CN1302594C - 用于配备多电池的电子装置的供电控制装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于配备多电池的电子装置的供电控制装置，它由晶体管、参考电压电路以及电压比较电路所组成。晶体管分别与电池及电子装置耦接。参考电压电路分别与电子装置及电压比较电路耦接，用以输出调整负载电压，其值为负载电压减去参考电压，其中，该参考电压是大于该电压比较电路的偏移电压，且参考电压值远小于供电电压及负载电压，以消除电压比较电路的偏移电压所造成输出的不确定性。电压比较电路分别与参考电压电路、电池及晶体管耦接，当供电电压大于调整负载电压即控制晶体管导通，反之，则控制晶体管关闭。其目的在于制造一近似理想的二极管，串接于电池与电子装置之间。

Description

用于配备多电池的电子装置的供电控制装置
(1)技术领域
本发明有关一种电力供应控制装置，特别是有关一种用于配备多电池的电子装置的供电控制装置。
(2)背景技术
科技发展的日新月异，数字电子产品的问世，带给人类更便利的生活。而各种可携式装置，例如：移动电话、笔记本电脑或个人数字助理(Personal DigitalAssistance，PDA)等的快速发展，更大大地提升人类生活的便利以及工作的效率。
可携式装置可以在不外接电源的情况下，完全依赖其所配备的电池作为电力来源，提供需要的电力。不外接电源的可携式装置工作时间的长短，取决于电池能够持续而稳定地供应电力的供电时间长短。目前一般都是以多个电池组同时或轮流供电的方式，来延长不外接电源的可携式装置的工作时间。这样，则需要一个供电控制装置来控制每一个电池组的供电状况。
请参照图1，它是传统配备双电池的可携式装置所使用的供电控制装置的电路方块图。传统作法是利用两个二极管D1、D2来控制第一电池102与第二电池104的供电状况。二极管D1、D2分别与第一电池102与第二电池104耦接，并且与负载106一起耦接于节点a。其中，负载106可以是任何需要电池提供电力的可携式装置。这样，相当于把第一电池102与第二电池104并联，若第一电池102的供电电压VB1大于第二电池104的供电电压VB2，则二极管D1导通且二极管D2关闭，负载106所需的电力完全由第一电池102供应。反之，若第一电池102的供电电压VB1小于第二电池104的供电电压VB2，则二极管D2导通且二极管D1关闭，负载106所需的电力完全由第二电池104供应。换言之，本装置是通过比较第一电池102与第二电池104的供电电压VB1与VB2的大小来决定二极管D1、D2的导通与关闭，进而控制由何者供应负载106所需的电力。
上述的供电控制装置的缺点是：二极管导通时，二极管的两极会具有一个大小约是0.35~0.7伏特的电压压降。换言之，电池的供电电压必须比负载电压高0.35~0.7伏特，二极管才会导通。这样，使得电池所储存的电力无法完全供应给负载，因而降低电池的供电能力及供电时间。尤其电池的电压原本就不高时，上述作法所造成电池供电能力的损失会变得相当严重。
请参照图2，它是传统配备双电池的可携式装置所使用的另一个供电控制装置的电路方块图。与上述作法不同的是，本作法是以两个晶体管M1、M2来取代上述作法中的二极管D1、D2，控制第一电池202与第二电池204的供电状况。其中，晶体管M1、M2的导通与关闭是由微控制单元(micro control unit，MCU)208所控制。微控制单元208可检测第一电池202、第二电池204是否存在，以及第一电池202、第二电池204的供电电压，以输出控制信号至晶体管M1、M2，控制晶体管M1、M2的导通与关闭。当晶体管M1导通，且晶体管M2关闭时，负载206所需的电力完全由第一电池202供应。反之，当晶体管M2导通，且晶体管M1关闭时，负载206所需的电力完全由第二电池204供应。换言之，本供电控制装置是通过控制晶体管M1、M2的导通与关闭，进而控制由第一电池202或第二电池204供应负载206所需的电力。
上述的供电控制装置虽然可解决二极管导通时两极的压降的问题，提高电池的供电能力及供电时间。但是缺点是需要微控制单元来检测并控制电池的供电状况，增加控制电路及控制方法的复杂度以及控制电路的制造成本。此外，微控制单元进行检测并控制电池的动作需要一段反应时间。如果正在供电的电池突然被取走，或是因为其他原因突然无法正常供电，需要经过一段时间后，微控制单元才会检测到此情况。在这段时间，虽然与另一个电池耦接的晶体管是处于关闭状态，但另一个电池的供电电压会强迫导通该晶体管的内部二极管(body diode)，通过该内部二极管输出电力至负载，直到该晶体管导通为止。二极管导通时，两极具有顺向电压(Forward voltage)，大小约为0.7伏特。对负载而言，当正在供电的电池突然无法正常供电时，输入负载的供电电压会瞬间下降约0.7伏特。这个大小约0.7伏特的瞬间电压压降，对负载，尤其是低操作电压的负载的工作状况影响很大。此外，如果当时电池的供电电压不高，上述作法有可能会使得负载误认为电池的电力不足，甚至强行关机，造成使用者资料的遗失及使用的不便。还有，如果加入新的电池作为该负载新的供电来源的话，就需要使用软件程序去重新设定微控制器的动作，困难度较高。
(3)发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于配备多电池的电子装置的供电控制装置，以实现：降低电池至负载的压差；降低电路的复杂度及制造成本；可任意增加或减少配置的电池数目以及在电子装置操作时可自由地插拔电池；以及消除电压比较器由于电压偏移所造成的输出的不确定性。
根据本发明的目的，提出一种用于配备多电池的电子装置的供电控制装置，用以控制该些电池的供电状况，其中，该电子装置具有一负载电压，且该电池具有一供电电压，其特征在于，该供电控制装置至少包括：一个晶体管，分别与该电池及该电子装置耦接；以及一个电压比较电路，具有一个第一信号输入端与该电子装置耦接、一个第二信号输入端与该电池耦接以及一个信号输出端与该晶体管耦接，该电压比较电路是依据该供电电压以及该负载电压的大小输出一个比较信号，以控制该晶体管的导通与关闭；其中，各电池是通过独立的供电控制装置与该电子装置耦接，当该供电电压大于该负载电压，该晶体管即导通，该电池与该电子装置电性耦接，当该供电电压小于该负载电压，该晶体管即关闭，该电池与该电子装置电性不耦接；其特征在于该供电控制装置还包括：一个参考电压电路，分别与该电子装置以及该电压比较电路的该第一信号输入端耦接，该参考电压电路具有一个参考电压，用以依据该负载电压输出调整负载电压至该电压比较电路，该调整负载电压的大小为该负载电压减去该参考电压之值，该电压比较电路是依据该供电电压以及该调整负载电压两者的大小控制该晶体管的导通与关闭，当该供电电压大于该调整负载电压时，则将该晶体管导通，当该供电电压小于该调整负载电压时，则将该晶体管关闭；其中，该参考电压是大于该电压比较电路的偏移电压，且参考电压值远小于供电电压及负载电压。
本发明由于利用硬件电路来控制并切换电池的供电状况，可避免使用二极管所造成的压降问题。此外，本发明由于不使用微控制单元，可减小电路的复杂度以及降低制造成本。
为进一步说明本发明的目的、结构特点和效果，以下将结合附图对本发明进行详细的描述。
(4)附图说明
图1是传统配备双电池的可携式装置所使用的供电控制装置的电路方块图。
图2是传统配备双电池的可携式装置所使用的另一个供电控制装置的电路方块图。
图3是本发明所提出用于配备双电池的可携式装置的供电控制装置的电路方块图。
(5)具体实施方式
本发明所提出的供电控制装置是将每一个电池皆配备一个独立的供电控制装置以控制该电池的供电状况，而不是像传统作法通过一个微控制单元(Micro Control Unit，MCU)去控制所有电池的供电状况。这样，当负载需要加入新的电池作为新的电源时，只需要将一个新的供电控制装置分别与新的电池以及负载耦接即可，不需要以软件程序去重新设定微控制单元的动作，较为简便。
请参照图3，它是本发明所提出的用于配备双电池的可携式装置的供电控制装置的电路方块图。以下是以与第一电池302耦接的供电控制装置300(1)为例，说明供电控制装置的组成元件的耦接关系及工作原理。供电控制装置300(1)是由晶体管M1、参考电压电路310(1)以及电压比较器308(1)所组成。在本实施例中，晶体管M1为P通道(P-channel)的功率金属氧化物半导体场效应晶体管(Power Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，Power MOSFET)，其漏极(drain)与第一电池302耦接，源极(source)与负载306耦接。晶体管M1的作用相当于一个开关，用以控制负载306与第一电池302的电性耦接状况。而电压比较器308(1)的正输入端(+)与参考电压电路310(1)耦接，负输入端(-)与电池302耦接，且输出端与晶体管M1的栅极(gate)耦接，如图3所示。需注意的是，在图3中的负载可以是任何需要电池提供电力的可携式装置，例如：移动电话、笔记本电脑或是个人数字助理器(Personal Digital Assistance，PDA)。
参考电压电路310(1)的正端(+)是与负载306耦接，且其负端(-)是与电压比较器308(1)耦接。参考电压电路310(1)具有参考电压VCAL1，其电压值远小于供电电压VB1及负载电压VL，约为10毫伏特(mV)。参考电压电路310(1)的负端(-)会输出一调整参考电压VL’，其值为负载电压VL减去参考电压VCAL1所得的差。参考电压电路310(1)的目的在于消除电压比较器308(1)由于元件的物理特性的差异所造成的偏移电压(offset voltage)(通常其值为+-5mV)所造成电压比较器308(1)输出的不确定性，以保证当供电电压VB1等于负载电压VL时，晶体管M1一定导通。
电压比较器308(1)是比较第一电池302的供电电压VB1以及调整负载电压VL’的大小，输出控制信号去控制晶体管M1的动作。其中，输入电压比较器308(1)的正输入端的调整负载电压VL’，其值为负载电压VL减去参考电压VCAL1所得的差。在本实施例中，当供电电压VB1大于调整负载电压VL’时，电压比较器308(1)会输出一低电位的控制电压VCL至晶体管M1的栅极。由于本实施例的晶体管M1为p通道的晶体管，低电位的控制信号VCL可将晶体管M1导通。反之，当供电电压VB1小于调整负载电压VL’时，电压比较器308(1)会输出一高电位的控制电压VCH至晶体管M1的栅极，将晶体管M1关闭。由于有参考电压VCAL1的加入，在供电电压VB1与负载电压VL的值相等时，调整参考电压VL’一定小于电池302的供电电压VB1，故晶体管M1一定导通。因此电压比较器308(1)只会在供电电压VB1小于负载电压VL时才使晶体管M1关闭。
以下说明在图3中，与第一电池302耦接的供电控制装置300(1)以及与第二电池304耦接的供电控制装置300(2)的工作原理及电路动作。
假设负载306只配备有第一电池302。对供电控制装置300(1)而言，无论晶体管M1是否导通，供电电压VB1必定大于负载电压VL。故输入电压比较器308(1)的正输入端(+)的输入电压必定小于输入负输入端(-)的供电电压VB1。因此电压比较器308(1)输出低电位的控制电压VCL至晶体管M1的栅极，将晶体管M1导通。而对供电控制装置300(2)而言，晶体管M2会保持上次状态可能是导通也可能是关闭。
假设此时将第二电池304与晶体管M2及电压比较器308(2)的负输入端(-)耦接。此时当第二电池304的供电电压VB2大于第一电池302的供电电压VB1时，由于第二电池304的供电电压VB2大于负载电压VL，故电压比较器308(2)输出低电位的控制电压VCL至晶体管M2的栅极，将晶体管M2导通。此时，由于晶体管M1、M2皆为导通，且第二电池304的供电电压VB2大于此时第一电池302的供电电压VB1，故对晶体管M1而言，是处于反相偏压(reverse bias)状态。此时会有一由源极流向漏极的逆向电流对第一电池302充电，晶体管M1受到逆向电流的影响，在源极与漏极之间产生一电压压降，其大小当大于参考电压V-CAL1时，电压比较器308(1)的正输入端(+)的输入电压必定大于负输入端(-)的输入电压。因此电压比较器308(1)会输出控制电压VCH将晶体管M1关闭。此时，改由第二电池304完全供应负载306所需的电力。需注意的是，上文所述的第一电池302及第二电池304分别切换其供电状况，以及负载306切换其电力来源的动作是完全由硬件电路来实现。而不是由软件程序控制的微控制单元来执行。与软件程序控制的微控制单元相比，硬件电路的启动与切换速度快，所需要的反应时间短。这样，则不会有两个电池在做切换时，由于微控制单元的反应时间过长所造成的暂态电压不足的现象发生。
假设此时第二电池304被拔出，负载306的负载电压VL降至负载电压VL减去参考电压VCAL1小于第一电池302的供电电压VB1时，电压比较器308(1)会将晶体管M1导通。此时，改由第一电池302完全供应负载306所需的电力。
故供电控制装置300(1)及300(2)，其等效电路特性近似为一理想二极管，顺向时由晶体管导通，逆向时检测一逆向电流使得晶体管关闭。因此当两个电池供电至负载时，会由电压高的电池先行供电，供应至两个电池电压相等时，再由两个电池一起并联供电。
需注意的是，本发明的控制供电装置可以无预警地加入或拔走任一电池，无论该电池当时是否为负载306的电源，而不会造成负载电压VL瞬间电压的遽降，因此不会有断电或是停机的情况发生。本发明上述实施例所揭示的一种用于配备多电池的电子装置的供电控制装置是利用硬件电路来控制并切换电池的供电状况，硬件电路的动作速度快，反应时间短，在切换电池的供电状况时不会发生暂态不稳定的现象。
本发明的控制供电装置使用场效应晶体管，故可减轻电压压降的问题。并且本发明不使用微控制单元，可以减低电路的复杂度以及制造成本。
此外，本发明是把每个电池皆通过一个独立的供电控制装置以控制电池的供电状况，而不需与其他电池供电控制装置作信号的沟通，故可无限制地自由增加或减少可携式装置所配备的电池数目。而且在插拔电池时不会造成瞬间负载电压的遽降，此时不会有断电、停机的情况发生。
当然，本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明权利要求书的范围内。

Claims (9)

1.一种用于配备多电池的电子装置的供电控制装置，用以控制数个电池的供电状况，其中，该电子装置具有一负载电压，且该电池具有一供电电压，其特征在于，该供电控制装置至少包括：
一个晶体管，分别与该电池及该电子装置耦接；以及
一个电压比较电路，具有一个第一信号输入端与该电子装置耦接、一个第二信号输入端与该电池耦接以及一个信号输出端与该晶体管耦接，该电压比较电路是依据该供电电压以及该负载电压的大小输出一个比较信号，以控制该晶体管的导通与关闭；
其中，各电池是通过独立的供电控制装置与该电子装置耦接，当该供电电压大于该负载电压，该晶体管即导通，该电池与该电子装置电性耦接，当该供电电压小于该负载电压，该晶体管即关闭，该电池与该电子装置电性不耦接；其特征在于该供电控制装置还包括：
一个参考电压电路，分别与该电子装置以及该电压比较电路的该第一信号输入端耦接，该参考电压电路具有一个参考电压，用以依据该负载电压输出调整负载电压至该电压比较电路，该调整负载电压的大小为该负载电压减去该参考电压之值，该电压比较电路是依据该供电电压以及该调整负载电压两者的大小控制该晶体管的导通与关闭，当该供电电压大于该调整负载电压时，则将该晶体管导通，当该供电电压小于该调整负载电压时，则将该晶体管关闭；
其中，该参考电压是大于该电压比较电路的偏移电压，且参考电压值远小于供电电压及负载电压。
2.如权利要求1所述的供电控制装置，其特征在于，该电压比较电路为一个比较器，该电压比较电路的该第一信号输入端为该比较器的正输入端，且该电压比较电路的该第二信号输入端为该比较器的负输入端。
3.如权利要求1所述的供电控制装置，其特征在于，该晶体管为一个功率金属氧化物半导体场效应晶体管。
4.如权利要求3所述的供电控制装置，其特征在于，该功率金属氧化物半导体场效应晶体管为一个P通道功率金属氧化物半导体场效应晶体管，其漏极是与该电池耦接，其源极是与该电子装置耦接，其栅极是与该电压比较电路的该信号输出端耦接。
5.如权利要求4所述的供电控制装置，其特征在于，当该供电电压大于该负载电压，该比较器即输出一个低电位控制信号，使该P通道功率金属氧化物半导体场效应晶体管导通，该当该供电电压小于该负载电压，该比较器即输出一个高电位控制信号，使该P通道功率金属氧化物半导体场效应晶体管关闭。
6.如权利要求1所述的供电控制装置，其特征在于，该电子装置为可携式电子装置。
7.如权利要求6所述的供电控制装置，其特征在于，该可携式电子装置为移动电话。
8.如权利要求6所述的供电控制装置，其特征在于，该可携式电子装置为笔记本电脑。
9.如权利要求6所述的供电控制装置，其特征在于，该可携式电子装置为个人数字助理器。
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