CN107645185A - 充电装置及充电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种充电装置及充电系统。所述充电装置用以对储能元件进行充电。充电装置包含有主控制电路、连接界面、供电电路以及侦测电路。当储能元件与充电装置搭接时，连接界面耦接至温控元件两端。供电电路耦接至连接界面及主控制电路。侦测电路与连接界面耦接。当储能元件与充电装置搭接时，侦测电路将产生侦测信号，并且此侦测信号用以触发供电电路供应主工作电压至主控制电路。其中，当储能元件的温度超过门槛值时，温控元件使侦测电路不产生侦测信号，因此供电电路不供应主工作电压至主控制电路。通过本发明，充电装置在待机状态下的电力损耗可被最大限度的降低，且同时提供了电池过热保护功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种充电装置及充电系统，特别涉及一种低待机损耗的充电装置及充电系统。
背景技术
现代人已难以脱离电子产品，且对于各项电子产品的性能越趋要求，而在电子产品的使用上，电力则是最基本的需求。为了使产品的电池能持续重复使用，充电电池技术问世，而针对充电电池的充电装置也随之蓬勃发展。
当使用者欲对电池充电时，须将充电装置连接市电，通过充电装置将市电作稳压、变压等调整后才传入充电电池以充电。然而在未连接电池的情况下，只要充电装置与市电连接，电力即可进入充电装置的电路，并造成电力的损耗、浪费。因此，在充电装置未连接电池充电时，需要有一种待机机制来减少电力的损耗。传统上，充电装置通常通过系统输出开关控制信号来实现降低待机模式的消耗损失。
发明内容
本发明的目的在于提供一种充电装置及充电系统，可以最大限度的降低充电装置在待机状态下的电力损耗。
在本发明的一方面中提出一种充电装置。充电装置用以对储能元件进行充电。充电装置包含有主控制电路、连接界面、供电电路及侦测电路。当储能元件与充电装置搭接时，连接界面耦接至温控元件两端。供电电路耦接至连接界面及主控制电路。侦测电路与连接界面耦接，当储能元件与充电装置搭接时，侦测电路产生侦测信号，并且此侦测信号用以触发供电电路供应主工作电压至主控制电路。其中，当储能元件的温度超过门槛值时，温控元件使侦测电路不产生侦测信号，因此供电电路不供应主工作电压至主控制电路。
优选地，当储能元件与该充电装置搭接时，该供电电路供应待机电压至该温控元件的第一端，该侦测电路包含光耦合元件、开关元件以及侦测电阻元件。该供电电路耦接至该光耦合元件的第一端。该开关元件的第一端耦接至该光耦合元件的第二端，而该开关元件的控制端耦接至该温控元件的第二端。该侦测电阻元件的第一端耦接至该温控元件的第二端以及该开关元件的控制端。
优选地，该待机电压经由该侦测电阻元件与该温控元件分压产生分压电压，该分压电压导通该开关元件，使该光耦合元件产生侦测信号。
优选地，该侦测电路还包含稳压二极管。该稳压二极管耦接于该开关元件的控制端与接地端之间，当温度变化使该待机电压经由该侦测电阻元件与该温控元件分压所产生的分压电压超出该稳压二极管的崩溃电压电平时，该开关元件关断，该光耦合元件不产生侦测信号。
优选地，该温控元件为设置在邻近储能元件表面的外部热敏电阻或设置在储能元件内的内建热敏电阻。
在本发明的另一方面中提出一种充电系统。充电系统包含有储能元件及充电装置。储能元件包含温控元件。充电装置用以对储能元件进行充电，其包含有主控制电路、连接界面、供电电路和侦测电路。当储能元件与充电装置搭接时，连接界面耦接至温控元件两端。供电电路耦接至连接界面及主控制电路。侦测电路与连接界面耦接。当储能元件与充电装置搭接时，侦测电路产生侦测信号，并且此侦测信号用以触发供电电路供应主工作电压至主控制电路。其中，当储能元件的温度超过门槛值时，温控元件使侦测电路不产生侦测信号，因此供电电路不供应主工作电压至主控制电路。
优选地，当该储能元件与该充电装置搭接时，该供电电路供应待机电压至该温控元件的第一端，该侦测电路包含光耦合元件、开关元件及侦测电阻元件。该供电电路耦接至该光耦合元件的第一端。该开关元件的第一端耦接至该光耦合元件的第二端，该开关元件的控制端耦接至该温控元件的第二端。该侦测电阻元件的第一端耦接至该温控元件的第二端以及该开关元件的控制端。
优选地，该待机电压经由该侦测电阻元件与该温控元件分压产生分压电压，该分压电压导通该开关元件，使该光耦合元件产生侦测信号。
优选地，当该储能元件与该充电装置未搭接时，该开关元件关断，该光耦合元件不产生侦测信号。
优选地，该侦测电路还包含稳压二极管。该稳压二极管耦接于该开关元件的控制端与接地端之间，当温度变化使该待机电压经由该侦测电阻元件与该温控元件分压所产生的分压电压超出该稳压二极管的崩溃电压电平时，该开关元件关断，该光耦合元件不产生侦测信号。
与现有技术相比，本发明所提供的静电防护电路及方法具有如下优点：通过电池插拔动作来控制充电装置的主电路的启动时机，可最大限度的降低充电装置在待机状态下的电力损耗。此外，本发明也同时提供了电池过热及时保护功能，当电池工作温度超过安全温度范围时，将立即切断充电装置的输出电源，以防止充电装置继续对电池充电而造成危险。
附图说明
图1为本发明的一实施例的充电系统架构图。
图2为本发明的一实施例的充电系统部分电路架构图。
图3A为本发明的一实施例的充电系统部分电路架构图。
图3B为本发明的一实施例的充电系统部分电路的电路图。
图4为本发明的一实施例的充电系统部分电路架构图。
图5为本发明的一实施例的充电系统部分电路架构图。
图6为本发明的一实施例的充电系统部分电路的电路图。
具体实施方式
下文是举实施例配合附图方式作详细说明，但所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用来限定本发明，而结构操作的描述非用以限制其执行的顺序，任何由元件重新组合的结构，所产生具有均等功效的装置，皆为本发明揭示内容所涵盖的范围。此外，附图仅仅用以示意性地加以说明，并未依照其真实尺寸进行绘制。
在全篇说明书与权利要求所使用的用词(terms)，除有特别注明外，通常具有每个用词使用在此领域中、在此揭露的内容中与特殊内容中的平常意义。某些用以描述本发明的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本发明的描述上额外的引导。
其次，在本文中所使用的用词“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于此。
图1绘示本发明的一实施例的充电系统架构图。充电系统包含充电装置100及储能元件160。储能元件160为例如市面上常见的镍镉电池(NiCd)、镍氢电池(NiMH)、锂离子电池(Li-ion)及锂离子聚合物电池(Li-Poly)等各种充电电池(可重复充电、反复使用的化学能电池)。储能元件160包含有温控元件162，举例来说，储能元件160可以是具有负电阻温度系数(negative temperature coefficient,NTC)特性的热敏电阻，或是其它在不同温度下具有不同电子特性的材料。
一般来说，当周围温度增加时，具有负电阻温度系数的热敏电阻其电阻值即随之下降。因此，温控元件162可随着储能元件160的温度变化而改变部分元件参数，以达到特定目的，例如过热保护等。关于过热保护机制将在后文作详细说明。此外，应注意的是，虽在图1中，温控元件162绘在储能元件160中，然而在实际应用上，温控元件162也可在储能元件160外部表面上并而与储能元件160相邻，或是置于储能元件160相接近的其它位置。
充电装置100是用以对储能元件160进行充电。如图1所示，充电装置100包含了供电电路110、侦测电路120、触发电路130、连接界面140及主控制电路150。其中供电电路110电性耦接至电源、侦测电路120、触发电路130、连接界面140及主控制电路150。外部输入电源(例如市电或其它各种电力源)提供输入电压Vin至供电电路110。供电电路110用以转换输入电压Vin并提供待机电压VSTB至侦侧电路120、提供辅助电压VAUX至触发电路130并选择性地提供主工作电压VH至主控制电路150。
在此实施例中，当充电装置100处于待机状态下，也就是当充电装置100已连接到外部输入电源但充电装置100未与储能元件160搭接时，供电电路110用以转换输入电压Vin以提供待机电压VSTB及辅助电压VAUX。
侦测电路120用以侦测充电装置100是否与储能元件160搭接。当充电装置100与储能元件160搭接后，充电装置100由待机状态切换至启动状态。根据侦测电路120提供的侦测信号，触发电路130触发供电电路110提供主工作电压VH至主控制电路150。
侦测电路120与触发电路130之间的侦测信号的传送可通过例如光耦合器(optical coupler)来达成，光耦合器又称为光电隔离器(optical isolator)。在部分实施例中，光耦合器是由光发射器及光侦测器两部分构成，光发射器用以将输入的数位信号转换成光束，并发送至光侦测器，光侦测器可以将接受到的光束转换回另一个数位信号。光发射器及光侦测器之间通过光束收发，可以使光侦测器的数位信号与光侦测器的数位信号在信号内容上相对应(例如同时启动、同时关断等)，但在电性参数上彼此隔离(例如具有不同的电压电平、不同的电流大小等)。
侦测电路120分别连接至连接界面140的端点d1与d2，供电电路110连接至连接界面140的端点d1。当储能元件160与充电装置100搭接时，连接界面140的端点d1与d2分别耦接储能元件160的温控元件162的两端。当储能元件160与充电装置100搭接时，主控制电路150用以产生输出电压Vout，并对储能元件160进行充电。
关于供电电路110、侦测电路120、触发电路130、连接界面140及主控制电路150的详细架构及运作原理，将分别在下文中辅助图2至图5作进一步说明。图2绘示本发明的一实施例的充电装置100中供电电路110架构图。在图2中，供电电路110连接至外部输入电源(例如市电插座或其它交流电力来源)，外部输入电源提供输入电压Vin给供电电路110。供电电路110中包含桥式整流器112电路及功率因数校正电路(power factor correction,PFC)114。桥式整流器112可为任何类型的电桥，依实际运用作改变，在本文中并不作限定。
当输入电压Vin经桥式整流器112进行整流后，将供电给功率因数校正电路114。在充电装置100处于待机状态时，桥式整流器112及功率因数校正电路114的输出通过变压器116在变压器116的二次侧产生待机电压VSTB，桥式整流器112及功率因数校正电路114的输出在变压器116的一次侧产生辅助电压VAUX。当充电装置100由待机状态时切换至启动状态后，功率因数校正电路114(或供电电路110)将提供主工作电压VH至主控制电路150。
应注意的是，触发电路130的触发信号VTRI是响应侦测电路120在连接上储能元件160时产生的侦测信号。当充电装置并未连接储能元件160时，侦测电路120并不会产生侦测信号，而触发电路130也不会产生触发信号VTRI。而功率因数校正电路114因没有接收到来自触发电路130的触发信号VTRI，将不会产生主工作电压VH，故主控制电路150将不会提供输出电压Vout。简单来说，充电装置在未连接储能元件160时，仅产生待机电压VSTB及辅助电压VAUX。因此，将不会造成不必要或不期望的电力损耗。
承上实施例，关于侦测电路120的详细说明请见图3A、图3B。图3A绘示本发明的一实施例的充电装置100中侦侧电路120架构图。侦侧电路120具有光耦合元件的光发射器122、第一开关元件124和侦测电阻元件126，此外，侦侧电路120也可选择性加装电容C1。其中，光发射器122与第一开关元件124的一端相连接，而第一开关元件124的另一端与侦测电阻元件126及电容C相连接。侦侧电路120接收来自供电电路110提供的待机电压VSTB。
图3B绘示图3A的侦侧电路120电路图、以及其与周边元件的连接关系。图3B中，第一开关元件124为晶体管元件，在此实施例中使用例如场效晶体管，具有源极、栅极和漏极，但本发明并不以此为限，实际应用中，第一开关元件124也可替换为其它具相等性的晶体管开关，如双极性晶体管开关、三极管开关或其它开关元件。侦测电阻元件126及电容C1并联，并共同连接至第一开关元件124的栅极。侦侧电路120分别连接到连接界面140的端点d1、d2处。连接界面140的端点d1、d2分别连接储能元件160的温控元件162的两端。
参照图3B，假设连接界面140的端点d1、d2未连接储能元件160的温控元件162时，端点d1与d2处之间为断路，端点d2为浮接，此时第一开关元件124的栅极通过侦测电阻元件126接地，也就是说，栅极的电平为低电平，将第一开关元件124关断(off)。第一开关元件124关断，则没有电流通过光发射器122，故光发射器122不作用。另一方面，当充电装置100接上储能元件160时，连接界面140将连接到储能元件160的温控元件162的两端，也就是说，温控元件162的两端通过连接界面140与侦侧电路120相连。
如图3B所示，在接上温控元件162的情况下，待机电压VSTB将传送至侦侧电路120的端点d1以及温控元件162。待机电压VSTB在温控元件162与侦测电阻元件126之间(端点d2)进行分压，在端点d2上产生分压电平Vd2。理想情况下，分压电平Vd2的大小约为：
其中R126为侦测电阻元件126的固定电阻值，R162为温控元件162的电阻值。须补充的是，温控元件162的电阻值R162将随温度改变而动态变化。
在本发明中，电阻126设置为适当电阻值大小，在正常的温度范围内(也就是储能元件160尚未过热的情况下)，温控元件162与侦测电阻元件126所形成的分压电平Vd2须设置高于第一开关元件124的门槛电压(threshold voltage,Vth)，也就是说，当充电装置100接上储能元件160时时，分压电平Vd2使第一开关元件124导通。因第一开关元件124导通，待机电压VSTB形成的电流通过光发射器122，以产生侦测信号(例如光束信号)，其代表侦测到储能元件160已接上充电装置100。
图4绘示本发明的一实施例的充电装置100中触发电路130的电路架构图。触发电路130具有光耦合元件的光侦测器132及第二开关元件134，触发电路130与供电电路110连接以接收辅助电压VAUX。第二开关元件134可例如为双极性晶体管/三极管，实际应用中，第二开关元件134也可替换为其它具相等性的晶体管开关，如场效晶体管开关或其它开关元件。光侦测器132是用以接收上述光发射器122发出的侦测信号。
当充电装置未与储能元件160连接时，光侦测器132因没有接收到光发射器122发出的侦测信号不导通，触发电路130不作用。而当充电装置接上储能元件160时，光侦测器132将接收到光发射器122发出的侦测信号而导通。此时，辅助电压VAUX将可通过光侦测器132，并进一步使得第二开关元件134导通(on)，辅助电压VAUX则可通过第二开关元件134以产生触发电压VTRI。触发电压VTRI触发供电电路110的功率因数校正电路114，使功率因数校正电路114输出主工作电压VH。
图5绘示本发明的一实施例的充电装置100中主控制电路150的电路架构图。主控制电路150包含谐振电路152与变压单元154，主控制电路150接收主工作电压VH，如图5所示。当供电电路110中的功率因数校正电路114受到触发时，将输出主工作电压VH至主控制电路150的谐振电路152。而谐振电路152接着将主工作电压VH输送至变压单元154进行变压。此外，也可视实际情况需要，增设整流元件156至主控制电路150中，借以将经变压单元154变压后的电压作进一步的整流后，产生输出电压Vout。输出电压Vout则可对储能元件160进行充电。
通过上述内容可知，充电装置100可自动判断储能元件160是否已接上，并基于储能元件160的连接与否来决定是否进一步转换电源来提供充电电压(输出电压Vout)。因为在连接储能元件160元件之前，充电装置处在待机状态，而不需要先行将电源转换来产生输出电压，因此，本发明实现了使用类似在USB装置的热插拔概念来降低充电装置的待机损耗的技术。
在本发明的另一实施例中，可在侦测电路120中进一步增设稳压二极管128，如图6所示。图6绘示本发明的一实施例的充电装置100中侦侧电路120电路图。稳压二极管128可例如为齐纳二极管(Zener diode)，稳压二极管128具有逆向崩溃电压。当稳压二极管128两端的逆压压差未超过逆向崩溃电压时，稳压二极管128两端视为断路，当稳压二极管128两端的逆压压差超过其逆向崩溃电压时，稳压二极管128将导通。稳压二极管128亦与侦测电阻元件126并联，并连接至第一开关元件124的栅极。在此实施例中，稳压二极管128的逆向崩溃电压高于第一开关元件124的门槛电压(Vth)。
在充电装置接有储能元件160时，连接界面140与储能元件160的温控元件162相连接。在一般情况下，如同前述，待机电压VSTB被输入至侦侧电路120的端点d1以及温控元件162。待机电压VSTB在温控元件162与侦测电阻元件126的间(端点d2)进行分压，在端点d2上产生分压电平Vd2。理想情况下，分压电平Vd2的大小约为：
其中R126为侦测电阻元件126的固定电阻值，R162为温控元件162的电阻值。温控元件162的电阻值R162将随温度改变而动态变化。当储能元件160的温度在正常范围(尚未过热时)下，分压电平Vd2高于第一开关元件124的门槛电压(Vth)，但尚未到达稳压二极管128的逆向崩溃电压，使得第一开关元件124导通并使得光发射器122产生侦测信号。因此，充电装置100能正常运作并充电储能元件160。
然而，当储能元件160温度上升时，温控元件162因具有NTC热敏电阻的特性，电阻值R162随着储能元件160温度的升高而降低。因温控元件162的电阻值R162降低，分压电平Vd2将持续上升。而当储能元件160的温度过高，使得分压电平Vd2大于稳压二极管128的逆向崩溃电压时，稳压二极管128将被导通，使端点d2(第一开关元件124的栅极)通过稳压二极管128接地。此时，第一开关元件124将关断。
因第一开关元件124关断，光发射器122不作用，触发电路130停止触发供电电路110供应主工作电压VH至主控制电路150，则输出电压Vout停止(充电停止)。因此，利用温控元件162及稳压二极管128的特性，充电装置100可具有过热保护的功能。
通过本发明技术的揭示，充电系统可大幅度地降低充电装置100在待机时所造成的电力损耗。此外，充电系统在实现低待机损耗的同时，还能提供电池(如储能元件160)过热时的保护机制，使得产品使用上更加安全。
虽然本发明的实施例已公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的改动与润饰，因此本发明的保护范围当以权利要求所界定的为准。
Claims (10)
1.一种充电装置，用以对储能元件进行充电，其特征在于，所述充电装置包含：
主控制电路；
连接界面，当储能元件与所述充电装置搭接时，所述连接界面耦接至温控元件的两端；
供电电路，耦接至所述连接界面及所述主控制电路；以及
侦测电路，与所述连接界面耦接，当储能元件与所述充电装置搭接时，所述侦测电路产生侦测信号，并且所述侦测信号用以触发所述供电电路供应主工作电压至所述主控制电路，其中，当储能元件的温度超过门槛值时，所述温控元件使所述侦测电路不产生侦测信号，所述供电电路不供应所述主工作电压至所述主控制电路。
2.根据权利要求1所述的充电装置，其特征在于，当储能元件与所述充电装置搭接时，所述供电电路供应待机电压至所述温控元件的第一端，所述侦测电路包含：
光耦合元件，所述供电电路耦接至所述光耦合元件的第一端；
开关元件，所述开关元件的第一端耦接至所述光耦合元件的第二端，所述开关元件的控制端耦接至所述温控元件的第二端；以及
侦测电阻元件，所述侦测电阻元件的第一端耦接至所述温控元件的第二端以及所述开关元件的控制端。
3.根据权利要求2所述的充电装置，其特征在于，所述待机电压经由所述侦测电阻元件与所述温控元件分压产生分压电压，所述分压电压导通所述开关元件，使所述光耦合元件产生侦测信号。
4.根据权利要求2所述的充电装置，其特征在于，所述侦测电路还包含：
稳压二极管，耦接于所述开关元件的控制端与接地端之间，当温度变化使所述待机电压经由所述侦测电阻元件与所述温控元件分压所产生的分压电压超出所述稳压二极管的崩溃电压电平时，所述开关元件关断，所述光耦合元件不产生所述侦测信号。
5.根据权利要求1所述的充电装置，其特征在于，所述温控元件为设置在邻近储能元件表面的外部热敏电阻或设置在储能元件内的内建热敏电阻。
6.一种充电系统，其特征在于，包含：
储能元件，包含温控元件；以及
充电装置，用以对所述储能元件进行充电，所述充电装置包含：
主控制电路；
连接界面，当所述储能元件与所述充电装置搭接时，所述连接界面耦接至所述温控元件两端；
供电电路，耦接至所述连接界面及所述主控制电路；以及
侦测电路，与所述连接界面耦接，当所述储能元件与所述充电装置搭接时，所述侦测电路产生侦测信号，并且所述侦测信号用以触发所述供电电路供应主工作电压至所述主控制电路，其中，当所述储能元件的温度超过门槛值时，所述温控元件使所述侦测电路不产生侦测信号，所述供电电路不供应主工作电压至所述主控制电路。
7.根据权利要求6所述的充电系统，其特征在于，当所述储能元件与所述充电装置搭接时，所述供电电路供应待机电压至所述温控元件的第一端，所述侦测电路包含：
光耦合元件，所述供电电路耦接至所述光耦合元件的第一端；
开关元件，所述开关元件的第一端耦接至所述光耦合元件的第二端，所述开关元件的控制端耦接至所述温控元件的第二端；以及
侦测电阻元件，所述侦测电阻元件的第一端耦接至所述温控元件的第二端以及所述开关元件的控制端。
8.根据权利要求7所述的充电系统，其特征在于，所述待机电压经由所述侦测电阻元件与所述温控元件分压产生分压电压，所述分压电压导通所述开关元件，使所述光耦合元件产生所述侦测信号。
9.根据权利要求7所述的充电系统，其特征在于，当所述储能元件与所述充电装置未搭接时，所述开关元件关断，所述光耦合元件不产生所述侦测信号。
10.根据权利要求7所述的充电系统，其特征在于，所述侦测电路还包含：
稳压二极管，耦接于所述开关元件的控制端与接地端之间，当温度变化使所述待机电压经由所述侦测电阻元件与所述温控元件分压所产生的分压电压超出所述稳压二极管的崩溃电压电平时，所述开关元件关断，所述光耦合元件不产生所述侦测信号。
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