CN1060889C - 跟踪的外部电源 - Google Patents

Abstract

一个外部电源(22)向具有可再充电单元电池(70)的电子设备(20)供电。外部电源(22)提供具有跟踪可再充电单元电池的电压的电源(26)。外部电源的电压最好以高于该可再充电单元电池电压(86)的偏移跟踪。一个外部电源类型指示装置(130)如一个电阻向该电子设备指示外部电源类型。因此外部电源(22)可提供快速充电或微电流充电操作的电源，且该电子设备内的充电控制电路根据由该电阻指示的外部电源类型，能够准确地控制可再充电单元电池的充电。

Description

跟踪的外部电源

本申请是David M．DeMuro的以下美国专利申请的部分申请的继续：申请日为1993年9月2日、专利申请号为115074、名称为“具有内部充电调节器和温度传感器用于控制加给它的充电电流的电子装置及其相关的方法”；申请日为1993年6月30日、专利申请号为083571、名称为“具有内部充电调节器用于控制加给它的充电电流的电子装置及其相关的方法”；申请日为1993年11月9日、专利申请序为149686、名称为“确定外部电源类型的方法及装置”。

本发明涉及使用可再充电电源供电的电子设备，具体涉及具有可再充电电源的电子设备及相关的方法，该可再充电电源可连接一个外部电源，该外部电源能够提供工作电源对该电子设备的可再充电电源再充电。

许多电子设备被构成这样的类型：它允许由包括一个或多个蓄电池单元电池的电池电源供电。在一些情况下，当该电子设备不是或者不能在一个永久的或其它固定的电源附近放置时，需要使用电池电源对该电子设备供电。在其它情况下，使用电池电源对该电子设备供电以增加该设备的可携带性，因为不需要电力电缆使电子设备连接到永久的或其它固定的电源。典型地，包括用于对该电子设备供电的电池电源的一个或多个蓄电池单元电池是直接地与电子设备一起携带或装入该电子设备内。

但是，由于电池电源只能存储有限数量的能量，所以电池电源对该电子设备供电受到该电池电源的能量存储容量的限制。用电池电源供电该电子设备使该电池电源的存储能量放电。一旦电池电源的存储能量放电超过一定的程度，就需要更换该电池电源来使该电子设备能继续工作。增加电池电源的能量存储容量，诸如通过增加包括这种电源的蓄电池单元电池数，这就会增加了该电源的体积(和重量)。这种增加电池电源的能量存储容量的方法降低了在电池电源与电子设备一起携带时的该电子设备的可携带性。因此，当设计电池电源时，要在增加能量存储容量和降低装有这种电池电源的电子设备的可携带性之间进行折衷。

便携式或可移动的无线电话机是一种典型地由电池电源供电的电子设备。该电池电源典型地直接与该无线电话机一起携带，而且其体积和重量不会过度地限制该无线电话机的可携带性。无线电话机包括无线收发信机，该收发信机包括分别发送和接收已调信号的发射机电路和接收机电路。在典型的无线电话机的操作中，在等待接收指示到该无线电话机的来话呼叫信号时其接收机电路部分是连续地供电的。此后，该无线电话机的发射机电路部分也加电以便从它传送已调的信号。

在许多蜂窝通信系统中工作的无线电话机被构成用于从其发送已调的信号，同时还接收发送给它的已调信号(由该无线电话机发送的和发送给它的已调信号在分开的频道上发送)。在其它的蜂窝通信系统中工作的无线电话机被构成以便在非同时时间期间和在与该无线电话机双向通信期间发送和接收已调信号，在非同时时间期间该接收机和发射机电路部分被供电。

在该无线电话机的接收机电路部分被加电同时等待指示来话呼叫的信号的传输的时间在下面将称为该无线电话机是处于“备用”方式的时间。(当然，应该指出，仅当用户要求开始和在以后完成电话呼叫时，无线电话机的用户还经常提供工作电源给该无线电话机；在其它时间没有给该无线电话机提供工作电源，并且该无线电话机不加电来接收发送给它的信号。也就是说，无线电话机的用户可选择不操作“备用”方式的无线电话机接收发送到该无线电话机的来话呼叫，而只是在该用户开始电话呼叫期间供电该无线电话机。)

一般地，操作该无线电话机的发射机电路部分所要求的能量的量比操作其接收机电路部分所要求的能量的量更大。而且，由于实际设备比理想的效率低，加到该无线电话机的一部分能量被转换为热能，导致无线电话机的热量积累。由于操作无线电话机的发射机电路部分需要更多的能量，所以在无线电话机的发射机电路部分工作期间比仅仅在接收机电路部分工作时有相应的更大量的热量产生。

已经研制出而且在市场上可买到由一个或几个可再充电蓄电池单元电池组成的可再充电电池电源。一些这样的在市场上可买到的、可再充电的电池电源是设计用于对无线电话机供电的结构。使用可再充电电池电源是有利的，因为其可再充电源电池能通过加上由电源产生的充电电流进行充电。一旦再充电后，该可再充电电池电源就可再使用。一些结构的可再充电电池电源可再充电和再使用多达甚至超过500次。

如前所述，可再充电电池电源典型地由一个或几个蓄电池单元电池组成。这些蓄电池单元电池以串联(或其它方式的)连接，而且典型地是装入一个公共的外壳内。外壳与蓄电池单元电池一起构成电池电源，经常也称为电池组。为了简单起见，这种结构一般地也用一般术语“电池”。本说明书将经常使用这个简化的术语。

可再充电电池电源的蓄电池单元电池由各种不同结构的材料构成。例如，可再充电蓄电池单元电池可由锂(Li)材料，镍镉(Ni-Cd)材料或者镍金属氢化物(NiMHO₂)材料构成的。这些不同材料构成的蓄电池单元电池在其充电期间呈现不同的特性。

电池充电设备也是市场上可买到的，允许对可再充电的电池电源再充电。包括这种电池充电设备的电池充电器典型地包括一个电源，当适当地接到充电设备接收工作电源时，用于加上工作电源而对可再充电的电池电源再充电。

加在可再充电电池电源的工作电源能量被变换为化学能，该化学能由电池电源的可再充电蓄电池单元电池存储。在一个过去的时间期间将工作电源加到蓄电池单元电池使该可再充电蓄电池单元电池变为完全再充电的。但是，因为实际设备比理想的效率低，所以加在蓄电池单元电池的一定部分的能量被变换为热能，这导致蓄电池单元电池热量积累。

一些电池充电设备是这种结构型的：它允许电子设备还有电池电源二者一起接收工作电源。这种电池充电设备不仅提供工作电源对电池电源的可再充电蓄电池单元电池再充电，而且还提供工作电源允许电子设备工作。

例如，允许无线电话机与可再充电电池组接收工作电源对电池组的蓄电池单元电池充电同时允许该无线电话机电路工作的结构类型的电池充电设备是可得到的。但是，如前面提到的，在实际设备中，产生热量作为无线电话电路工作的副产品。而且，同时产生热量作为再充电该电池电源的蓄电池单元电池的过程的副产品。

包括可再充电电池电源的蓄电池单元电池的各种可再充电电池结构呈现多种充电曲线(这是以时间的函数标度的电压曲线)。在再充电这种结构的蓄电池单元电池期间的时间内，由于存储在其中的能量数量增加，该电源的蓄电池单元电池的电压电平也增加。加到可再充电电池电源的电源电压必须大于可再充电电池电源的电压电平，以使能量转移到电池电源。但是，当加到电池电源的电源电压显著地大于电池电源的电压电平时，相应于该电压差的能量的重要部分被转换为热能。

当可再充电电池电源作为电子设备的一部分如一个无线电话机实现时，在充电电源加到可再充电电池电源期间产生的热能导致电子设备发热。电子设备的这种发热可使电子设备的用户不舒服而且还影响其性能。

因此，需要的是充电电源可加到电子设备中的可再充电电池而不产生过量的热能的装置。

在一个便携的、电池供电的设备如一个蜂窝电话中，通过提供一个外部的电源输入，以使该用户可从如室内电流的主电源或车辆的电源操作该设备，以便保留电池电源。而且还希望有该设备内部的电池充电器，用于再充电该设备的电池组，它可在该设备内部或外部。该设备及其内部电池充电器要求在该设备外部的一个电源或适配器，提供该设备所需的合适的电压和电池以充电内部电池或对该设备供电。

此外，经常有各种各样的外部电源。例如，大功率型可提供对电池快速充电，而低成本、低功率型可提供对电池慢充电。因为根据连接哪个外部适配器，内部充电器的工作将不同，该设备必须检测存在哪类外部电源适配器。

因此，还需要提供用于检测接到一个设备的外部电源适配器的类型，和随着电源适配器的类型及电池的变化改变设备的操作。本发明具有更大的系统灵活性和具有所有类型的外部电源的改进的性能。

本发明的目的是提供一种装置，使充电电源可加到电子设备上而不会发生过热现象，同时提供外部充电器类型指示装置，以便指示外部电源的类型。

当根据附图阅读时将会更好的理解本发明，其中：

图1是在其充电期间跨接在可再充电蓄电池组的蓄电池的输出端上测量的电压中的典型的电池充电曲线的图示作为时间的函数绘出；

图2是根据本发明连接到一个电子设备的外部充电器的方框图；

图3是根据本发明连接到一个电子设备的另一个外部充电器的方框图；和

图4是根据本发明描述接到一个蜂窝无线电话机的一个外部充电器的视图。

如上面所提到的，便携式电子设备经常由一个可再充电电源供电。当可再充电电源耗尽存储的能量时，使用电池充电设备对可再充电电源的可再充电蓄电池再充电。

几种结构的电池充电设备是可用的，它们允许便携式电子设备与一起携带的可再充电电源一起放置，以致提供工作电源给可再充电电源的可再充电蓄电池和该电子设备电路。

但是，由于电池充电设备和该电子设备之间功率转移不是全效率的，由电池充电设备产生的工作电源的一定部分的能量被转换为热能，使该电子设备的温度上升。而且，当由电池充电设备产生的工作电源的电压电平显著地高于可再充电电源的蓄电池单元电池的电压电平时，由该电池充电设备产生的工作电源的大部分被转换为热能。结果，由这种可再充电电源供电的电子设备的温度出现显著的升高。在特定的情况下，电子设备包括工作在蜂窝通信系统中的一个无线电话机，由电池充电设备产生的工作电源转换为热能导致该无线电话机温度上升。无线电话机温度的这种上升可使该无线电话机用户不舒服，以及影响该无线电话机的性能。

当由外部电源产生的工作电源的电压电平跟踪可再充电电源的可再充电蓄电池单元电池电压电平时，由该电池充电设备产生的工作电源能量的量被转换为热能减至最少。

当电池充电设备包括电平可变的电源时，由这种电源产生的工作电源的电压电平无需是一个恒定的电压电平。相反地，该工作电源的电压电平可以是变化的，因而减少了在可再充电电源的原电池充电期间被转换为热能的能量的量。

通过提供包括具有指示再充电电源的蓄电池单元电池的电压电平的电池充电设备的电平可变电源，可使电平可变电源工作以产生工作的电压电平的电源，该电压电平相应于但是稍大于可再充电电源蓄电池单元电池的电压电平，在原电池再充电期间出现的发热可被减少。

还如在前面提到的，可再充电电源蓄电池单元电池的电压电平随着在给它加上工作电源期间由蓄电池单元电池存储的能量的量的增加而增加。

图1是镍-镉可再充电源电池的典型电池充电曲线的图示。电池充电曲线是由跨接到镍-镉可再充电蓄电池单元电池的输出端上测量的、作为时间的函数的电压曲线构成的。

在图1中，以伏标度的电压沿着纵轴10绘制，而以秒标度的时间沿横轴12表示。得到的曲线14一般地在相应于给它加上工作电源以便再充电该蓄电池单元电池的时间内增加。如所示的，一般的增加不是线性的。曲线14的点16和17代表加在可再充电电池电源的工作电源的电流电平改变的电压电平。在开始和在该图中以“快速充电阶段”表示的时间期间，加到蓄电池单元电池的工作电源的电流电平是相当高的值。然后，在图中以“微电流充电阶段”的时间期间(相应于点16和17之间的曲线14部分)，加到该电池的工作电源的电流电平是第一减少的值。此后，在图中以“维持充电阶段”表示的时间期间，加到该原电池的工作电源的电流电平是第二减少的值。

其它类型的电池结构的特征充电曲线可类似地表示。虽然其它类型的电池结构具有其它特征形状的充电曲线，但是由于由这些电池存储能量数量增加，电压总的增加一般地讲是正确的。无论如何，通过使包括电池充电设备的电平可变电源跟踪工作电源所加给蓄电池单元电池的电压，产生的热能减少了。

图2示出根据本发明与一个电子设备20可脱开的连接的一个外部电源22。外部电源22包括一个变压器112、一个整流器114和一个电压调节器120。图2的变压器112和整流器114把从输送管线电流的墙上插头140来的交流(AC)120伏变换为直流(DC)电压。整流器114最好是全波整流器。而且最好在变压器112之后提供用于平滑整流的电压的调节电路。电子设备20包含由多个可再充电蓄电池单元电池70的电池。组成该电池的可再充电蓄电池单元电池可由任何数量的蓄电池单元电池包括一个蓄电池单元电池来构成。类似地，一个可再充电蓄电池单元电池可容易地适应于具有两个或几个蓄电池单元电池。电子设备20的可再充电蓄电池单元电池70由从外部电源22提供的电源充电。

外部电源22有一个电压调节器120，它响应在线路86上从电子设备20接收的电压信号跟踪可再充电单元电池70的电压。外部电源22的电压调节器120给电子设备20提供相对于可再充电单元电池70的电压的一个电压。通过提供跟踪可再充电蓄电池单元电池70电压的、电子设备20外部的一个电源，该电子设备内部的热耗散减少了。

外部电源22工作以在线路26上产生各种电压电平的任一个电平的工作电源。各种电压电平可以是连续地可变电压电平或分离的递增的电压增量。当在连接器34上外部电源接到电子设备20时，电子设备20的线路26被连接上，以接收由外部电源22产生的工作电源。线路26还被连接以提供工作电源给电子设备20的部件。例如，在优选的实施例中，电子设备20是便携式无线电话机，在这样的实施例中，当接上外部电源22时，它可给无线电话机的部件供电。可替代地，可再充电蓄电池单元电池70可被连接对电子设备20的部件供电。这种可再充电源电池70可被连接对内部部件供电，甚至外部电源22在连接器34上接到电子设备20时。

由外部电源22提供的电源具有由外部电源22的电压调节器120控制的电压。外部电源22还包含一个电阻130，它向电子设备20指示接到电子设备20的外部电源的类型。电子设备20中的晶体管58响应由电阻130指示的外部电源的类型，部分地控制从外部电源22提供给可再充电蓄电池单元电池70的电源。晶体管58调节提供给可再充电蓄电池单元电池70的电流或充电。电压调节器120用于调节从外部电源22加到电子设备20的电压。

电阻130向电子设备20指示该外部电源22具有跟踪电池电压的类型。较老式的电源不包含必要的电压跟踪电路。而且，较老式电源而是包含用于充电控制的电池控制电路，在本发明的安排中，它是放在电子设备20内。当电子设备20检测到没有电阻130的老式电源时，该电子设备20将知道老式电源不能提供合适的外部电压跟踪功能。称为人工测试电阻的该电阻对于快速充电外部电源可具有约33000欧姆的阻值，而对于微电流充电外部电源约为10000欧姆。可替代地，电阻130可以其它指示的元件如具有单一谐振特性的电抗电阻-电容对、一个二极管如具有唯一的反向偏置或击冲电压的肖特基二极管或齐纳二极管，或者其它半导体如存储元件代替。而且可使用这些元件的阵列，如电阻阵列。因此，除了保证电子设备20以外部电源22的必要电率充电外，电阻130还保证不允许电子设备20使用老式电源。

基于在电阻61两端的测量值和由电阻130指示的外部电源的类型，电子设备20的晶体管58部分地控制电流或对可再充电蓄电池单元电池70的充电。控制器74根据电阻130的阻值检测外部电源22的类型。控制器可根据由电阻130指示的外部充电器的类型选择一条特别的充电典型，如图1中所示的那样。

外部电流22典型地是能够提供电流的两电平之一。一类外部电流22提供高电平电流快速充电可再充电蓄电池单元电池70。另一类外部电源22提供低电流以便微电流充电可再充电蓄电池单元电池70。控制器74提供一个控制电压给比较器63。比较器63比较该控制电压与由比较器62在电阻61两端测量的电压。比较器63的输出由晶体管58用于控制电流或从外部电源22向可再充电蓄电池单元电池70的充电。控制器74根据由电阻130指示的外部电源的类型提供控制电压给比较器63。除了由电阻130指示的外部电源22的类型之外，控制器74还可考虑其它参数。由控制器74所考虑的这些参数可包括在可再充电蓄电池单元电池70的电压、电子设备20的其它部件目前所要求的电流消耗或者例如可再充电蓄电池单元电池70的温度。

如前面提到的，当加在可再充电蓄电池单元电池70的电源电压电平仅仅稍大于可现充电蓄电池单元电池的电压时，可再充电蓄电池单元电池70的再充电最有效地执行。当由外部电源22提供的电压大大地超过可再充电蓄电池单元电池70的电压时，电源的主要部分被变换为热能。这种热能引起了电子设备20中热消耗。但是，使由外部电源22提供的电压跟踪再充电蓄电池单元电池70的电压，减少了从外部电源22来的电源变换的热能。因此，由于外部电源22具有一个电压调节器120，它响应线路86上的可再充电蓄电池单元电池70的电压，减少了电子设备20的发热。

此外，根据本发明的优选实施例，外部电源22的电压调节器120在线路86上提供一个电压给电子设备，其偏移高于可再充电蓄电池单元电池70的电压。最好是，由外部电源22提供给电子设备20的电压在由线路86指示的可再充电蓄电池单元电池70的电压上偏移约1．4伏。因此，外部电源22的电压调节器120被编程提供偏移外部电源22约1．4伏。这个约1．4伏偏移最好用于正常的6伏镍金属氢化物(NiMHO₂)或镍-镉(Ni-Cd)电池。约1．4伏偏移在晶体管58，电阻61和二极管65两端产生约0．9伏的压降，在可再充电蓄电池单元电池两端产生约0．5伏压降。但是，对于这样的电池，该偏移范围可为约0．5伏至约3．0伏，当还考虑在电子设备20的充电控制部件上的上面所列的压降时，大约是该电池电压的三十分之一至一半。此外，当使用具有8．4伏的额定电压的锂电池或具有9．0伏额定电压的锂固态电池时，由外部电源22的电压调节器120提供的偏移更高。例如，12伏电池最好有约1．9至约5．0伏的偏移。

通过将功耗从电子设备20内部的部件如晶体管58、电阻61或二极管65移出，该偏移有助于减少电子设备20的发热。偏移电压还在晶体管58、电阻61和二极管上提供适当的压降，由在该电子设备20内部具有最小热量的控制器74用于电流或充电控制。

图3示出根据本发明的另一个实施例经过连接器35接到电子设备20的一个外部电源23的方框图。外部电源23接收在线路86上指示可再充电蓄电池单元电池70电压的一个控制电压。外部电源23根据线路86上的可再充电蓄电池单元电池的电压经过晶体管58提供一个充电电压给可再充电蓄电池单元电池70。外部电源23还包含一个外部充电器类型指示器件，如二极管135，它指示连接到电子设备20的外部电源的类型。

外部电源23包含一个脉宽调制器160，代替图2实施例的电压调节器120。在图3所示的实施例中，脉宽调制器160例如将从汽车的香烟点燃器的适配器输入的直流变换为所要求的直流输出电压。根据在线路86上输入的可再充电蓄电池单元电池70的电压，脉宽调制器160调制从汽车的香烟适配器连接器150来的输入的脉宽。在脉宽调制器160的输出使用平滑电路如电容器170，提供平滑的直流输出到电子设备20。虽然图3的实施例示出例如连接到一个香烟适配器的连接器150的脉宽调制器160，但是脉宽调制器160还可工作在其它输入电压。例如，当使用至少一个整流二极管时，120伏交流线电压可提供给脉宽调制器160。

现在翻到图4的示意图，示出了一般以标号620表示的一个无线电话机。图2或3实施例的电子设备20可以是具有该电子设备20的元件的无线电话机620，所述元件放置在图4的无线电话机620的外壳内，除了可再充电蓄电池单元电池70以外，在这里示出了包括电池组624。

无线电话机620利用线路626和628接到外部电源622，这两条线路626和628通过一个插头连接器630将外部电源622接到无线电话机620的连接件。图4中还示出了输送管线电流墙上插头642，允许外部电源接到常规的家用电源。虽然输送管线电流墙上插座642包括允许接到常规家用电源的一个插接器，当然允许接到其它类型电源的其它插接器类似地是可能的。

由于外部电源622远离无线电话机620放置，但是利用线路626和628接到它，所以无线电话机620可由用户方便地操作，而不管无线电话机620和外部电源622之间的连接。由于外部电源622产生的工作电源的电压电平跟踪该电池组的电压电平，所以该电池组的可再充电蓄电池单元电池的再充电被有效地实现而没有过量的能量变换为热能。

总之，本发明提供一种跟踪的外部电源，用于提供电源对可再充电蓄电池单元电池充电。该外部电源提供具有跟踪可再充电蓄电池单元电池电压的一个电压的电源。可再充电蓄电池单元电池的电压传递给外部电源，和外部电源对此响应提供一个跟踪电压。外部电源提供的电源电压最好偏移可再充电蓄电池单元电池的电压一个预定量。该电压被偏移以进一步减少该电子设备内的热耗散和提供操作内部充电控制部件的电压偏移，以及提供可再充电蓄电池单元电池的有效充电。外部电源可以是能够对该可再充电蓄电池单元电池快速充电的大电池、大功率型的，或者另一情况，它可以是只能够对该可再充电蓄电池单元电池慢速充电的低电流型的。外部电源的类型由一个电阻指示，且电子设备响应这个电阻，通过检测在外部电源中该电阻的值识别外部电源类型来识别外部电源适配器的类别。

Claims (7)

1．一种外部电源(22，23)，用于连接到一个便携式电子设备(20)，该便携式电子设备具有能够使用来自所述外部电源的功率向一个或多个可再充电电池(70)充电的充电控制电路，其特征在于，所述外部电源包括：

连接器(34，35)，能够连接到便携式电子设备，以便把外部功率(26)提供给所述便携式电子设备并且接收来自该便携式电子设备的信号(86)；

电压控制电路(120)和电源变换器(114，160)，有效地连接到所述连接器，以便把外部功率(26)以一个电压提供给该便携式电子设备，该电压响应于从便携式电子设备接收的信号(86)以高于可再充电电池电压的电压偏移进行跟踪；及

外部充电器类型指示装置(130，135)，有效地连接到所述连接器(34，35)，以便向便携式电子设备指示所使用的外部电源的类型。

2．根据权利要求1的外部电源，其中所述电压控制电路(120)有一个电压控制特性，它以可再充电电池电压的约1／30至约1／2的电压偏移进行跟踪。

3．根据前述任一个权利要求的外部电源，其中所述电压控制电路(120)具有一个电压控制特性，它以约0．5伏至约3．0伏的电压偏移进行跟踪。

4．根据前述任一个权利要求的外部电源，其中所述外部充电器类型指示装置包括一个电阻(130)，有效连接到所述连接器(34，35)，以便向电子设备指示所使用的外部电源类型。

5．按照前述任一个权利要求的外部电源，进一步包括另一个连接器(150，150)，有效地连接以便从一个源向所述电源变换器(114，160)提供电源。

6．按照权利要求5的外部电源，其中所述另一个连接器包括一个香烟适配器(150)。

7．按照权利要求5的外部电源，其中所述另一个连接器包括一个电流线路墙上插头(140)。

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