TW496028B - Method and circuit for preventing oscillations in a battery charger - Google Patents

Description

496028 A7 ---- B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（1 ) 本申請案要請求1998.12.23申請之NO.60/1 13642暫時 申請案的優先權，其揭露將併此.附送提供參考。 本發明係概有關於電池充電電路，尤指一種改良的方 法和電路可控制電池充電器，而減少電路的複雜性並避免 不良的振盡者。 對一可攜式消耗用途之電池的典型充電方法，乃包括 在該電池中充入固定的充電電流，直至該電池達到一定的 電壓。嗣該電壓會被以一電壓控制迴路規制在一固定電平 ’而使該電流隨著時間逐漸減少。通常此係藉如第1A圖 所不以一電流反饋放大器與一電壓反饋放大器的組合，來 控制電池充電電路而來達成。為能在最短的時間内將該電 池再充電，通常使用最大的有效電流來充電。但是，當該 電池達到要切換至電壓規制的一點時，乃可能發生一非所 要的側邊效應。該電池典型地具有一内設的超壓保護開關 100。由於該電池具有一非零的阻抗，故其高充電電流會 使終端電壓較若該電池為開放電路時更高。此將可能使該 超壓保護開關打開（第1B圖）。當發生此狀況時，若該大的 充電電流流入該開放電路中，其電壓將會很快地升高。此 則會使該電壓控制迴路操作，來大大地降低其充電電流（ 第1C圖）。由於降低充電電流，該電池終端電壓亦會降低 ’而令該超壓保護裝置關閉（第1D圖）。但是，在此時，其 幾乎沒有電流流入該電池，而電壓開始減降。由於該降低 的電壓電平，該電流迴路再運作（第1E圖）。視該電流控制 迴路的大信號帶寬而定，流入該電池的充電電流乃可能大

(請先閱讀背面之注意事項再本頁) 太 訂. -線· A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（2 大地超量。此係因為該電流迴路放大器當其不運作控制時 ，會飽和於其執路電壓，而需要時間來消除飽和及轉換至 其適當的輸出電平。不管是否超量，此循環乃可能連續地 重複而形成一振盪的系統。 · 目前已使用一種稱為系統控制器之軟性起動來解決此 問題。當一超壓狀態被檢出時，該軟性起動會被重設。因 此，當該電流迴路回復控制時，雖然其要求一相當高的電 流，但該軟性起動會藉限制該操作循環而來阻止它；該操 作循環乃被允許僅能緩慢地提升，故其電流會緩慢地增加 。此將可避免電流超量，而能避免產生振盪。 此方法的缺點係其會嚴苛地限制在該電流控制迴路中 之實際的大信號之帶寬。而且，其在一線性系統中引入一 非線性元件，乃可能使其在某些情況下產生本身的振盪。 最後，將兩種功能（軟性起動及抑止振盪）結合為一，將使 該電路更為複雜，而可能在構件的選擇上造成困難，及令 設計者產生困擾。 本發明係在一新穎的電路結構中使用兩個或更多的誤 差放大器，其能產生電池充電控制信號而沒有前述的缺點 。泛而言之，依據本發明，藉著固定該等誤差放大器的輸 出，其電路會消除一誤差放大器飽和的狀況，因而消除電 流超量之潛在原因。在一較佳實施例中，誤差放大器的輸 出會被交叉鉗位，以確保該等放大器的輸出係被固定在等 於或稍高於，在該有功誤差放大器輸出的信號。俾令該等 無功誤差放大器不會達到飽和，而使一誤差迴路能以最少 --------------裝--------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

496028 五、發明說明（ 的延遲轉換到另一誤差迴路。 爰是，在一實施例中，本發.明所提供之電池充電電路 包括一電％輸送電路搞接於該電池；一電壓迴路放大器具 有一輸入端被輕合以接收一顯示電池電壓的信號，及一輸 出端搞接於該電荷輸送電路；一電流迴路放大器具有一輸 入端被耦合以接收一顯示電池電流的信號，及一輸出端耦 接於該電荷輸送電路；及一钳位電路將該電壓迴路放大器 的輸出耦接於該電流迴路放大器的輸出，其中該鉗位電路 可操作以防止該電流迴路放大器達到飽和。在一可擇實施 例中，該鉗位電路係被設成可在電流迴路放大器的輸出與 電壓迴路放大器的輸出之間交又固定。 於另一實施例中，本發明所提供之電池充電方法乃包 括以下步驟：以一電壓迴路放大器來檢測電池的電壓，以 電流迴路放大器來檢測電池的電流；回應該電壓迴路放 大器的輸出或電流迴路放大器的輸出來控制要供入該電池 中的電流量；及以該電壓迴路放大器的輸出來固定該電流 迴路放大器的輸出，以防止該電流迴路放大器達到飽和。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 對一電池充電之改良方法及電路的特性和優點之較佳 瞭解，乃可參閱以下之詳細說明與所附圖式而來獲得。 圖式之簡單說明 第1A、1B、1C、1D及1E圖係表示一電池充電電路於 其不同的操作狀態中，而示出潛在的振盪問題； 第2A與2B圖示出本發明的電池充電電路之一簡化的 可擇實施例； 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 496028 經濟.部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 -— —_____ 五、發明說明（4 ) 第3圖係為本發明實施例的電池充電電路之一可擇的 簡化電路示意圖； 第4圖為本發明的電池充電電路之一實施例的更詳細 電路示意圖；及 第5圖為一方塊圖示出本發明一實施例之電池充電電 路’其乃含有一電源控制迴路增設於該電流與電壓迴路。 請參閱第2 Α圖，乃示出本發明一實施例之改良的電 池充電電路之簡化電路圖。在第2 A圖所示的例子中，該 電池充電電路包括一電壓誤差放大器2〇〇，其可在一輸入 端接收電池電壓信號BV，及在另一輸入端接收一參考信 號Vref2 ;與一電流誤差放大器202，可在一輸入端接收電 池電流信號BI，及在另一輸入端接收一參考信號Vref 1。 該等誤差放大器200與202的輸出會被電路204邏輯地組合 在一起。該組合電路204會在誤差放大輸出信號上執行一 邏輯的OR功能，而產生一輸出信號給電荷輸送電路，其 乃可能例如使用脈衝寬度調制（PWM)，磁滯控制，或其它 的習知電池充電技術。電壓誤差放大器2〇〇與電流誤差放 大器202係分別為該電池充電電路電壓迴路與電流迴路的 一部份。該電路乃可包含更多的誤差放大器，例如一電源 誤差放大器，用以參與該電池的充電功能。有一更完整之 電池充電電路圖示出各種誤差迴路，並更詳細地說明其操 作者’乃被揭露於共同讓渡給S. Bryson的No. 09/352,437 號美國專利申請案中（代理人編號No· 18865-25-1/17732-9021)，其名稱為“調配式電池充電器之電力測量法”， 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ----I---農--II--I I 訂·---I I I I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 五、發明説明（5 ) L——，— 其内容將併送提供參考。 再請回參第2A圖，該電路更包含一交叉鉗位電路2〇6 ’其乃搞接於該二誤差放大器2〇〇與2〇2的輸出之間。該電 路206的功能係交叉固定該二誤差放大器的輸出。在一特 定實施例中，本發明係採用該有功誤差放大器的輸出，並 利用它將另一放大器固定於一稍高電壓。在第2A圖所示 之父叉鉗位電路206的實施例方塊圖係包括一二極體212， 其乃經由一單增益緩衝放大器214將放大器2〇2的輸出（節 點210)連接於放大器200的輸出（節點2〇8)。同樣地，該放 大器200的輸出（節點2〇8)亦經由一二極體216及單增益緩 衝放大器218連接於放大器202的輸出（節點21〇)。 因此，在此實施例中，該無功放大器的輸出乃被設成 比該有功放大器高出一個二極體降壓。由於該無功放大器 的輸出維持在此電平，故該放大器的補償成分會被預充電 至其正確值，以保持該放大器不致飽和。此將可在該控制 迴路轉換時，令該無功的放大器立即開始控制。故，本發 明乃可消除迴路間的時間延遲，且不須使用軟性起動。該 糸統係對該等誤差放大器呈線性的，因此不會有振靈的傾 向。並且，該充電電路之各種功能乃保持分開，而可減少 5又计的複雜性。 ^務請瞭解的是，雖在第2A圖中所示的實施例交又固 定兩個輪出，而消除前述電路的振盪傾向，但其乃僅須以 該電壓迴路放大器的輸出來固定電流迴路的放大器即可。 此即表示，本發明之-可擇實施例係可只包含二極體212 五、發明説明（6 ) 1 與緩衝器214。而且，在第2A圖所示的實施例中，其較高 的電壓係被設為以-二極體壓降來高於該有功放大器的輸 出，但該無功放大器的輸出乃可被固定於該相同值或任何 其匕大於有功放大态之輸出值。例如，第圖乃示出一 變化例，其中二極體212與216係分別連接於放大器214與 218之反饋迴路的内部。在此實施例中，該無功放大器的 輸出係被固定於與有功放大器的輸出值相同。 本發明之一可擇實施例係可對鉗位電平提供更多的調 適性者，乃不於第3圖中。取代強制該無功放大器不可高 於該有功放大器超過一二極體壓降，在本實施例中，其電 壓係藉增添一可調整的參考電壓於該輸出而來設定。第3 圖所示之簡化電路乃示出一放大器3〇〇其可經由一電阻^ 來接收一誤差放大器的輸出（例如第2圖中之節點2〇8)。有 一參考電壓Vref會經由另一電阻以2連接於該放大器3〇〇的 輸入。有一雙極電晶體302連接於一圍繞該放大器3〇〇的反 饋迴路如所示。該電晶體3〇2的集極3〇4會被電阻上拉，而 能提供該鉗位電路的輸出，該鉗位電路係連接於另一誤差 放大器的輸出（例如第2圖中的節點21〇)。在此電路結構中 ，該雙極電晶體302基本上乃形如一理想二極體，其可僅 吸收，而不提供電流，但具有零順向偏壓降。該參考電壓 會對该鉗位電路的輸出加入一補償值。因此，該有功放大 為（在節點208)與其它放大器的輸出之電壓差，乃可藉調 整該參考壓電平或該等電阻值而來設定。 第4圖示出一使用於本發明的電池充電電路之鉗位電 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） 496028

五、發明説明（ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 路的實施例。該鉗位電路400乃可依據電壓誤差放大器2〇〇 的輸出來固定電流誤差放大器逝的輸出。該電路包括一 對電晶體Q1與Q2,乃可分別在其閘極端承接放大器的輸 出節點210與208。電晶體qi與Q2會感測在節點21〇與2〇8 的輸出電壓之差異，而實質上操作如一比較器。當該電流 迴路在節點210的輸出電壓快要高過該電壓迴路在節點2〇8 的輸出電壓時，P通道電晶體Q2#會導通，而使一電流流 L電B0體Q3。流經電晶體Q3的電流會反應於電晶體q4， 而使更多的電流被拉出該放大器202的輸出，故能將電流 迴路的輸出電壓拉降。因此，該電路乃可運作使該電流迴 路放大器之輸出節點210固定在與節點208相同電平的電壓 〇 訂| 嫌， 第5圖為本發明另一實施例之簡化的方塊圖，其中該 電池充電電路乃包括一電源控制迴路5〇〇增設於電流及電 壓控制迴路502與504。有一實施電源迴路5〇〇之較佳實施 例，乃被詳細說明於前述第〇9/352,437號共同讓渡給 Bryson的美國專利申請案中。利用三個誤差放大器，該等 放大器的輸出之交叉固定或獨立固定的各種不同列設，乃 可依使用需求而來設計實施。 綜上所述，本發明乃藉固定該等迴路放大器的輪出， 而提供可消除在電池充電電路中之振盪狀況的方法與電路 。依據本發明該等迴路放大器輸出之交叉固定，乃可確保 該等迴路放大器不會飽和，因此當該迴路轉換時其放大器 會進行控制而不會延遲。雖以上係為本發明之特定實施例 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210 X 297公釐)

Vi * % 爾 Ύ ·，，—_—，，一··、〜 …该雄:丨 五、發明説明（8 ) 1整5兄明’但仍可能使用不同的選擇、修正及等效結構 f、例如’其鉗位SJ定乃可用許多不同種類的電路技術來 凡成’其中有些已在此揭述以供說明。並且，該電路係可 包括兩個以上的誤差放大器而可選擇地交又固定。因此， 本毛月之範圍乃非由以上所揭述的實施例來決定，而應由 含括等效結構之全部範轉的申請專利範圍來考量。〜 元件標號對照表 100···超壓保護開關 200···電壓誤差放大器 202···電流誤差放大器 204···組合電路 206···交叉钳位電路 208、210…節點 212、216···二極體 214、218…緩衝放大器 300···放大器 302···雙極電晶體 304…集極 400···鉗位電路 500···電源控制迴路 502…電流控制迴路 504···電壓控制迴路 Bl···電池電流信號 BV…電池電壓信號

Vref、Vrefl、Vref2、Vref3 …參考電壓信號

Rl、R2···電阻

Ql、Q2、Q3、q4···電晶 體 11 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐）

Claims (1)

1. 六、申請專利範圍 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制衣 •一種電池充電電路，包含： 一電荷輸送電路用以驅動一電池； 電壓迴路放大器具有一輸入端被輕合接收一顯 不電池電壓的信號，及一輸出端耦接於該電荷輸送電 路； 電流迴路放大器具有一輸入端被搞合接收一顯 不電池電流的信號，及一輸出端耦接於該電荷輸送電 路；及 一鉗位電路耦接於該電壓迴路放大器的輸出端與 該電流迴路放大器的輸出端； 其中，該钳位電路乃可操作以防止該電壓迴路放 大器或電流迴路放大器其中之一無功者達到飽和。 2·如申請專利範圍第i項之電池充電電路，其中該甜位電 路乃含有電路，可在該電壓迴路放大器為有功而電流 迴路放大器為無功時，將該電流迴路放大器的輸出固 定於一相等於該電壓迴路放大器之輸出的電平。 3·如申請專利範圍第i項之電池充電電路，其中該甜位電 路乃含有電路，可在該電壓迴路放大器為有功而電流 j路放大ϋ為無功時，將該電流迴路放大器的輸出固 定於一大於該電壓迴路放大器之輸出的預定電平。 4·如申請專利範圍第3項之電池充電電路，其中該銪 路包含： 一一極體具有第一端耦接於該電壓迴路放大器的 輸出，及一第二端；及 。 、 家標準(c^T規格⑵0 χ 297公爱)_________ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -------^---------------------------------- 12 ^0028

   、申請專利範圍 _ 緩衝為具有一輸入端耦接於該電流迴路放大器 的輪出，及一輸出端耦接於該二極體的第二端。 5·如申請專利範圍第4項之電池充電電路，其中該二極體 的第一端乃包含一陰極，而該第二端則包含一陽極； 且 其中，該緩衝器包含一單增益耦接放大器。 6·如申請專利範圍第3項之電池充電電路，其中該鉗位電 路包含： 一緩衝放大器具有一第一輸入、一第二輸入及一 輪出； 一第一電阻元件耦接於該電壓迴路放大器的輸出 與該緩衝放大器的第一輸入之間； 一第二電阻元件耦接於一源電壓與該緩衝放大器 的第一輸入之間；及 一電晶體耦接於該緩衝放大器的輸出與該緩衝放 大器的第二輸入之間。 7·如申請專利範圍第2項之電池充電電路，其中該鉗位電 路包含： 一放大電路具有一第一輸入麵接於該電壓迴路放 大器的輸出，一第二輸入耦接於該電流迴路放大器的 輪出，及一輸出；及 一鉗位電晶體耦接於該放大器的輸出與該電流迴 路放大器的輸出之間。 8·如申請專利範圍第7項之電池充電電路，其中該放大器 -------------裝·--— — — — — 訂---- -----線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) V經濟部智慧財產局員工消費合作社印制衣

   X 297公釐） 13 - 申請專利範圍 電路包含一對場效應電晶體具有共同耦接的源極端與 閘極端，其分別耦接於該電壓迴路放大器與電流迴路 放大器的輸出；且 其中該鉗位電晶體係為一場效應電晶體，具有一 閘極端麵接於該放大電流的輸出，一第一電流承載端 耦接於該電流迴路放大器的輸出，及一第二電流承載 端耦接於地線。 9·如申請專利範圍第！項之電池充電電路，其中該甜位電 路係被設成可在該電流迴路放大器的輸出與該電壓迴 路放大器的輸出之間提供交又固定。 ίο.如申請專利範圍第9項之電池充電電路，其中該鉗位電 路包含： 電C迴路鉗位電路輕接於該電流迴路放大器的 輸出與電壓迴路放大器的輸出之間，並可回應一有功 電流迴路放大器的輸出，而將一無功電壓迴路放大器 的輸出固定於一預定電平；及 一電池迴路鉗位電路耦接於該電壓迴路放大器的 輸出與電流迴路放大器的輸出之間，並可回庫一有功 電屋迴路放大器的輸出，而將一無功電流迴路放大器 的輸出固定於一預定電平。 11.如申請專利範圍第1〇項之電池充電電路，其中咳等電 壓迴路與電流迴路的甜位電路乃各含有-1㈣經由 一緩衝器耦接於對方的輸出。 Π·如申請專利範圍第10項之電池充電電路，其中該等電 496028 申請專利範圍 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 壓迴路與電流迴路的钳位電路乃各含有一放大器可在 其輸入接收该放大輸出彳吕號，而驅動一甜位電晶體 的控制端。 13·如申請專利範圍第1項之電池充電電路，更包含有一電 源迴路放大器具有一輸入端被耦接以接收一顯示電池 電源電平的信號，及一輸出端耦接於該鉗位電路；且 其中’當該電源迴路為無功時，該钳位電路會操 作以防止該電源迴路放大器達到飽和。 14· 一種電池充電的方法，包含下列步驟： 以一電壓迴路放大器檢測一電池的電壓； 以一電池迴路放大器檢測一電池的電流; 訂— 回應該電壓迴路放大器的輸出或該電流迴路放大 器的輸出，來控制要供於該電池之電荷的數量；及 將該電壓迴路放大器與電流迴路放大器其中之一 無功者的輸出固定，以防止該無功的迴路放大器達到 飽和。 15. 如申請專利範圍第14項之電池充電的方法，其中該固 定步驟係將該電流迴路放大器的輸出固定於一電壓， 該電壓係高於該電壓迴路放大器的輪出一個二極體屋 降的電平。 16. 如申請專利範圍第14項之電池充電的方法，其中該固 定步驟係將該電流迴路放大器的輪出固定於一電壓， 該電壓係等於該電壓迴路放大器的輪出。 17. 如申請專利範圍第14項之電池充電的方法，其中該固

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   定的步驟乃包含： 比較該電壓迴路放大器的輸出與該電流迴路放大 器的輪出；及 回應該比較步驟來控制一鉗位電晶體。 •如申請專利範圍第14項之電池充電的方法，更包含以 忒電机迴路放大器的輸出來固定該電壓迴路放大器的 輸出之步驟，以防止當該電壓迴路放大器無功時達到 飽和。 •如申凊專利範圍第14項之電池充電的方法，更包含以 電源迴路放大器來檢測一電池之電源電平的步驟， 且其中該固定步驟更該電源迴路為無功時會固定該電 源迴路放大器的輸出，以防止該電源迴路放大器達到 飽和。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

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