CN111917147A - 充电电路与充电控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种充电电路与充电控制方法，用以提供充电电源而对电池电路充电。充电电路包含转换开关电路、至少一电容与转换控制电路。转换开关电路耦接于充电电源与接地电位之间，包括多个串联的转换开关，且转换开关电路具有多个电池电压平衡节点，电连接至电池电路，使每一电池的阳极与阴极，对应电连接至多个电池电压平衡节点。转换控制电路与转换开关电路耦接，用以提供多个转换开关操作信号给转换开关电路，以分别对应操作多个转换开关，而使电容周期性地与电池电路中的每一电池并联，以平衡每一电池的电池跨压。

Description

充电电路与充电控制方法
技术领域
本发明涉及一种充电电路与充电控制方法，特别是指一种在串联电池中，具有平衡每一电池的电池跨压功能的充电电路与充电控制方法。
背景技术
与本申请相关的在前申请有：“A 50MHz 5V 3W 90％Efficiency3-Level BuckConverter with Real-Time Calibration,Xun Liu et.al,2016Symposium on VLSICircuits Digest of Technical Papers”，“Analysis and Design Considerations ofIntegrated 3-Level Buck Converters,Xun Liu et.al,,IEEE TRANSACTIONS ONCIRCUITS AND SYSTEMS Vol.63,No.5,May 2016”以及“Constant ON-Time 3-Level BuckConverter for LowPower Applications,Brian M.Cassidy et.al,IEEE,2015”。
图1揭示一种现有技术的充电电路(充电电路1)，其包含一具有直接充电能力的电源适配器(adaptor)11，电源适配器11可提供直流电流或直流电压，直接经由一缆线20(例如USB缆线)以及一负载开关40(load switch)对一电池电路50进行恒定电流(CC,constantcurrent)或恒定电压(CV,constant voltage)充电，其中直流电流与充电电流ICHG大致上相等。其中，电池电路50包含串联的电池51与电池52。
图1中所示的现有技术，具有至少如下述的缺点。由于电池51与电池52在实际的应用上，往往会有彼此电池跨压不同的情况；在此情况下，由于充电电路1仅根据充电电压VCHG，也就是电池51与电池52电池跨压的总和，决定是否完成充电程序，因此造成电池51与电池52个别的过度充电或充电不足的情形。
有鉴于此，本发明提出一种能够在串联电池中，平衡每一电池的电池跨压的充电电路与充电控制方法。
发明内容
就其中一个观点言，本发明提供了一种充电电路，用以提供一充电电源以对一电池电路充电，其中该电池电路包括多个串联电池，该充电电路包含：一转换开关电路，耦接于该充电电源与一接地电位之间，该转换开关电路包括多个串联的转换开关，且该转换开关电路具有多个电池电压平衡节点，电连接至该电池电路，使每一电池的阳极与阴极，对应电连接至该多个电池电压平衡节点；至少一电容，与该转换开关电路耦接；以及一转换控制电路，与该转换开关电路耦接，用以提供多个转换开关操作信号给该转换开关电路，以分别对应操作该多个转换开关，而使该电容周期性地与该电池电路中的每一电池并联，以平衡每一电池的一电池跨压。
在一较佳实施例中，该充电电路还包含一电源发送单元，与该转换开关电路耦接，用以将一电源转换为一输入电源，使该充电电路将该输入电源转换为该充电电源。
在一较佳实施例中，该充电电路还包含一缆线，用以耦接该电源发送单元与该转换开关电路，其中该缆线是符合通用串行总线规范或通用串行总线供电规范的缆线，该缆线包括一电源线与一信号线，其中该电源线用以耦接该电源，该信号线用以传送该电源相关信号。
在一较佳实施例中，该转换控制电路还于该电池电路供应一电池电源给一负载电路时，提供该多个转换开关操作信号给该转换开关电路，以分别对应操作该多个转换开关，而使该电容周期性地与该电池电路中的每一电池并联，以平衡每一电池的该电池跨压。
在一较佳实施例中，该充电电路还包含一电源回路晶体管，耦接于该电池电路与该负载电路之间，以控制该电池电源。
在一较佳实施例中，该充电电路还包括至少一反向阻断开关电路(reverseblocking switch circuit)，与该转换开关电路串联耦接，用以阻断流经该转换开关的本体二极管的寄生本体电流(parasitic body current)，其中该反向阻断开关电路具有至少一反向阻断开关，该反向阻断开关具有一本体二极管，其中该至少一反向阻断开关的本体二极管与至少一该转换开关的本体二极管反向耦接。
就另一个观点言，本发明也提供了一种充电控制方法，用以提供一充电电源以对一电池电路充电，其中该电池电路包括多个串联电池，该充电控制方法包含：提供一转换开关电路，耦接于该充电电源与一接地电位之间，该转换开关电路包括多个串联的转换开关，且该转换开关电路具有多个电池电压平衡节点，电连接至该电池电路，使每一电池的阳极与阴极，对应电连接至该多个电池电压平衡节点；提供至少一电容，与该转换开关电路耦接；以及提供多个转换开关操作信号给该转换开关电路，以分别对应操作该多个转换开关，而使该电容周期性地与该电池电路中的每一电池并联，以平衡每一电池的一电池跨压。
以下通过具体实施例详加说明，应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显示一种现有技术充电电路的示意图。
图2显示本发明的充电电路的一实施例示意图。
图3显示本发明的充电电路的另一个实施例示意图。
图4显示本发明的充电电路的另一个实施例示意图。
图5显示本发明的充电电路的另一个实施例示意图。
图6显示本发明的充电电路的另一个实施例示意图。
图7显示本发明的充电电路的另一个实施例示意图。
图8显示本发明的充电电路中，电源回路晶体管的一实施例示意图。
具体实施方式
本发明中的附图均属示意，主要意在表示各电路间的耦接关系，以及各信号波形之间的关系，至于电路、信号波形与频率则并未依照比例绘制。
请参阅图2，图中所示为本发明的充电电路的一种实施例(充电电路2)，充电电路2用以提供一充电电源而对电池电路50充电，其中电池电路50包括串联的电池51与电池52。输入电源PI具有输入电压VIN以及输入电流IIN，用以供应给充电电路2。而充电电源PCHG则包括充电电压VCHG以及充电电流ICHG。充电电路2包含电源转换电路30，其中包括转换开关电路31、转换控制电路32以及电容33。
请继续参阅图2，转换开关电路31耦接于充电电压VCH与接地电位GND之间。转换开关电路31包括多个串联的转换开关SW1、SW2、SW3与SW4。转换开关电路31具有多个电池电压平衡节点NB1、NB2与NB3，电连接至电池电路50。如图所示，电池51的阳极(+)与阴极(-)，分别对应电连接至电池电压平衡节点NB1与NB2；电池52的阳极(+)与阴极(-)，分别对应电连接至电池电压平衡节点NB2与NB3。其中，根据本发明，充电电路2包含至少一电容33，与转换开关电路31耦接。转换控制电路32与转换开关电路31耦接，用以分别提供多个转换开关操作信号CP1、CP2、CP3与CP4给转换开关电路31，以分别对应操作多个转换开关SW1、SW2、SW3与SW4，而使电容33周期性地与电池电路50中的每一电池(在本实施例中为电池51与电池52)并联，以平衡每一电池的电池跨压。当然，充电电路2也可以包含多个电容33，只要使多个电容33周期性地与电池电路50中的每一电池并联，以平衡每一电池的电池跨压即可，至于每一电容与每一电池在每个时间点的电连接关系，则可以有各种不同的变化，此非本发明重点，在此不与赘述。
需说明的是：因电路零件的本身的寄生效应或是零件间相互的匹配不一定为理想，因此，虽然欲使电池电路50中的每一电池的电池跨压大致上相等，但实际每个电池的电池跨压可能并不是准确的相等，而仅是接近相等，此即“平衡每一电池的电池跨压”之意。此外值得注意的是，本发明的充电电路，不仅可于充电时平衡每个电池的电池跨压，还于电池电路50供应电池电源PB(包括电池电压VB与电池电流IB)给负载电路70时，提供多个转换开关操作信号CP1、CP2、CP3与CP4给转换开关电路31，以分别对应操作多个转换开关SW1、SW2、SW3与SW4，而使电容33周期性地与电池电路50中的每一电池(在本实施例中为电池51与电池52)并联，以平衡每一电池的电池跨压。
请参阅图3，显示本发明的充电电路的另一个实施例(充电电路3)示意图。相较于本发明的充电电路2，本实施例中的充电电路3还包含一电源发送单元10，用以将另一电源PX(包括电压VX与电流IX)转换为输入电源(包括输入电压VIN与输入电流IIN)。所述电源发送单元10例如为一电源适配器，将交流形式的电源(对应于电源PX)转换为前述的输入电源PI；电源发送单元10或可为一直流直流转换电路，将来自例如行动电源(power bank)中的电池电源(对应于电源PX)转换为前述的输入电源PI。在一实施例中，电源发送单元10调节输入电压VIN于一预设的电压位准，或调节输入电流IIN于一预设的电流位准。
请继续参阅图3，本发明的充电电路3还可包括至少一连接器或至少一连接器以及一缆线(如图中所示的缆线20以及连接器40)，用以耦接电源发送单元10以及电源转换电路30，其中电源发送单元10、该至少一连接器(例如连接器40)以及缆线(例如缆线20)符合通用串行总线供电规范(USB PD)及/或通用串行总线Type C规范(USB type C)及/或通用串行总线快充规范(USB Quick Charge)。其中该缆线(例如缆线20)包括一电源线与一信号线，其中该电源线用以耦接该电源，该信号线(例如缆线20)用以传送该电源相关信号。
请参阅图4，图中所示为本发明的充电电路的一种具体实施例(充电电路4)，相较于本发明的充电电路3，本实施例中的充电电路4还包含至少一反向阻断开关电路(reverseblocking switch circuit)60，分别与该电池50以及该转换开关电路31串联耦接，用以阻断流经转换开关SW1、SW2、SW3与SW4的本体二极管的寄生本体电流(parasitic bodycurrent)，其中反向阻断开关电路60具有至少一反向阻断开关(在本实施例中为反向阻断开关SR1与SR2)，反向阻断开关(在本实施例中为反向阻断开关SR1与SR2)具有一本体二极管(在本实施例中为本体二极管DBR1与DBR2)，其中该至少一反向阻断开关的本体二极管与至少一该转换开关的本体二极管反向耦接，其细节将于后详述。
反向阻断开关电路60分别与电池50以及转换开关电路31串联耦接，用以阻断转换开关SW1、SW2、SW3与SW4的本体二极管的寄生本体电流，其中该反向阻断开关电路60具有至少一反向阻断开关(例如反向阻断开关SR1)，反向阻断开关具有本体二极管，其中至少一反向阻断开关的本体二极管(例如本体二极管DBR1)与转换开关的本体二极管反向耦接；由于前述的本体二极管之间的反向耦接关系，使得即使在例如但不限于电源发送单元10为未接电(plug-out)状态下，或是输入电压VIN小于充电电压VCHG时，本发明的充电电路仍得以防止前述的“寄生本体电流”。
如图4所示，充电电路4中的反向阻断开关电路60可串联耦接于电源发送单元10以及转换开关电路31之间，或是如图5所示，充电电路5中的反向阻断开关电路60串联耦接于电池50以及转换开关电路31之间，只要与电池50以及转换开关电路31的耦接关系为串联，且至少一反向阻断开关的本体二极管(例如本体二极管DBR1)与转换开关的本体二极管反向耦接，即可具有防止前述的“寄生本体电流”，而符合本发明的精神。
反向阻断开关电路(例如图4与图5的60)可为一负载开关电路(load switchcircuit)，一般而言，所述的负载开关电路包含两个以上的负载开关(load switch，例如反向阻断开关电路60的SR1与SR2)，在以金氧半晶体管实现负载开关的情形下，其本体二极管(如图中的DBR1与DBR2)互为反相耦接。
请参阅图6，图中所示为本发明的充电电路的一种具体实施例(充电电路6)，相较于本发明的充电电路3，本实施例中的充电电路6还包含电源回路晶体管90。电源回路晶体管90耦接于电池电路50与负载电路70之间，以控制电池电源PB。在一实施例中，电源回路晶体管90可控制为导通，使得电池电源PB直接电性连接于负载电路70，而在一实施例中，电源回路晶体管90可根据电池电路50的电压状态与负载电路70的电源需求而控制其导通程度，例如但不限于控制电源回路晶体管90以调节电源回路晶体管90的导通电阻，或是控制电源回路晶体管90以调节电池电压VB或电池电流IB等。
请参阅图7，图中所示为本发明的充电电路的一种具体实施例(充电电路7)，相较于本发明的充电电路6，在本实施例中的充电电路7中，电源回路晶体管90的一端电连接于电池51与电池52之间，另一端电连接于负载电路70。本实施例旨在说明，电源回路晶体管90的一端可电连接于串连的电池之间。
请参阅图8，图中所示为本发明的电源回路晶体管的一种具体实施例(电源回路晶体管90)示意图。一实施例中，电源回路晶体管可包括单一晶体管，而在一实施例中，回路开关电路可包括多个晶体管。在一实施例中，如图所示，电源回路晶体管90包括可切换偏压位准的阱区91，其可根据电源回路晶体管90的漏源极电压关系或是电流方向而适应性地切换阱区91的偏压位准，例如但不限于使其电性连接于电源回路晶体管90的漏极或是源极。
以上已针对较佳实施例来说明本发明，但以上所述，仅为使本领域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。所说明的各个实施例，并不限于单独应用，也可以组合应用。此外，在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以想到各种等效变化以及各种组合，举例而言，前述的实施例中(例如充电电路4)，包括反向阻断开关电路，可应用于其他实施例中。又例如，本发明所称“根据某信号进行处理或运算或产生某输出结果”，不限于根据该信号的本身，也包含于必要时，将该信号进行电压电流转换、电流电压转换、及/或比例转换等，之后根据转换后的信号进行处理或运算产生某输出结果。由此可知，在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以想到各种等效变化以及各种组合，其组合方式甚多，在此不一一列举说明。因此，本发明的范围应涵盖上述及其他所有等效变化。

Claims (10)

1.一种充电电路，用以提供一充电电源以对一电池电路充电，其中该电池电路包括多个串联电池，该充电电路包含：
一转换开关电路，耦接于该充电电源的一充电电压与一接地电位之间，该转换开关电路包括多个串联的转换开关，且该转换开关电路具有多个电池电压平衡节点，电连接至该电池电路，使每一电池的阳极与阴极，对应电连接至该多个电池电压平衡节点；
至少一电容，与该转换开关电路耦接；以及
一转换控制电路，与该转换开关电路耦接，用以提供多个转换开关操作信号给该转换开关电路，以分别对应操作该多个转换开关，而使该电容周期性地与该电池电路中的每一电池并联，以平衡每一电池的一电池跨压。
2.如权利要求1所述的充电电路，还包含一电源发送单元，与该转换开关电路耦接，用以将一电源转换为一输入电源，使该充电电路将该输入电源转换为该充电电源。
3.如权利要求2所述的充电电路，还包含一缆线，用以耦接该电源发送单元与该转换开关电路，其中该缆线是符合通用串行总线规范或通用串行总线供电规范的缆线，该缆线包括一电源线与一信号线，其中该电源线用以耦接该电源，该信号线用以传送该电源相关信号。
4.如权利要求1所述的充电电路，其中该转换控制电路，还于该电池电路供应一电池电源给一负载电路时，提供该多个转换开关操作信号给该转换开关电路，以分别对应操作该多个转换开关，而使该电容周期性地与该电池电路中的每一电池并联，以平衡每一电池的该电池跨压。
5.如权利要求4所述的充电电路，还包含一电源回路晶体管，耦接于该电池电路与该负载电路之间，以控制该电池电源。
6.如权利要求1所述的充电电路，还包含至少一反向阻断开关电路，与该转换开关电路串联耦接，用以阻断流经该转换开关的本体二极管的寄生本体电流，其中该反向阻断开关电路具有至少一反向阻断开关，该反向阻断开关具有一本体二极管，其中该至少一反向阻断开关的本体二极管与至少一该转换开关的本体二极管反向耦接。
7.一种充电控制方法，用以提供一充电电源以对一电池电路充电，其中该电池电路包括多个串联电池，该充电控制方法包含：
提供一转换开关电路，耦接于该充电电源的一充电电压与一接地电位之间，该转换开关电路包括多个串联的转换开关，且该转换开关电路具有多个电池电压平衡节点，电连接至该电池电路，使每一电池的阳极与阴极，对应电连接至该多个电池电压平衡节点；
提供至少一电容，与该转换开关电路耦接；以及
提供多个转换开关操作信号给该转换开关电路，以分别对应操作该多个转换开关，而使该电容周期性地与该电池电路中的每一电池并联，以平衡每一电池的一电池跨压。
8.如权利要求7所述的充电控制方法，还包含以该电池电路供应一电池电源给一负载电路，其中该转换控制电路，于该电池电路供应该电池电源给该负载电路时，提供该多个转换开关操作信号给该转换开关电路，以分别对应操作该多个转换开关，而使该电容周期性地与该电池电路中的每一电池并联，以平衡每一电池的该电池跨压。
9.如权利要求8所述的充电控制方法，还包含提供一电源回路晶体管，耦接于该电池电路与该负载电路之间，以控制该电池电源。
10.如权利要求7所述的充电控制方法，还包含提供至少一反向阻断开关电路，与该转换开关电路串联耦接，用以阻断流经该转换开关的本体二极管的寄生本体电流，其中该反向阻断开关电路具有至少一反向阻断开关，该反向阻断开关具有一本体二极管，其中该至少一反向阻断开关的本体二极管与至少一该转换开关的本体二极管反向耦接。
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