CN200941561Y - 并行供电的便携式电气装置 - Google Patents

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CN200941561Y CNU2006200038601U CN200620003860U CN200941561Y CN 200941561 Y CN200941561 Y CN 200941561Y CN U2006200038601 U CNU2006200038601 U CN U2006200038601U CN 200620003860 U CN200620003860 U CN 200620003860U CN 200941561 Y CN200941561 Y CN 200941561Y
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亚力山德鲁·哈图拉
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O2Micro Inc
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Abstract

一种便携式电气装置可以包括：耦合到公共节点的DC－DC转换器、耦合到该公共节点的负载以及被配置成控制DC－DC转换器的控制器。当该控制器以第一种适配器供电模式操作所述DC－DC转换器时，可以将该DC－DC转换器配置成从适配器提供充电电流给可充电电池。当该控制器以第二种适配器供电模式操作DC－DC转换器时，可以将DC－DC转换器配置成经由公共节点提供电池供电电流给负载。适配器供电电流和电池供电电流可以在公共节点上叠加起来，用以以第二种适配器供电模式同步地提供负载供电电流给负载。

Description

并行供电的便携式电气装置
技术领域
本实用新型公开的内容涉及便携式电气装置，而且尤其涉及上述装置的并行供电。
背景技术
现今可利用的各种便携式电气装置包括有但不局限于：膝上型计算机、个人数字助理、移动电话和无线电动工具。这些便携式电气装置可以利用可充电电池供电以在电池供电模式下操作该装置。也可以利用例如ACDC或者DCDC适配器这样的适配器来以适配器供电模式供电给便携式电气装置。根据可充电电池的存在以及状态，可充电电池可以或者不可以在适配器供电模式下充电。在某些情况下，有利的是提供一种便携式电气装置的系统负载，其既可以从适配器获取电力，又可以从可充电电池获取电力。为了这样做，一些常规实施例已经控制了适配器的输出电压，但是没有调整可充电电池的输出电压。
因此，存在这样的要求，需要调整可充电电池的输出电压以使得可充电电池和适配器能够同时地提供电力给便携式电气装置的负载。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种便携式电气装置，该装置克服了现有技术中可充电电池的输出电压不可调整的缺陷，它可以对可充电电池的输出电压进行调整以使得可充电电池和适配器能够同时提供电力给便携式电气装置的负载。
根据本实用新型的一个方面，提供了一种便携式电气装置。该便携式电气装置可以包括：耦合到公共节点的DC-DC转换器、耦合到公共节点的负载以及配置成控制DC-DC转换器的控制器。可以将该控制器配置成控制DC-DC转换器。当该控制器以第一种适配器供电模式操作DC-DC转换器时，可以将该DC-DC转换器配置成从适配器提供充电电流给可充电电池。当该控制器以第二种适配器供电模式操作DC-DC转换器时，可以将DC-DC转换器配置成经由公共节点提供电池供电电流给负载。
根据本实用新型的另一方面，提供了一种便携式电气系统。该便携式电气系统可以包括适配器和便携式电气装置。该便携式电气装置包括：耦合到公共节点的DC-DC转换器、耦合到公共节点的负载以及配置成控制DC-DC转换器的控制器。当该控制器以第一种适配器供电模式操作DC-DC转换器时，可以将该DC-DC转换器配置成从适配器提供充电电流给可充电电池。当该控制器以第二种适配器供电模式操作DC-DC转换器时，可以将DC-DC转换器配置成经由公共节点提供电池供电电流给负载。
通过采用本实用新型的便携式电气装置，可以提升电池的输出电压，以在第二种适配器供电模式中使电池和适配器同步地提供电力给系统负载。因而，相对于系统负载的最大电源需要，适配器不必尺寸太大。所以，适配器可以比常规大尺寸的适配器更小、更轻、不笨重而且不昂贵。
附图说明
所要求的主题的实施例的特征和优点将会随着下面的详细描述以及根据对附图的参考而变得明显，并且附图中相同的数字表示相同的部分，其中：
图1A是包括DC-DC转换器以及与用以控制该DC-DC转换器的实施例一致的控制器的便携式电气装置的示意图；
图1B是图1A的DC-DC转换器的实施例的示意图；
图2是图1A的控制器实施例的示意图；
图3是在单向状态和双向状态中都能可操作的图1A的充电开关的实施例的示意图；
图4是与一实施例一致的操作流程图。
虽然下述详细描述将参考示例性实施例来进行，但是这些示例性实施例的很多替换方式、变形和变动对本领域的技术人员将会是显而易见的。所以，意图将所要求的主题认为是很广的。
具体实施方式
图1A是便携式电气装置100的方框图。便携式电气装置100可以包括但不局限于：膝上型计算机、个人数字助理、移动电话和无线电动工具。便携式电气装置100可以包括：适配器104、可充电电池108、负载110、DC-DC转换器106以及控制器102。通常，当包括适配器104和可充电电池108时，可以将控制器102配置成控制DC-DC转换器106以在两种不同的适配器供电模式中操作。
在第一种适配器供电模式中，可以将DC-DC转换器106配置成提供充电电流给可充电电池108。在第二种适配器供电模式中，可以将DC-DC转换器106配置成经由公共节点135将电池供电电流提供给系统负载110。在第一种和第二种适配器供电模式中，适配器104都可以经由公共节点135提供适配器供电电流给系统负载110。在第二种适配器供电模式中，可以同时地提供适配器供电电流和电池供电电流，这样以使适配器供电电流和电池供电电流在公共节点135上相加在一起来提供负载供电电流给负载110。
适配器104可以包括ACDC适配器或DCDC适配器，以提供电力给便携式电气装置和/或提供电力给可充电电池108充电。虽然显示在便携式电气装置100的内部，但是适配器104也可以在便携式电气装置100的外部。可充电电池108可以是各种化学电池，包括但不局限于：锂离子、镍镉和镍氢电池。也可以将可充电电池108作为可充电电池组的一部分。负载110可以代表一个或多个负载，或者便携式电气装置100的整个系统负载。
DC-DC转换器106可以是同步整流器转换器，其包括高压侧开关HSW、低压侧开关LSW、电感器L1以及输出电容器C1。在一个实施例中，DC-DC转换器106也可以包括与低压侧开关LSW并联的二极管D2。高压侧开关HSW和低压侧开关LSW可以是任意一种晶体管，包括但不局限于：金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，例如p沟道MOSFET(PMOS)或者n沟道MOSFET(NMOS)。
控制器102可以接收表示不同组件的功率状态以及表示关于期望充电状态的指令的多种输入信号。相应于这些输入信号，控制器102可以提供输出信号，以控制DC-DC转换器106以及不同的开关例如开关S1、S2和S3的状态。可以由检测电阻器112和114提供一些输入到控制器102的输入信号，并且这些输入信号可以由特定的电流电平来表示。例如，控制器102的SAMBP1和SAP端子可以耦合跨过检测电阻器112，以使跨检测电阻器112的电压降可以提供与从适配器104流出的适配器供电电流成比例的信号。另外，控制器102的SAMBP2和SBM端子可以类似地耦合跨过检测电阻器114，以使跨检测电阻器114的电压降可以在第一种适配器供电模式中，提供与从适配器104流出的充电电流成比例的信号给可充电电池108。
其它的输入到控制器102的输入信号可以用电压电平表示。例如，控制器102的VAD端子可以接收表示适配器104的电压电平的输入信号，并且控制器102的VBATT端子可以接收表示可充电电池108的电压电平的输入信号。IPROG端子可以接收表示期望的充电电流的模拟输入信号，而VPROG端子可以接收表示期望的充电电压的模拟输入信号。提供给IPROG和VPROG端子的模拟信号可以由便携式电气装置100中的任一种组件来提供。在一个便携式电气装置100包括键盘控制器的实施例中，键盘控制器可以包括至少两个数模转换器(DAC)，以提供模拟信号给IPROG和VPROG端子。
开关S1、S2和S3可以以多种方式来实现，以完成在此所述的功能。开关S1可以被称作适配器开关，其可以由控制器102控制接通和关断，该控制取决于但不局限于具有合适的输出电压的适配器104的存在，此合适的输出电压由控制器102经由VAD端子监视。开关S2可以被称作电池开关，其可以由控制器102控制接通和关断，该控制取决于但不局限于具有合适的输出电压的可充电电池108的存在，此合适的输出电压由控制器102经由VBATT端子监视。开关S3在此可以被称作充电开关，并且其可以耦合到在DC-DC转换器106和可充电电池108之间的通路。充电开关S3在单向状态和双向状态中都是可操作的。在双向状态中，充电开关S3可以允许充电电流在第一种适配器供电模式中从DC-DC转换器106流向可充电电池108，并允许电池供电电流在第二种适配器供电模式中从可充电电池108经由公共节点135流向负载110。
在电池供电模式中，可以不出现具有合适的电压电平的适配器104，并且可以出现具有合适的电压电平的电池108。控制器102可以从VAD和VBATT端子检测这些对应的状态。接着控制器102可以命令适配器开关S1和充电开关S3关断，命令电池开关S2接通。因而，在此电池供电模式中，通过电池开关S2，电池电流从可充电电池108流向负载110。
在第一或第二种适配器供电模式中，可以出现具有合适的电压的适配器104，还可以出现可充电电池。适配器104的存在可以由控制器102经过VAD端子检测到，而可充电电池108的存在可以由控制器102经过VBATT端子检测到。在第一和第二种适配器供电模式中，控制器102可以命令适配器开关S1接通，并命令电池开关S2关断。
在第一种适配器供电模式中，可充电电池108会要求充电电流，而负载会要求功率或电流电平不超过适配器104的最大功率或电流极限。接着，由适配器104提供的电流可以在公共节点135上分离，以提供适配器供电电流给负载110，并提供充电电流给可充电电池108。
在第二种适配器供电模式中，DC-DC转换器108和适配器104的输出可以平行地耦合到公共节点135，以使可充电电池108和适配器104能够同时地提供电力给负载110。当负载110的电流汲取要求超过适配器104的最大可获取电流极限时，控制器102可以把DC-DC转换器从第一种适配器供电模式切换到第二种适配器供电模式。因而，在第二种适配器供电模式中，可以同时地提供适配器供电电流和电池供电电流，以使得适配器供电电流和电池供电电流在公共节点135上叠加在一起，以提供负载供电电流给负载110。
其他的实施例，例如某些单个电池的实施例，可以不利用图1A的充电开关S3和附带的二极管D1，或者会保持充电开关S3处于双向状态，以允许电流通过开关S3在两个方向的任一个流动。图1B解释了图1A的DC-DC转换器的实施例106a，其中图1A的充电开关S3和附带的二极管D1不被利用，或者开关S3在双向状态中是接通的，这有效地旁路了二极管D1。DC-DC转换器106a可以是同步整流器转换器，其包括高压侧开关HSW、低压侧开关LSW、二极管D2、电感器L1和电容器C1。
在图1B的实施例中，当将充电电流提供给可充电电池108时，控制器可以命令低压侧开关LSW在第一种适配器供电模式中保持关断。因此同步整流器转换器106a可以起到传统的降压转换器的作用，其在第一种适配器供电模式中利用了高压侧开关HSW、二极管D2、电感器L1和电容器C1。作为传统的降压转换器工作的DC-DC转换器106a可以允许电流(充电电流)以一个方向流向可充电电池108，但不允许以另一个方向流向公共节点135。在第二种适配器供电模式中，高压侧开关HSW和低压侧开关LSW都可以响应由控制器提供的脉宽调制(PWM)信号116，以起到升压转换器的作用，来提供电池供电电流给公共节点135。
在图1B的实施例中，适配器104a可以被当成具有理想电压源E1和内阻抗Ri1的电源V1。可充电电池108a可以被当成具有理想电压源E2和内阻抗Ri2的电源V2。电压v1可以表示位于适配器104a的电源端的电压，而电压v2可以表示位于可充电电池108a电源端的电压。如果E1＞E2且v1＞v2，则认定两种情况：1)当PWM信号116的占空比(D)大于E2/E1时，且2)当占空比D小于E2/E1时。
当D＞E2/E1时，同步整流器转换器会作为具有输入电压v1和输出电压v2的降压(降压的)转换器工作。功率将从适配器104a传输到可充电电池108a，并且会具有一个等于I2＝(v2-E2)/Ri2的值，其中I2是供给电池的充电电流，v2是位于电池的电源端的电压，E2是电池的理想电压源，而Ri2是电池的内阻抗。另外，v2＝v1*D，其中D是PWM信号的占空比。
当D＜E2/E1时，同步整流器转换器会作为具有输入电压v2和输出电压v1的升压(升压的)转换器工作。功率将从电池108a传出。电池供电电流会流向V1，且会具有一个等于I1＝(v1-E1)/Ri1的值，其中I1是电池供电电流，v1是位于适配器的电源端的电压，E1是适配器的理想电压源，而Ri1是适配器的内阻抗。
图2示出了图1A的控制器102的实施例102a。控制器102a可以包括读出放大器210，以放大跨检测电阻器112的电压降，其表示从适配器104流出的适配器电流。可以将读出放大器210的输出提供给第一误差信号放大器EA1。第一误差信号放大器EA1可以比较读出放大器210的输出与表示适配器104的最大功率极限的阈值。第一误差信号放大器EA1也可以比较读出放大器210的输出与表示适配器104的最大电流极限的阈值。控制器102a也可以包括另一读出放大器212，以在第一种适配器供电模式中放大跨检测电阻器114的电压降，其表示当电池正在充电时流到电池108的充电电流。可以将读出放大器212的输出提供给第二误差信号放大器EA2，用来与经由IPROG端子提供的充电电流极限作比较。第三误差信号放大器EA3可以比较表示充电电压的信号与输入到VPROG端子的表示期望的充电电压的模拟电压信号。比较器202可以比较在COMP管脚上的模拟电压信号与具有固定频率的周期信号，例如由信号发生器206提供的斜坡信号204，且比较器202提供输出脉宽调制(PWM)信号，该调制信号的占空比取决于COMP信号与斜坡信号相交的值。
如果由三个误差信号放大器EA1、EA2、EA3监视的任一极限被超出，则特定误差信号放大器会控制回路并减小在COMP管脚上的模拟电压，以减小PWM信号116的占空比。在COMP管脚上的模拟电压可以通过深透到控制回路的误差信号放大器(例如，误差信号放大器EA1、EA2或EA3)的输出的电流来减小，并通过强加电流在Ccomp212中的电流源214来增加。当在COMP管脚上的模拟电压降低时，DC-DC转换器的输出电压也降低。因此，提供给可充电电池108的充电电流会被减小。
在第一种适配器充电模式中，适配器104可以同步地经由公共节点135提供适配器供电电流给负载110，以及经由DC-DC转换器106提供充电电流给可充电电池108。如果由误差信号放大器EA1监视的适配器极限被超出，则供给电池的充电电流会被减小到满足负载110的增长的电源要求。即，在第一种适配器供电模式期间，对负载110供电总比给可充电电池108充电优先。例如，如果电池在接收充电电流时负载110需要更大的电流，则供给可充电电池108的充电电流会被减小到满足负载110的要求。
控制器102也可以以第二种适配器供电模式操作DC-DC转换器106，其中将DC-DC转换器106配置成经由公共节点135提供电池供电电流给负载110。在这一情况下，供给负载110的电池供电电流会以相反的方向流动，作为充电电流流向可充电电池108，如图1A中所示。在第二种适配器供电模式中DC-DC转换器106的输出可以是与适配器104并联的，以使适配器104能够提供适配器供电电流给负载110。适配器供电电流可以是供给负载110的整个负载供电电流的一小部分。当DC-DC转换器以第二种适配器供电模式操作时，负载供电电流的其余部分可以由电池供电电流经由节点135提供。换而言之，适配器供电电流和电池供电电流可以叠加起来提供负载供电电流给负载110。
控制器102可以检测适配器104的输出电流，并且在负载110的电流需要超出适配器104的最大电流极限时，将DC-DC转换器106从以第一种供电模式操作转换至以第二种供电模式操作。例如，在第一种供电模式中，适配器104既可以提供电力给负载110，也可以提供电力给可充电电池108。当负载110的电流(功率)需要增加时，会达到适配器极限，这是由第一误差信号放大器EA1检测得知。因此，包括第一误差信号放大器EA1的适配器控制回路可以减小在COMP管脚上的模拟电压，由此减小PWM信号116的占空比，来减小可充电电池108的充电电流，如此更易于满足负载110。在负载110的电流需要增加时，充电电流会被连续减小，直到最后充电电流减小到零值。此时，如果负载110的电流需量仍旧持续增长，并且通过第二供电模式的并行供电还没有被启动，则适配器104的内部保护会关闭适配器104。
当第一误差信号放大器EA1正在控制PWM信号116的占空比并且充电电流变成零值时，能够检测符合实施例的控制器102，并且在此时迫使开关S3从单向状态转换到双向状态。当充电开关S3处于双向状态且接通时，电流被允许在两个方向的任一个流动。作为同步整流器转换器的DC-DC转换器可以开始提升电池电压，使得当PWM信号的占空比低于阈值电平时，可以将来自同步整流器转换器的输出的电池供电电流提供到公共节点135。
该阈值电平可以大致等于由适配器电压分配的可充电电池的电压。如果PWM信号116的占空比大于此阈值电平，则同步整流器转换器可以当作降压转换器，以降低由适配器104提供的输入电压，并提供充电电流给可充电电池108。如果PWM信号116的占空比小于此阈值，则同步整流器转换器可以当作升压转换器，以提升可充电电池108的电压，经由节点135来提供供电电流给负载110。适配器电压典型地大于电池电压，所以在第二种适配器供电模式中将需要提升电池电压，以便提供任一超过适配器功率(或电流)极限的可充电电池108的功率(或电流)输出给负载110。通过此操作，适配器模式控制回路将维持检测电阻器112上的电压降在极限水平，以使适配器供电电流保持在适配器104外部流动(没有内部电流流动)，但不会超出相关联的最大适配器极限。然后，由电池108经由同步整流器转换器提供到负载110的电池供电电流可以在电池外部流过在这种情况下以双向状态工作的充电开关S3。
图3解释了充电开关S3的一个实施例，充电开关S3可以以单向状态和双向状态工作。上述开关S3也可以以多种其他的方式来实现。图3的充电开关S3可以包括开关S3A和S3B。二极管D1A可以与开关S3A并联耦合，并且可以关于电池反向偏置。二极管D1B可以与开关S3B并联耦合，并且可以关于电池正向偏置。当处于单向状态时，控制器102可以维持开关S3B接通。来自电池的电流将由二极管D1A中断。当从单向状态变化到双向状态时，控制器可以命令开关S3A和S3B都关闭，由此允许电流在两个方向上流动。
图4解释了根据一实施例的操作400。操作402可以包括以第一种供电模式操作DC-DC转换器，该DC-DC转换器被配置成以第一种供电模式提供充电电流给可充电电池。操作404可以包括以第二种供电模式操作DC-DC转换器，该DC-DC转换器被配置成，以第二种供电模式经由公共节点提供供电电流给负载，该负载耦合到该公共节点。
有利地，可以提升电池的输出电压，以在第二种适配器供电模式中使电池和适配器同步地提供电力给系统负载。因而，相较于系统负载110的最大电源需要，适配器104不必尺寸太大。所以，适配器可以比常规大尺寸的适配器更小、更轻、不笨重而且不昂贵。
在这里已经采用的术语和表述被用作叙述术语，而非限制，并且没有企图在上述术语和表述的使用中排除所示的和所描述的特征(或由此的部分)的任一等价物，而且应该认识到，在权利要求范围内的各种修改都是可能的。其它修改、变化以及替换方式也是可以的。

Claims (13)

1.一种便携式电气装置，其特征在于，该装置包括：
DC-DC转换器，其耦合到公共节点；
耦合到所述公共节点的负载；以及
配置成控制所述DC-DC转换器的控制器，当所述控制器以第一种适配器供电模式操作所述DC-DC转换器时，将所述DC-DC转换器配置成从适配器提供充电电流给可充电电池，当所述控制器以第二种适配器供电模式操作所述DC-DC转换器时，将所述DC-DC转换器配置成经由所述公共节点提供电池供电电流给所述负载。
2.权利要求1的便携式电气装置，其中，所述适配器耦合到所述公共节点，且所述适配器被配置成以所述第二种适配器供电模式提供适配器供电电流，所述适配器供电电流和所述电池供电电流以所述第二种适配器供电模式同步地提供，所述适配器供电电流和所述电池供电电流在所述公共节点上叠加起来，用以以所述第二种适配器供电模式提供负载供电电流给所述负载。
3.权利要求2的便携式电气装置，其中，所述控制器被配置成检测所述适配器的所述适配器供电电流，其中，当所述负载的电流需要超出所述适配器的最大电流极限时，所述控制器将所述DC-DC转换器从以所述第一种适配器供电模式操作转换到以所述第二种适配器供电模式操作。
4.权利要求2的便携式电气装置，其中，所述控制器被配置成以所述第一种适配器供电模式操作所述DC-DC转换器作为降压转换器，以降低由所述适配器提供的输入电压，并且所述控制器还被配置成以所述第二种适配器供电模式操作所述DC-DC转换器作为升压转换器，以提升所述可充电电池的电压。
5.权利要求2的便携式电气装置，其中，所述DC-DC转换器包括具有高压侧开关和低压侧开关的同步整流器转换器，所述控制器被配置成以所述第一种适配器供电模式操作所述同步整流器转换器作为降压转换器，以降低由所述适配器提供的输入电压，所述控制器还被配置成以所述第二种适配器供电模式操作所述同步整流器转换器作为升压转换器，以提升所述可充电电池的电压。
6.权利要求5的便携式电气装置，其中，如果由所述控制器提供的脉宽调制信号的占空比低于阈值电平，则所述同步整流器转换器被配置成以所述第二种适配器供电模式作为所述升压转换器进行操作。
7.权利要求6的便携式电气装置，其中，所述阈值电平大致等于由所述适配器的电压分配的所述可充电电池的电压。
8.一种便携式电气系统，包括：
适配器；以及
便携式电气装置，其特征在于，该便携式电气装置包括：
DC-DC转换器，其耦合到公共节点；
耦合到所述公共节点的负载；以及
配置成控制所述DC-DC转换器的控制器，当所述控制器以第一种适配器供电模式操作所述DC-DC转换器时，将所述DC-DC转换器配置成从所述适配器提供充电电流给可充电电池，当所述控制器以第二种适配器供电模式操作所述DC-DC转换器时，将所述DC-DC转换器配置成经由所述公共节点提供电池供电电流给所述负载。
9.权利要求8的便携式电气系统，其中，所述适配器耦合到所述公共节点，且所述适配器被配置成以所述第二种适配器供电模式提供适配器供电电流，所述适配器供电电流和所述电池供电电流以所述第二种适配器供电模式同步地提供，所述适配器供电电流和所述电池供电电流在所述公共节点上叠加起来，用以以所述第二种适配器供电模式提供负载供电电流给所述负载。
10.权利要求9的便携式电气系统，其中，所述控制器被配置成检测所述适配器的所述适配器供电电流，其中，当所述负载的电流需要超出所述适配器的最大电流极限时，所述控制器将所述DC-DC转换器从以所述第一种适配器供电模式操作转换到以所述第二种适配器供电模式操作。
11.权利要求9的便携式电气系统，其中，所述控制器被配置成以所述第一种适配器供电模式操作所述DC-DC转换器作为降压转换器，以降低由所述适配器提供的输入电压，并且所述控制器还被配置成以所述第二种适配器供电模式操作所述DC-DC转换器作为升压转换器，以提升所述可充电电池的电压。
12.权利要求9的便携式电气系统，其中，所述DC-DC转换器包括具有高压侧开关和低压侧开关的同步整流器转换器，所述控制器被配置成以所述第一种适配器供电模式操作所述同步整流器转换器作为降压转换器，以降低由所述适配器提供的输入电压，所述控制器还被配置成以所述第二种适配器供电模式操作所述同步整流器转换器作为升压转换器，以提升所述可充电电池的电压。
13.权利要求12的便携式电气系统，其中，如果由所述控制器提供的脉宽调制信号的占空比低于阈值电平，则所述同步整流器转换器被配置成以所述第二种适配器供电模式作为所述升压转换器进行操作。
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