TWI387179B - 可增進操作穩定性的充電電路 - Google Patents

可增進操作穩定性的充電電路 Download PDF

Info

Publication number
TWI387179B
TWI387179B TW099104366A TW99104366A TWI387179B TW I387179 B TWI387179 B TW I387179B TW 099104366 A TW099104366 A TW 099104366A TW 99104366 A TW99104366 A TW 99104366A TW I387179 B TWI387179 B TW I387179B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
voltage
current
charging circuit
output
control
Prior art date
Application number
TW099104366A
Other languages
English (en)
Other versions
TW201128902A (en
Inventor
Kang Sheng
Zong Yu Wu
Original Assignee
Anpec Electronics Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Anpec Electronics Corp filed Critical Anpec Electronics Corp
Priority to TW099104366A priority Critical patent/TWI387179B/zh
Priority to US12/828,204 priority patent/US8248036B2/en
Publication of TW201128902A publication Critical patent/TW201128902A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI387179B publication Critical patent/TWI387179B/zh

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/007—Regulation of charging or discharging current or voltage
    • H02J7/00712—Regulation of charging or discharging current or voltage the cycle being controlled or terminated in response to electric parameters
    • H02J7/00714—Regulation of charging or discharging current or voltage the cycle being controlled or terminated in response to electric parameters in response to battery charging or discharging current
    • H02J7/00718—Regulation of charging or discharging current or voltage the cycle being controlled or terminated in response to electric parameters in response to battery charging or discharging current in response to charge current gradient

Description

可增進操作穩定性的充電電路
本發明係指一種可用來對可充電電池充電的充電電路，尤指一種可增進操作穩定性的充電電路。
可充電電池廣泛地應用於各種手持或移動式的電子裝置，例如手機、PDA、筆記型電腦…等等。由於可充電電池必須搭配與之匹配的充電器使用，因此充電器品質的好壞直接地影響電池充電時的安全、成本與效率。
一般來說，消費者最常使用的可充電電池為鋰電池。在正常情況下，鋰電池正負極兩端的電壓會在一特定的電壓區間內操作。也就是說，當鋰電池充滿電時，電池正負端的電壓降大約是4.2伏特左右。經正常使用，鋰電池中所儲存的電能將逐步消耗，電池正負端的電壓降會落到3.0伏特左右。此時，必須經由充電器對鋰電池充電，待鋰電池重新補充電能，才可繼續供電子裝置使用。因此，充電器的基本功能就是在充電過程中，對可充電電池輸送電能，使充電電池的電壓由大約3.0伏特，逐步提升到大約充滿電時的4.2伏特。值得一提的是，某些鋰電池正負端的電壓降會出現小於3.0伏特的情況，代表此鋰電池內部可能已經有所損傷，此時充電器必須先以很小的電流加以充電(一般稱此特殊處理方式為trickle mode)，直到確定可充電電池的電壓降可恢復到3.0伏特以上，才開始以較大電流對可充電電池充電。
在正常充電的情況下，也就是電池正負端的電壓落到3.0至4.2伏特的區間操作時，為增進充電過程的效率及安全性，當可充電電池的電量用盡或電壓較低時(電池電壓約3.0伏特)，充電器首先會以一種提供較大電流的方式對電池充電，以縮短充電時間。這種充電方式，一般被稱為固定電流(constant current、CC)模式。而當電池電壓接近滿電位時(電池電壓略小於4.2伏特)，充電器便會相應地調整其充電模式，並改用一種提供固定電壓(4.2伏特)的方式對電池充電，以增進其安全性，而這樣的充電方式，一般被稱為固定電壓(constant voltage、CV)模式。因此，在整個充電過程中，充電器可以依據可充電電池兩端的電壓，使用固定電流模式或固定電壓模式，使充電過程兼顧其效率及安全性。
請參考第1A圖，第1A圖為習知技術一固定電流充電電路10之架構示意圖。固定電流充電電路10包含有一誤差放大器(error amplifier)100、一小功率的電晶體102、一大功率的電晶體104以及一被置於晶片外部的電阻R_ext1。固定電流充電電路10可外接一可充電電池RCBAT1，並以固定電流(CC)模式對可充電電池RCBAT1充電。其中，使用者可經由調整外部電阻R_ext1的阻值，控制流經電晶體102的電流大小。其次，由於小功率的電晶體102及大功率的電晶體104的閘極電壓相同，且同為P型金氧半電晶體(PMOS)，兩者的差別在於電晶體104比電晶體102的W/L比(寬度/長度比)大了許多倍。因此，流經電晶體104的電流值相對於流經電晶體102的電流值呈一固定的倍數關係。也就是說，電晶體104可以導通比電晶體102大一固定倍數的電流，因此可以經由控制流經電晶體102的電流大小，於電晶體104複製一固定倍數的電流，使其能有效地對充電電池RCBAT1充電。
另外，請參考第1B圖，第1B圖為習知技術一固定電壓充電電路15之架構示意圖。固定電壓充電電路15包含有一誤差放大器150、一大功率的電晶體152、分壓電阻R1及R2。固定電壓充電電路15可以使輸出電壓固定在一特定電壓值，並以固定電壓(CV)模式對可充電電池RCBAT1進行充電。
如上所述，充電器可在固定電流(CC)及固定電壓(CV)兩種模式中選擇其一，以對充電電池進行充電。為簡化電路，其中的大功率電晶體104及152可以共用，在加入模式轉換的判斷機制後，電路10及電路15中便可以結合成為單一電路。一般習知技術的做法是，充電器將誤差放大器100及150兩者的輸出電壓相比較，選擇其中輸出電壓較高者，將此電壓施加於大功率電晶體的閘極，以控制大功率電晶體的導通，如此便可在固定電流(CC)及固定電壓(CV)兩種模式之中，選擇適當的模式進行充電。
然而，由於晶片外部有一與電阻R_ext1並聯的寄生電容C_para1。根據實驗結果，當電阻R_ext1的阻值較大時，容易使相關節點的電壓及輸出電流產生不穩定的振盪現象，使充電器無法正常使用。
因此，本發明的主要目的在於提供一種可用來增進操作穩定性的充電電路。
本發明所揭露之可增進操作穩定性的充電電路，係用來對一可充電電池充電，該充電電路包含有複數個分壓電阻，用來根據該可充電電池的正負端電壓差進行分壓，以產生一第一電壓；一第一參考電壓源，用來提供一第一參考電壓；一誤差放大器，用來根據該第一參考電壓及該第一電壓的電壓差，以產生一第二電壓；一第二參考電壓源，用來提供一第二參考電壓；一調變器，用來根據該第二參考電壓及該第二電壓的大小，以產生一控制電壓；一電壓轉電流控制單元，用來根據該控制電壓，以產生一控制電流；以及一電流鏡，用來根據該控制電流，產生一特定倍數於控制電流大小的輸出電流；其中，該輸出電流及一與之對應的輸出電壓可直接用來對該可充電電池進行充電。
請參考第2A圖，第2A圖為根據本發明實施例之一充電電路20之架構示意圖。充電電路20包含有分壓電阻R3及R4、一誤差放大器200、參考電壓CCREF及CVREF、一調變器220、一電壓轉電流控制單元204及一電流鏡(current mirror)206，充電電路20用來對一可充電電池RCBAT2進行充電。其中，分壓電阻R3及R4係用來根據可充電電池RCBAT2的正負端電壓差VOUT進行分壓，以產生一電壓CVFB。誤差放大器200根據參考電壓CVREF及電壓CVFB的電壓差，產生另一電壓CVEAO。其次，調變器220根據參考電壓CCREF及電壓CVEAO的大小，產生一控制電壓CCIN。電壓轉電流控制單元204根據控制電壓CCIN，產生一控制電流IIN。電流鏡206則根據控制電流IIN，產生一特定倍數於控制電流IIN大小的輸出電流IOUT。輸出電流IOUT或輸出電壓VOUT便可直接對可充電電池RCBAT2進行充電。同時，電壓轉電流控制單元204可連接一外接電阻R_ext2。在第2A圖中，充電電路20可以固定電流(CC)及固定電壓(CV)等模式操作。首先，於固定電流(CC)模式操作時，參考電壓CVREF大於電壓CVFB，代表充電電池RCBAT2的端電壓仍較低，誤差放大器200的輸出電壓CVEAO為一較大的正值。此時，調變器220比較參考電壓CCREF及電壓CVEAO的大小，產生一控制電壓CCIN，如果電壓CVEAO大於參考電壓CCREF，則使調變器220的輸出電壓CCIN的電壓位準係等於參考電壓CCREF的電壓位準。如此一來，充電電路20便可以一固定的控制電壓CCIN(亦等於參考電壓CCREF的電壓位準)，驅動電壓轉電流控制單元204，產生一固定的控制電流IIN，並經由電流鏡206，將控制電流IIN放大一特定倍數，成為輸出電流IOUT對可充電電池RCBAT2進行充電。
其次，於固定電壓(CV)模式中操作時，充電電池RCBAT2的端電壓已經相當接近充滿電能時的電壓位準，此時的參考電壓CVEAO逐漸小於參考電壓CCREF。此時，令調變器220的輸出電壓CCIN的電壓位準等於參考電壓CVEAO的電壓位準，並以此電壓位準驅動電壓轉電流控制單元204。此時控制電流IIN的電流位準將下降到近於或等於0安培，也同時使輸出電流IOUT的電流位準也下降到近於或等於0安培。此時，輸出電壓VOUT則可保持為一定值，並以此固定的輸出電壓VOUT繼續對可充電電池RCBAT2進行充電。
為進一步了解充電電路20的細部構成元件及操作原理，請參考第2B至2D圖，第2B圖為第2A圖中電壓轉電流控制單元204之電路構造示意圖。電壓轉電流控制單元204包含有一運算放大器250及一N型金氧半電晶體(NMOS)MN1。運算放大器250將控制電壓CCIN及電晶體MN1的源極電壓做為輸入，並將輸出連結到電晶體MN1的閘極，因此可使電晶體MN1的源極電壓大約等於控制電壓CCIN。同時，電晶體MN1的源極連接一外接電阻R_ext2，電阻R_ext2的阻值可用來決定控制電流IIN的大小。詳細來說，控制電流IIN的大小約等於控制電壓CCIN除以電阻R_ext2的阻值。在本發明中，使用者可選擇電阻R_ext2的阻值，以決定控制電流IIN的大小。
在充電電路20中，電壓轉電流控制單元204所包含之電路係為了構成一控制迴圈，其所包含之場效電晶體MN1屬於一種源極隨耦器(source follower)的電路型態。由於場效電晶體MN1的源極為一低阻抗節點，因此即使外部電阻R_ext2的阻值較大，此節點所對應的電阻值仍然較小，不會與寄生電容C_para2產生一低頻的極點。其次，關於運算放大器250輸出節點，由於其所對應的電容值及電阻值相對較大，因此成為控制迴圈的主極點。除此之外，為更加增進控制迴圈的穩定性，如第2C圖之一充電電路30所示，本發明可較佳地於運算放大器250的輸出節點添加一補償電容Cc，使運算放大器250輸出節點所對應的電容值增加，適當地調低此節點所對應的極點頻率，如此一來，可更增加控制迴圈的穩定性。簡言之，由於所有的非主極點(non-dominant poles)皆位於較高的頻率，並且遠高於此控制迴圈之單位增益頻率(unit gain frequency)，因此控制迴圈中僅存在一個位於低頻的主極點，電壓轉電流控制單元204得以非常穩定。因此，當使用者基於需要而使用大阻值的外部電阻R_ext2時，或是晶片與電路板之間的寄生電容C_para2較大時，仍不會發生不穩定的現象。
相反地，在習知技術中，當第1A圖中所示充電電路10之外部電阻R_ext1的阻值較大時，會造成固定電流充電電路10產生不穩定的振盪現象。究其不穩定的原因，可從兩方面來分析。首先，在電路10中，電晶體102及電晶體104共用一個閘極電壓，而電晶體104的閘極與源極之間有一電容相當大的寄生電容Cgs104，電容Cgs104因而能夠影響控制迴圈的操作及穩定性。同時，在同一節點，其電阻值大約等於誤差放大器100的輸出電阻Rout100。如此一來，此節點所對應的大電容Cgs104及大電阻Rout100決定了控制迴圈的主極點。其次，在電路10中，電晶體102的汲極與外部電阻R_ext1相連，而場效電晶體的汲極為高阻抗節點(high impedance node)，因此與大寄生電容C_para1於控制迴圈中產生了另一低頻的極點。根據控制理論，兩個低頻極點可使控制迴圈的相位餘裕(phase margin)降為零，若此時的增益大於1，系統便可能產生振盪的不穩定現象。
此外，在先前技術中，由於晶片外部有一與電阻R_ext1並聯的寄生電容C_para1，所以當電阻R_ext1的阻值較大時，容易使相關節點的電壓及輸出電流產生不穩定的振盪現象，使充電器無法正常使用。相較之下，本發明電流鏡206根據控制電流IIN，產生一特定倍數於控制電流IIN大小的輸出電流IOUT，此功能相當於習知技術中的電晶體102、104，用於複製產生一固定倍數的電流，但本發明的寄生電容並不會影響電壓轉電流控制單元204中控制迴圈的操作，具有更好的穩定性。
值得注意的是，調變器220亦可由兩個輸入端增加為兩個以上的輸入端。舉例來說，請參考第2D圖，第2D圖為第2A圖中調變器220之示意圖。如第2D圖所示，除原先參考電壓CCREF及電壓CVEAO的輸入端A、B外，充電電路20可於調變器220另加一輸入端C，用來在鋰電池正負端的電壓降會出現小於3.0伏特的異常情況發生時，以微電流加以充電(trickle mode)，直到可充電電池的電壓降回復到3.0伏特以上，才以較大電流(CC mode)充電。或是，於調變器220另加一輸入端D，做過熱保護(thermal protection)。
由上述可知，本發明使用以電壓訊號為基礎的控制迴圈，並加入執行電流調控的電路(電壓轉電流控制單元及電流鏡)，同時本發明利用一調變器來調變控制迴圈中的訊號，使電路能夠以固定電流(CC)、固定電壓(CV)或其他的模式操作。
總而言之，根據本發明所揭露的充電器架構，使用者可以自由地選擇外加電阻的阻值，以控制充電電流的大小，並保持充電器系統的穩定性，因而可明顯地增進充電過程的安全性與效率。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
10．．．固定電流充電電路
100、150、200．．．誤差放大器
102、104、152．．．電晶體
20．．．充電電路
220．．．調變器
204．．．電壓轉電流控制單元
206．．．電流鏡
R_ext1、R_ext2．．．外接電阻
RCBAT1、RCBAT2．．．可充電電池
C_para1、C_para2．．．寄生電容
R1、R2、R3、R4．．．分壓電阻
Vref1A、Vref1B、CCREF、CVREF．．．參考電壓
CVFB、CVEAO．．．電壓
CCIN．．．控制電壓
IIN．．．控制電流
IOUT．．．輸出電流
VOUT．．．輸出電壓
MN1．．．N型金氧半電晶體
Cc．．．補償電容
A、B、C、D．．．輸入端
第1A圖為習知技術一固定電流充電電路之架構示意圖。
第1B圖為習知技術一固定電壓充電電路之架構示意圖。
第2A圖為本發明實施例之一充電電路之架構示意圖。
第2B圖為第2A圖中電壓轉電流控制單元之電路構造示意圖。
第2C圖為本發明實施例之一充電電路之架構示意圖。
第2D圖為第2A圖中調變器之示意圖。
20．．．充電電路
200．．．誤差放大器
220．．．調變器
204．．．電壓轉電流控制單元
206．．．電流鏡
RCBAT2．．．可充電電池
R3、R4．．．分壓電阻
CCREF、CVREF．．．參考電壓
CVFB、CVEAO．．．電壓
CCIN．．．控制電壓
IIN．．．控制電流
IOUT．．．輸出電流
VOUT．．．輸出電壓
R_ext2．．．外接電阻

Claims (10)

  1. 一種可增進操作穩定性的充電電路，用來對一可充電電池充電，該充電電路包含有：複數個分壓電阻，用來根據該可充電電池的正負端電壓差進行分壓，以產生一第一電壓；一第一參考電壓源，用來提供一第一參考電壓；一誤差放大器，用來根據該第一參考電壓及該第一電壓的電壓差，以產生一第二電壓；一第二參考電壓源，用來提供一第二參考電壓；一調變器，用來根據該第二參考電壓及該第二電壓的大小，以產生一控制電壓；一電壓轉電流控制單元，用來根據該控制電壓，以產生一控制電流；以及一電流鏡，用來根據該控制電流，產生一特定倍數於控制電流大小的輸出電流；其中，該輸出電流及一與之對應的輸出電壓可直接用來對該可充電電池進行充電。
  2. 如請求項1所述之充電電路，其中該誤差放大器包含有一正輸入端、一負輸入端及一輸出端，其中該正輸入端用來接收該第一參考電壓，該負輸入端用來接收該第一電壓。
  3. 如請求項1所述之充電電路，其中該調變器係用來於該第二參考電壓大於該第二電壓時，以該第二電壓做為該控制電壓輸出，並於該第二參考電壓小於或等於該第二電壓時，以該第二參考電壓做為該控制電壓輸出。
  4. 如請求項1所述之充電電路，其中該電壓轉電流控制單元包含有：一運算放大器，包含有一第一輸入端，用來接收該控制電壓、一第二輸入端及一輸出端；以及一N型金氧半電晶體，包含有一閘極，耦接於該運算放大器之該輸出端、一源極，耦接於該運算放大器之該第二輸入端，以及一汲極，用來做為電流輸出端，輸出該控制電流。
  5. 如請求項4所述之充電電路，其中該電壓轉電流控制單元另包含有一補償電容，耦接於該運算放大器之該輸出端，用來調整該電壓轉電流控制單元所包含之控制迴圈的主極點頻率。
  6. 如請求項4所述之充電電路，其中該電壓轉電流控制單元所包含之運算放大器之該第一輸入端係為一正端，該第二輸入端係為一負端。
  7. 如請求項4所述之充電電路，其中該N型金氧半電晶體的汲極耦接於一外接電阻，用來設定充電電流的大小。
  8. 如請求項1所述之充電電路，其中該電流鏡包含有一第一金氧半電晶體及一第二金氧半電晶體，其中該第一金氧半電晶體的晶片寬度/長度比(W/L Ratio)係以一特定倍數大於該第二金氧半電晶體的寬度/長度比。
  9. 如請求項1所述之充電電路，其中該第一參考電壓係對應於該可充電電池電能滿載時的正負端電壓差。
  10. 如請求項1所述之充電電路，其中該第二參考電壓係對應於該充電電路於固定電流(CC)模式操作時，充電電流的大小。
TW099104366A 2010-02-11 2010-02-11 可增進操作穩定性的充電電路 TWI387179B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW099104366A TWI387179B (zh) 2010-02-11 2010-02-11 可增進操作穩定性的充電電路
US12/828,204 US8248036B2 (en) 2010-02-11 2010-06-30 Battery charging circuit for improving operating stability

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW099104366A TWI387179B (zh) 2010-02-11 2010-02-11 可增進操作穩定性的充電電路

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201128902A TW201128902A (en) 2011-08-16
TWI387179B true TWI387179B (zh) 2013-02-21

Family

ID=44353182

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW099104366A TWI387179B (zh) 2010-02-11 2010-02-11 可增進操作穩定性的充電電路

Country Status (2)

Country Link
US (1) US8248036B2 (zh)
TW (1) TWI387179B (zh)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101543668B1 (ko) * 2009-01-07 2015-08-12 삼성전자주식회사 스무드 충전 변경 방식을 갖는 부하 충전 회로
EP2487773A1 (en) * 2011-02-10 2012-08-15 ST-Ericsson SA Method and electrical interface circuit enabling multiplexing
JP5715107B2 (ja) * 2012-10-29 2015-05-07 富士通テン株式会社 制御システム
US10098383B2 (en) * 2013-08-15 2018-10-16 Fontem Holdings 4 B.V. Method, system and device for switchless detection and charging
CN104734265B (zh) * 2013-12-24 2017-11-03 华硕电脑股份有限公司 电池的充电电路及电池的充电方法
TWI692173B (zh) * 2018-04-09 2020-04-21 茂達電子股份有限公司 非窄電壓直流充電器及其控制方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5371666A (en) * 1992-12-04 1994-12-06 Square D Company Average current mode control apparatus for an AC output amplifier
US5869948A (en) * 1997-05-05 1999-02-09 Hughes Electronics Corporation Unidirectional battery charge/discharge controller for a regulated electrical bus system with a solar current source

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007014399B4 (de) * 2007-03-26 2012-06-06 Texas Instruments Deutschland Gmbh Regelschleife mit zwei Betriebsarten für getakteten Stromwandler

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5371666A (en) * 1992-12-04 1994-12-06 Square D Company Average current mode control apparatus for an AC output amplifier
US5869948A (en) * 1997-05-05 1999-02-09 Hughes Electronics Corporation Unidirectional battery charge/discharge controller for a regulated electrical bus system with a solar current source

Also Published As

Publication number Publication date
US8248036B2 (en) 2012-08-21
US20110193531A1 (en) 2011-08-11
TW201128902A (en) 2011-08-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Chen et al. Accurate, compact, and power-efficient Li-ion battery charger circuit
JP4311687B2 (ja) 電源回路およびバッテリ装置
TWI387179B (zh) 可增進操作穩定性的充電電路
US10862316B2 (en) Balanced charge and discharge control for asymmetric dual battery system
KR102395603B1 (ko) 오버슛과 언더슛을 억제할 수 있는 전압 레귤레이터와 이를 포함하는 장치들
US8570013B2 (en) Power regulator for converting an input voltage to an output voltage
US9501075B2 (en) Low-dropout voltage regulator
US8018210B2 (en) Voltage converting circuit and method thereof
US9651958B2 (en) Circuit for regulating startup and operation voltage of an electronic device
JP2002330549A (ja) 充放電制御回路と充電式電源装置
US10727677B2 (en) Fast charging circuit
US8729877B2 (en) Fast startup algorithm for low noise power management
TWI470391B (zh) 穩流電路與其電子裝置
KR20030029443A (ko) 조정기 회로 및 그 제어 방법
CN112506260B (zh) 一种负载电流切换快速响应ldo电路
CN110888484A (zh) 一种低待机功耗高电源抑制比的线性稳压器
US20100231176A1 (en) Battery Charging System and Method
JP2013229969A (ja) 充電制御回路
CN106843348B (zh) 电压调节器和包括该电压调节器的移动设备
TWI787540B (zh) 電壓調節器及用於操作電壓調節器的方法
TWI396063B (zh) 無esr電阻補償之低壓降線性穩壓器
TWI738268B (zh) 定電流充電裝置
CN111030238B (zh) 一种锂电池的充电器的充电电路
CN113448370B (zh) 定电流充电装置
CN111200360B (zh) 一种基于锂电池soc应用的开关电容变换器系统