CN103582989B - 充电式电池及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种充电式电池及其操作方法，该充电式电池包含一集成电路和一高密度电容器。该高密度电容器连接于一接地端及一第一节点之间，且该第一节点具一第一电压。该集成电路包含一能隙电路、一第一检测单元、一分压器、一第二检测单元、以及至少一低压降电压调节器。该能隙电路，用以根据该第一电压产生一能隙电压。该第一检测单元，用以测量该第一电压以及决定是否施加一输入充电电压至该高密度电容器。该分压器与该高密度电容器并联，并设有一第二节点，该第二节点具一第二电压。该第二检测单元用以根据该能隙电压以测量该第二电压以及决定是否连接一第三节点及该第一节点。各该低压降电压调节器连接至该第三节点，以及根据该能隙电压和该第一电压产生一特定电压输出和一特定电流输出。

Description

充电式电池及其操作方法
技术领域
本发明有关于一种充电式电池(rechargeablebattery)，特别是该充电式电池包含用以储存电荷(charge)的高密度电容器(highdensitycapacitor)以及用以控制电池充放电功能(batterycharginganddischargingfunctions)的电路。
背景技术
各种各样的充电式电池已被本技术领域者所习知，该些充电式电池包括以化学累积器(chemicalaccumulator)(例如锂离子(lithium-ion)、镍镉(nickel-cadmium)、镍氢(nickel-metalhydride)等)为基础的电池。这些化学累积器基本上包含两个电极板(electrodeplate)以及位于该两个电极板之间的电解液(electrolyte)。由于充放电时会逐渐产生不可逆的化学变化(irreversiblechemicalchanges)，这些充电式电池的使用寿命是有限的。另外，因为这些电池含有毒的化学物质，于使用寿命结束后，这些电池的处理对环境不友善。
北极光半导体公司(NorthernLightsSemiconductorCorporation，NLSC)最近开发出一种具有高电容密度(highcapacitancedensity)的磁性电容器(magneticcapacitor)。由于具高电容密度和低漏电流(lowleakagecurrent)的特性，磁性电容器开启一个全新的电力储存和管理的应用领域。例如，在美国专利公告号码第7911187号案中，Lai及Fong教导，将该磁性电容器应用于系统级封装(System-in-a-Package，SiP)的电子次系统(electronicsubsystem)的被动调节(passiveregulation)和保护。
发明内容
本发明实施例的主要目的是在于提供一种充电式电池及其操作方法，以解决现有的充电式电池使用寿命很有限，且待其使用寿命结束后，处理过程中容易污染环境的问题。
为了实现上述目的，本发明实施例提供一种充电式电池，该充电式电池包含：一高密度电容器，连接于一参考电压端及一第一节点之间，该第一节点具一第一电压；以及一集成电路，包含：一能隙电路，用以根据该第一电压产生一能隙电压；一第一检测单元，用以根据一输入充电电压，测量该第一电压以及决定是否施加该输入充电电压至该高密度电容器；一分压器，与该高密度电容器并联，该分压器设有一第二节点，且该第二节点具一第二电压；一第二检测单元，用以根据该能隙电压以测量该第二电压以及决定是否连接一第三节点及该第一节点；以及至少一低压降电压调节器，各该低压降电压调节器连接至该第三节点，以及根据该能隙电压和该第一电压产生一特定电压输出和一特定电流输出；其中当该高密度电容器完全充饱电力时，该高密度电容器所储存的电荷量等于Q＝C×(Vchg－Vcmin)，其中C表示该高密度电容器的电容量，Vchg表示该输入充电电压的大小，以及其中Vcmin表示当第三节点和该第一节点保持连接状态时，该第一电压的最小值。
本发明实施例还提供一种充电式电池的操作方法，该充电式电池至少包含一高密度电容器、一分压器和至少一低压降电压调节器，该高密度电容器连接于一参考电压端及一第一节点之间，该分压器与该高密度电容器并联且设有一第二节点，该第一节点及该第二节点分别具一第一电压及一第二电压，该方法包含以下步骤：根据一输入充电电压，测量该第一电压及决定是否施加该输入充电电压至该高密度电容器；根据该第一电压产生一能隙电压；根据该能隙电压以测量该第二电压以及决定是否供给该第一电压至该至少一低压降电压调节器；以及当该第一电压被提供给该至少一低压降电压调节器时，根据该能隙电压和该第一电压，利用该至少一低压降电压调节器分别产生多个特定电压输出和多个特定电流输出；其中当该高密度电容器被完全充饱电力时，该高密度电容器所储存的电荷量等于Q＝C×(Vchg－Vcmin)，其中C表示该高密度电容器的电容量，Vchg表示该输入充电电压的大小，以及其中当该第一电压被允许提供给该至少一低压降电压调节器时，Vcmin表示该第一电压的最小值。
充电式电池100A包含一集成电路180A和一充电电容器(chargingcapacitor)CS，该集成电路180A位在一硅半导体(siliconsemiconductor)(图未示)上。如图1A所示，集成电路180A包含两个传输门(transmissiongate)151、152、两个电压比较器(voltagecomparator)101、102、一个能隙电路(bandgapcircuitry)120、一个分压器(voltagedivider)160a以及多个低压降(Low-Drop-Out，LDO)电压调节器(voltageregulator)131-13N(N>＝1)。传输门151的一端(terminal)连接至一输入端(inputterminal)该输入端用以接收一输入充电电压(chargingvoltage)Vchg；传输门151的另一端连接至该充电电容器CS的正端(positiveterminal)X。第一电压比较器101的输出产生一控制信号(controlsignal)以控制该传输门151的导通或断开。当检测到该输入充电电压Vchg大于该充电电容器CS的正端X的电压VX时，第一电压比较器101的输出会产生该控制信号以导通该传输门151。因此，该充电电容器CS开始充电。
如图2所示，该能隙电路120产生一参考电压(或称一能隙电压)VBG，约1.2V。该能隙电路120受到该充电电容器CS的偏压(bias)。该分压器(160a或160b)分压该充电电容器CS的节点(node)X的电压VX。在图1A的实施例中，分压器160a包括两个电容器C1与C2。在两个电容器C1与C2之间的节点Y1的电压VY1等于[VX×(C1/(C1+C2))]，其连接至第二电压比较器102的输入端，再由第二电压比较器102比较电压VY1与能隙电压VBG的大小。在图1B的另一实施例中，分压器160b包括两个电阻器R5与R6。相同地，在两个电阻器R5与R6之间的节点Y2的分压VY2等于[VX×(R6/(R5+R6))]，其连接至第二电压比较器102的输入端，再由第二电压比较器102比较电压VY2与能隙电压VBG的大小。
在本发明充电式电池的一实施例中，当该节点X的电压VX放电至一预定截止电压(cut-offvoltage)Vcmin时，第二电压比较器102的输出信号关闭(switchoff)该传输门152，以使该充电电容器CS(或节点X)与一主电源供应电压(mainpowersupply)VZ(或节点Z)相互断接(disconnect)，其中VZ为所有电压调节器131-13N的主电源供应电压。当该节点电压VX减少至该预定截止电压Vcmin时，全部电压调节器131-13N将停止供给电压电力(voltagepower)。此一功能是为确保充电式电池(100A及100B)的输出能符合电压调节器131-13N的电压和电流容量的规格(specifications)。当该节点电压VX低于此预定截止电压Vcmin时，充电式电池(100A及100B)需重新充电以恢复其电源供应的功能。
本发明的有益效果在于，通过本发明，可以显著缩小充电式电池的尺寸和重量，可以使该充电式电池具有非常长久的单元电荷储存寿命，且由于本发明的充电式电容器不含有毒的化学元素，所以对环境是友善的。本发明还可以实现在单一电池内，提供多个电源以符合电子系统的全部电力需求。
附图说明
为了更好地理解本发明，并显示它如何产生效果的，请参考下面的附图，这些附图显示了本发明的优选实施例，其中：
图1A为本发明一实施例的充电式电池的架构示意图。
图1B为本发明另一实施例的充电式电池的架构示意图。
图2显示一传统能隙电路的架构示意图。
图3显示用以输出电压和驱动电流的传统低压降电压调节器的架构示意图。
附图标记
100A、100B充电式电池
180A、180B集成电路
101、102电压比较器
120能隙电路
131-13N低压降电压调节器
151、152传输闸
160a、160b分压器
301运算放大器
R1～R6电阻器
CS高密度电容器
C1～C3电容器
M3功率P型金氧半场效电晶体
Q1、Q2双载子电晶体
具体实施方式
本发明关于充电式电池的电路架构及其运作方法，该充电式电池包括一高密度电容器及一集成电路。以下的说明将举出本发明的多个较佳的示范实施例，熟悉本领域者应可理解，本发明可采用各种可能的方式实施，并不限于下列示范的实施例或实施例中的特征。
图1A显示一充电式电池100A，包含一集成电路180A和一高密度电容器CS。图1B显示一充电式电池100B，包含一集成电路180B和一高密度电容器CS。本发明利用传统半导体工艺技术(semiconductorprocesstechnology)，将集成电路180A和180B制造于硅半导体上。该高密度电容器CS和集成电路(180A或180B)可在不同的基板分开制造，或者将电容器工艺技术(capacitorprocesstechnology)整合至传统半导体工艺技术中，以将该高密度电容器CS和集成电路(180A或180B)制造在同一硅基板(siliconsubstrate)上。对于前者而言(分开的集成电路和分开的电容器)，高密度电容器CS及集成电路(180A或180B)可连接并粘接(bonded)成单一封装。
集成电路180A包括两个电压比较器101与102、两个传输门151与152、一能隙电路120、一分压器160a以及多个低压降电压调节器131-13N(N>＝1)。集成电路180B包括两个电压比较器101与102、两个传输门151与152、一能隙电路120、一分压器160b以及多个低压降电压调节器131-13N(N>＝1)。应注意，上述两个传输门151与152仅为本发明的一实施例，而非本发明的限制。在实际运作上，可以任何形式的开关来替代，且都属本发明的范围。第一电压比较器101用来比较该输入充电电压Vchg与该高密度电容器CS的节点电压VX。当该输入充电电压Vchg大于该电压VX时，传输门151被导通(switch“on”)，且充电电容器CS开始充电。反之，当输入充电电压Vchg小于该电压VX时，传输门151被关闭(switch“off”)，以防止该充电式电池(100A、100B)反充电(chargingback)至充电源(chargingsource)。当充电式电池(100A、100B)完全充饱电力时，该电压VX将达到该输入充电电压Vchg的电压位准。
该第二电压比较器102用来比较该分压器(160a或160b)的电压(VY1或VY2)与能隙电压VBG。当该充电电容器CS放电且该节点电压VX最后减少至该预定截止电压Vcmin时，第二电压比较器102产生一输出信号以关闭(switchoff)传输门152。此时，在图1A实施例中，电压VY1＝[Vcmin×(C1/(C1+C2))]小于VBG，而在图1B实施例中，电压VY2＝[Vcmin×(R6/(R5+R6))]小于VBG。同时，提供电源给全部电压调节器131-13N的节点X也与节点Z断接，充电式电池(100A、100B)停止提供电压电力供应(voltagepowersupply)。请注意，在本申请中，“截止电压Vcmin”一词表示：在节点X与节点Z保持电气连接状态下，节点X的电压VX的最小电压值。当该充电电容器CS完全充饱电力而达到一最终电压值Vchg时，释放给电池的总电荷QB＝C×(Vchg－Vcmin)，其中C表示该充电电容器CS的电容量(capacitance)。以具有3600F电容量且尺寸为36mm2的磁性电容器为例，假设磁性电容器具有5V的充电电压Vchg和3V的截止电压Vcmin，则由充电式电池(100A、100B)释放当作电力的总电荷是7200库伦，相当于2000毫安-小时(mA-hour)。此充电量已经优于市面上大部分的充电式电池。
能隙电路120和低压降电压调节器131-13N的实施已为模拟电路设计领域人士所习知。为完整说明本发明充电式电池系统的电路，于此简单描述如下。
图2显示一传统能隙电路。请参考图2，能隙电路120受到该充电电容器CS的电压VX的偏压(bias)。该能隙电路120可设计成对温度不灵敏以及能在一宽广偏压电压范围下操作。该能隙电压VBG等于[VBE+(R2/R1)VT×㏑(A1/A2)]，其中VBE是双载子晶体管(bipolartransistor)Q2的基极-射极(base-emitter)电压、VT是热电压(thermalvoltage)、以及A1和A2分别是双载子晶体管Q1和Q2的射极面积。最小供应电压(minimalsupplyvoltage)是以如下公式来表示：min{VX}＝VBG+VSDsat。其中，VSDsat电压值的范围从0.1V到0.3V。因此，以1.2V的能隙电压VBG而言，能维持能隙电路120正常操作的最小供应电压约为1.5V，此最小供应电压小于该截止电压Vcmin。
低压降电压调节器(131-13N)的主要功能是：在不同的电流负载下，用以稳定电压输出。图3显示一传统低压降电压调节器13N。图3中的运算放大器(operationalamplifier)301通过回馈网路(feedbacknetwork)R3和R4感测到(sense)输出电压VN、并且与该能隙电压VBG作比较。运算放大器301的输出用以控制该功率P型金属氧化物半导体场效应晶体管(powerP-typeMOSFET)M3以维持稳定的电压输出。依据个别的电压准位及驱动电流能力的输出规格，可分别设计每一个低压降电压调节器131-13N。因此，通过加入不同的低压降电压调节器电路，本发明充电式电池(100A、100B)可以提供单一电源(powersource)输出或多个电源输出。
根据本发明，于半导体基板(semiconductorsubstrate)上制造具高密度电容器和集成电路(IntegratedCircuit,IC)的充电式电池。由于具有非常高的储存电力密度，故本发明的充电式电池的尺寸和重量显著缩小。例如，移动装置(mobiledevice)中传统充电式锂离子电池的充电容量(chargingcapacity)约2000毫安-小时(mA-hour)，相当于7200库伦(Coulomb)。在本发明的一实施例中，对于5伏特(volt)充电电压(chargingvoltage)和3伏特最大放电电压(maximumdischargingvoltage)的磁性电容器而言，其面积只有36毫米平方(mm2)，且具有约100微法拉/微米平方(μF/μm2)的电容密度，其中面积等于7200库伦/(5V-3V)(充电电压-最大放电电压)/100F/mm2(电容密度)。磁性电容器加上伴随的集成电路的重量大约等于具相容芯片尺寸的一普通集成电路芯片的重量，其重量小于一喱(grain)。
相较于以化学累积器为基础的传统充电式电池，本发明充电式电容器因为不含有毒的化学元素，所以对环境是友善的。又因磁性电容器近乎无限的充放电循环(charging-dischargingcycle)次数，本发明充电式电池展示几乎无限次数的充电循环寿命(rechargeablecyclelife)。化学累积器为基础的传统充电式电池的自放电率(self-dischargingrate)，例如：锂离子电池，大约是每个月储存容量(storingcapacity)的8％。若磁性电容器和集成电路经过精心设计，其总漏电流可减少至数个微安培(μA)，故本发明充电式电池可以有非常长久的单元电荷储存寿命(cellchargestorelife)，高达数十年之久。
另一方面，本发明充电式电池可提供多个电压源(voltagesource)以符合各种不同的电流规格需求。许多电子系统需要多个电源(powersource)以供给不同的次系统(sub-system)。例如，一移动装置可能有多个次系统：微处理器(Micro-Processor-Units，MPU)、存储器单元(memoryunit)、射频(RadioFrequency，RF)单元、显示器(display)及人机接口(humaninterface)单元。所有的次系统单元可能需要各种不同的电压和电流。传统的充电式电池只能提供单一电源。为符合电子系统的各种不同的电力需求(powerrequirements)，通常需要一个电池和一个具多个输出的相伴功率集成电路(companionpowerIC)。本发明充电式电池可以在单一电池内，提供多个电源以符合电子系统的全部电力需求。
以上，已揭露本发明充电式电池包含集成电路及高密度电容器。以上虽以实施例说明本发明，但并不因此限定本发明的范围，只要不脱离本发明的要旨，该行业者可对集成电路及电容器进行各种变形或变更，都属本发明的范畴。

Claims (20)

1.一种充电式电池，包含：
一高密度电容器，连接于一参考电压端及一第一节点之间，该第一节点具一第一电压；以及
一集成电路，包含：
一能隙电路，用以根据该第一电压产生一能隙电压；
一第一检测单元，用以根据一输入充电电压，测量该第一电压以及决定是否施加该输入充电电压至该高密度电容器；
一分压器，与该高密度电容器并联，该分压器设有一第二节点，且该第二节点具一第二电压；
一第二检测单元，用以根据该能隙电压以测量该第二电压以及决定是否连接一第三节点及该第一节点；以及
至少一低压降电压调节器，各该低压降电压调节器连接至该第三节点，以及根据该能隙电压和该第一电压产生一特定电压输出和一特定电流输出；
其中当该高密度电容器完全充饱电力时，该高密度电容器所储存的电荷量等于Q=C×(Vchg－Vcmin)，其中C表示该高密度电容器的电容量，Vchg表示该输入充电电压的大小，以及其中Vcmin表示当第三节点和该第一节点保持连接状态时，该第一电压的最小值。
2.根据权利要求1所述的充电式电池，其中该分压器包含至少两个串联的电容器，且该第二节点是由该至少两个电容器相连接所形成。
3.根据权利要求1所述的充电式电池，其中该分压器包含至少两个串联的电阻器，且该第二节点是由该至少两个电阻器相连接所形成。
4.根据权利要求1所述的充电式电池，其中该第一检测单元包含：
一第一比较器，用以比较该输入充电电压与该第一电压，以产生一第一控制信号；以及
一第一开关，用以根据该第一控制信号以连接该第一节点与一输入端，其中该输入端接收该输入充电电压。
5.根据权利要求4所述的充电式电池，其中当该第一电压小于该输入充电电压时，该第一开关连接该第一节点及该输入端，以提供该输入充电电压给该高密度电容器充电，否则，该第一开关将该第一节点及该输入端断接，以使该高密度电容器停止充电。
6.根据权利要求1所述的充电式电池，其中该第二检测单元包含：
一第二比较器，用以比较该能隙电压与该第二电压，以产生一第二控制信号；以及
一第二开关，用以根据该第二控制信号，连接该第一节点至该第三节点。
7.根据权利要求6所述的充电式电池，其中当该第二电压大于该能隙电压时，该第一节点和该第三节点被连接，否则该第一节点和该第三节点相互断接。
8.根据权利要求1所述的充电式电池，其中该高密度电容器和该集成电路系分开制造于两个不同的半导体基板。
9.根据权利要求1所述的充电式电池，其中该高密度电容器和该集成电路整合于同一个半导体基板。
10.根据权利要求1所述的充电式电池，其中当该第三节点和该第一节点保持连接状态时，该第二电压的最小值大于该能隙电压。
11.根据权利要求1所述的充电式电池，其中该参考电压端是一接地端。
12.一种充电式电池的操作方法，该充电式电池至少包含一高密度电容器、一分压器和至少一低压降电压调节器，该高密度电容器连接于一参考电压端及一第一节点之间，该分压器与该高密度电容器并联且设有一第二节点，该第一节点及该第二节点分别具一第一电压及一第二电压，该方法包含以下步骤：
根据一输入充电电压，测量该第一电压及决定是否施加该输入充电电压至该高密度电容器；
根据该第一电压产生一能隙电压；
根据该能隙电压以测量该第二电压以及决定是否供给该第一电压至该至少一低压降电压调节器；以及
当该第一电压被提供给该至少一低压降电压调节器时，根据该能隙电压和该第一电压，利用该至少一低压降电压调节器分别产生多个特定电压输出和多个特定电流输出；
其中当该高密度电容器被完全充饱电力时，该高密度电容器所储存的电荷量等于Q=C×(Vchg－Vcmin)，其中C表示该高密度电容器的电容量，Vchg表示该输入充电电压的大小，以及其中当该第一电压被允许提供给该至少一低压降电压调节器时，Vcmin表示该第一电压的最小值。
13.根据权利要求12所述的方法，其中该分压器包含至少两个串联的电容器，且该第二节点是由该至少两个电容器相连接所形成。
14.根据权利要求12所述的方法，其中该分压器包含至少两个串联的电阻器，且该第二节点是由该至少两个电阻器相连接所形成。
15.根据权利要求12所述的方法，其中测量该第一电压的步骤包含：
比较该输入充电电压与该第一电压；以及
当该输入充电电压大于该第一电压时，提供该输入充电电压给该高密度电容器充电。
16.根据权利要求12所述的方法，其中测量该第二电压的步骤包含：
比较该能隙电压与该第二电压；以及
当该第二电压大于该能隙电压时，提供该第一电压给该至少一低压降电压调节器。
17.根据权利要求12所述的方法，其中该高密度电容器、该分压器和该至少一低压降电压调节器整合于同一个半导体基板。
18.根据权利要求12所述的方法，其中该高密度电容器是与该分压器和该至少一低压降电压调节器分开制造于一不同的半导体基板。
19.根据权利要求12所述的方法，其中当该第一电压被提供给该至少一低压降电压调节器时，该第二电压的最小值大于该能隙电压。
20.根据权利要求12所述的方法，其中该参考电压端是一接地端。
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