TWI356560B

TWI356560B - Circuit, electronic device and method for battery

Info

Publication number: TWI356560B
Application number: TW097124019A
Authority: TW
Inventors: Li Guo-Xing
Original assignee: O2Micro Int Ltd
Priority date: 2007-07-05
Filing date: 2008-06-27
Publication date: 2012-01-11
Also published as: US8222869B2; TW200908505A; US20090009141A1; CN101383521B; CN101383521A; US20120212188A1

Description

九、發明說明：【發明所屬之技術領域】本發明是關於一種電池充電系統，尤其是關於一種電池預充電系統。【先前技術】當電池電壓低時，電池之預充電模式將被啟動。在正常充電模式下’相較於一標準充電電流，預充電電流相對比較小。傳統的電池充電系統是通過控制與一個限流電阻串聯的開關來執行電池的預充電。然而，這種電池充電系統的耗費成本高。除此之外，這種電池充電系統在預充電過程中的功耗大且效率低。【發明内容】為解決上述技術問題，本發明提供一種充電電路。充電電路包括：一脈衝產生器，用於產生多個脈衝以控制一個充電開關；以及與脈衝產生器耦接之一控制器，用於控制多個脈衝的脈衝密度。其中，根據脈衝密度以調整流經充電開關的充電電流。另外，本發明還提供一種電池組充電方法。充電方法包括：控制多個脈衝的脈衝密度；以及根據脈衝密度來調整一充電電流。除此之外，本發明還提供一種充電電子設備。充電電子設備包括-充電器，用於對—電池組充電；—_至電池組和充電器之充電電路’用於控制從充電器流到電池組之充電 0425-TW-CH Spec+Claim(filed-20081008) 6 ου 中’充電電路包括—脈衝產生11，用於產生多個脈電開關；以及與脈衝產生器墟之控制器’用個脈衝的脈衝密度。其中，根據脈衝密度來調整流經充電間關的充電電流。【實施方式】以下將對本發明的實施例給出詳細的說明。雖然本發明，結合實施例輯_，但應理解這並非意指將本發明些實施例。相反地’本發明意在涵蓋由後附申請利範圍所界疋的本發明精神和範圍内所定義的各種替換、修正和等效物。此外，在以下對本發明的詳細描述中為了提供一個針對本發明的完全的理解，闡明了大量的具體細節。然而，於本技術領域具有通常知識者將理解沒有這些具體、”田節’本發明同樣可以實施。在另外的一些實例中，對於大豕熟知时法H S件和電路未作詳細描述以便於凸顯本發明之主旨。圖1Α所示為本發明一實施例之電池充電系統100方塊圖。如圖1Α所示，充電器11〇可對一含有多個電池單元 102—1-102—η的電池組1〇2進行充電。在一實施例中，耦接至電池組102和充電器110之一充電電路17〇可透過控制一充電開關130來控制從充電器11〇流到電池組1〇2的充電電流。一放電開關132可用於控制放電過程中的放電電流。在充電過程中，放電開關132可以是斷開或是接通的。如果玫電開關132被斷開’充電電流可以流經放電開_ 132的本徵 0425-TW-CH Spec+Claim(filed-20081008) 二極體（body diode) 134從充電器lio流到電池組1〇2。在一實施例中，充電電路170包括一脈衝產生器140，用於產生多個脈衝142以控制充電開關13〇。充電電路17〇還包括一與脈衝產生器140耦接之控制器uo，用於控制多個脈衝142的脈衝密度DP。如果在一時間週期τ内，^衝^ 生器140產生了 Ν個脈衝，那麼脈衝密度队等於脈衝個除以時間週期T (DP=N/T)。有利的是，在一實施例中，流經充電開關130的充電電流可根據多個脈衝142之脈衝密度队而調整。在一實施例中，充電開關13〇包括一種電晶體^但1 不以此為限，例如一種η通道金屬氧化物半導體場效電晶體 (M0SFE1T)。日曰在-實施例中’脈衝產生器14〇可以是—個脈衝密度調變型（Pulse Density modulation，PDM)之脈衝產生器。 PDM脈衝產生器140可在一個時間週期内產生多個均勻分佈之脈衝142。PDM脈衝產生器14〇可以有多種結構。控制器 120可控制由PDM脈衝產生器140所產生的多個pM脈衝 142的脈衝密度DP。 -個與PDM脈衝產生器14〇祕的電荷栗(也轉卿） 150用於接收多個PDM脈衝142，以及產生一用來控制充電開關130的驅動信號152。更具體地說，電荷泵15〇接收一輸入電壓I和多個PDM脈衝U2，並產生用於控制充電開關 130之閘極電壓的驅動錢152，進而控制充電開關13〇的導通。在一實施例中，在充電_中，驅動信號152的電壓高於輸入電壓.从_來導通充電關⑽。在一實施例中’電荷果150可為包括多種不同的結構之單級（如咖 0425-TW-CH Spec+Claim(fned-20081008) 8 1356560 stage)電荷泵或為多級（muiti-stage)電荷系。有利的是，在一實施例中，控制器120監控電池組1〇2 的電壓（和/或電池單元l〇2_：l-l〇2_n中每個電池單元的電壓）以及一充電電流，並且控制由PDM脈衝產生器14〇所產生的多個PDM脈衝142的脈衝密度DP。電荷泵15〇接收多個 PDM脈衝142並產生一用於控制充電開關13〇導通之驅動信號152。因此，可以根據PDM脈衝142的脈衝密度队來控制充電開關130的導通。也就是說’可以透過控制多個簡脈衝142的脈衝密度dp來調整流經充電開關13〇的充電電流。如圖1A所示’充電開關13〇包括一閘極㈣、一源極 130S和一沒極130D。在一實施例中，流經充電開關副的充電電流等於充電開關⑽的__源極電流&。根據充電開關13G (例如一種n通道金屬氧化物半導體場效電晶扪 15 20 在主祕（雜區）的雜，在—個_職源極電流增量ΔΙμ可以表示為： @ ?:2Kx(【Vt)，s+k，s、2Kx^)w · . ·⑴ 其中’ VT表示充電開關130的臨界電壓，AVcs 開關130關極-源極電壓在時間週期τ ”開關m在時間週期_平 “ ==。製程相關的參數。由方程式(=5 時間週d T内的&極-源極電流增

内的問極-源極電壓增量正比树間週期T 電開關130的閘極-源極電壓來調整充制充中，輕接於充電開關130的電則你",L。在一實施例減少充電《 130的閘極_源極賴^為—低通渡波器以 0425-TW-CH Spec+Claitn(filed-20081008) 9 25 1356560 之150的特性，在時間週期T内，充電開關130 增量Δνι可心下财程式給出： 1 * * ·⑵ 荷幻5G在時間週期了内所接收到之酬脈衝142健，C15。表示電概⑽⑽錄電 Γ==Γ1 容值’Vrc表示電荷幻5G之輸人電壓，^ :Ϊ= 閘極13〇G上的間電容的電容值1表 Γ，效係數(在—實施例中，對於單級電何泵，？7=1，對於多級電荷泵，〇< 0 0 )。極13ό(^Γηη7拉電阻124㈣於充電« 130的闊極130G與源極聰之間。因此，在時間 15 av2 = 上）一源極道。那麼，在時間週期τ内就會有-電壓減可由以下式子給出：1鳥上 .^·*·(3) ° I30g ci3〇g C] 其中’一表示在時間週期T内閘總量，私24表示下拉電阻124的電阻值。您冤何減^ 20 因此，在時間週期Τ内，閘極i寫上的閘極電壓總增罝等於ΔΜ—實施例中，在時間週期7内，充電開關 130的閘極-源極電壓總增量^等於充電開關⑽在 130G上的閘極電壓總增量。因此，在時間週期了内，關130之閘極-源極電壓總增量可由下列方程式得出开 25 △7〇s = △厂1 — △[ R'

Cy 124 30容 • (4) 0425-TW-CH Spec+Claim(filed-20081008) 10 1356560 間週:===Γ脈衝個數一時

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•20 25 △Vcs,奇巧 C、 '3〇g • · · (5) 因此，在時間週期T内，充電開關13〇的問極〜源壓總增量△ VGS正比於pDM脈衝14 2在時間週期τ内的脈衝= 度DP。如前所述，在時間週期τ内充電電流增量正比^在時間週期τ内之閘極-源極電壓增量。因此，在時間週期τ 内，充電開關130之充電電流增量正比於PDM脈衝142在時間週期T内的脈衝密度DP。 * 有利的是，充電電流可透過控制PDM脈衝142的脈衝密度DP來調整。更具體地說，充電電流可隨著pDM脈衝142的脈衝你度Dp增加而增加’而隨著pdm脈衝142的脈衝密度 Dp減小而減小。在一實施例中，控制器120可啟能一用以產生多個具有一固定頻率時脈（時脈訊號）144之振盪器180。那麼，時脈144的脈衝密度是固定的。在一實施例中，電荷泵15〇接收時脈144，並產生一可完全導通充電開關13〇之驅動信號 152。被控制器120致能之的振盪器180也可產生多個時脈 146去控制一電荷泵16〇。在一實施例中，電荷泵16〇用以接收多個時脈146，並產生用於控制放電開關132的驅動信號 162。圖1B所示為本發明一實施例之電池充電系統100，的方 0425-TW-CH Spec+CIaim(filed-2〇〇81008) Π 1356560 =圖。棚1B與圖1A中標記相同的树具有相似的功能，為了 _域，在歸顿這些元件騎詳細描述。 5 如圖1B所示之例，控制器12〇包括類比/數位轉換器 (A/D轉換器）172、174以及-處理器178。在—實施例中， A/D轉㈣172在每個職（_職τ)邮控電池單元 102一 1-102_η的電池單元電壓。更具體地說，A/D轉換器172 ^每個週期内，透過-多工器⑽接收—用來指示多個電池單元102_1-102』+每個f池單元電麗之電壓監控信號。在一實施例中，A/D轉換器174在每個週期（時間週期τ)内監控充電電流。更具體地說，A/D轉換器174在每個週期内，透過一感測電阻182接收一用來指示充電電流之電流監控 L號。在一實施例中，處理器178 (例如，一微處理器）接收來自A/D轉換器172和174的監控信號，並在每個週期（時間週期Τ)内調整PDM脈衝142的脈衝密度。 15 有利的是’控制器120監控電池組1〇2的充電電流以及多個電池單元102一1-102_η中每個電池單元電壓，並控制電池組102的充電電流。在一實施例中，處理器178在預充電時致能PDM脈衝產生器140，並控制PDM脈衝142的脈衝密度Dp’進而使一預充電電流至電池組1〇2。 20 其中，預充電流可在電池組102之電池電壓小於一預設臨界電壓VPre時’或者在任何一電池單元電壓小於一預設臨界電壓Vpre時被致能。當充電開關130工作在主動區時，充電開關130係被驅動信號152線性控制。有利的是，當充電電流大於一第一預設臨界值1!時，處理器178減少脈衝密度Dp。當充電電流小於一第二預設臨界值時h，處理器178增加脈 0425-TW-CH Spec+Claim(filed-20081008) 12 25 ，密度DP (其中’ l2<Ii)。因此，在—實施例中，當電池電壓較低或為零時，電池充電系統100，可對電池組102進行預充電。

在一實施例中，處理器178在正常充電模式下除能pDM 脈衝產生H 140，且致能撼||⑽，進而使正常充電電流

Inor流至電池組丨〇2。其中，正常充電模式在多個電池單元 l〇2_l-l〇2_n中所有電池單元電壓均大於預設臨界電壓 =被致能。在—實施例中，正常充電電流1咖大於預充電電流Ure。在正常充電模式下，充電開關130處於完全導通狀態。在另一種情況下，處理器Π8也可在正常充電模式下致月b PDM脈衝產生器14〇以取代振盥器18〇，並控制脈衝Μ〗的脈衝密度Dp。更具體地說’處理器178增加PDM脈衝142 的脈衝密度DP，使驅動信號152的電壓足夠大來完全導通充電開關130。因此可提供一正常充電電流Inor至電池組1〇2。在一實施例中，控制器12〇也可執行電池保護功能，其中包括過f壓保護、過電流保護、低電雜護以及過熱保護，但不以此為限。圖2所示為根據本發明一實施例之電池組充電流程 200。以下將結合圖1A和圖1β對圖2進行描述。在步驟202中，插入充電器110使電池組1〇2與充電器 110輕接。在步驟2Q4中，電池充電系統監控每個電池單元 102一l-l〇2_n的電池單元電壓Vcell。更具體地說，A/D轉換器 \72將指示每個電池單元1〇2—M〇2-n之電池電壓的電壓監控信雜換為-數健號，紐將贈換後之數位信號 0425-TW-CH Spec+Claim(fiIed-20081008) 13 1356560 發送至處理器178。在步驟206中，每個電池單元1〇2」_1〇2』之電電，u與-預設臨界電壓Vpre進行比較。如果任何;_個= 池早7L電壓Vcell小於預設臨界值電壓Vpre，流程圖2〇〇行至步驟210執行預充電。反之，如果任何—個電池單元壓VceU大於預設臨界值電壓^，流程圖2〇〇將進行至 208以執行正常充電，對正常充電模式的描述已經 ^ 到，在此將不重複描述。

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.20 在預充電過程中，PDM脈衝產生器14〇係由控制器12〇致能，且振盪器180被除能。電池組1〇2係由一定功率充電 (亦即，對電池組102充電的功率為一定值），或者由一定電流充電（亦即，對電池、组102《電的電流為一定值）。= 一實施例中，在充電前使用者可在這兩種充電模式（定功率充電模式和定電流充電模式）中進行選擇。在步驟21〇中，如果選擇了定功率充電模式，流程200將轉到步驟212執行一定功率充電模式。在步驟212中，流至電池組1〇2的預充電電流Ipre可由以下列方程式給出： * * * (6) pfe cell _min 其中，Ppre是對電池組進行充電的預設定功率值，使用者可在充電之則進行設定，vcell nin表示多個電池單元 102—1-102一η電壓中的最低電壓值。返回到步驟210中，如果沒有選擇定功率充電模式，流程200將轉到步驟214中執行定電流充電模式。在步驟214 中，流至電池組102的預充電電流Ipre可由以下列方程式給出：、。 0425-TW-CH Spec+Claim(filed-20081008) 14 25

Ipre = Ipre_set · · · (7) 其中，IPre_set是一預設定電流值，使用者可在充電之前進行設定。在步驟216中，透過感應電阻182所監控到的充電電流 Isen與一第一預設臨界值h和一第二預設臨界值丨2比較。更具體地說，處理器178接收一指示流經感應電阻ι82之充電電流的電流監控信號，並比較電流監控信號與第一預設臨界值Ιι和第二預設臨界值丨2。在一實施例中，第一預設臨界值 Ιι和第二預設臨界值h可分別由下列方程式給出：

Ldpre+Lys，^dpre-Ihys * * * (8) 其中，Ihys表示一磁滯值，用於減少充電電流的振盪。在步驟216中，如果被監控到的充電電流Len大於第二預設臨界值I2並且小於第一預設臨界值h (lKIsen<Ii)，流程200將轉到步驟222中。在步驟222中，脈衝密度Dp保持不變。更具體地說，處理器178保持PDM脈衝產生器140所產生之PDM脈衝142的脈衝密度dp不變，以保持充電電流不變。反之，如果被監控到的充電電流Isen大於第一預設臨界值Ii(Isen>L·)，流程200將轉到步驟220中。在步驟220中，脈衝密度DP被減少。更具體地說，處理器178可減少PDM脈衝產生器140所產生的pdm脈衝142的脈衝密度DP，以減少充電電流。如果被監控到的充電電流Isen小於第二預設臨界值l2 (Isen<I2) ’流程200將轉到步驟218中。在步驟218中，脈衝密度DP被增加。更具體地說，處理器ι78可增加pDM脈衝 0425-TW-CH Spec+Claim(filed-20081008) 15 1356560 5

10 Ϊ ^⑽所產生的酬脈衝142的脈衝密度A，以增加充過調整™脈衝142的脈衝密度^，充電 H控制在-預設範圍心更具體控制在小於第一預机酢只佶T rT_T >64€/，uJm 設臨界值i2(w T hys)並且大於第二預 (—Pre-Ihys)的靶圍内。在一實施例中，磁滯值 Ihys係用以減少充電電流的振盪。。在步驟224 t，若一個週期（時間週期τ)已結束，流私200則返回至步驟2〇4。前面已經對步驟以及其後面的步驟進行了詳細财，在麟不難重複贿。反之，步 15

驟224將持續持續特直至週期結束。因此，處理器178在每個週期（時間週期Τ)内調整脈衝密度队。圖3所示為根據本發明一實施例之電池充電系統之運作流程300。以下將結合圖1A和圖1B對圖3進行描述。在步驟302中，電池充電系統透過一脈衝產生器14〇(例如，一 PDM脈衝產生器）產生多個脈衝M2。在步驟304中，電池充電糸統監控一流至電池組1 〇2的充電電流。電池充電系統也可監控電池組102的總電壓和/或監控電池組1〇2内電池單元102_l-102_n中每個電池單元各自的電壓。 '20 在步驟306中，電池充電系統控制多個脈衝142的脈衝密度DP。更具體地說’當充電電流大於一第一預設臨界值I, 時，電池充電系統降低脈衝密度DP。當充電電流小於一第二預設臨界值時h，電池充電系統增加脈衝密度DP (其中， l2<Il )。 25 在步驟308中，電池充電系統根據脈衝密度Dp控制一充 0425-TW-CH Spec+Claim(filed-20081008) 16 電開關130的導通。因此，如步驟310中描述，根據多個脈衝142之脈衝密度DP調整流經充電開關13〇的充電電流。有利的是’充電電流可被控制在小於第-預設臨界值^並且大於第二預設臨界值12的範圍内。因此，本發明提供了-種電池充電系統。在一實施例中’電池充電系統透過控制多個脈衝的脈衝密度來調整一充電H有_是’在4_中’ —N通道金屬氧化物場效電晶體可被用作為一充電開關，以節省成本並減少功率損耗。除此之外，電池充電系統可在電池電壓過低或為零伏的情況下對電池進行充電。上文具體實施模式和附圖僅為本發明之常用實施例。顯然，在不脫離後附申請專利範圍所界定的本發明精神和保護範圍的前提下可以有各種增補、修改和替^。於本技術領域具有通常知識者應該理解，本發明在實際應用中可根據具體的環境和工作要求在不背離發明準則的前提下在形式、架構、佈局、比例、材料、元素、組件及其他方面有所變化。因此，在此披露之實施例僅用於說明而非限制，本發明之範圍由後附申請專利範圍及其合法等效物界定，而不限於此前之描述。【圖式簡單說明】以下結合附圖和具體實施例對本發明的技術方案進行詳細的描述，以使本發明的特徵和優點更為明顯。其中：圖1A所示為本發明一實施例之電池充電系統方塊圖。圖1B所示為本發明一實施例之電池充電系統方塊圖。 0425-TW-CH Spec+Claim(filed-20081008) 17 1356560 圖2所示為本發明一實施例之電池組充電方法流程圖。圖3所示為本發明一實施例之電池充電系統之運作流程 . 圖。 5 【主要元件符號說明】 100 :電池充電系統 ' 100’ ：電池充電系統 102 :電池組 _ 1〇2_1〜102_N :電池單元 10 110 :充電器 120:控制器 124:下拉電阻 126 :電阻 130 :充電開關 15 130S :源極 130D :汲極 φ 130G :閘極 132 :放電開關 134 :本體二極體 -20 140 :脈衝產生器 142 :脈衝 144 :時脈 146 :時脈 150 :電荷泵 25 152 ·驅動信號 0425-TW-CH Spec+Claim(filed-20081008) 18 1356560 160 :電荷泵 162 :驅動信號 170 :充電電路 172 :類比/數位轉換器 5 174:類比/數位轉換器 178 :處理器 180 :振盪器 182 :感測電阻 190 :多工器 10 200 :流程 300 :流程 202〜224 :步驟 302〜310 :步驟 0425-TW-CH Spec+Claim(filed-20081008)

Claims

年月日修(更)正本 lOG-.-9-.-Ι-θ- 十、申請專利範圍： 1. 一種電池充電電路，包括：一脈衝產生器，產生多個脈衝以控制一充電開關；一耦接至該脈衝產生器之控制器，調整在一預設時間週期内的多個脈衝以根據該電池的一狀態控制該多個脈衝的一脈衝密度，其中，流經該充電開關之一充電電流係根據該脈衝密度而被線性地調整；以及一電荷泵，轉接至該脈衝產生器，接收該多個脈衝，並產生一控制該充電開關之驅動信號，其中，當該充電電流大於一第一預設臨界值時，該脈衝密度將被降低。 2. 如申請專利範圍第1項的電池充電電路，其中，該脈衝產生器包括一脈衝密度調變脈衝產生器。 3. 如申請專利範圍第1項的電池充電電路，其中，該控制器包括一處理器。 4. 如申請專利範圍第1項的電池充電電路，其中，該控制器監控該充電電流。 5. 如申請專利範圍第1項的電池充電電路，其中，該控制器監控由該充電電流充電之一電池組的一電池電壓。 6. 如申請專利範圍第1項的電池充電電路，其中，該控制器監控由該充電電流充電之多個電池單元中每一電池單元的一電池單元電塵。 7. 如申請專利範圍第1項的電池充電電路，其中，當該充電電流大於一第一預設臨界值時，該脈衝密度被降 5 9.

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20 25 低0 如甲Μ專利範圍第7項的電池充電電路， ί電=小於—第：預設臨界㈣，該脈衝密度^ 口，、，該第二預設臨界值小於該第一預設臨#&。如申請專利範圍第i項的電池充電電路預$界各值由電池組的一電池電壓小於；設电時。亥控制器控制該脈衝密度。 10·如申4專利範圍第i項的電池充f電路，，，電=充電的多個電池單元中-電池單元的:Ϊ ，早7L紐小於-_設臨界錢時該脈衝密度。徑制 11.如申請專利範項的電池充電電路，電開關包括- N通道金屬氧化物場效電晶體。“ 12‘ 一種對一電池組的充電方法，包括：調ϊί一預設時間週期内的多個脈衝以根據該電池的一狀恕控制該多個脈衝的一脈衝密度；根據該脈衝密度線性地調整一充電電流；根據該多個脈衝的該脈衝密度產生一驅動信號；根據該驅動信號控制一充電開關的導通；以及 =充電電流大於-第-預設臨界值時，降低該脈衝 13. 如申請專利範圍第12項的充電方法，進_ +勺產生該多個脈衝。 ’匕 14. 如申請專利範圍第12項的充電方法，進—牛勺監控該充電電流。 /匕 21 15 16 5 17 ι〇 18 15 20 25 19. 如申請專利範圍第12項的充電方法，進一步包括：監控s亥電池組的電壓。如申請專利範圍第12項的充電方法，進一步包括：田-亥充電電流大n預設臨界值時，降低該密度。如申請專利範圍第16項的充電方法，進一步包括： ^該充電電流小於-第二預設臨界_，增加該脈衝在度’其巾，該第二預設臨界值小於該第—預設臨界值0 一種充電電子設備，包括：一充電器，對一電池組充電； -柄接至該電池組和該充電器之充電電路，控制從該充電器流到該電池組的-充電電流，該充電電括：二脈衝產生器，產生多個脈衝以控制一耦接於該充電器及該電池組之間之一充電開關；一耦接至該脈衝產生器之控制器，調整在—預設時間週期内的多個脈衝以根據該電池的一狀態控制該多個脈衝的一脈衝密度，其中，根據該脈衝密度而線性地調整流經該充電開關的一充電電流；以及一耦接至該脈衝產生器之電荷泵，接收該多個脈衝，以及產生一控制該充電開關之驅動信號，其中，當該充電電流大於一第一預設臨界值時，該脈衝密度將被降低。如申請專利範圍第18項的充電電子設備，其中，當 1356560 該充電電流大於一第一預設臨界值時，該脈衝密度被降低。 20.如申請專利範圍第19項的充電電子設備，其中，當該充電電流小於一第二預設臨界值時，該脈衝密度被 5 增加，其中，該第二預設臨界值小於該第一預設臨界值0

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