CN102656767A - 脉冲宽度调制的电池充电 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于由充电器(206)对电池(202)充电的电池管理系统(204),其包括晶体管(208、210)和电荷泵(220、222)或者推挽输出驱动器(290、292)。晶体管(208、210)通过响应于由电荷泵(220、222)或推挽输出驱动器(290、292)生成的脉宽调制驱动信号而打开和关闭来增加和减少电池(202)与来自充电器(206)的电压之间的电连接,并且从充电器向电池传送充电电流。电荷泵或推挽输出驱动器在来自充电器的电压高于预充电阈值电压时增加驱动信号,并且在来自充电器的电压低于预充电阈值电压时减少驱动信号。

Description

脉冲宽度调制的电池充电
背景技术
如图1中简化的现有技术示意图所示,用可再充电电池102工作的一些电子装置100在充电器106和电池102之间具有电池管理系统104,用于控制电池102的充电和有时候的放电。电池管理系统104通常包括具有各种内部集成电路部件的电池管理系统芯片108以及在电池管理系统芯片108外部的放电FET 110、充电FET 112和传感电阻器114。
由电池管理系统104使能的控制对于由于不适当的充电技术而可能过热或受损的电池来说是必不可少。例如,当Li离子(锂离子)电池被完全或几乎完全放电时,再充电期间对其施加的充电电流必须大大小于当电池仍具有大部分电量时所能够施加的充电电流。否则,如果相对高的充电电流被施加到完全放电的Li离子电池,则该电池可能过热并受损和/或可能损伤其他附近的部件。
因此,这些电池通常在至少两个阶段或者模式充电:预充电模式和快速充电模式。在预充电模式中,通常将相对低的预充电电流施加到电池102。在快速充电模式中,通常将较高的快速充电电流(有时差不多是预充电电流的十倍高)施加到电池102。预电荷模式和快速充电模式之间的分界点通常被称为“快速充电阈值电压”。快速充电阈值电压是由电池102的电压(节点BAT处)或者来自充电器106的电压(节点PACKP处)的电压水平确定的,当FET 110和112电连接于此时,该电压被电池102拉低。
通常,充电器106被设计为感测其输出电压(节点PACKP处)何时被电池102拉低到如此低(由于低电池电量),以便指示必须使用预充电模式。因此,在检测到PACKP处的电压低于快速充电阈电压时,充电器106限制自身产生较低的预充电电流。并且在检测到PACKP处的电压高于快速充电阈电压时,充电器106生成较高的快速充电电流。(其他充电器例如一些简单的DC/DC转换器不为预充电模式调节其输出电流,而是仅输出单一电流,因此在这些情况下电池管理系统104在必要时必须将电流限制到预充电电流。)另外,电池管理系统芯片108通常被设计用于感测PACKP处的电压或BAT处的电压何时指示必须使用预充电模式和快速充电模式中的哪一个。
已经使用各种不同的技术来控制预充电模式和快速充电模式以及这些模式之间的切换。一些此类技术使用预充电晶体管(未示出)和外部电阻器(未示出)绕开充电FET 112并且将预充电电流施加到电池102。这些技术的缺点包括预充电晶体管、电阻器及其他控制预充电晶体管的必要部件的成本和空间。
一些其它的技术使用放电FET 110和充电FET 112来控制预充电模式,而没有在电池管理系统芯片108外部的额外部件。例如,在预充电模式中将电池管理系统芯片108的VCC节点和CHG节点(分别是充电FET 112的源极和栅极)连系在一起可使得充电FET 112开启并且放电FET 110的寄生二极管正向偏置,因此当电池102的电压(节点BAT处)非常低时,来自充电器106的预充电电流能够对电池102充电。这一示例的缺点在于,如果电池102的电压太低,例如几乎为零,则非常可能的是VCC将被拉低到低于电池管理系统芯片108的最小工作电压,因此电池102的状况不能被更新并且电池保护功能不工作。
图1中的电池管理系统芯片108中所示的额外细节说明另一种示例性现有技术,其使用放电FET 110和充电FET 112来控制预充电模式,而没有在电池管理系统芯片108外部的额外部件。这种技术通常被称为脉冲宽度调制/脉宽调制(PWM)预充电,因为它使用由电荷泵116和两个开关118和120生成的电压,以在预充电模式期间开启和关闭充电FET 112而留下放电FET 110被开启。基于来自充电器106的电压(节点PACKP处)分别与下阈值电压和上阈值电压V_1和V_2的比较,两个比较器122和124的输出分别操作开关118和120。
如图2所示,上阈值电压V_2被选择为大于下阈值电压V_1。另外,阈值电压V_1和V_2两者都被选择为小于快速充电阈值电压V_fc并且大于电池管理系统芯片108的最小工作电压V_min。
当PACKP处的电压(V_packp)高于上阈值电压V_2时,比较器122和124和开关118和120的功能使得电荷泵116的输出连接到CHG(图1),从而增大CHG处的电压(V_chg,图2)并且开启充电FET 112。另一方面,当PACKP处的电压(V_packp)低于下阈值电压V_1时,比较器122和124和开关118和120的功能使得接地端126连接到CHG,从而减小CHG处的电压(V_chg)并且关闭充电FET112。充电FET 112的开启和关闭分别使得在PACKP处来自充电器的电压与电池102在BAT处电连接和从电池102断开,因此PACKP处的电压(V_packp)分别被电池102和充电器106拉低和拉高。如图2中的简化电压和电流图所示,只要电池102的电压(V_batt)足够低从而将PACKP处的电压拉到下阈值电压V_1以下,则这一循环将重复进行。
期望的是电池充电过程尽可能快地进入快速充电模式(在时间T5),因为较高的快速充电电流能够比较低的预充电电流更快地充电Li离子电池。因此,电池和电池管理系统的制造商已经试图实现尽可能低的快速充电阈值电压。这一趋势有效地将V_1和V_2“挤压”到越来越窄的V_fc与V_min之间的范围内。然而,在比较器122和124、开关118和120(以及未示出的用于开启和关闭开关118和120的高压电平移位器)和充电FET 112中存在不可避免的响应延迟时间,以及存在电荷泵116的有限驱动能力。这些响应延迟时间和V_1与V_2的日益减少的范围导致对这些部件的日益升高的功耗要求和制造容差要求,以便尽可能迅速地驱动这些部件,从而防止PACKP处的电压(V_packp)越过(overshoot)V_1和V_2太大的裕量。
图2中的简化电压和电流图示出当部件112和118-124没有被足够迅速地驱动时PWM预充电非常弱。(应当注意,图2中的图表不表示使用PWM预充电的电池充电程序的真实时间尺度,而是已被简化以便更清楚地说明程序的某些方面。例如,针对V_packp、V_chg的循环之间的节距和时间T2与T3之间的充电电流被放大。并且V_chg图在时间T3后已经平滑并且理想化。)
如果部件112和118-124没有被足够迅速地驱动,则如图所示,在充电FET 112的每个开启/关闭循环中,PACKP处的电压(V_packp)不仅可能越过V_2,而且可能越过快速充电电压阈值V_fc。因此V_packp可能仅由充电器106的最大输出电压(V_max)限制。这一循环可以在从预充电模式的开始时间(在时间T2)到电池102的电压(V_batt)上升到下阈值电压水平V_1的时间(在时间T3)期间继续,在时间T3比较器122和124的输出停止来回循环,因为电池102的电压不再将PACKP处的电压(V_packp)拉到V_1以下。然而,每次V_packp越过V_fc时,电池充电程序不适当地进入快速充电模式,因此充电电流上升到快速充电水平(I_fc),只有在V_packp回落到V_fc以下时充电电流才回落到预充电水平(I_pc)。快速充电电流的重复应用可能导致电池102的严重过热问题。
然而,充电电流的这种循环假设充电器106具有在进入快速充电模式之后重新进入预充电模式的能力。但是许多可购买的充电器不具有这种能力,其一旦进入就会停留在快速充电模式,即使V_packp回落到V_fc以下,由此导致预充电模式完全无效。
此外,如果部件112和118-124没有被足够迅速地驱动,则PACKP处的电压(V_packp)不仅可能越过V_2(在下降摆幅中),而且在充电FET 112的每个开启/关闭周期中有越过电池管理系统芯片108的最小工作电压V_min的危险。如果发生这种情况,则电池管理系统芯片108将不能够控制电池管理系统104的功能。
因此,至关重要的是,部件112和118-124需要被足够迅速地驱动,从而防止PACKP处的电压(V_packp)越过下阈值和上阈值电压V_1和V_2太多以至于也有越过电池管理系统芯片108的最小工作电压V_min或快速充电电压阈值V_fc的危险。然而,随着设计限制迫使V_fc日益接近V_min,制造具有适当响应时间或延迟周期的部件的成本也在增加。另外,这些部件的功耗也继续上升,导致成本更高、效率更差的电池充电系统。
附图说明
图1是具有用于由充电器对电池充电的现有电池管理系统的现有电子装置的简化示意图。
图2是图1所示的简化现有技术示意图中在所选择的节点处的电压和电流的简化图表。
图3是根据本发明的实施例具有用于由充电器对电池充电的电池管理系统的电子装置的简化示意图。
图4是根据本发明的实施例由图3所示的简化示意图中在所选择的节点处的电压和电流的简化图表。
图5是根据本发明的另一个实施例具有用于由充电器对电池充电的可替换电池管理系统的可替换电子装置的简化示意图。
图6是根据本发明的又一个实施例具有用于由充电器对电池充电的另一可替换电池管理系统的另一可替换电子装置的简化示意图。
具体实施方式
图3中的简化示意图中示出示例性电子装置200(例如移动电话、PDA、MP3播放器、笔记本计算机等),其使用由充电器206和电池202之间的电池管理系统204(包括本发明的实施例)控制的可再充电电池202(例如Li离子电池)来进行工作。电池管理系统204通常包括放电FET 208、充电FET 210、电池管理系统芯片212和传感电阻器214。来自充电器206的电压(PACKP处)通过在电池管理系统芯片212控制下的放电FET 208和充电FET 210被施加到电池202(BAT处)。然而,不同于如上所述的现有技术,充电FET 210由电池管理系统芯片212控制,从而在预充电模式期间相对缓慢地开启和关闭。因此,来自充电器206的电压(PACKP处)与电池202(BAT处)之间的电连接分别相对缓慢地增加和减少,这导致电压(PACKP处)分别由于电池202和充电器206而分别缓慢地被拉低和拉高。来自充电器206的电压(PACKP处)的相对缓慢的减小和增大使得电池管理系统芯片212有时间对电压(PACKP处)的变化做出响应并且对充电FET 210做出适当变化以维持具有这种小波动的电压(PACKP处)“接近”DC电压。以此方式,电压(PACKP处)在电池202的快速充电阈值电压和电池管理系统芯片212的最小工作电压之间的非常窄的范围内保持相对稳定,而不消耗过大功率驱动充电FET 210或者在本文所述的任何部件的制造过程中需要过多的容差。
图3所示的示意图描绘了电子装置200的简化版本,因此除这里所示和所述的那些以外,可以存在电子装置200的许多额外部件。此外,一些未示出的额外部件可以放置在一些示出的部件之间,而不减损本发明。因此,下面的描述仅仅是示例性的并且被提供用于说明性的目的,应理解这些额外的部件可以精细地改变本文所示和所述的一些部件的现实功能和特征。
根据图示说明的实施例,充电器206的源极线一般在PACKP处连接到放电FET 208的漏极并且连接到电池管理系统芯片212。放电FET 208的栅极连接到电池管理系统芯片212的“DSG”节点。放电FET 208的源极连接到电池管理系统芯片212的VCC和充电FET 210的源极。充电FET 210的栅极连接到电池管理系统芯片212的“CHG”节点。充电FET 210的漏极在BAT处连接到电池202的正极端,其也连接到电池管理系统芯片212。电池202的负极端连接到传感电阻器214的正极端,其也连接到电池管理系统芯片212的“SRP”(传感电阻器正极)节点。传感电阻器214的负极端连接到电池管理系统芯片212的“SRN”(传感电阻器负极)节点、连接到接地端216并且在PACKN处连接到充电器206的回线(returnline)。
当电池管理系统芯片212在DSG节点和CHG节点处产生栅极驱动电压信号时,放电FET 208和充电FET 210分别被开启。为了使具有附连的充电器206和完全充电的电池202的电子装置200正常运行,放电FET 208和充电FET 210两者都开启,从而维持从充电器206的PACKP处到电池202的BAT处的电连接。
当充电器206通过FET 208和210连接到电池202时,电池202通常将来自充电器206的电压拉低至电池202的电压水平。当电池202被完全充电时,这一电压降低是无关紧要的。然而,当电池202的电量是零或者极低时,电池管理系统芯片212通过电池202在BAT处的电压或者在PACKP处(或者在VCC出)来自充电器206的降低电压检测到低压。并且作为响应,电池管理系统芯片212将电池管理系统204置于预充电模式以便对电池202充电。另外,由于在PACKP处来自充电器206的电压被拉低到电池202的电压水平,所以大多数充电器206(在此称为“智能”充电器)能够感测到这一电压水平并相应地调节输出电流以进入预充电模式或快速充电模式。
当电池202没有被完全充电但是BAT处或PACKP处的电压高于某一电压水平(称为快速充电阈值电压)时,电池管理系统芯片212将电池管理系统204置于快速充电模式从而对电池202快速充电。另外,如果充电器206是智能充电器,则充电器206感测PACKP处的电压并且输出相对高的快速充电电流。另一方面,如果电池202被充分放电以至于BAT处或PACKP处的电压低于快速充电阈值电压,则电池管理系统芯片212将电池管理系统204置于如下所述的预充电模式,从而对电池202充电(并且维持VCC处的电压高于电池管理系统芯片212的最小工作电压),直到条件允许切换到快速充电模式。同时,如果充电器206是智能充电器,则充电器206感测PACKP处的较低电压并且在预充电模式期间输出相对低的预充电电流。此外,如果充电器206是智能充电器,则对于充电器206和电池管理系统204优选使用大致相同的快速充电阈值电压,以便在预充电模式和快速充电模式中最佳合作。
在快速充电模式中,电池管理系统芯片212优选将DSG节点和CHG节点处的栅极驱动电压信号维持在全功率,因此来自充电器206的最大可用电压能够施加到电池202,从而尽可能快地对电池202充电。另一方面,在预充电模式中,电池管理系统芯片212优选将DSG节点处的栅极驱动电压信号维持在全功率,但是响应于在PACKP处来自充电器206的电压水平增大和减小CHG节点处的栅极驱动电压信号。换句话说,维持放电FET 208完全开启,从而允许来自充电器206的电流以最大容量通过。但是如下所述,充电FET 210的栅极驱动电压逐渐升高和逐渐降低。
在预充电模式中,当来自充电器206的电压最初施加在PACKP处时,电池管理系统芯片212检测到PACKP处的电压高于另一个某一水平(在此称为预充电阈值电压),因此电池管理系统芯片212在CHG节点处施加栅极驱动电压信号。(预充电阈值电压低于快速充电阈值电压并且高于电池管理系统芯片212的最小工作电压。)因此,通过充电FET 210增加充电器206的PACKP处与电池202的BAT处之间的电连接。如果电池202在BAT处的电压低于预充电阈值电压,则当PACKP和BAT之间的电连接增加时,电池202将PACKP处的电压向着电池202的电压水平拉低,直到PACKP处的电压低于预充电阈值电压,但是仍然高于电池管理系统芯片212的最小工作电压。然后,当电池管理系统芯片212检测到PACKP处的电压低于预充电阈值电压时,电池管理系统芯片212减小CHG节点处的栅极驱动电压信号。因此,通过充电FET 210减少充电器206的PACKP处与电池202的BAT处之间的电连接,由此减小电池202的电压对PACKP处的电压的影响。因此,在PACKP处(并因此VCC处)的电压降低到低于电池管理系统芯片212的最小工作电压之前,充电器206将PACKP处的电压向着充电器206的最大输出电压水平拉升。
然而,由于电池管理系统芯片212检测到PACKP处的电压穿回到预充电阈值电压以上,所以电池管理系统芯片212再次增加CHG节点处的栅极驱动电压信号,随后的结果重复进行。因此电池管理系统204循环进行增大和减小CHG节点处的栅极驱动电压信号,用充电FET 210增加和减少电连接,以及相应地将PACKP处的电压减小和增大到低于和高于预充电阈值电压,直到电池202的电压升高到预充电阈值电压以上。当电池202的电压已经升高到预充电阈值电压以上时,电池管理系统芯片212不再检测到PACKP处的电压低于预充电阈值电压,因此电池管理系统芯片212将CHG节点处的栅极驱动电压信号维持在最大水平。
在预充电模式期间当电池202的电压低于预充电阈值电压时的净效应是将PACKP处的电压维持在高于和低于预充电阈值电压的相对小范围内,该预充电阈值电压低于快速充电阈值电压。由于如下所述的电池管理系统芯片212的部件和操作,可以在不需要如上述现有技术中要求的迅速驱动充电FET 210的情况下维持这一电压水平。
根据本发明的一些实施例,除其他部件(未示出)外,电池管理系统芯片212一般包括控制器218、DSG(放电)电荷泵220、CHG(充电)电荷泵222和比较器224。DSG电荷泵220和CHG电荷泵222的输出分别连接到DSG节点和CHG节点。在PACKP处来自充电器206的输入电压被供给到比较器224。另外,根据一些实施例,控制器218接收在PACKP处(或者在VCC处)来自充电器206、来自SRP节点和SRN节点以及在BAT处来自电池202的输入电压信号(或者表示该电压的转换数字数据)。(与电池202串联的传感电阻器214被用于感测电流并且在SRP和SRN之间提供电压,其进一步用于保护电池202不过充电或过放电。)
控制器218可以是任何适当的专用集成电路或者具有本文所述的功能或特征的可编程通用微控制器。响应于其输入,控制器218控制电池管理系统204(包括电池管理系统芯片212)的操作。在一些实施例中,控制器218产生使能信号226和228以分别控制DSG电荷泵220和CHG电荷泵222。另外,控制器218产生脉宽调制使能(PWM_EN)信号230以在预充电模式期间控制比较器224和CHG电荷泵222进行脉宽调制。同时,如下所述,响应于PWM_EN信号230,比较器224输出控制信号232(基于PACKP处的电压和设定到预充电阈值电压水平的参考电压234),其也控制CHG电荷泵222的脉宽调制。
当控制器218确定电池202的电压足够电子装置200的操作或者当PACKP处的电压指示充电器206被附连并为电子装置200供电时,由控制器218确立(assert)DSG电荷泵使能信号226。响应于接收到DSG电荷泵使能信号226,DSG电荷泵220开启并且在DSG节点处输出DSG驱动电压以驱动放电FET 208的栅极。另一方面,当电池202的电压已经下降过低时(例如在电子装置200工作很长时间而不附连充电器206期间),控制器218解除(de-assert)DSG电荷泵使能信号226以关闭放电FET 208。随着放电FET 208关闭,电池202不能继续放电并为电子装置200提供电力。以此方式,防止电池202放电过多以至于丧失其再充电能力。
根据一些实施例,由控制器218进行的CHG电荷泵使能信号228和PWM_EN信号230的确立取决于将使用快速充电模式还是预充电模式。例如,当充电器206被附连用于对电池202充电(并为电子装置200供电)并且控制器218确定电池202在BAT处的电压指示将使用快速充电模式对电池202充电时,由控制器218确立CHG电荷泵使能信号228。(可替换地,基于在FET 208和210已经开启至少一次并且电池202的电压已经有机会拉低来自充电器206的电压之后在PACKP处来自充电器206的电压是否指示将使用快速充电模式,控制器218可以作出这一决定。)响应于接收到CHG电荷泵使能信号228,CHG电荷泵222在CHG节点处输出CHG驱动电压以在其最大驱动电压下驱动充电FET 210的栅极,因此充电FET210能够很快地允许PACKP与BAT之间的最大电连接。
根据一些实施例,当控制器218确定电池202在BAT处的电压指示预充电模式将被用于对电池202充电时,控制器218确立PWM_EN信号230。PWM_EN信号230激活比较器224和CHG电荷泵222。响应于PWM_EN信号230,当PACKP处的电压大于设定为预充电阈值电压水平的参考电压234时,比较器224确立控制信号232(例如输出逻辑高电压),并且当PACKP处的电压小于参考电压234时,比较器224解除控制信号232(例如输出逻辑低电压)。控制信号232被应用于比较器224。
当被PWM_EN信号230激活时,只有当控制信号232被比较器224确立时,CHG电荷泵222才在CHG节点处生成CHG驱动电压。换句话说,在预充电模式中,当PACKP处的电压大于预充电阈值电压时CHG电荷泵222增大CHG驱动电压,并且当PACKP处的电压小于预充电阈值电压时CHG电荷泵222减小CHG驱动电压,这是由比较器224确定的。
另外,在一些实施例中,CHG电荷泵222优选在响应于PWM_EN信号230和控制信号232时与其响应于CHG电荷泵使能信号228时相比具有稍微不同的特性。特别地,尽管CHG电荷泵222通过尽可能快地最大化CHG驱动电压来对CHG电荷泵使能信号228作出响应,但是CHG电荷泵222通过更缓慢地增大(和减小)CHG驱动电压来(通过传统方法)对PWM_EN信号230和控制信号232作出响应。换句话说,在预充电期间以“调节”模式使用CHG电荷泵222,其中其相对逐渐地拉升和拉低CHG驱动电压。
这一实施例的结构与功能与上述(参见图1)现有技术形成对比,在现有技术中开关118和120被操作以在接地端126和电荷泵116的输出之间迅速来回切换至CHG的连接。然而现有电荷泵116总是完全开启的,而不是被“调制”。因此,在接地端126和电荷泵116的输出之间切换至CHG的连接将导致现有电池管理系统芯片108试图驱动充电FET 112的栅极在脉冲宽度调制期间的每个循环内完全开启和完全关闭。
然而,在本发明的所述实施例中,由于与上述现有技术相比CHG驱动信号被调节而相对缓慢改变,因此充电FET 210响应于此相对缓慢地增加和减少PACKP和BAT之间的电连接。并且由于与上述现有技术相比PACKP和BAT之间的电连接相对缓慢地变化,因此在PACKP处来自充电器206的电压也相对缓慢地被拉低和拉升。另外,由于与上述现有技术相比在PACKP处来自充电器206的电压相对缓慢地变化,因此在PACKP处的电压能够转变到过高或过低之前,比较器224能够对PACKP处的电压的变化作出响应(并且由PACKP处的电压的变化引起的信号变化能够通过电池管理系统204传播)。因此,如下面参考图4所述,与图2中所示的PACKP处的现有电压(V_packp)相比,PACKP处的电压看起来是相对稳定的,几乎是DC电压。
图4中的电压图和电流图已经在某些方面简化或者理想化,以便使用包括代表性预充电程序或方法的示例更清楚且容易地说明本发明的实施例的某些方面。例如,应当理解,附图不是必须按比例绘制的,而是其一些部分可以压缩或扩张或扩大,从而增强一些图之间的某些关系。另外,一些图中看起来是线性的一些部分可以不必须是这样线性的。也可以存在来自潜在真实图线的其他变化。
在图4中,根据本发明的实施例,标记为V_batt的图线说明在BAT处电池202的电压的简化响应特性。根据本发明的实施例,标记为V_packp的图线说明在PACKP处来自充电器206的电压的简化响应特性。根据本发明的实施例,标记为V_chg的图线说明施加到充电FET 210的栅极的CHG驱动电压的简化响应特性。根据本发明的实施例,标记为V_chg'的图线区段说明施加到充电FET 210的栅极的CHG驱动电压的可替换响应特性。并且根据本发明的实施例,标记为充电电流的图线说明由对电池202充电的充电器206(如上所定义在该实施例中为“智能”充电器)产生的电流的简化响应特性。
另外,标记为V_min的电压水平表示电池管理系统芯片212的最小工作电压的示例水平。标记为V_pc的电压水平表示预充电阈值电压的示例水平。标记为V_fc的电压水平表示快速充电阈值电压的示例水平。标记为V_max的电压水平表示充电器206的最大输出电压的示例水平。标记为I_pc的电流水平表示由充电器206输出的预充电电流的示例水平。并且,标记为I_fc的电流水平表示由充电器206输出的快速充电电流的示例水平。
时间T1指示将充电器206连接到电子装置200以对电池202充电的代表性开始时间。在时间T1和时间T2之间,电池管理系统204加电并且电压稳定。在T1-T2时段内在PACKP处来自充电器206的电压(V_packp图线)升高(直到V_max),从而使得电子装置200能够加电。施加到充电FET 210的栅极的CHG驱动电压(V_chg图线)最初仍然较低(几乎为零),其保持充电FET 210关闭以防止在其能够确定是否必须使用预充电模式之前PACKP处来自充电器206的电压被施加到电池202。V_chg图线在T1-T2时段的末尾附近升高,因为CHG电荷泵222开始生成CHG驱动电压以开始启动充电FET 210。(未示出施加到放电FET 208的栅极的DSG驱动电压,其在CHG驱动电压之前极短时间内升高。)对于该示例,电池202几乎完全被放电,因此在BAT处电池202的电压(V_batt图线)在T1-T2时段内非常低。在BAT处电池202的电压(V_batt图线)不为零,因为假设电池管理系统204不允许电池202变为完全耗尽。然而,对于该示例,电池202的电压低于预充电阈值电压V_pc。另外,来自充电器206的电流(充电电流图)优选在较低的预充电电流水平I_pc开始,因为充电器206还没有确定其是否能够进入快速充电模式,并且其不期望在作出这一确定之前施加较高的快速充电电流I_fc到电池管理系统204或者电池202。
大约在T2-T3时段开始时,CHG驱动电压(V_chg图线)已上升到足够开启充电FET 210以在PACKP和BAT之间建立足够的电连接,从而使得电池202能够拉低PACKP处的电压(V_packp图线)。由于在该示例中电池202的初始电压(V_batt图线)如此低,在PACKP处来自充电器206的电压被拉低到低于快速充电阈值V_fc,因此如上所述电池管理系统204进入预充电模式。因此,一旦PACKP处的电压(V_packp图线)被进一步拉低到低于预充电阈值电压V_pc,则如上所述PACKP处的电压(V_packp图线)开始围绕预充电阈值电压V_pc振荡或“回环”或“起伏”相对小的量。该起伏继续贯穿T2-T3时段。由于在PACKP处来自充电器206的电压现在被连接到电池202,因此随着电池202开始再充电,BAT处的电池202的电压(V_batt图线)开始升高。施加到充电FET 210的栅极的CHG驱动电压(V_chg图线)也相对平行于V_batt图线升高,但是如上所述由于CHG电荷泵222的循环而具有一些振荡。在T2-T3时段内,充电电流图相对稳定地停留在预充电电流水平I_pc,虽然通常具有一些振荡(未示出)。
大约在时间T3,电池202已经被再充电到足够使BAT处的电池202的电压(V_batt图线)到达预充电阈值电压V_pc。因此,PACKP处的电压(V_packp图线)不再被拉低到低于预充电阈值电压V_pc。这样一来,PACKP处的电压(V_packp图线)不再高于和低于预充电阈值电压V_pc波动,因为比较器224和CHG电荷泵222不再改变其输出。因此,在T3-T4时段内,PACKP处的电压(V_packp图线)仍然几乎被拉低到(或者可忽视地高于)BAT处的电池202的电压水平(V_batt图线)。BAT处的电池202的电压(V_batt图)随电池202继续再充电而继续上升。另外,施加到充电FET 210的栅极的CHG驱动电压(V_chg图线)通常也大约在T3停止振荡,因为CHG电荷泵222不再改变其输出。相反,施加到充电FET 210的栅极的CHG驱动电压(V_chg图线)开始稳定地上升,直到稳定在其最大值。此外,充电电流图继续相对稳定在预充电电流水平I_pc,因为PACKP处的电压(V_packp图线)还没有上升到高于快速充电阈值电压V_fc,因此电池管理系统204和充电器206仍然处于预充电模式。
大约在时间T4,电池202已经被再充电到足够使BAT处的电池202的电压(V_batt图线)到达快速充电阈值电压V_fc。因此,PACKP处的电压(V_packp图线)不再被拉低到低于快速充电阈值电压V_fc。这样一来,充电器206和电池管理系统芯片212检测到能够使用快速充电模式。因此,充电器206开始生成快速充电电流,从而充电电流线在时间T4后立即从预充电电流水平I_pc升高到快速充电电流水平I_fc。在该示例中,施加到充电FET 210的栅极的CHG驱动电压(V_chg图线)已经在T3-T4时间段内稳定在其最大值,因此在V_chg图线中不存在显而易见的变化。然而,V_chg'图线说明代表性的可替换情况,其中CHG电荷泵222到时间T4为止还没有将其输出驱动到最大输出电压。在这种情况下,由于充电器206和电池管理系统芯片212已经切换到快速充电模式,所以施加到充电FET 210的栅极的CHG驱动电压(V_chg'图线)的增长率也突然增加,即V_chg'图线的斜率在时间T4增加,直到施加到充电FET 210的栅极的CHG驱动电压(V_chg'图线)稳定在其最大值。另外,由于来自充电器206的电流增加,在时间T4之后,PACKP处的电压(V_packp图线)在BAT处的电池202的电压水平(V_batt图线)之上非常轻微的增加,但是一般仍然平行于V_batt图线。BAT处的电池202的电压(V_batt图线)继续上升,直到在时间T5电池充电程序结束。
尽管图2和图4中的图表不需要按比例绘制,但是根据已经完成的测试和模拟,在两幅图中T2-T3时段内V_packp和V_chg图线区段的振荡幅度清楚地表示出两种技术之间的相对差异。例如,在两种情形中,V_max值是大约4.2V,并且V_min值是大约2.0V。然而,在现有技术的情形(图2)中,V_fc值是大约2.8V,而图4中示例的V_fc值更严格地在大约2.5V。另外,图2中V_1值和V_2值分别是大约2.2V和2.4V,其允许在V_min值以上大约200mV的容限。另一方面,图4中的V_pc值是大约2.1V,其只允许在V_min值以上大约100mV的容限,这是更严格的约束。使用更严格的约束说明本发明的实施例能够更好地适应制造商的发展趋势,从而使得快速充电阈值电压V_fc尽可能地低并且有效地将V_fc和V_min“挤压”到越来越小的范围内。
图2中的现有技术V_chg图线区段显示出高达大约1.9V的振幅变动。另外,现有技术V_packp图线区段显示出高达大约2.0V的振幅变动。为了用具有上述示例性设定值的这些振幅变动生成现有技术的V_packp和V_chg图线区段,图1和图2的现有技术示例必须用足够功率驱动,从而为其部件的性能实现大约2微秒的响应时间。
另一方面,图4中的V_chg图线区段显示出最多只有大约0.25V到0.4V的振幅变动,几乎是现有技术示例的五倍到八倍改进。另外,图4中的V_packp图线区段显示出最多只有大约200mV(2.2V-2.0V)的振幅变动,几乎是现有技术示例的一个数量级的改进或者十倍的改进。此外,为了用具有以上设定值的这些振幅变动产生代表性的V_packp和V_chg图线区段,图3和图4的实施例必须用足够的功率驱动,从而为其部件(例如CHG电荷泵222)的性能实现仅大约10-100微秒(或者可替换地大约20微秒)的响应时间,这是相对现有技术示例的显著改进,其允许较便宜(即较慢的响应时间和较低的功率消耗)的部件。换句话说,尽管在图1和图2的现有技术示例中使用更宽容的设定值来生成图2的现有技术图表,图3和图4的代表性实施例需要较少的功率和更少且更便宜的部件获得优良的结果。
应当理解,在以上现有技术示例(图1和图2)和本发明的实施例(图3和图4)中使用的数值仅仅是代表性的,并且仅用于说明性的目的。除非权利要求中要求,本发明不必限制于这些数值。
图5示出可替换的电子装置236,其包括针对其部分的一些代表性可替换设计。例如,在该实施例中,可替换实施例电池管理系统238控制由充电器242对电池240充电。在一些替换例中,充电器242不是“智能”充电器,如上所述其能够感测在其输出端的电压水平并且能够相应地调节输出电流以进入预充电模式或快速充电模式。与此相反,充电器242例如一些简单的DC/DC转换器输出单个电流水平。因此,针对这个替换例的电池管理系统238适合于在预充电模式需要时限制电流。
电池管理系统238一般包括放电FET 244、充电FET 246、电池管理系统芯片248、传感电阻器250和电流限制器电路252。放电FET 244和充电FET 246可以分别类似于图3中所示的实施例的放电FET 208和充电FET 210。另外,放电FET 244和充电FET 246与放电FET 208和充电FET 210类似可以连接到VCC、BAT、DSG和CHG。然而,放电FET 244优选连接到PACKP'处的电流限制器电路252的输出,而不是直接连接到PACKP处的充电器242的输出。另一方面,电流限制器电路252连接到PACKP处的充电器242的输出,以便当预充电模式需要时限制来自充电器242的电流。另外,类似于图3所示的电池202,电池240优选连接到充电FET 246和传感电阻器250。并且传感电阻器250与图3所示的传感电阻器214类似优选连接到电池管理系统芯片248的SRP节点和SRN节点、连接到接地端254并且连接到充电器242在PACKN处的回线。
电池管理系统芯片248一般具有控制器256、DSG(放电)电荷泵258、CHG(充电)电荷泵260、比较器262和参考电压264,除了这里所述的,其可以分别类似于图3所示的控制器218、DSG电荷泵220、CHG电荷泵222、比较器224和参考电压234。控制器256接收PACKP'处(如图所示)或PACKP处和/或BAT处的电压,以便如上面关于控制器218所述确定是使用预充电模式还是快速充电模式。当控制器256确定将使用预充电模式时,其确立到电流限制器电路252的限制电流信号266。响应于限制电流信号266的确立,电流限制器电路252将来自充电器242的电流限制到较低的预充电电流,但是优选将PACKP'处的电压维持在与PACKP处的电压相同的水平。
在可替换实施例中,限制电流信号266可以是PWM_EN信号230(图3),其中CHG电荷泵260和比较器262分别与CHG电荷泵222和比较器224(图3)基本上相同,并且如上所述,控制器256生成PWM_EN信号230和CHG电荷泵使能信号228以控制CHG电荷泵260和比较器262。换句话说,在这一实施例中,PWM_EN信号230将控制CHG电荷泵260、比较器262和电流限制器电路252,从而将电池管理系统238置于预充电模式。
然而,在图5所示的可替换实施例中,控制器256不生成PWM_EN信号230。因此,限制电流信号266由控制器256(根据PACKP'、PACKP或BAT处的电压)单独生成,从而使得电流限制器电路252将充电电流限制到较低的预充电电流。另外,根据另一个替换例,单个使能信号268被用于控制CHG电荷泵260,而不是使用PWM_EN信号230和CHG电荷泵使能信号(例如上面的228)控制CHG电荷泵260。并且代替使用PWM_EN信号230来控制比较器262,比较器262一直简单地开启。因此,在该替换例中,随着PACKP'处(或PACKP处)的电压升高和降低到高于和低于预充电阈值电压(即参考电压264),比较器262切换其输出,但是一旦电池240在BAT处的电压足够增加以致PACKP'处(或PACKP处)的电压不再降低到低于预充电阈值电压,则比较器262维持稳定输出。另外,如上所述,CHG电荷泵260响应于比较器262的输出增大并减小其输出。并且,在比较器262停止改变其输出之后,CHG电荷泵260维持其响应特性,无论电池管理系统238是处于预充电还是快速充电模式。因此,可以在以下实施例中使用该替换例,即其中CHG电荷泵260的行为足够在快速充电模式期间保持与其在预充电模式期间相同,并且即使当比较器262不需要改变其输出时,由比较器262消耗的功率也是无关紧要的。
与智能充电器一起工作的实施例(图3)可以合并包括(图3)或不包括(图5)PWM_EN信号230的任何一个替换例。并且不使用智能充电器的实施例(图5)也可以合并包括(图3)或不包括(图5)PWM_EN信号230的任何一个替换例。
图6示出另一可替换的电子装置270,其包括针对其部分的一些附加的可替换设计。例如,在该实施例中,另一可替换的电池管理系统272控制由充电器276对电池274充电。可替换的电池管理系统272一般包括放电FET 278、充电FET280、电池管理系统芯片282和传感电阻器284。
在图3和图5所示的实施例中,放电FET 208和244以及充电FET 210和246被描述为NMOS FET。然而,在图6的实施例中,放电FET 278和充电FET 280被显示为PMOS FET。
如图所示,放电FET 278和充电FET 280可以连接到PACKP、VCC、BAT、DSG和CHG节点。另外,类似于图3和图5所示的电池202和240,电池240优选连接到充电FET 280和传感电阻器284。并且类似于图3和图5所示的传感电阻器214和250,传感电阻器284优选连接到电池管理系统芯片282的SRP节点和SRN节点、连接到接地端286并且连接到充电器276在PACKN处的回线。
在该实施例中,如上所述,充电器276被假定为智能充电器,因为电池管理系统272在需要预充电模式时不适于限制电流。因此,没有示出电流限制器电路(例如图5中的252)。然而,应当理解图6中示出的实施例能够适于包括这种电流限制器252以便和不是智能充电器的充电器一起工作。
电池管理系统芯片282一般包括控制器288、DSG(放电)推挽(push-pull)输出驱动器290、CHG(充电)推挽输出驱动器292、比较器294和参考电压296。控制器288、比较器294和参考电压296类似于如上参考图3所述的控制器218、比较器224和参考电压234。另外,图6中从PACKP、VCC、BAT、SRP和SRN到控制器288的输入信号类似于图3中从PACKP、VCC、BAT、SRP和SRN到控制器218的输入信号。此外,图6中的DSG推挽输出驱动使能信号298、CHG推挽输出驱动使能信号300、PWM_EN信号302和控制信号304分别类似于图3中的控制和使能信号226、228、230和232。
由于放电FET 278和充电FET 280是PMOS FET而不是NMOS FET,所以优选使用DSG和CHG推挽输出驱动器290和292代替电荷泵分别产生DSG和CHG处的栅极驱动信号,从而分别驱动放电FET 278和充电FET 280。响应于DSG推挽输出驱动使能信号298,DSG推挽输出驱动器290驱动放电FET 278的栅极,使得放电FET 278的功能总体来说类似于如上所述的放电FET 208或244(图3或5)的功能。另外,响应于CHG推挽输出驱动使能信号300、PWM_EN信号302和控制信号304,CHG推挽输出驱动器292驱动充电FET 280的栅极,使得充电FET 280的功能总体来说类似于如上所述的充电FET 210或246(图3或5)的功能。因此,尽管CHG推挽输出驱动器292通过尽可能快地开启充电FET 280来对CHG推挽输出驱动使能信号300作出响应,但是CHG推挽输出驱动器292通过更缓慢地开启和关闭充电FET 280来(用常规方法)对PWM_EN信号302和控制信号304作出响应。换句话说,在预充电期间以相对逐渐地开启和关闭充电FET 280的“调节”模式使用CHG推挽输出驱动器292。以此方式,电池管理系统272使用PMOS FET代替NMOS FET实现PACKP处的电压为相对稳定的近似DC电压,其类似于图4中的V_packp图。

Claims (20)

1.一种用于由充电器对电池充电的电池管理系统,其包含:
管理芯片,具有控制器、比较器以及电荷泵和推挽输出驱动器中的一个,所述管理芯片用于连接来自所述充电器的电压并连接到所述电池,其中所述控制器响应于所述电池的电压低于快速充电阈值电压而开启使能信号,所述比较器响应于所述使能信号被开启且来自所述充电器的电压高于预充电阈值电压而开启控制信号,所述比较器响应于所述使能信号被开启且来自所述充电器的电压低于所述预充电阈值电压而关闭所述控制信号,所述电荷泵和所述推挽输出驱动器中的所述一个响应于所述使能信号和所述控制信号被开启而增大驱动信号,并且所述电荷泵和所述推挽输出驱动器中的所述一个响应于所述使能信号被开启和所述控制信号被关闭而减小所述驱动信号;以及
晶体管,其在外部连接到所述管理芯片以在栅极接收所述驱动信号,所述晶体管也用于连接来自所述充电器的电压并连接到所述电池,其中随着所述电荷泵和所述推挽输出驱动器中的所述一个增大所述驱动信号,所述晶体管增加所述电池与来自所述充电器的电压之间的电连接,这使得来自所述充电器的电压向着所述电池的电压被拉低,并且只要所述电池的电压低于所述快速充电阈值电压,就用预充电电流对所述电池充电,并且随着所述电荷泵和所述推挽输出驱动器中的所述一个减小所述驱动信号,所述晶体管减少所述电池与来自所述充电器的电压之间的电连接,这使得所述充电器将来自所述充电器的电压向着充电器输出电压拉高。
2.如权利要求1所述的电池管理系统,其中:
当所述电池的电压低于所述预充电阈值电压时,所述系统在开启和关闭所述晶体管以及交替地拉低和拉高来自所述充电器的电压至低于和高于所述预充电阈值电压之间循环,而不将来自所述充电器的电压拉至低于最小电压或者高于所述快速充电阈值电压;
当所述电池的电压在所述预充电阈值电压与所述快速充电阈值电压之间时,所述系统以100%占空比开启所述晶体管并且用所述预充电电流对所述电池充电;以及
当所述电池的电压高于所述快速充电阈值电压时,所述系统以100%占空比开启所述晶体管并且用来自所述充电器的快速充电电流对所述电池充电。
3.如权利要求1所述的电池管理系统,其中:
当所述电池的电压低于所述预充电阈值电压时,所述电荷泵和所述推挽输出驱动器中的所述一个具有大约10到100微秒的响应时间。
4.如权利要求1所述的电池管理系统,其中:
当所述电池的电压低于所述预充电阈值电压时,所述电荷泵和所述推挽输出驱动器中的所述一个具有大约20微秒的响应时间。
5.如权利要求1所述的电池管理系统,其中:
来自所述电荷泵和所述推挽输出驱动器中的所述一个的所述驱动信号在来自所述充电器的电压在高于和低于所述预充电阈值电压循环的时段内变化小于大约400mV。
6.如权利要求1所述的电池管理系统,其中:
当所述电池的电压低于所述预充电阈值电压时,来自所述充电器的电压变化不超过大约+/-100mV。
7.如权利要求6所述的电池管理系统,其中:
当所述电池的电压低于所述预充电阈值电压时,来自所述充电器的电压从所述预充电阈值电压变化不超过大约+/-100mV。
8.如权利要求7所述的电池管理系统,其中所述预充电阈值电压是大约2.1V。
9.一种用于由充电器对电池充电的电池管理系统,其包含:
晶体管,其通过响应于脉宽调制驱动信号开启和关闭而从所述充电器向所述电池传输充电电流;和
电荷泵与推挽输出驱动器中的一个,其生成所述驱动信号,所述电荷泵和所述推挽输出驱动器中的所述一个在来自所述充电器的电压高于预充电阈值电压时增大所述驱动信号,并且在来自所述充电器的电压低于所述预充电阈值电压时减小所述驱动信号。
10.如权利要求9所述的电池管理系统,其进一步包含:
比较器,其基于在预充电程序期间来自所述充电器的电压和所述预充电电压阈值生成控制信号;并且
其中所述电荷泵和所述推挽输出驱动器中的所述一个基于所述控制信号增大和减小所述驱动信号。
11.如权利要求9所述的电池管理系统,其中:
在调节模式中所述电荷泵和所述推挽输出驱动器中的所述一个具有大约20微秒的响应时间。
12.如权利要求9所述的电池管理系统,其中:
由所述电荷泵和所述推挽输出驱动器中的所述一个生成的所述驱动信号在来自所述充电器的电压在高于和低于所述预充电阈值电压循环的时段内变化大约250到400mV。
13.如权利要求9所述的电池管理系统,其中:
在所述电池的电压低于所述预充电电压阈值的时段内,来自所述充电器的电压高于或低于所述预充电电压阈值变化不超过大约100mV。
14.如权利要求9所述的电池管理系统,其中在所述电池的电压低于所述预充电电压阈值的时段内,来自所述充电器的电压在大约2.2V和大约2.0V之间变化。
15.一种用于对电池充电的方法,其包含:
生成比较器输出信号,其取决于来自充电器的电压是高于还是低于阈值电压;
电荷泵和推挽输出驱动器中的一个生成脉宽调制即PWM输出电压,所述电荷泵和所述推挽输出驱动器中的所述一个响应于所述比较器输出信号增大和减小所述PWM输出电压;
用所述PWM输出电压驱动晶体管,从而增加和减少所述电池与来自所述充电器的电压之间的电连接;
通过驱动所述晶体管增加所述电池与来自所述充电器的电压之间的电连接,减小来自所述充电器的电压至低于所述阈值电压;以及
通过驱动所述晶体管减少所述电池与来自所述充电器的电压之间的电连接,增大来自所述充电器的电压至高于所述阈值电压。
16.如权利要求15所述的方法,其中:
增大和减小来自所述充电器的电压将来自所述充电器的电压维持在一定范围内,在该范围内预充电电流以预充电模式对所述电池充电。
17.如权利要求16所述的方法,其中:
在所述电池的电压低于所述阈值电压的时段内,来自所述充电器的电压被维持在其内的所述范围是所述阈值电压的大约+/-100mV。
18.如权利要求17所述的方法,其中所述阈值电压是大约2.1V。
19.如权利要求15所述的方法,其中增大和减小所述PWM输出电压以大约20微秒的响应时间发生。
20.如权利要求15所述的方法,其中所述PWM输出电压在来自所述充电器的电压在高于和低于所述阈值电压循环的时段内变化大约250到400mV。
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