CN104782019B - 防止电池充电器的输入电压升高的电路及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

使用开关模式电源以从连接着的外部电源适配器为电池充电的充电电路可以定期关闭该开关模式电源并将其输入端子从该开关模式电源断开。可以将负载连接到该输入端子。监视该输入端子是否出现电压崩溃，这指示了该电源适配器是否被连接着。

Description

防止电池充电器的输入电压升高的电路及其控制方法
相关申请的交叉引用
本公开要求2013年3月15日提交的美国申请No.13/834,460的优先权，该美国申请还要求2012年11月1日提交的美国临时申请No.61/721,381的优先权，这两者的内容出于所有目的通过援引整体纳入于此。
背景技术
除非在本文中另外指示，否则本章节中所描述的办法对于本申请中的权利要求不是现有技术并且不因包含在本章节中而被承认为现有技术。
使用开关模式架构的电池充电电路通常采用开关切换器电路来对电池充电。术语“电池”可以是指单电池单元配置或者多电池单元堆叠配置(例如， 2S配置，其包括2个串联连接的电池单元)。
在一些设计中，使用降压型开关模式架构的电池充电电路在输入电源从该电路断开时可能将充电器输出电压推升回输入端口。该电池充电电路可能保持被困在这一不期望的状态中，因为其不能够辨别该输入电源(例如，墙上适配器)已被移除。这可能使得正在由该电池充电电路充电的电池最终在输入电源移除之际放电。该不期望的行为也可能违反了行业规范，诸如通用串行总线 (USB)规范。
例如，考虑图6A中所示的常规开关模式架构充电电路。当电源被连接到该电路时，电流能够从该电源流到电池，藉此对该电池充电；并且能够流到负载，藉此向该负载提供功率。
若该开关电路的占空比达到非常高的水平(例如，由于输入电压崩溃(例如，适配器电缆阻抗能够引起大的IR下降)和几近完全充满电的电池相结合)，有可能引起该充电器在输入适配器被移除之后不正确地在升压转换器模式中操作。结果导致的电流流向可以如图6B中所示那般建立。这种“回推升”行为的首要原因是在低侧FET的导通时间期间从该电池供应了负电感器电流。一旦这种情况发生，在该充电器的输入上会有与电池电压和升压模式占空比成比例的电压，结果导致当适配器被移除时电池最终放电。由于过零检测电路固有的准确度限制，这样的负电感器电流的发生不能够被完全防止。
对这种非预期操作的解决方案包括监视适配器输入，并且当适配器输入跌至某个阈值以下时，关闭该开关切换器。这种方法限制了适配器的有用量程。一些解决方案在此之上更进一步，并且使用软件来定期地检查BMS电路系统来检测负电流流动。
概述
一种用于将功率从电源适配器递送到电池的充电电路可以包括能够被选择性地连接到该充电电路的输入端子的可切换负载。比较器可以感测该输入端子处的电压。该充电电路可以定期禁用从电源适配器到电池的功率递送，并且激活该可切换负载长达固定历时。若该比较器感测到电压崩溃，那么该充电电路可以确定该电源适配器已从该充电电路断开。若该比较器没有感测到电压崩溃，那么该充电电路可以继续进行从电源适配器到电池的功率递送。
在一些实施例中，该充电电路可以在定时的基础上重复上述过程。在一些实施例中，诸轮迭代之间的定时可以改变。在一些实施例中，前述过程可以基于一个或多个条件的发生而被激活，从而提高效率。
以下详细描述和附图提供对本公开的本质和优点的更好理解。
附图简述
图1示出根据本公开的原理的充电电路的高级示意图。
图2示出了充电电路的解说性实施例。
图3解说了根据本公开的充电电路的处理。
图4解说了根据本公开的充电电路的替代性处理的示例。
图5示出了常规降压转换器设计。
图6A解说了常规降压充电电路中的电流流动。
图6B解说了常规降压充电电路中的回推升操作的示例。
详细描述
在下面的描述中，出于说明目的阐述了众多示例和具体细节以便提供对本公开的透彻理解。然而，本领域技术人员将显而易见的是，在权利要求书中表达的本公开可单独地或与下文描述的其他特征相组合地包括这些示例中的一些或全部特征，并且还可包括在本文描述的特征和概念的修改和等效方案。
在一些实施例中，如在图1的概括示意表示中所解说的，根据本公开的充电电路100可以包括输入端子102以及输出端子104a和104b。充电电路100 可以被纳入到由电池供电的电子设备(诸如蜂窝电话、计算设备等等)中。包括此由电池供电的电子设备的电子设备(负载16)可以被连接到输出端子104a。可再充电电池14可以被连接到输出端子104b以向负载16提供功率。外部电源12(例如，AC墙上适配器、另一电子设备等)可以被连接到输入端子102 以提供功率来对电池14充电和/或向负载16提供功率。
在一些实施例中，充电电路100可以包括开关模式电源122。例如，在一实施例中，开关模式电源122可以是包括开关电路122'、电感器L和电容器 Cout的降压转换器。开关模式电源122可以递送在输入端子102处接收到的功率来对电池14再充电和/或将功率递送给负载16。
该充电电路可以包括开关130以在特定境况下将电池14从充电电路100 断开，以例如避免在超温或者欠温状况期间充电时损坏电池。在一些实施例中，开关130也可以被用来管控充电电流。
根据本公开的原理，充电电路100可以进一步包括可切换负载124、比较器126和控制该可切换负载和开关模式电源122的控制器128。可切换负载124 可以被选择性地连接到输入端子102。
控制器128可以断言控制信号128a以操作可切换负载124。根据本公开，控制信号128a也可以控制开关模式电源122的操作。在一些实施例中，控制器128可以根据比较器126的输出来生成和断言控制信号128a。
在各种实施例中，可切换负载124可以使用允许该可切换负载被控制器128操作或控制的任何设计来实现。特别地，可切换负载124可以选择性地提供输入端子102与地电势之间的电连接。
参见图2，根据本公开的原理的充电电路200的解说性实施例包括输入端子202和输出端子204a、204b。
在一些实施例中，称为降压转换器的设计可以作为开关模式电源222。典型的降压转换器的基本设计在图5中示出。图2中所示的降压转换器222可以包括电感器L和电容器Cout，其分别对应于图5中所示的电感性元件(L)和电容性元件(C)。降压转换器222可以进一步包括场效应晶体管(FET)222a 和222b，其由来自于脉宽调制(PWM)信号发生器222c的脉冲来驱动。FET 222a、222b由各自相应的脉冲out和来驱动，并且分别用作图5中所示的开关元件(SW)和二极管元件(D)。
PWM信号发生器222c可以包括驱动FET 222a、222b的栅极电势Vgs的驱动器(未示出)。在图2中所示的特定实施例中，FET 222a和222b是N型器件(NFET)。高侧FET 222a将其输出引用至浮置电压，即在其去往电感器 L的连接处的电压。相应地，用于FET 222a的驱动器(未示出)可以使用自举电路(例如，Dboot和Cboot)从而将高侧FET 222a的栅极电势(Vgs)驱动成高于源极以维持Vgs>Vth，以便使得该FET能够导通。
在一特定实施例中，可切换负载224可以包括与电阻性元件224b串联连接的FET开关224a。当然将领会，可切换负载224可以包括任何合适的设计，例如能够被启用和禁用的运算放大器电流阱。FET 224a的栅极可以由控制器逻辑228a来控制。比较器226可以将跨电阻性负载224b的电压与阈值电压 Vthreshold作比较。输出226a可以作为至控制器逻辑228a的输入信号。
控制器228可以包括控制器逻辑228a以及定时器228b和228c。除了控制可切换负载224以外，控制器逻辑228a还可以控制PWM信号发生器222c 的操作。根据本公开的原理，控制器逻辑228a可以禁用PWM信号发生器222c 的操作。输入FET 232可以被用于在降压转换器222被禁用时提供对电池14 的反向阻断；否则，若输入FET 232不存在，则FET 222a的高侧体二极管将会允许电池电压出现在输入端子202上。
控制器逻辑228a可以发起定时器228b、228c以及重置这些定时器。定时器228a、228b可以用可存储在非易失性存储器中的预定定时器值来编程。该非易失性存储器可以是可编程的。
在一些实施例中，纳入电池充电电路200的电子设备(未示出)可以包括电池管理系统(BMS)20。如其名所暗示的，BMS 20执行各种功能以管理设备中的电池(或电池组)的输出、充电和放电。BMS 20可以监视电压、电流和温度以提供关于电池状态的各种通知，诸如充电状态(SOC)、健康状态 (SOH)等等。如以下所提及的，BMS 20可以为控制器逻辑228a提供有关电池的操作状态的特定信息。
参见图3，现在将讨论在图2中所示的根据本公开各方面的充电电路200 的操作。
在框302，当电源被连接到充电电路200时，该充电电路可以将该电源所提供的电压检测为至该电路的有效输入，这可以构成连接事件。在框304，充电电路200可以响应于该连接事件而启用降压转换器222的操作。例如，控制器逻辑228a可以断言使能信号，PWM信号发生器222c可以通过输出out和来响应于该使能信号。
在框306，根据本公开的原理，在一些实施例中，充电电路200可以发起定时器(延迟定时器)228b以倒数预定的时间量。在框306中，当延迟定时器 228b超时，那么在框308，充电电路200可以例如通过中止PWM信号发生器 222c的操作来禁用降压转换器222。
在框310，充电电路200可以启用在输入端子202上的可切换负载224。与此同时，充电电路200可以发起定时器(输入崩溃定时器)228c来倒数预定的时间量。此外，充电电路200可以关断输入FET 232，从而将输入端子202 从降压转换器222电断开或者以其他方式电隔离。
在框312，在输入崩溃定时器228c走时期间，若输入电压Vin落到欠压阈值水平以下，那么在框314可以发信令通知欠压状况。充电电路200可以确定电源被断开了。控制器逻辑228a可以通过将降压转换器222维持在禁用状态来响应于此欠压状况，并且由此避免了回推升操作的可能性。充电电路200中的处理可以返回框302以等待另一连接事件。
若在框312，在输入崩溃定时器228c走完时输入电压Vin并未到达欠压状况，那么充电电路200可以确定电源保持连接着。控制器逻辑228a可以导通输入FET 232并且充电电路200中的处理可以返回框304，在此该控制器逻辑可以再次启用降压转换器222，并且循环304-312可以被重复。
返回框312，在输入崩溃定时器228c在走时的时间期间，如果电源从充电电路200被断开，那么Vin将仅由留在输入电容器Cin上的电荷来供电。因此， Vin会藉由输入端子202被连接到可切换负载224的连接非常快速地崩溃到欠压状况。输入崩溃定时器228c的定时可以被选择为允许有充足的时间供输入电容器Cin放电。
在另一方面，若电源是连接到充电电路200的，那么只要电阻性负载224b 小到足以使得该电源能够驱动该电阻性负载，Vin的电压崩溃就不会发生。例如，电阻性负载224a可以被设计成汲取少量的电流，比如10mA，这很可能宽裕地处在该电源的能力以内。
在框312处，在降压转换器222被禁用的时间期间，电池14在向系统负载16供应功率。相应地，在实际系统中，可能期望将用于输入崩溃定时器228c 的定时值保持在最小，从而使得降压转换器222被禁用且电池14是唯一的功率来源的时间量最小化，但是又使得该定时值长到足以使输入电容器Cin在该电源被断开时能放电至欠压阈值水平以下。例如，在一些实施例中，用于输入崩溃定时器228c的定时值可以在毫秒的量级上，并且在其他实施例中可以有所不同。
另一个实践考虑是要调节用于延迟定时器228b的定时值，从而使得循环 304-312不会被太频繁地重复。在一些实施例中，例如，延迟定时器228b可以提供30ms的延迟，而在其他实施例中，该延迟定时器可以延迟不同时间量。在一些实施例中，用于定时器228b和228c的定时值可以预编程在存储器中。在其他实施例中，这些定时值可以随循环304-312的后续迭代来被调节。
在一些实施例中，充电电路200可以在激活循环304-312之前测试特定条件的发生。参见图4，根据本公开的一些实施例的充电电路200的处理可以包括框302、304和306，其如结合图3中各自相应的框302、304和306所解释地那样行进。在框306，在延迟定时器228b超时后，充电电路200可以在框 400处测试特定(诸)条件的发生。若该(诸)条件不存在，那么处理返回框 304，并且循环304-312可以被重复。否则，处理进行到框308。
这些条件可以由涉及电池操作状态的信号来指示。例如，在一些实施例中， BMS20和/或控制器逻辑228a可以提供指示各种电池操作状态的信号，其可被用于指示回推升情境的可能性。例如，以下条件可以由BMS 20和/或控制器逻辑228a提供，并且在框400被测试：
·电池充电被启用，且
·PWM信号发生器222a以最大占空比操作，且
·已达到充电电流中的电流终止水平。
在这些条件下，若电池正在被充电，那么当电源被移除时可能发生回推升，并且充电电流跌至终止水平以下并接着变为负电流，如图6B中所解说的，。换句话说，电池14正在作为电流源。由于输入电压崩溃，降压模式占空比会上升。一旦该占空比到达最大值，该条件将会被瞬间锁存。当这两个条件在充电期间都为真，那么就存在回推升操作的可能性
作为另一示例，框400可以测试以下条件：
·电池充电被禁用，且
·PWM信号发生器222a正以最大占空比操作，且
·电池在场。
不像之前的条件，当充电被禁用时，无法分辨该电池是在向该系统提供正电流，还是该部分正在回推升。相应地，当PWM信号发生器222a正以其最大占空比操作时，循环304-312可以在重复的基础上执行，如图3中所描述的。然而，为了避免系统功率上的混乱，循环304-312可以被有条件地仅在确定电池在场时被执行。
在其他实施例中，在框400中还可以测试其他条件。若条件出现，那么充电电路200可以如以上所讨论地继续进行框308和310。在框312’，若没有检测到输入电压崩溃，那么循环304-312可以如以上所讨论的那样被重复。然而，用于定时器228b和228c的定时值可以在框312’中被调节，以使降压转换器222 被禁用的时间量最小化。例如，在一些实施例中，延迟定时器228b可以为循环304-312的头三轮迭代提供30ms的延迟，并且在第四次循环上该延迟定时器可以提供1S的延迟。该循环可以接着被重复。当然将可领会，这仅仅是示例，并且延迟定时器228b可以根据任意合适的调度来被调节。
以上描述解说了本发明的各实施例连同特定实施例的各方面可被如何实现的示例。以上示例不应被认为是仅有的实施例，并且被呈现来解说所附权利要求所定义的特定实施例的灵活性和优点。基于以上公开和所附权利要求书，其他安排、实施例、实现、以及等效方案可被采用而不背离权利要求书所定义的本公开的范围。

Claims (21)

1.一种充电电路中的方法，包括：
在所述充电电路的输入端子处检测来自电源的电压；
响应于所述检测，启用开关电路长达第一预定时间历时以将功率提供到所述充电电路的输出端子；
在所述第一预定时间历时到期时，禁用所述开关电路并将负载连接到所述输入端子长达第二预定时间历时；
在所述第二预定时间历时到期时，若所述输入端子处的电压电平超过预定值则将所述负载断开连接并启用所述开关电路。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述负载连接到所述输入端子包括将所述输入端子从所述开关电路断开。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括探明一个或多个预定义条件的发生，并且响应于此，禁用所述开关电路长达所述第二预定时间历时。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括在一个或多个预定义条件发生之前，延迟长达预定时间量。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括启动第一定时器以建立所述第一预定时间历时以及启动第二定时器以建立所述第二预定时间历时。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括从连接到所述输入端子的外部设备接收功率。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括使用在所述输入端子处接收到的所述功率对连接到所述输出端子的电池充电。
8.一种充电电路，包括：
用于连接到外部设备的输入端子；
用于连接到电池的输出端子；
连接在所述输入端子与所述输出端子之间的开关电路；
连接到所述输入端子的可切换负载；以及
控制器，其被配置成选择性地启用和禁用所述开关电路，并且选择性地操作所述可切换负载，
其中所述控制器进一步配置成：
响应于在所述输入端子处检测到来自电源的电压而启用所述开关电路长达第一预定时间历时；
在所述第一预定时间历时到期时，禁用所述开关电路并将所述可切换负载连接到所述输入端子长达第二预定时间历时；并且
在所述第二预定时间历时到期时，若所述输入端子处的电压电平超过预定值则将所述负载断开连接并启用所述开关电路。
9.如权利要求8所述的电路，其特征在于，还包括连接在所述输入端子与所述开关电路之间的开关，其中当所述可切换负载处于连通状态时，所述开关被断开，藉此将所述输入端子从所述开关电路断开。
10.如权利要求8所述的电路，其特征在于，所述可切换负载包括与电子设备串联连接的开关。
11.如权利要求10所述的电路，其特征在于，所述电子设备是电阻器。
12.如权利要求10所述的电路，其特征在于，所述电子设备是电流阱。
13.如权利要求8所述的电路，其特征在于，所述开关电路包括降压转换器。
14.如权利要求8所述的电路，其特征在于，当在所述控制器启用所述开关电路后发生了一个或多个预定条件时，所述控制器禁用所述开关电路。
15.如权利要求8所述的电路，其特征在于，进一步包括配置成提供所述第一预定时间历时的第一定时器和配置成提供所述第二预定时间历时的第二定时器。
16.一种电池充电电路中的方法，包括：
响应于检测到来自连接到所述电池充电电路的外部电源的电压而启用开关电路的操作以将功率从连接到所述电池充电电路的输入的所述外部电源递送到连接到所述开关电路的输出的电池，所述开关电路被启用长达第一预定时间段；
在所述第一预定时间段已过去后：
禁用所述开关电路的操作；以及
经由负载将所述电池充电电路的所述输入接地长达第二预定时间段；
若在所述第二预定时间段期间，所述电池充电电路的所述输入处的电压下降到预定值以下，那么维持所述开关电路的操作被禁用；并且
若在所述第二预定时间段期间，所述电池充电电路的所述输入处的电压未下降到所述预定值以下，那么再次启用所述开关电路的操作。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，将所述电池充电电路的所述输入接地包括将所述输入与所述开关电路电隔离。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述开关电路包括降压转换器。
19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述禁用和接地仅在满足预定电路条件的情况下才被执行。
20.如权利要求16所述的方法，其特征在于，从存储器获得第一定时器值并且发起第一定时器电路以作为所述第一预定时间段的基础。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，从所述存储器获得第二定时器值，并且发起第二定时器电路以作为所述第二预定时间段的基础。
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