CN116613842A - 电源供应系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电源供应系统，包括：多个可充电电池，耦接至该电子装置的功能块，其中该多个可充电电池至少包括第一电池和第二电池，以及其中，在正常模式下，该第一电池和该第二电池并联在系统电压供应节点和接地节点之间，在充电模式下，该第一电池和该第二电池串联在充电输入节点和该接地节点之间。在为功能块提供电力的正常模式下，第一电池和第二电池并联连接，因此不需要调节器，从而节省了调节器所消耗额外的电；当处于充电模式时，第一电池和第二电池串联连接以实现快速充电行为，因此可以提高充电速度。

Description

电源供应系统
技术领域
本发明涉及电路技术领域，尤其涉及一种电源供应系统。
背景技术
近来，平板计算机、笔记本电脑、数码相机、智慧手表和手机等便携式电子产品的需求急剧增长。对于储能和供电(power supply，或称为电源供应)，可充电电池为各种便携式电子产品供电是司空见惯的事情。
电池组(battery pack)通常由多个电池单元(battery cell)串联、并联或混合连接(也即串联和并联)而成，对电池进行充电时，充电功率(或充电电源)施加于整个电池组，充电时间相对较长.另外，在目前电池制造技术的情况下，电池单元在制造、分组、使用、维护等过程中可能具有不相同的电池参数。因此，当电池单元连接后进行充电时，可能会出现并非所有电池单元都充满电而达到相同电压的情况。如此一来，整个电池组的系统性能容易下降，系统容量和循环寿命(cyclic life)也受到影响。
为了提高便携式电子产品的供电效率以及可充电电池的使用寿命，迫切需要一种新颖的供电系统电路设计。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种电源供应系统，以解决上述问题。
根据本发明的第一方面，公开一种电源供应系统，用于为电子装置供电，包括：
多个可充电电池，耦接至该电子装置的功能块，其中该多个可充电电池至少包括第一电池和第二电池，以及
其中，在正常模式下，该第一电池和该第二电池并联在系统电压供应节点和接地节点之间，在充电模式下，该第一电池和该第二电池串联在充电输入节点和该接地节点之间。
根据本发明的第二方面，公开一种电源供应系统，包括：
多个充电电池，耦接至该电子装置的功能块，其中该多个充电电池至少包括第一电池与第二电池；以及
多个开关元件，分别耦接至该多个充电电池中的至少一个，用以动态控制该第一电池与该第二电池并联或串联。
本发明的电源供应系统由于包括：多个可充电电池，耦接至该电子装置的功能块，其中该多个可充电电池至少包括第一电池和第二电池，以及其中，在正常模式下，该第一电池和该第二电池并联在系统电压供应节点和接地节点之间，在充电模式下，该第一电池和该第二电池串联在充电输入节点和该接地节点之间。本发明中，在为功能块提供电力的正常模式下，第一电池和第二电池并联连接，因此不需要调节器，从而节省了调节器所消耗额外的电；当处于充电模式时，第一电池和第二电池串联连接以实现快速充电行为，因此可以提高充电速度。
附图说明
图1示出了具有包括单个电池的供电系统的电子装置的简化框图。
图2示出了具有包括多个电池的供电系统的电子装置的另一简化框图。
图3为根据本发明一个实施例的具有包含多个电池的供电系统的电子装置的简化方块示意图。
图4为本发明一个实施例的单刀双掷开关(SPDT switch)装置的示意图。
图5为根据本发明另一个实施例的电子装置的简化方块示意图，其具有包括多个电池以在电子装置中供电的供电系统。
具体实施方式
在下面对本发明的实施例的详细描述中，参考了附图，这些附图构成了本发明的一部分，并且在附图中通过图示的方式示出了可以实践本发明的特定的优选实施例。对这些实施例进行了足够详细的描述，以使本领域技术人员能够实践它们，并且应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以利用其他实施例，并且可以进行机械，结构和程序上的改变。本发明。因此，以下详细描述不应被理解为限制性的，并且本发明的实施例的范围仅由所附权利要求限定。
将理解的是，尽管术语“第一”、“第二”、“第三”、“主要”、“次要”等在本文中可用于描述各种组件、组件、区域、层和/或部分，但是这些组件、组件、区域、这些层和/或部分不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个组件、组件、区域、层或部分与另一区域、层或部分。因此，在不脱离本发明构思的教导的情况下，下面讨论的第一或主要组件、组件、区域、层或部分可以称为第二或次要组件、组件、区域、层或部分。
此外，为了便于描述，本文中可以使用诸如“在...下方”、“在...之下”、“在...下”、“在...上方”、“在...之上”之类的空间相对术语，以便于描述一个组件或特征与之的关系。如图所示的另一组件或特征。除了在图中描述的方位之外，空间相对术语还意图涵盖设备在使用或运行中的不同方位。该设备可以以其他方式定向(旋转90度或以其他定向)，并且在此使用的空间相对描述语可以同样地被相应地解释。另外，还将理解的是，当“层”被称为在两层“之间”时，它可以是两层之间的唯一层，或者也可以存在一个或多个中间层。
术语“大约”、“大致”和“约”通常表示规定值的±20％、或所述规定值的±10％、或所述规定值的±5％、或所述规定值的±3％、或规定值的±2％、或规定值的±1％、或规定值的±0.5％的范围内。本发明的规定值是近似值。当没有具体描述时，所述规定值包括“大约”、“大致”和“约”的含义。本文所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本发明。如本文所使用的，单数术语“一”，“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另外明确指出。本文所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本发明构思。如本文所使用的，单数形式“一个”、“一种”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另外明确指出。
将理解的是，当将“组件”或“层”称为在另一组件或层“上”、“连接至”、“耦接至”或“邻近”时，它可以直接在其他组件或层上、与其连接、耦接或相邻、或者可以存在中间组件或层。相反，当组件称为“直接在”另一组件或层“上”、“直接连接至”、“直接耦接至”或“紧邻”另一组件或层时，则不存在中间组件或层。
注意：(i)在整个附图中相同的特征将由相同的附图标记表示，并且不一定在它们出现的每个附图中都进行详细描述，并且(ii)一系列附图可能显示单个项目的不同方面，每个方面都与各种参考标签相关联，这些参考标签可能会出现在整个序列中，或者可能只出现在序列的选定图中。
在以下各实施例中，相同的标号表示相同或相似的元件或组件。
图1示出了具有包括单个电池的供电(或电源供应)系统的电子装置的简化框图。电子装置100可以包括至少一个功能块110(图中标记为系统110)和电池120。功能块110可以是电子装置100中从电池120接收电力的多个硬件装置的代表。作为示例，功能块110可以包括微处理器、存储器装置、无线电收发器、一个或多个模拟信号处理装置、一个或多个数字信号处理装置、显示设备、扬声器装置等。为了具有代表性，功能块110在图1中被标记为“系统110”。
在图1所示的供电系统(或电源供应系统)中，电池120被配置为通过系统电压供应节点(或提供节点)Vsys为功能块110(例如电子装置100的系统)提供电力(功率或电源)。此外，电池120可以是可充电电池并且可以被配置为通过充电输入节点Vcharge_in从外部充电器或外部电源(例如从任何种类的电压/电流调节器)接收充电电压或充电电流。
单个电池供电系统的一个缺点是外部充电器或外部电源提供的充电电压/充电电流受到电池120的充电电压/充电电流的限制。
图2示出了具有包括多个电池的供电系统(或电源供应系统)的电子装置的另一简化框图。电子装置200可以包括至少一个功能块210(图中标记为系统210)和串联耦接的两个电池220-1和220-2。类似地，功能块210可以是电子装置200中从电池220-1和220-2接收电力的多个硬件装置的代表。作为示例，功能块210可以包括微处理器、存储器装置、无线电收发器、一个或多个模拟信号处理装置、一个或多个数字信号处理装置、显示设备、扬声器装置等。为了具有代表性，功能块210在图2中被标记为“系统210”。
在图2所示的供电系统中，电池220-1和220-2被配置为通过系统电压供应节点Vsys为功能块210(例如电子装置200的系统)提供电力。此外，电池220-1和220-2可以是可充电电池并且可以被配置为通过充电输入节点Vcharge_in从外部充电器或外部电源(例如从任何种类的电压/电流调节器)接收充电电压或充电电流。
与图1所示的单电池供电系统相比，电池220-1和220-2串联时会产生更高的供电电压，因此在为系统供电时，图2所示的供电系统需要内部稳压器(或调节器)230根据电池220-1和220-2提供的供电电压调节或产生功能块210所需的系统电压。也即功能块或系统只会使用单个电池(例如电池220-1或220-2)电压,并且开机状态下不会完全断电。在本发明实施例中，系统需求的电压为单个电池(例如电池220-1或220-2)电压。图2中电池220-1和220-2串联则会产生大约2倍的单个电池电压，不符合系统的需求，因此设置了稳压器(或调节器)230进行电压调节，将电池220-1和220-2串联后的电压调整到符合系统供电要求的电压。
然而，调节器230也是耗电装置。因此，虽然通过电池220-1和220-2的串联耦接提高了充电电压/充电电流从而提高了供电系统的充电速度，但是由于调节器230的使用也产生了额外的功耗，这是串联电池供电系统的缺点。
为了提高电子装置中可充电电池的供电效率和充电速度，本发明实施例提出了新颖的供电系统电路设计。
图3为根据本发明一个实施例的电子装置的简化方块示意图，其具有包括多个电池以在电子装置中供电的供电系统(或电源供应系统)。电子装置300可以包括至少一个功能块310(图中标记为系统310)和两个电池320-1和320-2。功能块310可以是巨大的功能块并且可以代表电子装置300中从电池320-1和320-2接收电力(功率或电源)的多个硬件装置。作为示例，功能块310可以包括微处理器、存储器装置、无线电收发器、一个或多个模拟信号处理装置、一个或多个数字信号处理装置、显示设备、扬声器装置等。为了具有代表性，功能块310在图3中被标记为“系统310”。
根据本发明的一个实施例，电池320-1和320-2可以是可充电电池(充电电池)并且可以被配置为通过充电输入节点Vcharge_in从外部充电器或外部电源(例如从任何种类的电压/电流调节器)接收充电电压或充电电流。请注意，在本发明实施例中，电池320-1和320-2可以分别为多个电池单元串联、并联或混合连接(同时包括串联和并联)而成的电池组，本发明不限于任何特定的实施方式或任何特定数量的电池或电池单元。
在本发明实施例中，可以控制电池320-1和320-2之间以并联方式或串联方式灵活连接。例如，在本发明的一个实施例中，在为功能块310(例如电子装置300的系统)提供电源的正常模式下，电池320-1和320-2可以并联在系统之间，电池320-1和320-2可以并联在系统电压供应节点Vsys和接地节点GND之间，在充电模式下，电池320-1和320-2可以串联连接在充电输入节点Vcharge_in和接地节点GND之间，以从充电输入节点Vcharge_in和接地节点GND用于从外部充电器或外部电源接收充电电压或充电电流。这样，不需要额外消耗功率(或电源)的内部稳压器，提高了供电效率。此外，以这种方式，可再充电电池的充电速度也增加并且实现快速充电行为。
在本发明的一个实施例中，除了电池320-1与320-2外，电子装置300的供电系统还可包含多个开关元件，每个电池320-1和320-2分别与电池320-1和320-2中的至少一个耦接，用于动态控制电池320-1和320-2以如上所述的并联方式或串联方式相互连接。此外，功能块310还可以包括电源管理装置，用于控制开关装置的导通(如闭合)或关断(如断开)状态，以灵活动态地控制电池320-1和320-2的连接。需要说明的是，在一些实施例中，开关装置的控制也可以由上述的微处理器来实现，或者，电源管理装置可以是微处理器的一个电路子单元，本发明不限于具体的实现方式。
在本发明的一个实施例中，多个开关装置可包括开关装置SW_11、SW_12、SW_13及SW_14。开关装置SW_11耦接于系统电压供应节点Vsys与电池320-1的第一端之间。开关装置SW_12耦接于系统电压供应节点Vsys与充电输入节点Vcharge_in之间。开关装置SW_13耦接于充电输入节点Vcharge_in与电池320-2的第一端之间。开关装置SW_14耦接于电池320-2的第二端与接地节点GND之间。在本发明的一个实施例中，电池的第一端可为正极，连接电压较高的节点；电池的第二端可为负极，连接电压较低的节点。
在本发明的一个实施例中，开关元件SW_14更可耦接至系统电压供应节点Vsys，并用以选择性地连接电池320-2的第二端至接地节点或系统电压供应节点Vsys。作为示例，开关器件SW_14可以是单刀双掷(single pole double throw，SPDT)开关器件，并且可以包括三个连接节点。
图4为本发明一个实施例的单刀双掷开关装置的示意图。开关装置400可以包括三个连接节点N1、N2和N3。连接节点N1可以连接到电池320-2的第二端子，连接节点N2可以连接到系统电压供应节点Vsys，连接节点N3可以连接到接地节点GND。开关装置400可以被配置为选择性地将连接节点N1连接到连接节点N2或连接节点N3。值得注意的是，SPDT开关装置是开关装置SW_14的多种可能实施方式中的一种，本发明不应限于此。
作为示例，在另一个实施方式中，开关器件SW_14可以被配置为提供两条连接路径，一条用于将电池320-2的第二端连接至接地节点GND，另一条用于将电池320-2的第二端连接到系统电压供应节点Vsys，控制开关器件SW_14的导通(如闭合)或关断(如断开)状态可以包括控制两条连接通路的接通(如闭合)或关断(如断开)状态。当电池320-2的第二端与接地节点GND之间的连接路径被断开以断开电池320-2的第二端与接地节点GND的连接时，电池320-2的第二端与系统电压供应节点Vsys之间的连接路径闭合，用于将电池320-2的第二端连接至系统电压供应节点Vsys，反之亦然。在本发明的一个实施例中，在开关元件SW_14的第一切换状态下，电池320-2的第二端连接至接地节点GND并与系统电压供应节点Vsys断开，而在开关器件SW_14的第二切换状态下，电池320-2的第二端连接到系统电压供应节点Vsys并且与接地节点GND断开。
请回头参考图3，图3为电子装置300运作于正常模式时供电系统的连接范例。在正常模式下，控制开关SW_11、SW_12、SW_13导通(或者，开关SW_11、SW_12、SW_13闭合)，使得电池电源通过系统电压供应节点Vsys从电池320-1和320-2提供给功能块310。需注意的是，在开关SW_11、SW_12及SW_13由一个或多个晶体管实施或包含一个或多个晶体管的实施例中，在正常模式下，晶体管可被控制完全或部分导通，以分别导通从电池320-1和320-2到功能块310的供电路径以供电。此外，开关SW_11、SW_12、SW_13还可以起到调节系统电压供应节点Vsys的电压和电池320-1、320-2提供的电压的作用。另外，在正常模式下，控制开关元件SW_14处于第一开关状态，以将电池320-2的第二端连接至接地节点。本发明实施例中，如图3所示，在其中一种状态下(例如正常模式状态下)，开关SW_11、SW_12、SW_13、SW_14导通，电池320-1、320-2和充电输入节点Vcharge_in均可以向功能块310(或系统310)供电。其中，取决于功能块310的电压需求以及电池320-1、320-2可提供的电压(电流)大小，电池320-1和/或320-2可以向或者不向功能块310供电。如图3所示的实施例中，充电输入节点Vcharge_in可以向电池320-1和/或320-2充电；当然，充电输入节点Vcharge_in也可以同时向功能块310供电。在如图3所示的一个实施例中，电池320-1和320-2中的至少有一个向功能块310供电。
图5为根据本发明另一个实施例的电子装置的简化方块示意图，其具有包括多个电池以在电子装置中供电的供电系统。图5为图3所示的电子装置工作于充电模式时供电系统的连接范例。需注意的是，相同或相似的标号代表与图3相同的特征，为简洁起见，在此不再赘述。
在电子装置的充电模式下，电子装置为如图5所示的电子装置300'，控制开关SW_11和SW_13导通(或者，开关SW_11和SW_13闭合)，并控制开关器件SW_14处于第二切换状态，以将电池320-2的第二端连接至系统电压供应节点Vsys，以使电池320-1与320-2串联连接。另外，在充电模式下，控制图3所示的开关SW_12关断(或者，开关SW_12断开)，以断开系统电压供应节点Vsys与充电输入节点Vcharge_in的连接。因此，开关SW_12未在图5中示出。注意，在开关SW_11和SW_13由一个或多个晶体管实现或包括一个或多个晶体管的实施例中，在充电模式下，可以控制晶体管完全或部分导通，从而导通从充电输入节点Vcharge_in到电池320-1和320-2的充电路径。另外，当开关SW_12由一个或多个晶体管实现或包括一个或多个晶体管时，在充电模式下，控制晶体管截止以断开系统电压供应节点Vsys与充电输入节点Vcharge_in。在图5的实施例中，可以由电池320-1向功能块310(或系统310)供电。电池320-2可以不向功能块310(或系统310)供电。充电输入节点Vcharge_in可以向电池320-1和/或320-2充电；当然，充电输入节点Vcharge_in也可以同时向功能块310供电。在图5的实施例中，电池320-1和320-2串联，同时充电输入节点Vcharge_in可以向电池320-1和/或320-2充电，并且不会影响向功能块310(或系统310)的供电。本发明实施例，可以在系统不断电的情况下(例如给手机等供电时开机后不断电)，实现在电池320-2的正极(也即电池320-2连接到充电输入节点Vcharge_in的一端)给入于两倍于单个电池电压进行充电，在同样的充电电流下，可以以两倍于单电池电压达成两倍的充电瓦数(效率)。因此，本发明实施例中不仅可以在两个电池串联时进行充电，并且充电效率更高(可对电池320-2快速充电)。此外，本发明实施例中，电池的数量可以设置为更多，例如三个、四个、五个等等。在一种状态或模式(例如类似于图3的正常模式)下，多个电池之间可以设置为并联；在另一种状态或模式(例如类似于图5的充电模式)下，多个电池之间可以设置为串联，并且由多个电池中的其中一个向系统310供电(其他的电池不向系统310供电)。充电输入节点Vcharge_in可以向多个电池充电，并且主要向直接连接到充电输入节点Vcharge_in的其中一个电池进行充电(也即对其快速充电)。
如上所述，开关装置的导通(如闭合)或关断(如断开)状态和/或第一开关状态和第二开关状态可以由电源管理装置根据电子装置的当前充电或供电需求来控制。另外，供电系统通过配置调节不同节点电压的开关器件，可以使电池在通过系统供电节点Vsys供电的同时，通过充电输入节点Vcharge_in对电池进行充电。
此外，基于所提出的供电系统电路设计，实现了电池320-1和320-2的灵活连接。也就是说，在为功能块310提供电力的正常模式下，电池320-1和320-2并联连接。因此不需要内部调节器(例如图2中所示的调节器230)，并且调节器不会消耗额外的功率(或电源、电力)。当处于充电模式时，电池320-1和320-2串联连接以实现快速充电行为，因为基于电池串联连接的电路结构，可以施加更高的充电电压并且可以提高充电速度。同时，本发明实施例中，不仅可以并联时对电池进行充电(如图3所示)，而且在串联时也可以对电池进行充电(并且如上图5所述，串联时对其中一个电池快速充电)。以此方式，实现了具有快速充电能力(例如与图1所示系统相比)和低功耗(例如与图2所示系统相比)的供电系统。
本领域的技术人员将容易地观察到，在保持本发明教导的同时，可以做出许多该设备和方法的修改和改变。因此，上述公开内容应被解释为仅由所附权利要求书的界限和范围所限制。

Claims (14)

1.一种电源供应系统，用于为电子装置供电，其特征在于，包括：
多个可充电电池，耦接至该电子装置的功能块，其中该多个可充电电池至少包括第一电池和第二电池，以及
其中，在正常模式下，该第一电池和该第二电池并联在系统电压供应节点和接地节点之间，在充电模式下，该第一电池和该第二电池串联在充电输入节点和该接地节点之间。
2.如权利要求1所述的电源供应系统，其特征在于，还包括：
多个开关元件，分别耦接至该多个充电电池中的至少一个，用以动态控制该第一电池与该第二电池并联或串联。
3.如权利要求2所述的电源供应系统，其特征在于，该多个开关装置包括：
第一开关装置，耦接于该系统电压供应节点与该第一电池的第一端之间；以及
第二开关元件，耦接于该系统电压供应端与充电输入端之间。
4.如权利要求3所述的电源供应系统，其特征在于，该多个开关装置还包括：
第三开关元件，耦接于该充电输入端与该第二电池的第一端之间；以及
第四开关装置，耦接于该第二电池的第二端与该接地节点之间。
5.如权利要求4所述的电源供应系统，其特征在于，该第四开关装置还耦接该系统电压供应节点，用于选择性地将该第二电池的第二端连接至该接地节点或该系统电压供应节点。
6.如权利要求5所述的电源供应系统，其特征在于，在该正常模式下，该第四开关装置将该第二电池的第二端连接至该接地节点，在该充电模式下，该第四开关装置将该第二电池的第二端连接至该系统电压供应节点。
7.如权利要求5所述的电源供应系统，其特征在于，在该正常模式下，该第二开关装置闭合以将该系统电压供应节点连接到该充电输入节点，并且在该充电模式下，该第二开关装置断开以断开该系统电压供应节点与该充电输入节点。
8.一种电源供应系统，用于为电子装置供电，其特征在于，包括：
多个充电电池，耦接至该电子装置的功能块，其中该多个充电电池至少包括第一电池与第二电池；以及
多个开关元件，分别耦接至该多个充电电池中的至少一个，用以动态控制该第一电池与该第二电池并联或串联。
9.如权利要求8所述的电源供应系统，其特征在于，在该正常模式下，该第一电池和该第二电池并联在系统电压供应节点和接地节点之间，在该充电模式下，该第一电池和该第二电池并联在该充电输入节点和该接地节点之间。
10.如权利要求8所述的电源供应系统，其特征在于，该多个开关装置包括：
第一开关装置，耦接于该系统电压供应节点与该第一电池的第一端之间；以及
第二开关装置，耦接于该系统电压供应节点与该充电输入节点之间。
11.如权利要求10所述的电源供应系统，其特征在于，该多个开关装置还包括：
第三开关元件，耦接于该充电输入端与该第二电池的第一端之间；以及
第四开关装置，耦接于该第二电池的第二端与该接地节点之间。
12.如权利要求11所述的电源供应系统，其特征在于，该第四开关装置还耦接至该系统电压供应节点，并用以选择性地将该第二电池的第二端连接至该接地节点或该系统电压供应节点。
13.如权利要求12所述的电源供应系统，其特征在于，在该正常模式下，该第四开关装置将该第二电池的第二端连接至该接地节点，该第一电池和该第二电池并联在系统电压供应节点与该接地节点之间，在该充电模式下，该第四开关器件将该第二电池的第二端连接至该系统电压供应节点，该第一电池和该第二电池串联连接在该充电输入节点和该接地节点之间。
14.如权利要求13所述的电源供应系统，其特征在于，在该正常模式下，该第二开关装置闭合以将该系统电压供应节点连接到该充电输入节点，并且在该充电模式下，该第二开关装置打开以断开从该充电输入节点到该系统电压供应节点的连接。
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