CN1238070A - 电池驱动的电设备的电源装置和充电器及其方法 - Google Patents

Abstract

统一式电池充电方法可以控制恒定和时变电流源。与恒定电流源所采用的充电方法不同的是，必须在充电过程中对时变电流源的输入电流进行连续检查。通过基于输入电流测量值选择占空比，对电池充电或提供电话功率的输出电流大小被设置为期望值。适用于不同电源和各种所需电流的统一公式改进了优选的输出电流计算。这样，可以用该统一公式控制输入和输出电流，而不论使用的是恒定电流源或时变电流源。为了获得较平滑的平均电流，本方法引入了可调的时间周期，它根据输入电流和期望输出电流之间的差而确定。

Description

电池驱动的电设备的电源装置和充电器及其方法

发明背景

本发明一般而言涉及由可充电电池供电的电设备，具体地说涉及用于使电设备工作以及以可变电流源对电池充电的电源装置和充电装置及方法。

在电设备比如蜂窝电话中，通常采用电池作为设备的电源。例如，将电话连接到被称为充电器的外接电源，可以对电话电池充电。一般来说，充电过程是由驻留在电话内的软件控制的。

根据本发明的结构和方法使电流控制方法从恒定电流源延伸至时变电流源，这正是新的产品所要求的。也就是说，常规的恒定电流源制造成本高昂，另外为了降低制造成本，新产品也包括了提供时变电流的造价低廉得多的充电器。本发明利用一种新颖的方法，控制可变电流的电话电池充电和操作。该方法开发了一种同时以变化电源对电池充电和供电的改进型统一标准的电流控制公式。还建议采用一种时变的时间周期，以平滑平均输出电流。

此前，蜂窝电话的充电器提供的是恒定电流源。该电话电池可以通过与充电器连接而直接充电，无须任何电流控制。当向电话提供电流时，采用一个公式计算负载周期，它是在规则时间周期T上被切换为“通”的充电电流(I_charge)的百分比。因此，在这段时间周期上的平均电流(I_phone)等于优选的电话电流。

负载周期=(I_phone/I_charge)×T    ----------(1)

对于恒定电流源来说，I_charge是一常数，而I_phone则是相应于电话功率电平的常数。因此负载周期同样是每个功率电平下的常数。

标准充电器是简单的交流-直流转换器，它将电话经电话的系统连接器与墙壁上的插孔直接相连。标准充电器提供未滤波和未整流的输出电流，利用传统的变压器和全波整流装置将110V(或220V)交变电流(AC)转换成6V直流(DC)。标准充电器的输出电流大小因时间以及其负载两端的电压而改变。一般而言，输出电流是幅度在0到1.5A以及平均值在700mA左右的120Hz(或100Hz)的完整波形。这种情况下充电器的负载电压一般是电池电压。该负载电压越低，输出电流越高，反之亦然。

当利用时变电流源对电池充电时，不能简单地驱动充电电流对电话电池充电。必须连续地测量输入充电电流。因此，利用恒定电流源的常规电池充电方法不再适用，需要一种新颖的方法来产生一段时间周期上的优选充电电流。

根据本发明，提供统一的(unified)电池充电方法，以便控制恒定电流源以及时变电流源。与恒定电流源所采用的充电方法不同的是，必须在充电过程中对时变电流源的输入电流进行连续检查。可以基于输入电流测量结果选择不同的占空比，将对电池充电或提供电话功率的电流输出量设置为不同的期望数值。为了改进所述的优选输出电流计算方法，根据预定的关系提供适用于不同电源(I_input)和各种期望电流(I_out-des)的统一公式。该方法的优点是，不论电流源是时变还是恒定的，控制流入电话的电流的计算方法都是准确的。在对电话电池充电时，I_out-des是对电池充电所期望的电流量。当提供电话功率时，I_out-des是驱动处于不同工作模式的电话的电流量。当利用恒定电源时，I_input是来自该外部电源的恒定值。当利用时变电源时，I_input是改变的，必须不断加以测量。对于所有组合的场合，不同的期望输出电流可以通过改变某时间周期内的占空比而获得。

根据本发明的另一方面，建议采用可调节的时间周期t，以使平均电流更为平滑，这改进了充电效率。在某些情况下，例如，当输入电流比期望电流大得多的时候，需要显著降低占空比，使得该电流以短脉冲形式施加。由于占空比是在规则时间周期T中充电电流(I_input)切换为“通”时间所占的百分比，这样的短脉冲导致在相当长的时间段中充电电流被切换为“断”。这样的过渡充电过程不平滑，因而不是所期望的。对于时变电流源，期望输出电流和输入电流之间的差也是时变的。如果采用固定的时间周期，该差值越大，平均结果越差。这样根据I_input和I_out-des间的差值修改时间周期t。当这一差值小于0(即I_input＜I_out-des)，该时间周期继续扩展直至ΔI改变符号。

在例示性实施例中，根据本发明的方法包括(a)测量自电流源输入的输入电流(I_input),(b)根据预定工作参数选择期望输出电流(I_out-des),(C)根据I_input和I_out-des确定负载周期，以及(d)根据该负载周期提供功率(I_output)给电设备。步骤(b)可以通过根据电池充电工作选择I_out-des来实施，步骤(d)可以通过提供功率使电池充电来实施。负载周期是占空比和时间周期的乘积。这样，步骤(c)通过改变在该时间周期上的占空比来实施。在另一替代过程中，时间周期是(I_input-I_out-des)的函数，而且步骤(c)是经改变时间周期来实施的。

步骤(b)可以通过确定电池是否需要充电，并且如果需要，将I_out-des调整为电池充电电流(I_battery)来实施。这样，如果电池不需充电，则步骤(b)可以通过将I_out-des调整为装置工作电流(I_device)来实施。

在根据本发明的另一例示性实施例中，提供了一个用于电池驱动电设备的电源装置。该电源装置可以耦合至恒定电流源和时变电流源之一。电源装置包括监测来自电流源的输入电流(I_input)的A/D变换器，存储与预定工作参数相应的期望输出电流(I_out-des)的存储器，以及根据I_input和I_out-des确定占空比的控制器，其中该控制器根据负载周期控制一开关以驱动输入电设备的输入电流(I_input)。电源装置还可以包括与电设备耦合的可再充电电池，用于在电流源断开的时候驱动电设备。

该电源装置还可以包括与控制器连通的充电电路，其中控制器根据所述预定参数之一使充电电路闭合，对电池充电。预定参数优选至少包括一个充电模式和一个装置工作模式。这样，当该装置处于充电模式时，控制器将I_out-des调整为电池充电电流(I_battery)，并且当装置处于装置工作模式时，控制器将I_out-des调整为装置工作电流(I_device)。

本发明的各种方面和优势将结合附图详细说明，附图中：

图1是示意根据本发明电源装置的框图；

图2是由电源装置的微处理器执行的程序的流程图；

图3是I_input和I_out-des随时间变化的电流控制图；

图4是当I_input＞＞I_out-des时的平均输出电流的图形；

图5A-5C是示意说明利用变化时间周期的电流控制的图形；和

图6是根据本发明的状态机图。

图1是示意根据本发明电源装置结构的框图。电源装置10包括与AC电源比如墙壁电源插孔相连的充电器12。输入电流I_ch流向开关14，该开关14基于来自微处理器16的信号ICTRL闭合和打开。微处理器根据本发明的控制算法经充电电路18控制开关14。微处理器16访问存储用于充电的期望输出电流(I_out-des)数值和电话的工作参数的EEPROM。该EEPROM还存储了符合下列表的其它变量：

条件值	数值	定义
			电话断电电平(最大)	6.8V	手持装置的断电电平
电话断电电平(最小)	4.2V	手持装置的断电电平
			电池最大电平	6.5V	在充电过程中的最大电池电压
电池第一充满电平	6.0V	在充电前的电池充满电平
			电池充满电平	5.6V	4单元式电池的充满电平
TX通的高电平	5.3V	充电过程中交谈模式下电池高电平
			TX通的低电平	4.5V	充电过程中交谈模式下电池低电平
TX断的电池再充电电平	5.2V	备用模式中对电池的再充电
			TX通的电池再充电电平	4.8V	在交谈模式中对电池的再充电
备用的低电池警告电平	4.5V	在备用模式中电池电平为低
			TX通的低电池警告电平	4.4V	在交谈模式中电池电平为低
充电电流最大限值	1.5A	最大充电输入电流
			电池充电电流值	0.7A	对电池充电所需的电流
快速充电器参考电平	0.5A	区分充电器类型的电流值
			充电电流阈值	0.1A	最小充电输入电流
充电温度的高限	48℃	停止充电的高限
			充电温度的低限	5℃	停止充电的低限
充电温度的高基准点	40℃	充电许可温度范围的高点
			充电温度的低基准点	10℃	充电许可温度范围的低点
负ΔV	2	-dV检测的A/D读数数量
			负ΔV计数器	2	-dV检测的连续周期数
峰值电压计数器	10分钟	峰值检测时间
			快速充电器的安全定时器	4小时	快速充电器的最大充电时间
基本充电器的安全定时器	8小时	基本充电器的最大充电时间

当电源装置处于充电模式并且开关14闭合时，装置电池20接收对电池充电的输入电流I_battery。

现在结合图2说明根据本发明的结构所执行的算法。出于说明的缘故，蜂窝电话被描述为电装置，但是本发明也可以应用于其它电装置，而且本发明不仅仅限于蜂窝电话。

当充电器连接至电话(带有电池)时，一个充电周期开始了。充电功能可以在电话接通进行完全(full)的服务或者电话关断之时执行。充电电流总是通过在充电周期期间控制充电开关ICTRL来加以调制。提供给电话或电池的电流量与不同的工作方式和电池电压有关。

在步骤S101通过测量充电电流来检测充电器的连接。这一电流测量是使ICTRL切换至“通”并且读取经充电电路从充电器输出的电流，它每秒钟进行一次。如果平均电流高于充电电流阈值，则表示充电器被检测到(步骤S102)。

如果检测到充电器，则在步骤S103启动充电算法。如上所表示的那样，与恒定电流源所用的常规充电方法不同，在充电过程中必须连续地对时变电流源的输入电流进行检查(步骤S104)。在步骤S105输入电流I_charge被平均为I_input。即，在ICTRL为“通”的同时必须读取充电电流，并且标准AC/DC充电器的输出电流是120Hz的全波。考虑到在一个标准快速充电器中存在一个4700μF电容，该电容将导致只要ICTRL发生改变就会有长的过渡时间，因此这一电流每五秒测量一次，办法是设定ICTRL“通”50毫秒之后在8毫秒内取10个样本。新的电流读数是10个样本的平均值。然后利用滤波平均技术通过分别以1/32和31/32权重将新的电流读数和先前的I_input相加计算出I_input。

接下来，在步骤S106确定电池是否需要充电。如果需要(在步骤S106的答案为“是”)，微处理器进入步骤S107。如果不需要(在步骤S106的答案为“否”)，微处理器进入步骤S108。在步骤S107和S108，分别用于对电池充电或使电话工作所需的电流根据工作模式被设置为期望输出电流I_out-des。用于对电池充电或提供电话工作所需能量的输出电流大小被微处理器通过基于输入电流测量值(见图3)选择不同的占空比而设置为期望数值。不同电源(I_input)和各种所需电流(I_out-des)的统一公式提供如下：

I_out-des=I_input×占空比       ………(2)

以及负载周期=占空比×T    ………(3)

其中T是获取平均电流I_out-des的时间周期。如上所注明的那样，统一公式的好处在于不论采用何种电流源，恒定的还是时变的，公式(2)总是可以用作为通用计算方法。当对电话电池充电的时候，I_out-des是对电池充电所需的电流量，而当提供电话功率时，I_out-des是对在不同工作模式下消耗的电话电流补偿的电流量。当采用恒定电源时，I_input是来自外加电源的恒定数值。当利用时变电源时，I_input是变化的，必须时时加以测量。对于所有的组合情形，可以通过改变某时间周期内的占空比获得不同的输出电流。图3示意了对于电池充电和电话供电两种情况采用公式(2)和(3)的电流控制。注意，对于指定的输出电流I_out-des，占空比随着输入电流I_input的降低而增加。

在步骤S109，根据I_input和I_out-des，由公式(2)和(3)计算负载周期，使得：

负载周期=(I_out-des/I_input)×T    ………(4)

然后输出负载周期，用于ICTRL开关“通”或“断”控制，并且根据所确定的负载周期将功率(I_output)施加在电设备上。为了减少微处理器的计算负担，可以预计算负载周期并将之存储在EEPROM的表中。微处理器存取相应的表格，并且根据输入电流I_input和期望输出电流I_out-des检取负载周期。

如果I_input小于I_out-des，则设置负载周期为100％。否则利用上述公式计算该负载周期。在特定场合下，当发送装置处于“通”并且电池电压高于5.3V时，ICTRL将在时间周期的其余时间被置低，以保护电话以免发生内部过热。

在负载周期“通”的期间，也许会有电池电压测量用的ICTRL为低的短脉冲。在ICTRL断的时间(t_p-(负载周期))里，可以有用于充电器连接检测的ICTRL为高的短脉冲。

利用可调节的时间周期T可以获得较平滑的平均电流。由于输入电流是时变的，输出电流和输入电流之间的差值也是时变的。如果利用的是固定时间周期，那么该差值越大，平均结果越差(见图4)。

设定t是电流平均用的可变时间周期，则公式(3)中的负载周期成为负载周期=占空比×t。在该公式中，该时间周期t是根据I_input和I_out-des之间的差值电流修改的。一般而言，t可以表达为ΔI的函数：

t=f(ΔI)=f(I_input-I_out-des)    ………(5)

当ΔI增加时，时间周期T减少，反之亦然。当ΔI小于0(I_input＜I_out-des)，该时间周期继续扩展，直至ΔI变号。图5A-5C利用公式(5)计算的变化时间周期所得的平滑平均后的输出电流。

图6是根据本发明算法的状态机示意图。当电话被电池或外加电源加电时，充电算法进入启动状态，在该状态与算法有关的所有参数都被初始化。一个10分钟的启动定时器被激活，以使电话达到电池温度。电话开始不断地检查充电器连接，并且识别被接在电话上的电源类型。如果没有检测到充电器，则电话被电池驱动，算法进入手持状态，在该状态充电功能被关闭，电话按手持装置方式工作。

一旦检测到充电器，则激活充电，同时自手持状态改变为等待状态。等待状态是充电算法的分析状态。在等待状态，微处理器检查所有的充电要求，以确保电池在安全的环境下充电。具体要求包括：(1)启动定时器时间已到，(2)发送器为“断”，(3)电话没有访问系统或扫描通道，(4)电池温度处于充电范围内，以及(5)电池电压低于“第一次充满”电平。如果所有的要求均被满足，算法被切换至充电状态。否则算法停留在等待状态，同时维持(maintain)电池。如果经检测电池电压高于充电前的“第一充满”电平，那么算法直接进入充电完成状态，避免对已经饱和的电池过充电。

在充电状态，采用来自电源装置的充电电流对电池充电。充电过程中，不断地监视一些条件，比如发送器的环境，电池温度和电话工作模式。如果这些条件中任何一个达到不可接受的程度，那么算法返回等待状态。否则，电池连续充电直至达到电池充满电平。有四个条件用于确定电池是否已完全充满：(1)-ΔV检测，(2)峰电压检测，(3)最大电池电压，(4)定时器安全限度。如果上述条件的任何一个得到满足，则中断充电状态。然后算法切换至充电完成状态，同时宣布电池充满。

在充电完成状态，算法以调制过的充电电流维持完全充电的电池。卸扣(click out)功能被启用，以避免电池在短时间内再次充电。在等待状态所检查的条件同样在充电完成状态也要进行核查。如果电压降至备用模式的备用再充电电平之下，算法返回充电状态，重新充电。如果电压降至通话模式的通话再充电电平，算法返回等待状态，然后在发送器为“断”时返回充电状态。

如果在充电过程中有3秒钟未检测到充电器，那么算法返回手持状态，退出充电过程。

当通过将充电器连接至电话而对电话加电或者当在充电器处于连接状态的同时电话掉电的时候进入仅有充电的模式。在该仅有充电的模式中，收发机单元处于“关”状态，而键盘被禁用。电池充电过程是所激活的仅有功能。充电控制软件是经设计能同时用于正常模式和仅有充电的模式的统一功能。

在与充电器相连时，可以通过按压<END>键使电话在正常模式和仅有充电的模式之间切换。在模式过渡期间，充电过程平滑地从当前工作模式转移到另一模式。保存了一些充电状况，以继续充电过程。当电话由于工作模式切换而被复位时充电循环不会重新启动。这一设计也可以适用于用软件使电话重新启动(热启动或冷启动reboot)的场合。

由于充电电流是时变的，同样必须自始至终对使电池充电或向电话供电所需要的电流进行调制。该调制产生一个是规则时间周期的一定百分含量的负载周期，使得在这一时间周期上的平均电流等于优选的充电电流。负载周期是一个变量，其数值不仅取决于充电电流和所需要电流的大小，还取决于许多其它参数，比如充电状态，电池电压，发送器通/断及其功率电平，和背照光开/关选择。关于这一点：

负载周期=(I_out-des/I_input)×T_p    ………(6)

其中T_p是规则时间周期(5秒),I_charge是来自充电器的平均充电电流，并且I_out-des是对电池充电或提供电话电流的所需电流。

为了对电池充电，负载周期是I_input和电池充电电流I_battery的函数。

负载周期=(I_battery/I_input)×T_p    ………(7)

为了提供电话电流，负载周期是I_input和电话电流I_phone的函数。负载周期中另有10％用于充电效率方面，使得：

负载周期=(I_phone/I_input)×T_p×100％    ………(8)

如果背照光状态为“通”，那么由背照光电流I_backlight对负载周期进行补偿，以及：

负载周期=((I_battery+I_backlight)/I_input)×T_p………(9)

或负载周期=((I_phone+I_backlight)/I_input)×T_p×110％………(10)

如果发送器处于“通”状态并且电池电压大于5.3V，或者电话正在访问系统或扫描信道并且电池电压大于4.5V，那么负载周期被置零。如果发送器为“通”并且电池电压低于4.5V，那么利用方程(7)计算负载周期。

在“充电”状态，如果在“等待”状态所检查的所有充电条件均得到满足的话，充电电流被送往电池，直至电池充满状态被确认。由于电池中没有设置热敏电阻，所述的电池充满检测仅是依据电压读数进行的。每分钟通过比较新的电压读数和先前读数，计算平均电压V_MEAN并检查。如果充电曲线在上升，那么用新的读数V_MEAN更新最大读数V_{MEAN MAX}。否则，如果V_MEAN MAX已经在电池充满电平之上，则激活电池充满判断操作。采用下列方法确定电池是否充满。

(1)-ΔV检测

如果连续两个循环电池电压V_MEAN均比最大读数V_MEAN MAX小两个A/D读数(相当于28毫伏)，则电池已经完全充满。

(2)峰值电压检测

如果在10分钟的时间内电池电压V_MEAN均小于或等于最大读数V_{MEAN MAX}，则充电过程完成。

(3)最大电压限值

如果最大电压读数V_MEAN MAX达到或超过电池电压的最大电平，则充电过程停止。

(4)安全定时器限值

如果充电已经达到最大充电时间，则中断充电。该定时器在电池实际进行充电时有效。

对于标准充电器而言，充电电流的变化也促使电池电压发生变化。电压不能通过读取A/D转换器直接测得。在ICTRL处于“断”状态的同时，电压测量每5秒激活一次。在将ICTRL设定为“断”100毫秒之后对电压采样，并且新的平均电压是新的采样值和先前平均电压的平均值。

在没有内置热敏电阻的情况下，电池温度被当作为振荡器热敏电阻所提供的电话内部温度。由于实际的电池温度不能由热敏电阻加以精确测量，故此它被用作为充电过程中电话环境温度的参考值。如果该温度超出某一具体范围，则不对电池充电。每秒钟检查温度一次，并且通过将新的温度读数和先前平均温度数值分别以1/8和7/8的权重相加利用滤波平均方法加以平均。这些温度限值在整个充电过程中均是必要的。

根据本发明，提供了一种电源装置和方法，用于使电设备工作，并对设备电池充电，而不管电流源是恒定或时变的与否。这样，可以采用不太昂贵的充电器，比如提供如上所述的时变电流的标准充电器，减少了总的产品成本。

此外，利用进行电流平均的可调节时间周期，获得更为平滑的平均电流，并因而使充电更为有效。

尽管本文已结合当前被认为是最可行和优选的实施例对本发明作了描述，但是本发明并不为所披露的实施例所限，相反本发明旨在涵盖包含于后附权利要求书的精神和范围内的各种修改方案和等效装置。

Claims (12)

1．以电流源使电池驱动下的电设备工作的方法，其中电流源是恒定电流源和时变电流源之一，该方法包括：

(a)测量自电流源输入的输入电流(I_input)；

(b)根据预定工作参数选择期望输出电流(I_out-des)；

(c)根据I_input和I_out-des确定负载周期；以及

(d)根据该负载周期提供功率(I_output)给电设备。

2．根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(b)是通过根据电池充电操作选择I_out-des而实施的，并且其中步骤(d)是通过提供功率对电池充电来实施的。

3．根据权利要求1所述的方法，其特征在于负载周期是占空比和时间周期的乘积，并且其中步骤(c)通过改变在该时间周期上的占空比来实施。

4．根据权利要求1所述的方法，其特征在于负载周期是占空比和时间周期的乘积，并且该时间周期是(I_input-I_out-des)的函数，其中步骤(c)是通过改变该时间周期来实施的。

5．根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(b)可以通过确定电池是否需要充电，并且如果需要，将(I_out-des)调整为电池充电电流(I_battery)而实施。

6．根据权利要求5所述的方法，其特征在于如果电池不需充电，则步骤(b)可以通过将I_out-des调整为装置工作电流(I_device)而实施。

7．一个用于电池驱动电设备的电源装置，所述电源装置可以耦合至恒定电流源和时变电流源之一，该电源装置包括：

监测来自电流源的输入电流(I_input)的A/D变换器；

存储与预定工作参数相应的期望输出电流(I_out-des)的存储器；以及

与所述A/D变换器和所述存储器相连通的控制器，该控制器基于所述预定工作参数选择I_out-des并且根据I_input和I_out-des确定占空比，其中该控制器根据负载周期驱动输入电设备的输入电流(I_input)。

8．根据权利要求7所述的电源装置，其特征在于还包括与所述电设备耦合的可再充电电池，用于在电流源断开的时候对电设备供电。

9．根据权利要求8所述的电源装置，其特征在于该电源装置还包括与所述控制器连通的充电开关，所述控制器根据所述预定参数之一使充电开关闭合，对所述电池充电。

10．根据权利要求7所述的电源装置，其特征在于所述预定参数至少包括一个充电模式和一个装置工作模式。

11．根据权利要求10所述的电源装置，其特征在于当所述装置处于所述充电模式时，所述控制器将I_out-des调整为电池充电电流(I_battery)。

12．根据权利要求10所述的电源装置，其特征在于当所述装置处于装置工作模式时，所述控制器将I_out-des调整为装置工作电流(I_device)。

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