CN102624042A

CN102624042A - 电池充电器数字控制电路和方法

Info

Publication number: CN102624042A
Application number: CN2012100202076A
Authority: CN
Inventors: 石硕; 索南·艾瑞克; 罗许·艾伦
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2011-01-31
Filing date: 2012-01-21
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2032-01-21
Also published as: US8441235B2; CN102624042B; US20120194141A1; TWI445279B; TW201232991A

Abstract

一种数字控制电池充电器包括功率转换器、电压传感器、电流传感器、模式选择器以及数字控制器。电压传感器和电流传感器分别检测可充电电池的电压和流过可充电电池的电流。模式选择器选择来自电压传感器的输出端的信号或者来自电流传感器的输出端的信号作为反馈信号。信号控制器接收选择出的反馈信号，并且为功率转换器生成脉冲宽度调制信号。另外，数字控制器能够动态地调整其系数，从而使得当电池充电器运行在不同的电池充电阶段时，控制回路可以保持稳定的系统。

Description

电池充电器数字控制电路和方法

技术领域

本发明涉及电池领域，更具体地，涉及一种电池充电器数字控制电路和方法。

背景技术

本申请要求于2011年1月31日提交的名为“Battery Charger DigitalControl Circuit and Method”的美国临时专利申请第61/438,067号的相关权益，其全部内容通过引用结合在此。

可充电电池包括各种类型，比如镍镉(NiCd)电池、镍金属氢化物(NiMH)电池、锂离子电池、聚合物锂离子电池、锂空气电池、磷酸铁锂电池等等。可充电电池用于存储电能。另一方面，电池充电器用于在可充电电池耗尽之后将其充电到充电状态。

不同类型的可充电电池可以使用不同的充电方法。例如，当锂离子电池从耗尽状态充电到充满状态时，根据聚合物锂离子电池的充电特性，首先要在预处理阶段用低电流将聚合物锂离子电池充电。在电池的电压达到最小充电电压阈值之后，电池充电周期进入电流调节阶段，在该阶段中，利用恒定电流进行充电。在该电流调节阶段中，电池的电压保持上升，直到该电压达到特定调节电压。随后，通过将该电池充电器由恒定电流源改变为恒定电压源，使得电池充电周期进入电压调节阶段。在电压调节阶段，电池的电压保持在特定电压。结果，充电电流逐渐降低。当充电电流小于特定电流值时，电池充电周期完成。

有两种电池充电器都是公知的并且经常使用的。基于电池充电器的线性调节器包括有源器件，该有源器件起到了可变电阻器的作用。通过将有源器件上的电压拉低，基于电池充电器的线性调节器既可以调节其输出电压，又可以调节其输出电流。相反，基于电池充电器的开关调节器通过调整占空系数(控制了充电器的开关元件的导通周期)，从而调节其输出电压或者输出电流。相比于基于电池充电器的线性调节器，基于电池充电器的开关调节器的充电过程的效率通常较高。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种数字控制电路，包括：模式选择器，配置为接收电流感测信号和电压感测信号；模拟数字转换器ADC，连接在模式选择器和数字控制器之间；数字控制器，配置为生成数字脉冲宽度调制PWM信号。

其中，模式选择器选择输入信号，并且将输入信号转发到ADC。

其中，ADC包括∑ΔADC和差分放大器。

该数字控制电路进一步包括：抽取滤波器，连接在ADC和数字滤波器之间；数字滤波器，配置为增加多个极点和多个零点，以增大功率转换器的相位裕度；以及数字PWM发生器，接收来自数字滤波器的数字信号，并且将数字信号转换为PWM信号。

其中，数字滤波器增加多个极点和多个零点，以增大功率转换器的相位裕度。

其中，数字滤波器被配置为使得：当选择电流感测信号时，启用第一组系数；以及当选择电压感测信号时，启用第二组系数。

其中，ADC配置为接收参考电压和来自模式选择器的反馈信号。

此外，还提供了一种系统，包括：功率转换器，带有输出端，输出端连接到可充电电池；电流传感器，配置为检测流过可充电电池的电流；电压传感器，配置为检测可充电电池两端的电压；以及数字控制电路，包括：模式选择器，配置为接收来自电流传感器的电流感测信号和来自电压传感器的电压感测信号；模拟数字转换器ADC，连接在模式选择器和数字控制器之间；以及数字控制器，配置为生成数字脉冲宽度调制PWM信号。

该系统，进一步包括：感测电阻器，与可充电电池串联连接；电流感测放大器，在感测电阻器两端具有两个输入端；以及驱动器，连接在数字控制器和功率转换器之间。

其中，功率转换器选自包含以下器件的组：降压开关模式转换器、升压开关模式转换器、降压-升压开关模式转换器、线性调节器、正向转换器、全桥转换器以及半桥转换器。

其中，电流传感器和电压传感器被配置为使得：来自电流传感器的电流感测信号和来自电压传感器的电压感测信号共享参考电压。

其中，数字控制器被配置为接收外部信号，通过外部信号，用户动态调整数字控制器。

该系统进一步包括：抽取滤波器，连接在ADC和数字滤波器之间；数字滤波器，配置为增加多个极点和多个零点，以增大功率转换器的相位裕度；以及数字PWM发生器，接收来自数字滤波器的数字信号，并且将数字信号转换为PWM信号。

其中，电流传感器选自包含以下器件的组：感测电阻器、霍耳效应器件、磁阻传感器、电流感测集成电路。

此外，本发明提供了一种方法，包括：检测流过可充电电池的电流，并且将电流转换为电流感测信号；检测可充电电池两端的电压，并且将电压转换为电压感测信号；确定从电流感测信号和电压感测信号中选择出的信号，并且将所选择出的信号发送到数字控制器；生成数字脉冲宽度调制PWM信号；以及将PWM信号发送到功率转换器，其中，功率转换器连接到可充电电池。

该方法进一步包括：将所选择出的信号与参考电压相比较，并且利用模拟数字转换器ADC将所选择出的信号和参考电压之间的误差转换为数字码；通过数字滤波器增加多个极点和多个零点，从而补偿数字控制回路。

该方法进一步包括：利用连接在ADC和数字滤波器之间的抽取滤波器减小信号尺寸。

该进一步包括：将PWM信号发送到驱动器，从而控制功率转换器。

该进一步包括：利用来自用户或者系统管理单元的外部信号来调整数字控制器。

该进一步包括：接收来自功率转换器的运行参数；接收外部信号；以及根据运行参数和外部信号生成PWM信号。

其中，运行参数选自包含以下参数的组：连接到功率转换器的输入电压、功率转换器的运行温度、功率转换器的开关元件两端的电压、功率转换器的输入电流、功率转换器的输出电流、功率转换器的输出电压、流过功率转换器的电感器的电流、功率转换器的输入纹波电压、功率转换器的输出纹波电压、功率转换器的输入电压变化以及功率转换器的输出电压变化。

其中，外部信号包括电池参数，电池参数包括：断路电压；充电电流限制；以及等效负载电阻器。

附图说明

为了全面理解本公开及其优点，现在结合附图进行以下描述作为参考，其中：

图1示出了根据实施例的数字控制电池充电器；

图2示出了数字控制电池充电器的简化结构图；

图3示出了根据另一实施例的数字控制电池充电器的简化结构图；

图4示出了根据又一实施例的数字控制电池充电器的简化结构图；以及

图5示出了用在电池充电器中的电流检测器的一个实施例的简化结构图。

除非另有说明，否则在不同的附图中，对应数字和符号通常指对应部分。绘制附图，从而清晰地示出各个实施例的相关方面，并且，没有必要将这些附图按比例绘制。

具体实施方式

下面，详细讨论本发明各实施例的制造和使用。然而，应该理解，本发明提供了许多可以在各种具体环境中实现的可应用的概念。所讨论的具体实施例仅仅示出了制造和使用本发明的具体方式，而不用于限制本发明的范围。

本发明将针对特定语境(即基于电池充电器的降压开关调节器)中的优选实施例进行描述。然而，本发明还可以应用到具有不同电源拓扑的各种电池充电器。

首先参考图1，根据实施例示出了数字控制电池充电器。数字控制电池充电器包括功率变换器104、电压传感器106、电流传感器108、模式选择器100和数字控制器102。功率变换器104接收来自数字控制器102的控制信号。电压传感器106和电流传感器108连接到功率变换器104的输出端，其中，该电压传感器106感测可充电电池110两端的电压，该电流传感器108感测流过可充电电池110的电流，该可充电电池110连接到功率变换器的输出端。电流传感器108的输出和电压传感器106的输出都发送到模式选择器100，在该模式选择器100中，基于来自数字控制器102的控制信号，模式选择器100的逻辑控制单元(未示出)在两个输入信号中选出一个，并将选择出的输入信号发送到数字控制器102。如图1所示，数字控制器102配置为，在第一输入端接收来自外部寄存器120的外部信号，在第二输入端接收来自模式选择器100的控制信号，并且在第三输入端接收来自功率转换器104的运行参数。根据上述三个输入信号，数字控制器102生成了脉冲宽度调制(PWM)信号，从而控制功率转换器104。

功率转换器104将输入电压(未在图1中示出，但是在图2中示出)转换为经过调节的输出电压，用于将可充电电池110充电。响应于数字控制器102所生成的PWM信号，功率转换器104调整其输出电压。如本领域所公知，功率转换器104的运行方式为本领域普通技术人员所公知，因此，将不再详细描述功率转换器104的运行方式。应该注意，尽管功率转换器104的优选实施例为降压(buck)开关模式转换器，但是本发明还可以应用于其他功率拓扑，比如升压(boost)开关模式转换器、降压-升压开关模式转换器、线性调节器等等。应该进一步注意，本发明还可以用于如上所述的功率拓扑的各种派生物。例如，因为通过降压开关模式转换器获得了正向隔离转换器，所以本发明可以扩展到正向隔离转换器。

在充电周期的恒定电流阶段中，流过可充电电池110的电流用作反馈，从而控制电池充电器的运行。电流传感器108用于通过各种电流感测技术来生成电流感测信号，该电流感测信号与流过可充电电池110的电流成正比。电流传感器108可以通过将感测电阻器与可充电电池110串联连接而实现。而且，如果电流感测信号的振幅过小，则感测电阻器可以连接在运算放大器(未在图1中示出，但是在图2中示出)的输入端之间，从而使得运算放大器可以将电流感测信号以正比于随后的电路的可接受级别的方式而进行放大。同样，可以利用霍尔效应器件、磁阻传感器、电流感测集成电路等等来检测流过可充电电池110的电流。

在充电周期的恒定电压阶段中，可充电电池110两端的电压用作反馈，从而控制电池充电器的运行。利用电压传感器106来检测可充电电池110两端的电压，并且将该电压以与随后的电路的可接受信号成正比的方式进行转换。尽管电压传感器106的优选实施例是连接在可充电电池110两端之间的电阻分压器，但是，通过各种晶体管、电压感测集成电路等等形成的诸如电容分压器、电压分配器的其他电压感测技术均处于本发明的范围内。

在充电周期中，电池充电器首先提供了恒定电流，在可充电电池110到达阈值电压之后，该电池充电器提供了恒定电压。利用模式选择器100来选择输入信号(例如，来自电压传感器106的感测电压)，并且将选择出的信号发送到数字控制器102。应该注意，尽管图1中示出的模式选择器是独立器件，但是，该模式选择器可以是数字控制器102的一个集成部分。应该进一步注意，可以利用硬件、软件、或者上述的组合来实现信号选择过程。然而，在优选实施例中，可以通过以下方式来实现上述功能：根据代码(比如，计算机程序代码)或者软件，在数字信号处理器或者中央处理器上执行计算机程序。

数字控制器102可以接收来自外部寄存器120的外部信号。根据实施例，外部寄存器可以包括一系列寄存器，该一系列寄存器通过数字接口(例如，I2C、SPI或者UART)与数字控制器相通信。可选地，外部信号可以是来自用户或者系统管理单元的动态系统配置调整信号。外部信号可以用于编程数字控制器102的各个参数。另外，数字控制器102可以取回功率转换器104的运行参数，并且接收来自模式选择器100的反馈。根据这三个信号，数字控制器102生成数字PWM信号，用于控制功率转换器104。数字控制器102的运行方式将参考图2进行详细描述。数字控制器102的优点是，数字控制器102可以配置为，当电池充电器进入不同充电阶段时，动态调整控制回路补偿参数。而且，通过数字控制回路的动态调整能够针对处理过程变化而进行动态补偿。而且，这种动态调整降低了电池充电器的硬件成本，这是因为，在这种动态调整中，利用单个控制器(例如，数字控制器102)就可以控制恒定电流充电和恒定电压充电。

图2示出了根据实施例的数字控制电池充电器的简化结构图。根据实施例，功率转换器104是降压开关模式转换器，包括与N-FET Q2串联连接的P-FET Q1。P-FET Q1和N-FET Q2之间的接点通过由输出电感器Lo和输出电容器Co形成的滤波器连接到可充电电池110。P-FET Q1和N-FETQ2的栅极连接到驱动器210，该驱动器210接收来自数字控制器102的数字PWM信号，并且将该数字PWM信号转换为两个带有最小停滞期(deadtime)的互补门控信号。如本领域所公知，当驱动器导通或者关断功率转换器104的开关元件时，驱动器210不仅根据其接收到的PWM信号生成两个互补门控信号，还提供了足够的电流来提高吸收能力和源极能力。Q1和Q2可以通过本领域普通技术人员所公知的其他类型的器件实现，比如J-FET、HEX-FET、双极晶体管。

在本示例中，利用感测电阻器Rs来检测流过可充电电池110的电流。Rs串联连接到可充电电池110。运算放大器212的两个输入端连接到Rs的两端。运算放大器212的增益设置为使得运算放大器212的输出电压降低到与电压传感器106的输出端相同的范围内。因此，当模式选择器选择出一个信号并将选择出的信号发送到数字控制器102时，来自电压传感器106的反馈信号和来自电流传感器108的反馈信号可以共享参考电压，其中，选择出的信号将与参考电压相比较。

可充电电池的充电周期包括至少两个阶段，即，恒定电流阶段和恒定电压阶段。模式选择器100用于在上述两个充电阶段期间选择适当反馈信号。可以利用硬件或者软件来实现上述功能。例如，ORING电路可以确保带有高振幅的反馈信号通过模式选择器100，而阻止带有低振幅的反馈信号到达信号控制器102。可选地，可以将模式选择功能集成到数字控制器102中，利用该功能，计算机程序可以比较两个输入信号，并且选择出带有高振幅的信号。

数字控制器102包括∑Δ模拟数字转换器(ADC)202、抽取滤波器(decimator)204、数字滤波器206和数字PWM发生器208。∑ΔADC 202考虑到采样开关电容器设计，从而提供输入信号的共模(common mode)的反射，而仍提供了转换到数字域所必要的差分增益。根据实施例，∑ΔADC 202接收来自模式选择器100的反馈信号，并且将该反馈信号与参考电压VREF相比较。而且，∑ΔADC 202将参考电压VREF和反馈信号之间的差转换为数字码。应该注意，尽管在图2中∑ΔADC 202包括差分放大器，但是该∑ΔADC 202可以替换为两个独立器件，即，差分放大器件和ADC。

抽取滤波器204配置为实现两种功能。第一，抽取滤波器204用于降低来自∑ΔADC 202的数字信号的采样率。利用这种技术，抽取滤波器204的输出端上的信号的尺寸的信号率降低，而仍遵循了香农-奈斯奎特(Shannon-Nyquist)采样定理标准。另外，抽取滤波器204提供了反混叠滤波器，其中，降低了量化噪声，因此，改进了抽取滤波器204的输出端上的信号的分辨率。可以利用采样数字计数器来实现抽取滤波器204，该采样数字计数器计算出了之前周期期间的来自∑ΔADC 202的逻辑单位的数量，并且基于逻辑单位的数量生成了新的数字码。

数字滤波器206用于放置补偿极点和补偿零点，从而使得电池充电器的恒定电流控制和恒定电压控制的回路响应可以得到控制。换言之，在通过数字滤波器206增加了附加的极点和零点之后，电池充电器的控制回路具有的相位裕度(phase margin)大于60度。如本领域所公知，当电池充电器处于恒定电流充电相位时，电池充电器的传递函数为二阶系统。更具体地来说，传递函数包括两个共轭的极点和零点。如本领域所公知，为了确保二阶系统的相位裕度大于60度，在模拟电池充电器中，电阻器和电容器配置为通过误差放大器提供了三个极点和两个零点。与模拟滤波器类似，数字滤波器206可以提供三个极点和两个零点，从而使得电池充电器的环路响应的相位裕度大于60度。根据实施例，数字滤波器206在转移函数的两个共轭极点的频率上提供了两个零点，从而减轻了由于两个共轭极点所产生的相位滞后。极点的频率可以超过交叉频率，从而可以将较高的频率噪声降低。

另一方面，当电池电压达到阈值电压时，电池充电器进入恒定电压阶段。恒定电压阶段下的电池充电器示出，转移函数类似于以上关于恒定电流阶段所描述的二阶系统。总之，尽管极点和零点的频率可以不同，但是，恒定电流充电阶段和恒定电压充电阶段共享类似的转移函数。这种固有特征表明两个充电阶段可以共享数字滤波器，比如递归滤波器。当电池充电器进入不同充电阶段时，数字滤波器206能够通过动态调整其系数来补偿控制回路，从而可以调整补偿零点和补偿极点。数字滤波器206的优点为，电池充电器的两个充电阶段可以共享同一滤波器配置。另外，通过响应外部信号或者电池充电器的运行状态的变化，可以调整控制回路，从而使得控制回路可以提供稳定的系统以及快速瞬态响应。

数字PWM发生器208接收来自数字滤波器206的数字码，并且生成恒定频率PWM信号。可以利用数字计数器(未示出)来实现信号PWM发生器208。这种数字计数器使得数字PWM生成器208能够输出逻辑高状态，直到数字计数器的计数值达到来自数字滤波器206的数字码。在这之后，在下一个开关周期之前，数字PWM发生器208的输出端保持在逻辑低状态。数字PWM发生器208的输出端连接到驱动器210，该驱动器210生成两个门脉冲，从而驱动图2中所示出的降压转换器。通过PWM控制对降压转换器的控制的运行方式为本领域所公知，因此没有在本文中描述。

图3示出了根据另一实施例的数字控制电池充电器的简化结构图。图3中示出的电池充电器类似于图2中的实施例，但是只包括了单个电压反馈回路。图4示出了根据又一实施例的数字控制电池充电器的简化结构图。图4中示出的电池充电器包括单个电流反馈回路。图4中示出的电池充电器包括单个电流反馈回路。电压模式电池充电器或者电流模式电池充电器的运行方式为本领域所公知，因此不在本文中进行描述。图3和图4示出了能够用于双回路电池充电器和单回路电池充电器的本发明的范围。本领域普通技术人员可以作出许多改变，替换和更改。

图5示出了图4中示出的电流传感器108的示意图。根据实施例，电流传感器108包括感测电阻器Rs、运算放大器502、电阻器R1、电流感测电压设置电阻器Rset和晶体管504。感测电阻器Rs与可充电电池110串联连接。电阻器R1、晶体管504和电流感测电压设置电阻器Rset串联连接。运算放大器502的正输入连接到电阻器R1和晶体管504之间的接点，负输入连接到电流感测电阻器Rs和可充电电池110之间的接点，并且输出端连接到晶体管504的栅极。

如本领域所公知，感测电阻器Rs两端的电压等于电阻器R1两端的电压。如图5所示，流过电阻器R1的电流基本上等于流过电流感测电压设置电阻器Rset的电流。因此，电阻器R1两端的电压可以表示为：

V_{R 1} = \frac{V_{SET}}{R_{SET}} \cdot R_{1} - - - (1)

其中，Vset是电流感测电压设置电阻器Rset两端的电压。类似地，感测电阻器Rs两端的电压可以表示为：

V_Rs＝I_SNS·R_S (2)

其中，I_SNS是流过感测电阻器Rs的电流。因为感测电阻器Rs两端的电压等于电阻器R1两端的电压，所以Vset可以表示为：

V_{SET} = I_{SNS} \cdot \frac{R_{S}}{R_{1}} \cdot R_{SET} - - - (3)

从上述等式可以看出，V_SET与感测电阻器Rs两端的电流感测电压成正比。另外，Vset的范围可以通过改变Rset的值进行调整。图5中所示出的电流传感器110的优点为，电流传感器110所生成的电流感测信号(例如，Vset)可以与电压反馈信号同一顺序。这种特点保证了电流反馈回路和电压反馈回路可以共享ADC(例如，图2中所示出的∑ΔADC 202)和参考电压。

尽管已经详细地描述了本发明及其优势，但应该理解，可以在不背离所附权利要求限定的本发明主旨和范围的情况下，做各种不同的改变，替换和更改。

而且，本申请的范围并不仅限于本说明书中描述的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法和步骤的特定实施例。作为本领域普通技术人员应理解，通过本发明，现有的或今后开发的用于执行与根据本发明所采用的所述相应实施例基本相同的功能或获得基本相同结果的工艺、机器、制造，材料组分、装置、方法或步骤根据本发明可以被使用。因此，所附权利要求应该包括在这样的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法或步骤的范围内。

Claims

1.一种数字控制电路，包括：

模式选择器，配置为接收电流感测信号和电压感测信号；

模拟数字转换器ADC，连接在所述模式选择器和数字控制器之间；

所述数字控制器，配置为生成数字脉冲宽度调制PWM信号。

2.根据权利要求1所述的数字控制电路，其中，所述模式选择器选择输入信号，并且将所述输入信号转发到所述ADC。

3.根据权利要求1所述的数字控制电路，其中，所述ADC包括∑ΔADC和差分放大器。

4.根据权利要求1所述的数字控制电路，进一步包括：

抽取滤波器，连接在所述ADC和数字滤波器之间；

所述数字滤波器，配置为增加多个极点和多个零点，以增大功率转换器的相位裕度；以及

数字PWM发生器，接收来自所述数字滤波器的数字信号，并且将所述数字信号转换为所述PWM信号。

5.根据权利要求4所述的数字控制电路，其中，所述数字滤波器增加多个极点和多个零点，以增大所述功率转换器的相位裕度。

6.根据权利要求1所述的数字控制电路，其中，数字滤波器被配置为使得：

当选择所述电流感测信号时，启用第一组系数；以及

当选择所述电压感测信号时，启用第二组系数。

7.根据权利要求1所述的数字控制电路，其中，所述ADC配置为接收参考电压和来自所述模式选择器的反馈信号。

8.一种系统，包括：

功率转换器，带有输出端，所述输出端连接到可充电电池；

电流传感器，配置为检测流过所述可充电电池的电流；

电压传感器，配置为检测所述可充电电池两端的电压；以及

数字控制电路，包括：

模式选择器，配置为接收来自所述电流传感器的电流感测信号和来自所述电压传感器的电压感测信号；

模拟数字转换器ADC，连接在所述模式选择器和数字控制器之间；以及

所述数字控制器，配置为生成数字脉冲宽度调制PWM信号。

9.根据权利要求8所述的系统，进一步包括：

感测电阻器，与所述可充电电池串联连接；

电流感测放大器，在所述感测电阻器两端具有两个输入端；以及

驱动器，连接在所述数字控制器和所述功率转换器之间。

10.一种方法，包括：

检测流过可充电电池的电流，并且将所述电流转换为电流感测信号；

检测所述可充电电池两端的电压，并且将所述电压转换为电压感测信号；

确定从所述电流感测信号和所述电压感测信号中选择出的信号，并且将所选择出的信号发送到数字控制器；

生成数字脉冲宽度调制PWM信号；以及

将所述PWM信号发送到功率转换器，其中，所述功率转换器连接到所述可充电电池。