CN110050400A - 电池充电系统 - Google Patents

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Abstract

提出了一种充电系统，包括：开关控制电路，耦接到四个串联耦接的MOSFET晶体管；飞跨电容器，跨越所述四个串联耦接的MOSFET晶体管中的两个MOSFET晶体管被耦接；以及位于所述四个串联耦接的晶体管中的所述两个晶体管之间的节点，所述节点耦接到输出电感器以形成降压调节器。充电系统的实施例可以具有提高的效率，可以减小输出电感器的尺寸和电感，并且可以用低电压工艺来生产。

Description

电池充电系统
刘锐、古斯塔夫·詹姆士·梅哈斯、赵立杰、朴太光和郭植童
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年11月30日提交的美国发明专利申请No.15/828,158和全部于2016年12月1日提交的美国临时申请No.62/428,737、No.62/429,056和No.62/429,058的优先权，出于所有目的通过引用将其内容整体并入本文。
技术领域
本发明的实施例涉及充电系统，并且具体涉及电池充电系统。
背景技术
对使用包括电池充电的移动设备的需求不断增加。期望设备(特别是移动设备)的电池充电是快速且有效的。大多数电池充电包括两个串联耦接的晶体管，这两个晶体管被配置为形成降压调节器，其中这两个晶体管由控制电路驱动以用作开关充电器。然而，为了保持降压调节器中的电感器的尺寸小并且电感器的DC电阻(DCR)低，串联耦接的晶体管通常以高频率(2至4MHz)被切换。
为了满足快速充电要求(例如，电池充电电流为3A或更高)，总线电压通常增加到9V、12V或更高，以满足通用串行总线(USB)微型连接器的VBUS引脚电流要求。然而，较高的VBUS电压在高开关频率下产生更多的开关损耗，开关损耗与两个串联耦接的晶体管两端的电压成比例。使用更高的VBUS电压还可以增加输出电感器的纹波电流，并且更高的电压处理需要更大的组件，从而增加了管芯尺寸并导致更高的成本。此外，增加的晶体管尺寸可以减少传导损耗，但增加开关损耗。
因此，需要开发更好、更高效的电池充电系统。
发明内容
根据本发明的各个方面，一种充电系统包括：第一晶体管，被耦接为接收总线电压；第二晶体管，与所述第一晶体管串联耦接；第三晶体管，与所述第一晶体管和所述第二晶体管串联耦接；第四晶体管，被耦接在地与所述第三晶体管之间；开关控制电路，被耦接为控制第一晶体管的栅极、所述第二晶体管的栅极、所述第三晶体管的栅极和所述第四晶体管的栅极；以及飞跨电容器(flying capacitor)，跨越所述第二晶体管和所述第四晶体被耦接；其中，所述第二晶体管与所述第四晶体管之间的节点被配置为耦接到输出电感器，以在所述开关控制电路对所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管和所述第四晶体管进行切换时提供系统电压。
根据一些实施例的充电的方法包括：在四个串联耦接的晶体管两端接收总线电压；驱动所述四个串联耦接的晶体管中的两个晶体管的栅极，以对跨越所述四个串联耦接晶体管中的两个晶体管耦接的飞跨电容器进行充电；以及驱动所述四个串联耦接的晶体管中具有能够与输出电感器耦接的节点的两个晶体管的栅极，以提供系统电压。
以下参照附图进一步讨论这些及其他实施例。
附图说明
图1示出了传统的电池充电系统。
图2示出了根据本发明一些实施例的电池充电系统。
具体实施方式
在下面的描述中，阐述了描述本发明的一些实施例的具体细节。然而，对于本领域技术人员显然的是，可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实践一些实施例。本文公开的具体实施例意在说明而不是限制性的。本领域技术人员可以实现本公开的范围和精神内的其它元件，尽管这里没有具体描述。
说明本发明方案和实施例的描述和附图不应被理解为进行限制——由权利要求限定所保护的发明。在不脱离本描述和权利要求的精神和范围的情况下，可以进行各种改变。在一些情况下，为了不使本发明变得模糊，没有详细地示出或描述已知的结构和技术。
参考一个实施例详细描述的元件及其相关联的方面可以在实际可行的情况下被包括在未具体示出或描述这些元件及其相关联的方面的其他实施例中。例如，如果一个元件是参考一个实施例详细描述的，并且没有参考第二实施例进行描述，然而该元件可以被声明为被包含在第二实施例中。
图1示出了传统的充电系统100。充电系统100包括开关充电控制电路110，其被耦接为驱动晶体管130(Q1)的栅极、晶体管132(Q2)的栅极和晶体管134(Q3)的栅极。晶体管130(Q1)是电池反向阻断晶体管，并且当存在外部电压VBus时由控制器110闭合，而当不存在VBus时断开。
晶体管132(Q2)和晶体管134(Q3)串联耦接在阻断晶体管130与地之间。晶体管132与晶体管134之间的节点耦接到电感器120，其中电感器120与输出电容器136串联。晶体管132、134和电感器120形成降压调节器，其中该降压调节器用作开关充电器。系统电压由电感器120提供，并可以用于为外部系统供电。此外，系统电压耦接到开关晶体管122以提供或接收来自电池组150的电力。栅极耦接到电力路径控制电路140的晶体管122(Q4)是控制到电池组150的电力路径的电池开关。晶体管130、132、134和122中的每一个晶体管可以是MOSFET晶体管。
控制电路110接收输入VBUS、IBatt、VBatt和TBatt。电压VBUS是来自外部电源的输入DC电压。电压VBUS通过阻断晶体管131连接到串联耦接的晶体管132和134的高电压侧。输入IBatt指示流入或流出电池组150的电流，并且利用电流传感器126测量，其中电流传感器126被耦接为通过晶体管122测量来自电池组150的电池152的电流。电压VBatt由电压传感器128确定，其中电压传感器128跨越电池组150耦接以指示电池电压。温度信号TBatt是从电池组150中的温度监测器154接收的。
控制电路110相应地驱动开关晶体管132的栅极和开关晶体管134的栅极，以提供电力来与电感器120和电容器136用作降压调节器。然后，来自电感器120的电压可以通过晶体管122耦接到电池组150，以对电池组150的电池152进行充电。晶体管122的栅极耦接到电力路径控制电路124，其中电力路径控制电路124根据电池温度TBatt、电流IBatt和电池电压VBatt来控制电力路径，以便根据需要对电池组150进行充电或放电。
系统100对操作提出了多个挑战。在一些实施例中，晶体管132(Q2)和133(Q3)需要以高频(2至4MHz)进行切换。高频切换使电感器120的电感保持较低(例如，在一些应用中为0.47μH)，以降低电感器120的直流电阻(DCR)值，以便在物理上使电感器120保持较小，并且保持电感器120和电容器136的操作的良好效率。然而，高开关频率增加了开关损耗，从而抵消了来自电感器120的低DCR的效率增益中的至少一些。
此外，为了满足当前的快速充电要求，需要增加总线电压VBUS。这些增加的总线电压还满足USB微型连接器的VBUS引脚电流要求。例如，3A或更高的电池充电电流可以需要9V至12V的VBUS电压以满足这些要求。然而，较高的VBUS电压在高开关频率下产生更多的开关损耗，因为开关损耗与晶体管132(Q2)和134(Q3)两端的电压(即，VBUS电压)成比例。高VBUS电压还可以增加电感器120的纹波电流，从而在系统电压VSYS处提供更多纹波电压。为了降低VSYS的纹波电压，应当在保持电感器120的电感相同的同时增加开关频率，这进一步增加了开关损耗并降低了系统100的效率。
另外，较高的VBUS电压要求需要高电压工艺，该工艺要求电路的元件更大。为了满足效率要求，这导致更大的管芯尺寸并导致更高的生产成本。虽然增加的MOSFET尺寸(降低电阻式Rdson值)可以减小传导损耗，但是更大的尺寸进一步增加了开关损耗。因此，在减小MOSFET传导损耗方面存在限制，以在系统100中实现更高的效率。
本发明的实施例提供了改进如图1所示的开关充电系统100的方法。具体地，在提供以较低频率进行切换的同时，需要提供在电感和物理尺寸两方面均较小的输出电感器。这将进一步降低DCR，以便提高系统效率并降低纹波电流，从而满足系统电压VSYS的纹波电压要求。
根据本发明的实施例提供了一种新的开关充电拓扑结构，以实现更低的开关频率而不导致以大尺寸的电感器为代价。开关拓扑结构还降低开关损耗，从而提高了系统效率。此外，新的开关拓扑结构使得能够使用较低的电压工艺来处理高输入电压，并且进一步减小管芯尺寸和制造充电器的管芯成本。此外，新的拓扑结构可以在保持VBUS电流在微USB的电流限制(1.8A)或C型连接器的电流限制(2.5A)以下的同时实现更快的充电电流(例如3A或更高)。此外，我们可以增加晶体管尺寸(导致小的Rdson值)，以进一步降低晶体管传导损耗而不以增加开关损耗为代价。
图2示出了根据本发明的一些实施例的开关充电系统200。如图2所示，开关充电器控制电路210耦接到串联耦接的晶体管230(Q2)、232(Q3)、234(Q4)和236(Q5)的栅极。此外，跨越一对串联耦接的晶体管232(Q3)和234(Q4)提供电容器240(CFLY)。在晶体管232与234之间的节点处耦接的输出电感器220现在可以小于图1中所示的输出电感器120(在物理尺寸和电感两方面)。串联耦接的晶体管230、232、234和236可以被单独驱动，以使系统200以任何占空比(例如，从1％变化到99％)无缝地操作。
在正常操作期间串联耦接的晶体管232(Q3)和234(Q4)两端的电压可以是VBUS上的输入电压的一半，这是由于引入了跨越晶体管232(Q3)和234(Q4)设置的电容器240(CFLY)。因此，在相同的开关频率下，晶体管230、232、234和236中的每一个晶体管的开关损耗仅为图1中所示的系统100的开关损耗的四分之一。即使在串联晶体管中现在存在四个MOSFET 230、232、234和236，当以相同频率切换时，总开关损耗也是系统100的总开关损耗的一半。系统200还使低电压工艺能够与高VBUS电压(VBUS/2)一起使用，因为晶体管232和234在总线电压的一半上进行切换。
此外，在正常操作期间电感器220两端的电压小于图1中的电感器120的电压的一半。因此，在相同的开关频率和相同的VBUS电压下，电感器220的电感器值可以小于图1的电感器120的电感器值的一半。如图2所示，通过更小的电感和更小的DCR使电感器220更小，在系统100的效率上进一步提高了系统200的效率。如果可以基于VSYS值调整VBUS电压(例如，使用USB PD)以保持VBUS等于VSYS的两倍，则可以进一步减小电感器220的电感。另外，电感器220的电感可以与电感器120的电感相同，并且可以减小开关频率。这进一步导致系统效率提高。
因此，本发明的一些实施例包括串联耦接的开关晶体管230(Q2)、232(Q3)、234(Q4)和236(Q5)，其中飞跨电容器240 CFLY耦接在晶体管232(Q3)与234(Q4)之间。通过电感结合输出电感器220并且被切换使得根据VSYS来调整VBUS电压以保持VBUS等于或接近VSYS的两倍(这减小了输出电感器220的尺寸和电感)的这种布置降低开关频率以提高系统效率，并使得能够使用较低的电压过程来满足较高的VBUS电压。此外，由于较低的电压，管芯尺寸和成本得到降低。
如图2所示，晶体管230和晶体管236被操作以对飞跨电容器240进行充电，而晶体管232和234被操作为开关电容器以驱动用电感器220形成的降压调节器。在一些实施例中，可以采用用于四个晶体管230、232、234和236(Q2到Q5)的有效驱动方案来单独驱动每个MOSFET，以使系统200针对从1％变化到99％的占空比无缝地操作。另外，系统200包括最小外部自举电容器(仅在图2中所示的示例系统200中示出两个，即，旁路电路上的CBYP和总线电压电容器CIN)。另外，系统200可以将VBUS电压控制为VSYS电压的两倍，以实现最佳效率。此外，可以改变飞跨电容器两端的电压以满足最佳线路和负载瞬变要求。
提供以上详细描述是为了说明本发明的具体实施例，而不是旨在限制。在本发明的范围内的许多变化和修改是可能的。本发明在所附权利要求中阐述。

Claims (14)

1.一种充电系统，包括：
第一晶体管，被耦接为接收总线电压；
第二晶体管，与所述第一晶体管串联耦接；
第三晶体管，与所述第一晶体管和所述第二晶体管串联耦接；
第四晶体管，被耦接在地与所述第三晶体管之间；
开关控制电路，被耦接为控制所述第一晶体管的栅极、所述第二晶体管的栅极、所述第三晶体管的栅极和所述第四晶体管的栅极；以及
飞跨电容器，跨越所述第二晶体管和所述第四晶体管被耦接；
其中，所述第二晶体管与所述第四晶体管之间的节点被配置为耦接到输出电感器，以在所述开关控制电路对所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管和所述第四晶体管进行切换时提供系统电压。
2.根据权利要求1所述的充电电路，其中，总线开关晶体管被耦接在所述第一晶体管与所述总线电压之间。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统电压通过电力路径开关晶体管耦接到电池组。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，电力路径开关晶体管耦接到电力路径控制器。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述输出电感器被布置成使得所述总线电压是所述系统电压的两倍。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一晶体管和所述第四晶体管由所述控制电路操作，使得所述飞跨电容器两端的电压根据线路和负载瞬变而变化。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二晶体管和所述第三晶体管以1％与99％之间的占空比进行操作。
8.一种充电的方法，包括：
在四个串联耦接的晶体管两端接收总线电压；
驱动所述四个串联耦接的晶体管中的两个晶体管的栅极，以对跨越所述四个串联耦接晶体管中的两个晶体管耦接的飞跨电容器进行充电；以及
驱动所述四个串联耦接的晶体管中具有能够与输出电感器耦接的节点的两个晶体管的栅极，以提供系统电压。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括激活耦接在所述总线电压与所述四个串联耦接的晶体管之间的晶体管。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述系统电压被耦接为对电池组进行充电。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括激活耦接在所述系统电压与所述电池组之间的开关晶体管。
12.根据权利要求8所述的方法，其中，所述总线电压是所述系统电压的两倍。
13.根据权利要求8所述的方法，其中，根据线路和负载瞬变对所述飞跨电容器进行充电。
14.根据权利要求8所述的方法，其中，驱动所述四个串联耦接的晶体管中具有节点的两个晶体管的栅极包括：以1％与99％之间的占空比来驱动所述栅极。
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