CN104009503A - 充电电路及其控制电路与控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种充电电路及其控制电路与控制方法。充电电路用以提供充电电流，而对电池充电。充电电路包含：双极接面晶体管（bipolar junction transistor,BJT）信道电路、电流感测电路、电压感测电路、以及控制电路。BJT信道电路与输入电压耦接，并根据控制讯号，以产生充电电流。其中，控制电路包括：电流调整电路，根据充电电流与电流参考讯号，以调整其中第一可变电阻元件的第一电阻值，进而调整控制讯号；以及电压调整电路，根据电池电压与电压参考讯号，以调整第二可变电阻元件的第二电阻值，进而产生控制讯号。

Description

充电电路及其控制电路与控制方法

技术领域

本发明涉及一种充电电路及其控制电路与控制方法；特别地涉及一种具有BJT信道元件（pass device）的充电电路及其控制电路与控制方法。

背景技术

图1显示典型具有P型金属氧化物半导体（P-type metal oxidesemiconductor,PMOS）信道元件（pass device）的充电电路1的电路示意图。如图1所示，充电电路1与电池电路11电连接，用以提供充电电流I1以对电池电路11中的电池充电。充电电路1包含PMOS信道电路12以及控制电路13，以形成低压差线性稳压（low-dropout regulator,LDO）电路。其中，PMOS信道电路12除包括PMOS信道元件Q1外，还包括二极管元件D1；二极管元件D1用以在外部电压（未示出）未供应电源给输入电压Vin的状况下，防止电流自电池电路11流向输入电压Vin端。请参阅图2，显示另一种现有技术的充电电路2。充电电路2包含信道电路22以及控制电路23。与充电电路1不同的是，充电电路2中的信道电路22包括BJT信道元件Q2而非PMOS信道元件，因为BJT元件并无PMOS元件中寄生二极管所导致的电流逆流的问题，因此除了可避免电流自电池电路11流向输入电压Vin端外，亦可以省下一个二极管元件的制造成本与空间。

然而，BJT信道元件Q2是由基极电流控制，相较于由栅极电压控制的PMOS信道元件Q1，BJT信道元件Q2的控制电路23远较为复杂，尤其是具有BJT信道元件Q2的充电电路2，难以实现前述LDO电路的设计，不易既控制充电电流又控制电池电路11中的电池电压。因此，现有技术中对控制电路23的典型设计，是以复杂的电路或以软件程序的控制模式，来实现BJT信道元件Q2的控制，并产生脉冲式的充电电流。如此一来，控制电路23的设计更加复杂，制造成本增加，效率下降。

有鉴于此，本发明即针对上述现有技术的不足，提出一种充电电路及其控制电路与控制方法，可利用简单的电路，实现具有BJT信道元件的充电电路，而不需要复杂的电路设计与软件控制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺陷，提出一种充电电路及其控制电路与控制方法，可利用简单的电路，实现具有BJT信道元件的充电电路，而不需要复杂的电路设计与软件控制。

根据本发明的一个方面，提供了一种充电电路，用以提供一充电电流，而对一电池电路中一电池充电，所述充电电路包含：一双极接面晶体管（bipolar junction transistor,BJT）信道电路，与一输入电压耦接，并根据一控制讯号，以产生该充电电流；一电流感测电路，根据该充电电流，产生一电流感测讯号；一电压感测电路，与该电池电路耦接，根据该电池的一电池电压，产生一电压感测讯号；以及一控制电路，与该BJT信道电路耦接，根据该电流感测讯号与该电压感测讯号，以产生该控制讯号，该控制电路包括：一电流调整电路，与该电流感测电路耦接，根据该电流感测讯号与一电流参考讯号，以调整其中一第一可变电阻元件的一第一电阻值，进而调整该控制讯号；以及一电压调整电路，与该电压感测电路耦接，根据该电压感测讯号与一电压参考讯号，以调整其中一第二可变电阻元件的一第二电阻值，进而调整该控制讯号。

根据本发明的另一方面，提供了一种充电电路的控制电路，根据一电流感测讯号与一电压感测讯号，以产生一控制讯号，用以控制一双极接面晶体管（bipolar junction transistor,BJT）信道电路，进而调节一充电电流，以对一电池电路中的一电池充电，其中，该电流感测讯号相关于该充电电流，且该电压感测讯号相关于该电池的一电池电压；所述控制电路包含：一电流调整电路，与该BJT信道电路耦接，根据该电流感测讯号与一电流参考讯号，以调整其中一第一可变电阻元件的一第一电阻值，进而调整该控制讯号；以及一电压调整电路，与该电池电路耦接，根据该电压感测讯号与一电压参考讯号，以调整其中一第二可变电阻元件的一第二电阻值，进而调整该控制讯号。

根据本发明的另一方面，提供了一种充电电路的控制方法，包含：提供一双极接面晶体管（bipolar junction transistor,BJT）信道电路，其根据一控制讯号，以产生一充电电流对一电池充电；根据该充电电流产生一电流感测讯号；根据该电池的一电池电压，产生一电压感测讯号；以及根据该电流感测讯号与该电压感测讯号，以产生该控制讯号；其中该产生该控制讯号的步骤包括：根据该电流感测讯号与一电流参考讯号，以调整一第一可变电阻元件的一第一电阻值，进而调整该控制讯号；以及根据该电压感测讯号与一电压参考讯号，以调整一第二可变电阻元件的一第二电阻值，进而调整该控制讯号。

在其中一种较佳的实施方式中，该控制电路还包括一保护电路，与该BJT信道电路耦接，用以决定该BJT信道电路所接触到的最高电压，及/或与该控制电路耦接，用以决定该控制电路所接触到的最高电压。

在其中一种较佳的实施方式中，该控制电路还包括一起始电路，于该电池电压低于一预设低电压时，产生该控制讯号。

在其中一种较佳的实施方式中，该电流调整电路包括：一电流感测放大电路，与该电流感测电路耦接，根据该电流感测讯号，产生一电流感测放大讯号；一电流误差放大电路，与该电流感测放大电路耦接，比较该电流感测放大讯号与该电流参考讯号，以产生一第一电阻调整讯号；以及该第一可变电阻元件，与该电流误差放大电路耦接，根据该第一电阻调整讯号，以调整该第一电阻值。

在其中一种较佳的实施型态中，该电压调整电路包括：一电压误差放大电路，与该电压感测电路耦接，比较该电压感测讯号与该电压参考讯号，以产生一第二电阻调整讯号；以及该第二可变电阻元件，与该电压误差放大电路耦接，根据该第二电阻调整讯号，以调整该第二电阻值。

在其中一种较佳的实施型态中，该BJT信道电路包括：一BJT信道元件，耦接于该输入电压与该电池电路之间，根据该控制讯号以控制该充电电流；以及一限压电路，耦接于该控制电路，用以限制该控制讯号与该BJT信道电路连接的一接点电压不高于一预设位准。

以下通过具体实施例详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。

附图说明

图1显示典型的充电电路1的电路示意图；

图2显示先前技术充电电路2的电路示意图；

图3显示本发明一个实施例；

图3A显示本发明更具体的实施例；

图4显示本发明另一个实施例。

图中符号说明

1,2,3       充电电路

11          电池电路

12PMOS      信道电路

22,32BJT    信道电路

13,23,33    控制电路

34          电流感测电路

35          电压感测电路

36          电流调整电路

37          电压调整电路

38          起始电路

39          保护电路

321         限压电路

361         电流感测放大电路

362         电流误差放大电路

363,372     可变电阻元件

371         电压误差放大电路

391         启动电路

392         误差放大电路

393         开关

D1          二极管元件

I2          充电电流

P1          接点

Q1PMOS      信道元件

Q2,Q3BJT    信道元件

Q4BJT       元件

R1,R2       电阻

S1          开关

Vac         电压

Vin         输入电压

Vrefi       电流参考讯号

Vrefp       保护参考讯号

Vrefv       电压参考讯号

具体实施方式

请参阅图3，显示本发明的一个实施例。如图3所示，充电电路3与电池电路11电连接，用以提供充电电流I2以对电池电路11中的电池充电。充电电路3包含BJT信道电路32、控制电路33、电流感测电路34、以及电压感测电路35。BJT信道电路32与输入电压Vin耦接，并受控于控制讯号，而产生充电电流I2。BJT信道电路32例如但不限于包括BJT信道元件Q3，并尚可选择性地（非必须）包含限压电路321。其中，BJT信道元件Q3耦接于输入电压Vin与电池电路11之间，根据控制讯号以控制充电电流I2；限压电路321耦接于控制电路33，其作用是将控制讯号所连接的接点（P1）电压限制在预设位准，预设位准例如但不限于为5V或3V。如此一来，可以保护控制电路中，相关的元件不接触高电压。电流感测电路34根据充电电流I2，产生一电流感测讯号。电压感测电路35与电池电路11耦接，根据电池电压，产生一电压感测讯号。控制电路33与BJT信道电路32耦接，根据电流感测讯号与电压感测讯号以产生该控制讯号，控制BJT信道电路32。控制电路33包括电流调整电路36、电压调整电路37，并尚可选择性地（非必须）包含起始电路38。电流调整电路36与电流感测电路34耦接，根据电流感测讯号与一电流参考讯号Vrefi，调整该控制讯号；电压调整电路37与电压感测电路35耦接，根据电压感测讯号与一电压参考讯号Vrefv，调整该控制讯号。起始电路38的作用则是在启动阶段确保提供初始电流。

请参阅图3A，举例显示电路更具体的实施方式。如图所示，限压电路321例如但不限于为BJT元件Q4或其它MOS或二极管元件，以限制接点P1的电压。电流感测电路34例如利用充电电流I2流经电阻R1，在电阻R1两端产生的压降，作为电流感测讯号输入控制电路33。电压感测电路35例如利用与电池电路11中的电池电连接的两串联电阻上的分压，作为电压感测讯号，以输入控制电路33。控制电路33接收前述电流感测讯号与电压感测讯号，以产生前述控制讯号，控制BJT信道电路32，以调节充电电流I2与电池电压。以上所述为电流感测和电压感测的常用方式，但本发明并不排除使用其它方式来感测电流或感测电压，本发明对于感测电流与感测电压的方式并无限制。

控制电路33主要包括两组控制回路，即电流调整电路36与电压调整电路37。电流调整电路36例如但不限于包括电流感测放大电路361、电流误差放大电路362、以及可变电阻元件363。其中，电流感测放大电路361例如但不限于包括如图所示的放大器电路，其与电流感测电路34耦接，接收电流感测讯号后产生放大讯号，将其输入电流误差放大电路362，用以与电流参考讯号Vrefi比较，其比较结果用以调整可变电阻元件363的电阻值，进而调整控制讯号。其中，可变电阻元件363例如但不限于如图所示的MOS元件，利用MOS元件在操作上的线性区所具有的导通电阻可随栅极电压改变的特性，而构成可变电阻，但本发明不限于此，只要可变电阻元件363的电阻能够受到误差放大电路362输出讯号的控制即可。电流调整电路36所构成的控制回路，作用是使电池电路11在电流控制模式中，使充电电流I2受控为与电流参考讯号Vrefi相关的电流值。

电压调整电路37例如但不限于包括电压误差放大电路371以及可变电阻元件372。其中，电压误差放大电路371例如但不限于包括如图所示的放大器电路，其与电压感测电路35耦接，并接收电压感测讯号，用以与电压参考讯号Vrefv比较，其比较结果用以调整可变电阻元件372的电阻值，进而调整控制讯号。其中，可变电阻元件372例如但不限于如图所示的MOS元件，利用MOS元件在操作上的线性区所具有的导通电阻可随栅极电压改变的特性，而构成可变电阻，但本发明不限于此，只要可变电阻元件372的电阻，可以受到误差放大电路371输出讯号的控制即可。电压调整电路37所构成的控制回路，作用是使电池电路11在电压控制模式中，由控制讯号控制BJT信道电路32，以将电池电压维持在预设位准。

需说明的是，在本实施例中，可变电阻元件363与372耦接，例如但不限于如图所示的串联方式，共同调整控制讯号。而电流调整电路36与电压调整电路37会适应性地自行调整，使得充电电路3可适当地操作于电流控制模式或电压控制模式中。以上是本发明优于现有技术的特点之一，利用简单的电路设计，使得在电池电路的不同电池电压阶段，可适应性地转换电流控制模式与电压控制模式，以达最佳充电控制，却不需要复杂的硬件设计或软件程序。

详言之，一般而言，当电池电压在较低位准时，需要以定电流对电池电路11充电，为所谓的CC（定电流，constant current）模式；而当电池电压在较高位准（接近电池饱和电压）时，需要以电池电压为充电调节目标，此时电流为可变，为所谓的CV（定电压，constantvoltage）模式。在本发明中，电流调整电路36与电压调整电路37会适应性地自行调整而达成上述的CC/CV模式。

请参阅图3A，当电池电压在较低位准时，因电压感测讯号在低位准，电压误差放大电路371的两输入端差值很大，因此可变电阻元件372的电阻值很低而接近完全导通，故控制讯号主要为可变电阻元件363所控制，亦即由电流调整电路36主导充电电流I2的控制，达成CC模式。而当电池电压到达较高位准（接近电池饱和电压）时，电阻R1上的压差下降，电流误差放大电路362的两输入端差值很大，因此可变电阻元件363的电阻值很低而接近完全导通，故控制讯号主要为可变电阻元件372所控制，也就是转而由电压调整电路37根据电压感测讯号与电压参考讯号Vrefv来主导电池电压的控制，达成CV模式。上述充电控制模式的转换是由电路自行适应性调整而达成，并不需要复杂的硬件设计或软件程序。

此外，在其中一种实施形式中，控制电路33例如但不限于还包括起始电路38，其亦控制该控制讯号。起始电路38例如但不限于包括并联的开关S1与电阻R2，开关S1在正常操作状况下导通。起始电路38的作用是于电池电压低于预设低电压时，产生控制讯号，以避免电池电压在极低的位准时，无法正常启动控制电路的操作。也就是说，当电池电压低于预设低电压时，控制电路33内部产生低压讯号，使得开关S1不导通，使控制讯号可藉由电流流经电阻R2产生，以开始电流控制模式，控制电路33进入电流控制模式后，再将开关S1导通，由电流调整电路36与电压调整电路37综合控制充电。

请继续参阅图3A，控制电路3例如但不限于还包括保护电路39，与输入电压Vin以及BJT信道电路32耦接，用以决定该控制电路及/或BJT信道电路32所接触到的最高电压，以保护BJT信道电路32和控制电路33中的电子元件，免于接触到高电压。

图4显示保护电路39一种较具体的实施例，如图所示，保护电路39例如但不限于为如图所示的分流（Shunt）低压差线性稳压（low-dropout regulator,LDO）电路。如图所示，保护电路39例如包括启动电路391、误差放大电路392、开关393、与电阻R3、R4、R5。根据图4，电压Vac为

$\mathrm{Vac}=\frac{\mathrm{Vrefp}}{R4}(R3+R4)$

因此，电压Vac由保护参考讯号Vrefp与电阻R3、R4决定。经电阻R5的电流为

$I\left(R5\right)=\frac{\mathrm{Vin}-\mathrm{Vac}}{R5}$

因此，电阻R5需选择可承受较高功率的电阻，以防止当输入电压例如为30V时，流过电阻R5的电流过大。启动电路391用以提供启动时所需要的电能，其为本技术领域中，具有通常知识者所熟知，在此不予赘述。保护电路39利用误差放大电路392与开关393所形成的Shunt LDO电路，根据保护参考讯号Vrefp，将电压Vac调节在预设的控制电路最高电压，以保护控制电路3中的其它低压元件，配合第一个实施例中的BJT元件Q4，使接点P1不超过预设位准。

此外，本发明另一个优于现有技术之处，在于当电池被拔掉时，应用本发明的充电电路可以藉由LDO电路的操作方式运作而仍能提供稳定的电压；至于提供脉冲式电流的现有技术，当电池被拔掉时，便完全无法提供任何功能。又，另外一个好处为，因为主要是控制外接的BJT元件的基极电流，而不是控制一般PMOS元件的栅极电压，所以补偿的电路会比补偿栅极电压的电路容易设计，且可以容忍很大的输出负载范围，使其在转换成LDO电路的操作方式时也会稳定。

以上已针对较佳实施例来说明本发明，以上所述，仅为使本领域普通技术人员易于了解本发明的内容，并非用来限定本发明的权利范围。在本发明的相同精神下，可以采用各种等效变化。例如，在所示各实施例电路中，可插入不影响讯号主要意义的元件，如其它开关等；又例如误差放大电路的输入端正负可以互换，仅需对应修正电路的讯号处理方式即可。凡此种种，都可根据本发明的启示类推而得，因此，本发明的范围应涵盖上述及其它所有等效变化。

Claims (18)

1.一种充电电路，用以提供一充电电流，而对一电池电路中一电池充电，其特征在于，所述充电电路包含：

一双极接面晶体管信道电路，与一输入电压耦接，并根据一控制讯号，以产生该充电电流；

一电流感测电路，根据该充电电流，产生一电流感测讯号；

一电压感测电路，与该电池电路耦接，根据该电池的一电池电压，产生一电压感测讯号；以及

一控制电路，与该BJT信道电路耦接，根据该电流感测讯号与该电压感测讯号，以产生该控制讯号，该控制电路包括：

一电流调整电路，与该电流感测电路耦接，根据该电流感测讯号与一电流参考讯号，以调整其中一第一可变电阻元件的一第一电阻值，进而调整该控制讯号；以及

一电压调整电路，与该电压感测电路耦接，根据该电压感测讯号与一电压参考讯号，以调整其中一第二可变电阻元件的一第二电阻值，进而调整该控制讯号。

2.如权利要求1所述的充电电路，其中，该控制电路还包括一保护电路，与该BJT信道电路耦接，用以决定该BJT信道电路所接触到的最高电压，及/或与该控制电路耦接，用以决定该控制电路所接触到的最高电压。

3.如权利要求1所述的充电电路，其中，该控制电路还包括一起始电路，于该电池电压低于一预设低电压时，产生该控制讯号。

4.如权利要求1所述的充电电路，其中，该电流调整电路包括：

一电流感测放大电路，与该电流感测电路耦接，根据该电流感测讯号，产生一电流感测放大讯号；

一电流误差放大电路，与该电流感测放大电路耦接，比较该电流感测放大讯号与该电流参考讯号，以产生一第一电阻调整讯号；以及

该第一可变电阻元件，与该电流误差放大电路耦接，根据该第一电阻调整讯号，以调整该第一电阻值。

5.如权利要求1所述的充电电路，其中，该电压调整电路包括：

一电压误差放大电路，与该电压感测电路耦接，比较该电压感测讯号与该电压参考讯号，以产生一第二电阻调整讯号；以及

该第二可变电阻元件，与该电压误差放大电路耦接，根据该第二电阻调整讯号，以调整该第二电阻值。

6.如权利要求1所述的充电电路，其中，该BJT信道电路包括：

一BJT信道元件，耦接于该输入电压与该电池电路之间，根据该控制讯号以控制该充电电流；以及

一限压电路，耦接于该控制电路，用以限制该控制讯号与该BJT信道电路连接的一接点电压不高于一预设位准。

7.如权利要求1所述的充电电路，其中，该第一可变电阻元件与该第二可变电阻元件串联。

8.一种充电电路的控制电路，其特征在于，根据一电流感测讯号与一电压感测讯号，以产生一控制讯号，用以控制一双极接面晶体管信道电路，进而调节一充电电流，以对一电池电路中的一电池充电，其中，该电流感测讯号相关于该充电电流，且该电压感测讯号相关于该电池的一电池电压；所述控制电路包含：

一电流调整电路，与该BJT信道电路耦接，根据该电流感测讯号与一电流参考讯号，以调整其中一第一可变电阻元件的一第一电阻值，进而调整该控制讯号；以及

一电压调整电路，与该电池电路耦接，根据该电压感测讯号与一电压参考讯号，以调整其中一第二可变电阻元件的一第二电阻值，进而调整该控制讯号。

9.如权利要求8所述的充电电路的控制电路，其中，还包括一保护电路，与该BJT信道电路耦接，用以决定该BJT信道电路所接触到的最高电压，及/或与该控制电路耦接，用以决定该控制电路所接触到的最高电压。

10.如权利要求8所述的充电电路的控制电路，其中，还包括：一起始电路，于该电池电压低于一预设低电压时，产生该控制讯号。

11.如权利要求8所述的充电电路的控制电路，其中，该电流调整电路包括：

一电流感测放大电路，与该电流感测电路耦接，根据该电流感测讯号，产生一电流感测放大讯号；

一电流误差放大电路，与该电流感测放大电路耦接，比较该电流感测放大讯号与该电流参考讯号，以产生一第一电阻调整讯号；以及

该第一可变电阻元件，与该电流误差放大电路耦接，根据该第一电阻调整讯号，以调整该第一电阻值。

12.如权利要求8所述的充电电路的控制电路，其中，该电压调整电路包括：

一电压误差放大电路，与该电压感测电路耦接，比较该电压感测讯号与该电压参考讯号，以产生一第二电阻调整讯号；以及

该第二可变电阻元件，与该电压误差放大电路耦接，根据该第二电阻调整讯号，以调整该第二电阻值。

13.如权利要求8所述的充电电路的控制电路，其中，该BJT信道电路包括：

一BJT信道元件，耦接于该输入电压与该电池电路之间，根据该控制讯号以控制该充电电流；以及

一限压电路，耦接于该控制电路，用以限制该控制讯号与该BJT信道电路连接的一接点电压不高于一预设位准。

14.如权利要求8所述的充电电路的控制电路，其中，该第一可变电阻元件与该第二可变电阻元件串联。

15.一种充电电路的控制方法，其特征在于，包含：

提供一双极接面晶体管信道电路，其根据一控制讯号，以产生一充电电流对一电池充电；

根据该充电电流产生一电流感测讯号；

根据该电池的一电池电压，产生一电压感测讯号；以及

根据该电流感测讯号与该电压感测讯号，以产生该控制讯号；

其中该产生该控制讯号的步骤包括：

根据该电流感测讯号与一电流参考讯号，以调整一第一可变电阻元件的一第一电阻值，进而调整该控制讯号；以及

根据该电压感测讯号与一电压参考讯号，以调整一第二可变电阻元件的一第二电阻值，进而调整该控制讯号。

16.如权利要求15所述的充电电路的控制方法，其中，还包括：于该电池电压低于一预设低电压时，提供一起始电流作为该控制讯号。

17.如权利要求15所述的充电电路的控制方法，其中，该根据该电流感测讯号与一电流参考讯号，以调整一第一可变电阻元件的一第一电阻值，进而调整该控制讯号的步骤，包括：

根据该电流感测讯号，产生一电流感测放大讯号；

比较该电流感测放大讯号与该电流参考讯号，以产生一第一电阻调整讯号；以及

根据该第一电阻调整讯号，以调整该第一电阻值。

18.如权利要求15所述的充电电路的控制方法，其中，该根据该电压感测讯号与一电压参考讯号，以调整一第二可变电阻元件的一第二电阻值，进而调整该控制讯号的步骤，包括：

比较该电压感测讯号与该电压参考讯号，以产生一第二电阻调整讯号；以及

根据该第二电阻调整讯号，以调整该第二电阻值。