CN1674402A - 能够实现涓流预充电和/或涓流放电的电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种能够实现涓流预充电和/或涓流放电的电路。所述充/放电电路可以包括至少一个开关，该开关具有一个完全导通状态和一个可控导通状态，和一个能够检测状态的开关控制电路。该开关控制电路还能够产生至少一个控制信号，该控制信号能够至少部分地根据检测到的状态控制开关的导通状态。本发明既可以节省系统成本，又增加了系统的灵活性。
Description
技术领域
本发明涉及电池充电电路，更具体的是涉及能够进行涓流预充电和/或涓流放电的电池充电电路。本发明可以应用于便携式电子装置的电池充电系统，例如笔记本电脑、个人数字助理、手机和/或拥有充电电池的任何类型的电子装置。
背景技术
充电电池，特别是锂离子电池，需要在深度放电状态后进行预充电(恢复充电)，以防止电池的过度耗尽。当一个充电电池被深度放电，且它的单电池电压小于欠压阈值电压Vuv，不能直接采用大的充电电流对其充电。相反，我们需要一个预充电模式。在预充电模式下，采用一个小的充电电流，直至电池电压充电至高于电压Vuv，然后可以在正常模式下充电，即采用较大电流充电。对于锂离子电池，一个单电池的阈值电压Vuv根据电池类型和生产厂商的不同， 大约为2.4V～3.0V。预充电电流大约为10mA～100mA。然而，根据电池电量的不同，正常充电电流可以为几百毫安培至1安培。
图1A为一个锂离子充电电池的充电曲线图50。当电池电压高于Vuv时，电池进入恒流(CC)充电模式，且采用一个大的恒电流对电池充电(电池电压也随着电池电量的增加而增加)。当电池电压超过Vov(Vov代表过电压阈值，对于锂离子电池，通常大约为4.2V)，电池进入恒压(CV)充电模式。在该模式下，充电器将电压保持在Vov。当充电电流减小到一个预设的最小值时，例如50mA，充电过程停止。在恒压充电模式下，充电器必须精确地调节电压至Vov(误差在+/-.005V内)，否则，随着电池电量增大，充电电流将不会减小。例如，如果充电输出大于Vov，则会出现电池过度充电的现象，锂离子电池会出现安全问题。
图1B为一个实现预充电的传统电路10。一个预充电MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)12与一个电阻14串联，它们用于预充电。在预充电的同时，充电FET(场效应管)16断开，预充电FET12导通。所以，预充电电流大致由充电器输入电压VPACK+和总单电池电压Vcell之差，VPACK+-Vcell，除以串联电阻14Rpre决定。当交流适配器存在时，VPACK+比电池组电压Vcell高，根据每个单电池的初始电压开始充电或预充电。如果任何一个单电池的电压低于阈值电压Vuv，则电池组将进入预充电模式。否则，进入正常充电模式。
本领域的技术人员将知道，图1B中的电路10包括一个电池监测器集成电路20，该电池监测器集成电路20包括监测电池组22的每个单电池(Cell1，Cell2...Cell4)的电压、电流状态的电路。该电路可以包括一个开关网络24对每个单电池的电压进行采样。为了控制预充电MOSFET12的工作，传统电路10包括一个比较器26，该比较器26通过开关30，将一个恒值参考电压28(Vuv)与每个单电池的电压作比较。
然而，该图1B中的拓扑结构有一个缺陷，它需要一个额外的功率MOSFET(即MOSFET12)和电阻14，它们既昂贵又会增加印刷电路板的面积。另外，根据这个拓扑结构，电池组电压越低，预充电电流越大。而且，预充电电流会随着单电池电压的增加而减小，这意味着需要更长的时间来完成预充电。
另外，电阻14的值通常是固定的，最大和最小预充电电流通常也是固定的，因此它们不能进行调整以满足不同电池组的需求。
发明内容
本发明的一个优势是，正如本揭示内容中多个实施例所述，在不使用额外FET和电阻的情况下，可以实现可调节的涓流预充电。这样既节省系统成本，又增加系统的灵活性。通过随总电池电压逐渐增加而相应提高预充电电流，从而有效地缩短预充电时间。
本发明的另一个优势是，可以在恒压期间采用涓流预充电电流控制，其中涓流预充电电路能够根据单电池电压产生一个涓流充电电流。以这种方式，恒压充电电流的逐步减小不需要依赖充电器将电压调节至Vov。因此，本发明的优势是，本揭示内容提供了多个可以避开使用昂贵、精确的电压调节充电器的实施例。事实上，一个简单的交流适配器可以用来对锂离子电池充电。因为在恒压充电期间，即使充电器也不能将电压恒定保持在Vov，但是充电电流可以被限制到一个预编程的涓流电流值，且该值取决于单电池电压。因此，不会发生过度充电情况。该充电电流的限制可以作为第二级过压保护(通过将电流限制设置至略微大于实际观测到的电流以得到期望的Vov)，和/或作为第一级过压保护(通过调节充电电流，直至得到确切期望的Vov)。
本发明的另一优势是，本发明的涓流放电可以为电池组提供更好的短路保护。在传统的电池组中，放电FET可以完全导通以允许放电，或者可以完全断开以终止放电。当电池组不在系统中时(例如不使用电池组时)，放电FET保持在导通状态，以便为电池组插入到系统那刻能给系统供电做准备。在这种情况下，若发生了不正常的事情，例如VPACK+端短路，会有大电流从电池流出，这个电流会反过来损坏电池。或者，在传统的电池组中，放电FET可以保持在断开状态以保护电池不受短路的危害。但是，当电池组插入系统中时，该做法会阻止电池对系统的供电。为了克服这个困难，一些传统的电池组提供一个机械方法以通知电池组令放电FET导通。这会给客户带来不便，同时还会增加价格和/或电池组的尺寸。根据这里所描述的至少一个实施例，当电池不在/脱离系统时，电池组可以处在涓流放电模式下。当电池组插入到系统时，涓流放电电流值可以选择得较大，例如100mA，以驱动拥有嵌入式系统的控制器。然后，拥有嵌入式系统的控制器将会检测到电池存在，并通知电池在正常的放电模式下工作。因为放电FET将电流限制至预设的涓流放电值，例如100mA，可以防止大电流的突然增加，从而起到VPACK+短路保护作用。
本发明提供一种装置，所述装置包括：至少一个具有完全导通状态和可控导通状态的开关；能够检测状态的开关控制电路，所述开关控制电路还能够产生至少一个控制信号，所述信号能够至少部分的根据所述检测到的状态控制所述开关的导通状态。
本发明所述的装置，所述开关包括一个充电开关以控制充电至一个电池的充电电流，所述状态包括所述电池的一个涓流充电状态，和其中所述充电开关响应代表所述涓流充电状态存在的控制信号，从而进入所述可控导通状态，由此允许涓流充电电流从一个电源流向所述电池。
发明所述的装置，所述充电开关响应代表所述涓流充电状态不存在的控制信号，从而进入所述完全导通状态，由此允许一个完全充电电流从所述电源流向所述电池，所述完全充电电流比所述涓流充电电流大。
发明所述的装置，所述开关包括一个放电开关，所述放电开关用于控制来自相关电池的放电电流，所述状态包括一个错误状态，且所述放电开关响应代表所述错误状态存在的控制信号，从而进入所述可控导通状态，由此允许涓流放电电流从所述电池流出。
发明所述的装置，所述放电开关响应代表所述错误状态不存在的控制信号，从而进入所述完全导通状态，由此允许一个完全放电电流从所述电池流出，所述完全放电电流比所述涓流放电电流大。
发明所述的装置，若所述电池提供的一个放电电流值大于一个错误电流阈值，则可以检测出所述错误状态的存在。
发明所述的装置，所述开关控制电路包括一个模数转换器，所述模数转换器接收代表一个电池的电流值的模拟信号，并提供一个代表所述电池的电流值的数字信号，一个控制器接收所述数字信号，并向一个数模转换器提供一个数字输出控制信号，所述数模转换器向所述开关提供所述控制信号。
本发明还提供一种系统，所述系统包括：一个包括至少一个可充电单电池的电池组；至少一个具有完全导通状态和可控导通状态的开关；能够检测状态的开关控制电路，所述开关控制电路还能够产生至少一个控制信号，所述信号能够至少部分地根据所述检测到的状态控制所述开关的导通状态。
本发明所述的系统，所述开关包括一个充电开关以控制充电至所述至少一个单电池的充电电流，所述状态包括所述电池的一个涓流充电状态，和其中所述充电开关响应代表所述涓流充电状态存在的控制信号，从而进入所述可控导通状态，由此允许涓流充电电流从一个电源流向所述至少一个单电池。
本发明所述的系统，所述充电开关响应代表所述涓流充电状态不存在的控制信号，从而进入所述完全导通状态，由此允许一个完全充电电流从所述电源流向所述至少一个单电池，所述完全充电电流比所述涓流充电电流大。
本发明所述的系统，所述开关包括一个放电开关，所述放电开关用于控制来自所述至少一个单电池的放电电流，所述状态包括一个错误状态，且所述放电开关响应代表所述错误状态存在的控制信号，从而进入所述可控导通状态，由此允许涓流放电电流从所述至少一个单电池流出。
本发明所述的系统，所述放电开关响应代表所述错误状态不存在的控制信号，从而进入所述完全导通状态，由此允许一个完全放电电流从所述至少一个单电池流出，所述完全放电电流比所述涓流放电电流大。
本发明所述的系统，若所述电池提供的一个放电电流值大于一个错误电流阈值，则可以检测出所述错误状态的存在。
本发明所述的系统，所述开关控制电路包括一个模数转换器，所述模数转换器接收代表所述至少一个单电池的电流值的模拟信号，并提供一个代表所述至少一个单电池的电流值的数字信号，一个控制器，所述控制器接收所述数字信号，并向一个数模转换器提供一个数字输出控制信号，所述数模转换器向所述开关提供所述控制信号。
本发明另提供一种方法，所述方法包括：为一个电池检测涓流充电状态和涓流放电状态中的至少一个状态；控制至少一个开关的导通状态，以允许所述电池进行接收涓流充电电流和产生涓流放电电流操作中的至少一个操作。
本发明所述的方法，还包括：控制一个放电开关的导通状态，以进入饱和导通范围，从而允许所述电池产生一个可控涓流放电电流。
本发明所述的方法，还包括：控制一个充电开关的导通状态，以进入饱和导通范围，从而允许所述电池接收一个可控涓流充电电流。
附图说明
图1A为一个锂离子电池的典型的充电曲线图；
图1B为一个传统的电池预充电电路；
图2A为本发明的一个典型的涓流预充电拓扑结构；
图2B为本发明的一个典型的涓流放电拓扑结构；
图3A为本发明的另一个典型的涓流预充电拓扑结构；
图3B为本发明的另一个典型的涓流放电拓扑结构；
图4为本发明的另一个典型的涓流预充电拓扑结构；
图5为本发明的一个典型可编程电流源；
图6为本发明的一个典型的涓流预充电和涓流放电拓扑结构。
具体实施方式
图2A描述了本发明的一个典型的涓流预充电拓扑结构100。在该实施例中，可以采用两个FET(充电FET CHG_FET和放电FET DSG_FET)。在该实施例中，充电FET104和放电FET102可以如图所示“背对背”串联放置，该方法为本领域技术人员所知。在涓流预充电模式下，放电FET102断开(非导通)。但是，若充电FET(CHG_FET)导通，则电流仍然可以通过放电FET102的体二极管流入电池组。若CHG_FET断开，则没有电流流出或流入电池组。
除了两个MOSFET，拓扑结构100还包括一个参考二极管D1 110、放电驱动器106、充电驱动器108和参考电流源Iref112。充电驱动器108和放电驱动器106有各自的比较器。在正常充电模式下，开关K1和K2(114和116)被设置在位置2。在该位置上，充电驱动电压CHG被驱动到大致等于一个相对参考电压CHG_REF，该电压值可以令充电FET104完全导通。因此，参考电压CHG_REF是根据充电FET 104的导通要求来选择的。
在涓流预充电模式下，开关K1和K2被设置在位置1。当加入交流适配器，电压VPACK+会上升。充电FET104被充电驱动器108驱动进入饱和状态，这意味着充电FET104作为一个可变电阻，且涓流电流可以流经开关104。充电驱动器108可以调节充电FET(CHG_FET)104迫使电压Vc接近Vd，Vd的电压由二极管D1 110和参考电流源Iref112来设置。
Vc由开关之间的电压所得。Vc可以作为比较器负极的输入，Vd(由Iref和D1设置)可以作为正极的输入。输出信号CHG为Vd-Vc之差所控制。当Vc大致等于Vd时，可以选择放大器的增益以产生一个大的输出信号来足够令充电FET在饱和区工作。因此，充电驱动器108可以在涓流预充电期间将固定的信号(Vd)与Vc比较。
在正偏条件下，二极管D1的直流电流由下式给出：
Iref＝A1×IS1×(exp(Vd1/Vt)-1)
其中，A1为二极管D1的结面积，IS1为二极管D1的单位反向饱和电流，Vd1为二极管D1两端的压降，且Vd1＝Vd-Vcell，Vt为二极管阈值电压。
放电FET102的体二极管的直流电流由下式给出：
Ipch＝A2×IS2×(exp(Vd2/Vt)-1)
其中，A2为体二极管的结面积，IS2为体二极管的单位反向饱和电流，Vd2为放电FET体二极管两端的压降，且Vd2＝Vc-Vcell。
如本领域技术人员所知，IS1和IS2由所选半导体装置的类型决定。
若迫使Vd和Vc大致相等，则涓流预充电电流与参考电流Iref成正比，且由下式给出：
Ipch＝A2/A1×(IS2/IS1)×Iref
尽管本发明没有要求，但是充电和放电FET的体二极管的结面积A2由于低导通电阻和大电流的要求通常较大，而为了节省晶圆芯片面积，二极管D1的结面积A1较小。因此，由于A2＞＞A1，可以用小电流Iref(几十微安)来控制大电流Ipch(几十到几百毫安)。
图2B描述了本发明的一个典型的涓流放电拓扑结构200。除了参考电流源112和二极管110与放电MOSFET102相连之外，该实施例与图2A所示的拓扑结构100相似。在涓流放电期间，充电MOSFET104断开，放电电流流经它的体二极管。拓扑结构200在其它方面的操作可以参考上述图2A。
图3A描述了本发明的另一个典型涓流预充电拓扑结构300。在该实施例中，充电FET和放电FET可以“面对面”串联放置，而不是“背对背”放置(如图2A所示)。图3A的实施例还可以包括一个参考二极管D1 310，在该实施例中，充电FET驱动器306受开关K1和K2控制。
在正常充电模式下，开关K1和K2被设置在位置2，所以充电FET的栅极电压被升至CHG_REF，该电压值可以令充电FET302完全导通。在涓流预充电模式下，放电FET304断开，K1和K2被设置在位置1。在这种情况下，充电FET驱动器306可以调节充电FET302以迫使电压Vc大致等于Vd。在正偏条件下，二极管D1的直流电流为：
Iref＝A1×IS1×(exp(Vd1/Vt)-1)
其中，A1为二极管D1的结面积，IS1为二极管D1的单位反向饱和电流，Vd1为二极管D1两端的压降，且Vd1＝VPACK+-Vd，Vt为二极管阈值电压。
放电FET的体二极管的直流电流由下式给出：
Ipch＝A2×IS2×(exp(Vd2/Vt)-1)
其中，A2为体二极管的结面积，IS2为体二极管的单位反向饱和电流，Vd2为放电 FET体二极管两端的压降，且Vd2＝VPACK+-Vc。
如本领域技术人员所知，IS1和IS2由所选半导体装置的类型决定。
若Vd和Vc被强制相等，则涓流预充电电流为：
Ipch＝A2/A1×(IS2/IS1)×Iref
图3B描述了本发明的一个典型的涓流放电拓扑结构400。除了参考电流源312和二极管310与放电MOSFET302相连之外，该实施例与图3A的拓扑结构300相似。在涓流放电期间，充电MOSFET304断开，放电电流流经其体二极管。拓扑结构400在其它方面的操作可以参考上述图3A。
为了加快涓流预充电进程，可以容易地根据单电池电压大小调整涓流预充电电流Ipch。单电池电压越高，通过对参考电流Iref的编程可以将涓流预充电电流设置得越大。图5的可编程参考电流源可以根据单电池电压大小产生一个参考电流，这为本领域技术人员所熟知。
图4描述了本发明的另一个典型的涓流预充电拓扑结构500。在该典型实施例中，充电FET504和放电FET502“背对背”串联放置的方式如图所示，且为本领域所知。在涓流预充电模式下，放电FET502可以断开(非导通)，若充电FET(CHG_FET)导通，则电流仍然可以通过放电FET502的体二极管流入单电池。若CHG_FET断开，则没有电流从单电池流出或流入单电池。
本实施例还可以包括一个参考电阻R1、放电驱动器506、充电驱动器508和参考电流源Iref1 512。充电驱动器508和放电驱动器506可以包括相应的差分放大器。在一个正常充电模式下，开关K1和K2(518和520)被设置到位置1。在该位置上，充电驱动电压CHG被驱动到大致等于一个相对参考电压CHG_REF的值，该电压值可以令充电FET504完全导通。因此，参考电压CHG_REF是根据充电FET装置504的导通要求来选择。
当需要涓流充电(即涓流预充电)时，开关K1和K2可以与节点2相连。在这种情况下，放大器508的输入为Rsens(+)上的电压和R1上的压降(由Iref1 512产生)。放大器508的增益可以选择地大一点(例如＞80dB)，这样，由Iref1产生的R1两端的压降将大致等于由涓流充电电流Ipch产生的检测电阻Rsens两端的电压。
涓流预充电电流由下式给出：
Ipch＝Iref1×R1/Rsens；
其中，Iref1是一个可编程电流参考源。通常Rsens很小(例如大约10到20毫欧)，而R1大约选择在10欧左右。因此，R1与Rsens之比可能很大，这样，由于R1/Rsens的大增益，可以用一个较小的参考电流Iref1产生一个相对大的涓流预充电电流。
图4的实施例中，在涓流预充电模式下，放电FET可以完全导通，这样，消除了在VPACK+与电池组电压之间的二极管正偏压降。在该模式下，开关K4 514和K3 516可以设置到位置1，这样，放电参考电压驱动放电FET完全导通(方式如上所述)。
仍然参考图4，在一个正常放电模式下，开关K3和K4可以分别与节点1相连。在这种方式下，放电FET驱动器可以作为一个缓冲器并驱动放电FET完全导通。当处在涓流放电模式下，开关K3和K4可以与节点2相连。由于驱动器的高增益，由Iref2产生的电阻R2两端的压降大致等于检测电阻Rsens两端的电压。因此，涓流放电电流为：
Idsg＝Iref2×R2/Rsens
其中，Iref2是一个可编程电流参考源。通常Rsens很小，因此R2与Rsens之比可能很大，这样，由于R2/Rsens的大增益，可以用一个较小的参考电流Iref2产生一个相对大的涓流放电电流。因为在放电期间电流反方向流动，所以检测电阻Rsens和R2两端的压降极性相反。因此，可以提供一个极性反向电路522令流经Rsens的电流反向。
在该实施例中，在涓流充电期间，放电FET完全导通。这样，消除了在VPACK+与电池组电压之间的二极管正偏压降。同样，在涓流放电期间，充电FET完全导通，消除了在电池组电压与VPACK+之间的二极管正偏压降。
在本发明中，一旦MOSFET与二极管固定，仍然可以通过可编程电流源(Iref)112、312、510和/或512调整Ipch。图5描述了本发明的一个典型的可编程电流源的电路拓扑结构。图5的电路通过成比例的镜像电流产生电流Iref，如本领域技术人员所知。当然，可编程参考电流源为本领域技术人员所熟知，除了图5所示电路之外，可编程参考电流源还能通过各种方法实现。
图6描述了本发明的一个典型的涓流预充电和涓流放电拓扑结构600。在该实施例中，充电FET604和放电FET602“背对背”串联放置的方式如图所示，且为本领域技术人员所知，或者，可以采用先前所述的“面对面”串联放置的方式。在该典型实施例中，一个数模转换器电路(DAC)616可以产生FET驱动电压，下文将详细描述。
该实施例包括一个控制环，该控制环包括一个模数转换器电路(ADC)614、一个控制器612和一个数模转换器电路(DAC)616。ADC614接收流经检测电阻Rsens618的检测所得电流。接着，ADC产生代表检测所得电流的数字信号，并将那些信号传送给控制器612。操作时，若流经电阻Rsens618的电流比预设阈值小，控制器612会向DAC616发送数据以增加相关FET的驱动电压。若流经电阻Rsens618的电流比预设阈值大，控制器612会向DAC616发送数据以降低FET的驱动电压，直至检测所得电流与预设电流大致相等。该实施例的这些操作上的特点将在下文中更详细地描述。
在正常充电或放电模式下，可以不启动DAC616，并且充电FET604和放电FET602导通。在该实施例中，DAC616能够可控地启动和/或不启动，例如通过使用一个图中所示的DAC_EN信号。充电FET驱动器608可以将充电FET604的栅极驱动至CHG_REF值，该值可以令充电FET604完全导通。放电FET驱动器606可以将放电FET602的栅极驱动至DSG_REF值，该值可以令放电FET602完全导通。通过诸如分别采用CHG_EN和DSG_EN信号的方法，充电FET驱动器608和放电FET驱动器606能够可控地启动或不启动。
在涓流放电模式下，开关K1(620)可以与节点1相连。可以不启动放电驱动器606(例如DSG_EN为低电平)，这样会在放电驱动器606的输出端呈现一个高阻抗。放电FET602的导通状态由DAC616和控制器612控制。这样，放电FET602、检测电阻Rsens618、ADC614、控制器612和DAC616组成控制环。通过控制放电FET602的导通电阻，本实施例能够将涓流放电电流调整至一个期望值，该操作可以在控制器中预编程。如先前的实施例所述，放电FET602的导通电阻可以通过调整其栅极驱动电压来调整。
控制器612可以包括控制DAC616工作的电路。这里所述的任何实施例中提到的“电路”包括：例如，单个的固线式电路、可编程电路、状态机电路和/或固件(存储可编程电路执行的指令)，或上述电路的组合。控制器612可以包括一个或更多集成电路。在这里所述的任何实施例中提到的“集成电路”是指一个半导体装置和/或微电子装置，例如一个半导体集成电路芯片。虽然没有在图6中示出，该实施例还可以包括存储器，该存储器可以包括一个或多个以下类型的存储器：半导体固件存储器，可编程存储器，非易失性存储器，只读存储器，电可编程存储器，随机存取存储器，闪速存储器，磁盘存储器和/或光盘存储器。另外或又或者存储器可以包括其它和/或今后开发出的计算机可读存储器类型。机器可读固件程序指令可以存储在存储器内。如下所述，控制器612可以获取并执行这些指令，并且这些指令会令控制器612执行这里所述的操作。这些操作可由控制器612和/或该实施例中包括的其它电路执行。
在该实施例中，控制器612能够产生一个或多个数据位，且该数据位代表期望的涓流放电电流值Itd。为了达到那个目的，控制器612能够根据Rsens618检测到的实际电流来执行顺序和/或循环操作以获得一个期望的涓流放电电流。例如，若期望的涓流放电电流被设置为Itd，则控制器612可以采用一个逐次近似寄存器(SAR)法产生合适的数据位。SAR方法包括将DAC MSB(最高有效位)初始设置为高电平，然后检测流经Rsens618的电流。若流经检测电阻618的电流(Isen)大于Itd，则控制器612可以将DAC MSB设置为低电平，否则控制器612令DAC MSB保持为高电平。接着，控制器612将第二个最高有效位(MSB)设置为高电平，然后测量流经Rsens的电流。若Itd小于Isen，则第二个最高有效位(MSB)设置为低电平，否则该位为高电平。这个逐次近似寄存器法可以继续，直至DAC LSB(最小有效位)被设置。因此，可执行指令可以存储在存储器中(未示出)，控制器612获得这些指令并执行操作，例如执行逐次近似寄存器法。若对于一个给定的电池组Itd是固定的，则存储在存储器中的指令也是固定的。任何时候需要涓流放电，控制器612都能够控制DAC616以产生一个期望的涓流放电，这样，电池组能够将Itd传送到外部负载。产生合适的涓流放电电流的控制代码可以存储在存储器中，并且控制器612可以获得控制代码以进行随后的涓流放电操作。若涓流放电电流需要调整，则可以采用这里所述的控制环相应地增大或减小Itd。在涓流放电模式下，充电驱动器608可以启动也可以不启动。差别在于涓流放电电流将对应地流经充电FET或流经其体二极管。
在涓流充电模式下，开关K1与节点2相连。可以不启动充电驱动器608(CHG_EN为低电平)。充电FET604的导通状态可以由DAC616和控制器612控制。在该模式下，充电FET604，检测电阻Rsens618，ADC614，控制器612和DAC616可以组成控制环。通过控制充电FET604的导通电阻，本实施例能够将涓流充电电流调整至一个期望的值。预充电电流通常是一个固定的值。在该模式下，本实施例可以通过采用诸如上述的SAR方法产生Ipch，并把控制代码存储在存储器中。对于涓流预充电电流，其值可以在最大限度与最小限度之间变化，这样，控制代码可以令Ipch在最大和最小范围内变动。这样，允许涓流充电电流被相应地调整。在涓流充电模式下，放电驱动器606也可以启动或不启动，差别在于涓流充电电流将对应地流经放电FET或流经其体二极管。
从图1A中，我们知道，在预充电期间和恒压(CV)充电期间，需要控制充电电流。在传统的电路中，需要一个附加的预充电FET来控制预充电电流。在这样一个传统电路中，恒压充电必须完全依赖于充电器精确地将充电电压调节至Vov，然后充电电流会逐步减小。
在本发明中，预充电功能可以在没有附加的预充电FET情况下实现。另外，为了加速预充电进程，预充电电流Ipch能够根据单电池电压容易地进行调整。单电池电压越高，通过对参考电流Iref的编程提供的预充电电流越大，如图2A、图3A、图4、或图6中的控制环所示。
本发明的一个优势是，正如本揭示内容中多个实施例所述，可以在恒压期间采用涓流预充电电流控制，其中涓流预充电电路能够根据单电池电压产生一个涓流充电电流。以这种方式，恒压充电电流的逐步减小不需要依赖充电器将电压调节至Vov。因此，本发明的优势是，本揭示内容提供了多个可以避开使用昂贵、精确的电压调节充电器的实施例。事实上，一个简单的交流适配器可以用来对锂离子电池充电。因为在恒压充电期间，即使充电器也不能将电压恒定保持在Vov，但是充电电流可以被限制到一个预编程的涓流电流值，且该值取决于单电池电压。因此，不会发生过度充电情况。该充电电流的限制可以作为第二级过压保护(通过将电流限制设置至略微大于实际观测到的电流以得到期望的Vov)，和/或作为第一级过压保护(通过调节充电电流，直至得到确切期望的Vov)。
本发明的另一优势是，本发明的涓流放电可以为电池组提供更好的短路保护。在传统的电池组中，放电FET可以完全导通以允许放电，或者可以完全断开以终止放电。当电池组不在系统中时(例如不使用电池组时)，放电FET保持在导通状态，以便为电池组插入到系统那刻能给系统供电做准备。在这种情况下，若发生了不正常的事情，例如VPACK+端短路，会有大电流从电池流出，这个电流会反过来损坏电池。或者，在传统的电池组中，放电FET可以保持在断开状态以保护电池不受短路的危害。但是，当电池组插入系统中时，该做法会阻止电池对系统的供电。为了克服这个困难，一些传统的电池组提供一个机械方法以通知电池组令放电FET导通。这会给客户带来不便，同时还会增加价格和/或电池组的尺寸。根据这里所描述的至少一个实施例，当电池不在/脱离系统时，电池组可以处在涓流放电模式下。当电池组插入到系统时，涓流放电电流值可以选择得较大，例如100mA，以驱动拥有嵌入式系统的控制器。然后，拥有嵌入式系统的控制器将会检测到电池存在，并通知电池在正常的放电模式下工作。因为放电FET将电流限制至预设的涓流放电值，例如100mA，可以防止大电流的突然增加，从而起到VPACK+短路保护作用。
这里所描述的涓流放电和涓流充电拓扑结构还可以用于多电池系统。当多个电池组同时放电，他们可以向系统提供更大的功率。由于多个电池组采用并联方式以增加效率，所以采用多个电池组还可以减少电池内部阻抗。然而，若多个电池组同时放电，就需要一个严格的规定，即那些电池必须拥有完全相同的电压。否则，由于和电池相连的电源总线的微小电阻(例如2mΩ)的存在，两个电池组之间会有微小的电压差，即使两个电池组之间的电压差很小(例如10mV)，也会有一个大电流(在此例中5A)从高电压电池组流向低电压电池组。
在实际操作中，很难使多电池组保持一个相同的电压，而且即使有一个很精确的ADC来检测电池电压，也很难判定两个电池组是否处在相同的电压，这是由于电池组电压会随放电电流变化。本揭示内容中的多个实施例所述的涓流放电操作能够解决多个电池组的问题。例如，一个系统可以包括两个电池组，电池组A和电池组B。假定初始状态电池组A的电压高于电池组B。
电池组A可以先放电以给系统供电，且电池组A的电压逐步下降。电池组B的放电FET断开以终止电池组B的放电。当电池组A的电压下降至与电池组B相同的电压，本发明可以将电池组B设置在涓流充电模式或涓流放电模式。若电池组B在涓流充电模式下工作，放电FET可以完全导通，充电FET可以被控制在饱和导通范围内工作。在这种方式下，充电FET可以作为一个限流电阻。若电池组B在涓流放电模式下工作，充电FET可以完全导通，放电FET可以被控制在饱和导通范围内工作。在这种方式下，放电FET可以作为一个限流电阻。为了更安全些，参考图6的拓扑结构600，可以通过令充电FET和放电FET在饱和导通范围内工作以增加充电FET和/或放电FET的等效电阻令涓流充电操作和/或涓流放电操作可控地产生一个相对小的电流值。
在先前的例子中，由于电池组A正在放电，电池组B处于闲置状态，电池组A的实际电压将高于电池组B的电压，即使它们所测得的电压可能相同。若出现这种情况，电池组A可以对电池组B充电。然而，充电电流被充电FET(若令电池组B处在涓流充电模式)或放电FET(若令电池组B处在涓流放电模式)的电阻所限制。被限制的电流由诸如控制器612执行的控制器代码决定。
本发明中，该充电电流被电池组B中的ADC所监测。随着电池组A与电池组B之间的电压差的减小，从电池组A流向电池组B的充电电流也减小。当充电电流小于一个预设值，例如10mA，控制器可以将电池组B从涓流充电模式或涓流放电模式转换至完全放电模式。
因此，本发明揭示了可编程涓流预充电和/或涓流放电电路和方法，它们与传统的拓扑结构相比，完成预充电更为灵活、使用的元件更少且效率更高。应该知道的是，电池监测器集成电路根据单电池所处的不同充电状态(深度放电应采用涓流充电模式)控制开关(K1、K2和/或K3和K4)，以令这里所述的至少一个实施例中的可编程涓流充电电路进入涓流预充电模式或正常充电模式。还应该知道的是，这里所述的拓扑结构可以采用独立的元件和/或集成于集成电路中和/或以上两者的结合来实现。
本发明可以应用于使用充电电池的任何便携式电子装置(便携式计算机，手机，个人数字助理，等等)。为了达到目的，这里描述的拓扑结构可以集成到一便携式电子装置的电池组中。这里所使用的“电池组”可以定义为一个至少包括一个单电池的电池。一个电池组可以包括一个或多个的可充电锂离子单电池。一个电池组还可以包括一个或多个的电子元件，例如这里所述的能够帮助电池组进行可控充电和/或放电和/或操作的元件。
本领域的技术人员将意识到可以有多种不脱离本揭示内容的精神和范围的修改。
Claims (17)
1、一种装置，其特征在于所述装置包括：
至少一个具有完全导通状态和可控导通状态的开关；和
能够检测状态的开关控制电路，所述开关控制电路还能够产生至少一个控制信号，所述信号能够至少部分的根据所述检测到的状态控制所述开关的导通状态。
2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述开关包括一个充电开关以控制充电至一个电池的充电电流，所述状态包括所述电池的一个涓流充电状态，和其中所述充电开关响应代表所述涓流充电状态存在的控制信号，从而进入所述可控导通状态，由此允许涓流充电电流从一个电源流向所述电池。
3、根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述充电开关响应代表所述涓流充电状态不存在的控制信号，从而进入所述完全导通状态，由此允许一个完全充电电流从所述电源流向所述电池，所述完全充电电流比所述涓流充电电流大。
4、根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述开关包括一个放电开关，所述放电开关用于控制来自相关电池的放电电流，所述状态包括一个错误状态，且所述放电开关响应代表所述错误状态存在的控制信号，从而进入所述可控导通状态，由此允许涓流放电电流从所述电池流出。
5、根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述放电开关响应代表所述错误状态不存在的控制信号，从而进入所述完全导通状态，由此允许一个完全放电电流从所述电池流出，所述完全放电电流比所述涓流放电电流大。
6、根据权利要求4所述的装置，其特征在于：若所述电池提供的一个放电电流值大于一个错误电流阈值，则可以检测出所述错误状态的存在。
7、根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述开关控制电路包括一个模数转换器，所述模数转换器接收代表一个电池的电流值的模拟信号，并提供一个代表所述电池的电流值的数字信号，一个控制器接收所述数字信号，并向一个数模转换器提供一个数字输出控制信号，所述数模转换器向所述开关提供所述控制信号。
8、一种系统，其特征在于所述系统包括：
一个包括至少一个可充电单电池的电池组；
至少一个具有完全导通状态和可控导通状态的开关；和
能够检测状态的开关控制电路，所述开关控制电路还能够产生至少一个控制信号，所述信号能够至少部分地根据所述检测到的状态控制所述开关的导通状态。
9、根据权利要求8所述的系统，其特征在于：所述开关包括一个充电开关以控制充电至所述至少一个单电池的充电电流，所述状态包括所述电池的一个涓流充电状态，和其中所述充电开关响应代表所述涓流充电状态存在的控制信号，从而进入所述可控导通状态，由此允许涓流充电电流从一个电源流向所述至少一个单电池。
10、根据权利要求9所述的系统，其特征在于：所述充电开关响应代表所述涓流充电状态不存在的控制信号，从而进入所述完全导通状态，由此允许一个完全充电电流从所述电源流向所述至少一个单电池，所述完全充电电流比所述涓流充电电流大。
11、根据权利要求8所述的系统，其特征在于：所述开关包括一个放电开关，所述放电开关用于控制来自所述至少一个单电池的放电电流，所述状态包括一个错误状态，且所述放电开关响应代表所述错误状态存在的控制信号，从而进入所述可控导通状态，由此允许涓流放电电流从所述至少一个单电池流出。
12、根据权利要求11所述的系统，其特征在于：所述放电开关响应代表所述错误状态不存在的控制信号，从而进入所述完全导通状态，由此允许一个完全放电电流从所述至少一个单电池流出，所述完全放电电流比所述涓流放电电流大。
13、根据权利要求11所述的系统，其特征在于：若所述电池提供的一个放电电流值大于一个错误电流阈值，则可以检测出所述错误状态的存在。
14、根据权利要求8所述的系统，其特征在于：所述开关控制电路包括一个模数转换器，所述模数转换器接收代表所述至少一个单电池的电流值的模拟信号，并提供一个代表所述至少一个单电池的电流值的数字信号，一个控制器，所述控制器接收所述数字信号，并向一个数模转换器提供一个数字输出控制信号，所述数模转换器向所述开关提供所述控制信号。
15、一种方法，其特征在于所述方法包括：
为一个电池检测涓流充电状态和涓流放电状态中的至少一个状态；和
控制至少一个开关的导通状态，以允许所述电池进行接收涓流充电电流和产生涓流放电电流操作中的至少一个操作。
16、根据权利要求15所述的方法，其特征在于还包括：
控制一个放电开关的导通状态，以进入饱和导通范围，从而允许所述电池产生一个可控涓流放电电流。
17、根据权利要求15所述的方法，其特征在于还包括：
控制一个充电开关的导通状态，以进入饱和导通范围，从而允许所述电池接收一个可控涓流充电电流。
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