CN205070466U - 便携式电子设备以及用于便携式电子设备的充电系统 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及便携式电子设备以及用于便携式电子设备的充电系统。所述充电系统包括：双向转换器；和控制电路，所述控制电路被配置为使用所述双向转换器以将来自电源的输入电压转换成一组输出电压，以用于对所述便携式电子设备中的电池进行充电并为所述便携式电子设备中的低电压子系统和高电压子系统供电。本公开的一个实施例解决的一个问题是提供管理电池在便携式电子设备中的使用的系统。根据本公开的一个实施例的一个用途是提供了包含可重复使用的电感器的充电电路。该可重复使用的电感器可避免由充电电路占用的板空间的增大，从而能够在不减小电池的尺寸和/或运行时间的情况下，允许电池中的未使用的容量被访问。

Description

便携式电子设备以及用于便携式电子设备的充电系统
技术领域
本实用新型所公开的实施例涉及便携式电子设备的电池。更具体地，本实用新型所公开的实施例涉及重新使用电池充电器的电感器以在电池放电期间提升电压的技术。
背景技术
便携式电子设备通常被配置为在其电池达到预定的最低电压时关闭，该预定的最低电压可能比电池的最低工作电压高。例如，尽管在锂离子电池的电池电压达到3.0V时就可以将其视为空电池，但是计算设备的某些部件(例如，移动电话或平板电脑的射频子系统和扬声器子系统)仍可能需要在3.4V的最低电压下工作，并且这种计算设备可被配置为在3.4V时关闭以避免使这些部件掉电。因此，电池可能含有介于3.0V和3.4V之间的未使用的容量。
未使用的容量的量可取决于电池的负载电流、温度和寿命。就升温的轻负载型新电池而言，未使用的容量通常仅占总容量的几个百分点。然而，就冷却的或用旧的电池而言，未使用的容量可能显著增大。例如，图1示出电池在两种不同温度下以给定负载(0.5C的负载，该负载为使电池在两小时内放电所需的电流)放电的实例。如图所示，使电池在25℃下放电可能导致在截止电压(在图1中显示为3.4V)下仅剩余总容量的几个百分点，而使电池在0℃下放电可能导致在截止电压下剩余总容量的高达30％。因此，可能期望的是具有一种能够利用该未使用的容量的系统。
实用新型内容
本公开的一个实施例的一个目的是提供一种管理电池在便携式电子设备中的使用的系统。在工作期间，该系统提供充电电路以用于将来自电源的输入电压转换为一组输出电压以用于为电池充电，并为便携式电子设备中的低电压子系统和高电压子系统供电。在检测到处于低电压状态的电池的放电时，该系统使用充电电路以从电池的电池电压直接为低电压子系统供电，并将电池电压向上转换以为高电压子系统供电。
根据一个实施例，提供了一种用于便携式电子设备的充电系统。所述充电系统包括：双向转换器；和控制电路，所述控制电路被配置为使用所述双向转换器以将来自电源的输入电压转换成一组输出电压，以用于对所述便携式电子设备中的电池进行充电并为所述便携式电子设备中的低电压子系统和高电压子系统供电。
根据另一实施例，提供了一种便携式电子设备。所述便携式电子设备包括：高电压子系统中的第一组部件；低电压子系统中的第二组部件；电池；和充电电路，所述充电电路被配置为将来自电源的输入电压转换成一组输出电压以用于对所述电池进行充电并为所述低电压子系统和所述高电压子系统供电。
在一些实施例中，在检测到来自低功率电源的输入电压和电池的低电压状态时，该系统使用充电电路以从电池的目标电压为低电压子系统供电，并从低功率电源为高电压子系统供电。此外，在检测到低电压子系统的电压低于电池的开路电压时，该系统使用充电电路以由来自输入电压和向上转换的电池电压的电流总和为高电压子系统供电。
在一些实施例中，在检测到来自低功率电源的输入电压和电池的高电压状态时，该系统使用充电电路以从电池的目标电压为低电压子系统和高电压子系统供电，该电池的目标电压高于高电压子系统的电压要求。此外，在检测到低电压子系统的电压低于电池的开路电压时，该系统使用充电电路以由来自输入适配器和向上转换的电池电压的电流总和为高电压子系统供电。
在一些实施例中，在检测到来自低功率电源的输入电压和电池的低电压状态时，该系统停止对便携式电子设备供电，并使用充电电路以从输入电压为电池充电。
在一些实施例中，在检测到来自电源的输入电压和电池的低电压状态时，该系统使用充电电路以：
(i)从电源为高电压子系统供电；
(ii)将输入电压向下转换为电池的目标电压；以及
(iii)从目标电压为电池充电并为低电压子系统供电。
在一些实施例中，在检测到来自电源的输入电压和电池的充满电状态时，该系统使用充电电路以停止为电池充电，并从目标电压为低电压子系统和高电压子系统供电，该目标电压高于充满电状态下的电池的电池电压。
在一些实施例中，该充电电路包括：
(i)具有输入端子和负载端子的电感器；
(ii)第一开关机构，该第一开关机构被配置为把输入端子耦接到电源或基准电压；
(iii)第二开关机构，该第二开关机构被配置为把负载端子耦接到电池、高电压子系统和低电压子系统；和
(iv)第三开关机构，该第三开关机构被配置为把输入电压耦接到高电压子系统。
在一些实施例中，第一开关机构、第二开关机构和第三开关机构包括场效应晶体管(FET)。
在一些实施例中，低电压状态下的电池电压低于高电压子系统的电压要求。
根据本公开的一个实施例的一个技术效果是提供了一种充电电路，该充电电路可把向上转换的电压提供给便携式电子设备的一个或多个子系统。在一些情况下，该充电电路可包括用于向上转换(例如升压)便携式电子设备中的电压的可重复使用的电感器。在这些情况下，当充电电路处于第一种配置或第一组配置时，该电感器可产生向下转换的电压，而当充电电路处于第二种配置或第二组配置时，该电感器可产生向上转换的电压。该可重复使用的电感器可避免由充电电路占用的板空间的增大，从而能够在不减小电池的尺寸和/或运行时间的情况下，允许电池中的未使用的容量被访问。
附图说明
图1示出了根据本实用新型所公开的实施例的电压与电池的已使用容量的关系曲线图。
图2示出了根据本实用新型所公开的实施例的标准电池充电电路。
图3A示出了根据本实用新型所公开的实施例的便携式电子设备的充电电路。
图3B示出了根据本实用新型所公开的实施例的便携式电子设备的充电系统。
图3C示出了根据本实用新型所公开的实施例的便携式电子设备的充电电路。
图4示出例示了根据本实用新型所公开的实施例的管理电池在便携式电子设备中的使用的过程的流程图。
图5示出例示了根据本实用新型所公开的实施例的管理电池在便携式电子设备中的使用的过程的流程图。
图6示出例示了根据本实用新型所公开的实施例的管理电池在便携式电子设备中的使用的过程的流程图。
图7示出了根据本实用新型所公开的实施例的便携式电子设备。
在附图中，相似的参考编号是指相同的附图元件。
具体实施方式
相关申请
本专利申请要求于2014年6月24日提交的具有序列号且名称为“BatteryChargingwithReusedInductorforBoost”(代理人案卷号APL-P22424USP1)的美国临时专利申请62/016,554的权益，发明人为ThomasC.Greening、QingLiu和WilliamC.Athas，该专利申请以引用方式并入本文。
呈现以下描述是为了使得本领域的任何技术人员能够实现并使用实施例，并且以下描述是以特定应用及其要求为上下文而提供的。对于本领域的技术人员而言，对本实用新型所公开的实施例的各种修改将是显而易见的，并且可将本文定义的一般性原则应用于其他实施例和应用，而不脱离本实用新型的实质和范围。因此，本实用新型不限于所示的实施例，但要符合根据本文公开的原理和特征的最广泛的范围。
此具体实施方式中描述的数据结构和代码通常存储在计算机可读存储介质上，该计算机可读存储介质可以是能够存储供计算机系统使用的代码和/或数据的任何设备或介质。计算机可读存储介质包括但不限于易失性存储器、非易失性存储器、磁性存储设备和光学存储设备，诸如磁盘驱动器、磁带、CD(光盘)、DVD(数字多功能光盘或数字视频光盘)，或现在已知或以后开发的能够存储代码和/或数据的其他介质。
可将具体实施方式部分中描述的方法和过程具体化为代码和/或数据，该代码和/或数据可存储在如上所述的计算机可读存储介质中。当计算机系统读取并执行计算机可读存储介质上存储的代码和/或数据时，计算机系统执行具体化为数据结构和代码并存储在计算机可读存储介质内的方法和过程。
此外，可将本文描述的方法和过程包括在硬件模块或装置中。这些模块或装置可包括但不限于专用集成电路(ASIC)芯片、现场可编程门阵列(FPGA)、在特定时间执行特定软件模块或一段代码的专用或共享处理器、和/或其他现在已知或以后开发的可编程逻辑设备。当激活硬件模块或装置时，它们执行包括在其中的方法和过程。
本实用新型所公开的实施例提供一种用于管理电池在便携式电子设备中的使用的方法和系统。更具体地，本实用新型所公开的实施例提供了一种充电电路，该充电电路可把向上转换的电压提供给便携式电子设备的一个或多个子系统。在一些情况下，该充电电路可包括用于向上转换(例如升压)便携式电子设备中的电压的可重复使用的电感器。在这些情况下，当充电电路处于第一种配置或第一组配置时，该电感器可产生向下转换的电压，而当充电电路处于第二种配置或第二组配置时，该电感器可产生向上转换的电压。该可重复使用的电感器可避免由充电电路占用的板空间的增大，从而能够在不减小电池的尺寸和/或运行时间的情况下，允许电池中的未使用的容量被访问。
图2示出了系统中的在系统电压降至低于最低工作电压诸如3.4V时将被禁用的典型充电器电路。如图所述，此充电器电路可连接间歇性电源202(例如电源适配器)、电池214，以及一个或多个由电池214供电的系统204。在一些情况下，该系统可包括介于间歇性电源和充电器电路之间的连接器(未示出)，该连接器可允许电源202连接到充电器电路、或从充电器电路断开。场效应晶体管(FET)A206防止反向电压，并避免电流从电池流到连接器(例如，在提供电源202的电源适配器未连接到系统时)。另选地，FETB208和FETC210为交替开关FET，其与电感器216一起形成降压转换器，该降压转换器以电感器的输出VMAIN来产生降低的电压。如果电池电压低于最低工作电压(例如3.4V)，那么可使用降压转换器将VMAIN控制到最低工作电压，并且线性地控制FETD212以将VBAT处的电压降低到充电电池214的目标电压。还可禁用FETD212，以便在电池214充满电时停止充电。当电池214正在放电以为一个或多个系统204供电时，FETB208和FETC210停止进行开关，而FETD212被完全接通以将电池214连接到一个或多个系统204。
可在电池214和系统204间添加标准升压转换器以在电池214放电到截止电压诸如3.0V时，将电池214的电池电压提升到等于或高于最低工作电压(例如，高于3.4V)。然而，此选择可能不是期望的，原因在于升压转换器(特别是其电感器)的尺寸会显著占用可用的电路板空间。占用空间有限便携式电子设备中的电路的电路板空间通常导致更小的电池尺寸，这继而可能导致便携式电子设备的运行时间缩短。这可能抵消掉将电池电压提升到设备子系统所需的电压而获得的任何容量增益。此处讨论了用于在电池充电电路中提供升压功能而不会显著增大由电池充电电路占用的电路板空间的机构。
图3A示出根据所公开的实施例的便携式电子设备的充电电路的变型。例如，图3A可用于为膝上型计算机、平板电脑、移动电话、数字相机和/或其他电池供电的电子设备的部件供电。在这些变型中，便携式电子设备可包括一个或多个高电压子系统306和一个或多个低电压子系统304，该一个或多个高电压子系统306和一个或多个低电压子系统304可由电池322供电。在便携式电子设备工作期间，一个或多个低电压子系统304可需要比由一个或多个高电压子系统306所需的第二电压低的第一电压。例如，在一些变型中，低电压子系统304可需要等于或低于电池322的截止电压的第一电压(例如，3.0V)，而高电压子系统306可需要高于该电池的截止电压的第二电压(例如，3.4V)。在其他变型中，一个或多个低电压子系统304所需的第一电压可高于电池322的截止电压。充电电路可提供升压功能，该升压功能可在例如电池322的电压低于第二电压时为一个或多个高电压子系统306供电。另一方面，低电压子系统304可需要显著低于高电压子系统306的电压和/或电池322的截止电压的电压，并且在一些情况下可由电池322直接供电。
例如，便携式电子设备中的大多数部件，包括中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)和/或集成电路轨可需要比电池322的示例性截止电压3.0V小得多的电压。另一方面，便携式电子设备的无线电部件和扬声器子系统可需要3.4V的示例性最小电压来工作。因此，可将便携式电子设备中的子系统划分为两组或更多组，诸如可从3.0V供电的低电压子系统304，以及需要最少3.4V的高电压子系统306。
如图3A所示，具有升压功能的充电电路包括电感器308和六个FET310-320，并且可连接至电源302。FETA310可在所识别的电源302可用时接通，并且在禁用时提供反向电压保护而不受不正确设计或向后连接的电源的影响。FETA310在电源302不可用(例如，外部电源适配器未连接)时关闭，以防止便携式电子设备将功率传输至不可用的电源302或传输至可连接电源的连接器。FETB312和FETC314将电感器308的输入端子分别耦接至电压节点VX和基准电压诸如接地。FETB312和FETC314可进行开关以选择性地将电感器308的输入耦接至电压节点VX或基准电压。FETD316可将电池322耦接至电压节点VLo(其可连接至一个或多个低电压子系统304和电感器308的负载端子)。FETE318可将电压节点VLO耦接至电压节点VHI(其可连接至一个或多个高电压子系统306)，或在其他变型中可将电压节点VHI直接耦接至电池322。FETF320将电压节点VX耦接至电压节点VHI，其可用于将来自电源302的输入电压和/或来自电感器308的升压电池电压耦合至高电压子系统306。通过在电池322放电期间将充电电感器308重复用作升压电感器，便携式电子设备的运行时间可延长，而不会显著增大所需的电路板空间。
图3B示出了根据本实用新型所公开的实施例的便携式电子设备的充电系统。图3B的充电系统可将来自电源302的输入电压和/或来自电池322的电池电压转换成一组输出电压，以用于为电池322充电和/或为一个或多个低电压子系统304以及一个或多个高电压子系统306供电。
如图3B所示，充电系统包括开关转换器330。开关转换器330可包括一个或多个电感器以及一组开关机构例如FET、二极管，和/或其他电子开关部件。例如，开关转换器330可由图3A中所示的转换器提供，其包括具有输入端子和负载端子以及两个开关机构(例如，如由FET312-314提供)的电感器308，该开关机构被配置为将输入端子耦接至电压节点VX(其可连接至电源308的输出)或基准电压(例如，接地)，诸如上文所述。充电系统可包括开关机构332和336以及调节器334和338，其可共同地用于将开关转换器330的输出耦接至电池322、高电压子系统306和/或低电压子系统304，并将电源308耦接至高电压子系统306。每个开关机构可选择性地耦接不同的电压节点，并且可包括开关、FET(例如图3A的FET310和FET318)、二极管等。每个调节器可选择性地进行控制以控制一个或多个电压节点处的电压或充当开关，并且可包括FET(例如图3A的FET316和FET320)、可变电阻器等。
例如，开关机构332可提供反向电压保护而免受不正常运转的电源302(例如，具有错误设计的电源或不正确连接的电源302)影响，并且可阻止电流从电压节点VX流到电源302(图中示出为VBUS)。开关转换器330可耦接电压节点VX与电压节点VLO，电压节点VLO可继而耦接至低电压子系统304。调节器338可直接地或通过将VHI线性调节至低于VX的电压来选择性地将电压节点VX与电压节点VHI耦接，电压节点VHI可继而耦接至高电压子系统306。开关机构336可选择性地耦接电压节点VHI与电压节点VLO，或在一些情况下可选择性地耦接电压节点VHI与电池322。调节器334可直接地或通过将电池电压线性调节至小于VLO的电压来选择性地将电压节点VLO耦接至电池322。开关机构可用于控制至高电压子系统306和低电压子系统304的功率，如下文将更详细地描述。
图3C示出根据所公开实施例的用于便携式电子设备的充电系统。该充电电路可将来自电源302的输入电压和/或来自电池322的电池电压转换成一组输出电压(例如，VLO、VHI1、VHI2、VHI3)，用于为电池322充电和/或为具有不同电压要求的便携式电子设备的多个子系统350-356供电(当图中示出为具有四个子系统时，充电电路可为具有不同电压要求的任何数量的子系统供电，例如两个、三个、四个或五个或更多个子系统)。例如，该充电系统可为具有第一电压要求(其在一些变型中等于或低于电池322的截止电压(例如，3.0V))的一个或多个子系统、具有高于第一电压要求的第二电压要求(其可略高于电池322的截止电压(例如，3.2V))的一个或多个子系统、具有高于第二电压要求的第三电压要求(例如，3.4V)的一个或多个子系统以及具有便携式电子设备中的最高电压要求(例如，高于第三电压要求的第四电压要求，如3.6V)的一个或多个子系统供电。
与图3B的充电系统一样，图3C的充电系统包括开关转换器330，其可由一个或多个电感器和一组开关机构例如FET、二极管，和/或其他电子开关部件提供。具体地讲，开关转换器330可为任何类型的双向转换器，诸如降压转换器、升压转换器、反相转换器、降压-升压转换器、转换器、单端初级电感转换器(SEPIC)和/或Zeta转换器。
附加的开关机构336、340和344以及调节器334、338、342和346可用于将开关转换器330的输出耦接至电池322和子系统350-356，从电源302和/或电池322为子系统350-356供电，以及生成满足子系统350-356的电压要求的输出电压。
开关机构336、340和344以及调节器334将开关转换器330的输出耦接至电池322和子系统350-356。如图3C所示，调节器334可选择性地将电池322耦接至电压节点VLO(其可连接至转换器330和子系统350的负载端子)。开关机构336可选择性地将电压节点VLO耦接至电压节点VHI1，电压节点VHI1继而可连接至子系统352。开关机构340可选择性地将电压节点VHI1耦接至电压节点VHI2，电压节点VHI2继而可连接至子系统354。开关机构344可选择性地将电压节点VH2耦接至电压节点VHI3，电压节点VHI3继而可连接至子系统356。在其他变型中，开关机构336、340和344中的每一个开关可直接将电池322分别连接至子系统352、345和356。
调节器338、342和346直接地或通过线性调节至小于VX的电压将电压节点VX(其继而可提供来自电源302的输入电压和/或来自开关转换器330的升压电池电压)分别耦接至子系统352-356。例如，如图3C所示，调节器338可直接地或通过线性调节至小于VX的电压VHI1来选择性地将电压节点VX与电压节点VHI1和子系统352耦接。调节器342可直接地或通过线性调节至小于VX的电压VHI2来选择性地将电压节点VX与电压节点VHI2和子系统354耦接。调节器346可直接地或通过线性调节至小于VX的电压VHI3来选择性地将电压节点VX与电压节点VHI3和子系统356耦接。
在充电系统的操作期间，存在三种供考虑的充电电源302的状态：从电源302进行标准充电、通过功率不足的电源302充电，以及从电池322放电。功率不足的电源为无法通过达到适配器电流iBUS或适配器电压VBUS限值而为系统提供所需功率的任何电源(如，电源302)。例如，如果电流iBUS或VBUS限值被设计用于具有100-240V电压的交流市电但电源302被插入电流或电压低于iBUS或VBUS限值的电源，例如计算机系统上的通用串行总线(USB)端口，则电源302可为功率不足的。
相似地，存在供考虑的四种或更多种电池电压状态：电压不足状态、一个或多个低电压状态、高电压状态和充满电状态。如果电池322的电池电压小于或等于电池的指定截止电压(例如，最低工作电压)(例如，3.0V)并且电池322不具有可用的剩余电荷，则电池322被认为是电压不足的。低电压电池322可具有可被低电压子系统304直接使用但不被高电压子系统306使用的电池电压(例如，在3.0V和3.4V之间)。高电压电池322可具有可被所有子系统直接使用的电压(例如，大于3.4V)，但尚未充满电。充满电的电池322可处于电池322的最大电压，从而无法被进一步充电。在设备具有三个或更多个具有不同电压要求的子系统的情况下，如图3C中所示，电池可具有多种低电压状态(例如，其中电池电压足够高以对子系统350而非子系统352-356供电的第一低电压状态，其中电池电压足够高以对子系统350和352而非子系统354和356供电的第二低电压状态，以及其中电池电压足够高以对子系统352-354而非子系统356供电的第三低电压状态)。
适配器状态和电池322的电压状态的组合给出12种供考虑的独特状态。以下部分针对这些状态中的每一种状态描述了图3A-图3B的充电系统的详细操作。
状态1：利用电压不足的电池进行标准充电
在利用电压不足的电池322进行标准充电期间，控制电路可使用电源302对电池322充电。控制电路还可使用开关转换器330将来自电源302的输入电压转换成一个或多个输出电压来为子系统供电。在这些情况下，电源的输入电压可用于为电池提供充电电压以及为每个子系统提供与该子系统所需电压一致的电压。
例如，在图3A所示的充电电路中，控制电路可将充电电路配置为采用下述方式利用电压不足的电池322进行标准充电。电源302(其可为直流(DC)源)连接至启用的FETA310。FETB312作为伺服机构反馈回路(例如，在控制电路中实施)的一部分进行开关，该伺服机构反馈回路将电压节点VLO(例如，低电压子系统304的电压)控制到足以为低电压子系统供电的电压(例如，其可为电池322的截止电压(例如，3.0V))，除非受到适配器电流iBUS或适配器电压VBUS限值的限制。FETC314以与FETB312互补的方式进行开关。FETD316可线性地工作以将VBAT控制到用于为电池322充电的目标电压，其可小于3.0V。FETE318可作为理想二极管工作并且可在此状态下关闭。FETF320可被激活以向电压节点VHI提供足以对一个或多个高电压子系统306供电的电压。在一些情况下，FETF320可线性地工作以保持高电压子系统306的电压节点VHI等于VHI_MAX，VHI_MAX为尽可能接近来自电源302的输入电压而不会超出高电压子系统306的最大电压限值的电压。低电压子系统304在第一电压(例如，电池322的截止电压(例如，3.0V))下被供电，而高电压子系统306在VHI_MAX下从电源302通过FETF320供电。
状态2：利用低电压电池进行标准充电
在利用低电压电池进行标准充电期间，控制电路可使用电源302对电池322充电。控制电路还可使用开关转换器330将来自电源302的输入电压转换成一个或多个输出电压来为子系统供电，所述一个或多个输出电压可包括电池322的目标电压。在这些情况下，电源的输入电压可用于为电池提供充电电压以及为每个子系统提供与该子系统所需电压一致的电压。
例如，控制电路可将图3A的充电电路配置为采用下述方式利用低电压电池322进行标准充电。电源302(例如，DC电压电源)连接至启用的FETA310。FETB312作为伺服机构反馈回路(例如，在控制电路中实施)的一部分进行开关，该伺服机构反馈回路将VLO控制到介于低电压子系统304的电压要求(其可为电池322的截止电压(例如，3.0V))和高电压子系统306所需的电压(例如，3.4V)之间的目标电压，除非受到适配器电流iBUS或适配器电压VBUS限值的限制。FETC314以与FETB312互补的方式进行开关，允许电流在任一方向流动。FETD316完全接通，使得VBAT和VLO均处于目标电压下。FETE318可作为理想二极管工作并且可在此状态下关闭。FETF320可被激活以向电压节点VHI提供足以为一个或多个高电压子系统306供电的电压。在一些情况下，FETF320线性地工作以如上所述保持VHI等于VHI_MAX。低电压子系统304在电池322的目标电压(例如，3.0-3.4V)下由降压转换器(例如，FETB-C312-314和电感器308)供电，而高电压子系统306在VHI_MAX下从电源302通过FETF320供电。
为提高效率，FETC314可相反被配置为作为理想二极管工作并且阻止电流流入地面(例如，基准电压)。如果伺服机构(例如，控制电路)突然变成受适配器限制的，造成过渡至如下文状态6中所论述的利用功率不足的电源和低电压电池充电，则FETC314可不再被配置为理想二极管并且可相反以与FETB312互补的方式进行开关，允许电流通过电池322升高。
状态3：利用高电压电池进行标准充电
在利用高电压电池进行标准充电期间，控制电路可使用电源302对电池322充电。控制电路还可使用开关转换器330将来自电源302的输入电压转换成电池322的目标电压，电池322还用于为便携式电子设备的一个或多个子系统供电。在这些情况下，电源的输入电压可用于为电池提供充电电压以及为每个子系统提供与该子系统所需电压一致的电压。
例如，控制电路可将图3A的充电电路配置为采用下述方式利用高电压电池322进行标准充电。电源302连接至启用的FETA310。FETB312作为伺服机构反馈回路(例如，在控制电路中实施)的一部分进行开关，该伺服机构反馈回路将VLO控制到高于高电压子系统306的电压要求(例如，3.4V)的目标电压，除非受到适配器电流iBUS或适配器电压VBUS限值的限制。FETC314以与FETB312互补的方式进行开关，允许电流在任一方向流动。FETD316完全接通，使得VBAT和VLO均处于目标电压下。FETE318可接通(并且可作为理想二极管工作)，使得VHI等于VLO。FETF320也可接通(例如，线性地工作)以使VHI保持处于或高于高电压子系统306的电压要求，但在VHI被驱动至高于启用的FETE318的电压要求时关闭。高电压子系统306和低电压子系统304在电池目标电压下均由降压转换器供电。
如在状态2中所论述(利用低电压电池进行标准充电)，FETC314可相反被配置为作为理想二极管工作以提高效率，这样的代价是不能够对过渡至利用功率不足的电源和高电压电池进行充电快速作出反应，这将在下文状态7中论述。
状态4：利用充满电的电池进行标准充电
在利用充满电的电池进行标准充电期间，控制电路可中断从电源302对电池322充电。控制电路还可使用开关转换器330将来自电源302的输入电压转换成输出电压来为便携式电子设备的子系统供电。输出电压可高于充满电状态下的电池322的电池电压。
例如，控制电路可将图3A的充电电路配置为采用下述方式利用充满电的电池322进行标准充电。电源302连接至启用的FETA310。FETB312作为伺服机构反馈回路(例如，在控制电路中实施)的一部分进行开关，该伺服机构反馈回路将VLO控制到足以为低电压子系统304供电的目标电压。在一些变型中，该电压被配置为比电池322的充满电的电压大(例如，100mV)，除非受到适配器电流iBUS或适配器电压VBUS限值的限制。这可为电流脉冲提供电压余量而无需对电池放电。FETC314以与FETB312互补的方式进行开关，允许电流在任一方向流动。FETD316可关闭并且可作为理想二极管工作来阻止电池322放电。FETE318作为理想二极管工作并且在此状态下接通，其中VHI等于VLO。FETF320线性地工作以使VHI保持处于或高于高电压子系统306的电压要求，但在VHI被驱动至高于启用的FETE318的电压要求时关闭。高电压子系统306和低电压子系统304两者在目标电压下由降压转换器供电，该目标电压大于高电压子系统306的电压要求。
如在状态2中所论述(利用低电压电池进行标准充电)，FETC314可相反被配置为作为理想二极管工作以提高效率，这样的代价是不能够对过渡至利用功率不足的电源和充满电的电池进行充电快速作出反应，这将在下文状态8中论述。
状态5：利用功率不足的电源和电压不足的电池进行充电
在利用功率不足的电源302和电压不足的电池322进行充电期间，控制电路可使便携式电子设备断电并使用来自电源302的所有受限功率来对电池322充电。例如，控制电路可将图3A的充电电路配置为利用功率不足的电源320和电压不足的电池322以下述方式进行充电。电源302(例如，DC电压电源)连接至启用的FETA310。FETB312作为伺服机构反馈回路(例如，在控制电路中实施)的一部分进行开关，该反馈回路试图将VLO控制到电池322的截止电压(例如，3.0V)，但反而受到适配器电流iBUS或适配器电压VBUS限值的限制。FETC314以与FETB312互补的方式进行开关。FETD316线性地工作以将VBAT控制到小于电池322的截止电压(例如，3.0V)的目标电压。FETE318作为理想二极管工作并且在此状态下关闭。FETF320线性地工作以保持VHI等于VHI_MAX。低电压子系统304在低于电池322的截止电压(例如，3.0V)下由降压转换器供电，而高电压子系统306在VHI_MAX下从电源302通过FETF320线性地工作而供电。由于VLO低于电池322的截止电压，所以系统关闭并且无需考虑高电压子系统306或低电压子系统304上的电流脉冲。所有受限适配器功率将进入对电池充电直到充电电路过渡到状态1(利用电压不足的电池进行标准充电)或状态6(利用功率不足的电源和低电压电池进行充电)。
状态6：利用功率不足的电源和低电压电池进行充电
在利用功率不足的电源302和低电压电池322进行充电期间，控制电路可从电池的目标电压为低电压子系统供电并从功率不足的电源302为高电压子系统供电。如果控制电路检测到低电压子系统的电压低于电池322的开路电压，则控制电路可由来自输入电压和开关转换器330向上转换的电池电压的电流总和为高电压子系统供电。
例如，控制电路可将图3A的充电电路配置为利用功率不足的电源302和低电压电池322以下述方式进行充电。电源302连接至启用的FETA310。FETB312作为伺服机构反馈回路(例如，在控制电路中实施)的一部分进行开关，该反馈回路试图将VLO控制到介于电池322的截止电压(例如，3.0V)和高电压子系统306所需的电压(例如，3.4V)之间的目标电压，但反而受到适配器电流iBUS或适配器电压VBUS限值的限制。FETC314以与FETB312互补的方式进行开关，允许电流在任一方向流动。FETD316完全接通，使得VBAT和VLO均处于目标电压下。FETE318作为理想二极管工作并且在此状态下关闭。FETF320线性地工作以保持VHI等于VHI_MAX。低电压子系统304在低于电池322的目标电压下由降压转换器供电，而高电压子系统306在VHI_MAX下从电源302通过FETF320线性地工作而供电。
如果VLO低于电池322的开路电压，则电池322将放电而不是充电。在这种情况下，通过电感器308并且将FETsB312和C314转换至VX来从处于VLO的电池提升充电。低电压子系统304可通过电池322供电，并且高电压子系统306可通过来自适配器电源和经由线性地工作的FETF320控制的处于VHI_MAX的升高的电池电源的电流总和来供电。
状态7：用功率不足的电源和高电压电池进行充电
在利用功率不足的电源302和高电压电池322进行充电期间，控制电路可从电池322的高于高电压子系统的电压要求的目标电压为低电压子系统和高电压子系统供电。如果控制电路检测到低电压子系统的电压低于电池322的开路电压，则控制电路由来自输入电压和开关转换器330向上转换的电池电压的电流总和为低电压子系统和高电压子系统供电。
例如，控制电路可将图3A的充电电路配置为利用功率不足的电源302和高电压电池322以下述方式进行充电。电源302连接至启用的FETA310。FETB312作为伺服机构反馈回路(例如，在控制电路中实施)的一部分进行开关，该反馈回路试图将VLO控制到高于高电压子系统306所需的电压(例如，3.4V)的目标电压，但反而受到适配器电流iBUS或适配器电压VBUS限值的限制。FETC314以与FETB312互补的方式进行开关，允许电流在任一方向流动。FETD316完全接通，使得VBAT和VLO均处于目标电压下。FETE318作为理想二极管工作并且在此状态下接通，其中VHI等于VLO。FETF320线性地工作以使VHI保持处于或高于高电压子系统306的电压要求，但在VHI被驱动至高于启用的FETE318的电压要求时关闭。高电压子系统306和低电压子系统304两者均处于高于通过降压转换器供电的高电压子系统306的电压要求的电压。
如果VLO低于电池322的开路电压，则电池322将放电而不是充电。在这种情况下，高电压子系统306可经由降压转换器由电源302供电，由来自电池322的电流补充。
状态8：利用功率不足的电源和充满电的电池进行充电
在利用功率不足的电源302和充满电的电池322进行充电期间，控制电路可中断从电源302对电池322充电。控制电路还可使用开关转换器330产生为便携式电子设备中的所有子系统供电的输出电压。如果输出电压低于电池322的电池电压，则控制电路可用来自电池322的功率补充输出电压。
例如，控制电路可将图3A的充电电路配置为利用功率不足的电源302和充满电的电池322以下述方式进行充电。电源302连接至启用的FETA310。FETB312作为伺服机构反馈回路(例如在控制电路中实施)的一部分进行开关，该反馈回路将VLO控制到高(例如高100mV)于电池322的充满电的电压的目标电压，但反而受到适配器电流iBUS或适配器电压VBUS限值的限制。FETC314以与FETB312互补的方式进行开关，允许电流在任一方向流动。FETD316作为理想二极管工作并且在该状态下关闭，阻止电池322充电。FETE318作为理想二极管工作并且在此状态下接通，其中VHI等于VLO。FETF320线性地工作以使VHI保持处于或高于高电压子系统306的电压要求，但在VHI被驱动至高于启用的FETE318的电压要求时关闭。高电压子系统306和低电压子系统304两者都处于降压转换器可以提供的最大电压。
如果降压转换器电压低于电池电压，则FETD316作为理想二极管工作，允许电池功率补充适配器功率，就像状态7(利用功率不足的电源和高电压电池进行充电)那样。
状态9：利用电压不足的电池进行放电
在利用电压不足的电池322进行放电期间，系统中没有可用的功率，并且便携式电子设备关闭。例如，图3A中的充电电路的所有FET310-320可被禁止，等待检测电源302。
状态10：利用低电压电池进行放电
在利用低电压电池进行放电期间，控制电路可直接从电池322的电池电压为低电压子系统供电，并将电池电压向上转换以为高电压子系统供电。例如，控制电路可将图3A的充电电路配置为以下述方式将低电压电池322放电。FETA310被禁止以防止电流到达未连接的适配器插头。FETC314作为处于升压配置的伺服机构反馈回路(例如在控制电路中实施)的一部分进行开关，该反馈回路将VX控制到高电压子系统306的电压要求(例如3.4V)。FETB312作为理想二极管工作，以与FETC314互补的方式进行开关。FETD316作为理想二极管工作并且完全打开。FETE318作为理想二极管工作并且完全关闭。FETF320线性地工作以使VHI保持等于高电压子系统306的电压要求(例如3.4V)，并且完全打开。低电压子系统304由电池322以介于电池322的截止电压(例如3.0V)和高电压子系统306的电压要求(例如3.4V)之间的电压直接供电。高电压子系统306由被反向运行的充电降压转换器升压至高电压子系统306的电压要求(例如3.4V)的电池电压供电。
状态11：利用高电压电池进行放电
在利用低电压电池进行放电期间，控制电路可直接从电池322的电池电压为所有子系统供电。例如，控制电路可将图3A的充电电路配置为以下述方式将高电压电池322放电。FETA310被禁止以防止电流到达未连接的适配器插头。FETB312作为理想二极管工作，并且在FETC314关闭时打开，使VX保持等于VLO。FETC314作为处于升压配置的伺服机构反馈回路(例如在控制电路中实施)的一部分进行开关，该反馈回路将VX控制到高电压子系统306的电压要求(例如3.4V)，并且该FETC314通常在VX将通常处于比3.4高的VLO之后关闭。FETD316和FETE318两者都作为理想二极管工作并且完全打开。FETF320线性地工作以使VHI保持处于或高于高电压子系统306的电压要求，但在VHI被驱动至高于开启的FETE318的电压要求时关闭。高电压子系统306和低电压子系统304两者都直接连接至电池电压，该电池电压高于任一子系统的电压要求。
状态12：利用充满电的电池进行放电
条件与状态11相同，描述了利用高电压电池进行放电。
充电器转变
状态之间的转变在电池322的电压改变(voltage)时发生、电源302插入或拔出时发生，或者大的电流瞬态在系统负载中的一个上发生。所提议的充电器妥善地处理了这些转变，这里将详细描述某些转变。
在高电压电池322和低电压电池322之间进行转变时发生典型转变。在这种情况下，高电压子系统306的电压VHI将从高电压子系统306的最低高电压水平(例如3.4V)转变至经FETF320供电的VHI_MAX。当充电与放电相对抗时，该转变简单地反转，唯一的不同在于高电压子系统306的功率来源。从高电压到低电压的任一方向的转变平滑进行，并且仅需要低水平的滞后来防止两种状态之间的跳跃。
当高电压系统上发生电流脉冲，同时系统处于状态2(利用低电压电池进行充电)时，会发生一种更具挑战性的转变。在这种情况下，到高电压系统的功率由FETF320提供，该FETF320线性地工作以使VHI保持在VHI_MAX。可能理想的是FETF320为高带宽提供线性控制以防止VHI电压节点降得过低。此外，将VHI目标电压设置到可能的最高电压(VHI_MAX)可为电流浪涌提供电压余量而不会使高电压子系统306欠压。此外，可能理想的是限制系统的数量和/或高压子系统306中需要的电流负载，同时将尽可能多的系统与低电压子系统304放在一起。
如果高电压子系统306上的电流脉冲如此之大，以至于降压伺服机构受到适配器电流或适配器电压的限制，则到高电压子系统306的功率可通过对电池电压进行状态6(利用功率不足的电源和低电压电池进行充电)描述的向上转换来补充。
在其他情况下，状态11(利用高电压电池进行放电)下高电压子系统306上的电流脉冲可导致由于VLO轨上脉冲引起的电压下降而转变至状态10(利用低电压电池进行放电)。在发生脉冲之前，高电压子系统306直接连接至电池322，并且由于FETB312作为理想二极管工作，VX电压也等于电池电压。当发生脉冲时，随着升压伺服机构控制FETC314开始开关以使VX保持处于3.4V，线性地工作以使VHI保持高于高电压子系统306的电压要求(例如3.4V)的FETF320将从由VX充电转变到由VHI充电。
在另外一些情况下，在状态2(利用低电压电池充电)期间从电源302断开连接可导致转变至状态10(利用低电压电池进行放电)。在这种情况下，FETB312和FETC314起初作为降压转换器进行开关，以将经FETD316连接至VLO的电池322充电到介于电池322的截止电压(例如3.0V)和高电压子系统306的电压要求(例如3.4V)之间的电压。在拔出插头事件之后，经过电感器308的电流可能需要尽快反转方向，因为FETB312和FETC314现在作为升压转换器进行开关以将VHI控制到VHI_MAX。在拔出插头事件之前，可经由线性地工作的FETF320将VHI电压控制到VHI_MAX，以为使电流在VHI电压下降至低于高电压子系统306的电压要求之前反转方向而提供电压余量。电感器308值、开关频率和VHI电容的选择可帮助限制这些情况下的电压下降。
图4示出流程图，示出了根据本实用新型所公开实施例的管理电池在便携式电子设备中的使用的过程。在一个或多个实施例中，可省略、重复和/或以不同顺序执行这些步骤中的一者或多者。因此，图4中所示步骤的具体布置不应被解释为限制实施例的范围。
最初，提供一种充电电路，该充电电路用于将来自电源的输入电压和/或来自电池的电池电压转换成一组输出电压，以便对电池进行充电并为便携式电子设备中的低电压子系统和高电压子系统供电(操作402)。该充电电路可包括双向转换器和控制电路。双向转换器可包括具有输入端子和负载端子的电感器，以及三个开关机构，所述开关机构被配置为将输入端子耦接至电源或基准电压；将负载端子耦接至电池、高电压子系统和低电压子系统；以及将输入端子耦接至高电压子系统。开关机构可由FET和/或其他开关部件提供。另选地，可使用其他类型的双向转换器，诸如转换器、反相转换器、升压转换器、单端初级电感转换器(SEPIC)，Zeta转换器和或升降压转换器。
接下来，检测到来自电源的输入电压(操作404)。例如，可从插入电源插座的电源检测到输入电压。充电电路可随后基于便携式电子设备中电池的电池状态(操作406)来工作。如果电池处于电压不足状态，则使用充电电路以提供用于对电池进行充电以及为低电压子系统和高电压子系统供电的不同的输出电压(操作408)。例如，充电电路可产生用于对电池进行充电的低于电池截止电压的目标电压、用于为处于或高于截止电压的低电压子系统供电的向下转换电压(例如降压电压)、来自电源的用于为处于或高于高电压子系统电压要求的高电压子系统供电的更高电压。
如果电池处于低电压状态，则使用充电电路以从电池的目标电压为低电压子系统供电以及从电源为高电压子系统供电(操作410)。例如，目标电压可介于电池的截止电压(例如3.0V)和高电压子系统的电压要求之间，并且可从低于或等于高电压子系统最大电压限制的电压为高电压子系统供电。
如果电池处于高电压状态，则使用充电电路以从电池的目标电压为所有子系统供电(操作412)。例如，可将使用相同的目标电压以为低电压子系统和高电压子系统供电以及对电池进行充电。
最后，如果电池处于充满电状态，则对电池的充电被中断(操作414)，并且从目标电压为低电压子系统和高电压子系统供电，所述目标电压高于充满电状态下的电池的电池电压(操作416)。例如，充电电路可用于将输入电压转换为比电池的充满电电压高100mV的目标电压以提供电压余量并避免在电流脉冲期间进行放电。
图5示出流程图，其了根据本实用新型所公开实施例的管理电池在便携式电子设备中的使用的过程。在一个或多个实施例中，可省略、重复和/或以不同顺序执行这些步骤中的一个或多个。因此，图5中所示步骤的具体布置不应被解释为限制实施例的范围。
最初，提供一种充电电路，该充电电路用于将来自电源的输入电压和/或来自电池的电池电压转换成一组输出电压，以用于对电池进行充电并为便携式电子设备中的低电压子系统和高电压子系统供电(操作502)。接下来，检测到来自功率不足的电源的输入电压(操作504)。例如，可从插入计算机系统和/或其他便携式电子设备上的USB端口的电源(例如电源适配器)检测到输入电压。另选地，电源可在一种或两种子系统上的电流脉冲期间暂时性地功率不足。
充电电路可随后基于便携式电子设备中电池的电池状态(操作506)来工作。如果电池处于电压不足状态，则关闭便携式电子设备(操作508)，并且充电电路用于从输入电压对电池进行充电(操作510)。便携式电子设备可保持关闭，直到充电电路转变成从电源进行标准充电，和/或电池转变成低电压状态。
如果电池处于低电压状态，则充电电路用于从电池的目标电压为低电压子系统供电和从功率不足的电源为高电压子系统供电(操作512)。例如，可由充电电路将目标电压向上转换(例如升压)以为高电压子系统供电。此外，如果低电压子系统的电压低于电池的开路电压，则充电电路可用于由来自功率不足电源的输入电压和向上转换的电池电压的电流总和来为高电压子系统供电。
如果电池处于高电压状态，则充电电路用于从电池的目标电压为低电压子系统和高电压子系统供电，所述目标电压高于高电压子系统的电压要求(操作514)。例如，充电电路可产生相同的目标电压来对电池进行充电以及为低电压子系统和高电压子系统两者供电。此外，如果低电压子系统的电压低于电池的开路电压，则充电电路可用于由来自功率不足的电源的输入电压和向上转换的电池电压的电流总和来为高电压子系统供电。
如果电池处于充满电状态，则对电池的充电被中断(操作516)，并且从目标电压为低电压子系统和高电压子系统供电，该目标电压高于充满电状态下的电池的电压(操作518)。如同在高电压状态下进行充电那样，如果低电压子系统的电压低于电池的开路电压，则来自电源的功率可由电池功率补充。
图6示出流程图，其示出了根据本实用新型所公开实施例的管理电池在便携式电子设备中的使用的过程。在一个或多个实施例中，可省略、重复和/或以不同顺序执行这些步骤中的一者或多者。因此，图6中所示步骤的具体布置不应被解释为限制实施例的范围。
如同图4至图5的流程图那样，提供一种充电电路，该充电电路用于将来自电源的输入电压和/或来自电池的电池电压转换成一组输出电压，以便对电池进行充电并为便携式电子设备中的低电压子系统和高电压子系统供电(操作602)。接下来，检测到电池的放电(操作604)。例如，如果没有电源连接至便携式电子设备，则电池可放电。
充电电路可基于便携式电子设备中电池的电池状态(操作606)来工作。如果电池处于电压不足状态，则关闭便携式电子设备(操作608)，并且等待检测电源(操作610)，因为便携式电子设备中没有可用的功率。
如果电池处于低电压状态，则充电电路用于直接从电池电压为低电压子系统供电和将电池电压向上转换以对高电压子系统供电(操作612)。例如，可从介于电池截止电压和高电压子系统电压要求之间的电池电压来为低电压子系统供电，并且可通过将电池电压向上转换到高于该电压要求的电压来为高电压子系统供电。
最后，如果电池处于高电压状态或充满电状态，则从电池电压为这两种子系统供电(操作614)。例如，电池电压可高于高电压子系统的电压要求，因此使得能够从电池电压为高电压子系统和低电压子系统两者直接供电，而不需要另外将电池电压向上转换。
一般可以将上述可充电电路用于任何类型的电子设备中。例如，图7示出了便携式电子设备700，其包括处理器702、存储器704和显示器708，它们全都由电源706供电。便携式电子设备700可以对应于膝上型计算机、平板电脑、移动电话、便携式媒体播放器、数字照相机和/或其他类型的电池供电的电子设备。电源706可包括双向转换器，诸如图3所示的转换器、升压转换器、反相转换器、转换器、SEPIC、Zeta转换器和/或降压-升压转换器。电源706还可包括控制电路，该控制电路使用双向转换器将来自电源的输入电压和/或来自便携式电子设备700中电池的电池电压转换成用于对电池进行充电以及为便携式电子设备700中的两个或更多个子系统(包括低电压子系统和高电压子系统)供电的一组输出电压。
仅出于例证和描述的目的呈现了各种实施例的前述描述。它们并非旨在是穷举性的或将本实用新型限制为所公开的形式。因此，对于本领域技术人员而言，许多修改和变型将是显而易见的。另外，上述公开内容并非意图限制本实用新型。

Claims (10)

1.一种用于便携式电子设备的充电系统，其特征在于，所述充电系统包括：
双向转换器；和
控制电路，所述控制电路被配置为使用所述双向转换器以将来自电源的输入电压转换成一组输出电压，以用于对所述便携式电子设备中的电池进行充电并为所述便携式电子设备中的低电压子系统和高电压子系统供电。
2.根据权利要求1所述的充电系统，其特征在于，所述控制电路被进一步配置为：
将来自所述电池的电池电压转换成所述一组输出电压以用于为所述低电压子系统和所述高电压子系统供电。
3.根据权利要求2所述的充电系统，其特征在于，所述控制电路被进一步配置为通过将来自所述电源的所述输入电压向下转换；或者在所述电池的放电期间将来自所述电池的所述电池电压向上转换来产生所述一组输出电压。
4.根据权利要求2所述的充电系统，其特征在于，所述控制电路被配置为在以下操作期间产生所述一组输出电压：
从所述电源进行标准充电；
从功率不足的电源进行充电；以及
所述电池进行放电。
5.根据权利要求2所述的充电系统，其特征在于，所述控制电路被配置为在以下状态期间产生所述一组输出电压：
所述电池的电压不足状态；
所述电池的低电压状态；
所述电池的高电压状态；和
所述电池的充满电状态。
6.根据权利要求1所述的充电系统，其特征在于，所述双向转换器包括：
具有输入端子和负载端子的电感器；
第一开关机构，所述第一开关机构被配置为将所述输入端子耦接到所述电源或基准电压；
第二开关机构，所述第二开关机构被配置为将所述负载端子耦接到所述电池、所述高电压子系统和所述低电压子系统；和
第三开关机构，所述第三开关机构被配置为将所述输入电压耦接到所述高电压子系统。
7.一种便携式电子设备，其特征在于，所述便携式电子设备包括：
高电压子系统中的第一组部件；
低电压子系统中的第二组部件；
电池；和
充电电路，所述充电电路被配置为将来自电源的输入电压转换成一组输出电压以用于对所述电池进行充电并为所述低电压子系统和所述高电压子系统供电。
8.根据权利要求7所述的便携式电子设备，其特征在于，所述充电电路被进一步配置为：
将来自所述电池的电池电压转换成所述一组输出电压以用于为所述低电压子系统和所述高电压子系统供电。
9.根据权利要求8所述的便携式电子设备，其特征在于，所述充电电路被进一步配置为通过将来自所述电源的所述输入电压向下转换；或者在所述电池的放电期间将来自所述电池的所述电池电压向上转换来产生所述一组输出电压。
10.根据权利要求7所述的便携式电子设备，其特征在于，所述充电电路包括：
具有输入端子和负载端子的电感器；
第一开关机构，所述第一开关机构被配置为将所述输入端子耦接到所述电源或基准电压；
第二开关机构，所述第二开关机构被配置为将所述负载端子耦接到所述电池、所述高电压子系统和所述低电压子系统；和
第三开关机构，所述第三开关机构被配置为将所述输入电压耦接到所述高电压子系统。
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