器插入电池充电系统200中时，如果电池单元258的电压VBATT小于预设电压阈值VPRE，根据等式(14)，电压差VDEF2为负值。因此，由运算放大器244输出至充电FET 252的第二驱动电流IDRV2将很小，从而可被忽略。因此，充电FET 252将主要由运算放大器240输出的第一驱动电流IDRV1控制。因此，在对电池单元258进行充电的过程中，即可控制充电FET 252上的功耗恒定。
在恒定功耗充电阶段，当电池单元电压VBATT较低时，为了使充电FET252的功耗PCHG持续近似等于预设功耗阈值PSET，充电电流ICHG将同样较小。随着电池单元电压VBATT的增大，充电电流ICHG亦随之增大从而维持充电FET 252的功耗PCHG近似等于预设功耗阈值PSET。
当电池单元电压VBATT接近于图4中所标示的预设电压阈值VPRE时，由等式(14)可知，电压差VDEF2将接近零值。因此，第二驱动电流IDRV2将逐渐增大至不可被忽略。同时，由运算放大器240产生的第一驱动电流IDRV1将逐渐减小。当电池单元258的电压VBATT达到预设电压阈值VPRE时，第一驱动电流IDRV1将减小至可被忽略。因此，充电FET 252将主要由运算放大器244输出的第二驱动电流IDRV2所控制，此时电池单元258将在恒定电压充电模式下进行充电。
在恒定电压充电阶段，充电电流ICHG逐渐减小至零。因此，电池单元电压VBATT将增加的越来越慢。由此，可使电池单元电压VBATT近似等于预设电压阈值VPRE。同时，由于电池单元电压VBATT近似恒定不变，功耗PCHG将随着充电电流ICHG的减小而减小。
图5所示为根据本发明的一个实施例的电池充电系统，例如，图2所示电池充电系统200，的操作流程图500。图5将结合图2进行描述。
在方框502中，电池充电系统通过充电开关252产生一个充电电流至电池，如电池单元258。在方框504中，判断电池的电压VBATT是否小于预设电压阈值VPRE。如果电池的电压VBATT小于预设电压阈值VPRE，则在方框506中将充电开关252的功耗PCHG与一个预设功耗阈值PSET相比较。在方框508中，根据比较结果调节流经充电开关252的充电电流ICHG，从而使充电开关252的功耗PCHG维持恒定。
在实施例中，根据比较结果可产生一个驱动电流至充电开关252。如果充电开关252的功耗PCHG大于预设功耗阈值PSET，通过调节驱动电流即可减小充电电流ICHG。如果充电开关252的功耗PCHG小于预设功耗阈值PSET，通过调节驱动电流即可增大充电电流ICHG。
如果电池的电压VBATT等于或大于预设电压阈值VPRE，则在方框510中，将电池电压VBATT与预设电压阈值VPRE进行比较。在方框512中，根据比较结果调节流经充电开关252的充电电流ICHG，从而控制电池的电压VBATT(例如，使电池电压近似恒定不变)。
在实施例中，根据比较结果可产生一个驱动电流至充电开关252。如果电池电压VBATT大于预设电压阈值VPRE，通过调节驱动电流即可减小充电电流ICHG。
图6所示为根据本发明的一个实施例的在一个电池充电系统中，例如，图2所示电池充电系统200，将充电开关的功耗与一个预设功耗阈值进行比较的方法流程图600。图6将结合图5和图2进行描述。
在方框602中，根据等式(25)产生一个第一电流I1，该第一电流I1随着流经充电开关252的充电电流变化而变化。
I1＝ICHG/K (25)
ICHG表示流经充电开关252的充电电流。K表示充电开关252与电流感应器230的面积比。在实施例中，由电流感应器230(例如，PMOS晶体管)产生第一电流I1。电流感应器230源极和栅极分别与充电开关252的源极和栅极相连。由于PMOS晶体管230的面积是充电开关252的面积的1/K，因此，如果忽略其短沟道调制效应，第一电流I1是充电电流ICHG的1/K。
在方框604中，根据等式(26)将充电开关252上的电压转换为一个第二电流I2。
I2＝(VIN-VBATT)*Gm＝(VIN-VBATT)/R212 (26)
Gm表示转换参数。在实施例中，可采用一个耦合于充电开关252的源极和漏极间的放大器，例如，OTA 234，产生第二电流I2。可将OTA 234的跨导增益设置为转换参数Gm的值。
在方框606中，通过使第一电流I1流经晶体管，例如，PNP晶体管232，即可在PNP晶体管232的发射极和基极间产生第一电压VEB1，由等式(27)表示。
VEB1＝VT1*ln(I1/IS1) (27)
VT1表示PNP晶体管232在给定温度下的热电压。IS1表示PNP晶体管232的基-射极间二极管的反向饱和电流。
在方框608中，通过使第二电流I2流经晶体管，例如，PNP晶体管236，即可在PNP晶体管236的发射极和基极间产生第二电压VEB2，由等式(28)表示。
VEB2＝VT2*ln(I2/IS2) (28)
VT2表示PNP晶体管236在给定温度下的热电压。IS2表示PNP晶体管236的基-射极间二极管的反向饱和电流。VT2与VT1相等。IS2与IS1相等。
在方框610中，通过使第一参考电流IREF1流经晶体管，例如，PNP晶体管218，即可在PNP晶体管218的发射极和基极间产生第三电压VEB3，由等式(29)表示。
VEB3＝VT3*ln(IREF1/IS3) (29)
VT3表示PNP晶体管218在给定温度下的热电压。IS3表示PNP晶体管218的基-射极间二极管的反向饱和电流。VT3与VT1相等。IS3与IS1相等。
在方框612中，通过使第二参考电流IREF2流经晶体管，例如，PNP晶体管224，即可在PNP晶体管224的发射极和基极间产生第四电压VEB4，由等式(30)表示。
VEB4＝VT4*ln(IREF2/IS4) (30)
VT4表示PNP晶体管224在给定温度下的热电压。IS4表示PNP晶体管224的基-射极间二极管的反向饱和电流。VT4与VT1相等。IS4与IS1相等。
之后在方框614中，根据等式(31)计算电压差VDIF。
VDIF＝VEB1+VEB2-VEB3-VEB4
＝VT1*ln(I1*IS1)+VT2*ln(I2*IS2)-VT3*ln(IREF1*IS3)-VT4*ln(IREF2*IS4)
＝VT1*(ln(I1*I2)-ln(IREF1*IREF2)) (31)
＝VT1*(ln(ICHG*(VIN-VBATT))-ln(IREF1*IREF2))
＝VT1*(ln(PCHG)-ln(PSET))
等于(VIN-VBATT)*ICHG的PCHG表示充电FET 252的功耗。等于IREF1*IREF2的PSET表示预设功耗阈值。
在方框616中，根据所计算的电压差VDIF即可将充电开关252的功耗PCHG与预设功耗阈值PSET进行比较。如果电压差VDIF为正，表示充电开关252的功耗PCHG大于预设功耗阈值PSET。如果电压差VDIF为负，表示充电开关252的功耗PCHG小于预设功耗阈值PSET。
综上所述，本发明揭示了一种电池充电系统，例如，图2和图3中的电池充电系统200和300。在实施例中，电池充电系统包括充电开关252，用于控制流经充电开关252的充电电流，以及耦合于充电开关252的第一误差放大器240。当电池电压小于预设电压阈值时，由第一误差放大器240调节充电电流从而使充电开关252的功耗恒定。电池充电系统还包括一个耦合于充电开关252的第二误差放大器244。当电池电压等于或大于预设电压阈值时，由第二误差放大器244调节充电电流从而使电池电压恒定。此外，电池充电系统也可用于对多个电池进行充电。
当电池电压小于预设电压阈值时，在对电池单元258进行充电的同时控制充电开关252上的功耗恒定。第一误差放大器240可以将充电开关252的功耗与预设功耗阈值进行比较，并且根据比较结果产生一个驱动电流至充电开关252。如果充电开关252的功耗大于预设功耗阈值，即可通过调节该驱动电流使流经充电开关252的充电电流减小。如果充电开关252的功耗小于预设功耗阈值，即可通过调节该驱动电流使流经充电开关252的充电电流增大。
当电池电压等于或大于预设电压阈值时，即可在恒定电压控制模式下对电池进行充电。第二误差放大器244可将电池电压与预设电压阈值进行比较，并根据比较结果产生一个驱动电流至充电开关252。如果电池电压大于预设电压阈值，即可通过调节该驱动电流使流经充电开关252的充电电流减小。
有利的是，在电池充电系统200或300的整个充电过程中，即使充电电源的电压与电池电压间的压差较大，也不会出现过热现象。并且，电池充电系统可用于对过放电电池进行充电。当电池电压值很低时，系统将会提供一个很小的充电电流对电池进行预充电。此外，当电池电压升高时，充电电流也将同时升高直到充电开关的功耗达到预设功耗阈值。因此系统的充电效率将得到提高。
上文具体实施方式和附图仅为本发明之常用实施例。显然，在不脱离后附权利要求书所界定的本发明精神和保护范围的前提下可以有各种增补、修改和替换。本领域技术人员应该理解，本发明在实际应用中可根据具体的环境和工作要求在不背离发明准则的前提下在形式、结构、布局、比例、材料、元素、组件及其它方面有所变化。因此，在此披露之实施例仅用于说明而非限制，本发明之范围由后附权利要求及其合法等同物界定，而不限于此前之描述。
Claims (24)
1.一种充电电路，其特征在于，所述充电电路包括：
开关，用于将充电电流导通至电池；以及
耦合于所述开关的第一放大器，用于根据所述开关的功耗值调节所述充电电流。
2.根据权利要求1所述的充电电路，其特征在于，所述第一放大器将所述开关的所述功耗值与预设值进行比较，并根据所述比较的结果产生驱动电流至所述开关。
3.根据权利要求1所述的充电电路，其特征在于，所述充电电路还包括耦合于所述第一放大器和所述开关的二极管，用于防止反向电流从所述开关流向所述第一放大器。
4.根据权利要求1所述的充电电路，其特征在于，所述充电电路还包括耦合于所述开关的电流源，用于为所述开关提供驱动电流，从而导通所述开关。
5.根据权利要求1所述的充电电路，其特征在于，所述充电电路还包括耦合于所述第一放大器的第一电路，用于产生第一电压至所述第一放大器，所述第一电压随所述开关的所述功耗值变化，所述开关的所述功耗值与随流经所述开关的所述充电电流变化的第一电流和随所述开关上的电压变化的第二电流相关，并且所述第一放大器将所述第一电压与预设值进行比较，并根据所述比较的结果产生驱动电流至所述开关。
6.根据权利要求5所述的充电电路，其特征在于，所述充电电路还包括耦合于所述开关的晶体管，用于产生所述第一电流，其中所述晶体管的驱动电压与所述开关的驱动电压相对应。
7.根据权利要求5所述的充电电路，其特征在于，所述充电电路还包括耦合于所述开关的第二放大器，用于将所述开关上的所述电压转换为所述第二电流。
8.根据权利要求5所述的充电电路，其特征在于，所述第一电路包括：
第一晶体管，其中所述第一电流流经所述第一晶体管；以及
基极与所述第一晶体管的发射极相连的第二晶体管，其中所述第二电流流经所述第二晶体管，并且所述第二晶体管的发射极电压输入至所述第一放大器。
9.一种控制电池充电的方法，其特征在于，所述方法包括：
导通流经充电开关的充电电流；以及
采用放大器根据所述充电开关的功耗值调节流经所述充电开关的所述充电电流。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
将所述充电开关的所述功耗值与预设值进行比较；以及
根据所述比较的结果产生驱动电流至所述充电开关。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括利用二极管防止反向电流由所述充电开关流向所述放大器。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
产生随所述充电开关的所述功耗值变化的第一电压，所述充电开关的所述功耗值与随流经所述充电开关的所述充电电流变化的第一电流和随所述充电开关上的电压变化的第二电流相关；
将所述第一电压与预设值进行比较；以及
根据所述比较的结果产生驱动电流至所述充电开关。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法还包括采用晶体管产生所述第一电流，其中所述晶体管的驱动电压与所述充电开关的驱动电压相对应。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将所述充电开关上的所述电压转换为所述第二电流。
15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过将所述第一电流导通至第一晶体管和将所述第二电流导通至第二晶体管，产生所述第一电压，其中所述第二晶体管的基极与所述第一晶体管的发射极相连。
16.一种电池充电系统，其特征在于，所述电池充电系统包括：
用于将充电电流导通至电池的充电开关；
耦合于所述充电开关的第一放大器，当所述电池的电压小于预设电压阈值，所述第一放大器根据所述充电开关的功耗值调节所述充电电流；以及
耦合于所述充电开关的第二放大器，当所述电池的所述电压达到预设电压阈值，所述第二放大器根据所述电池的所述电压调节所述充电电流。
17.根据权利要求16所述的电池充电系统，其特征在于，所述第一放大器将所述充电开关的所述功耗值与预设值进行比较，并根据所述比较的结果产生驱动电流至所述充电开关。
18.根据权利要求16所述的电池充电系统，其特征在于，所述第二放大器将所述电池的所述电压与所述预设电压阈值进行比较，并根据所述比较的结果产生驱动电流至所述充电开关。
19.根据权利要求16所述的电池充电系统，其特征在于，所述电池充电系统还包括一个耦合于所述第一放大器和所述充电开关之间的二极管，用于防止反向电流由所述充电开关流向所述第一放大器。
20.根据权利要求16所述的电池充电系统，其特征在于，所述电池充电系统还包括一个耦合于所述第二放大器和所述充电开关之间的二极管，用于防止反向电流由所述充电开关流向所述第二放大器。
21.根据权利要求16所述的电池充电系统，其特征在于，所述电池充电系统还包括耦合于所述第一放大器的第一电路，用于产生第一电压至所述第一放大器，所述第一电压随所述充电开关的所述功耗值变化，所述充电开关的所述功耗值与随流经所述充电开关的所述充电电流变化的第一电流和随所述充电开关上的电压变化的第二电流相关，并且所述第一放大器将所述第一电压与预设值进行比较，并根据所述比较的结果产生驱动电流至所述充电开关。
22.根据权利要求21所述的电池充电系统，其特征在于，所述电池充电系统还包括耦合于所述充电开关的晶体管，用于产生所述第一电流，其中所述晶体管的驱动电压与所述充电开关的驱动电压相对应。
23.根据权利要求21所述的电池充电系统，其特征在于，所述电池充电系统还包括耦合于所述充电开关的第三放大器，用于将所述充电开关上的所述电压转换为所述第二电流。
24.根据权利要求21所述的电池充电系统，其特征在于，所述第一电路包括：
第一晶体管，其中所述第一电流流经所述第一晶体管；以及
基极与所述第一晶体管的发射极相连的第二晶体管，其中所述第二电流流经所述第二晶体管，并且所述第二晶体管的发射极电压输入至所述第一放大器。
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