DE102015116780A1

DE102015116780A1 - Batterieladezustandsauswertung gleichzeitig mit einer Konstantstromladung

Info

Publication number: DE102015116780A1
Application number: DE102015116780.8A
Authority: DE
Inventors: Cheow Guan Lim
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2014-10-03
Filing date: 2015-10-02
Publication date: 2016-04-07
Also published as: CN105490326A; US20160099593A1; KR20160040434A

Abstract

Es werden Techniken einschließlich des Lieferns eines im Wesentlichen konstanten Stroms zum Laden einer Batterie, die wenigstens eine elektrochemische Batteriezelle enthält, und des Messens einer Ladespannung der Batterie während des Lieferns des im Wesentlichen konstanten Stroms an die Batterie offenbart. Ferner enthält das Verfahren das Auswerten eines Ladezustands der Batterie auf der Grundlage der gemessenen Ladespannung und der gemessenen Testspannung und das Speichern einer Angabe des Ladezustands der Batterie in einem nicht vorübergehenden computerlesbaren Medium auf der Grundlage der Auswertung des Ladezustands der Batterie.

Description

Diese Offenbarung bezieht sich auf Batterieladezustandsauswertungen gleichzeitig mit Laden der Batterie.
Viele moderne elektronische Vorrichtungen einschließlich Personal Digital Assistants (PDAs), Laptopcomputer, Tablet-Computer, E-Book-Leser, Digitalkameras, digitale Aufzeichnungsvorrichtungen, digitale Media Player, Videospielevorrichtungen, Mobiltelephon-Kopfsprechhörer, Zellen- oder Satellitenfunktelephone, sogenannte "Smartphones", andere tragbare elektronische Vorrichtungen und dergleichen können eine oder mehrere Batterien enthalten, die verwendet werden können, um Leistung für diese Vorrichtungen bereitzustellen. Diese Batterien können nachladbare Batterien sein, die allgemein periodisch geladen werden müssen.
Die Kenntnis eines Batterieladezustands einer nachladbaren Batterie ist aus verschiedenen Gründen erwünscht. Zum Beispiel kann eine elektronische Vorrichtung auf einer Nutzerschnittstelle eine Angabe des Batterieladezustands bieten, um einem Nutzer die verfügbare Ladung der Batterie anzuzeigen.
Diese Offenbarung ist allgemein auf Techniken zum Messen des Batterieladezustands gerichtet. Die offenbarten Techniken ermöglichen die Batterieladezustandsauswertung gleichzeitig mit einer Konstantstromladung der Batterie. Die Konstantstromladung kann für das Laden der Batterie bei Batterieladezuständen unterhalb verhältnismäßig hoher Ladezustände verwendet werden. In einigen Beispielen enthalten die offenbarten Techniken die Konstantstromladung der Batterie für eine Zeitdauer, die zum Ausregeln der angelegten Quellenvorspannung in Übereinstimmung mit der Ladespannung und zum Messen der Batteriespannung während der Konstantstromladung ausreicht. Auf der Grundlage dieser Spannungsmessung kann der Batterieladezustand gleichzeitig mit der Konstantstromladung der Batterie ausgewertet werden.
Ferner umfassen die offenbarten Techniken einen Controller für eine tragbare elektronische Vorrichtung, der die Konstantstromladung für eine Batterie der tragbaren elektronischen Vorrichtung von einer externen Leistungsquelle liefern kann, während er gleichzeitig eine Leistung von der externen Leistungsquelle lenkt, um gleichzeitig veränderlichen Leistungsaufnahmen (engl.: power load) anderer elektronischer Komponenten der tragbaren elektronischen Vorrichtung zu genügen. Diese Techniken ermöglichen eine Konstantstromladung der Batterie innerhalb der tragbaren elektronischen Vorrichtung für eine Zeitdauer, die ausreicht, damit sich die angelegte Quellenvorspannung in Übereinstimmung mit der Ladespannung ausregelt, was Batterieladezustandsauswertungen gleichzeitig mit der Konstantstromladung der Batterie ermöglicht.
In einem Beispiel ist diese Offenbarung auf ein Verfahren gerichtet, das umfasst: das Liefern eines im Wesentlichen konstanten Stroms zum Laden einer Batterie, die wenigstens eine elektrochemische Batteriezelle enthält, das Messen einer Ladespannung der Batterie während des Lieferns des im Wesentlichen konstanten Stroms an die Batterie, das Auswerten eines Ladezustands der Batterie auf der Grundlage der gemessenen Ladespannung und der gemessenen Testspannung und das Speichern einer Angabe des Ladezustands der Batterie in einem nicht vorübergehenden computerlesbaren Medium auf der Grundlage der Auswertung des Ladezustands der Batterie.
In einem anderen Beispiel ist diese Offenbarung auf eine tragbare elektronische Vorrichtung gerichtet, die eine Batterie, die wenigstens eine elektrochemische Batteriezelle enthält, eine Verbindung mit einer externen Leistungsquelle, einen Controller umfasst. Der Controller ist dazu ausgebildet von der Verbindung zu der externen Leistungsquelle einen im Wesentlichen konstanten Strom zum Laden der Batterie zu liefern, eine Ladespannung der Batterie während des Lieferns des im Wesentlichen konstanten Stroms an die Batterie zu messen, einen Ladezustand der Batterie auf der Grundlage der gemessenen Ladespannung und der gemessenen Testspannung auszuwerten, und eine Angabe des Ladezustands der Batterie in einem nicht vorübergehenden (non-transitory) computerlesbaren Medium auf der Grundlage der Auswertung des Ladezustands der Batterie zu speichern.
In einem weiteren Beispiel betrifft diese Offenbarung ein nicht vorübergehendes computerlesbares Medium, das Anweisungen speichert, die dazu ausgebildet sind, zu veranlassen, dass ein programmierbarer Controller einen im Wesentlichen konstanten Strom zum Laden einer Batterie, die wenigstens eine elektrochemische Batteriezelle enthält, liefert, während des Lieferns des im Wesentlichen konstanten Stroms an die Batterie eine Ladespannung der Batterie misst, auf der Grundlage der gemessenen Ladespannung und der gemessenen Testspannung einen Batterieladezustand auswertet und auf der Grundlage der Auswertung des Ladezustands der Batterie eine Angabe des Ladezustands der Batterie in dem nicht vorübergehenden computerlesbaren Medium speichert.
Die Einzelheiten eines oder mehrerer Beispiele sind in den beigefügten Zeichnungen und in der folgenden Beschreibung dargelegt. Weitere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der Erfindung gehen aus der Beschreibung und aus den Zeichnungen sowie aus den Ansprüchen hervor.
1 ist ein Blockdiagramm, das einen Zweiphasen-Tiefsetzsteller darstellt, der Batterieladezustandsmessungen während der Konstantstromladung ermöglicht.
2 ist ein Blockdiagramm, das den Zweiphasen-Tiefsetzsteller aus 1 darstellt, der in einer "Schnell"-Lade-Betriebsart konfiguriert ist.
3 ist ein Blockdiagramm, das den Zweiphasen-Tiefsetzsteller aus 1 darstellt, der in einer Hochsetzbetriebsart konfiguriert ist.
4 ist ein Blockdiagramm, das den Zweiphasen-Tiefsetzsteller aus 1 darstellt, der in einer Drahtlosladebetriebsart konfiguriert ist.
5 ist ein Blockdiagramm, das den Zweiphasen-Tiefsetzsteller aus 1 darstellt, der sowohl in einer Hochsetzbetriebsart als auch in einer Drahtlosladebetriebsart konfiguriert ist.
6 ist ein Ablaufplan, der ein Verfahren für ein Tiefsetzstellerladegerät in einer Mehrphasen-Tiefsetzstellertopologie darstellt.
7 ist ein weiterer Ablaufplan, der ein weiteres Verfahren für ein Tiefsetzstellerladegerät in einer Mehrphasen-Tiefsetzstellertopologie darstellt.
8 stellt eine tragbare elektronische Vorrichtung dar, die eine Batterie und einen Controller, der dazu ausgebildet ist, einen Ladezustand der Batterie auszuwerten, während die Batterie von einer externen Leistungsquelle geladen wird, enthält.
9 ist ein konzeptionelles Diagramm der Leistungsverteilung und der Spannungserfassung innerhalb einer tragbaren elektronischen Vorrichtung, die eine Batterie und einen Controller, der dazu ausgebildet ist, einen Ladezustand der Batterie auszuwerten, während die Batterie von einer externen Leistungsquelle geladen wird, enthält.
10 ist ein Ablaufplan, der Techniken darstellt, um eine Batterieladezustandsmessung gleichzeitig mit einer Konstantstromladung der Batterie vorzunehmen.
11 ist eine graphische Darstellung der Spannung in Abhängigkeit von dem Batterieladezustand einer beispielhaften Batterie während der Ladung einschließlich einer Konstantstromladung unter verhältnismäßig hohen Ladezuständen bei verschiedenen Batterietemperaturen.
1 ist ein Blockdiagramm, das ein Tiefsetzstellerladegerät in Form eines Zweiphasen-Tiefsetzstellers 100 darstellt. Ein Zweiphasen-Tiefsetzsteller wie etwa der Zweiphasen-Tiefsetzsteller 100 kann verschiedene Ladeprofile wie etwa Erhaltungsladung, Konstantstrom, Konstantspannung bereitstellen. Einige Beispiele können eine "Schnell"-Ladung bereitstellen, die z. B. 5 A, 10 A oder eventuell noch mehr bereitstellt. Allgemein kann eine "Schnell"-Ladung durch irgendeinen Strom von 5 A bis 10 A oder mehr bereitgestellt werden. Einige Beispiele können einen hohen Wirkungsgrad aufweisen, um thermische Probleme zu vermeiden. Dementsprechend kann eine Schaltladung verwendet werden. Einige Beispiele können ebenfalls ein "Universal-Serial-Bus-On-The-Go (USB-On-The-Go)" bereitstellen, in dem der Zweiphasen-Tiefsetzsteller oder ein Abschnitt des Zweiphasen-Tiefsetzstellers in der Hochsetzbetriebsart arbeiten kann, um Leistung von einer Batterie (die unter Verwendung der Tiefsetzbetriebsart des Zweiphasen-Tiefsetzstellers geladen werden kann) Leistung für den USB-Adapter bereitzustellen. Außerdem können einige Beispiele eine Drahtlosladebetriebsart unter Verwendung einer zusätzlichen Eingabe bereitstellen, um eine Ladeleistung von einem drahtlosen Leistungstransformator bereitzustellen.
Wie im Folgenden beschrieben ist, kann der Betrieb eines Zweiphasen-Tiefsetzstellers in die Tiefsetzstellerfunktionalität und in die Hochsetzstellerfunktionalität aufgegliedert werden. In einigen Beispielen könnte der Wandler als eine Mehrphasentopologie implementiert sein. Das hier beschriebene Beispiel enthält zwei Phasen. In einigen Beispielen können die zwei Phasen beide als Tiefsetzsteller arbeiten. In anderen Beispielen können die zwei Phasen beide als Hochsetzsteller arbeiten. In abermals anderen Beispielen kann eine der zwei Phasen als ein Tiefsetzsteller arbeiten, während eine andere der zwei Phasen als ein Hochsetzsteller arbeitet. Wie in 1 dargestellt ist, kann für eine Phase, die als ein Hochsetzsteller fungiert, Leistung durch eine Batterie, durch einen Ausgangskondensator oder durch einen Tiefsetzstellerausgang bereitgestellt werden.
Ein Tiefsetzsteller ist ein DC-DC-Abwärtswandler. Mit anderen Worten, eine Ausgangsspannung ist kleiner als seine Eingangsspannung. Er ist eine Schaltleistungsversorgung, die in einigen Beispielen mehrere Schalter (z. B. Transistoren und Dioden), ein induktives Bauelement und einen Kondensator verwenden kann, um die Spannung einer DC-Versorgung zu verringern. Lineare Regler, die dadurch arbeiten, dass sie überschüssige Leistung als Wärme ableiten, können eine einfachere Vorrichtung sein, um die Spannung einer DC-Versorgung zu verringern, wobei das Ableiten überschüssiger Leistung als Wärme aber allgemein ineffizient ist. Andererseits können Tiefsetzsteller sehr effizient sein. Einige Beispiele können zu 95 % oder noch mehr effizient sein. Dementsprechend können Tiefsetzsteller zum Umsetzen der Hauptspannung in einem Computer (z. B. 12 V in einem Desktop, 12–24 V in einem Laptop) z. B. herab auf 0,8–1,8 V, die von dem einen oder von den mehreren Prozessoren in diesen Vorrichtungen benötigt werden können, nutzbar sein.
Ein Hochsetzsteller ist ein DC-DC-Aufwärtswandler. Mit anderen Worten, eine Ausgangsspannung ist höher als seine Eingangsspannung. Er ist ein Typ einer Schaltleistungsversorgung (SMPS). Einige Beispiele können z. B. wenigstens zwei Halbleiterschalter (z. B. eine Diode und einen Transistor oder in einigen Beispielen zwei Transistoren) und wenigstens ein Energiespeicherelement, z. B. einen Kondensator oder ein induktives Bauelement, enthalten. Einige Beispiele können mehrere Energiespeicherelemente zusammen, z. B. mehrere Kondensatoren, mehrere induktive Bauelemente, eine Kombination eines Kondensators und eines induktiven Bauelements oder eine Kombination mehrerer Kondensatoren und mehrerer induktiver Bauelemente, enthalten.
An einem Ausgang eines Wandlers (z. B. an einem Hochsetzstellerausgang oder an einem Tiefsetzstellerausgang) können allgemein Filter enthalten sein, die eines oder mehrere induktive Bauelemente, einen oder mehrere Kondensatoren oder eine Kombination eines oder mehrerer induktiver Bauelemente und eines oder mehrerer Kondensatoren enthalten können, um eine Ausgangsspannungswelligkeit zu verringern.
In einigen Beispielen kann eine Schaltungsanordnung dazu ausgebildet sein, sowohl eine Tiefsetzwandlung (tiefsetzen) als auch eine Hochsetzwandlung (hochstellen) durchzuführen. Mit anderen Worten, einige Schaltungen beziehen sich auf eine DC-DC-Leistungswandler-Schaltungsanordnung, die sowohl eine höhere Ausgangsspannung als ihre Eingangsspannung als auch eine niedrigere Ausgangsspannung als ihre Eingangsspannung bereitstellen kann. In einigen Beispielen können der Hochsetzsteller und der Tiefsetzsteller nicht denselben Eingang gemeinsam nutzen. Zum Beispiel kann für den Tiefsetzsteller eine Eingangsspannung von einem Gleichrichter bereitgestellt werden, während für den Hochsetzsteller eine durch den Tiefsetzsteller angegebene Eingangsspannung von einer Batterieladung oder eine Spannung von dem Tiefsetzsteller selbst bereitgestellt werden kann.
Einige beispielhafte Schaltungen können zwischen Tiefsetz- und Hochsetzbetriebsart rekonfigurierbar sein, während andere Beispiele beide Betriebsarten gleichzeitig ausführen können. In einem Beispiel, das beide Betriebsarten gleichzeitig ausführt, kann etwas Leistung zu niedrigeren Spannung heruntertransformiert werden, um von einer oder mehreren mit verschiedenen Ausgängen der Leistungsversorgung gekoppelten Vorrichtungen verwendet zu werden, während Spannungen z. B. von einem anderen Eingang auf eine oder mehrere Ausgangsspannungen herauftransformiert werden können. In einem solchen Beispiel kann die Eingabe in den Hochsetzsteller von einer Batterie, von einem Ausgang eines Tiefsetzstellers oder von beiden kommen. Die Batterie und der Ausgang des Tiefsetzstellers können einer Systemlast Leistung zuführen.
In einigen Beispielen kann die Schaltungsanordnung, die den Tiefsetzsteller implementiert, eine Mehrphasenschaltungsanordnung enthalten. Die Mehrphasenschaltungsanordnung kann z. B. eine erste Tiefsetzstellerschaltungsanordnung parallel zu einem zweiten Tiefsetzsteller sein. In verschiedenen Beispielen können Elemente zwischen der ersten Tiefsetzstellerschaltungsanordnung und der zweiten Tiefsetzschaltungsanordnung gemeinsam genutzt werden. Zum Beispiel kann ein Ausgangskondensator unter den verschiedenen Phasen gemeinsam genutzt sein und kann es nicht notwendig sein, dass er für jeden Tiefsetzsteller wiederholt ist. Außerdem kann der Betrieb der ersten Tiefsetzstellerschaltungsanordnung und der zweiten Tiefsetzstellerschaltungsanordnung mit einer festen Phasenverschiebung synchronisiert sein. Eine solche Konfiguration kann als ein Zweiphasen-Tiefsetzsteller bezeichnet werden. Es ist festzustellen, dass eine zusätzliche Tiefsetzstellerschaltungsanordnung parallel hinzugefügt werden kann, um eine dritte, eine vierte bis zu "n" zusätzlichen Phasen zu bilden, wobei "n" irgendeine ganze Zahl ist. Die Anzahl der Phasen in solchen Konfigurationen kann durch Betrachtungen wie etwa die für eine solche Schaltungsanordnung verfügbare Fläche, den Formfaktor für die Schaltungsanordnung oder andere Betrachtungen beschränkt sein. In einem Beispiel kann der Zweiphasen-Tiefsetzsteller eine zusätzliche Phase enthalten, die einen dritten Low-Side-Schalter und einen dritten High-Side-Schalter enthält. Außerdem können zusätzliche Phasen einschließlich zusätzlicher Low-Side-Schalter und zusätzlicher High-Side-Schalter verwendet sein.
In einigen Beispielen kann der Mehrphasen-Tiefsetzsteller eine Schaltungstopologie enthalten, die eine Reihe von Tiefsetzstellergrundschaltungen verwenden kann, die zwischen dem Eingang und der Last parallelgeschaltet sind. Jede der Phasen kann in äquidistanten Intervallen über die Schaltperiode eingeschaltet werden. Wie oben beschrieben wurde, kann die Mehrphasentopologie allgemein mit dem Tiefsetzsteller verwendet werden. In anderen Beispielen kann die Mehrphasentopologie allgemein mit einer Hochsetzstellertopologie verwendet sein. In einigen Beispielen können die Phasen z. B. zwischen einer Hochsetzstellerbetriebsart und einer Tiefsetzstellerbetriebsart rekonfigurierbar sein. Die hier beschriebene und in 1–5 dargestellte Schaltung kann in einer Zweiphasen-Tiefsetzstellertopologie eine effiziente Lösung zur Kombination mehrerer Merkmale hinsichtlich Leistungsfähigkeit, Kosten, Wärmebudgetierung (Ladegerätsystemwirkungsgrad) und Grundfläche bereitstellen.
Wie oben diskutiert ist, sind mehrere Beispiele, die einen Zweiphasen-Tiefsetzsteller verwenden, dargestellt, wobei selbstverständlich aber andere Mehrphasen-Wandlertopologien möglich sind.
In Bezug auf den Zweiphasen-Tiefsetzsteller 100 aus 1 kann der beispielhafte Zweiphasen-Tiefsetzsteller 100 verschiedene Ladeprofile wie etwa Erhaltungsladung, Konstantstromladung und Konstantspannungsladung bereitstellen. Außerdem kann der Zweiphasen-Tiefsetzsteller 100, z. B. unter Verwendung hoher Ladeströme von bis zu beispielsweise 5 A, 10 A oder noch höher, eine Schnellladung bereitstellen, um für eine Batterie in einer elektronischen Vorrichtung, die einen Zweiphasen-Tiefsetzsteller enthält, eine verhältnismäßig schnelle Ladung bereitzustellen. In einigen Beispielen kann die Fähigkeit, hohe Ladeströme bereitzustellen, mit der hier beschriebenen Mehrphasentopologie zusammenhängen. Durch Aufteilung des Stroms in verschiedene Phasen können die Verluste in den resistiven Komponenten des Wandlers erheblich verringert sein, da der Betrag des Stroms durch die Anzahl der Phasen dividiert werden kann, während die Leistungsverluste mit dem Quadrat der Anzahl der Phasen herunterskalieren. Dies kann hauptsächlich Wärmebudgetierungsgründe beeinflussen.
Der Zweiphasen-Tiefsetzsteller 100 ermöglicht die Lieferung einer Konstantstromladung an eine Batterie in einer tragbaren elektronischen Vorrichtung von einer externen Leistungsquelle, während er gleichzeitig Leistung von der externen Leistungsquelle lenkt, um Lasten mit veränderlicher Leistung anderer elektronischer Komponenten der tragbaren elektronischen Vorrichtung zu erfüllen. Die Konstantstromladung der Batterie innerhalb der tragbaren elektronischen Vorrichtung ermöglicht in Übereinstimmung mit den hier offenbarten Techniken Batterieladezustandsauswertungen gleichzeitig mit der Konstantstromladung der Batterie.
Der synchrone Mehrphasen-Tiefsetzstellerabschnitt aus 1 stellt zwei Tiefsetzbetriebsartphasen, eine erste Tiefsetzbetriebsartphase, die Schalter, den High-Side-Schalter 1 (HS1) und den Low-Side-Schalter 1 (LS1), enthält, und eine zweite Tiefsetzbetriebsartphase, die einen High-Side-Schalter 2 (HS2) und einen tiefspannungsseitigen Schalter 2 (LS2) enthält, dar. In einigen Beispielen können die Schalter HS1, HS2, LS1 und LS2 Transistoren wie etwa Bipolartransistoren (BJTs), Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (JFETs), Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs), Isolierschicht-Bipolartransistoren (IGBTs) oder andere Typen von Transistoren sein. In 1–5 sind MOSFETs dargestellt.
In einigen Beispielen könnten die Schalter aus verschiedenen Materialien mit halbleitenden Eigenschaften hergestellt sein. In einigen Beispielen können die Schalter (z. B. Transistoren, Dioden) bestimmte reine Elemente, die in der Gruppe IV des Periodensystems zu finden sind, wie etwa Silicium und Germanium sein. In einigen Beispielen können die Schalter (z. B. Transistoren, Dioden) binäre Verbindungen, insbesondere zwischen Elementen in den Gruppen III und V wie etwa Galliumarsenid oder Galliumnitrid, in den Gruppen II und VI, in den Gruppen IV und VI und zwischen verschiedenen Elementen der Gruppe IV, z. B. Siliciumcarbid; sowie bestimmte ternäre Verbindungen, Oxide und Legierungen sein. In einigen Beispielen können die Schalter (z. B. Transistoren, Dioden) organische Halbleiter sein, die aus organischen Verbindungen hergestellt sind. Außerdem kann die asynchrone Schaltleistungsversorgung (SMPS) in einigen Beispielen asynchron sein, d. h., dass einer der Transistoren durch eine Diode ersetzt ist. Somit können in einigen Beispielen die Schalter HS1 und HS2 Transistoren sein und die Schalter LS1 und LS2 Dioden sein. Ähnlich den oben diskutierten Transistoren könnten diese Dioden ebenfalls aus verschiedenen Materialien mit halbleitenden Eigenschaften, z. B. aus Silicium, Germanium, Galliumarsenid, Galliumnitrid, Siliciumcarbid usw., hergestellt sein. Der synchrone Mehrphasen-Tiefsetzstellerabschnitt aus 1 kann eine effiziente Schnellladung, z. B. mit mehr als 5 A, bis zu 10 A oder mehr, bereitstellen.
Wie oben diskutiert wurde, kann der Wirkungsgrad des Zweiphasen-Tiefsetzstellers 100 hoch, z. B. 95 % oder mehr, sein. Die Verwendung solcher hocheffizienten Vorrichtungen kann eine Vermeidung thermischer Probleme, z. B. Überhitzung, die auftreten kann, falls andere, weniger effiziente Wandlertopologien verwendet würden, bereitstellen. Die hier beschriebenen Systeme und Verfahren können dies unter Verwendung der Schaltladung ausführen. Wie oben beschrieben wurde, teilt die Zweiphasentiefsetztopologie den Strom außerdem in einigen Beispielen in verschiedene Phasen, wobei die Verluste in den resistiven Komponenten des Wandlers erheblich verringert sein können. Wie oben diskutiert wurde, ist die Schaltladung allgemein wesentlich effizienter als einige andere Typen von Reglern.
Der beispielhafte Zweiphasen-Tiefsetzsteller 100 aus 1 kann Leistung von einer Batterie (nicht gezeigt, in der Nähe der Verbindung 102) z. B. für einen Universal-Serial-Bus-Adapter (USB-Adapter) bereitstellen, der anstelle des Wechselstromeingangs (AC-Eingangs) 104 und des AC/DC-Wandlers verbunden sein kann. In einigen Beispielen können andere Verbindungen für die DC-Eingangsleistung verwendet sein, wobei z. B. v_chg eine Verbindung sowohl zu dem AC-Eingang (und zu dem AC/DC-Wandler) als auch zu dem USB-Adapter enthalten kann. In einigen Beispielen kann dies als "USB-On-The-Go" bezeichnet werden. In einigen Beispielen kann der Zweiphasen-Tiefsetzsteller 100 z. B. maximal 7,5 W oder mehr bereitstellen, wenn er in der Hochsetzbetriebsart arbeitet und Batterieleistung für den USB-Adapter oder für einen anderen Verbinder bereitstellt. Da die Schaltungsanordnung innerhalb des Zweiphasen-Tiefsetzstellers 100 die Spannung von der Batterie zu dem Ausgangsverbinder (z. B. USB-Adapter) erhöhen kann, kann diese Leistung bei einer höheren Spannung als der Batteriespannung bereitgestellt werden. In einem Beispiel kann die Hochsetzbetriebsart eine der Tiefsetzbetriebsartphasen, z. B. HS1/LS1 oder HS2/LS2, wiederverwenden und eine der Tiefsetzbetriebsartphasen als einen Hochsetzsteller konfigurieren. Zum Beispiel kann in der in 1 dargestellten Schaltungsanordnung HS2 mit einem USB-Adapter gekoppelt sein.
Einige Beispiele können eine Schaltungsanordnung 106 für die drahtlose Ladung enthalten. Die Schaltungsanordnung 106 für die drahtlose Ladung kann einen Transformator 108 enthalten, der mit einem Gleichrichter 116 verbunden ist, um drahtlos Ladeleistung für den Zweiphasen-Tiefsetzsteller 100 bereitzustellen. Obwohl der Transformator 108 sowohl eine erste Spule 118 als auch eine zweite Spule 120 darstellt, die zusammen mit dem Zweiphasen-Tiefsetzsteller 100 verbunden sind, kann der Transformator 108 allgemein die erste Spule 118, die innerhalb des Zweiphasen-Tiefsetzstellers 100 enthalten ist, und die zweite Spule 120, die extern von dem Zweiphasen-Tiefsetzsteller 100 ist, enthalten. Diese Spulen 118 und 120 sind allgemein das, was eine Leistungsübertragung, z. B. von einer elektrischen Steckdose und von dem Zweiphasen-Tiefsetzsteller 100, die sich innerhalb einer elektronischen Vorrichtung befinden können, bereitstellt. In einigen Beispielen kann die Spule 118 Teil eines drahtlosen Leistungsempfängers des Zweiphasen-Tiefsetzstellers 100 sein, der in eine elektronische Vorrichtung (nicht gezeigt) eingebettet sein kann. Die Spule 120 kann extern gegenüber dem Zweiphasen-Tiefsetzsteller 100 und extern gegenüber der elektronischen Vorrichtung sein. Die Spule 120 kann in eine Ladeschale (nicht gezeigt) eingebettet sein, auf der die elektronische Vorrichtung zum Laden angeordnet werden kann. Wenn die elektronische Vorrichtung mit dem in sie eingebetteten Zweiphasen-Tiefsetzsteller 100 auf der Ladeschale angeordnet ist, können die erste Spule 118 innerhalb des Zweiphasen-Tiefsetzstellers und die elektronische Vorrichtung in nächster Nähe zu der zweiten Spule 120 sein. Dementsprechend können die erste Spule 118 und die zweite Spule 120 einen Transformator 108 bilden. Von einer Energiequelle, z. B. von einer Steckdose für elektrische Leistung, kann Energie über einen Draht zu der zweiten Spule 120 fließen. Daraufhin kann die Energie drahtlos zu der ersten Spule 118 übertragen werden. (Jede Spule 118, 120 kann viele Drahtwindungen enthalten, wobei aber keine verdrahtete Verbindung zwischen den Spulen 118 und 120 notwendig ist.) Die punktierte Linie zwischen der ersten Spule 118 und der zweiten Spule 120 stellt das Fehlen einer verdrahteten Verbindung zwischen den Spulen 118 und 120 dar und soll abgrenzen, dass die erste Spule 118 innerhalb des Zweiphasen-Tiefsetzstellers 100 sein kann und dass die zweite Spule 120 außerhalb des Zweiphasen-Tiefsetzstellers 100 sein kann. Allgemein kann dies enthalten oder nicht enthalten, dass eine der Spulen einen Transformator 108 bildet, wenn die Anwendung angibt, dass der Zweiphasen-Tiefsetzsteller 100 innerhalb einer elektronische Vorrichtung sein kann.
Einige Beispiele können weiterhin einen Alternativladeschalter, den High-Side-Schalter 3 (HS3) in dem Zweiphasen-Tiefsetzsteller, enthalten, wobei der Alternativladeschalter zwischen dem ersten High-Side-Schalter und dem ersten Low-Side-Schalter mit der ersten Phase gekoppelt ist, wobei der Controller weiterhin dazu ausgebildet ist, den Alternativladeschalter dafür zu steuern, eine alternative Ladequelle freizugeben und zu deaktivieren. Dementsprechend können einige Beispiele eine Spule (z. B. einen Teil des Transformators 108) und einen Gleichrichter 116, der mit einem Alternativladeschalter gekoppelt ist und der dazu ausgebildet ist, Leistung von der Spule über den Gleichrichter 116 für den Alternativladeschalter HS3 bereitzustellen, enthalten. In einigen Beispielen kann der Alternativladeschalter HS3 mit einem linearen Regler gekoppelt sein.
In dem dargestellten Beispiel kann die drahtlose Ladung durch Wiederverwendung des in 1 dargestellten Low-Side-Schalters LS1 bereitgestellt werden. Allgemein ist der High-Side-Schalter HS1 in dieser Konfiguration nicht verwendet. Dementsprechend kann diese Phase wiederverwendet werden, anstatt eine dritte Phase für die drahtlose Ladung hinzuzufügen. Ein zusätzlicher HS-Schalter, z. B. der Schalter HS3, kann eine zusätzliche Leistungsverbindung für eine der Tiefsetzbetriebsartphasen, z. B. für die erste Phase HS1/LS1, bereitstellen. (In dem dargestellten Beispiel kann dies einen LS einsparen. Mit anderen Worten, für das Merkmal der drahtlosen Ladung ist kein zusätzlicher LS-Schalter verwendet.) Wenn in dem dargestellten Beispiel aus 1 eine alternative Ladung oder drahtlose Ladung verwendet ist, schaltet der Alternativladeschalter oder der Drahtlosladeschalter, z. B. HS3, allgemein in diese Betriebsart. Wenn die drahtlose Ladung nicht verwendet ist, ist der Schalter HS3 allgemein ausgeschaltet. Außerdem ist zu verstehen, dass in Verbindung mit dem Schalter HS3 andere Leistungsquellen verwendet werden können. In einigen Beispielen können HS1 und HS2 mit einem Stift auf der Oberseite der Vorrichtungsoberseite verbunden sein.
In einigen Beispielen kann die Schaltungsanordnung für die drahtlose Ladung 106 weniger Leistung bereitstellen, als Leistung über einen USB-Adapter bereitgestellt wird, wenn der USB-Adapter zur Bereitstellung von Leistung verwendet wird. Die Verbindungen in dem USB-Adapter oder in einem anderen Adapter können Leistung für den Zweiphasen-Tiefsetzsteller 100, z. B. für den Tiefsetzsteller, bereitstellen. Wie oben diskutiert wurde, kann ein USB-Adapter zur Leistungsversorgung gegenüber dem Zweiphasenwandler 100 externer Vorrichtungen verwendet werden.
Der Betrieb des Zweiphasen-Tiefsetzstellers ist ausführlicher dadurch beschrieben, dass die Diskussion in zwei verschiedene Betriebsarten, (1) Tiefsetzung und (2) Hochsetzung, aufgeteilt wird. Allgemein steuert der Grundbetrieb eines Tiefsetzstellers den Strom über ein induktives Bauelement durch Verwendung zweier Schalter (z. B. Transistoren). In einem idealisierten Tiefsetzsteller, der hier zur allgemeinen Beschreibung des Grundbetriebs eines Tiefsetzstellers diskutiert ist, können alle Komponenten als ideal angesehen werden. Zum Beispiel können Schalter so angesehen werden, dass sie den Spannungsabfall null haben, wenn sie eingeschaltet sind, und den Stromfluss null haben, wenn sie ausgeschaltet sind, und dass das induktive Bauelement den Reihenwiderstand null besitzt. Ferner kann in einem idealisierten Tiefsetzsteller angenommen werden, dass sich die Eingangs- und die Ausgangsspannung während eines Zyklus nicht ändern.
Allgemein ändert sich der Strom über ein induktives Bauelement nicht momentan. In einem Tiefsetzsteller ist der von v_chg über den Schalter (HS1 oder HS2) fließende Strom, beginnend mit einem geöffneten Schalter (HS1 oder HS2), 0. Mit anderen Worten, da der Schalter (HS1 oder HS2) geöffnet ist, fließt über ihn kein Ladestrom.
Wenn der Schalter (HS1 oder HS2) erstmals geschlossen wird, beginnt der Strom über das induktive Bauelement L1, wenn HS1 geschlossen wird, und über das induktive Bauelement L2, wenn HS2 geschlossen wird, zuzunehmen. Zu diesem Zeitpunkt kann der Schalter LS1 geöffnet werden, falls HS1 geöffnet ist, und kann der Schalter LS2 geöffnet werden, falls HS2 geöffnet ist. Da der Strom über ein induktives Bauelement (L1 und L2) nicht momentan zunehmen kann, fällt die Spannung über das induktive Bauelement ab. Dieser Spannungsabfall wirkt der Spannung der Quelle entgegen und verringert somit die Nettospannung über die Systemlast 112 an dem Systemspannungsausgang VSYSTEM. Im Zeitverlauf nimmt der Strom über das induktive Bauelement langsam zu, während der Spannungsabfall über das induktive Bauelement abnimmt, wodurch die von der Systemlast 112 gesehene Nettospannung zunimmt. Während dieser Zeit speichert das induktive Bauelement Energie in Form eines Magnetfelds.
Falls der Schalter (HS1 oder HS2) geöffnet wird, bevor sich das induktive Bauelement (L1 oder L2) vollständig geladen hat (d. h., bevor es ermöglicht hat, dass ein höherer Strom durchgeht, indem es seinen eigenen Spannungsabfall auf 0 verringert hat), gibt es stets einen Spannungsabfall über es, so dass die von der Systemlast 112 gesehene Nettospannung immer kleiner als die Eingangsspannungsquelle ist. Auf diese Weise kann die Ausgangsspannung niedriger als die Eingangsspannung sein. Jedes Mal, wenn der Schalter (HS1 oder HS2) geöffnet wird, wird die Spannungsquelle von der Schaltung entfernt und fällt der Strom langsam ab. Der Strom über das induktive Bauelement (L1 oder L2) ändert sich wieder nicht momentan. Dementsprechend wird die Spannung über das induktive Bauelement (L1 oder L2) umgekehrt und wirkt das induktive Bauelement (L1 oder L2) als eine Spannungsquelle. In dem dargestellten Beispiel fließt ein Strom von einer Eingangsspannungsquelle über v_chg und über HS1 und/oder über HS2 zu der Batterie und zu der Systemlast 112. Um diesen Strom aufrechtzuerhalten, wenn die Eingangsspannungsquelle entfernt wird, übernimmt das induktive Bauelement (L1 oder L2) die Stelle der Spannungsquelle und stellt dieselbe Nettospannung für die Systemlast 112 und für die Batterie bereit. Im Zeitverlauf nimmt der Strom über das induktive Bauelement (L1 oder L2) allmählich ab und nimmt dementsprechend die Spannung über das induktive Bauelement (L1 oder L2) ebenfalls ab. Während dieser Zeit entlädt das induktive Bauelement (L1 oder L2) seine gespeicherte Energie (die in Form eines Magnetfelds gespeichert ist) in den Rest der Schaltung. Wie oben diskutiert wurde, kann der entsprechende Schalter (LS1 oder LS2) geschlossen sein, wenn der Schalter (HS1 oder HS2) geöffnet ist.
Falls der Schalter (HS1 oder HS2) wieder geschlossen wird, bevor sich das induktive Bauelement (L1 oder L2) vollständig entladen hat, sind die Systemlast 112 und die Batterie auf einer nicht verschwindenden Spannung. Ein zu der Systemlast 112 parallelgeschalteter Kondensator COUT kann die ausgegebene Systemspannung, VSYSTEM, filtern helfen, während sich das induktive Bauelement (L1 oder L2) in jedem Zyklus lädt und entlädt. Der Kondensator CCHG kann verwendet werden, um die Ladespannungseingabe zu filtern, wenn ein USB-Adapter als ein Spannungseingang verwendet ist. Folglich kann der Kondensator CCHG zum Filtern einer Ausgangsspannung verwendet werden, wenn der USB-Adapter, wie hier beschrieben ist, als ein Spannungsausgang verwendet ist, d. h. wenn HS2/LS2 als eine Hochsetzstellerschaltung verwendet ist. Der Kondensator CIN kann eine ähnliche Filterung für die Eingangs-/Ladespannung bereitstellen. Zum Beispiel kann CIN eine Filterung zwischen der Eingangsspannung, v_in, und der Masse, v_pgnf, bereitstellen. Wie oben diskutiert wurde, kann der entsprechende Schalter (LS1 oder LS2) geöffnet werden, wenn der Schalter (HS1 oder HS2) geschlossen wird.
Nachdem der Betrieb der Tiefsetzstelleraspekte des Zweiphasen-Tiefsetzstellers 100 allgemein beschrieben worden ist, werden nun die Hochsetzstelleraspekte beschrieben. Allgemein kann der Grundbetrieb eines Hochsetzstellers auf der Grundlage desselben Prinzips eines idealisierten induktiven Bauelements, d. h., dass sich der Strom über ein induktives Bauelement allgemein nicht momentan ändert, fungieren. In einem Hochsetzsteller ist die Ausgangsspannung höher als die Eingangsspannung.
Wenn ein Schalter (LS1 oder LS2) geschlossen ist, fließt ein Strom über das induktive Bauelement (L1 oder L2) und speichert das induktive Bauelement (L1 oder L2) Energie. Wenn der Schalter (LS1 oder LS2) geöffnet wird, wird der Strom verringert, da die Spannungspolarität an dem induktiven Bauelement umgekehrt wird. In dieser Phase ist HS1 oder HS2 geschlossen und ist die Spannung über das induktive Bauelement (Vin-Vout), was in einem Hochsetzsteller negativ ist. In dem Ein-Zustand ist die Spannung einfach Vin. Das induktive Bauelement (L1 oder L2) wirkt einer Änderung oder Verringerung des Stroms über das induktive Bauelement (L1 oder L2) entgegen. Dementsprechend wird die Polarität über das induktive Bauelement (L1 oder L2) umgekehrt. Im Ergebnis sind zwei Quellen, z. B. die Batterie und das induktive Bauelement (L1 oder L2), in Reihe, was, z. B. in HS1 oder HS2, eine höhere Spannung zum Laden des Kondensators CCHG über die Diode verursacht.
Falls der Schalter (LS1 oder LS2) schnell genug zyklisch weitergeschaltet wird, entlädt sich das induktive Bauelement (L1 oder L2) zwischen den Ladestadien nicht vollständig und sieht die Systemlast 112 immer eine höhere Spannung als die der Eingangsquelle allein, wenn der Schalter geöffnet ist. ("Schnell genug" hängt von den bestimmten Widerständen, induktiven Bauelementen und Kapazitäten der betroffenen Schaltungsanordnung ab.) In einigen Beispielen dieser Anwendungen können typische Schaltfrequenzen 1–3 MHz sein, wobei aber andere Frequenzen möglich sind und allgemein von den verwendeten Komponenten, z. B. von den induktiven Bauelementen L1 und L2, abhängen. Außerdem wird der Kondensator CCHG parallel zu der Last an einem USB-Adapter auf diese kombinierte Spannung geladen, während der Schalter (LS1 oder LS2) geöffnet wird. Wenn der Schalter (LS1 oder LS2) daraufhin geschlossen wird, stellt der Kondensator CCHG die Spannung und die Energie für den USB-Adapter bereit. Während dieser Zeit wirkt die Diode in HS1 oder HS2 als eine Sperrdiode, die verhindert, dass sich der Kondensator CCHG über den Schalter (LS1 oder LS2) entlädt. Der Schalter (LS1 oder LS2) kann erneut geöffnet werden, um zu verhindern, dass sich der Kondensator CCHG ausreichend entlädt, damit die Spannung über den Kondensator CCHG mehr als ein vorgegebenes akzeptables Niveau, z. B. innerhalb der Spannungstoleranz einer mit dem USB-Adapter verbundenen elektronischen Vorrichtung, abfällt.
Im Betrieb kann ein Hochsetzsteller in zwei Zuständen arbeiten. Der erste Zustand ist ein Ein-Zustand, in dem der Schalter (LS1 oder LS2) geschlossen ist, was zu einer Zunahme des Stroms des induktiven Bauelements (L1 oder L2) führt. Der zweite Zustand ist ein Aus-Zustand, in dem der Schalter (LS1 oder LS2) geöffnet ist und die einzigen für den Strom des induktiven Bauelements (L1 oder L2) gebotenen Wege über die Diode in HS1 oder in HS2 oder über die Schalter selbst, HS1 oder HS2, zu dem Kondensator CCHG und zu einer Last, z. B. zu einer an den USB-Adapter angeschlossenen Vorrichtung, ist. Dies führt zur Übertragung der während des Ein-Zustands in dem Kondensator aufgespeicherten Energie. Der Strom z. B. von der Batterie ist derselbe wie der Strom des induktiven Bauelements, so dass der Strom über das induktive Bauelement L1 oder L2 nicht diskontinuierlich ist.
Der Controller 114 kann dazu ausgebildet sein, die Schalter HS1, HS2, HS2, LS1 und LS2 über HS-Treiber und LS-Treiber zu steuern, um die hier beschriebene Funktionalität zu implementieren. Der Controller 114 kann z. B. einen Schalter (z. B. HS1 oder HS2) in der Weise steuern, dass sich der Schalter (z. B. HS1 oder HS2) nach Bedarf öffnet und schließt, um eine Tiefsetzbetriebsart zu implementieren. Der entsprechende Schalter (LS1 oder LS2) kann sich schließen und öffnen, während sich der Schalter (HS1 oder HS2) öffnet und schließt. Außerdem kann der Controller 114 den Duty-Cycle der Schalter (HS1/LS1 oder HS2/LS2) steuern, um die Spannung, VSYSTEM, zu steuern. Wenn der Schalter (HS1 oder HS2) geschlossen ist, stellt er eine Verbindung zwischen v_chg und v_sw1 oder v_sw2 her. Allgemein kann die Spannung bei V_SYSTEM umso höher sein, je länger der Schalter (HS1 oder HS2) geschlossen ist. Dies kann allerdings in Abhängigkeit von dem Strom variieren, der z. B. für die Systemlast 112 notwendig ist. In einigen Beispielen können die erste Phase und die zweite Phase um 180° phasenverschoben sein, allerdings sind andere beispielhafte Phasenverschiebungen, z. B. 0°, 90° oder irgendeine andere Phasenverschiebung, möglich. In einem Beispiel, das drei Phasen verwendet, können die Phasen um 120° verschoben sein. In einem Beispiel, das vier Phasen verwendet, können die Phasen um 90° verschoben sein. In einem Beispiel, das acht Phasen verwendet, können die Phasen um 45° verschoben sein. Allerdings sind wieder andere Phasenverschiebungen möglich.
In einigen Beispielen kann der Schalter (LS1 oder LS2) geschlossen sein, wenn der Schalter (HS1 oder HS2) geöffnet ist. Es ist zu verstehen, dass die Schalter HS1 und HS2 unabhängig steuerbar sein können. In einigen Beispielen kann HS1 geöffnet sein, wenn HS2 geschlossen ist, und kann HS1 geschlossen sein, wenn HS2 geöffnet ist. Die Schalter LS1 und LS2 können ebenfalls unabhängig steuerbar sein. Ähnlich kann in einigen Beispielen LS1 geöffnet sein, wenn LS2 geschlossen ist, und kann LS1 geschlossen sein, wenn LS2 geöffnet ist. In dem Tiefsetzstellerbetrieb der ersten Phase kann die Steuerung von HS1 an LS1 gebunden sein, so dass LS1 geschlossen ist, wenn HS1 geöffnet ist, und LS1 geöffnet ist, wenn HS1 geschlossen ist. In dem Tiefsetzstellerbetrieb der zweiten Phase kann die Steuerung von HS2 an LS2 gebunden sein, so dass LS2 geschlossen ist, wenn HS2 geöffnet ist, und LS2 geöffnet ist, wenn HS2 geschlossen ist.
Außerdem kann der Controller 114 die Schalter LS1 oder LS2 öffnen und schließen, um eine wie hier beschriebene Hochsetzbetriebsart zu implementieren. Außerdem kann der Controller 114 HS1 und HS2 dafür steuern, eine wie hier beschriebene Hochsetzbetriebsart zu implementieren. Der Controller kann dazu ausgebildet sein zu ermöglichen, dass eine Phase als ein Hochsetzsteller wirkt, während eine andere Phase als ein Tiefsetzsteller wirkt. Alternativ können beide Phasen als Tiefsetzsteller wirken oder können beide Phasen als Hochsetzsteller wirken. Während in 1 zwei Phasen dargestellt sind, können in einigen Beispielen außerdem mehr als zwei Phasen implementiert sein. Zum Beispiel könnte eine andere Schaltung vier Phasen enthalten. In seinem solchen Beispiel könnten die Phasen um 90° verschoben sein; allerdings sind wieder andere Phasenverschiebungen möglich. Der Zweiphasen-Tiefsetzsteller 100 kann unter Verwendung nur einer einzelnen Phase zum Laden der Batterie für eine leistungsarme Ladung konfiguriert sein. Zum Beispiel kann eine einzelne Phase verwendet sein, um eine Erhaltungsladungsbetriebsart bereitzustellen.
In dem dargestellten Beispiel aus 1 kann ein Abschnitt der Schaltungsanordnung in einem einzelnen Chip 110 vorgesehen sein. Ein solcher Chip 110 kann Transistoren HS1, HS2, HS3, LS1 und LS2 enthalten, die als Schalter wirken können und die durch den Controller 114 gesteuert werden können, der in einigen Beispielen intern zu dem Chip 110 sein kann. Der Chip 110 kann einen drahtlosen Eingang, v_wireless, enthalten, der verwendet werden kann, um die wie hier beschriebene drahtlose Ladefunktionalität zu implementieren. Außerdem kann der Chip 110 einen Ladespannungseingang, v_chg, enthalten, der verwendet werden kann, um eine alternative Ladefunktionalität wie etwa unter Verwendung eines USB-Adapters oder eines anderen Verbinders wie hier beschrieben zu implementieren. Die Spannungseingabe, z. B. in v_in, kann zusammen mit einer Masseeingabe, v_pgnd, verwendet werden, so dass ein Eingangskondensator, CIN, zum Filtern der Ladespannung verwendet werden kann. Die Systemspannung, v_sys, kann verwendet werden, um eine Eingangsspannung in den Chip 110 bereitzustellen. In dem Tiefsetzsteller des Chips 110 sind zwei Ausgänge, v_sw1 und v_sw2, dargestellt. Es wird angemerkt, dass eine oder mehrere dieser Ausgänge v_sw1 und v_sw2 als Schaltknoten des Hochsetzstellers zu einem oder zu mehreren Hochsetzstellern, die unter Verwendung des Chips 110 implementiert werden können, verwendet werden kann.
Obwohl 1 die Verwendung zweier induktiver Bauelemente L1 und L2 darstellt, kann eine andere Filterschaltungsanordnung wie etwa z. B. eine Filterschaltungsanordnung, die induktive Bauelemente, Kondensatoren oder andere Filterungskomponenten verwendet, verwendet werden. Außerdem können die Schalter HS1, HS2, LS1 und LS2 in einigen Beispielen Transistoren sein. In anderen Beispielen können die Schalter HS1 und HS2 Transistoren sein, während die Schalter LS1 und LS2 Dioden sein können.
Wie in 1 dargestellt ist, enthält ein Zweiphasen-Tiefsetzsteller 100 einen ersten Low-Side-Schalter LS1 und einen ersten High-Side-Schalter HS1, die eine erste Phase definieren. Ferner enthält der Zweiphasen-Tiefsetzsteller 100 einen zweiten Low-Side-Schalter LS2 und einen zweiten High-Side-Schalter HS2, die eine zweite Phase definieren. Der Controller 114 kann dazu ausgebildet sein, den ersten Low-Side-Schalter LS1 und/oder den ersten High-Side-Schalter HS1 und/oder den zweiten Low-Side-Schalter LS2 und/oder den zweiten High-Side-Schalter HS2 zu öffnen und zu schließen, um eine Tiefsetzbetriebsart zu implementieren. In dem in 1 dargestellten Beispiel kann der Controller 114 weiterhin dazu ausgebildet sein, den ersten Low-Side-Schalter LS1 und/oder den ersten High-Side-Schalter HS1 und/oder den zweiten Low-Side-Schalter LS2 und/oder den zweiten High-Side-Schalter HS2 zu öffnen und zu schließen, um eine Hochsetzbetriebsart zu implementieren. Ferner kann der Controller 114 dazu ausgebildet sein, den Duty-Cycle wenigstens eines Schalters in der ersten Phase und/oder in der zweiten Phase zum Implementieren einer Erhaltungsladung und/oder eines Konstantstroms und/oder einer Konstantspannung zu steuern. Mit einem Ausgang der ersten Phase kann ein erstes Filterelement L1 gekoppelt sein und mit einem Ausgang der zweiten Phase kann ein zweites Filterelement gekoppelt sein. In einigen Beispielen können das erste Filterelement und das zweite Filterelement induktive Bauelemente sein.
2 ist ein Blockdiagramm, das den Zweiphasen-Tiefsetzsteller 100 aus 1 darstellt, der in einer "Schnell"-Lade-Betriebsart konfiguriert ist. In dem Beispiel aus 2 können beide Phasen verwendet werden, um einen hohen Strom für die Schnellladung bereitzustellen. In diesem Beispiel ist eine Ausgabe von 10 A, 5 A über v_sw1 und 5 A über v_sw2, vorgesehen. Der Duty-Cycle jeder Phase kann verwendet werden, um das Übersetzungsverhältnis des Zweiphasen-Tiefsetzstellers 100, d. h. das Verhältnis der Ausgangs- zur Eingangsspannung, einzustellen. In einem idealen Tiefsetzsteller wäre der Duty-Cycle vollständig unabhängig von dem Wert des Stroms. Allerdings kann der Duty-Cycle wegen parasitärer resistiver Komponenten bei einem höheren Strom erhöht sein, um die Verluste zu kompensieren, und kann er allgemein höher sein, um den hohen Strom bereitzustellen. Es ist eine Eingabe von 3 A bei 12 Volt vorgesehen. Es wird angemerkt, dass es allgemein die Leistung anstelle des Stroms ist, die erhalten ist. Als eine Eingabe werden sechsunddreißig Watt Leistung, 12 Volt mal 3 A, 12 V·3 A = 36 W, bereitgestellt. Unter Annahme eines idealen, zu 100 % effizienten Tiefsetzstellers wäre die Ausgegebene Spannung für 10 A 3,6 V, 36 W, dividiert durch 10 A, 36 W/10 A = 3,6 Volt. Ein typischerer Wirkungsgrad kann 95 % betragen. Dementsprechend kann die Spannung um 5 % niedriger oder näherungsweise 3,42 Volt sein.
Wie oben diskutiert wurde, steuert der Tiefsetzsteller den Strom über ein induktives Bauelement unter Verwendung zweier Schalter (z. B. Transistoren). Anfangs können in einem Beispiel beide Schalter geöffnet sein, so dass keine Ladung stattfindet, d. h. kein oder ein sehr niedriger Strom fließt. Wenn ein Schalter, z. B. HS1, erstmals geschlossen wird, beginnt der Strom über das induktive Bauelement L1 zuzunehmen. Während HS1 geschlossen wird, kann HS2 geöffnet werden. Wenn HS1 nachfolgend geöffnet wird, kann HS2 geschlossen werden und beginnt der Strom über das induktive Bauelement L2 zuzunehmen. Da der Strom über ein induktives Bauelement (L1 und L2) nicht momentan zunehmen kann, fällt die Spannung über das induktive Bauelement ab. Dieser Spannungsabfall wirkt der Spannung der Quelle entgegen und verringert somit die Nettospannung über die Systemlast 112, VSYSTEM. Im Zeitverlauf nimmt der Strom über das induktive Bauelement (L1 oder L2) zu, während der Spannungsabfall über das induktive Bauelement abnimmt, wodurch die von der Systemlast 112 gesehene Nettospannung zunimmt. Während dieser Zeit speichert das induktive Bauelement Energie in Form eines Magnetfelds.
Die Schalter HS1 und HS2 können geöffnet werden, bevor sich die entsprechenden induktiven Bauelemente L1 und L2 vollständig aufgeladen haben, wobei es dann (wenn die Schalter HS1 und HS2 geöffnet werden, bevor sich die entsprechenden induktiven Bauelemente L1 und L2 vollständig aufgeladen haben) immer einen Spannungsabfall über sie gibt, so dass die von der Systemlast 112 gesehene Nettospannung immer kleiner als die Eingangsspannungsquelle ist. Auf diese Weise kann die Ausgangsspannung niedriger als die Eingangsspannung sein.
Da die Schalter (HS1 oder HS2) abwechselnd zueinander geöffnet und geschlossen werden können, wird die Spannungsquelle allgemein nicht aus der Schaltung entfernt. Dementsprechend wird für die Systemlast 112, für die Batterie und für COUT weiter ein Strom bereitgestellt. Der Strom in jeder Phase kann sich allgemein wie oben in Bezug auf 1 beschrieben ändern.
3 ist ein Blockdiagramm, das den in einer Hochsetzbetriebsart konfigurierten Zweiphasen-Tiefsetzsteller 100 aus 1 darstellt. In dem Beispiel aus 3 wird die Hochsetzbetriebsart verwendet, um für einen Universal-Serial-Bus-Adapter (USB-Adapter) 122 Leistung bereitzustellen, die für eine in den USB-Adapter 122 gesteckte elektronische Vorrichtung bereitgestellt werden kann. Zum Beispiel ist ein Hochsetzsteller des vorgesehenen Zweiphasen-Tiefsetzstellers 100 in der Weise mit einem USB-Verbinder gekoppelt, dass der Hochsetzsteller Leistung für den USB-Verbinder bereitstellt. Obwohl die vorliegende Anwendung den USB-Adapter 122 diskutiert, ist zu verstehen, dass in anderen Beispielen andere Typen von Verbindern verwendet werden können.
Wenn der Schalter LS2 geschlossen ist, fließt Strom über das induktive Bauelement L2 und speichert das induktive Bauelement L2 Energie. Wenn der Schalter LS2 geöffnet wird, wird der Strom verringert, da die Impedanz höher ist. Dementsprechend wirkt das induktive Bauelement L2 einer Änderung oder Verringerung des Stroms über das induktive Bauelement L2 entgegen. Die Polarität über das induktive Bauelement L2 wird umgekehrt. Im Ergebnis sind zwei Quellen, z. B. die Batterie und das induktive Bauelement L2, in Reihe, was eine höhere Spannung zum Laden des Kondensators C_CHG über die Diode in HS2 verursacht.
Falls der Schalter LS2 schnell genug zyklisch weitergeschaltet wird, entlädt sich das induktive Bauelement L2 zwischen den Ladestadien nicht vollständig und sieht die Systemlast 112, wenn der Schalter geöffnet ist, immer eine höhere Spannung als die der Eingangsquelle allein. "Schnell genug" hängt wieder von den bestimmten Widerständen, induktiven Bauelementen und Kapazitäten der betroffenen Schaltungsanordnung ab, kann aber in einigen Beispielen 0,5 µs bis 2 µs oder andere wie hier beschriebene Schaltgeschwindigkeiten sein. Während der Schalter LS2 geöffnet wird, wird außerdem der Kondensator CCHG parallel zu der Last an dem USB-Adapter 122 auf diese kombinierte Spannung geladen. Wenn der Schalter LS2 daraufhin geschlossen wird, stellt der Kondensator CCHG die Spannung und die Energie für den USB-Adapter 122 bereit. Während dieser Zeitdauer wirkt die Diode in HS2 als eine Sperrdiode, um zu verhindern, dass sich der Kondensator CCHG über den Schalter LS2 entlädt. Der Schalter LS2 kann wieder geöffnet werden, um zu verhindern, dass sich der Kondensator CCHG in der Weise entlädt, dass die Spannung über den Kondensator CCHG mehr als ein vorgegebenes akzeptables Niveau, z. B. innerhalb der Spannungstoleranz einer mit dem USB-Adapter 122 verbundenen elektronischen Vorrichtung, abfällt.
Wie in 3 dargestellt ist, kann eine Schaltungsanordnung von der zweiten Phase in der Hochsetzbetriebsart arbeiten. In einigen Beispielen kann die erste Phase in der Tiefsetzbetriebsart arbeiten, während die zweite Phase in der Hochsetzbetriebsart arbeitet. Zum Beispiel kann in der ersten Phase eine drahtlose Ladung stattfinden, während die zweite Phase in der Hochsetzbetriebsart arbeitet. Dagegen kann die erste Phase in anderen Beispielen ebenfalls in der Hochsetzbetriebsart sein. In einem solchen Beispiel könnte v_wireless nicht mit einem Gleichrichter 116 und einem Transformator 108 verbunden sein. Stattdessen könnte z. B. eine Gleichstromleistungsverbindung vorgesehen sein.
4 ist ein Blockdiagramm, das den Zweiphasen-Tiefsetzsteller 100 aus 1 darstellt, der in einer drahtlosen Ladebetriebsart konfiguriert ist. Wie in 4 dargestellt ist, können 1,5 A über den Gleichrichter 116 fließen und können 5 A (bei einer niedrigeren Spannung) als ein Ladestrom aus v_sw1 fließen.
Die drahtlose Ladung kann dadurch implementiert werden, dass Leistung über einen Transformator 108 eingegeben wird. Wie oben diskutiert wurde, kann eine Spule 120 des Transformators 108 von dem Zweiphasen-Tiefsetzsteller 100 getrennt sein und kann eine andere Spule 118 Teil des Zweiphasen-Tiefsetzstellers 100 sein. Leistung von dem Transformator 108 kann über den Gleichrichter 116 fließen, der ein allgemeines Wechselstromsignal in ein allgemeines Gleichstromsignal umsetzen kann, das über den Schalter HS3 in die Tiefsetzstellerschaltungsanordnung, z. B. in die erste Phase des Zweiphasen-Tiefsetzstellers 100, eingegeben werden kann. In dem Tiefsetzsteller (Phase 1) kann sich der Schalter HS1 zu öffnen beginnen. Der von v_chg über den Schalter HS1 fließende Strom ist 0. Mit anderen Worten, da der Schalter HS1 nicht geschlossen ist, fließt keine Ladespannung über ihn.
Wenn der Schalter HS1 erstmals geschlossen wird, beginnt der Strom über das induktive Bauelement L1 zuzunehmen. Da der Strom über das induktive Bauelement L1 nicht momentan zunehmen kann, fällt die Spannung über das induktive Bauelement L1 ab. Dieser Spannungsabfall wirkt der Spannung der Quelle entgegen und verringert somit die Nettospannung über die Systemlast 112, die Batterie usw. Im Zeitverlauf nimmt der Strom über das induktive Bauelement L1 zu, während der Spannungsabfall über das induktive Bauelement abnimmt, wodurch die von der Systemlast 112 gesehene Nettospannung zunimmt. Während dieser Zeit speichert das induktive Bauelement L1 Energie in Form eines Magnetfelds.
Falls der Schalter HS1 geöffnet wird, bevor sich das induktive Bauelement L1 vollständig aufgeladen hat (d. h., bevor es ermöglicht hat, dass ein höherer Strom durchgeht, indem es seinen eigenen Spannungsabfall auf 0 verringert hat), gibt es stets einen Spannungsabfall über es, so dass die von der Systemlast 112 gesehene Nettospannung immer kleiner als die Eingangsspannungsquelle ist. Auf diese Weise kann die Ausgangsspannung niedriger als die Eingangsspannung sein. Jedes Mal, wenn der Schalter HS1 geöffnet wird, wird die Spannungsquelle von der Schaltung entfernt und fällt der Strom langsam ab. Der Strom über das induktive Bauelement L1 ändert sich wieder nicht momentan. Dementsprechend wird die Spannung über das induktive Bauelement L1 umgekehrt und wirkt das induktive Bauelement L1 als eine Spannungsquelle. In dem dargestellten Beispiel fließt ein Strom von der Eingangsspannungsquelle über v_chg und HS1 zu der Batterie und zu der Systemlast 112. Um diesen Strom aufrechtzuerhalten, wenn die Eingangsspannungsquelle entfernt wird, übernimmt das induktive Bauelement L1 die Stelle der Spannungsquelle und stellt dieselbe Nettospannung für die Systemlast 112 und für die Batterie bereit. Im Zeitverlauf nimmt der Strom über das induktive Bauelement L1 ab und nimmt dementsprechend die Spannung über das induktive Bauelement L1 ebenfalls ab. Während dieser Zeit entlädt das induktive Bauelement L1 seine gespeicherte Energie (die in Form eines Magnetfelds gespeichert ist) in den Rest der Schaltung.
Falls der Schalter HS1 wieder geschlossen wird, bevor sich das induktive Bauelement L1 vollständig entladen hat, sind die Systemlast 112 und die Batterie auf einer nicht verschwindenden Spannung. Ein zu der Systemlast 112 parallelgeschalteter Kondensator COUT kann die Spannung filtern helfen, während sich das induktive Bauelement L1 in jedem Zyklus lädt und entlädt. Der Kondensator CCHG kann verwendet werden, um die Ladespannungseingabe zu filtern, wenn der USB-Adapter 122 als eine Spannungseingabe verwendet wird.
In dem dargestellten Beispiel verwendet die drahtlose Ladung die Schaltladung. In anderen Beispielen kann der drahtlose Ladeschalter stattdessen mit einem linearen Ladegerät verbunden sein. Zum Beispiel könnte eine getrennte lineare Schaltungsanordnung mit der Batterie und/oder mit der Systemlast 112 gekoppelt sein.
5 ist ein Blockdiagramm, das den Zweiphasen-Tiefsetzsteller 100 aus 1 darstellt, der sowohl in einer Hochsetzbetriebsart als auch in einer drahtlosen Ladebetriebsart (Tiefsetzbetriebsart) konfiguriert ist. Wie in 5 dargestellt ist, können als Ladestrom über den Gleichrichter 116 1,5 A fließen und aus v_sw1 5 A (bei einer niedrigeren Spannung) fließen, wobei die erste Phasenschaltungsanordnung (HS1/LS1) in einer Tiefsetzstellerbetriebsart fungiert. Wie in 5 dargestellt ist, kann die zweite Phasenschaltungsanordnung (HS2/LS2) dazu ausgebildet sein, wie ebenfalls in dem Beispiel aus 3 dargestellt ist, in einer Hochsetzbetriebsart zu arbeiten. Die Hochsetzbetriebsart kann wieder verwendet werden, um für den USB-Adapter 122 Leistung bereitzustellen, die für eine in den USB-Adapter 122 gesteckte elektronische Vorrichtung bereitgestellt werden kann. Obwohl die vorliegende Anmeldung einen USB-Adapter 122 diskutiert, ist zu verstehen, dass in anderen Beispielen andere Typen von Verbindern verwendet werden können.
6 ist ein Ablaufplan, der ein Verfahren für ein Tiefsetzstellerladegerät in einer Mehrphasen-Tiefsetzstellertopologie darstellt. Ein Zweiphasen-Tiefsetzsteller 100 kann beim Implementieren des Verfahrens einen ersten Low-Side-Schalter LS1 und einen ersten High-Side-Schalter HS1 und einen zweiten Low-Side-Schalter LS1 und einen zweiten High-Side-Schalter HS2 und einen Controller 114 enthalten. In einigen Beispielen können HS1, HS2, LS1 und LS2 Transistoren sein. Die Transistoren können BJTs, JFETs, IGFETs (MOSFETs), IGBTs oder andere Typen von Transistoren enthalten. In anderen Beispielen können HS1 und HS2 Transistoren sein und können LS1 und LS2 Dioden sein. In anderen Beispielen können HS1, HS2, LS1 und LS2 andere Typen von Schaltern sein. Die Transistoren und/oder Dioden können Silicium, Germanium, Galliumarsenid, Galliumnitrid, Siliciumcarbid oder ein anderes geeignetes Material oder eine andere geeignete Kombination von Materialien umfassen.
In dem Beispiel aus 6 kann der Controller 114 einen ersten Low-Side-Schalter LS1 und/oder einen ersten High-Side-Schalter HS1, die eine erste Phase eines Zweiphasen-Tiefsetzstellers 100 definieren, und einen zweiten Low-Side-Schalter LS2 und einen zweiten High-Side-Schalter HS2, die eine zweite Phase des Zweiphasen-Tiefsetzstellers 100 definieren, in der Weise öffnen und schließen, dass der Zweiphasen-Tiefsetzsteller 100 eine Tiefsetzstellung eines Signals (600) ausführt.
Der Controller 114 kann den ersten Low-Side-Schalter LS1 und/oder den ersten High-Side-Schalter HS1 und/oder den zweiten Low-Side-Schalter LS1 und/oder den zweiten High-Side-Schalter HS1 des Zweiphasen-Tiefsetzstellers 100 in der Weise öffnen und schließen, dass der Zweiphasen-Tiefsetzsteller 100 eine Hochsetzstellung eines Signals ausführt (602). In einem Beispiel kann Leistung von einer Batterie verwendet werden, um Leistung für den Hochsetzsteller bereitzustellen. Leistung kann ebenfalls durch einen Satz von Schaltern, z. B. LS1/HS1 oder LS2/HS2, bereitgestellt werden. Mit anderen Worten, eine Phase, die als ein Tiefsetzsteller arbeitet, kann Leistung für den Hochsetzsteller bereitstellen. Zum Beispiel kann einer der Schalter LS1/HS1, LS2/HS2 des Zweiphasen-Tiefsetzsteller 100 mit einer Ladequelle verbunden sein und Energie für einen oder mehrere Schalter LS1, HS1, LS2, HS2, die eine Hochsetzstellung ausführen können, bereitstellen. Obwohl die Schalter in Sätzen LS1/HS1, LS2/HS2 arbeiten können, um eine Tiefsetzstellung auszuführen, wird angemerkt, dass dies nicht notwendig erforderlich ist.
Der Controller 114 kann einen Duty-Cycle des Schalters LS1 und/oder HS1 und/oder LS2 und/oder HS2 in der ersten Phase und/oder in der zweiten Phase steuern, um eine Erhaltungsladung und/oder einen Konstantstrom und/oder eine Konstantspannung zu erzeugen (604). Zum Beispiel kann eine einzelne Phase, z. B. LS1/HS1 oder LS2/HS2, verwendet werden, um eine Erhaltungsladungsbetriebsart bereitzustellen. In einem solchen Beispiel kann der Controller 114 die Schalter LS1/HS1 oder LS2/HS2 nur in einer einzelnen Phase öffnen und schließen, da nur ein niedriger Strom notwendig ist. Außerdem kann ein niedriger Duty-Cycle verwendet werden, da nur ein niedriger Strom notwendig ist. In einigen Beispielen kann der ausgegebene Strom überwacht werden und kann ein Duty-Cycle des Schalters LS1 und/oder HS1 und/oder LS2 und/oder HS2 in der ersten Phase und/oder in der zweiten Phase einen Konstantstrom bereitstellen. Zum Beispiel kann der Strom für eine gegebene Ausgangsspannung geringfügig variieren, während sich eine Last an der Schaltung ändert. Dementsprechend kann der Duty-Cycle geändert werden, um die Spannung zu erhöhen oder zu verringern, um den Strom näherungsweise konstant zu halten. Zum Beispiel können die hier beschriebenen Schaltungen verwendet werden, um eine Batterie zu laden. Während die Batterie geladen wird, kann die interne Batteriespannung zunehmen. Der Strom in die Batterie kann die Differenz zwischen der Ladespannung und der internen Batteriespannung, dividiert durch den Widerstand der Batterie, sein. Dementsprechend kann der Strom abnehmen, während die interne Batteriespannung zunimmt. Allerdings kann der Controller 114 den Duty-Cycle für eine Konstantstromladung allgemein erhöhen, um den Strom konstant zu halten.
Ähnlich kann in einigen Beispielen die Ausgegebene Spannung überwacht werden und ein Duty-Cycle wenigstens eines der Schalter LS1, HS1, LS2 oder HS2 in der ersten Phase und/oder in der zweiten Phase zum Bereitstellen einer Konstantspannung gesteuert werden. Zum Beispiel kann die Spannung abzufallen beginnen, während der ausgegebene Strom zunimmt. Dementsprechend kann der Duty-Cycle erhöht werden, um dies zu kompensieren und die Spannung näherungsweise konstant zu halten.
Der Controller 114 kann den Zweiphasen-Tiefsetzsteller 100 zum Bereitstellen eines Stroms an einen Systemspannungsausgang sowohl von der ersten Phase als auch von der zweiten Phase zum Ausgeben eines Ladestroms steuern (606). Dieser Strom kann eine oder mehrere Batterien oder Batteriezellen laden. Der Strom kann Leistung für eine Last bereitstellen. In einigen Beispielen kann der Strom Leistung für einen wie hier beschriebenen Hochsetzsteller bereitstellen.
In einigen Beispielen kann der bereitgestellte Zweiphasen-Tiefsetzsteller 100 in dem Zweiphasen-Tiefsetzsteller 100 einen Alternativladeschalter HS3 enthalten. Der Alternativladeschalter HS3 kann zwischen dem ersten High-Side-Schalter HS1 und dem ersten Low-Side-Schalter LS1 mit HS1/LS1 gekoppelt sein. Ferner kann der Controller 114 dazu ausgebildet sein, den Alternativladeschalter HS3 zum Freigeben und Deaktivieren einer alternativen Ladequelle zu steuern. Mit dem Alternativladeschalter können eine Spule 118 (ein Teil des Transformators 108) und ein Gleichrichter 116 gekoppelt sein, wobei diese so ausgebildet sein können, dass sie Leistung von der Spule 118 über den Gleichrichter 116 für den Alternativladeschalter bereitstellen. In einigen Beispielen kann der Alternativladeschalter HS3 mit einem linearen Regler gekoppelt sein, um nicht nur eine alternative Ladequelle, sondern ein alternatives Verfahren zum Laden, d. h. einen linearen Regler anstelle eines Schaltwandlers, bereitzustellen.
7 ist ein weiterer Ablaufplan, der ein weiteres Verfahren für ein Tiefsetzstellerladegerät in einer Mehrphasen-Tiefsetzstellertopologie darstellt. In einem Beispiel kann eine Mehrphasen-Tiefsetzstellertopologie wenigstens eine erste Phase, eine zweite Phase und einen Alternativladeschalter enthalten. Die erste Phase enthält einen ersten High-Side-Schalter HS1 und einen ersten Low-Side-Schalter LS1 und die zweite Phase enthält einen zweiten High-Side-Schalter HS2 und einen zweiten Low-Side-Schalter LS2.
In dem dargestellten Beispiel aus 7 steuert der Controller 114 wenigstens eine Phase dafür, als ein Hochsetzsteller zu arbeiten (700). Der Hochsetzsteller kann in zwei Zuständen arbeiten. Der erste Zustand ist ein Ein-Zustand, in dem der Schalter (LS1 oder LS2) geschlossen ist, was zu einer Zunahme des Stroms des induktiven Bauelements (L1 oder L2) führt. Der zweite Zustand ist ein Aus-Zustand, in dem der Schalter (LS1 oder LS2) geöffnet ist und die einzigen für den Strom des induktiven Bauelements (L1 oder L2) gebotenen Wege die über die Diode in HS1 oder HS2 oder die über die Schalter selbst, HS1 oder HS2, zu dem Kondensator CCHG und zu einer Last, z. B. zu einer an den USB-Adapter angeschlossenen Vorrichtung, sind. Dies führt zur Übertragung der während des Ein-Zustands in dem Kondensator aufgespeicherten Energie.
Der Strom z. B. von der Batterie ist derselbe wie der Strom des induktiven Bauelements, so dass der Strom über das induktive Bauelement L1 oder L2 nicht diskontinuierlich ist.
Der Controller 114 steuert wenigstens eine Phase dafür, als ein Tiefsetzsteller zu arbeiten (702). Zum Beispiel kann der Controller 114 einen Schalter (z. B. HS1 oder HS2) in der Weise steuern, dass der Schalter (z. B. HS1 oder HS2) nach Bedarf öffnet und schließt, um eine Tiefsetzbetriebsart zu implementieren. Der entsprechende Schalter (LS1 oder LS2) kann sich schließen und öffnen, während sich der Schalter (HS1 oder HS2) öffnet und schließt. Außerdem kann der Controller 114 den Duty-Cycle der Schalter (HS1/LS1 oder HS2/LS2) zum Steuern der Spannung, VSYSTEM, steuern. Wenn der Schalter (HS1 oder HS2) geschlossen ist, stellt er eine Verbindung zwischen v_chg und v_sw1 oder v_sw2 her. Allgemein kann die Spannung bei VSYSTEM umso höher sein, je länger der Schalter (HS1 oder HS2) geschlossen ist. Allerdings kann dies in Abhängigkeit von dem Strom, der z. B. von der Systemlast 112 benötigt wird, variieren. In einigen Beispielen können die erste Phase und die zweite Phase um 180° phasenverschoben sein, wobei aber andere beispielhafte Phasenverschiebungen, z. B. 0°, 90° oder irgendeine andere Phasenverschiebung, möglich sind. In einem Beispiel, das drei Phasen verwendet, können die Phasen um 120° verschoben sein. In einem Beispiel, das vier Phasen verwendet, können die Phasen um 90° verschoben sein. In einem Beispiel, das acht Phasen verwendet, können die Phasen um 45° verschoben sein. Allerdings sind wieder andere Phasenverschiebungen möglich.
In einigen Beispielen kann der Schalter (LS1 oder LS2) geschlossen sein, wenn der Schalter (HS1 oder HS2) geöffnet ist. Es ist zu verstehen, dass die Schalter HS1 und HS2 unabhängig steuerbar sein können. In einigen Beispielen kann HS1 geöffnet sein, wenn HS2 geschlossen ist, und kann HS1 geschlossen sein, wenn HS2 geöffnet ist. Die Schalter LS1 und LS2 können ebenfalls unabhängig steuerbar sein. Ähnlich kann in einigen Beispielen LS1 geöffnet sein, wenn LS2 geschlossen ist, und LS1 geschlossen sein, wenn LS2 geöffnet ist. In dem Tiefsetzstellerbetrieb der ersten Phase kann die Steuerung von HS1 an LS1 gebunden sein, so dass LS1 geschlossen ist, wenn HS1 geöffnet ist, und LS1 geöffnet ist, wenn HS1 geschlossen ist. In dem Tiefsetzstellerbetrieb der zweiten Phase kann die Steuerung von HS2 an LS2 gebunden sein, so dass LS2 geschlossen ist, wenn HS2 geöffnet ist, und LS2 geöffnet ist, wenn HS2 geschlossen ist.
Der Controller 114 schließt den Alternativladeschalter in der Mehrphasen-Tiefsetzstellertopologie, um eine alternative Ladequelle mit einem Systemspannungsausgang zu verbinden, wobei der Alternativladeschalter zwischen dem ersten High-Side-Schalter und dem ersten Low-Side-Schalter (704) mit der ersten Phase gekoppelt ist.
8 stellt eine tragbare elektronische Vorrichtung 800 dar. In verschiedenen Beispielen kann die tragbare elektronische Vorrichtung einen Personal Digital Assistant (PDA), einen Laptopcomputer, einen Tablet-Computer, einen E-Book-Leser, eine Digitalkamera, eine digitale Aufzeichnungsvorrichtung, einen digitalen Media Player, eine Videospielevorrichtung, einen Mobiltelephon-Kopfsprechhörer, ein Zellen- oder Satellitenfunktelephon wie etwa ein Smartphone oder eine andere tragbare elektronische Vorrichtung repräsentieren. Die tragbare elektronische Vorrichtung 800 enthält eine Batterie 802, die wenigstens eine elektrochemische Batteriezelle enthält. Ferner enthält die tragbare elektronische Vorrichtung 800 einen Controller 804, der dazu ausgebildet ist, einen Ladezustand der Batterie 802 auszuwerten, während die Batterie 802 von einer über die Leistungsquellenverbindung 806 mit der tragbaren elektronischen Vorrichtung 800 verbundenen externen Leistungsquelle geladen wird. In einigen Beispielen kann der Controller 804 ein Mehrzweckprozessor sein, der dazu ausgebildet ist, in dem Speicher 816, einem nicht vorübergehenden computerlesbaren Medium, gespeicherte Anweisungen auszuführen.
Genauer ist der Controller 804 dazu ausgebildet, von der Leistungsquellenverbindung 806 einen im Wesentlichen konstanten Strom zum Laden der Batterie 802 zu liefern. Der Controller 804 kann z. B. an den Tiefsetzsteller 808, der dazu ausgebildet ist, über die Leistungsquellenverbindung 806 Leistung von einer externen Leistungsquelle zu empfangen, um einen im Wesentlichen konstanten Strom zum Laden der Batterie 802 zu liefern, Anweisungen ausgeben. Der Controller 804 kann an den Tiefsetzsteller 808 Anweisungen ausgeben, um den im Wesentlichen konstanten Strom für eine Zeitdauer zu liefern, die ausreicht, damit sich die in Übereinstimmung mit der Ladespannung angelegte Quellenvorspannung ausregelt, und um während der Konstantstromladung wie etwa während einer Zeitdauer, die ausreicht, um zu veranlassen, dass die Spannung der Batterie 802 im Wesentlichen nur von dem im Wesentlichen konstanten Strom, von dem Ladezustand der Batterie 802 und von einer Batterietemperatur abhängt, die Batteriespannung zu messen. In einigen Beispielen kann der Tiefsetzsteller 808 derselbe oder im Wesentlichen derselbe wie der Zweiphasen-Tiefsetzsteller 100 sein.
Ferner ist der Controller 804 dazu ausgebildet, eine Ladespannung der Batterie 802 über den Spannungssensor 810 während des Anlegens des im Wesentlichen konstanten Stroms zum Laden der Batterie 802 oder unmittelbar danach zu messen. Ferner ist der Controller 804 dazu ausgebildet, einen Ladezustand der Batterie 802 auf der Grundlage der gemessenen Ladespannung und optional einer gemessenen Batterietemperatur, wie sie durch den Temperatursensor 818 angegeben wird, auszuwerten. In einigen Beispielen kann der Controller 804 eine Nachschlagetabelle verwenden, um die gemessene Ladespannung und optional die Batterietemperatur mit einem Ladezustand der Batterie 802 zu korrelieren. Die Daten in der Nachschlagetabelle können von Tests der Batterie 802 oder einer anderen Batterie mit einer im Wesentlichen ähnlichen Konstruktion kommen. Theoretisch ist die Korrelation zwischen der gemessenen Ladespannung mit einem Ladezustand der Batterie 802 durch die folgende Gleichung 1 dargestellt. In einigen Beispielen kann die Gleichung 1 anstelle einer Nachschlagetabelle zum Korrelieren der gemessenen Ladespannung mit einem Ladezustand der Batterie 802 verwendet werden.
In Bezug auf die obige Gleichung 1 repräsentiert das R(Zelle) den Ladezustand der Batterie 802, repräsentiert I1 den zum Laden der Batterie 802 angelegten im Wesentlichen konstanten Strom, repräsentiert V(Batterie_I1) die gemessene Ladespannung der Batterie und repräsentiert V(Zelle) die tatsächliche Spannung der Batterie 802 ohne den im Wesentlichen konstanten Strom. Gleichung 1 kann wie folgt hergeleitet werden:

(1) Nach dem ohmschen Gesetz ist V = IR; in Bezug auf eine Batteriezelle ist R = LEN/Alpha·(1/AREA), wobei Alpha die Leitfähigkeit eines Materials ist, wobei LEN die Länge, wo V angelegt wird, in einer Batterie die Entfernung zwischen der Katode und der Anode, ist, und wobei AREA die Querschnittsfläche des Stromflusses zwischen der Katode und der Anode ist.
(2) I1/AREA = Alpha1·V1/LEN → J1 = Alpha1·E1; wobei J1 die Stromdichte (I1/Fläche) und E1 = elektrisches Feld (V1/LEN) ist, Alpha1 die Leitfähigkeit unter dieser Bedingung ist.
(3) Alpha1 = n1·q·V/E1 = n·q·u1; wobei u1 die Elektronenbeweglichkeit, v/E1, ist; und wobei n die verfügbaren "+"-Ionen und "–"-Ionen für Kombination und Trennung sind; q definiert die Elektronenladung.
(4) Die angelegte Spannung und der angelegte Strom sind über eine Zeitdauer konstant, was die Erhebung ergibt, dass die Gesamtelektronen und die Beweglichkeit äquivalent sind. Somit repräsentiert das R(Zelle) den Ladezustand bei Äquivalenz, da I1 und V1 eine Funktion sind, die mit (n1, q, u1) zusammenhängt.

Es wird angemerkt, dass Gleichung 1 und eine entsprechende Nachschlagetabelle erst nach Anlegen einer Konstantstromladung an die Batterie 802 für eine Zeitdauer, die ausreicht, damit sich die in Übereinstimmung mit der Ladespannung angelegte Quellenvorspannung ausregelt, eine genaue Korrelation bereitstellen, da Gleichung 1 annimmt, dass sich die Quellenvorspannung ausgeregelt hat. Der Controller 804 und der Tiefsetzsteller 808 ermöglichen die Anwendung dieser Konstantstromladung der Batterie für eine solche ausreichende Zeitdauer durch getrenntes Lenken einer Leistung von der externen Leistungsquelle über die Leistungsquellenverbindung 806, um Lasten mit veränderlicher Leistung der Komponenten der tragbaren Vorrichtung 800 einschließlich des Controllers 804 selbst, der Nutzerschnittstelle 812, anderer elektronischer Komponenten 814 zu erfüllen. In einigen Beispielen können die elektronischen Komponenten 814 einen Empfänger des globalen Positionsbestimmungssystems (GPS), ein Telekommunikationsmodul wie etwa ein Zellen-, ein WiFi- und/oder ein Bluetooth-Modul, einen oder mehrere Prozessoren und/oder eine andere Schaltungsanordnung der tragbaren elektronischen Vorrichtung 800 enthalten. Im Gegensatz zu der tragbaren elektronischen Vorrichtung 800 kann der zum Laden der Batterie zugeführte Strom in anderen tragbaren elektronischen Vorrichtungen in Übereinstimmung mit den Lastbedarfen elektronischer Komponenten der tragbaren elektronischen Vorrichtungen variieren. Das Variieren des der Batterie zugeführten Stroms kann der Verwendung einer Nachschlagetabelle zum Korrelieren der gemessenen Ladespannung mit einem Ladezustand der Batterie zuvorkommen, da zu erwarten ist, dass der gemessene Strom der Batterie während der Ladung eine Funktion des im Zeitverlauf angelegten variierenden Stroms wäre, was zu einer Quellenvorspannung führt, die schwer zu berücksichtigen wäre.
In einigen Beispielen kann der Controller 804 weiterhin dazu ausgebildet sein, mit dem Spannungssensor 810 eine zweite Spannungsmessung vorzunehmen, die eine genauere Auswertung des Ladezustands der Batterie 802 ermöglichen kann. Zum Beispiel kann der Controller, nachdem er den im Wesentlichen konstanten Strom zum Laden der Batterie 802 geliefert hat, vorübergehend einen Teststrom an die Batterie 802 liefern und mit dem Spannungssensor eine Testspannung der Batterie 802 messen, während er den Teststrom an die Batterie 802 liefert. Die Auswertung des Ladezustands der Batterie 802 kann auf der gemessenen Ladespannung und auf der gemessenen Testspannung sowie optional auf einer gemessenen Temperatur der Batterie 802, wie sie durch den Temperatursensor 818 angegeben wird, beruhen. In einigen Beispielen kann der Controller 804 eine Nachschlagetabelle verwenden, um die gemessene Ladespannung, die gemessene Testspannung und optional die gemessene Batterietemperatur mit einem Ladezustand der Batterie 802 zu korrelieren. Die Daten in der Nachschlagetabelle können von Tests der Batterie 802 oder einer anderen Batterie mit einer im Wesentlichen ähnlichen Konstruktion kommen. Theoretisch ist die Korrelation zwischen der gemessenen Ladespannung und der Testspannung mit einem Ladezustand der Batterie 802 durch die folgende Gleichung 2 repräsentiert. In einigen Beispielen kann Gleichung 2 anstelle einer Nachschlagetabelle zum Korrelieren der gemessenen Ladespannung und der gemessenen Testspannung mit einem Ladezustand der Batterie 802 verwendet werden.
In Bezug auf die obige Gleichung 2 repräsentiert R2(Zelle) den Ladezustand der Batterie 802, repräsentiert I1 den zum Laden der Batterie 802 angelegten im Wesentlichen konstanten Strom, repräsentiert I2 den an die Batterie angelegten Teststrom, repräsentiert V(Batterie_I1) die gemessene Ladespannung der Batterie 802 und repräsentiert V(Batterie_I2) die gemessene Testspannung der Batterie 802. Gleichung 2 kann wie folgt hergeleitet werden:

(1) Nach Gleichung 1 ist J1 = Alpha1·E1.
(2) Anhand einer Prüfung von I1 mit I2 und E1 mit E2 wird J1 zu J2; E1 wird zu E2.
(3) J2 = J1 + delta_J, wobei J1 die Anfangsstromdichte unter E1 ist und delta_J Stromdichteänderungen sind, während sich E1 auf E2 ändert.
(4) J2 – J1 = delta_J; wobei delta_J = delta_Alpha·(E2 – E1) ist, wobei delta_Alpha die Leitfähigkeitsänderungen sind, während sich das elektrische Feld von E1 auf E2 ändert.
(5) J2 – J1 ist proportional zu I2 – I1.
(6) E2 – E1 ist proportional zu V2 – V1.
(7) Somit ist R2 proportional zu 1/delta_alpha.

Im Moment von Spannungs- und Stromänderungen treten an der Grenzfläche der Katode und der Anode die Kombination und die Trennung auf, bevor die Ionen von dem jeweiligen von der Grenzfläche entfernten Material die Ionen nachfüllen. Somit ist die Verfügbarkeit der Ionenkombination und Ionentrennung näher zu der Katoden- und Anodengrenzfläche während der Änderung des Stroms und der Spannung, wenn nahezu vollständig geladen ist, kleiner, wobei das R2(Zelle) anders ist, wenn die Batterie nicht vollständig geladen oder in der Nähe der Vollladung ist. Somit repräsentiert das R2(Zelle) den Ladezustand mit einem präemptiven Wesen zum Laden an den verfügbaren Ladungen.
Gleichung 2 nimmt an, dass das Elektrochemieverhalten der Batterie 802 durch das Anlegen der Testspannung noch nicht wesentlich beeinflusst worden ist. Aus diesem Grund kann der Controller 804 dazu ausgebildet sein, die Testspannung zu messen, während der Teststrom innerhalb einer sehr kurzen Zeitdauer nach Anlegen des im Wesentlichen konstanten Stroms an die Batterie 802 geliefert wird. Zum Beispiel kann der Controller 804 dazu ausgebildet sein, die Testspannung während des Lieferns des Teststroms an der Batterie 802 innerhalb von 100 Millisekunden des Lieferns des im Wesentlichen konstanten Stroms an die Batterie 802, innerhalb von 25 Millisekunden des Lieferns des im Wesentlichen konstanten Stroms an die Batterie 802, innerhalb von 5 Millisekunden des Lieferns des im Wesentlichen konstanten Stroms an die Batterie 802 oder sogar innerhalb von 1 Millisekunde des Lieferns des im Wesentlichen konstanten Stroms an die Batterie 802 zu messen. Das Anwenden einer Teststrom- und einer Testspannungsmessung mit dem Spannungssensor 810 kann, insbesondere bei Batteriechemien, in denen die Spannungsmessung der Batterie während der Konstantstromladung über einen großen Anteil der möglichen Ladezustände der Batterie verhältnismäßig gleich bleibt, wie etwa über einen Anteil zwischen einem verhältnismäßig niedrigen Ladezustand und einem verhältnismäßig hohen Ladezustand, wie in 11 dargestellt ist, eine genauere Auswertung des Ladezustands der Batterie 802 ermöglichen.
In einigen Beispielen kann R2(Zelle) ein Satz ausgelesener Daten sein, wobei die Daten Messwerte sind, die in einem aufeinander folgenden Zeitintervall, N, von beispielsweise 100 Millisekunden gemessen werden. Der Wert des R2(Zelle) und der Wert N repräsentieren den Ladezustand der Batterie. Das R2 mit dem jeweiligen N kann nachverarbeitet werden, um den/einen zweiten Minimalwert R2 in dem Zeitintervall oder den Wert R2 zu ermitteln, und/oder der Zeitpunkt N repräsentiert den Ladezustand in Übereinstimmung mit Gleichung 3: dR(Zelle)/dN = 0 (3) für N Abtastwerte von R(Zelle) für die Nachverarbeitung,
wobei dN der Abtastwert von N in einem Zeitpunkt zu dem nächsten Abtastzeitpunkt ist,
wobei dR die Differenz des Abtastwerts R(Zelle) über dN ist.
In demselben oder in anderen Beispielen kann die Testspannung mit einer Rate über die Spannungsänderung im Zeitverlauf von V(Batterie1) bis V(Batterie2) anstelle einer Stufenänderung angelegt werden. Als alternative Art von Strom und Spannung kann die Testspannung zu M aufeinanderfolgenden Zeitpunkten angelegt werden, wobei zwischen V(Batterie1) und V(Batterie2) geschaltet wird.
Unter einer anderen Bedingung, in der erfasst wird, dass ein konstanter Strom I3 in das System entladen wird, kann durch denselben Sensor in dem Ladegerät ein Änderungszeitpunkt von I4 auf seine Spannungs- und Strombeziehung als R3 = (V4 – V3)/(I4 – I3) geprüft werden. Während I4 ein neuer entnommener Strom ist, ist I3 der entnommene stationäre Anfangsstrom. V4 ist die Spannung, die bei der Batterie für Änderungen von I4 gesehen wird, und V3 ist die Spannung, die bei der Batterie bei I3 gesehen wird. Auf diese Weise können während einer Konstantstromentnahme anstelle einer Konstantstromladung dieselben Prinzipien angewendet werden, um einen Batterieladezustand zu testen. Die Spannungsmessung zum Bestimmen einer Entladespannung wird verzögert, bis sich die Elektrochemie der Batterie in Übereinstimmung mit der Konstantstromentladung ausgeregelt hat, wobei die Testspannungsmessung nach dem Anlegen des Teststroms schnell stattfindet, um die Effekte zu begrenzen, die der Teststrom auf das Elektrochemieverhalten der Batterie und auf die resultierende Quellenspannung der Batterie hat.
Falls R3 gemessen wird, wenn die Batterie nahe der Entladung ist, nimmt die Änderung von R3 ebenfalls zu.
Ferner kann der Controller 804 dazu ausgebildet sein, auf der Grundlage der Auswertung des Ladezustands der Batterie 802 eine Angabe des Ladezustands der Batterie 802 im Speicher 816, einem nicht vorübergehenden computerlesbaren Medium, zu speichern. Ferner kann der Controller 804 dazu ausgebildet sein, auf der Grundlage der Auswertung des Ladezustands der Batterie 802 eine Darstellung des Ladezustands der Batterie 802 über die Nutzerschnittstelle 812 darzustellen. In einigen Beispielen kann die Nutzerschnittstelle 812 eine Anzeige oder andere visuelle Indikatoren enthalten.
In denselben oder in den anderen Beispielen kann der Controller 804 weiterhin dazu ausgebildet sein, auf der Grundlage der Auswertung des Ladezustands der Batterie 802 an den Tiefsetzsteller 808 Anweisungen zum Auswählen zwischen Laden mit dem im Wesentlichen konstanten Strom und Laden mit der im Wesentlichen konstanten Spannung auszugeben. Zum Beispiel kann die Konstantspannungsladung gegenüber der Konstantstromladung bevorzugt sein, wenn der Ladezustand der Batterie 802 einen verhältnismäßig hohen Pegel erreicht, da die Anwendung der Konstantstromladung auf die Batterie 802 die Kapazität der Batterie 802 in der Weise verschlechtern kann, dass die Ladekapazität der Batterie 802 schneller verringert wird, als wenn geeignete Ladetechniken angewendet werden. Umgekehrt ist die Konstantstromladung der Batterie 802 unterhalb verhältnismäßig hoher Ladezustände der Batterie 802 bevorzugt, da die Konstantstromladung der Batterie 802 schneller als die Konstantspannungsladung der Batterie 802 sein kann.
9 ist ein konzeptionelles Diagramm der Leistungsverteilung und der Spannungserfassung innerhalb einer tragbaren elektronischen Vorrichtung 900. Die tragbare elektronische Vorrichtung 900 enthält eine Leistungsquellenverbindung 906 und einen Controller 904. Der Controller 904 liefert wahlweise Leistung von der Leistungsquellenverbindung 906 zur Batterie 902 und zur Last 915. Die Last 915 repräsentiert von Komponenten der tragbaren elektronischen Vorrichtung 900 wie etwa von Prozessoren, von dem Speicher, von drahtlosen Sendern, von Anzeigen und/oder von anderen Nutzerschnittstellen der tragbaren elektronischen Vorrichtung 900 verbrauchte Leistung. Der Schalter 909 ist dazu ausgebildet, Leistungen zu der Batterie 902, z. B. während einer Auswertung eines Ladezustands der Batterie 902 während des Ladens der Batterie 902 von einer externen Leistungsquelle, vorübergehend zu unterbrechen. Der Schalter 909 kann eine getrennte Komponente sein oder kann einfach die Fähigkeit des Controllers 904 zum vorübergehenden Unterbrechen von Leistungen zu der Batterie 902 repräsentieren. Der Spannungssensor 910 ist dazu ausgebildet, Spannungsmessungen der Batterie 902 vorzunehmen, um wie hier beschrieben einen Ladezustand der Batterie 902 auszuwerten.
In einigen Beispielen kann die tragbare elektronische Vorrichtung 900 im Wesentlichen ähnlich der tragbaren elektronischen Vorrichtung 800 sein, wobei aber, wie durch den Controller 904 und durch den Schalter 909 repräsentiert ist, zum Auswerten eines Ladezustands der Batterie 902, während die Batterie 902 von einer externen Leistungsquelle geladen wird, irgendeine Schaltungsanordnung verwendet werden kann, die die Konstantstromladung oder die Konstantstromentladung der Batterie 902 für eine Zeitdauer, die ausreicht, die in Übereinstimmung mit der Ladespannung angelegte Quellenvorspannung auszuregeln, steuern kann. Auf diese Weise sind die in Bezug auf 1–8 beschriebenen Tiefsetzsteller lediglich Beispiele, die die Konstantstromladung oder die Konstantstromentladung einer Batterie für eine Zeitdauer, die ausreicht, die in Übereinstimmung mit der Ladespannung angelegte Quellenvorspannung auszuregeln, ermöglichen. Wie durch den Controller 904 repräsentiert ist, kann irgendeine andere Schaltungsanordnung, die dasselbe ausführt, ebenfalls verwendet werden, um einen Ladezustand der Batterie 902 auszuwerten, während die Batterie 902 von einer externen Leistungsquelle geladen wird.
Der Controller 904 wertet einen Ladezustand der Batterie 902 auf der Grundlage der gemessenen Ladespannung und optional der gemessenen Testspannung und/oder einer Temperatur der Batterie 902 (928) aus. Der Controller 804 speichert eine Angabe des Ladezustands der Batterie 902 im Speicher (930).
10 ist ein Ablaufplan, der Techniken darstellt, um Batterieladezustandsmessungen gleichzeitig mit einer Konstantstromladung der Batterie vorzunehmen. Zur Klarheit sind die Techniken aus 10 in Bezug auf die tragbare elektronische Vorrichtung 900 aus 9 beschrieben. Allerdings sind die Techniken aus 10 nicht auf tragbare elektronische Vorrichtungen beschränkt, sondern können auf andere Vorrichtungen oder auf selbstständige Batterieladegeräte angewendet werden.
Der Controller 904 liefert von der Leistungsquellenverbindung 906 über den Schalter 909 einen im Wesentlichen konstanten Strom zum Laden der Batterie 902 (920). Das Liefern des im Wesentlichen konstanten Stroms zum Laden der Batterie 902 kann z. B. das Liefern des im Wesentlichen konstanten Stroms für eine Zeitdauer, die ausreicht, um zu veranlassen, dass die Batteriespannung im Wesentlichen nur von dem im Wesentlichen konstanten Strom, von dem Ladezustand der Batterie und von einer Batterietemperatur abhängt, enthalten. Während des Lieferns des im Wesentlichen konstanten Stroms an die Batterie 902 misst der Controller 904 mit dem Spannungssensor 910 eine Ladespannung der Batterie 902 (922).
Optional liefert der Controller 904 vorübergehend einen Teststrom an die Batterie 902, was das Unterbrechen der Lieferung der Ladespannung mit dem Schalter 909 nach Liefern des im Wesentlichen konstanten Stroms zum Laden der Batterie 902 (924) und das Messen einer Testspannung der Batterie 902 mit dem Spannungssensor 910 (926) enthalten kann. Während die Spannungsmessung zum Bestimmen einer Ladespannung verzögert wird, bis sich die Elektrochemie der Batterie in Übereinstimmung mit der Konstantstromladung ausgeregelt hat, findet die Testspannungsmessung nach dem Anlegen des Teststroms schnell statt, um die Wirkungen, die der Teststrom auf das Elektrochemieverhalten der Batterie 902 und auf die resultierende Quellenspannung in der Batterie 802 hat, zu begrenzen.
Die Techniken aus 10 sind unterscheidbar von alternativen Techniken, in denen das Elektrochemieverhalten einer Batterie dadurch stabilisiert wird, dass das Laden oder Entladen von Strom von der Batterie in der Weise begrenzt wird, dass Batteriespannungsmessungen vorgenommen werden können, wenn eine Batterie in einer Relaxationsbetriebsart ist. Falls eine Batterie z. B. einen Nennstrom aufweist, kann die Relationsbetriebsart nach einer Zeitdauer wie etwa Minuten oder sogar Stunden wie etwa zwischen 30 Minuten und 3 Stunden, in der das Laden oder Entladen des Stroms von der Batterie nicht höher als 5 % des Nennstroms der Batterie ist, auftreten. Wenn über eine Zeitdauer, in der die Elektrochemie innerhalb der Batterie ein Gleichgewicht erreicht, was dadurch eine Relaxationsbetriebsart einer Batterie darstellt, der Strom minimal ist, ist die Spannung der Batteriezellen die Leerlaufspannung, die dem Ladezustand der Batterie entsprechen kann. Umgekehrt ist der interne Zellenwiderstand einer Batterie ein Elektrochemiewiderstand, der mit verschiedenen Arbeitsbedingungen und mit der Zeit variiert, so dass es schwierig ist, den Widerstand unter dynamischer Strombelastung zu kompensieren. In tragbaren elektronischen Vorrichtungen wie etwa Zellentelephonen können die Batterien ständig laden oder entladen, während die Vorrichtungen in einem verhältnismäßig konstanten Immer-ein-Zustand bleiben, wobei eine zunehmende Anzahl von Hintergrundanwendungen ausgeführt wird, so dass die Batterie nicht auf regelmäßiger Grundlage in eine Relaxationsbetriebsart eintreten kann. Obwohl die Messung des im Zeitverlauf verbrauchten Stroms verwendet werden kann, um einen Ladezustand anzunähern, werden diese Berechnungen durch die Genauigkeit der Strommesswerte und durch Fehler in der Strommessverbindung im Zeitverlauf beeinflusst.
Im Gegensatz dazu ermöglichen die Techniken aus 10 Batterieladezustandsauswertungen während der Ladung durch Trennen der Batterie von der Ladung anderer elektronischer Komponenten einer tragbaren elektronischen Vorrichtung während der Ladung. Da tragbare elektronische Vorrichtung auf regelmäßiger Grundlage geladen werden müssen, ermöglichen die Techniken aus 10 Ladezustandsauswertungen unabhängig von Strommessungen im Zeitverlauf.
Genaue Ladezustandsauswertungen können nützlich sein, um einem Nutzer Angaben der verbleibenden Batterielebensdauer einer elektronischen Vorrichtung zu bieten. Außerdem können genaue Ladezustandsauswertungen nützlich sein, um auf der Grundlage des Ladezustands einer Batterie geeignete Ladetechniken auswählen. Zum Beispiel kann die Konstantstromladung einer Batterie vorzugsweise unterhalb verhältnismäßig hoher Ladezustände der Batterie liegen, um eine verhältnismäßig schnelle Ladung bereitzustellen. Allerdings kann bei verhältnismäßig hohen Ladezuständen eine Konstantspannungsladung gegenüber einer Konstantstromladung bevorzugt sein, da die Anwendung der Konstantstromladung für eine Batterie die Kapazität der Batterie verschlechtern kann.
11 ist eine graphische Darstellung der Spannung in Abhängigkeit von dem Batterieladezustand während der Ladung einschließlich der Konstantstromladung unterhalb verhältnismäßig hoher Ladezustände bei verschiedenen Batterietemperaturen für eine beispielhafte Batterie. Spezifisch gibt 11 die Spannung gegenüber dem Batterieladezustand bei drei verschiedenen Batterietemperaturen an: Raumtemperatur, höher als Raumtemperatur und niedriger als Raumtemperatur.
Wie in 11 angegeben ist, hängt die Spannung der Batterie bei verhältnismäßig niedrigen Batterieladezuständen, in diesem Beispiel bei Batterieladezuständen von etwa 10 % oder weniger, stark von dem Batterieladezustand ab. Da die Spannung der Batterie in diesem Bereich so stark von dem Batterieladezustand abhängt, kann eine Spannungsmessung eine hinreichend genaue Auswertung des Batterieladezustands selbst dann erleichtern, wenn sich die an die Batterie angelegte Quellenspannung, z. B. wegen der Änderung des Ladestroms oder Entnahme in der Batterie, nicht ausgeregelt hat. Aus diesem Grund kann die Auswertung des Batterieladezustands bei verhältnismäßig niedrigen Batterieladezuständen ungeachtet der dynamischen Ladung oder Entladung der Batterie hinreichend genau sein.
Ähnlich hängt die Spannung der Batterie bei verhältnismäßig hohen Batterieladezuständen, in diesem Beispiel bei Batterieladezuständen von etwa 90 % oder mehr, ebenfalls stark von dem Batterieladezustand ab. Da die Spannung der Batterie in diesem Bereich so abhängig von dem Batterieladezustand ist, kann eine Spannungsmessung eine sinnvoll genaue Auswertung des Batterieladezustands selbst dann ermöglichen, wenn sich die an die Batterie angelegte Quellenspannung, z. B. wegen Änderung der Stromladung oder Stromentnahme, nicht ausgeregelt hat. Aus diesem Grund kann die Auswertung des Batterieladezustands bei verhältnismäßig hohen Batterieladezuständen ungeachtet der dynamischen Belastung oder Entladung der Batterie ebenfalls hinreichend genau sein.
Im Gegensatz dazu ist die Spannung der Batterie bei mittleren Batterieladezuständen, in diesem Beispiel bei Batterieladezuständen zwischen 10 % und 90 %, über diesen Bereich von Batterieladezuständen für eine gegebene Batterietemperatur verhältnismäßig flach. Innerhalb der mittleren Batterieladezustände können die Techniken aus 10 einschließlich des Ausregelns der an die Batterie angelegten Grundquellenspannung durch Anlegen einer Konstantstromladung genaue Batterieladezustandsauswertungen ermöglichen. Alternativ kann eine Spannungsmessung einer Batterie in einer Relationsbetriebsart, wie sie oben beschrieben wurde, verwendet werden, um Batterieladezustandsauswertungen innerhalb der mittleren Batterieladezustände zu ermöglichen. Allerdings können Batterien innerhalb tragbarer elektronischer Vorrichtungen, wie oben ebenfalls beschrieben wurde, nicht auf regelmäßiger Grundlage in eine Relaxationsbetriebsart eintreten, was die genaue Ladezustandsauswertung ohne die hier offenbarten Techniken einschließlich der Techniken zum Anwenden einer Konstantstromladung sowie der Techniken zum Korrelieren des Batterieladezustands mit einer gemessenen Spannung während der Konstantstromladung schwierig oder unmöglich machen kann.
Die in dieser Offenbarung beschriebenen Techniken können wenigstens teilweise in Hardware, in Software, in Firmware oder in irgendeiner Kombination davon implementiert werden. Zum Beispiel können verschiedene Aspekte der beschriebenen Techniken innerhalb eines oder mehrere Prozessoren, einschließlich eines oder mehrerer Mikroprozessoren, digitaler Signalprozessoren (DSPs), anwendungsspezifischer integrierter Schaltungen (ASICs), frei programmierbarer logischer Anordnungen (FPGAs) oder irgendeiner anderen äquivalenten integrierten oder diskreten Logikschaltungsanordnung sowie irgendwelcher Kombinationen solcher Komponenten, implementiert werden. Der Begriff "Prozessor" oder "Verarbeitungsschaltungsanordnung" kann sich allgemein auf irgendeine der vorstehenden Logikschaltungen, allein oder zusammen mit anderen Logikschaltungen, oder auf andere äquivalente Schaltungen beziehen. Eine Steuereinheit, die Hardware enthält, kann ebenfalls eine oder mehrere der Techniken dieser Offenbarung ausführen.
Diese Hardware, Software und Firmware können innerhalb derselben Vorrichtung oder innerhalb getrennter Vorrichtungen implementiert werden, um die verschiedenen in dieser Offenbarung beschriebenen Techniken zu unterstützen. Außerdem können irgendwelche der beschriebenen Einheiten, Module oder Komponenten zusammen oder getrennt als diskrete, aber interoperable Logikvorrichtungen implementiert werden. Die Darstellung verschiedener Merkmale als Module oder Einheiten soll verschiedene Funktionsaspekte hervorheben und bedeutet nicht notwendig, dass diese Module oder Einheiten durch getrennte Hardware-, Firmware- oder Softwarekomponenten verwirklicht werden müssen. Vielmehr kann die einem oder mehreren Modulen oder einer oder mehreren Einheiten zugeordnete Funktionalität durch getrennte Hardware-, Firmware- oder Softwarekomponenten ausgeführt werden oder innerhalb gemeinsamer oder getrennter Hardware-, Firmware- oder Softwarekomponenten integriert sein.
Die in dieser Offenbarung beschriebenen Techniken können ebenfalls in einem Herstellungsartikel einschließlich eines computerlesbaren Ablagemediums, das mit Anweisungen codiert ist, ausgeführt oder codiert sein. Die in einem Herstellungsartikel einschließlich eines codierten computerlesbaren Ablagemediums eingebetteten oder codierten Anweisungen können veranlassen, dass einer oder mehrere programmierbare Prozessoren oder andere Prozessoren eine oder mehrere der hier beschriebenen Techniken implementieren, wie etwa, wenn in dem computerlesbaren Ablagemedium enthaltene oder codierte Anweisungen durch den einen oder die mehreren Prozessoren ausgeführt werden. Computerlesbare Ablagemedien können Schreib-Lese-Speicher (RAM), Nur-Lese-Speicher (ROM), programmierbaren Nur-Lese-Speicher (PROM), löschbaren programmierbaren Nur-Lese-Speicher (EPROM), elektronisch löschbaren programmierbaren Nur-Lese-Speicher (EEPROM), Flash-Speicher, eine Festplatte, eine Kompakt-Disk-ROM (CD-ROM), eine Diskette, eine Kassette, magnetische Medien, optische Medien oder andere computerlesbare Medien enthalten. In einigen Beispielen kann ein Herstellungsartikel eines oder mehrere computerlesbare Ablagemedien enthalten.
In einigen Beispielen kann ein computerlesbares Ablagemedium ein nicht vorübergehendes Medium enthalten. Der Begriff "nicht vorübergehend" kann angeben, dass das Ablagemedium nicht in einer Trägerwelle oder in einem fortgepflanzten Signal verkörpert ist. In bestimmten Beispielen kann ein nicht vorübergehendes Ablagemedium Daten, die sich im Zeitverlauf ändern können, (z. B. im RAM oder im Cache) speichern.

Claims

Verfahren, das aufweist: Liefern eines im Wesentlichen konstanten Stroms zum Laden einer Batterie, die wenigstens eine elektrochemische Batteriezelle enthält; Messen einer Ladespannung der Batterie während des Lieferns des im Wesentlichen konstanten Stroms an die Batterie; Auswerten eines Ladezustands der Batterie auf der Grundlage der gemessenen Ladespannung; und Speichern einer Angabe des Ladezustands der Batterie in einem nicht vorübergehenden computerlesbaren Medium basierend auf der Auswertung des Ladezustands der Batterie.
Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin aufweist: vorübergehendes Liefern eines Teststroms an die Batterie nach dem Liefern des im Wesentlichen konstanten Stroms zum Laden der Batterie; und Messen einer Testspannung der Batterie während des Lieferns des Teststroms an die Batterie, wobei das Auswerten des Ladezustands der Batterie weiterhin auf der gemessenen Testspannung basiert.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Messen der Testspannung der Batterie während des Lieferns des Teststroms an die Batterie das Messen der Testspannung der Batterie innerhalb von 100 Millisekunden des Lieferns des im Wesentlichen konstanten Stroms an die Batterie aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das vorübergehende Liefern des Teststroms an die Batterie das Anlegen einer sich ändernden Spannung in Übereinstimmung mit einer Geschwindigkeit einer Spannungsänderung über der Zeit aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das vorübergehende Liefern des Teststroms an die Batterie das Anlegen einer Testspannung in Übereinstimmung mit einer Geschwindigkeit einer Spannungsänderung über der Zeit aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Auswertung des Ladezustands der Batterie auf der Grundlage der gemessenen Ladespannung und der gemessenen Testspannung auf einer Formel basiert, die umfasst:
wobei R(Zelle) der Ladezustand der Batterie ist, wobei I1 der im Wesentlichen konstante Strom ist, wobei I2 der Teststrom ist, wobei V(Batterie_I1) die gemessene Ladespannung der Batterie ist, und wobei V(Batterie_I2) die gemessene Testspannung der Batterie ist.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Auswertung des Ladezustands der Batterie auf der Grundlage der gemessenen Ladespannung und der gemessenen Testspannung auf einer Formel über eine Reihe von N Intervallen basiert, die umfasst: dR(Zelle)/dN = 0 wobei N ein Abtastwert von R(Zelle) für die Nachverarbeitung ist, wobei dN der Abtastwert von N zu einem Zeitpunkt zu dem nächsten Abtastzeitpunkt ist und wobei dR die Differenz des Abtastwerts R(Zelle) über dN ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, das weiterhin das Messen einer Temperatur, die eine Temperatur der Batterie anzeigt, aufweist, wobei das Auswerten des Ladezustands der Batterie weiterhin auf der gemessenen Temperatur basiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–8, das weiterhin das Auswählen zwischen Laden mit dem im Wesentlichen konstanten Strom und Laden mit einer im Wesentlichen konstanten Spannung auf der Grundlage der Auswertung des Ladezustands der Batterie aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–9, das weiterhin aufweist: das Liefern eines veränderlichen Stroms in Übereinstimmung mit Lastanforderungen anderer elektronischer Komponenten einer tragbaren elektronischen Vorrichtung, die die Batterie enthält, während des Lieferns des im Wesentlichen konstanten Stroms zum Laden der Batterie derart, dass die Lastanforderungen der anderen elektronischen Komponenten der tragbaren elektronischen Vorrichtung die Lieferung des im Wesentlichen konstanten Stroms zum Laden der Batterie nicht wesentlich beeinflussen.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die tragbare elektronische Vorrichtung ein Tiefsetzstellerladegerät mit einer Mehrphasen-Tiefsetzstellertopologie aufweist, die eine erste Phase, eine zweite Phase und einen Alternativladeschalter aufweist, wobei die erste Phase einen ersten High-Side-Schalter und einen ersten Low-Side-Schalter umfasst und die zweite Phase einen zweiten High-Side-Schalter und einen zweiten Low-Side-Schalter enthält, wobei das Tiefsetzstellerladegerät den veränderlichen Strom in Übereinstimmung mit Lastanforderungen anderer elektronischer Komponenten der tragbaren elektronischen Vorrichtung liefert, während es den im Wesentlichen konstanten Strom zum Laden der Batterie liefert, wobei das Verfahren weiterhin aufweist: Steuern wenigstens einer Phase, dass sie als ein Hochsetzsteller arbeitet; Steuern wenigstens einer Phase, dass sie als ein Tiefsetzsteller arbeitet; und Schließen des Alternativladeschalters in der Mehrphasen-Tiefsetzstellertopologie zum Verbinden einer alternativen Ladequelle mit einem Systemspannungsausgang, wobei der Alternativladeschalter zwischen dem ersten High-Side-Schalter und den ersten Low-Side-Schalter mit der ersten Phase gekoppelt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–11, das weiterhin aufweist: das Ausgeben einer Darstellung des Ladezustands der Batterie über eine Nutzerschnittstelle einer tragbaren elektronischen Vorrichtung, die die Batterie enthält, basierend auf der Auswertung des Ladezustands der Batterie.
Tragbare elektronische Vorrichtung, die aufweist: eine Batterie, die wenigstens eine elektrochemische Batteriezelle enthält; eine Verbindung mit einer externen Leistungsquelle; und einen Controller, wobei der Controller dazu ausgebildet ist: einen im Wesentlichen konstanten Stroms zum Laden der Batterie von der Verbindung an die externe Leistungsquelle zu liefern; eine Ladespannung der Batterie während des Lieferns des im Wesentlichen konstanten Stroms an die Batterie zu messen; einen Ladezustand der Batterie auf der Grundlage der gemessenen Ladespannung auszuwerten; und eine Angabe des Ladezustands der Batterie in einem nicht vorübergehenden computerlesbaren Medium auf der Grundlage der Auswertung des Ladezustands der Batterie zu speichern.
Tragbare elektronische Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der der Controller weiterhin dazu ausgebildet ist, nach dem Liefern des im Wesentlichen konstanten Stroms zum Laden der Batterie vorübergehend einen Teststrom an die Batterie zu liefern; und eine Testspannung der Batterie während des Lieferns des Teststroms an die Batterie zu messen, wobei das Auswerten des Ladezustands der Batterie weiterhin auf der gemessenen Testspannung basiert.
Tragbare elektronische Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der das Messen der Testspannung der Batterie während des Lieferns des Teststroms an die Batterie das Messen der Testspannung der Batterie innerhalb von 100 Millisekunden des Lieferns des im Wesentlichen konstanten Stroms an die Batterie aufweist.
Tragbare elektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12–15, bei der der Controller weiterhin dazu ausgebildet ist, eine Temperatur zu messen, die eine Temperatur der Batterie angibt, wobei das Auswerten des Ladezustands der Batterie weiterhin auf der gemessenen Temperatur basiert.
Tragbare elektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12–16, bei der der Controller weiterhin dazu ausgebildet ist, zwischen Laden mit dem im Wesentlichen konstanten Strom und Laden mit der im Wesentlichen konstanten Spannung basierend der Auswertung des Ladezustands der Batterie zu wählen.
Tragbare elektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12–17, bei der der Controller weiterhin dazu ausgebildet ist, von der Verbindung zu der externen Leistungsquelle einen veränderlichen Strom in Übereinstimmung mit Lastanforderungen anderer elektronischer Komponenten einer tragbaren elektronischen Vorrichtung, die die Batterie enthält, während des Lieferns des im Wesentlichen konstanten Stroms zum Laden der Batterie derart zu liefern, dass die Lastbedarfe der anderen elektronischen Komponenten der tragbaren elektronischen Vorrichtung die Lieferung des im Wesentlichen konstanten Stroms zum Laden der Batterie nicht wesentlich beeinflussen.
Tragbare elektronische Vorrichtung nach Anspruch 18, die weiterhin ein Tiefsetzstellerladegerät mit einer Mehrphasen-Tiefsetzstellertopologie aufweist, die eine erste Phase, eine zweite Phase und einen Alternativladeschalter aufweist, wobei die erste Phase einen ersten High-Side-Schalter und einen ersten Low-Side-Schalter enthält und die zweite Phase einen zweiten High-Side-Schalter und einen zweiten Low-Side-Schalter enthält, wobei das Tiefsetzstellerladegerät den veränderlichen Strom in Übereinstimmung mit Lastanforderungen anderer elektronischer Komponenten der tragbaren elektronischen Vorrichtung liefert, während es den im Wesentlichen konstanten Strom zum Laden der Batterie basierend auf Anweisungen von dem Controller liefert, wobei der Controller weiterhin dazu ausgebildet ist, wenigstens eine Phase so zu steuern, dass sie als ein Hochsetzsteller arbeitet; wenigstens eine Phase so zu steuern, dass sie als ein Tiefsetzsteller arbeitet; und den Alternativladeschalter in der Mehrphasen-Tiefsetzstellertopologie zu schließen, um eine alternative Ladequelle mit einem Systemspannungsausgang zu verbinden, wobei der Alternativladeschalter zwischen dem ersten High-Side-Schalter und dem ersten Low-Side-Schalter mit der ersten Phase gekoppelt ist.
Tragbare elektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12–19, die weiterhin eine Nutzerschnittstelle aufweist, wobei der Controller weiterhin dazu ausgebildet ist, eine Darstellung des Ladezustands der Batterie über die Nutzerschnittstelle basierend auf der Auswertung des Ladezustands der Batterie auszugeben.
Nicht vorübergehendes computerlesbares Medium, das Anweisungen speichert, die dazu ausgebildet sind, zu veranlassen, dass ein programmierbarer Controller: einen im Wesentlichen konstanten Strom zum Laden einer Batterie, die wenigstens eine elektrochemische Batteriezelle enthält, liefert; während des Lieferns des im Wesentlichen konstanten Stroms an die Batterie eine Ladespannung der Batterie misst; nach dem Liefern des im Wesentlichen konstanten Stroms zum Laden der Batterie vorübergehend einen Teststrom an die Batterie liefert; basierend auf der Auswertung des Ladezustands der Batterie eine Angabe des Ladezustands der Batterie in dem nicht vorübergehenden computerlesbaren Medium speichert.