CN102763305B - 用于最小输出电压电池充电器的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种用于包含电池和电池充电器的便携式装置的设备和方法。在该便携式装置中，有多个系统部件，所述多个系统部件被配置用于促进该便携式装置被设计执行的多个功能。该便携式装置中的电池被配置用于在无外部输入电源时向所述多个系统部件提供内部电源。电池充电器被配置用于在外部输入电源可用时对电池充电。本文公开的电池充电器在正在充电的电池电压低于极限值时，能够将系统功率供给到系统部件，由此允许该便携式装置在电池电压降到极限值之下时运作。

Description

用于最小输出电压电池充电器的方法和系统

背景技术

技术领域

本教导涉及用于电池的方法和系统。更具体地，本教导涉及用于电池充电器和包含有电池充电器的系统的方法和系统。

技术背景讨论

随着电子学的发展，便携式装置已经无处不在。如通常已知的，这样的便携式装置通常依赖于电池供电来操作。在延长电池的使用时间上，已经做出了许多努力。便携式装置的用户普遍遇到的一个现象是，当电池电压低于最低可用系统水平时，即使当装置连接到外部电源时，装置的“即时启动”功能也不可能。在这样的情形中，在装置对输入功率表现出任何响应之前，装置的用户必须等待电池充电至最小电池电压。这带来了极大的不便和低效。

图1（现有技术）描绘了对电池160充电的常规电池充电器100。常规电池充电器100包括工作周期（dutycycle）发生器130、输入电流极限控制系统110、步降开关调节器120、恒定充电电流放大器140和恒定电池电压放大器150。在该充电器中，工作周期发生器130由输入电流极限控制系统110、恒定充电电流放大器140和恒定电池电压放大器150控制。充电器100的工作周期控制步降开关调节器120，步降开关调节器120随后控制供给便携式装置的系统功率。

充电器100的工作周期基于来自多个源的反馈信息被动态调节。例如，恒定充电电流放大器140测量流过电池160的电流并试图控制工作周期从而使流过电池160的电流保持恒定。另外，恒定电池电压放大器150测量电池160的电压并用该信息控制工作周期，使得电池电压保持恒定。此外，输入电流极限控制系统110测量输入电流并且使用该信息自动地控制工作周期发生器130产生的工作周期。

术语“下甲板(lowerdeck)”指当电池被深度放电时，电池充电器在其输出端产生的最小电压。在这个图示的电池充电器中，当电池电压低于下甲板时，将不会有系统功率供给到便携式装置，因为全部功率被电池充电器100引导到电池。因此，存在上述关于现有技术的电池充电器方案的问题。

附图简述

本文要求的和/或描述的本发明根据示例性实施方式被进一步描述。这些示例性实施方式参考附图进行详细描述。这些实施方式是非限定性的示例性实施方式，其中遍及附图的若干视图中，同样的附图标记表示类似的结构，其中：

图1（现有技术）图示了常规电池充电器的系统图；

图2描绘了根据本教导的实施方式的包括电池和电池充电器的示例性系统图；

图3描绘了根据本教导的实施方式的输入电流极限控制系统的示例性电路；

图4描绘了根据本教导的实施方式的步降开关调节器的示例性电路；

图5描绘了根据本教导的实施方式的恒定充电电流放大器的示例性电路；

图6描绘了根据本教导的实施方式的恒定电池电压放大器的示例性电路；

图7描绘了根据本教导的实施方式下甲板系统的示例性电路；

图8描绘了根据本教导的实施方式的理想二极管放大器的示例性电路；

图9描绘了根据本教导的示例性实施方式的电池充电器的示例性实现；

图10示出了一种根据本教导的实施方式的便携式装置，该便携式装置包含电池充电器，该电池充电器能够允许该便携式装置在电池电压降至下甲板下时运行。

具体实施方式

在便携式装置中，当用户对产品应用外部电源时，在外部电源可用以对低于最小可用系统水平的电池充电时，维持最小系统电压使得能够进行“即时启动”操作。同时，在系统负载超过程控的输入功率极限值时，提供从电池到系统负载的理想二极管功能，也有利于系统。

本教导涉及即使当电池电压低于电池充电器的最小输出电压时提供该电池充电器的最小输出电压以供电给系统负载的方法和系统。本教导还涉及当便携式装置的输入功率受限时，能够牺牲电池的充电电流从而能够优先保证系统负载功率的方法和系统。本教导进一步涉及方法和系统，其中当系统负载超过可用功率时，电池充电电流被减小至零，并且随后功率可从电池拉至支持系统负载。即，当发生该情形时，输出电压不再保持在最小所需系统水平，而是保持在电池水平或低于该电池水平。

在本公开中，术语“下甲板”是指当电池被深度放电时电池充电器在其输出端产生的最小电压。另外，术语“输入功率极限”和“输入电流极限”将可互换使用。此外，由于对于固定输入电压，输入功率是恒定的，则仅调节输入电流等效于调节输入功率。

图2是根据本教导的一个实施方式的电池充电器的示例性实现200的框图。在图2中，电池充电器200被用以对电池260充电。电池充电器200包括：控制步降开关调节器220的工作周期发生器230；控制工作周期发生器230的各种子电路，包括输入电流极限控制系统210、恒定充电电流放大器240、恒定电池电压放大器250和下甲板系统270，以及用以在不同情形中控制电池和系统负载之间的功率分配的理想二极管放大器280。

如能够看到的，在该示例性实现200中，工作周期发生器230连接到步降开关调节器220功率输出。由工作周期发生器230产生的工作周期基于不同条件而受到控制。如图2中所示，工作周期发生器230由输入电流极限控制系统210根据在电池充电器200的输入处测量的输入电流、恒定充电电流放大器240基于测量的流过充电器到达电池的电流以及恒定电池电压放大器250基于在电池260上测量的电压来控制。

通常，流入电池用于再次充电的充电电流保持恒定，并且这由恒定充电电流放大器240实现。另外，还确保在电池260处测量的电池电压处于某一水平，并且这由恒定电池电压放大器250实现。如本文讨论的，根据本教导，流到电池用于再次充电的电流和在电池处测量的电压可依据情况变化。

下甲板系统270监测系统负载和电池260的充电情况，并且控制在系统功率和供给电池用于再次充电的功率之间的功率分配。例如，当电池电压低于下甲板并且系统负载需要功率时，下甲板系统270被设计成将电池从系统功率去耦，使得足够量的功率被传送到便携式装置以允许该装置连续运作。理想二极管放大器280用以在某些情况下将系统功率与电池重新耦合。这将稍后详细说明。

图3至图8描绘了根据本教导的实施方式的、图2中所示的不同系统部件的示例性实现。在公开那些系统部件的示例性实施方式后，将详细讨论电路的功能。图3描绘了输入电流极限控制系统210的示例性电路。如本文公开的，输入电流极限控制系统210连接到工作周期发生器230和步降开关调节器220两者。如图3中所示，输入电流极限控制系统210包括两个电阻器R1310和R2330、电流感测放大器320和参考电压350、以及放大器A1340。这些部件的连接如图3中所示。放大器A1340的输出端连接到工作周期发生器230。电阻器R1的一个端子连接到输入功率并且R1的另一个端子连接到步降开关调节器220。

图4描绘了根据本教导的实施方式的步降开关调节器的示例性实现。该示例性步降开关调节器220包括，连接如图4所示的PMOS晶体管410和NMOS晶体管420、连接晶体管420的源极和漏极的二极管430以及包括电感器L1450和电容器C1460的子电路440。PMOS晶体管用作电源开关。NMOS晶体管420用作同步整流器。在一些实施方式中，子电路440可以分别地在电感器L1和电容器C1外。步降开关调节器连接在输入功率VIN到输出功率VOUT之间。

两个晶体管410和420的栅极连接到工作周期发生器230。晶体管410的源极连接到输入电流极限控制系统210。晶体管410的漏极连接到晶体管420的漏极，并且晶体管420的源极接地。子电路440耦合到晶体管420和410的漏极并且其输出端连接到系统功率。在一些实施方式中，当工作周期改变时，步降开关调节器220可能相应地需要具有不同的实现，该不同的实现可能包括内部部件以及典型的、用于实现开关型电池充电器的外部部件两者。

图5描绘了根据本教导的实施方式的恒定充电电流放大器240的示例性实现。该示例性恒定充电电流放大器240包括电流感测放大器530、电阻器R4540、放大器510和参考电压520。电流感测放大器530具有两个输入端子。非反相输入端子连接到系统功率并且反相输入端子连接到下甲板系统270。在正极输入端子和负极输入端子之间设置有电阻器R3550。电流感测放大器240在电阻器R3两端感测流到下甲板系统270的电流。

一旦感测到流到下甲板系统270的电流，则电流感测放大器530产生输出并且该输出被发送到放大器510的反相输入端子。放大器510根据在其反相输入端子上从电流感测放大器530接收的信号与在其正极端子上通过参考电压520提供的参考电压之间的差而工作，其中参考电压520连接到放大器510的非反相端子和地。电阻器R4540连接在电流感测放大器530的输出和地之间。放大器510的输出被发送到工作周期发生器230，以根据感测的从系统功率流到下甲板系统270的电流控制工作周期。

图6描绘了根据本教导的实施方式的恒定电池电压放大器250的示例性实现。该示例性恒定电池电压放大器250在其输入端连接到电池260并且在其输出端连接到工作周期发生器230。在内部，恒定电池电压放大器250包括两个电阻器R5630和R6640、参考电压620和放大器610。电阻器R5630的一个端子耦合到电池并且另一端子连接到放大器610的反相输入端子。电阻器R6640连接在放大器610的反相输入端子和地之间。参考电压620连接在地和放大器610的非反相输入端子之间以提供参考电压。放大器610基于在提供在其非反相输入端子上的参考电压与在电池上感测的并且在其非反相输入端子上提供到其的电压之间的差运作。放大器A3610的输出被发送到工作周期发生器230。

图7描绘了根据本教导的实施方式的下甲板系统270的示例性实现。该示例性下甲板系统270包括PMOS晶体管710、电流源720、二极管730、放大器740、参考电压760和两个电阻器R7750和R8770。它们以如下方式连接。PMOS晶体管710的源极连接到恒定充电电流放大器240。PMOS晶体管710的漏极连接到电池。电流源720连接在系统功率和PMOS晶体管710的栅极之间，PMOS晶体管710的栅极也连接到理想二极管放大器280。二极管730的正极连接到晶体管710的栅极并且二极管730的负极连接到放大器740的输出端。参考电压VREF4760被提供在放大器的非反相输入端。两个电阻器R7750和R8770串联联接在系统功率和地之间。放大器740的反相输入端子连接到电阻器750和电阻器770的相互连接处。

图8描绘了根据本教导的实施方式的理想二极管放大器280的示例性实现。该示例性理想二极管放大器280包括放大器820和与该放大器耦合的二极管810。放大器820的非反相输入端连接到参考电压830，参考电压830连接到系统功率。放大器的反相输入端连接到电池260。二极管810的正极连接到下甲板系统270中的PMOS晶体管710的栅极，并且二极管810的负极连接到放大器820的输出端。

图9描绘了根据本教导的实施方式的基于在图3至图8中呈现的示例性电路实现的电池充电器200的总体示例性实现。在运行中，放大器610（A3）与恒定电池电压放大器250中的电阻器R5630和R6640一起检测电池电压和参考源VREF3（620）之间的差并产生误差信号。该误差信号用以控制恒定电流/恒定电压算法（未示出）的恒定电压部分，该恒定电流/恒定电压算法通常用以对锂离子电池充电。

本教导的关键涉及下甲板系统270和理想二极管放大器280如何与电路的其它部分协同运作。总体上，由放大器610控制的浮动电压控制水平被期望显著地高于下甲板水平。假设，恒定电池电压放大器250中的浮动电压放大器610和下甲板系统270中的放大器740被期望独立地与恒定充电电流放大器240相互作用，但它们彼此之间不相互作用。由于不期望放大器610与下甲板系统270同期运作，本文中不讨论其运作的详情。

在恒定充电电流放大器240中，放大器A2或510与电流感测跨导放大器GM2或530、电阻器R3550和R4540以及参考源VREF2协作产生误差信号，该误差信号被用以控制恒定电流/恒定电压算法中的恒定电流部分，该恒定电流/恒定电压算法通常用以对锂离子电池充电。使用这样的放大器和电路来将它们的输出转换成适当的开关工作周期，对于开关电源设计领域的技术人员而言是公知的。恒定电流/恒定电压算法对于线性锂离子电池充电器设计领域的技术人员而言也是公知的。

在输入电流极限控制系统210中，电流感测放大器GM1320、放大器A1340、电阻器R1310和R2330以及参考源VREF1允许开关调节器220测量并控制其自身的平均输入电流。该特征对于电池充电器并不是必需的要求，但对于符合某些工业标准诸如USB标准是有用的。此能力在如下方面对电池充电器提供了额外效用。首先，其可允许调节器传送恒定输出功率而不是输出电流。其次，其可用以控制来自电流受限源的电流消耗。前者是有用的，因为其优化了来自受限电源的充电功率，并且因此还优化了充电时间。后者是有用的，因为使输入源的设计需求最小化，由此减小了其尺寸和成本。

本领域公知，各种控制放大器能够以第一限制器配置（未示出）耦合到电源开关。也就是说，开关调节器被编程为在缺少任何控制信号时输送最大功率。当各种控制放大器中的至少一个放大器到达其调节点并且指示调节器限制输出功率时，实现调节。当步降开关调节器如图2和4所示地使用时，这使得工作周期减小。如将看到的，该输入电流调节特征在与最小输出电压（即，下甲板）调节放大器（图2中的下甲板系统270）一起使用时将产生令人感兴趣的并且有用的一组行为。

应注意到，图示的210中的输入电流测量系统的示例性实现并不是唯一可能的实施方式。替代实施方式也可以用以实现同样的目的。例如，一个可能的替代实现是使用电源开关（即，图4中的晶体管410）作为电流感测元件。

本教导的一个重要元件是下甲板系统270，如本文讨论的，下甲板系统270包括放大器A4740、晶体管MP2710、电阻器R7750、R8770、参考电压VREF4760、电流源I1720和二极管D1730。下甲板系统270与输入电流极限系统210协同运作。在运作中，晶体管MP2710的功能是以尽可能低的阻抗将开关调节器的输出连接到电池端子。此低阻抗连接确保了最佳的电池充电效率。这通常使得开关调节器的输出电压为电池端子电压或稍高于电池端子电压。但是，当电池电压低于该便携式产品能够可靠运作的水平（即，下甲板）时，晶体管MP2710被设计用以将电池端子和开关调节器输出端去耦，以保持输出电压。

下甲板系统270中的放大器A4740与电阻器750和770、VREF4、电流源I1720和二极管D1730协作，控制晶体管MP2710的栅极，使得当系统电压VOUT下降到下甲板电压时，晶体管MP2的阻抗增大。此增大的阻抗影响到使电池端子为一电压而使输出电压为不同的电压、优选地为更高电压所需要的去耦。

可根据不同的情景讨论电池充电器200在运作中执行的功能。为适当地公开这些功能，考虑下面的情景。

1.电池电压大于下甲板，系统负载加上程控的充电电流不超过输入功率极限值。

2.电池电压大于下甲板，系统负载加上程控的充电电流不超过输入功率极限值。系统负载和充电电流都没有单独超过输入功率极限值。

3.电池电压大于下甲板，只有系统负载超过输入功率极限值。

4.电池电压大于下甲板，只有程控的充电电流超过输入功率极限值。

5.电池电压大于下甲板，系统负载和程控的充电电流都单独地超过输入功率极限值。

6.电池电压低于下甲板，系统负载加上程控的充电电流不超过输入功率极限值。

7.电池电压低于下甲板，系统负载加上程控的充电电流不超过输入功率极限值。系统负载和充电电流都没有单独地超过输入功率极限值。

8.电池电压低于下甲板，只有系统负载超过输入功率极限值。

9.电池电压低于下甲板，只有程控的充电电流超过输入功率极限值。

10.电池电压低于下甲板，系统负载和程控的充电电流都单独地超过输入功率极限值。

下面将对所列情景中的每种情景详细讨论电池充电器的运作。

情景1：

在此情景中，电池电压大于下甲板电压，并且电池充电电流与系统负载的组合不超过输入电流限制特征的程控水平。在此情况中，下甲板放大器尽可能低地下拉晶体管MP2（710）的栅极（例如，优选地下拉至地），使晶体管MP2尽可能地导通。开关调节器的输出电压VOUT等于电池电压加上充电电流乘以晶体管MP2和电阻器R3（550）的总电阻。

在此情景中，用以对充电电流进行调节的恒定充电电流放大器240中的放大器A2（510）控制开关调节器的工作周期。电池接收程控的充电电流。当负载电流波动时，输出电压也将波动，从而导致或多或少的充电电流流动。在此情况下，放大器A2（510）将检测电池的充电电流的波动，并重新调整开关调节器220的工作周期以进行补偿。在此情况中，没有其它放大器对开关调节器220产生任何影响。

情景2：

在此情景中，电池电压大于下甲板电压并且组合的负载电流和程控的充电电流大于输入功率极限程控水平，但两者中的单独任一项不大于该输入功率极限程控水平。在此情况中，晶体管MP2710的栅极仍靠近地，因为放大器A4（740）不检测低于下甲板水平的输出电压。在此情况中，输入电流极限控制系统210中的放大器A1340受开关调节器的工作周期控制，且因此受其输出功率的控制。由于电池电压是固定的，则此情况中的输出电压将略有下降，使得晶体管MP2和电阻器R3的组合电阻两端的电压稍不足以支持程控的充电电流。但是，满载电流将继续供给到VOUT，因为在负载和电感器之间的直接连接使得其有最高优先级。另外，在此情况下，放大器A2510将显著不满足运作条件，由此放弃对开关调节器的控制。因此，如电池充电器200所被设计的，电池电流在此情况中被牺牲以让步给较高优先级的负载电流。

情景3：

在此情景中，电池电压大于下甲板水平并且只有系统负载超过输入功率极限值。如在情景2中那样，在此情况中，输入电流极限控制系统210控制开关调节器220的工作周期。下甲板系统270中的晶体管MP2710的栅极将靠近地。由于外部负载超出了分配的功率，输出电压VOUT将被拉低，并且晶体管MP2和电阻器R3两端的电压将反向。该电压反向导致从电池得到电流而不是向电池传送电流。由此，通过到负载和电池的连接以及晶体管MP2710和电阻器R3550的非零阻抗的性质，实现了自动的理想二极管功能，其中功率被从输入电源和电池260输送到输出端。除了借助本发明的拓扑，此结果的实现无任何附加的决策部件。

这能够被认为是固有的零正向电压理想二极管，因为其不具有特定门限电压检测水平，而是依赖于阻性元件的原有特性。另外，注意到，在情景1、2和3的组合中，由于组合的负载电流和充电电流增大超过输入功率极限值，充电电流从满电流、到部分电流到零逐渐减小，并且最后为负以补充负载电流。情景1、2和3中的每种情景产生所希望的特性，使得输出电压从略大于电池电压变成略低于电池电压。

情景4：

在情景4中，只有程控的充电电流超过输入功率极限值。这是情景2中的另一特殊情况，其中充电电流将自动减小至输入电流极限控制系统210指示的水平。在此情况中，晶体管MP2710的栅极接地并且输出电压VOUT是电池电压加上可用充电电流乘以晶体管MP2710和电阻器R3550的组合电阻。

情景5：

在此情景中，系统负载电流和程控的电池充电电流两者都单独超过输入功率极限值，并且因此它们的和也超过该输入功率极限值。如在情景2中，输入电流极限控制系统210控制开关调节器的工作周期，并且晶体管MP2710的栅极接地。与情景3类似，此情况中的输出电压被系统负载拉低到电池端子电压之下并且补充功率将从电池供给到负载。程控的充电电流也超过输入功率极限值的事实并不重要，因为MP2-R3组合上的反向电压使得充电电流控制系统显著不满足工作条件，因此不能起到作用。

情景6：

情景6是其中电池电压低于下甲板水平的第一种情景。在此情况中，讨论集中在当组合的负载电流和程控的充电电流不超过输入功率极限控制系统210使用的门限时发生了什么。

当电池电压低于下甲板水平时，下甲板系统270中的放大器A4740允许I1在晶体管MP2710的栅极上上拉，致使其阻抗升高从而输出VOUT不降至程控的下甲板水平之下。也就是说，在电池260和输出电压VOUT之间的阻抗经由MP2和放大器A4740被有意升高以便电池端子从输出节点去耦。如先前表述的，在低电池电压情况下，此去耦对于保持输出电压是有必要的。

在此情景中，如情景1一样，电池充电电流控制放大器240中的放大器A2510控制开关调节器220的工作周期。与情景1中不同，下甲板系统270中的放大器A4740不再试图使晶体管MP2710接地，而是将其调节至保持输出电压所需的水平上。

在此情景中可产生一些有趣的观察结果。首先，下甲板系统270中的部件，包括放大器A4740、晶体管MP2710、电阻器R7750和R8770以及VREF4，对开关调节器220的工作周期没有直接影响。也就是说，这是完全独立的电路。

其次，下甲板系统270中的这些部件与并联调节器极其类似。具体而言，当电流被供应到下甲板系统270的顶部时，电压由被调制的MP2阻抗相当精确地调节，所述被调制的MP2阻抗受放大器A4740的高增益控制。此网络和并联调节器之间的主要差异在于，在并联调节器中，电流通常被输送到地（即，被浪费），而在此网络中，电流被输送到电池，因而促进了有用的功能。

第三，在图2和图9中所示的电池充电器中存在充电电流控制回路。具体而言，电阻器R3550和R4540、GM2530和放大器A2510仍“看到（see）”低阻抗负载。也就是说，不是如先前那样经过电阻器R3550和晶体管MP2710的低阻抗而将固定电流发送到电池，现在将其电流发送到由晶体管MP2710的跨导形成的“并联调节器”，其中晶体管MP2710的该跨导由放大器A4740的高增益支持。从而，在此情况中，并联调节器现在充当电池的代理：使得新的低阻抗负载表现类似于低阻抗电池，但具有更高的端子电压。

情景7：

同情景2一样，组合的系统负载和程控的充电电流超过输入功率极限值，而两者单独的任一项均不超过输入功率极限值。在此情况中，输入电流极限控制系统210中的放大器A1340控制开关调节器220的功率水平。但是，在此情景中，电池260低于下甲板水平。同情景6一样，下甲板控制系统现在调节晶体管MP2710的栅极以保持输出电压VOUT。情景7和情景6之间的差异在于，由于对组合负载的功率供应不充足并由此产生不充足的充电电流，输出电压将降至略低于在情景6中的输出电压，这导致放大器A4740允许I1上拉晶体管MP2710的栅极，由此进一步增大MP2的阻抗。晶体管MP2710的此阻抗增大然后将有效地降低电池充电电流，直到系统负载被满足。

情景8：

在情景8中，只有系统负载超过输入功率极限值。在该此情况中，开关调节器220在不违反输入电流极限控制或不以另外地某些方法破坏(defeat)输入电流极限控制的情况下维持任何输出电压是不可能的。因此，输出电压将降至下甲板水平之下。总体上，从系统架构的观点来说，该情景表示了便携式产品的故障，因为其表示了如下情况：输入电源并且随后输入功率极限控制系统的编程水平未被足够设计成向产品提供最小所需功率。根据本教导，公开了一种明确地理想二极管功能，该功能试图逆转下甲板系统270的决定并且重新耦合电池和输出电压以向系统负载提供应急电源。

注意到，由于现在电池低于下甲板水平，传递电池电能的尝试可能成功或可能不成功，因为该便携式系统可检测降低的电压并且使系统重新设置或失灵。另外还注意到，在其减小的充电状态中可能能够或可能不能够在电池电压无进一步急剧下降的情况下供应所需电流。理想二极管功能仍可包括在商业上可用的产品中，从而在电池已经被放电到进一步负载会造成损害的程度时，系统能够在下甲板水平以下运作。

理想二极管功能通过理想二极管放大器280实现。如图8中所示，理想二极管放大器280可以包括放大器A5820和参考电压VREF5830。在输出电压下降超过某一量，例如15mV，而低于电池电压时，放大器A5820将晶体管MP2710的栅极向地回拉，由此重新连接电池和输出电压。在此情况中，由于若干原因，下甲板系统270中的放大器A4740不会干扰此操作。由于下甲板系统270中的二极管D1730和理想二极管放大器280中的D2810的二极管或运算(ORing)功能，将不存在干扰。另外，由于晶体管放大器A4已经处于强烈不满足运作条件的状态，其输出电压处于高水平。类似地，在先前的情景中，放大器A5820不会干扰放大器A4740，这是因为，当下甲板功能启动时，VOUT始终高于电池电压，由此使放大器A5820始终强烈不满足运作条件。

情景9：

在情景9中，电池电压低于下甲板水平，并且只有程控的充电电流超过输入功率极限值。在此情况中，同情景4一样，输入电流极限控制系统210将控制开关调节器220的工作周期。由于此回路将试图降低工作周期以保持最大输入电流，输出电压可略下降。随着输出电压下降，下甲板放大器A4740将再次允许I1提升晶体管MP2710的栅极，致使晶体管MP2变得较不导通。最终，晶体管MP2710的栅极及相应地晶体管MP2710的阻抗可上升得足够高以将电池充电电流降低至输入电流极限控制系统210允许的水平。这造成充电电流低于程控的极限值，同时输出电压等于下甲板水平。因为充电电流现在低于程控的水平，恒定充电电流控制放大器240因此非常不满足工作条件，因而将不会干扰输入电流极限控制系统210。

情景10：

在情景10中，程控的电池充电电流和系统负载电流两者中的任一项均超过输入电流系统的极限值。此情况非常类似于情景8，其中负载电流将输出电压下拉到低于下甲板水平，由此要求明显地理想二极管功能以经由晶体管MP2710将电池端子重新耦合到系统输出节点VOUT。此情景还在某种程度上意味着系统设计中的失败，因为下甲板极限值已经被突破，并且产品的正确操作可依赖于实际的电池单元电压而妥协。

存在某些实际问题。在情景6-10中，下甲板系统270中的放大器A4740被启动，并且晶体管MP2710表现出比其最小可实现值高的电阻。当出现这种情况时，MP2两端的电压不再被最小化（即，其现在等于下甲板电压减去电池电压），并且因此其功耗不再被最小化。对于高功率系统，显而易见的是功耗能够变得重要。这可能具有某些不利影响。例如，电池充电器200现在是开关电池充电器和线性电池充电器的混合型并且因此具有混合效率。也就是说，其效率将低于给定条件下的最大可实现效率。另外，使晶体管MP2710去耦需要被设计成抵挡发生的功耗，直到电池端子电压达到下甲板水平。它们是折衷方案，即未使用第二DC/DC连接器，在便携式产品中呈现为提供即时启动特征。在一些实施方式中，可采用替代方法或电路来保护晶体管MP2710，该替代方法或电路作为下甲板电压和电池端子电压之间的差的函数，将程控的充电电流从较高的值减小至较低的值。作为折衷，该替代方法可使充电时间增长。

在一些实施方式中，可涉及各种考虑以缓和那些不利影响。例如，下甲板电压能够被尽可能低地设定，由此推动混合型电池充电器更倾向于纯粹的开关型充电器同时仍提供即时启动行为的特征。通常，基于便携式装置能够可靠工作的水平来确定下甲板电压。另外，由于当电池电压非常低时，通常充电至下甲板电压非常快速，充电器处于此低效模式中的时间段相当短。因此，充电周期的总的充电效率仍然很高。此外，如果不期望持续时间非常长，则通道元件（例如，晶体管MP2710）中的额外功耗是不可以抑制的。

图10示出了根据本教导的实施方式的便携式装置1000，该便携式装置1000包含电池充电器1010，电池充电器1010能够允许便携式装置在电池电压下降至低于下甲板时运作。在此配置中，便携式装置1000包括电池1020、电池充电器1010和一组系统部件1030，部署该组系统部件1030是为了该便携式装置执行其被设计执行的功能。该系统部件的示例包括一些显示屏1040、允许多个应用模块1060和通信模块1070运作的主电路1050。

在运作中，当便携式装置1000未连接至外部电源时，即电池充电器无输入功率时，电池1020为系统部件提供内部电源。当电池1020被放电并且存在外部电源时，电池充电器1010对电池充电。当电池被深度放电时，即电池电压降至低于下甲板时，电池充电器1010能够将系统功率与电池1020去耦，从而足够的电源被传送到系统部件，以使系统部件继续运转，且由此促进了即时启动特征。

图10中的电池充电器1010是根据本教导构建，参考图2至图9在本文中公开。虽然已经参考某些示例性实施方式描述了本发明，但本文所用词语是描述性词语，而不是限制性词语。在不偏离本发明的方面的范围和精神的前提下，在所附权利要求的范围内，可进行更改。尽管本文已经参考具体结构、行为和材料描述了本发明，本发明并不局限于所公开的细节，而能够以宽泛的多种形式实施，其中一些形式可与所公开的实施方式大不相同，并且延伸至诸如在所附权利要求范围内的全部等效结构、行为和材料。

Claims (17)

1.一种用于提供系统功率和对电池充电的电路，所述电路包括：

开关调节器，所述开关调节器被配置成基于输入功率和工作周期传输系统功率；

工作周期发生器，所述工作周期发生器被配置成响应于输入电流极限控制电路、电池电流极限控制电路和电池电压极限控制电路而产生工作周期，所述工作周期用以调节所述电路的功率输出；

输入电流极限控制电路，所述输入电流极限控制电路被配置用于基于输入电流的极限值而限制所述工作周期；

电池电流极限控制电路，所述电池电流极限控制电路被配置用于基于电池充电电流的极限值而限制所述工作周期；

电池电压极限控制电路，所述电池电压极限控制电路被配置用于基于电池电压的极限值而限制所述工作周期；

可控阻抗元件，所述可控阻抗元件用于将所述电池耦合至系统；和

输出电压调节电路，所述输出电压调节电路被配置用于控制所述可控阻抗元件，响应于系统的电压下降到或低于系统电压极限值，所述可控阻抗元件增加所述电池和所述系统之间的阻抗。

2.根据权利要求1所述的电路，其中所述开关调节器是步降开关调节器。

3.根据权利要求1所述的电路，其中所述输入电流极限控制电路包括：

第一电流感测放大器，所述第一电流感测放大器的非反相输入端连接到所述输入功率并且其反相输入端耦合到所述开关调节器；

第一电阻器，所述第一电阻器连接所述第一电流感测放大器的非反相输入端和反相输入端；

第二电阻器，所述第二电阻器连接所述第一电流感测放大器的输出端和地；

第一放大器，所述第一放大器的反相输入端连接到所述第一电流感测放大器的输出端，所述第一放大器的非反相输入端连接到第一参考电压并且所述第一放大器的输出端连接到所述工作周期发生器。

4.根据权利要求1所述的电路，其中所述电池电流极限控制电路包括：

第二电流感测放大器，所述第二电流感测放大器的非反相输入端连接到所述系统功率并且所述第二电流感测放大器的反相输入端连接到所述可控阻抗元件；

第三电阻器，所述第三电阻器连接所述第二电流感测放大器的非反相输入端和反相输入端；

第四电阻器，所述第四电阻器连接所述第二电流感测放大器的输出端和地；

第二放大器，所述第二放大器的反相输入端连接到所述第二电流感测放大器的输出端，所述第二放大器的非反相输入端连接到第二参考电压，且所述第二放大器的输出端耦合到所述工作周期发生器以控制所产生的工作周期。

5.根据权利要求1所述的电路，其中所述电池电压极限控制电路包括：

第三放大器，所述第三放大器的输出端耦合到所述工作周期发生器以控制所产生的工作周期，且所述第三放大器的非反相输入端连接到第三参考电压；

第五电阻器，所述第五电阻器连接到所述第三放大器的反相输入端和所述电池；和

第六电阻器，所述第六电阻器连接所述第三放大器的反相输入端和地。

6.根据权利要求4所述的电路，其中所述可控阻抗元件基于第一PMOS晶体管实现。

7.根据权利要求6所述的电路，其中：

所述第一PMOS晶体管的源极连接到恒定充电电流放大器中的所述第二电流感测放大器的反相输入端，所述第一PMOS晶体管的漏极连接到所述电池，且所述第一PMOS晶体管的栅极连接到所述输出电压调节电路；并且

所述输出电压调节电路包括：

第一电流源，所述第一电流源连接在所述系统功率和所述第一PMOS晶体管的栅极之间；

第一二极管，所述第一二极管的正极连接到所述第一PMOS晶体管的栅极；

第四放大器，所述第四放大器的非反相输入端耦合到第四参考电压并且所述第四放大器的输出端连接到所述第一二极管的负极；

第七和第八电阻器，所述第七和第八电阻器串联连接在所述系统功率和地之间，且所述第七和第八电阻器彼此连接处耦合到所述第四放大器的反相输入端。

8.根据权利要求7所述的电路，其中所述电流源包括至少一个晶体管或一个电阻器。

9.根据权利要求2所述的电路，其中所述步降开关调节器包括：

第二PMOS晶体管，所述第二PMOS晶体管的栅极耦合到所述工作周期发生器，且所述第二PMOS晶体管的源极耦合到第一电流感测放大器的反相输入端；

第一NMOS晶体管，所述第一NMOS晶体管的栅极耦合到所述工作周期发生器，所述第一NMOS晶体管的源极耦合到地，且所述第一NMOS晶体管的漏极耦合到所述第二PMOS晶体管的漏极；和

子电路，所述子电路耦合到所述第二PMOS晶体管的漏极和所述系统功率。

10.根据权利要求9的电路，其中所述子电路包括：

电感器，所述电感器的一端连接到所述第二PMOS晶体管的漏极并且另一端连接到所述系统功率；和

电容器，所述电容器的一端连接到所述系统功率并且另一端连接到地。

11.根据权利要求1所述的电路，进一步包括理想二极管，所述理想二极管被配置用于，当所述系统电压下降低于所述电池电压时，替换所述输出电压调节电路，以降低所述可控阻抗元件的阻抗。

12.根据权利要求7所述的电路，还包括理想二极管，所述理想二极管被配置用于，当所述系统电压下降低于所述电池电压时，替换所述输出电压调节电路，以降低所述可控阻抗元件的阻抗。

13.根据权利要求12所述的电路，其中所述理想二极管包括：

第五放大器，所述第五放大器的非反相输入端经由参考电压耦合到所述系统功率并且所述第五放大器的反相输入端连接到所述电池；和

第二二极管，所述第二二极管的正极耦合到下甲板系统中的第一二极管的正极，且所述第二二极管的负极连接到所述第五放大器的输出端。

14.根据权利要求13所述的电路，其中所述参考电压被实现为所述第五放大器的偏移电压。

15.一种用于便携式装置的系统，包括：

多个系统部件，所述多个系统部件配置成促进所述便携式装置被设计执行的多个功能；

电池，所述电池被配置用于在无外部输入电源时对所述多个系统部件提供内部电源；和

电池充电器，所述电池充电器配置用于当外部输入电源可用时对所述电池充电，其中在正在充电的电池的电压低于一极限值时，所述电池充电器能够将系统功率供应给所述系统部件，由此允许所述系统部件在所述电池的电压下降到所述极限值之下时运作；

其中，所述电池充电器包括：

开关调节器，所述开关调节器配置成基于输入功率和工作周期来传输系统功率；

工作周期发生器，所述工作周期发生器被配置用于响应于输入电流极限控制电路、电池电流极限控制电路和电池电压极限控制电路而产生用以调节所述电路的功率输出的工作周期；

输入电流极限控制电路，所述输入电流极限控制电路被配置用于基于输入电流的极限值而限制所述工作周期；

电池电流极限控制电路，所述电池电流极限控制电路被配置用于基于电池充电电流的极限值而限制所述工作周期；

电池电压极限控制电路，所述电池电压极限控制电路被配置用于基于电池电压的极限值而限制所述工作周期；

可控阻抗元件，所述可控阻抗元件用于将电池耦合至系统；和

输出电压调节电路，所述输出电压调节电路被配置用于控制所述可控阻抗元件，当系统的电压降到系统电压极限值之下时，所述可控阻抗元件增加所述电池和所述系统之间的阻抗。

16.根据权利要求15所述的系统，还包括理想二极管电路，所述理想二极管电路被配置用于，当所述系统电压下降低于所述电池电压时，替换所述输出电压调节电路，以降低所述可控阻抗元件的阻抗。

17.根据权利要求15所述的系统，其中所述多个系统部件包括：

显示屏，所述显示屏被配置用于显示信息；

一个或多个应用模块，所述一个或多个应用模块被部署在所述便携式装置上并且被配置用于执行所述便携式装置被设计执行的功能中的至少一些功能；

主电路，所述主电路被配置用于执行所述一个或多个应用模块中的至少一些应用模块；和

一个或多个通信模块，所述一个或多个通信模块被配置用于促进所述便携式装置进行通信。