CN1745505A - 设置成由多种墙壁适配器dc供电的锂离子/锂聚合物电池充电器 - Google Patents

设置成由多种墙壁适配器dc供电的锂离子/锂聚合物电池充电器 Download PDF

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Abstract

一种电池充电器的控制器连接到包含AC－DC(或者DC－DC)变换器的AC－DC(或者DC－DC)适配器的DC输出端子。在电池充电器的控制器电路的输入和输出端子之间受控电流流动路径被控制为提供基本上恒定的电流，从而对电池充电，以达到额定的电池电压。当所述适配器的恒定电压输出转换为限制可用的充电电流到低于预定恒定充电电流值的值时，在限制的时间间隔内，增加用于受控电流流动路径的电流流动驱动。此后，受控电流流动路径逐渐减小充电电流，而电池电压保持在额定电池电压，直到充电结束或者终止。

Description

设置成由多种墙壁适配 器DC供电的锂离子/锂聚合物电池充电器
技术领域
本发明通常涉及一种电池充电器，该电池充电器包括用于对DC电池组/单电池充电的那些充电器，该电池组/单电池是例如但不局限于用于给便携式电子装置例如膝上电脑/笔记本电脑、个人数字助手(PAD)等等的类型供电的锂离子/锂聚合物电池，本发明尤其涉及具有与各种电源适配器兼容的“插入”、同时充分减少热耗散的新颖、改善的电池充电器控制器结构。
背景技术
可再充电的单电池例如锂离子/锂聚合物电池成为用于各种便携式和手提产品的日常DC电源电池。正如大家期望的那样，对这种电池供电产品的功能更强和运行时间更长的需求导致对电池单元容量提高的需求，使得越来越关注对它们充电所需的电源。如图1所示，典型的单电池的电池充电器控制器具有相对紧凑和便携的布置。如图所示，该充电器系统包括外部电源适配器10和与DC-DC变换器/充电单元20的连接器插座22匹配的电源电缆连接器12，该外部电源适配器10具有构成为插入外部电源例如110VAC墙壁电源插座或者自动电子系统的外部电源对。设置该充电器控制器单元以保持对电池30充电。
目前，这种便携式电池充电器装置的大多数DC-DC变换器/充电单元都基于线性变换功能设计，例如如图2所示。在线性充电器中，墙壁适配器10用作DC电压源，而且典型地具有基本上稳定的输入电压/电流特性，如图3所示。源自适配器10的充电器控制器的输入电压可以略高于要充电的电池的额定(浮置)电压，而且在充电器控制器设定的操作电流范围上有效地保持恒定。
适配器10的输出连接到受控电流流动路径电路，例如但不局限于21处所示的双极晶体管或者MOSFET，来自适配器10的电流流过源漏路径到被充电的电池。用于控制电流流动路径电路21的运行的控制电路25具有检测通过电流流动路径电路21的电流的电流检测线路26(可以是检测电阻器)，以及连接的电压检测线路27，该电压检测线路27在电池30充电时检测电压。控制电路25典型地包括传统采用的阈值传感器和在各种电流、电压和开关控制装置中使用的以比较器为基础的控制元件。
图2的线性充电器的运行可以参考图4、5和6所示的波形容易地进行解释。在充电循环开始时，图4中VBAT所示的电池电压有些低于额定值VBATO。随着通过控制电路25使MOSFET 21导通，前述恒定充电电流ICHG从适配器10流过MOSFET的源-漏路径，而且进入电池30。如图5所示，这个稳定的充电电流继续流到电池电压达到其浮置(额定)电压VBATNOM的点。一旦电池电压达到其额定电压，控制电路25调节电池电压到这个目标值，使得在MOSFET 21内流动的电流缓慢减小，直到完成充电。从前面的说明以及尤其是图4和5所示的可以看出，典型的线性电池充电器呈现恒流(图5)-恒压(图4)的充电图形。
为了配合电池容量的提高，需要增加充电电流。但是，如图6所示，由于更高的充电电流，因而会遭受大量热耗散。具体而言，在再充电循环开始时，“完全”放电的电池会呈现大约2.5VDC的电压，而且典型的浮置电压是大约4.2VDC。例如，如果输入电压选择为5.0VDC(这只是比4.2V浮置电压高800MV)而且电池充电电流是一安培，在充电循环开始时的热耗散将是(5V-2.5V)×1A＝2.5W。
减小热耗散的一种方法是采用例如如图7所示的脉冲充电器，该脉冲充电器类似于图2的线性充电器，除了没有电流检测线路，电流限制功能结合在适配器中，如图8的电压/电流关系所示。通过参考附图9、10和11的图形可以理解脉冲充电器的运行。在恒定电流模式期间(图9)，控制电路25完全导通电流流动/导通元件(pass element)(MOSFET)21。结果，导通元件两端的电压将是饱和电压(如果元件21是双极晶体管)或者在使用MOSFET的图7的例子中，将是充电电流和MOSFET 21的导通电阻RON的乘积。
如图8所示，适配器在恒定电流区域中运行，而且其输出电压迅速下降到略高于电池电压的电压。因此，充电器不需要控制充电电流，该充电电流由适配器(充电电流源)限制。与脉冲型充电器有关的热耗散是导通元件21两端的电压和充电电流的乘积。例如，如果充电电流是如在上述线性的情况中那样的一安培，导通元件(MOSFET)的导通电阻RON是300毫安，那么功率耗散将是0.3Ohm×1A×1A＝300mW，远远低于上述线性充电器的情况中的2.5W。
如图10所示，随着电池电压接近浮置或者额定的完全充电电池电压，脉冲充电器开始交替地导通和断开导通元件(MOSFET 21)，而且逐渐减小导通时间的占空比，直到充电循环终止。当导通元件导通时功率耗散(图11所示)是300mW，断开时是0。因此，在脉冲相位期间，平均耗散低于300mW。
尽管低功率耗散是脉冲充电器的基本优点，但是这种充电器需要特定类型的适配器，即限流适配器。脉冲充电器的主要缺点是在脉冲模式运行期间，在充电器的输入和输出都产生脉冲电压，这构成潜在的电磁干扰(EMI)噪音，会影响在被充电的电池供电的装置中的一个或者更多电子电路的运行。而且，脉冲充电器会影响电池的寿命，而且大多数电池制造商不推荐使用。
可以采用的第三种充电器是开关充电器。开关型充电器需要更多的元件(包括大容量输出电感器)而且以高速开关大电流，使得它在这三种充电器中噪音最大，最复杂。它最适用于大电流装置，例如笔记本电脑。
发明内容
根据本发明，通过这里所述的多适配器兼容的电池充电器控制器，有效地克服了插入式适配器运行的传统电池充电器布局的上述缺陷。本发明具有和上述图1线性充电器大致相同的电路布局，但是在由电流源适配器(current-sourceadapter)供电时其控制电路的运行方面不同。在用电流源适配器和放电电池初始化充电时序时，适配器电压将首先上升到默认电压值，直到充电控制器要求对电池的快速充电电流。
在初始化快速充电模式时，充电控制器将要求控制器设定的完全电流限制，但是不能提供那些数量的电流，因为外部适配器限制电流到低于控制器设定值的值。因此控制器将导通其控制导通元件(例如MOSFET)，从而最小化适配器输出和被充电的电池之间的电阻，因此迫使适配器进入其限流状态，而且因此使得其电压非常接近于电池电压。保持减小的电压电平，同时维持限流状态。
控制器UVLO(欠电压闭锁)值低于传统的充电器，从而适应减小的限流适配器输出电压。在适配器处于限流时在控制器导通元件两端的减小的电势差(voltage differential)转变为与在这个恒定电流充电相位期间恒压适配器输入相比更小的功率耗散。控制器将保持充电电流在这个适配器限流值，适配器电压略高于电池电压，直到电池电压达到其浮置电压电平。当电池达到其浮置电压电平时，控制器将主动开始调节电池电压以保持前述浮置电压，同时减小适配器所需的电流。
只要控制器减小其从适配器所需的电流，当适配器恢复到其电压模式调节时，适配器输出电压将很快上升(“很快恢复”)到其默认值。与这种电压“很快恢复”一致的是瞬间功率耗散上升(图15)，因为充电器电流仅仅从其最大值略微减小，而电势差急剧上升。在恒压相位期间这种耗散将基本上跟着电流的延迟，除非该耗散足够高能够启动控制器进入其热调节模式。
如果控制器的温度上升到前述的阈值，它将开始减小充电电流，从而更加降低耗散和温度。这确保控制器不会突然中断充电，而仅仅调节充电速率到可进行热控制的水平，这是更多传统控制器类型的特征。本发明的这种混合充电协议产生了可以与脉冲模式充电器相比的再充电时间，而且与具有相同限流的简单恒压适配器协议相比典型地获得更快速的再充电。
附图说明
图1简要地示出传统单电池充电器。
图2简要地示出线性电池充电器的一般电路结构；
图3示出图2的线性电池充电器基本上稳定的输入电压/电流特性；
图4示出图2的线性电池充电器的输出电压/充电时间特性；
图5示出图2的线性电池充电器的充电电流/时间特性；
图6示出图2的线性电池充电器的相对功率耗散/时间特性；
图7简要地示出脉冲电池充电器的一般结构；
图8示出图7的脉冲电池充电器的输入电压/电流特性；
图9示出图7的脉冲电池充电器的充电电流/时间特性；
图10示出图7的脉冲电池充电器的输出电压和输入电压/充电时间特性；
图11示出图7的脉冲电池充电器的相对功率耗散/时间特性；
图12简要地示出根据本发明电池充电器的一般结构；
图13示出图12的电池充电器的充电电流/时间特性；
图14示出图12的电池充电器的输出电压和输入电压/充电时间特性；
图15示出图12的电池充电器的相对功率耗散/时间特性。
最佳实施方式
在根据本发明说明多适配器兼容的电池充电器之前，应当看到本发明主要在于传统DC电源电路和控制元件集成在一起的布置。应该理解，本发明可以体现为各种实施方式，而且不应该只局限于这里示出和说明的内容。例如，尽管附图中非限制的电路图示出使用MOSFET器件来执行受控电流流动路径的运行，但是可以理解本发明不局限于此，而是可以由替代的等效电路器件来构成，例如双极晶体管。将说明的实施例仅仅是要提供和本发明相关的那些细节，从而通过具有本发明优点、本领域技术人员显而易见的细节来使公开清楚。在整个文本和附图中，相同的附图标记表示相同的部件。
现在注意简要地示出根据本发明多适配器兼容的电池充电器控制器的实施例的图12。如图所示，本发明的电池充电器控制器具有和图1的线性电池充电器相同的一般电路布局。图12的多适配器兼容电池充电器控制器和图1的线性电池充电器之间的基本差别在于当适配器的恒定电压输出转变为限制适配器的可用充电电流到值ILIM(低于预定的恒定充电电流IREF)的值时控制电路25的运行。如在上所述的线性和脉冲充电电路中，图12的充电器中采用的控制电路25还使用传统的阈值传感器和用于电流和电压控制以及开关装置的比较器为基础的控制元件。除了那些元件的细节之外，本说明书还将说明用于执行能够控制电路以提供本发明的增大的充电器容量的控制作用的输入和响应参数。
如图14所示，电池电压从某个额定值VBATNOM逐渐上升，直到恒定电流模式和恒定电压模式之间的转变点，而且接近浮置的完全充电电池电压。在达到限流阈值时，适配器保持充电电流在ILIM，如图8所示，以及如图13的虚线131-132所示。由于这个电流(控制电路25检测的)小于预定的参考电流IREF，所以在所示的实施例中，控制电路25通过提高受控电流流动路径电路的电流流量来响应，其中，该受控电流流动路径电路电流流量的提高对应于提高对MOSFET 21的栅极驱动，因此MOSFET 21完全导通。随着MOFET 21完全导通，从图15和图16的比较可以看出，充电器控制器中的功率耗散与线性充电器的运行相比急剧减少。
如上所示，本发明多适配器兼容充电器控制器可以以高电流运行而没有大量热耗散的主要原因是采用减小的欠电压闭锁(UVLO)值。当电池电压达到浮置电压(图14)时，充电器控制器电流减小到适配器的限制值(图13的虚线131和132所示)。当适配器开始在恒压区域内运行时，如图14所示，充电器控制器输入电压从略高于电池浮置电压的电压141跳到适配器新的恒定输出电压142，该恒定输出电压142高于浮置电压值。
一旦转变为这个恒定电压模式，充电器控制器以基本上和线性充电器相同的方式来运行。正是在这个恒定电压模式开始时，充电器控制器的电流值还是非常大，这可能导致非常大的功率耗散。但是，由于使用充电电流的热反送系统(foldback)，图13的充电器电流特性经过急剧(步进)下降的电流值，达到值132，因此热耗散不超过充电器控制器设定的限制，如图15的功率耗散中虚线151所示。在边界线135所示这个减小的充电电流间隔期间，充电器电流值132基本上小于上述如图5所示线性充电器的充电器电流值(曲线133)。
当减小的电流流动间隔导致电池充电时间的少量增加时，它仅占用整个充电时间的一小部分，而且因此没有实际的缺陷。当充电电流继续减小时，如图13的曲线134所示，功率耗散进一步减小到低于热限制的值，如图15的曲线154所示。因此，本发明的充电器控制器以和传统线性充电器基本上相同的方式完成充电操作。
从所述内容可以看出，可以理解的是，除了在充电器在热限制运行的周期以外，本发明的充电器控制器具有和脉冲充电器相同的热性能。热限制自动地调节充电电流到充电器电路的整个运行是热安全的值。如果电压源适配器插入，本发明的充电器控制器和线性充电器一样运行。仅有的差别就是，如果充电器中的热耗散超过热限制，充电器控制器将自动减小充电电流，因此电路是热安全的。
此外，一旦设计成结合在给出的装置中时，本发明的电池充电器电路可以安全地和作为具有正确电压极性和范围的电源的任何常用类型的适配器一起使用。这种通常使用的低成本、不用调节的适配器通常由降压变压器、整流器和输出滤波电容器组成。
尽管已经示出和说明了根据本发明的实施例，但是应当理解，本发明不局限于此，而是正如本领域技术人员已知的那样，可以进行大量改变和调整。因此，不能局限于这里所示和说明的细节，而应该涵盖本领域技术人员显而易见的所有改变和调整。

Claims (20)

1、一种装置，用于对电池充电到额定电池电压，该装置包括：
连接到参考电压的第一输入端子；
连接到参考所述参考电压的DC电源的第二输入端子；
连接到所述参考电压而且设置成连接到所述电池第一端子的第一输出端子；
构成为连接到所述电池第二端子的第二输出端子；
连接在所述第二输入端子和所述第二输出端子之间的受控电流流动路径；和
控制电路，该控制电路可以响应连接到所述第二输入端子的所述DC电源来运行，从而使所述受控电流流动路径提供从所述DC电源流过其中到所述电池的第一基本恒定电流，从而对所述电池充电，直到所述电池充电到所述额定电池电压，以及响应所述DC电源的恒定电压输出，该恒定电压输出转变到限制所述可用的充电电流到低于预定恒定充电电流值的值，而且因此使得流过所述受控电流流动路径的电流减小，从而在限定的时间间隔内提高驱动到所述受控电流流动路径的电流流动，而且此后使得所述受控电流流动路径逐渐减小流过其中的电流，而所述电池电压保持所述额定电池电压。
2、根据权利要求1的装置，其中所述控制电路可以响应所述电池达到所述额定电池电压来运行，以影响热反送系统减小流过所述受控电流流动路径的电流到所述第二基本恒定电流，到在所述电流流动路径中产生不超过前述限制的热耗散。
3、根据权利要求1的装置，其中所述控制电路可以响应连接到所述第二输入端子的所述DC电源来运行，从而限制从所述DC电源通过所述电流路径提供的电流值，使其限制到抑制所述电池的初始电压到其最低电压的值。
4、根据权利要求1的装置，其中所述DC电源包括具有AC输入口和DC输出口的AC-DC变换器，该AC输入口构成为连接到AC电源出口(或者外部DC-DC电源适配器)，DC输出口构成为连接到所述第一和第二输入端子。
5、根据权利要求4的装置，其中所述控制电路可以响应所述AC-DC变换器(或者DC-DC变换器)的恒定电压输出来运行，该恒定电压输出转变为限制所述AC-DC变换器(或者DC-DC变换器)的可用充电电流到低于预定恒定充电电流值的值，从而提高驱动到所述受控电流流动路径的导通。
6、根据权利要求5的装置，其中所述受控电流流动路径包括受控电子电路器件，该受控电子电路器件具有连接在所述第二输入端子和所述第二输出端子之间的输入—输出电流流动路径，而且其中所述控制电路可以运行以提高所述受控电子电路器件的所述输入—输出电流流动路径的电流流量。
7、根据权利要求6的装置，其中所述受控电子电路器件包括MOSFET，而且所述控制电路响应所述AC-DC(或者DC-DC)变换器的恒定电压输出，该恒定电压输出转换为限制所述AC-DC(或者DC-DC)变换器的可用充电电流到低于预定恒定充电电流值的值，所述控制电路可以运行以提高对所述MOSFET的栅极驱动，从而使所述MOSFET处于完全导通状态。
8、一种装置，用于对电池充电到额定电池电压，该装置包括具有第一和第二输入端子的电池充电器控制器电路，该第一和第二输入端子构成为连接到AC-DC(或者DC-DC)变换器适配器的DC输出端子，而且第一和第二输出端子构成为与要充电的电池的第一和第二端子连接，所述电池充电器控制器电路包括连接在所述电池充电器控制器电路的所述第一输入和输出端子之间的受控电流流动路径；和其中所述电池充电器电路包括控制电路，该控制电路可以运行使得所述受控电流流动路径提供第一基本恒定电流从所述外部适配器流过其中到所述电池，从而对所述电池充电到所述额定电池电压，而且响应所述外部适配器的恒定电压输出，该恒定电压输出转变到限制所述可用的充电电流到低于预定恒定充电电流值的值，从而在限定的时间间隔内提高驱动到所述受控电流流动路径的电流，而且此后使所述受控电流流动路径逐渐减小流过其中的电流，而所述电池电压保持所述额定电池电压。
9、根据权利要求8的装置，其中所述控制电路可以响应达到所述额定电池电压的所述电池来运行，以影响热反送系统减小流过所述受控电流流动路径的电流到一种电流值，该电流值在所述电流流动路径中产生不超过前述限制的热耗散。
10、根据权利要求8的装置，其中所述控制电路可以运行，从而限制从所述外部适配器提供到所述电流流动路径的电流值，使其为抑制所述电池的初始电压到其最低电压的值。
11、根据权利要求10的装置，其中所述控制电路可以响应所述AC-DC变换器(或者DC-DC变换器)的恒定电压输出来运行，该恒定电压输出转变为限制所述变换器的可用充电电流到低于预定恒定充电电流值的值，从而提高驱动到所述受控电流流动路径的导通。
12、根据权利要求8的装置，其中所述受控电流流动路径包括受控电子电路器件，该受控电子电路器件具有连接在所述第二输入端子和所述第二输出端子之间的输入—输出电流流动路径，而且其中所述控制电路可以运行为提高所述受控电子电路器件的所述输入—输出电流流动路径的电流流量。
13、根据权利要求12的装置，其中所述受控电子电路器件包括MOSFET，而且所述控制电路响应所述外部适配器的恒定电压输出，该恒定电压输出转换为限制所述AC-DC(或者DC-DC)变换器的可用充电电流到低于预定恒定充电电流值的值，所述控制电路可以运行以提高对所述MOSFET的栅极驱动，从而使所述MOSFET处于完全导通状态。
14、根据权利要求12的装置，其中所述电池包括Li离子/Li聚合物电池。
15、一种对电池充电达到额定电池电压的方法，该方法包括以下步骤：
(a)连接包含AC-DC(或者DC-DC)变换器的外部适配器到电源，所述适配器具有提供DC电压的第一和第二输出端子；
(b)连接电池充电器控制器电路的第一和第二输入端子到所述适配器的所述第一和第二输出端子，所述电池充电器控制器电路包括连接在所述电池充电器控制器电路的所述第一输入端子和第一输出端子之间的受控电流流动路径；
(c)连接要充电的电池到所述电池充电器控制器电路的第一和第二输出端子；和
(d)运行所述电池充电器控制器电路的所述受控电流流动路径，从而提供第一基本恒定电流从所述适配器流过其中到所述电池，从而对所述电池充电到所述额定电池电压，而且响应所述适配器的恒定电压输出，该恒定电压输出转变到限制所述可用的充电电流到低于预定恒定充电电流值的值，从而在限定的时间间隔内提高驱动到所述受控电流流动路径的电流，而且此后使所述受控电流流动路径逐渐减小流过其中的电流，而所述电池电压保持所述额定电池电压。
16、根据权利要求15的方法，其中步骤(d)包括：响应达到所述额定电池电压的所述电池，影响热反送系统减小流过所述受控电流流动路径的电流到一种电流值，该电流值在所述电流流动路径中产生不超过前述限制的热耗散。
17、根据权利要求15的方法，其中步骤(d)包括：限制从所述适配器提供到所述电流流动路径的电流值，使其为抑制所述电池的初始电压到其最低电压的值。
18、根据权利要求17的方法，其中步骤(d)包括：响应所述AC-DC(或者DC-DC)变换器的恒定电压输出来，该恒定电压输出转变为限制所述变换器的可用充电电流到低于预定恒定充电电流值的值，从而提高驱动到所述受控电流流动路径的导通。
19、根据权利要求15的方法，其中所述受控电流流动路径包括受控电子电路器件，该受控电子电路器件具有连接在所述第二输入端子和所述第二输出端子之间的输入—输出电流流动路径，而且其中步骤(d)包括提高所述受控电子电路器件的所述输入—输出电流流动路径的电流流量。
20、根据权利要求19的方法，其中所述受控电子电路器件包括MOSFET，而且步骤(d)包括：响应所述适配器的恒定电压输出，该恒定电压输出转换为限制所述AC-DC(或者DC-DC)变换器的可用充电电流到低于预定恒定充电电流值的值，以提高对所述MOSFET的栅极驱动，从而使所述MOSFET处于完全导通状态。
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