TW200406966A - Battery over voltage and over current protection circuit and adjustable adapter current limit circuit - Google Patents

Description

玖、發明說明： 【發明所屬之技術销域】 發明領域 本發明係有關-種電池過壓過流保護電路，以及可調 5 轉接器限流電路。 L先前3 發明背景 第3圖所示為一種傳統保護電路2〇〇的拉樸結構。電路 細包括傳統電池充電電路2。和一個保護電路，該保護電路 · 10由電池40和轉接器電源22之間的一個二極體2〇4和電阻搬 構成。在電池充電領域中，電池充電的構成是人們孰知的， 其包括：-個充電器控制器30、—個由開_、28和電感 32、電容器34構成的降壓型轉換器’以及_個反電流保護 開關38。充電器30利用傳統pwM技術控制降壓型轉換器的 15 開關26和28，來產4 _個$ + %川认* ^ 木產生個至电池40的充電電流。電流源通 ㊉是一個轉接器22。充電器利用檢測電阻Ri(24)和R2(36) 的回授資訊來控制流至電池的電流量。檢測電陶產生— · 個代表從轉接器22流出電流量的回授信號。檢測電阻们產 生個表明降壓型轉換器產生的充電電流量的回授作號。 20回授資料用來控制占空比（工作週期），從而控制電;; 生的充電電流。 產 工作時間，充電器控制器通過調整開關26和28的占空 比:PWM)來調整流至電池的充電電流。充電部分如的工 作情況在美國專利申請案第〇9/948,828號以及美國專利第 5 200406966 6,459,602號中有進一步的詳細描述，所有上述專利被全部 引作參考並教示這些傳統組成部分和變化形式。 當電池被斷開，充電路徑（定義為轉接器和電池之間 部分）就為開路。因為開關38被控制器30產生的控制信號 5 所打開，所以限制電阻202和二極體204便開始增加充電器 的電壓回授引腳（VFB)上的電壓。結果，充電器將減小 占空比，從而電容器34上的電壓也減小。當電池重新連接 上時，電容器34上的電壓小於電池上的電壓，因此開關38 的二極體被反向偏壓。在這種情況下，流入電源的浪湧電 10 流就會減小或者被消除，控制器占空比逐漸增加，繼續給 電池充電。 儘管如此，該拓樸結構並不包括一種能防止或減少電 池端子過壓的機構。 L發明内容3 15 —方面，本發明提供了 一種電池充電器電路，它包括： 一個包括充電控制器的電池充電電路，根據所述控制器產 生的PWM信號占空比產生沿充電路徑的充電電流和電 壓。一個與充電路徑相連的保護電路，當所述充電路徑為 開路時，該保護電路能減小所述開關的所述占空比，從而 20 減小PWM信號產生的電壓和電流。 另一方面，本發明提供了一種電池充電電路，它包括： 一個包括充電控制器的電池充電電路，根據所述控制器產 生的PWM信號占空比產生沿充電路徑的充電電流和電 壓。該電路更包括轉接器限流保護電路，該保護電路能產 6 200406966 生一抵補信號給所述控制器所用的一個轉接器電流信號。 值得本領域的技術人員重視的是，雖然下面的詳細描 述是基於所提供的最佳實施例及其使用方法，但是本發明 並不僅僅局限於這些實施例和使用方法。反而，本發明涉 5 及範圍廣泛，其範圍僅由後附申請專利範圍限定。 本發明的其他特徵和優點將在下面的詳細描述過程中 得到充分體現，詳細描述中請參照附圖及其相關資料、元 件標號。 圖式簡單說明 10 第1圖所示為本發明的一個典型保護電路拓樸結構圖。 第2圖所示為本發明的一個典型可調轉接器限流電路 拓樸結構圖。 第3圖所示為一個傳統保護電路拓樸結構圖；和 第4圖所示為本發明的另一典型實施例的保護電路拓 15 樸結構圖。 【實施方式3 較佳實施例之詳細說明 第1圖所示為一個帶保護電路12的典型充電電路10。當 充電路徑50為開路時（可以是，例如，當電池與充電路徑 20 斷開時），該保護電路能防止或減輕過壓及過流。電路10包 括一個傳統電池充電電路20和一個保護電路12。總的看 來，當充電路徑50為開路時，保護電路12能減小由充電控 制器30產生的PWM信號的占空比。充電路徑50通常代表轉 接器22與電池40之間的路徑，並由開關26、28和38控制。 7 200406966 在一個典型實施例中，當電池4〇斷開連接時（或者當充電 路徑為開路呀）’保護電路12能減小由充電控制器3〇產生的 PWM信號的占空比，從而減小當電池重新被連接時的電池 立而子（郎點44 )上的電壓和浪、;勇電流。 5 在電池充電領域中，電池充電的構成是人們熟知的， 其包括：一個充電器控制器3〇、一個由開關26、28和電感 32、電容裔34構成的降壓型轉換器，以及一個反向電流保 護開關38。充電器控制器3〇利用傳統pMW技術控制降壓型 轉換器的開關26和28，並產生一個至電池4〇的充電電流。 1〇電流源通常是一個轉接器22。充電器控制器利用檢測電阻 R1 (24)和R2(36)的回授資訊來控制流至電池的電流量。檢測 電阻R1產生一個代表轉接器22產生的電流量的回授信號。 檢測電阻R 2產生一個代表降壓型轉換器產生的充電電流量 的回授信號。上述回授資料用來控制占空比，並控制由充 15 電裔產生的充電電流。根據對組成部分20的如上所述，工 作期間’充電器控制器調整所產生的PWM信號的占空比， 通過開關26和28來調整流至電池的充電電流量。 電池領域還為人們所熟知的是，電池4〇 (例如，鐘離 子(Li Ion)電池）包括一個内部開關裝置42來連通和斷開電 20 池和充電電路，例如，當電池進行週期性校驗時。在傳統 電池充電系統中，當電池重新與充電電路連通時，節點44 的電流增加，這是因為回授資訊發現電池處於開路狀態， 就會通過增加開關的占空比來試圖增加流經電池的電流。 同樣’當電池斷開連接，電池端子上的電壓也會增加。這 8 兩種h况在電池重新連接時都會損壞電池或充電電略” 有技術巾-種試圖減少這些影響賴法是提高控制甸路二 速度。但是，即使回應時間接近為零（這將付出很高 句包池重新連接時，形成在電容器34上的電荷仍然 浪湧電流。 Θ產生 相應地，當電池4〇斷開連接時，保護電路12能戏小 包為控制器30產生的PWM信號的占空比，從而減小電、、也沪 子（節點44)的電壓和當電池重新連通時產生的浪湧電流二 在一個典型實施中，保護電路K在節點“和料處與充電路 杈50相連接（儘管也同樣考慮保護電路12可以連接到充★ 略徑的任何地方）。保護電路12包括一個限流電阻 和一個由誤差放大器14、電晶體16構成的啟動電路，該電 路一端連接在節點44(電池端子節點），另一端通過轉接器 電流檢測電阻24連接到轉接器22上。 在電池連接充電的正常工作期間，電池是被連通的。 連通的電池產生一個代表電池上電壓的電壓回授信號 VFB。在典型實施例中，可編程VbatMax值猶大於電池的最 大額定電壓（例如，可以由電池生產商提供）。稍大於，這 裏可以被廣義地理解為一個較高值，例如，可以根據元件 允許公差、理想輸出或一個比如2-5%的指定值來確定。本 發明旨在包括廣範圍的VbatMax值，因此任何一個較高的值 都被認為是同等的。因此，當電池被連接，誤差放大器EA 14將有一個正值輸入；從而它的輸出保持高位準，使電晶 體16為飽和狀態。一電流將從AC轉接器通過R1和RHmit ’ 200406966 流入電池。Rlimit是選擇用來把該電流限制在—個與、充妒 Rl、R2的主充電電流相比較低的電流值上。Rlimit的具體 值並不關鍵，例如，可以選擇Rlimit來允許一占充電带节多 略不計的百分比的電流流經電路12。另外，或換句―舌飞， 5 當開關3 8斷開，Rlimit 18的值可以選擇來給電池提彳共广亲 充電。 當電池開關40的内部開關42處於OFF狀態（即電、、也斷 開），則連在轉接器22上經R1和R2通往電池4〇的充電路徑 50為開路，因此流經R1*R2的主充電電流下降至愛。充電 10 器則會通過發送CHGST信號來關閉開關S3 (38)。充電哭接 收來自由R2與回授信號ICHP和ICHM定義的充電器電流回 路的回授資訊，並通過增加開關26和28的占空比來使充電 電流保持在程式設定值。這會使電容器C上電壓的增加。 VFB(節點44)上的電壓也會增加，並且當vfb與vbatMax相 15等時，誤差放大器EA14會改變狀態，使得電晶體16工作在 有效區。這使VFB保持在VbatMax位準。Vmax是充電器的 一個可編程輸入信號，代表電池的最大電壓值。這樣的話， VFB就大於Vmax。Vmax回路試圖使VFB保持在vm狀位 準，使充電器減小占空比，從而減小電容器34上的電壓。 20因為S3二極體此刻為反向偏壓，該回路則被斷開，並且充 電繼續減小占空比至一個可編程最小值。綜上所述，隨 著電池内部開關轉為OFF狀態，電池端子(VFB)上的電壓將 保持在VbatMax，而電容器上的電壓則很小（與電池電壓相 比較），相應達到最小占空比（0%的占空比將為〇伏）。 10 200406966 當電池内部開關42調至ON，電池強制VFB電壓為小於 VbatMax的一個值，因此使電晶體16處於飽和狀態，如上所 述。VFB電壓也小於Vmax，並且Vmax回路停止強制占空比 為低值。占空比將被電流控制回路和電壓控制回路驅動從 5 低值開始增大。當占空比達到一值使得電容器C上的電壓足 夠大能使S3二極體正向偏壓時，就會再次形成充電電流， 系統也回到初始狀態。從而，過壓和過流情形就被減輕或 者消除。 第2圖所示為本發明的典型可調轉接器限流電路100。 10 第2圖的電路100的組成部分和第1圖電路10的組成部分相 似，但在該典型實施例中，充電電路20’改進後包括可調轉 接器限流電路。本領域熟知，不同的轉接器根據轉接器的 最大額定電流歸類。現在一些轉接器包括一個表明轉接器 的最大額定電流的信號（圖中未示出）。根據該信號，系統 15 微控制器會設定一個IadLimitSet電壓，該電壓是用在充電 器電路中來把轉接器的電流限定在一個恰當的值。假如充 電器30沒有改進成接受該電壓值從而調整轉接器的電流， 因為充電器有可能從轉接器中分出過多電流，或者在電池 (用於充電）和系統（圖中未示，但通常包括一個例如經 20 由R2從轉接器獲得電源的攜帶型電腦的系統）之間錯誤的 分配可用電流’總電流（糸統電流和充電為'的輸入電流） 將會超出轉接器容量。換句話說，如果充電器包括一個固 定的轉接器額定電流，從而用一個較大的轉接器將會利用 不充分，因為充電器不能使用超出編寫在充電控制器裏的 11 200406966 固定值的範圍的電流。 一些充電器設有對轉接器電流的固定内部限定值；即 設定一個在IACM和IACP之間的限定電壓Vad_ sense_lim 〇 當超出了這個限定範圍，轉接器電流回路（穿過R1)開始 5 減小電流’使總轉接器電流保持在限定值之内。轉接器電 流限定值為Vad_sence_lim/Rl。可以通過選擇轉接器電流檢 測電阻R1來選擇該轉接器電流限定值。如果具有不同電流 容量的轉接器用在同一系統，端子用戶每次改變轉接器類 型時都改變檢測電阻的方法是不現實的。另一個解決的辦 鲁 10 法是改變檢測電壓Vad—sense一lim的限定值，或者在檢測電 阻R1的電壓上加一抵補量。因此，把内部限定值保持在 Vad—sensejim不變，檢測電阻上的電壓通過增加附加的抵 補量而在到達引腳IACP和IACM範圍之前就已經改變。這 疋由弟2圖所示的拓樸結構20’實現的。在該典型實施例 15 中’電阻R3和電流源48相連於R1、轉接器22之間，從而 改進了穿過R1的轉接器電流控制回路。該電流可以由微押 制器來調節，從而適應不同的轉接器尺寸。 鲁 因此，R3上的電流偏壓R1上的電流。在該典型實施例 中’電流源產生的電流是由轉接器電流限定信號 2〇 IdLimitSet所没疋的。當然，電流源產生的電流可以是一 個固定的、預先設定的值例如，選擇為能適應市場上大多 數的轉接器的值。通過檢查，控制器中的回授值是幻上的 電壓值減去R3上的電壓值，即Vrl — Vr3。 本領域的技術人員將認識到可以對本發明的做許多改 12 200406966 進。例如’第1圖所示的過壓和過流保護電路12只是一種典 型的實施例特例。第4圖所示為本發明的保護電路12,的另 一個典型實施例。在該典型實施例中，一個分流調節器58 疋用來限制電池的開路電壓的（正如第1和2圖的誤差放大 5 器14一樣）。如前所述，保護電路12,連接到充電路徑50 (例 如’連在節點45和44之間）。電阻54 (R4)給電晶體16提供 基極電流，並給分流調節器58提供陰極電流。通常，儘管 不疋必須的’ R4>R3。由R5 (60)和R6 (62)構成的分壓 器給分流調節器58提供一個參考電壓。通常，R5大於R6。 1〇分流調節器58和由R5 (6〇)和R6 (62)構成的分壓器的工 作過程與上述的誤差放大器的工作過程相似，並將為本領 域技術人員所理解。本領域的技術人員還知道，許多其他 Z路拓樸結構可以用來減少控制器產生的pwM信號的占 比卩在某種思義上減輕或者消除過壓和過流情況；第 15卜2、4圖的典型例子提供了這種電路結構，並且本發明範 圍並不局限於這裏所述的具體拓樸結構。 第1 2 4圖所不的組成構件可能包括傳統標準構件和 /或定制構件或專有構件。圖中所示的電晶體Μ為傳統腦 凡件，儘管如此，其他電晶體（例如剛也能滿足條件並 〇且被認為與本發明相匹配。所有的這些替代都認為是在本 發明的精神之内，都受限於本發明的巾請專利範圍。 【圖式簡單說明】 第1圖所示為本發_-個典型保護電路括樸結構圖。 第2圖所示為本發明的一個典型可調轉接器限流電路 13 200406966 拓樸結構圖。 第3圖所不為一個傳統保護電路拓樸結構圖，和 第4圖所示為本發明的另一典型實施例的保護電路拓 樸結構圖。 5 【圖式之主要元件代表符號表】 10…典型充電電路 32…電感器 12、12’···保護電路 34…電容器 14···放大器 24、36、46、54、60、62、202··· 16…電晶體 電阻器 18···限流電阻器 38…反電流保護開關 200···傳統保護電路 40···電池 204···二極體 42…内部開關裝置 20…傳統電池充電電路 44、45···節點 22…轉接器電源 48···電流源 30…充電控制器 50···充電路徑 26、28…開關 58…分流調節器

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Claims (1)

1. 200406966 拾、申請專利範圍： 1. 一種電池充電器電路，包括一個 M充電控制器，所述控糾 器如其中的PWM信號的占空比太 J 屬生沿充電路徑的一夯 黾黾、/，丨L和電壓；一個與所述充| 路傻連接的保護電路， ‘所述充電路徑為開路時能減、 所述開關的占空比，從 而減小所述PWM信號產生的電厥^ ^ <和電流。 2. 如申請專利範圍第丨項的電池充 兒為電路，所述充電電 路更包括一個降壓型轉換器電略， 所迷降壓型轉換器電 路包括一個沿所述充電路控的I片 i感和一個並聯於所迷 ίο

   充電路徑的電容器，當所述充電Μ為開路時，所㈣ 護電路能減小所述電容器上的電壓。 3·如申請專利範圍第2項的電池充電器電路，當所述充電 路徑為開路時，所述保護電路能減小所述電感上的二 流0 15 4·如申請專利範圍第1項的電池充電器電路，其中，所述

   保護電路包括一個與電晶體串聯的限流電阻，所述電晶 體的導通狀態由一個誤差放大器控制，所述誤差放大器 接收一個表明理想最大電壓的第一輸入信號、和一個表 明所述充電電路產生的電壓的第二輸入信號。 20 5·如申請專利範圍第1項的電池充電器電路，更包括轉接 器電流限制保護電路，所述限制保護電路產生一抵補信 號給一個所述控制器使用的轉接器電流信號。 6·如申請專利範圍第5頊的電池充電器電路，其中，所述 充電路徑更包括一個檢測電阻，所述檢測電阻產生一個 15 代表轉接器供給電流號 限制電玖且所述轉接器電流 :匕括—個與電流源串聯的電阻，所述電流限制 所迷抵㈣號給所述代表所迷轉接器供給的 、毛流的回授信號。 7·充電器電路，包括-個電池充電電路，所述電 兔弘路包括一個如其自身產生的ρ 比沿充雷踗你太山 μ唬的占工 ^路化產生-充電電流和電壓的充電控制器；更 10

   產生一個抵補信號給述控制器使用的轉接器電流 ^ ^^的轉接器電流限制保護電路。 15 ★:嗜專利範圍第7項的電池充電器電路，其中，所述 充電路徑更包括一個產生一個表明轉接器供給電流的 =^號的檢測電阻，所述轉接器電流限制電路包括— 们與電流源串聯的·，所述電流限制電路產生所述抵 給所述表明所述轉接器供給的所述電流的回授 秸號。

   如申請專利範圍第7項的電池充電器電路，更包括一種 =接所述充電路徑的賴電路，當職充電路徑為開路 了所述保護電路能通過所述控制器減少所述信號 2的占空比，從而減小所述開關產生的電壓和電流。 女申凊專利範圍第9項的電池充電器電路，所述充電電 路更包括一個降壓型轉換器電路，所述降壓型轉換器電 路包括—個沿所述充電路#的電感和一個與所述充電 ^毡並聯的電容裔，當所述充電路徑為開路時，所述保 護電路能減小所述電容器上的電摩。 16 路/申明專利範圍第9項的電池充電器電路，當所述充電 路侵為開路時，所述保護電路能減小所述電感中的電 流。 女:叫專利範圍第7項的電池充電器電路，所述保護電 、< 们共一開關串聯的限流電阻，所述開關的導通 狀您由—個誤差放大器控制，所述誤差放大器接收一個 表明理想最大電壓的第—信號和一個表明所述充電電 路產生電壓的第二信號。 10

   、、也=池充電器電路’包括—個電池充電電路，所述電 比，，料包括-個如其自身產生的應信號的占空 器：二充電路徑產生充電電流和電壓的她 充料接所述充電路徑的倾電路，當所述 充電路經為開路時，所心田料 產生回俨俨啼办各 ，、°又包路能給所述充電控制器 15 又口唬來減小所述開關 開關產生的電壓和電清；^红工比枚而减小所述 控制哭#用&喆 抓’匕括產生一個抵補信號給述 %时使用的轉接哭♦治 電路。 扣私唬的轉接器電流限制保護

   如申4專利範圍第13 路ρ 6 2 兒，也充電器電路，所述充雷+ 20 路更包括一個降壓型 路包括、路’所述降壓型轉換器電 路徑並聯電容器 包感和-個與所述充電 電路处u、 ^处充兒路徑為開路時，所述伴罐 包路此減小所«容的電壓。 保。隻 申明專利I巳圍第14項的電池充带哭 路經為Ph欠士 电态黾路，备所述充電 開路日守，所述保護電略能減小所述電感中的; 17 200406966 流。 16. 如申請專利範圍第13項的電池充電器電路，所述保護電 路包括一個與一開關串聯的限流電阻，所述開關的導通 狀態由一個誤差放大器控制，所述誤差放大器接收一個 5 表明理想最大電壓的第一信號和一個表明所述充電電 路產生電壓的第二信號。 17. 如申請專利範圍第13項的電池充電器電路，所述充電路 徑更包括一個檢測電阻，所述檢測電阻產生一個表明轉 接器供給電流的回授信號，所述轉接器電流限制電路包 10 括一個與電流源串聯的電阻，所述電流限制電路產生所 述一個表明所述轉接器供給的電流抵補信號給所述回 授信號。 18. 如申請專利範圍第1項的電池充電器電路，所述保護電 路包括一個與電晶體串聯的限流電阻，所述電晶體的導 15 通狀態由分流調節器控制，所述分流調節器接受一個由 所述電晶體的輸出產生的參考信號。 19. 如申請專利範圍第18項的電池充電器電路，更包括一個 與所述電晶體的輸出相連的分壓器電路’所述分壓器產 生所述參考電壓。 20 18