CN114938136A - 功率调节装置、双电池充电装置及充电电流调节方法 - Google Patents

功率调节装置、双电池充电装置及充电电流调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种功率调节装置、双电池充电装置及充电电流调节方法，涉及电源领域，包括：第一开关；开关控制信号产生单元，包括：第一跨导单元，包括用于接收来自第一开关的第一端处的第一电压的第一输入端，用于接收来自第一开关的第二端处的第二电压的第二输入端，用于连接第一节点的输出端；节点电压产生单元，连接第一节点，被配置为在第一节点产生节点电压信号；第二跨导单元，包括用于接收表征流经第一开关的电流的电流表征信号的第一输入端，用于连接第一节点以接收节点电压信号的第二输入端，用于连接第一开关的控制端的输出端，而可调节流经第一开关的电流，实现对第一开关产生的功率的调节。

Description

功率调节装置、双电池充电装置及充电电流调节方法
技术领域
本发明涉及电源领域，尤其是功率调节装置、双电池充电装置及充电电流调节方法。
背景技术
随着技术的不断进步，各种电子设备，如便携式设备（包括移动电话、平板电脑、数码相机、MP3播放器、手表和/或其他类似的电子设备）已经流行起来。每个电子设备可以采用多个可充电的电池单元串联和/或并联连接而形成用于存储电能的可充电电池。可充电电池可由连接至电子设备的适配器和电子设备内的功率转换结构进行充电，以恢复电池的能量。
随着市场对小型化、便于携带的电子设备的追求，翻盖或折叠屏电子设备，如翻盖或折叠屏手机，将是下一个竞争热点。在折叠屏电子设备中，双电池并联是一种流行的解决方案，其可以最大限度地利用空间。
在双电池并联的方案中，通常采用不同尺寸的电池，也即其中一电池的容量大于另一电池的容量。对于不同尺寸的电池并联，对每个电池的充电电流调节是必要的，这也是目前双电池并联方案的难题。
一种可行的解决方案是在小容量电池侧添加一个可调制的负载开关来限制充电电流。但是两个电池之间的电压差以及小容量电池的充电电流会在负载开关上产生功耗，而导致负载开关发热量大，为了保护负载开关免受热故障的影响，可以进行热调节，然而热调节的速度较慢，无法满足需求。
因此，业界急需一种负载开关的功率调节装置和方法，使得对负载开关的功率调节灵活、响应速度快且接近理想功率曲线。
发明内容
本发明提出一种功率转换结构，包括：第一开关；开关控制信号产生单元，包括：第一跨导单元，包括用于接收来自所述第一开关的第一端处的第一电压的第一输入端，用于接收来自所述第一开关的第二端处的第二电压的第二输入端，用于连接第一节点的输出端；节点电压产生单元，连接第一节点，被配置为在第一节点产生节点电压信号；第二跨导单元，包括用于接收表征流经所述第一开关的电流的电流表征信号的第一输入端，用于连接第一节点以接收节点电压信号的第二输入端，用于连接所述第一开关的控制端的输出端。
本发明还提出一种双电池充电装置，包括：第一变换器，包括接收母线电压的输入端，连接第一电池的输出端；第二变换器，包括接收母线电压的输入端，连接第一电池的输出端，并且第一变换器的输出端和第二变换器的输出端经上述的功率调节装置连接第二电池。
本发明还提出一种充电电流调节方法，包括：在包括第一电池和第二电池并联连接的电池系统中，接收第一电池的第一电压和第二电池的第二电压，将第一电压与第二电压的电压差转换为第一电流信号；将第一电流信号转换为节点电压信号；接收表征电池充电电流的电流表征信号和节点电压信号，输出用于控制第一开关的开关控制信号，使得第一开关产生的功率为恒功率，其中第一开关连接在第一电池与第二电池之间。
附图说明
图1为本发明一实施例的开关的功率调节装置示意图。
图2为本发明一实施例的包括图1所示的功率调节装置的双电池充电装置局部示意图。
图3为本发明一实施例的包括图1所示的功率调节装置的双电池充电装置示意图。
图4为本发明第一实施例的开关的功率调节装置细部示意图。
图5为图4中的功率调节装置形成的功率曲线与理想功率曲线示意图。
图6为本发明第二实施例的开关的功率调节装置细部示意图。
图7为本发明一实施例的充电电流调节方法流程图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在不做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明一实施例中，在于提供一种功率调节装置，具体的，请参阅图1所示的本发明一实施例的开关的功率调节装置示意图，功率调节装置100包括：第一开关SL；开关控制信号产生单元10，包括：第一跨导单元Gm1，包括用于接收来自第一开关SL的第一端处的第一电压V1的第一输入端d11，用于接收来自第一开关SL的第二端处的第二电压V2的第二输入端d12，用于连接第一节点node1的输出端d13；节点电压产生单元11，连接第一节点node1，被配置为在第一节点node1产生节点电压信号Vnode1；第二跨导单元Gm2，包括用于接收表征流经第一开关SL的电流I1的电流表征信号Vd21的第一输入端d21，用于连接第一节点node1以接收节点电压信号Vnode1的第二输入端d22，用于连接第一开关SL的控制端的输出端d23。
其中节点电压产生单元11被配置为在第一节点node1产生的节点电压信号Vnode1是可调的。
其中电流表征信号Vd21与流经第一开关SL的电流I1成比例关系。在一实施例中，如图1所示，通过电流采样单元21采样获得表征流经第一开关SL的电流I1的电流采样信号，将电流采样信号作为电流表征信号Vd21，则Vd21与电流采样单元21的采样系数m成比例。当然，也可通过其它任何可行的方式获得电流表征信号Vd21，本申请对此不做限定。
根据跨导的特性可知，第一跨导单元Gm1将第一电压V1与第二电压V2的电压差转换为第一电流信号，节点电压产生单元11将第一电流信号转换为节点电压信号Vnode1，如此获得第一电压V1与第二电压V2的电压差，也即第一开关SL两端的电压差。
对于第二跨导单元Gm2，根据跨导的特性及开关控制信号产生单元10的控制原理，Vd21= Vnode1，如此流经第一开关SL的电流I1与节点电压信号Vnode1（也即第一开关SL两端的电压差）形成比例关系，由于节点电压产生单元11被配置为在第一节点node1产生的节点电压信号可调，则可通过调节节点电压信号Vnode1的值获得多段第一开关SL两端电压差与流经第一开关SL的电流I1的比例线段，组合多段比例线段可形成第一开关SL的功率线，并且可通过调节节点电压信号Vnode1灵活调节第一开关SL的功率线以使其接近理想功率曲线，并且这种方案为功率调节，因此其响应速度较快。
并且根据图1所示的功率调节装置100，第二跨导单元Gm2的输出端d23产生用于控制第一开关SL的控制信号，如控制第一开关SL的导通程度，进而控制流经第一开关SL的电流I1，如此实现调节流经第一开关SL的电流I1，实现对第一开关SL产生的功率的调节，且可最终使得第一开关SL产生的功率为恒功率。
上述的功率调节装置100可用于双电池充电装置，具体的用于包括第一电池和第二电池并联连接的电池系统中，请参阅图2所示的本发明一实施例的包括图1所示的功率调节装置的双电池充电装置局部示意图。第一电池BAT1连接第一开关SL的第一端，则第一电压V1代表第一电池BAT1的电压。第二电池BAT2连接第一开关SL的第二端，则第二电压V2代表第二电池BAT2的电压。则调节流经第一开关SL的电流I1，即为调节对第二电池BAT2的充电电流。
请参阅图3所示的本发明一实施例的包括图1所示的功率调节装置的双电池充电装置示意图。其包括：第一变换器310，包括接收母线电压Vbus的输入端，连接第一电池BAT1的输出端Vout1；第二变换器320，包括接收母线电压Vbus的输入端，连接第一电池的输出端Vout2，并且第一变换器310的输出端Vout1和第二变换器320的输出端Vout2经图1所述的功率调节装置100连接第二电池BAT2。则在第一电池BAT1和第二电池BAT2的充电过程中，如涓流充电阶段、预充电阶段、恒流充电阶段、恒压充电阶段和截止充电阶段，同时实现对第二电池BAT2的充电电流的调节以及第一开关SL功率的调节。
在本发明一实施例中，第一电池BAT1的容量大于第二电池BAT2的容量。也即功率调节装置100通常连接在小容量电池侧。
在本发明一实施例中，第一变换器310为降压变换器，如buck变换器。第二变换器320为开关电容变换器。在实际应用的实施例中，第一变换器310用于对第一电池BAT1和第二电池BAT2进行涓流充电、预充电、恒压充电和截止充电。第二变换器320用于对第一电池BAT1和第二电池BAT2进行恒流充电。也即在电池的充电全过程，均同时实现对第二电池BAT2的充电电流的调节以及第一开关SL功率的调节。
第一变换器310还包括系统输出端VSYS，其用于为负载供电。
在本发明一实施例中，如图2所示，第一开关SL为MOSFET，其漏极D连接第一电池BAT1，其源极S连接第二电池BAT2，其栅极G用于接收开关控制信号产生单元10产生的开关控制信号。当然，第一开关SL也可为双极结型晶体管、超结晶体管、绝缘栅双极晶体管、基于氮化镓的功率器件和/或类似器件。业界能接收一开关控制信号而控制其导通的器件均可。
在本发明一实施例中，请参阅图4所示的本发明第一实施例的开关的功率调节装置细部示意图。图1中的节点电压产生单元11为图4所示的节点电压产生单元111，其包括：第一电压源1111，用于产生可调电压VDD；可变电阻单元1112，连接在第一电压源1111与第一节点node1之间，其中可变电阻单元1112的电阻值可调。如上所述，第一跨导单元Gm1将第一电压V1与第二电压V2的电压差转换为第一电流信号IG1, IG1=(V1-V2)* G1，其中G1为第一跨导单元Gm1的跨导值,节点电压产生单元111将第一电流信号IG1转化为电压信号，而在第一节点node1产生电压信号，节点电压信号Vnode1=VDD-VR=VDD-(V1-V2)* G1*R，其中R为可变电阻单元1112的等效阻抗。也即通过第一电压源1111与可变电阻单元1112串联连接将第一电流信号IG1转换为节点电压信号Vnode1。则此时Vd21=Vnode1= VDD-(V1-V2)* G1*R。
从表达式Vd21=Vnode1=VDD-(V1-V2)* G1*R可知，通过调整第一电压源1111产生的可调电压VDD的电压值以及可变电阻单元1112的电阻值R，可实现调整节点电压信号Vnode1，并同时一组可调电压VDD与电阻值R形成一个递减线段，通过调整形成多组可调电压VDD与电阻值R，则可形成多个递减线段，组合多个递减线段而可形成第一开关SL的功率线。请参阅图5所示的图4中的功率调节装置形成的功率线与理想功率曲线示意图，其中横坐标为第一开关SL两端的电压差Vdiff，纵坐标为流经第一开关SL的电流I1。如图5所示四组可调电压VDD与电阻值R形成四个递减线段511、512、513和514，四个递减线段组合形成第一开关SL的功率线510，标号为520的曲线为理想功率曲线，从图5可知采用本申请的功率调节装置形成的功率线510与理想功率曲线520基本重合。如此通过调节第一电压源1111产生的可调电压VDD的电压值以及调节可变电阻单元1112的电阻值R（也即调节节点电压信号Vnode）可灵活调节第一开关SL的功率线以使其接近理想功率曲线。
较理想的，使第一电压源1111产生的可调电压VDD的电压值与可变电阻单元1112的电阻值R配合调整，而实现理想的功率线。这里的配合调整指一组电压值VDD与电阻值R形成的递减线段与与其相邻的一组电压值VDD与电阻值R形成的递减线段首尾相接，且两段递减线段尽量平滑衔接，可参阅图5的线段512和线段513。且图5仅以四组可调电压VDD与电阻值R为例，实际应用中，可形成更多组可调电压VDD与电阻值R，而使功率线510更加接近理想功率曲线520。且从功率线510看第一开关产生的功率接近恒功率。
在一实施例中，图4中的第一电压源1111可为任何适用的能产生可调电压的电压源。
在一实施例中，图4中的可变电阻单元1112可为任何能实现不同阻抗值的电阻单元，如可调变阻器。其也可为多个电阻与开关形成的串和/或并联结构，通过控制导通的开关管的数量，进而调节可变电阻单元1112的等效阻抗。
在本发明一实施例中，请参阅图6所示的本发明第二实施例的开关的功率调节装置细部示意图。图1中的节点电压产生单元11为图6所示的节点电压产生单元112，其包括：储能电容C，储能电容C的第一端接地GND；可变电阻单元1122，连接在储能电容C的第二端与第一节点node1之间，其中可变电阻单元1122的电阻值可调。与图4中所示的节点电压产生单元111不同的是，第一电流信号IG1通过可变电阻单元1122对储能电容C充电，而在第一节点node1产生电压信号。通过调整可变电阻单元1122的电阻值R，可实现调整节点电压信号Vnode1，而可形成多个递减线段。其它部分结构与原理与图4相同，在此不再赘述。
上述的功率调节装置，还可通过调整第一跨导单元Gm1的跨导值G1，以调节第一电流信号IG1，进而实现调节节点电压信号Vnode1。调整第一跨导单元Gm1的跨导值G1可与图4所示的第一实施例的调整第一电压源1111产生的可调电压VDD的电压值、调整可变电阻单元1112的电阻值R配合使用。调整第一跨导单元Gm1的跨导值G1还可与图6所示的第二实施例的调整可变电阻单元1122的电阻值R配合使用。使得对功率线510的调整更加灵活，也使其能更加接近理想功率曲线520。
上述的功率调节装置，还可通过调整电流采样单元21的采样系数m，调节第二跨导单元Gm2的第一输入端d21接收的电流表征信号Vd21，根据跨导单元的特性及开关控制信号产生单元10的控制原理可知，第二跨导单元Gm2的第一输入端d21的信号等于第二输入端d22的信号，则间接实现调节节点电压信号Vnode1。调整电流采样单元21的采样系数m可与图4所示的第一实施例的调整第一电压源1111产生的可调电压VDD的电压值、调整可变电阻单元1112的电阻值R，第一跨导单元Gm1的跨导值G1中的任一者配合使用。调整电流采样单元21的采样系数m还可与图6所示的第二实施例的调整可变电阻单元1122的电阻值R，第一跨导单元Gm1的跨导值G1中的任一者配合使用。使得对组合功率曲线510的调整更加灵活，也使其能更加接近理想功率曲线520。
请参阅图1，开关控制信号产生单元10还包括第一二极管D1，第一二极管D1的阳极连接第一开关SL的控制端，第一二极管D1的阴极连接第二跨导单元Gm2的输出端d23。该第一二极管D1用于与其它并联支路解耦。
在本申请一实施例中，图1所示的功率调节装置100集成在同一芯片单元内，而可迎合市场对高集成度、小型化电源设备的需求，且使其使用更加方便。请再参阅图6，由于储能电容C用于储能，且第一电流信号IG1仅为信号级电流，所以储能电容C可以很小，通常储能电容C仅为皮法级的小电容，而也可以实现将图6所示的功率调节装置集成在同一芯片单元内。
在本申请一实施例中，图3所示的双电池充电装置中的第一变换器310的开关管、第二变换器320的开关管，以及功率调节装置100均集成在同一芯片单元内，以进一步提高集成度。
图1以第一跨导单元Gm1的第一输入端d11为正输入端，第二输入端d12为负输入端，第二跨导单元Gm2的第一输入端d21为正输入端，第二输入端d22为负输入端为例。当然也可为第一跨导单元Gm1的第一输入端d11为负输入端，第二输入端d12为正输入端，第二跨导单元Gm2的第一输入端d21为负输入端，第二输入端d22为正输入端。
在本申请一实施例中，还提供一种充电电流调节方法，请参阅图7所示的本发明一实施例的充电电流调节方法流程图，并可参阅图2。充电电流调节方法包括：在包括第一电池和第二电池并联连接的电池系统中，接收第一电池的第一电压和第二电池的第二电压，将第一电压与第二电压的电压差转换为第一电流信号；将第一电流信号转换为节点电压信号；接收表征电池充电电流的电流表征信号和节点电压信号，输出用于控制第一开关的开关控制信号，使得第一开关产生的功率为恒功率，其中第一开关连接在第一电池与第二电池之间。
其实现调节充电电流（也即流经第一开关的电流）以及第一开关产生的功率的原理与上述的功率调节装置100相同，在此不再赘述。
在一实施例中，节点电压信号可调。具体的，在本申请一实施例中，步骤将第一电流信号转换为节点电压信号为：通过可产生可调电压的第一电压源与阻抗可调的可变电阻单元串联连接将第一电流信号转换为节点电压信号。则可通过调整第一电压源的电压值，并且调整可变电阻单元的电阻值，以调整节点电压信号。较理想的，可配合调整第一电压源的电压值和可变电阻单元的电阻值，而实现第一开关管的理想的功率线和充电电流。
具体的，在本申请一实施例中，步骤将第一电流信号转换为节点电压信号为：通过接地的电容与阻抗可调的可变电阻单元串联连接将第一电流信号转换为节点电压信号。则可通过调整可变电阻单元的电阻值，调整节点电压信号。
在本申请一实施例中，步骤将第一电压与第二电压的电压差转换为第一电流信号为：通过第一跨导单元将第一电压与第二电压的电压差转换为第一电流信号。则还可通过调整第一跨导单元的跨导值，调整节点电压信号。并且调整第一跨导单元的跨导值可与其它调整方案配合使用。
在本申请一实施例中，步骤接收表征电池充电电流的电流表征信号为：通过一电流采样单元采样获得表征流经第一开关的电流的电流采样信号，该电流采样信号表征电池充电电流信号。则还可通过调整电流采样信号的采样系数，调整节点电压信号。并且调整电流采样信号的采样系数可与其它调整方案配合使用。
在本发明一实施例中，在包括第一电池和第二电池并联连接的电池系统中，其中一电池的容量大于另一电池的容量。上述的充电电流调节方法也适用于调整对小容量电池的充电电流。
在本发明一实施例中，通过第二跨导单元接收表征电池充电电流的电流表征信号和节点电压信号，输出用于控制第一开关的开关控制信号。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (17)

1.一种功率调节装置，其特征在于，包括：
第一开关；
开关控制信号产生单元，包括：
第一跨导单元，包括用于接收来自所述第一开关的第一端处的第一电压的第一输入端，用于接收来自所述第一开关的第二端处的第二电压的第二输入端，用于连接第一节点的输出端；
节点电压产生单元，连接第一节点，被配置为在第一节点产生节点电压信号；
第二跨导单元，包括用于接收表征流经所述第一开关的电流的电流表征信号的第一输入端，用于连接第一节点以接收节点电压信号的第二输入端，用于连接所述第一开关的控制端的输出端。
2.根据权利要求1所述的功率调节装置，其特征在于，节点电压产生单元被配置为在第一节点产生的节点电压信号是可调的。
3.根据权利要求2所述的功率调节装置，其特征在于，节点电压产生单元包括：
第一电压源，用于产生可调电压；
可变电阻单元，连接在第一电压源与第一节点之间，其中可变电阻单元的电阻值可调。
4.根据权利要求2所述的功率调节装置，其特征在于，节点电压产生单元包括：
储能电容，储能电容的第一端接地；
可变电阻单元，连接在储能电容的第二端与第一节点之间，其中可变电阻单元的电阻值可调。
5.根据权利要求4所述的功率调节装置，其特征在于，储能电容为皮法级的电容。
6.根据权利要求3或4所述的功率调节装置，其特征在于，所述第一跨导单元的跨导值可调。
7.根据权利要求1所述的功率调节装置，其特征在于，开关控制信号产生单元还包括第一二极管，第一二极管的阳极连接第一开关的控制端，第一二极管的阴极连接第二跨导单元的输出端。
8.一种双电池充电装置，其特征在于，包括：
第一变换器，包括接收母线电压的输入端，连接第一电池的输出端；
第二变换器，包括接收母线电压的输入端，连接第一电池的输出端，并且第一变换器的输出端和第二变换器的输出端经权利要求1所述的功率调节装置连接第二电池。
9.根据权利要求8所述的双电池充电装置，其特征在于，第一变换器为降压变换器。
10.根据权利要求8所述的双电池充电装置，其特征在于，第二变换器为开关电容变换器。
11.一种充电电流调节方法，其特征在于，包括：
在包括第一电池和第二电池并联连接的电池系统中，接收第一电池的第一电压和第二电池的第二电压，将第一电压与第二电压的电压差转换为第一电流信号；
将第一电流信号转换为节点电压信号；
接收表征电池充电电流的电流表征信号和节点电压信号，输出用于控制第一开关的开关控制信号，使得第一开关产生的功率为恒功率，其中第一开关连接在第一电池与第二电池之间。
12.根据权利要求11所述的充电电流调节方法，其特征在于，其中节点电压信号可调。
13.根据权利要求12所述的充电电流调节方法，其特征在于，通过可产生可调电压的第一电压源与阻抗可调的可变电阻单元串联连接将第一电流信号转换为节点电压信号。
14.根据权利要求13所述的充电电流调节方法，其特征在于，通过调整第一电压源的电压值，并且调整可变电阻单元的电阻值，以调整节点电压信号。
15.根据权利要求12所述的充电电流调节方法，其特征在于，通过接地的电容与阻抗可调的可变电阻单元串联连接将第一电流信号转换为节点电压信号。
16.根据权利要求15所述的充电电流调节方法，其特征在于，调整可变电阻单元的电阻值，调整节点电压信号。
17.根据权利要求14或16所述的充电电流调节方法，其特征在于，通过第一跨导单元将第一电压与第二电压的电压差转换为第一电流信号，还包括调整第一跨导单元的跨导值。
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