CN1509504A - 电压模式高精度电池充电器 - Google Patents

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Abstract

提供一种电压模式电池充电系统，该系统包括：一个电池电流控制部分(28)，一个电池电压控制部分(32)和一个功率控制部分(36)。该电池电流控制部分(28)和该电池电压控制部分(32)中的每一个分别产生表示电池充电电流和电池充电电压的信号。该功率控制部分(36)产生表示可从一个适配器电源得到的功率的信号。这些信号中的每一个以共模方式结合，且如果这些部分中的任何一个超过一个门限值，则电池充电电流被减小。

Description

电压模式高精度电池充电器
本发明要求2001年8月17日提交的转让给同一受让人的申请号为60/313,260的美国临时申请的优先权。
技术领域
本发明涉及一种用于为一个或多个电池充电的电池充电器电路。更具体的，本发明涉及一种采用电流和电压控制来调节充电周期从而提供精确的充电和充电终止的电压模式电池充电器。
发明内容
一方面，本发明提供一种调节脉宽调制PWM信号占空比的电路。该电路包括一个电池电流控制部分，该部分产生一个与电池充电电流超出预先设定的电池充电电流门限值的量成比例的电流控制信号。该电路还包括一个电池电压控制部分，该部分产生一个与电池电压超出预先设定的电池电压门限值的量成比例的电压控制信号。本发明还提供了一个补偿电容和一个给该补偿电容充电的电流源。本发明还提供了一个根据补偿电容上的电压幅值产生一个脉宽调制PWM信号的比较器。上述电流源、电流控制信号和电压控制信号在一个公共节点处相加，因此该电流控制信号和/或电压控制信号减小补偿电容上的电压，从而减小PWM信号的占空比。
另一方面，本发明提供了一种电池充电电路，其包括：一个电流控制电路，该电路产生一个与电池充电电流超出预先设定的电池充电电流门限值的量成比例的电流控制信号；一个电压控制电路，该电路产生一个与电池电压超出预先设定的电池电压门限值的量成比例的电压控制信号；一个直流/直流转换器电路，用于从直流电源产生电池充电电流；一个脉宽调制PWM信号发生器电路，用于产生一个用来控制直流/直流转换器电路占空比的脉宽调制PWM信号。该脉宽调制PWM信号发生器电路包括一个比较器、一个振荡器、一个补偿电容和一个给该补偿电容充电的电流源。该比较器根据补偿电容上的电压产生一个脉宽调制PWM信号。该电流源、电流控制信号和电压控制信号在一个公共节点处相加，因此该电流控制信号和/或电压控制信号减小补偿电容上的电压，从而减小PWM信号的占空比并减小直流/直流转换器电路传送的电流。
本领域的技术人员应理解，虽然下面的详细描述是基于给出的最佳实施例及其使用方法，但是本发明并不仅仅局限于这些实施例和使用方法。反而，本发明涉及范围广泛，其范围仅由相应权利要求限定。
本发明的其他特征和优点将在下面的详细描述过程中得到充分体现，详细描述中请参照附图及其相关数据、元件标号。
附图说明
图1所示为本发明的一种典型电池充电系统的框图；
图2所示为本发明的一种典型放大器电路；和
图3所示为图1所示系统中的根据一个振荡器信号和直流信号产生的PWM信号的时域图。
具体实施方式
图1所示为本发明的电压模式电池充电器系统10的一个典型实施例。该系统10包括一个采用直流电源14来给一个或多个电池16充电的电压模式电池充电器电路12。该直流电源可以是一个交流/直流适配器或者其它电源。电路12通过开关20控制降压型转换器电路18(包括一个电感和一个电容，为本领域所公知)的占空比，从而控制输送至电池16的总充电量。概括而言，电路12通过监测电源电流、电池充电电流(电流模式)和电池电压(电压模式)来控制降压型转换器电路18的占空比。电池充电电流通过流经电阻(或阻抗)Rsch的电流来检测。本发明采用一种电压模式电路来检测Rsch的电流，而不是检测电感上的电流(如在常规电流模式拓扑中那样)。通过这种方式，并通过同时采用电池电流控制和电压控制，本发明实现了充电周期末对电池的更精确充电，并且实现了比常规电流模式充电电路更精确的充电终止。系统10的详细描述如下。
实际上，充电器电路12通过控制补偿电容Ccomp 38上的功率来控制降压型转换器18的占空比。电路12包括一个由检测放大器26和跨导放大器28构成的电池电流控制部分，一个由求和单元30和跨导放大器32构成的电池电压控制部分和一个由检测放大器34和跨导放大器36构成的功率控制部分。电池电流控制部分和电池电压控制部分分别产生表示电池电流和电压的信号。功率控制部分产生一个表示可从电源14得到的功率的信号。上述三部分连接在一起(在节点60)，如果上述部分中的任何一个超过门限值，输送给充电电容器的功率就会减小，从而减小降压型转换器的占空比。下面将详述具体的实现过程。
降压型转换器18的占空比由比较器40通过开关20来控制。比较器40的输入为补偿电容(Ccomp)38上的电压和振荡器44产生的一个锯齿形信号。比较器40的输出为一个脉宽调制PWM信号68，该PWM信号的脉冲宽度(占空比)反映了Ccomp 38上的电压幅值和锯齿信号的相交。由此产生的PWM信号的占空比便是基于补偿电容38上的电压和由振荡器44产生的锯齿信号。这里所述的“基于”可以被广义地理解并且通常解释为“是什么的函数”或“与什么相关”。Ccomp上的电压幅值越高，PWM信号68的占空比就越大。在该典型实施例中，锯齿信号为一个固定频率的信号，因此PWM信号的占空比是通过调节Ccomp 38上的电压幅值来调节的。Ccomp 38由电流源42充电。当电流控制部分、电压控制部分或功率控制部分中任意一个都没有信号产生时，电流源给Ccomp充电到最大电压，因此PWM信号达到最大占空比，并且降压型转换器传送最大充电电流和电压给电池。电流控制部分、电压控制部分或功率控制部分产生的任意一个信号都使补偿电容38的电荷减少，从而减小补偿电容上的电压和减小PWM信号的占空比。在这种情况下，传送至电池16的充电电流可以被控制。降压型转换器18和开关20的具体情况为本领域所公知，且对于本发明不重要，可以概括为一个可控制的直流/直流转换器电路。
电流控制
电流控制部分(电路)包括一个检测放大器26和一个跨导放大器28。检测放大器监测流经检测阻抗Rsch 24的电池充电电流，并产生一个与电池充电电流成比例的信号。跨导放大器28接收检测放大器26的输出，并把它与一个预编程的(期望的)电池电流信号Ich相比较。通常，跨导放大器28的输入为电压信号，其输出为一成比例的电流信号。跨导放大器的输出为电流控制信号62，该信号与电池充电电流超出预编程的电池电流Ich的量成比例。Ich为零，直到电池充电电流超过预编程的电流值Ich。该预编程的电流值Ich是根据具体的电池类型和要求而设定的，例如设定为给本领域熟知的常规锂电池充电。
如果电池充电电流超出门限值Ich，放大器28产生一个成比例的电流控制信号62。因为放大器28的输出与电流源42的负极相耦合(在节点60处)，所以任何由放大器28产生的信号都用来从电流源42拉出电流。该过程接着减小Ccomp 38上的电压，从而减小PWM信号68的占空比并减小传送给电池的充电电流。因为输出电流控制信号62与输入值成比例，所以占空比作为电池充电电流的一个函数被动态地调节。
电流检测放大器26可以是本领域现有的定制或标准放大器。然而，正如本领域还熟知的，放大器26必须提供大的共模电压抑制。因此，如图2所示，本发明的另一方面是给出一种能消除大共模电压抑制需求的放大器结构。图2所示的检测放大器26包括一个由运算放大器46控制的开关48和增益电阻(gain resistor)R1 52、R250。图2的放大器26对共模电压不敏感。而是由上述开关通过把Rsch上的悬浮(floating)差动电压引到地并根据R2/R1给出的增益放大该悬浮差动电压来传送该电压。
电压控制
电压控制部分(电路)包括求和单元30和一个跨导放大器32。在该典型实施例中，求和单元30有三个输入：一个高精度参考或微调电压(Ref)、一个电压设定值(Vset)和一个电压校正(Vcor)信号。在该典型实施例中，电池16为锂电池。锂电池对于过压情况很敏感，一旦过度充电就会引起危险。因此，参考或微调信号Ref要精确到电池允许的公差范围内。对于锂电池，允许误差在±0.005伏数量级。然而，其它电池类型和参考电压要求同样在此考虑。Vset代表一个电压设定值，通常由电池生产商提供。Vcor是一个与充电电流成比例的校正信号，并且用作充电设备和与电池相关的寄生电阻的补偿信号(因为电池电压不能直接被测量，所以必须依靠寄生电阻)。尽管图中没有示出，Vcor可以由一个与检测放大器26的输出并联的分压器通过中间抽头得到。这三个信号在求和单元30中以加权方式相加。例如，求和单元30的输出可以设置为VRef+(Vset/x)+(Vcor/y)；其中x和y分别根据期望的电压设定值和校正值而选择。Vcor和Vset不需要像参考电压一样精确，因为它们的贡献被x和y除后减小了。
求和单元30的输出加权电压信号可以认为是一个预先设定的电池电压门限信号。跨导放大器32比较求和单元的输出和电池电压。放大器32的输出为一个电压控制信号64，该电压控制信号与电池电压超出由求和单元建立的门限值的量成比例。如同上面电流控制部分所述，如果电池电压超出了求和单元确定的门限值，信号64为非零。因为放大器32的输出与电流源42的负极相耦合(于节点60处)，放大器32产生的任何信号64都用来从电流源拉出电流。该过程接着减小Ccomp 38上的电压，从而减小PWM信号68的占空比并减小传送给电池的充电电流。因为放大器32的输出64与输入值成比例，所以占空比被动态地调节以获得一个期望的电池电压。
功率控制
功率控制部分(电路)包括一个检测放大器34和一个跨导放大器36。该功率控制部分用来减小降压型转换器的占空比，如果直流电源需要给一个与电源相连的有源系统72(例如便携式电子设备)提供更多电能，则功率控制部分因此也会减小传送给电池的充电电流。该有源系统与跨接在检测电阻Rsac上的充电系统10并联。因为电源14提供的总功率不变，所以在一个设计优良的系统中，有源系统和电池充电电路的负载要求是相平衡的。功率控制部分通过减小充电电流来符合有源系统的要求，从而确保有源系统一直占有优先级(就功率要求而言)。因此，功率控制部分产生一个与电池充电器和有源系统需要的功率超出门限值Iac_lim的量成比例的功率控制信号66。Iac_lim通常为适配器电源14所能传送的最大功率值。例如，电源14能同时给一个有源系统(未示出)供电和给电池传送电流。如果该便携式系统需要更多功率，则电池的充电电流因此减小来保证该系统的需求。电源14通常定义为可由一个交流/支流适配器提供的直流电源。
检测放大器34监测电源14传送的流过检测阻抗Rsac 22a的总适配器电流。总适配器(电源)电流包括系统电流(即，传送至一个与电源相连的便携式系统(未示出)的电流)和电池充电器电路12(这部分电流等于由电池的充电电流除以降压型转换器的占空比)。检测电阻Rsac上的信号为一个与总适配器电流成比例的信号。跨导放大器36接收检测放大器34的输出并把它与一个功率门限信号Iac_lim相比较。因此，如果检测电阻上的信号大于Iac_lim，这说明系统需要更多功率，从而电池充电电流就被减小。当然，该限制信号可以是固定的，或可以根据系统的动态功率需求和/或电源的变化而调节。跨导放大器的输出为功率控制信号66，该功率控制信号为零，直到电池充电器和有源系统要求的功率超出门限值Iac_lim。
如果电池充电器和有源系统要求的功率超出门限值Iac_lim，放大器36会产生一个成比例的功率控制信号66。因为放大器的输出与电流源42的负极相耦合(于节点60处)，所以放大器36产生的任何信号都用来从电流源拉出电流。该过程接着减小Ccomp 38上的电压，从而减小PWM信号68的占空比并减小传送给电池的充电电流。因为放大器36的输出66与输入值成比例，所以占空比作为平衡系统和电池之间的功率需求的一个函数被动态调节，以便使其不超过直流电源14的最大功率输出。
图3所示为PWM信号68(下图)、补偿电容上的电压Vccomp和锯齿形信号44(上图)相交的时域图70。在该典型实施例中，Vccomp实际上为一个幅值由电流源42提高并由电流控制信号62、电压控制信号64或功率控制信号66降低的直流信号。换句话说，Vccomp的值(幅值)为信号(42-(62，64和/或66))之和。通过降低Vccomp的值，PWM信号的占空比减小。
因此，根据本发明，可以用一个差动的补偿电容来调节PWM信号的占空比。在该典型实施例中，动态地调节PWM是作为电池充电电流、电池电压和/或系统功率需求的函数来实现的。图1所示的电路拓扑为一种电压模式电路拓扑。电压模式电路拓扑指检测电阻Rsch放在降压型转换器之外，于是流过该电阻的电流为直流(无脉动)电流。本领域的技术人员将知道上述和其它对本发明的改进，所有的这些及其他改进对本领域的技术人员都是显而易见的，都应被认为是在本发明的精神之内，并受限于本发明的附后的权利要求。

Claims (28)

1.一种调节脉宽调制PWM信号占空比的电路，包括：
一个电池电流控制部分，该部分产生一个与电池充电电流超出预先设定的电池充电电流门限值的量成比例的电流控制信号；一个电池电压控制部分，该部分产生一个与电池电压超出预先设定的电池电压门限值的量成比例的电压控制信号；一个补偿电容和一个给所述补偿电容充电的电流源；和一个比较器，该比较器根据所述补偿电容上的电压产生一个脉宽调制PWM信号；所述电流源、所述电流控制信号和所述电压控制信号在一个公共节点处相加，所述电流控制信号和/或所述电压控制信号减小所述补偿电容上的电压，从而减小所述脉宽调制PWM信号的占空比。
2.根据权利要求1所述的电路，还包括一个功率控制部分，该部分产生一个与有源系统和电池充电器要求的总电流的量成比例的功率控制信号；所述电流源、所述电流控制信号、所述电压控制信号、所述功率控制信号在一个公共节点处相加，所述电流控制信号和/或所述电压控制信号和/或所述功率控制信号减小所述补偿电容上的电压，从而减小所述脉宽调制PWM信号的占空比。
3.根据权利要求2所述的电路，所述功率控制部分包括一个检测放大器，该检测放大器用来检测所述源产生的总电流并产生一个表示由直流电源产生的所述总电流的信号；和一个跨导放大器，用来将所述表示电源产生的所述总电流的信号与一个预先设定的功率门限信号进行比较。
4.根据权利要求3所述的电路，如果表示所述电源产生的所述总电流的信号超出所述功率门限信号，则所述功率控制信号为非零值。
5.根据权利要求1所述的电路，其中，所述电流控制部分包括：一个检测放大器，该检测放大器用来检测供给所述电池的充电电流并产生一个表示供给所述电池的充电电流的信号；和一个跨导放大器，该跨导放大器用来将所述表示供给的充电电流的信号与一个预先设定的充电电流信号进行比较，并产生所述电流控制信号。
6.根据权利要求5所述的电路，其中，如果表示供给所述电池的充电电流的所述信号超出所述预先设定的充电电流信号，则所述电流控制信号为非零值。
7.根据权利要求1所述的电路，其中，所述电压控制部分包括：一个求和单元，用于产生一个预先设定的电池电压信号，和一个跨导放大器，用来将表示电池电压的所述信号与所述预先设定的信号进行比较，并产生所述电压控制信号。
8.根据权利要求7所述的电路，其中所述求和单元包含：包括一个参考电压信号的第一输入信号，所述参考信号根据所述电池的门限电压而选定；包括一个电池电压设定信号的第二输入信号，所述电池电压设定信号由所述电池产生；和包括一个电压校正信号的第三输入信号，所述电压校正信号补偿所述电池的寄生电容；其中所述求和单元提供所述第一、第二和第三输入信号的加权和，从而产生所述电池电压门限信号。
9.根据权利要求1所述的电路，还包括一个振荡器，用于产生一个频率固定的锯齿形信号，所述比较器将所述锯齿信号与所述充电电容器上的电压幅值进行比较，并产生占空比由所述充电电容器上的电压幅值调节的所述PWM信号。
10.根据权利要求1所述的电路，还包括一个与多个开关和一个直流电源相耦合的降压型直流/直流转换器，所述PWM信号控制所述开关的导通状态以控制所述降压型转换器的占空比，从而调节从所述直流电源传送给所述电池的充电电流总量。
11.根据权利要求5所述的电路，其中，所述检测放大器包括：与一个检测电阻并联的运算放大器，所述运算放大器检测流过检测电阻的电流，所述流过检测电阻的电流表示供给所述电池的电流；一个耦合在所述运算放大器的一个输入和地之间的开关，所述开关的导通状态由所述运算放大器的输出控制；分别在所述检测电阻和所述运算放大器的一个输入之间、以及在所述开关和一个参考节点之间设置的第一和第二增益电阻；其中，表示供给所述电池的充电电流的所述信号取自所述第二电阻和所述开关之间的节点。
12.根据权利要求2所述的电路，其中，所述有源系统包括一个便携式计算机。
13.根据权利要求3所述的电路，其中，所述直流电源包括一个交流/直流适配器。
14.一种电池充电电路，包括：
一个电流控制电路，用于产生与电池充电电流超出预先设定的电池充电电流门限值的量成比例的电流控制信号；
一个电压控制电路，用于产生与电池电压超出预先设定的电池电压门限值的量成比例的电压控制信号；
一个从直流电源产生所述电池充电电流的直流/直流转换器电路；
一个脉宽调制PWM信号发生器电路，用于产生用来控制所述直流/直流转换器电路的占空比的脉宽调制PWM信号，所述脉宽调制PWM信号发生器电路包括：一个比较器、一个振荡器、一个补偿电容和一个给所述补偿电容充电的电流源；
所述比较器根据所述补偿电容上的电压产生所述脉宽调制PWM信号；所述电流源、所述电流控制信号和所述电压控制信号在一个公共节点处相加，所述电流控制信号和/或所述电压控制信号减小所述补偿电容上的电压，从而减小所述脉宽调制PWM信号的占空比并由此减小所述直流/直流转换器电路传送的电流。
15.根据权利要求14所述的电路，还包括一个功率控制部分，用于产生与有源系统和电池充电器要求的总电流的量成比例的功率控制信号；所述电流源、所述电流控制信号、所述电压控制信号和所述功率控制信号在一个公共节点处相加，所述电流控制信号和/或所述电压控制信号和/或所述功率控制信号减小所述补偿电容上的电压，从而减小所述脉宽调制PWM信号的占空比。
16.根据权利要求15所述的电路，其中，所述功率控制部分包括：一个检测放大器，用来检测所述源产生的总电流并产生一个表示由直流电源产生的所述总电流的信号；和一个跨导放大器，用来将表示所述源产生的所述总电流的信号与一个预先设定的功率门限信号进行比较。
17.根据权利要求16所述的电路，如果表示所述源产生的所述总电流的所述信号超出所述功率门限信号，则所述功率控制信号为非零值。
18.根据权利要求14所述的电路，其中，所述电流控制部分包括：一个检测放大器，用来检测供给所述电池的充电电流并产生一个表示供给所述电池的充电电流的信号；和一个跨导放大器，用来将所述表示供给的充电电流的信号与一个预先设定的充电电流信号进行比较并产生所述电流控制信号。
19.根据权利要求18所述的电路，如果表示供给所述电池的充电电流的所述信号超出所述预先设定的充电电流信号，则所述电流控制信号为非零值。
20.根据权利要求14所述的电路，其中，所述电压控制部分包括：一个求和单元，用于产生一个预先设定的电池电压信号，和一个跨导放大器，用来将表示电池电压的所述信号与所述预先设定的信号进行比较并产生所述电压控制信号。
21.根据权利要求20所述的电路，其中，所述求和单元具有：包括一个参考电压信号的第一输入信号，所述参考信号根据所述电池的门限电压而选定；包括一个电池电压设定信号的第二输入信号，所述电池电压设定信号由所述电池产生；和包括一个电压校正信号的第三输入信号，所述电压校正信号补偿所述电池的寄生电容；其中，所述求和单元提供所述第一、第二和第三输入信号的加权和，从而产生所述电池电压门限信号。
22.根据权利要求14所述的电路，还包括一个振荡器，用于产生一个频率固定的锯齿形信号，所述比较器将所述锯齿形信号与所述充电电容器上的电压幅值进行比较，并产生占空比由所述充电电容器上的电压幅值调节的PWM信号。
23.根据权利要求14所述的电路，所述直流/直流转换器电路包括一个与多个开关和一个直流电源相耦合的降压型直流/直流转换器电路，所述PWM信号控制所述开关的导通状态以控制所述降压型转换器的占空比，从而调节从所述直流电源传送给所述电池的充电电流总量。
24.根据权利要求18所述的电路，其中，所述检测放大器包括：与一个检测电阻并联的运算放大器，所述运算放大器检测流过检测电阻的电流，流过所述检测电阻的所述电流表示供给所述电池的电流；一个耦合在所述运算放大器的一个输入端和地之间的开关，所述开关的导通状态由所述运算放大器的输出控制；分别在所述检测电阻和所述运算放大器的一个输入端之间、以及在所述开关和一个参考节点之间连接的第一和第二增益电阻；其中，表示供给所述电池的充电电流的所述信号取自所述第二电阻和所述开关之间的节点。
25.根据权利要求18所述的电路，其中，所述电路通过使所述检测电阻与所述直流/直流转换器并联而以电压模式工作，从而检测传送给所述电池的所述充电电流。
26.根据权利要求14所述的电路，其中，所述直流/直流转换器电路包括一个降压型转换器，该降压型转换器包括并联的一个电感器和一个电容器。
27.根据权利要求15所述的电路，其中，所述有源系统包括一个便携式计算机。
28.根据权利要求14所述的电路，其中，所述直流电源包括一个交流/直流适配器。
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