CN102484380B - 带有电流调节的充电电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于为储能元件（30）充电的充电电路（20）。所述充电电路（20）包括反馈模块（201）、控制模块（202）、开关模块（203）和存储模块（204），其中控制模块（202）被配置成在反馈信号显著小于参考信号时调节控制信号以便增大开关模块（203）的接通‑关断比，或者在反馈信号显著大于参考信号时调节控制信号以便减小开关模块（203）的接通‑关断比。通过应用所述充电电路（20），用于储能元件（30）的充电时间更短，并且因此从电源（10）消耗更少的功率。

Description

带有电流调节的充电电路
技术领域
本发明涉及一种充电电路，特别是一种用于对快速可充电储能元件进行充电的充电电路。
背景技术
超级电容器已经成为针对锂离子或NiMH可再充电电池的即将到来的替换方案。与传统的可再充电电池相比，超级电容器的优点在于非常低的自放电、非常低的源电阻、更多使用周期、没有着火或爆炸的危险以及没有对充电电流的限制。
由于充电电池的优点在于没有对充电电流的限制，因此有可能借助于增大充电电流而对超级电容器进行非常快速的再充电。
发明内容
通常来说，我们可以用来为某一设备充电的每一种电源在某些方面都具有受到限制的电流能力。举例来说，墙壁插座可能具有500或1000mA的电流极限，并且不允许超出这一极限。USB端口常常被用来为移动设备充电，其电流极限为500mA或者仅仅100mA（如果使用总线供电的集线器的话）。即使是市电也被断路器限制到特定安培数。
鉴于电源的电流极限，将会有利的是获得一种耦合到电源的充电电路，并且其可以在不超出电源的电流极限的情况下给出最大可用电流，以便在更短时间内以更高功率效率为例如超级电容器的储能元件充电。
为了更好地解决前述问题，提供一种根据本发明的各个实施例的充电电路。
在一个实施例中，所述充电电路包括控制模块、开关模块、存储模块和反馈模块，其中
反馈模块被配置成基于从电源汲取的输入电流生成反馈信号，所述反馈信号被馈送到控制模块；
控制模块被配置成基于反馈信号生成控制信号，以便控制开关模块；
存储模块被配置成在开关模块接通时接收从电源汲取的输入电流，并且在开关模块关断时提供输出电流以便为储能元件充电；
其中，控制模块还被配置成在反馈信号显著小于参考信号时调节控制信号以便增大开关模块的接通-关断比，或者在反馈信号显著大于参考信号时调节控制信号以便减小开关模块的接通-关断比。
在一些实施例中，所述控制模块、开关模块、存储模块和反馈模块构成步降DC到DC转换器。反馈模块基于从电源汲取的输入电流生成反馈信号，并且将其馈送到控制模块。控制模块基于反馈信号输出控制信号，以便控制开关模块接通或关断。当开关模块接通时，存储模块被连接到电源，以便接收从电源汲取的输入电流并且存储能量。当开关模块关断时，存储模块输出输出电流，以便为储能元件充电。
此外，控制模块将调节控制信号，以便在输入电流显著小于电源的电流极限时增大开关模块的接通-关断比。随着开关模块的接通-关断比增大，更多输出电流流入到储能元件中，并因此使得储能元件两端的输出电压升高。
控制模块将调节控制信号，以便在输入电流显著大于电源的电流极限时减小开关模块的接通-关断比。随着开关模块的接通-关断比减小，更少输出电流流入到储能元件中，并因此使得储能元件两端的输出电压降低。
由于控制模块基于来自反馈模块的反馈信号动态地调节控制信号，因此输入电流被保持恒定在电源的电流极限，并且输出电流总是被保持得尽可能大以便尽可能快速地为储能元件充电。
此外，对于所述步降DC到DC转换器，只要储能元件两端的输出电压小于从电源汲取的输入电压，用于为储能元件充电的输出电流就大于从电源汲取的输入电流。其结果是，用于储能元件的充电时间更短。
可选的是，所述充电电路还包括充电控制模块，其中充电控制模块被配置成在储能元件两端的充电电压大于预定电压阈值时控制存储模块停止为储能元件充电。
可选的是，所述预定电压阈值显著小于储能元件的最大允许充电电压。
每一个储能元件（例如超级电容器）都具有最大允许充电电压，并且一旦储能元件两端的充电电压大于该最大允许充电电压，储能元件就将被破坏。充电控制模块可以在储能元件两端的充电电压达到最大允许充电电压时控制存储模块停止为储能元件充电，从而以更加有效的方式防止对储能元件造成破坏。
可选的是，所述充电电路还包括设置在存储模块与储能元件之间的抗回流模块，其被配置成在电源关断时防止电流从储能元件回流到存储模块中。
本发明的上述和其他方面将变得显而易见并且将参照下文中描述的各个实施例对其进行阐述。
附图说明
通过下面结合附图考虑的详细描述，本发明的上述和其他目的及特征将变得更加显而易见，其中：
图1示出了根据本发明的一个实施例的充电电路。
图2示出了根据本发明的一个实施例的充电电路的反馈模块。
图3示出了根据本发明的另一个实施例的充电电路。
图4示出了根据本发明的又一个实施例的充电电路。
图5示出了根据本发明的一个实施例的充电电路的示例性电路。
图6是充电性能比较图。
在各图中，相同的附图标记被用来表示类似的部件。
具体实施方式
下面将结合附图更加详细地提供本发明的各个实施例的描述。
图1示出了根据本发明的一个实施例的充电电路20。充电电路20耦合到电源10并且被用于为储能元件30充电。
电源10包括（但不限于）墙壁插座或USB端口。
储能元件30包括（但不限于）超级电容器或快速可充电锂离子电池。
应当提到的是，在本发明中可以使用适于非常快速的再充电的任何储能元件。
参照图1，虚线框格表示充电电路20，其包括反馈模块201、控制模块202、开关模块203和存储模块204。
反馈模块201被配置成基于从电源10汲取的输入电流生成反馈信号，并且将反馈信号馈送到控制模块202。
控制模块202被配置成基于反馈信号生成控制信号，以便控制开关模块203接通-关断。
可选的是，控制信号是方波信号。在方波信号的一个周期期间，逻辑高允许接通开关模块203，并且逻辑低允许关断开关模块203。
当开关模块203接通时，存储模块204被连接到电源10，以便接收从电源10汲取的输入电流并且存储能量。
当开关模块203关断时，存储模块204输出输出电流以便为储能元件30充电。
开关模块203包括（但不限于）MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）或双极结型晶体管。
存储模块204包括（但不限于）电感器。
此外，控制模块202还被配置成在反馈信号显著小于参考信号时调节控制信号以便增大开关模块203的接通-关断比，或者在反馈信号显著大于参考信号时调节控制信号以便减小开关模块203的接通-关断比。
应当提到的是，控制信号可以是PWM信号或PFM信号，也就是说，控制模块202可以基于PWM或PFM操作。
还应当提到的是，控制模块202可以由例如MAX1584/1585的集成芯片构成，或者由包括其功能与集成芯片相同的分立组件的电路构成。
如果控制信号是PWM信号，则控制信号的周期是恒定的，并且可以调节一个周期内的控制信号的接通时间。当反馈信号显著小于参考信号时，控制模块202还被配置成调节控制信号以便增加控制信号的接通时间，从而增大开关模块203的接通-关断比，或者当反馈信号显著大于参考信号时，控制模块202还被配置成调节控制信号以便减少控制信号的接通时间，从而减小开关模块203的接通-关断比。
如果控制信号是PFM信号，则控制信号的接通时间是恒定的，并且可以调节控制信号的关断时间。当反馈信号显著小于参考信号时，控制模块202还被配置成调节控制信号以便减少控制信号的关断时间，从而增大开关模块203的接通-关断比，或者当反馈信号显著大于参考信号时，控制模块202还被配置成调节控制信号以便增加控制信号的关断时间，从而减小开关模块203的接通-关断比。
可选的是，由反馈模块201生成并且被馈送到控制模块202中的反馈信号恰好是从电源10汲取的输入电流。
如果反馈信号是从电源10汲取的输入电流，则参考信号被设定到基本上等于电源10的电流极限。
在一种变型中，参照图2，虚线框格表示反馈模块201，其包括阻抗2011和电压测量元件2012。
阻抗2011被设置在电源10与开关模块203之间，其中从电源10汲取的输入电流流过阻抗2011。
电压测量元件2012被配置成测量阻抗2011两端的第一电压，并且基于第一电压生成将被馈送到控制模块202的反馈信号。
如果被馈送到控制模块202中的反馈信号是阻抗2011两端的第一电压，则参考信号被设定到基本上等于从电源10汲取的输入电流与阻抗2011的电阻的乘积。
阻抗2011可以由一个电阻器或多个电阻器构成。
可替换地，电压测量元件2012可以是差分放大器，其被配置成放大阻抗2011两端的第一电压，并且将放大后的第一电压作为反馈信号输出到控制模块202。
如果是这样的话，则参考信号被设定到基本上等于从电源10汲取的输入电流、阻抗2011的电阻以及所述差分放大器的放大因数的乘积。
应当提到的是，反馈信号与参考信号之间的比较实际上等效于从电源10汲取的输入电流与电源10的电流极限之间的比较。
当从电源10汲取的输入电流显著小于电源10的电流极限时，控制模块202将调节控制信号以便增大开关模块203的接通-关断比。
随着开关模块203的接通-关断比增大，更多输出电流流入到储能元件30中，并因此使得储能元件30两端的输出电压升高。
当从电源10汲取的输入电流显著大于电源10的电流极限时，控制模块202将调节控制信号，以便减小开关模块203的接通-关断比。
随着开关模块203的接通-关断比减小，更少输出电流流入到储能元件30中，并因此使得储能元件20两端的输出电压降低。
由于控制模块202基于来自反馈模块201的反馈信号动态地调节控制信号，因此从电源10汲取的输入电流被保持恒定在电源10的电流极限，并且输出电流总是被保持得尽可能大以便尽可能快速地为储能元件30充电。
此外，由于充电电路20是步降DC到DC转换器，因此只要储能元件30两端的输出电压小于从电源10汲取的输入电压，用于为储能元件30充电的输出电流就大于从电源10汲取的输入电流。其结果是，用于储能元件30的充电时间更短。
每一个储能元件（例如超级电容器）都具有最大允许充电电压，并且一旦储能元件两端的充电电压达到最大允许充电电压，储能元件就将被破坏；因此，参照图3，充电电路20可选地还包括充电控制模块205，其被配置成在储能元件30两端的充电电压大于预定电压阈值时控制存储模块204停止为储能元件30充电。
可选的是，所述预定电压阈值显著小于储能元件30的最大允许充电电压。
例如把超级电容器作为储能元件，如果超级电容器的最大允许充电电压是2.5V，则所述预定电压阈值可以被设定为高至2.4V。
可选的是，充电控制模块205可以是比较器。所述比较器把储能元件30两端的充电电压与预定电压阈值进行比较，并且在储能元件30两端的充电电压大于预定电压阈值时控制所述控制模块202停止输出控制信号。
由于在储能元件30两端的充电电压大于预定电压阈值时对储能元件30的充电被终止，因此充电控制模块205有效地防止储能元件30受到破坏。
参照图4，充电电路20可选地还包括设置在存储模块204与储能元件30之间的抗回流模块206，其被配置成在电源10关断时防止电流从储能元件30回流到存储模块204中。
可选的是，抗回流模块206可以是通过输入电压的存在而受到控制的晶体管或者是二极管。
除了图1到图4中所示出的模块之外，充电电路20可选地还可以包括两个滤波模块。其中一个被配置成平滑从电源10汲取的输入电压，另一个被配置成平滑储能元件30两端的输出电压。
可选的是，所述滤波模块可以由一个电容器或多个电容器构成。
下面将参照图5阐述根据本发明的一个实施例的充电电路的示例性电路。
在图5中，集成芯片IC201（其是可以从MAXIM Corporation获得的MAX1584/1585）充当前面各图中的控制模块202。MAX1584/1585包括5条高效率DC到DC转换通道，但是只有一条通道被用于所述步降DC到DC转换器。在该实施例中，引脚32（FB3）、引脚28（DL3）、引脚31（CC3）和引脚11（ON3）主要被用于实现充电电流提升器。
应当提到的是，电阻器R202、R203、R204、R206、R207、电容器C202、C203、C204、C206、C207、C208、C209、C210、电感器L201、L202和二极管D203是特定于MAX1584/1585的外围电路。为了简单起见，这里将不会进一步阐述其到MAX1584/1585的引脚的链接；对于其细节可以参照MAX1584/1585的数据表。
此外，引脚22（PVSU）、引脚26（PV）、引脚6（ONSD）和引脚12（ONSU）连接到集成芯片IC201的电源VDD，引脚8（FBSD）连接到电源VDDCORE，并且引脚9（ON1）、引脚10（ON2）、引脚30（GND）、引脚20（PGSU）、引脚2（PGSD）和引脚33（EP）接地。
参照图5，电阻器R220、R221、R222、R223、R224和差分放大器IC202充当前面各图中的反馈模块201，其中电阻器R221、R222、R223和R224设定差分放大器IC202的放大因数。
差分放大器IC202的+input通过电阻器R222连接到靠近电源VDC的电阻器R220的一个端子，差分放大器IC202的-input通过电阻器R221连接到电阻器R2202的另一个端子，并且差分放大器IC202的输出通过电阻器R225连接到集成芯片IC201的引脚32（FB3）。电源VDC也为差分放大器IC202供电。
此外，电阻器R225、R235、R205和电容器C213、C205是补偿电路，其被用来稳定反馈模块并且是特定于MAX1584/1585的。
从电源VDC汲取的输入电流流过电阻器R220。差分放大器IC202放大电阻器R220两端的第一电压，并且将放大后的第一电压作为反馈信号输出到引脚32（FB3）。
可选的是，电源VDC可以是墙壁电源或USB端口。
集成芯片IC201基于输入到引脚32（FB3）的反馈信号在引脚28（DL3）上生成控制信号，以便控制MOSFET TS208接通或关断。
MOSFET TS208的栅极连接到引脚28（DL3），MOSFET TS208的源极通过电阻器R220连接到电源VDC，并且MOSFET TS208的漏极通过二极管D204接地，其中MOSFET TS208构成前面各图中的开关模块203。
电感器L203的一个端子连接到MOSFET TS208的漏极，并且电感器L203的另一个端子通过晶体管TS212连接到超级电容器S1，其中电感器L203构成前面各图中的存储模块204。
当MOSFET TS208接通时，电感器L203接收从电源VDC汲取的输入电流并且存储能量。
一旦MOSFET TS208接通之后，二极管D204就被关断，并且从电源VDC汲取的输入电流就流过电感器L203并且然后流入到超级电容器S1中。
当MOSFET TS208关断时，电感器L203输出输出电流以便为超级电容器S1充电。
一旦MOSFET TS208关断之后，二极管D204就接通，并且电感器L203、超级电容器S1和二极管D204构成用于超级电容器S1的充电回路。
此外，集成芯片IC201还将在反馈信号显著小于参考信号时调节控制信号以便增大MOSFET TS208的接通-关断比，或者其将在反馈信号显著大于参考信号时调节控制信号以便减小MOSFET TS208的接通-关断比。
在该实施例中，控制信号是PWM信号。因此，当反馈信号显著小于参考信号时，集成芯片IC201还将调节控制信号以便增加控制信号的接通时间，从而增大MOSFET TS208的接通-关断比，或者当反馈信号显著大于参考信号时，集成芯片IC201还将调节控制信号以便减少控制信号的接通时间，从而减小MOSFET TS208的接通-关断比。
由于集成芯片IC201基于输入到引脚32（FB3）的反馈信号动态地调节控制信号，因此从电源VDC汲取的输入电流被保持恒定在电源VDC的电流极限，并且输出电流总是被保持得尽可能大以便尽可能快速地为超级电容器S1充电。
此外，由于集成芯片IC201是步降DC到DC转换器，因此只要超级电容器S1两端的输出电压小于从电源VDC汲取的输入电压，用于为超级电容器S1充电的输出电流就大于从电源VDC汲取的输入电流。其结果是，用于超级电容器S1的充电时间更短。
此外，参照图5，具有滞后的比较器IC203和恒压源V1构成图3中所示的充电控制模块205。
比较器IC203的-input通过电阻器R230连接到超级电容器S1以便导出超级电容器S1两端的充电电压，比较器IC203的+input连接到恒压源V1，并且比较器IC203的输出连接到集成芯片IC201的引脚11（ON3）。比较器IC203由电源VDC供电。
假设超级电容器S1的最大允许充电电压是2.5V，则恒压源V1可选地被选择成基本上等于2.4V。
当超级电容器S1两端的充电电压小于2.4V时，比较器IC203输出逻辑高到引脚11（ON3），并且集成芯片IC201处于操作中。
当超级电容器S1两端的充电电压大于2.4V时，比较器IC203输出逻辑低到引脚11（ON3），并因此集成芯片IC201的引脚28（DL3）停止输出控制信号，这终止了对超级电容器S1的充电。
由于当超级电容器S1两端的充电电压大于2.4V时终止对超级电容器S1的充电，因此有效地防止了由于过充电而对超级电容器S1造成任何破坏。
可选的是，电阻器R230是高欧姆电阻器，例如几百千欧，从而当比较器IC203不被供电时防止超级电容器S1通过比较器IC203的-input放电。
此外，PNP晶体管TS212、NPN晶体管TS211和电阻器R229、R231构成图4中所示的抗回流模块206。
晶体管TS212被设置在超级电容器S1与电感器L203之间。晶体管TS212的集电极连接到超级电容器S1，晶体管TS212的发射极连接到电感器L203，并且晶体管TS212的基极通过电阻器R229连接到晶体管TS211的集电极。
晶体管TS211的发射极接地，并且晶体管TS211的晶体管的基极通过电阻器R231连接到比较器IC203的输出。
在超级电容器S1的充电期间，比较器IC203输出逻辑高，因此接通晶体管TS211，并且晶体管TS212的基极被拉到逻辑低，并因此接通晶体管TS212。
当电源VDC关断时，比较器IC203不被供电，并因此输出逻辑低。当比较器IC203输出逻辑低时，晶体管TS211被关断，并且晶体管TS212也被关断。因此以更加有效的方式防止电流从超级电容器S1回流到电感器L203中。
此外，参照图5，电容器C211连接到MOSFET TS208的源极以便平滑从电源VDC汲取的输入电压，并且电容器C212连接到晶体管TS212的发射极以便平滑超级电容器S1两端的输出电压。
应当提到的是，前面在图5中示出的实施例是示例性的，并且不应当被解释为具有限制性。
图6是充电性能比较图。x坐标代表充电时间（分钟），并且y坐标代表超级电容器S1两端的充电电压（电压）。
参照图6，虚线曲线示出了在利用电流极限为500mA的USB端口直接为超级电容器S1充电时的充电电压与充电时间之间的关系。
实线曲线示出了当利用图5中所示的充电电路时的充电电压与充电时间之间的关系，其中电源VDC是电流极限为500mA的USB端口，并且超级电容器S1是140法拉并且具有最大允许充电电压2.5V。
从图6中可以看出，当利用根据本发明的一个实施例的图5中所示的充电电路时，超级电容器在与传统充电方式相比的几乎一半时间内被充电到完全容量，并且因此所述充电仅仅消耗来自USB端口的一半功率。
应当提到的是，前面提到的实施例说明而非限制本发明，并且本领域技术人员将能够在不背离所附权利要求书的范围的情况下设计出替换实施例。在权利要求书中，置于括号之间的任何附图标记不应被解释为限制权利要求。“包括”一词不排除未在权利要求或说明书中列出的其他元件或步骤的存在。元件之前的“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。在枚举几个单元的设备权利要求中，可以通过同一项硬件或软件来具体实现这些单元当中的几个。使用第一、第二和第三等词并不表明任何排序。这些词应当被解释为名称。

Claims (9)

1.一种充电电路（20），其包括反馈模块（201）、控制模块（202）、开关模块（203）和存储模块（204），其中
反馈模块（201）被配置成基于从电源（10）汲取的输入电流生成反馈信号，所述反馈信号被馈送到控制模块（202）；
控制模块（202）被配置成基于反馈信号生成控制信号，以便控制开关模块（203）；
存储模块（204）被配置成在开关模块（203）接通时接收从电源（10）汲取的输入电流，并且在开关模块（203）关断时提供输出电流以便为储能元件（30）充电；
其中，控制模块（202）还被配置成在反馈信号显著小于参考信号时调节控制信号以便增大开关模块（203）的接通-关断比，或者在反馈信号显著大于参考信号时调节控制信号以便减小开关模块（203）的接通-关断比；
其中，反馈信号包括从电源（10）汲取的输入电流，并且参考信号包括电源（10）的电流极限；或者反馈信号包括对应于从电源（10）汲取的输入电流的电压，并且参考信号包括对应于电源（10）的电流极限的电压；
其中，所述控制模块（202）、所述开关模块（203）、所述存储模块（204）和所述反馈模块（201）构成步降DC到DC转换器；并且
其中，所述充电电路（20）还被适配成为储能元件（30）充电，并且所述储能元件（30）是超级电容器。
2.如权利要求1所述的充电电路（20），其中，反馈模块（201）包括：
设置在电源（10）与开关模块（203）之间的阻抗（2011），其中输入电流流过所述阻抗（2011）；
电压测量元件（2012），其被配置成测量阻抗（2011）两端的第一电压并且基于第一电压生成反馈信号。
3.如权利要求2所述的充电电路（20），其中，电压测量元件（2012）是差分放大器，其被配置成放大所述阻抗（2011）两端的第一电压，并且将放大后的第一电压作为反馈信号输出到控制模块（202）。
4.如权利要求1或权利要求2所述的充电电路（20），其还包括充电控制模块（205），其中充电控制模块（205）被配置成在储能元件（30）两端的充电电压大于预定电压阈值时控制存储模块（204）停止为储能元件（30）充电。
5.如权利要求4所述的充电电路（20），其中，充电控制模块（205）是比较器，其被配置成把储能元件（30）两端的充电电压与所述预定电压阈值进行比较，并且在储能元件（30）两端的充电电压大于所述预定电压阈值时控制所述控制模块（202）停止生成控制信号。
6.如权利要求1所述的充电电路（20），其还包括设置在存储模块（204）与储能元件（30）之间的抗回流模块（206），其被配置成在电源（10）关断时防止电流从储能元件（30）回流到存储模块（204）中。
7.如权利要求1所述的充电电路（20），其中，开关模块（203）是MOSFET或双极结型晶体管。
8.如权利要求1所述的充电电路（20），其中，存储模块（204）是电感器。
9.如权利要求1所述的充电电路（20），其中，控制信号是PWM信号或PFM信号。
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