TW202422991A - 使用單電池充電器之雙向電力流控制 - Google Patents

使用單電池充電器之雙向電力流控制 Download PDF

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Abstract

本發明描述使用一單電池充電器之雙向電力流控制之系統及方法。根據一個實例，大體上描述一種半導體裝置。該半導體裝置可包含一充電器，其經組態以在一正向模式中自一充電介面供應電力至一電池，並在一反向模式中自該電池供應電力至一負載。該半導體裝置可包含：一第一隔離開關，其經安置於該充電介面與該充電器之間；一第二隔離開關，其經安置於該充電器與該負載之間；及一控制器，其經組態以啟用該第一隔離開關並在該正向模式中操作該充電器，及啟用該第二隔離開關並在該反向模式中操作該充電器。

Description

使用單電池充電器之雙向電力流控制
本發明大體上係關於控制半導體裝置之系統及方法，更特定言之，係關於使用一單電池充電器之雙向電力流控制。
除非本文另有指示，否則本章節中所描述之材料並非本申請發明專利申請範圍之先前技術，且不藉由包含在本章節中而被承認為先前技術。
一可充電消費電子裝置通常包含一電池及一充電埠。通常，該電子裝置包含一電池充電器，用於自該充電埠向該電池充電，及一單獨轉換器，諸如一DC-DC電力轉換器，用於將電力自該經充電電池輸送至該電子裝置內之一負載。在同時具有一充電器及一轉換器之一電子裝置中，此等組件通常消耗大量電力，因為其等通常同時通電，且兩個組件通常均需一相對大量之空間(例如印刷電路板佔據面積)。此外，充電器及轉換器係相對複雜且昂貴之組件。因此，同時具有一電池充電器及一轉換器會影響電子裝置之大小、重量、功耗及成本。隨著消費電子裝置變得越來越小及越來越可丟棄，大小、重量及成本態樣變得越來越重要。
根據一個實例，大體上描述一種半導體裝置。該半導體裝置可包含：一充電器，其經組態以在一正向模式中自一充電介面供應電力至一電池，並在一反向模式中自該電池供應電力至一負載。該半導體裝置可包含：一第一隔離開關，其經安置於該充電介面與該充電器之間；一第二隔離開關，其經安置於該充電器與該負載之間；及一控制器，其經組態以啟用該第一隔離開關並在該正向模式中操作該充電器，及啟用該第二隔離開關並在該反向模式中操作該充電器。
根據此實例，該充電器可包含一充電器控制器及一功率級，且該充電器可為一單一雙向降壓-升壓充電器。回應於該正向模式經啟用，可停用該反向模式，且回應於該反向模式經啟用，可停用該正向模式。該控制器可經組態以回應於一電源經連接至該充電介面而啟用該第一隔離開關，並回應於該電源與該充電介面斷開連接而啟用該第二隔離開關。該第一隔離開關及該第二隔離開關可各包含一對N通道金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)，其等以一共同源組態背靠背連接，用於反向電流阻斷。該電池可包含至少一個電池單元。該充電介面可為一通用串列匯流排(USB)埠。該負載可為一電阻性負載。
根據另一實例，大體上描述一種半導體裝置。一種半導體裝置可包含：一控制器，其經組態以啟用安置於一充電介面與一充電器之間之一第一隔離開關。回應於啟用該第一隔離開關，在一正向模式中操作該充電器以自該充電介面供應電力至一電池，啟用安置於該充電器與一負載之間之一第二隔離開關。回應於啟用該第二隔離開關，在一反向模式中操作該充電器以自該電池供應電力至該負載。
根據此實例，該充電器可包含一充電器控制器及一功率級，且該充電器可為一單一雙向降壓-升壓充電器。回應於該正向模式經啟用，可停用該反向模式，且回應於該反向模式經啟用，可停用該正向模式。該控制器可經組態以回應於一電源經連接至該充電介面而啟用該第一隔離開關，並回應於該電源與該充電介面斷開連接而啟用該第二隔離開關。該第一隔離開關及該第二隔離開關可各包含一對N通道金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)，其等以一共同源組態背靠背連接，用於反向電流阻斷。該電池可包含至少一個電池單元。該充電介面可為一通用串列匯流排(USB)埠。該負載可為一電阻性負載。
根據又一實例，大體上描述一種用於操作一充電器之方法。該方法可包含藉由一控制器啟用安置於一充電介面與一充電器之間之一第一隔離開關。回應於啟用該第一隔離開關，在一正向模式中操作該充電器以自該充電介面供應電力至一電池，藉由該控制器啟用安置於該充電器與一負載之間之一第二隔離開關，及回應於啟用該第二隔離開關，在一反向模式中操作該充電器以自該電池供應電力至該負載。
根據此實例，該充電器可包含一充電器控制器及一功率級，且該充電器可為一單一雙向降壓-升壓充電器。在啟用該第一隔離開關之前，該方法可進一步包含判定一電源是否經連接至該充電介面，且若該第二隔離開關經啟用，則停用該第二隔離開關。在啟用該第二隔離開關之前，該方法可進一步包含判定一電源未經連接至該充電介面，且若該第一隔離開關經啟用，則停用該第一隔離開關。該第一隔離開關及該第二隔離開關可各包含一對N通道金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)，其等以一共同源組態背靠背連接，用於反向電流阻斷。該電池可包含至少一個電池單元。該充電介面可包含一通用串列匯流排(USB)埠。該負載可為一電阻性負載。
上述內容僅具說明性，並不旨在以任何方式加以限制。除上述說明性態樣、實施例及特徵外，藉由參考附圖及以下詳細描述，進一步態樣、實施例及特徵將變得顯而易見。在附圖中，相似元件符號指示相同或功能類似之元件。
在以下描述中，闡述了許多具體細節，諸如特定結構、組件、材料、尺寸、處理步驟及技術，以便提供對本發明之各種實施例之理解。然而，一般技術者應理解，本申請之各種實施例可在沒有此等具體細節之情況下實踐。在其他情況中，未詳細描述熟知之結構或處理步驟，以避免模糊本申請。
為在下文進行更詳細地描述，可藉由根據本發明描述之一系統來實施一雙向電力流技術。該系統可提供可相對緊湊之一雙向電力流控制器(例如，具有耦合到一電池之一控制器及一電路)，其容許本文中所描述之雙向電力流控制技術適合具有有限大小、重量及成本之應用。所描述之解決方案認識到，在某些應用中，一充電器與一控制器不必要同時操作。因此，所描述之解決方案消除了對一單獨充電器及電力轉換器之需求，以顯著提高該系統之效率，同時減小整體大小(例如印刷電路板佔據面積)、重量及成本。此外，該系統可提供一種高效電池充電及放電技術，用於各種消費電子裝置。
圖1繪示根據本發明之各種實例之一電子系統100之一實例，其可使用一單電池充電器實施雙向電力流控制。電子系統100可包含電子裝置102，該電子裝置102通常可實施為一半導體裝置，其包含一或多個半導體電路、半導體晶片及類似者。根據一實例，電子裝置102可包含一充電器108，其經組態以在一正向模式134中透過一功率級122(例如一橋接電路)自一充電介面116供應電力至一電池128，並經組態以在一反向模式150中透過功率級122自電池128供應電力至一負載144。術語正向及反向通常指透過功率級122流入及流出電池128之電力方向。換言之，正向模式一般指對電池128充電，而反向模式一般指使電池128放電。術語雙向指在一正向模式134方向中充電及在一反向模式150方向中放電之能力。
電池128可實施為具有各種電壓及電流容量之一鎳金屬氫(NiMH)、鎳鎘(NiCd)或鋰離子(Li-ion)電池，用於對各種負載供應電力，包含電阻性負載、電感性負載或電容性負載，以用於各種消費電子裝置，諸如用於一電子煙之一加熱器線圈、一行動音訊/記錄裝置、一可穿戴電子裝置、一平板電腦及類似者。充電器108可實施為一單一裝置，例如單一降壓-升壓充電器。充電器108亦可由具有本文所描述之能力之另一裝置或裝置之一組合來實施。
一第一隔離開關156可安置於充電介面116與功率級122之間，以控制自充電介面116至充電器108之電力流。如本文中所使用，充電器108包含充電器控制器110與功率級122之一組合。充電器控制器110經組態以操作功率級122以將電力傳導到電池128並自電池128傳導電力，如所描述。當第一隔離開關156藉由確立一第一開關控制信號158而啟用時，允許電力自充電介面116流經充電器108。當第一隔離開關156未啟用時，防止電力自充電介面116流向充電器108，使得充電介面116與充電器108隔離。類似地，一第二隔離開關162可安置於充電器108與負載144之間，以控制自充電器108至負載144之電力流。當第二隔離開關162藉由確立一第二開關控制信號164而啟用時，允許電力流經充電器108到負載144。當第二隔離開關162未啟用時，防止電力自充電器108流向負載144，使得充電器108與負載144隔離。以此方式，充電器108可與來自充電介面116之一輸入電力路徑隔離，並與到負載144之一輸出電力路徑隔離。第一隔離開關156及第二隔離開關162兩者可同時停用，且任一者可單獨地啟用，使得第一隔離開關156僅可在第二隔離開關162停用時啟用，及第二隔離開關162僅可在第一隔離開關156停用時啟用。
一控制器172可為經組態以執行程式指令之一處理器裝置。控制器172可耦合至第一隔離開關156並經組態以藉由確立第一開關控制信號158而啟用第一隔離開關156，並經組態以在正向模式134中操作充電器108。類似地，控制器172可耦合至第二隔離開關162並經組態以藉由確立第二開關控制信號164而啟用第二隔離開關162，並經組態以在反向模式150中操作充電器108。一電源182可耦合至充電介面116並經組態以透過第一隔離開關156(當經啟用時)及透過充電器108對半導體裝置102提供電力。充電介面116亦可提供一充電介面狀態信號118，其指示電力自電源182施加至充電介面116，以支援例如偵測、發現或辨識連接至(或稍後斷開連接於)充電介面116之電源182。充電介面116可實施為符合一USB標準(諸如USB2.0、USB3.0)及/或各種專有標準等之一通用串列匯流排(USB)埠。替代地，充電介面116可與一適合之直流(DC)電源連接。電池128可為一電池模組，其包含經組態以儲存及擷取電力之複數個電池單元以及用於將電池128自充電器108之控制下解耦的各種調節組件(諸如一隔離元件)。電池128可接收一或多個控制信號並對控制器172提供一或多個狀態信號130，其指示該電池之狀態，諸如電池電壓、充電狀態，及/或在充電及/或放電期間電池健康之一動態測量及回應。
控制器172可耦合至充電器108並經組態以在正向模式134及反向模式150中操作充電器108，如上所述。控制器172透過一或多個充電器控制及狀態信號112而對充電器控制器110提供控制並自充電器控制器110接收狀態。充電器控制器110亦可將一或多個控制信號114施加於電池128，並將一或多個控制信號124施加於功率級122，如下文參考圖2更全面地描述。充電器控制器110可單獨實施為一處理器，或與一處理器裝置組合使用，該處理器裝置經組態以與離散及/或有功組件一起執行程式指令，以接收及儲存與程式指令相關之組態資訊。控制器172可單獨實施為一處理器，或與具有不同於控制器172之信號驅動特性之一專用電力輸送控制器174組合使用。電力輸送控制器174可為經組態以執行程式指令之一處理器裝置，且可操作性地與如上所述之第一隔離開關156、第二隔離開關162、充電器108、充電介面116及/或電池128連接，以對此等電子裝置之各者提供控制及/或自此等電子裝置之各者接收狀態。替代地，電力輸送控制器174可為控制器172內之一模組或一功能塊，其操作由程式碼之執行來控制。控制器172及/或電力輸送控制器174可執行程式指令，如下文將更全面地描述。
圖2繪示根據本發明之各種實例之一電子系統200之另一實例，其可使用一單電池充電器實施雙向電力流控制。圖2之實例在某些方面與圖1類似。電子系統200可包含一電子裝置202，該電子裝置202通常可實施為一半導體裝置，其包含一或多個半導體電路、半導體晶片及類似者。
根據一實例，電子裝置202可包含充電器108，其經組態以在正向模式134中透過充電器108自充電介面116供應電力至電池128，並經組態以在反向模式150中透過充電器108自電池128供應電力至負載144。儘管電池128繪示為具有一個電池單元，但應理解，電池128可為一電池模組以及各種調節組件(電容器、電阻器等)，包含複數個電池單元，此等電池單元可以串聯組態(例如電池單元電壓相加)、並聯組態(例如電池單元容量相加)、或基於電子裝置202之電力利用率及電力調節需求之一串聯-並聯組態(例如電池單元電壓相加及電池單元容量相加兩者)而配置。以此方式，一單電池充電器(例如充電器108)可用於對與電池128 (例如電池模組)相關聯之一或複數個電池進行充電及放電。此外，在本解決方案之一實際實施中，可能需要額外之離散、有功或無功組件。
第一隔離開關156及第二隔離開關162兩者可包含一對N通道金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)，其等以一共同源組態背靠背連接，用於透過第一隔離開關156阻斷電流在自充電器108朝向充電介面116之一方向上流動，或透過第二隔離開關162阻斷電流在自負載144朝向充電器108之一方向上流動，此亦稱為反向電流阻斷。充電器108亦可將一或多個控制信號114施加至與電池128相關聯之各種調節組件(例如，或隔離元件210)，以便能夠對電池128充電及放電。一種此類調節元件，用於耦合及/或解耦並防止基於控制信號114施加至電池128之反向電壓，可包含一N通道MOSFET。同樣，負載144可包含用於一電子煙之一加熱器線圈，或例如另一電阻性負載。根據一替代實施例，儘管負載144展示為與一電子裝置202整合在一起，但回應於偵測到負載144已斷開連接、負載144變為一開路連接，或控制器172偵測到指示一異常狀況已發生之一過量電壓或電流，控制器172可停用第二隔離開關162。
圖3繪示根據本發明之各種實例，可使用一單電池充電器實施控制電力流之一例示性程序(或方法)300之一流程圖。程序300可在如參考圖1及圖2描述之電子系統100之硬體上實施。如圖3所繪示，一例示性程序可包含一或多個操作、動作或功能，如由一或多個步驟306至324(例如區塊306至324)所繪示。雖繪示為離散區塊，但當不被禁止時，取決於所需之實施方案，各種區塊可經劃分為額外區塊、經組合成更少區塊、經消除、以不同順序執行或並列執行。
程序300在步驟302開始並進行至步驟306(例如區塊306)，其中基於例如控制器172接收介面狀態信號118而判定電源182是否可操作地連接至充電介面116及電源182是否供應電力至充電介面116。當電源182連接至充電介面116(步驟306(是))時，程序300進行至步驟310，其中第二隔離開關162經停用(若其先前已啟用)且第一隔離開關156經啟用。程序300然後進行至步驟314，其中控制器172在正向模式134中操作充電器108以對電池128充電。程序300然後進行至步驟306，其中基於例如介面狀態信號118判定電源182是否保持可操作地連接至充電介面116。當電源182保持連接至充電介面116時，程序300進行至步驟310，其中第一隔離開關156維持啟用。程序300然後再次進行至步驟314，其中控制器172繼續在正向模式134中操作充電器108以對電池128充電。程序300然後再次進行至步驟306，其中基於例如介面狀態信號118判定電源182是否保持可操作地連接至充電介面116。
當電源182未可操作地連接至充電介面116 (步驟306(否))，或電源182未供應電力至充電介面116 (例如電源182可被斷開連接、關閉或放電)時，程序300進行至步驟320，其中第一隔離開關156經停用(若其先前已啟用)且第二隔離開關162經啟用。程序300然後進行至步驟324，其中控制器172在反向模式150中操作充電器108以使電池128放電以供應電力至負載144。程序300然後進行至步驟306，其中基於例如介面狀態信號118判定電源182是否保持可操作地斷開連接且未提供電力至充電介面116。當電源182保持不可操作地連接至充電介面116，或非有效地供應電力至充電介面116時，程序300再次進行至步驟320，其中第一隔離開關156保持停用，且第二隔離開關162保持啟用。程序300然後進行至步驟324，其中控制器172在反向模式150中操作充電器108以使電池128放電以供應電力至負載144。程序300然後再次進行至步驟306，其中基於介面狀態信號118判定電源182是否保持可操作地斷開連接且未提供電力至充電介面116。以此方式，程序300未意圖在向控制器172及/或電力輸送控制器174施加電力時終止，因此方法300之此程序意在無限期地繼續對電池128進行充電及放電，如上所述。
參考圖1及圖2兩者，控制器172及專用電力輸送控制器174可單獨或組合地實施以自一非暫時性電腦可讀媒體178讀取程式指令176(例如電腦實施之程式碼)，諸如一唯讀記憶體(ROM)、一隨機存取記憶體(RAM)、一可程式設計邏輯裝置(PLD)、一快閃驅動器、一記憶卡/記憶棒、一固態儲存裝置或類似者。由控制器172及/或專用電力輸送控制器174自電腦可讀媒體178讀取之程式指令可引起此等處理器裝置個別地或相互配合地執行對應於上文參考圖1至3描述之功能之操作。特別地，控制器172及/或專用電力輸送控制器174可執行指令，該等指令執行對應於參考圖1至3中描述之程序(例如方法)之功能。電腦可讀媒體178可為可移除的或可替換的或可重寫的，使得電腦可讀媒體178中之程式指令176可被修改、升級或替換。
本文中所使用之術語僅用於描述特定實施例之目的，而不旨在限制本發明。如本文中所使用，單數形式「一」、「一個」及「該」亦旨在包含複數形式，除非上下文另有明確指示。應進一步理解，術語「包含」、「包括」及/或「含有」在本說明書中使用時，指定存在所陳述之特徵、整數、步驟、操作、元件及/或組件，但不排除存在或添加一或多個其他特徵、整數、步驟、操作、元件、組件及/或其群組。
隨附發明申請專利範圍中之所有構件或步驟及功能元件(若有)之對應結構、材料、動作及等效物旨在包含用於與明確主張之其他主張元件組合執行該功能之任何結構、材料或動作。本發明之描述已為了說明及描述之目的而提出，但不旨在以揭示之形式窮舉或限制本發明。許多修改及變動對於一般技術者而言是顯而易見的，而不會脫離本發明之範疇及精神。選擇及描述各種實施例係為了最好地解釋本發明之原理及實際應用，並使一般技術者能夠理解本發明之具有適合於所考量之特定用途之各種修改之各種實施例。
100:電子系統 102:電子裝置/半導體裝置 108:充電器 110:充電器控制器 112:充電器控制及狀態信號 114:控制信號 116:充電介面 118:介面狀態信號/充電介面狀態信號 122:功率級 124:控制信號 128:電池 130:狀態信號 134:正向模式 144:負載 150:反向模式 156:第一隔離開關 158:第一開關控制信號 162:第二隔離開關 164:第二開關控制信號 172:控制器 174:電力輸送控制器 176:程式指令 178:電腦可讀媒體/非暫時性電腦可讀媒體 182:電源 200:電子系統 202:電子裝置 210:隔離元件 300:程序 302:步驟 306:步驟 310:步驟 314:步驟 320:步驟 324:步驟
圖1繪示根據本發明之各種實例，可使用一單電池充電器實施雙向電力流控制之一電子系統之一實例。
圖2繪示根據本發明之各種實例，可使用一單電池充電器實施雙向電力流控制之另一電子系統之一實例。
圖3係根據各種實例繪示使用一單電池充電器控制電力流之一方法之一流程圖。
100:電子系統
102:電子裝置/半導體裝置
108:充電器
110:充電器控制器
112:充電器控制及狀態信號
114:控制信號
116:充電介面
118:介面狀態信號/充電介面狀態信號
122:功率級
124:控制信號
128:電池
130:狀態信號
134:正向模式
144:負載
150:反向模式
156:第一隔離開關
158:第一開關控制信號
162:第二隔離開關
164:第二開關控制信號
172:控制器
174:電力輸送控制器
176:程式指令
178:電腦可讀媒體/非暫時性電腦可讀媒體
182:電源

Claims (20)

  1. 一種半導體裝置，其包括： 一充電器，其經組態以： 在一正向模式中自一充電介面供應電力至一電池；及 在一反向模式中自該電池供應電力至一負載； 一第一隔離開關，其經安置於該充電介面與該充電器之間； 一第二隔離開關，其經安置於該充電器與該負載之間；及 一控制器，其經組態以： 啟用該第一隔離開關並在該正向模式中操作該充電器，及 啟用該第二隔離開關並在該反向模式中操作該充電器。
  2. 如請求項1之半導體裝置，其中該充電器包含一充電器控制器及一功率級，且其中該充電器為一單一雙向降壓-升壓充電器。
  3. 如請求項1之半導體裝置，其中： 回應於該正向模式經啟用，停用該反向模式；及 回應於該反向模式經啟用，停用該正向模式。
  4. 如請求項1之半導體裝置，其中該控制器經組態以： 回應於一電源經連接至該充電介面，啟用該第一隔離開關；及 回應於該電源與該充電介面斷開連接，啟用該第二隔離開關。
  5. 如請求項1之半導體裝置，其中該第一隔離開關及該第二隔離開關各包括一對N通道金屬氧化物半導體場效應電晶體，其等以一共同源組態背靠背連接，用於反向電流阻斷。
  6. 如請求項1之半導體裝置，其中該電池包括至少一個電池單元。
  7. 如請求項1之半導體裝置，其中該充電介面為一通用串列匯流排埠。
  8. 如請求項1之半導體裝置，其中該負載為一電阻性負載。
  9. 一種半導體裝置，其包括： 一控制器，其經組態以： 啟用安置於一充電介面與一充電器之間之一第一隔離開關； 回應於啟用該第一隔離開關，在一正向模式中操作該充電器以自該充電介面供應電力至一電池； 啟用安置於該充電器與一負載之間之一第二隔離開關；及 回應於啟用該第二隔離開關，在一反向模式中操作該充電器以自該電池供應電力至該負載。
  10. 如請求項9之半導體裝置，其中該充電器包含一充電器控制器及一功率級，且其中該充電器為一單一雙向降壓-升壓充電器。
  11. 如請求項9之半導體裝置，其中： 回應於該正向模式經啟用，停用該反向模式；及 回應於該反向模式經啟用，停用該正向模式。
  12. 如請求項9之半導體裝置，其中該控制器經組態以： 回應於一電源經連接至該充電介面，啟用該第一隔離開關；及 回應於該電源與該充電介面斷開連接，啟用該第二隔離開關。
  13. 如請求項9之半導體裝置，其中該第一隔離開關及該第二隔離開關各包括一對N通道金屬氧化物半導體場效應電晶體，其等以一共同源組態背靠背連接，用於反向電流阻斷。
  14. 如請求項9之半導體裝置，其中以下中之至少一者： 該電池包括至少一個電池單元； 該充電介面為一通用串列匯流排埠；及 該負載為一電阻性負載。
  15. 一種用於操作一充電器之方法，該方法包括： 藉由一控制器啟用安置於一充電介面與一充電器之間之一第一隔離開關； 回應於啟用該第一隔離開關，在一正向模式中操作該充電器以自該充電介面供應電力至一電池； 藉由該控制器啟用安置於該充電器與一負載之間之一第二隔離開關；及 回應於啟用該第二隔離開關，在一反向模式中操作該充電器以自該電池供應電力至該負載。
  16. 如請求項15之方法，其中該充電器包含一充電器控制器及一功率級，且其中該充電器為一單一雙向降壓-升壓充電器。
  17. 如請求項15之方法，在啟用該第一隔離開關之前，該方法進一步包括： 判定一電源連接至該充電介面；及 若該第二隔離開關經啟用，則停用該第二隔離開關。
  18. 如請求項15之方法，在啟用該第二隔離開關之前，該方法進一步包括： 判定一電源未連接至該充電介面；及 若該第一隔離開關經啟用，則停用該第一隔離開關。
  19. 如請求項15之方法，其中該第一隔離開關及該第二隔離開關各包括一對N通道金屬氧化物半導體場效應電晶體，其等以一共同源組態背靠背連接，用於反向電流阻斷。
  20. 如請求項15之方法，其中以下中之至少一者： 該電池包括至少一個電池單元； 該充電介面為一通用串列匯流排埠；及 該負載為一電阻性負載。
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