TWI389418B - 電池充電電路、電池充電系統及其控制開關之方法 - Google Patents

電池充電電路、電池充電系統及其控制開關之方法 Download PDF

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Description

電池充電電路、電池充電系統及其控制開關之方法
本發明係關於一種電池系統，特別是一種具有功耗控制之電池充電電路、電池充電系統以及方法。
通常，傳統電池充電系統(例如，鋰電池充電系統)包含三個充電階段，分別是預充電階段、定電流充電階段和定電壓充電階段。圖1所示為傳統電池充電系統在這三個充電階段中的充電示意圖100。
在圖1中，充電示意圖100包括電池單元的充電電流曲線102和電池單元的電壓曲線104。在上述三個充電階段中，充電電流曲線102隨著電壓曲線104變化而變化。在預充電階段，採用如充電電流曲線102所示之一小預充電電流為電池單元充電，如電壓曲線104所示，電池單元電壓將隨之緩慢增長。當電池單元電壓達到電壓曲線104中所標示之定電流模式的電壓臨界值時，電池充電系統將進入定電流充電階段。在定電流充電階段，採用如充電電流曲線102所示之一定電流對電池單元進行充電，電池單元電壓將如電壓曲線104所示相應地隨之快速增長。當電池單元電壓達到電壓曲線104中所標示之定壓模式的電壓臨界值時，電池充電系統將進入定電壓充電階段。在定電壓充電階段中，採用如充電電流曲線102所示之一逐漸減小之充電電流對電池單元進行充電，以保持電池單元的電壓維持在定電壓模式的電壓臨界值。
在電池充電系統中，充電開關的功耗可以表示為ICC*(VIN-VBATT)，其中ICC代表定電流，而(VIN-VBATT)代表電源電壓(例如，一直流適配器之電壓或一通用序列埠之電壓)與電池單元電壓間的電壓差。在採用線性充電器的電池充電系統中，當電池單元電壓相對較低時，由於ICC*(VIN-VBATT)的值相對較大，因此，在定電流充電階段有可能出現過熱現象。過熱現象可能觸發電池充電系統的過熱保護機制，導致電池充電系統停止充電，直至溫度下降至合理值，再繼續充電。在某些情況下，電池充電系統可能在一相對較短之充電時間充電即導致系統過熱，進而停止充電。這將導致電池充電系統在充電和停止充電間頻繁切換，而降低電池充電系統的充電效率。
本發明提供了一種電池充電電路，包括：一開關，導通流經該開關的一電流；以及一第一放大器，耦接至該開關，並根據該開關的一功耗值調整該電流。
本發明還提供了一種控制一開關的方法，包括：導通流經該開關的一電流；以及利用一放大器根據該開關的一功耗值調整流經該開關的該電流。
本發明還提供了一種電池充電系統，包括：一充電開關，導通一充電電流至一電池；一第一放大器，耦接至該充電開關，若該電池的一電壓小於一預設臨界電壓值，則根據該充電開關的一功耗值調整該充電電流；以及一第二放大器，耦接該充電開關，若該電池的該電壓達到該預設 臨界電壓值，則根據該電池的該電壓調整該充電電流。
以下將對本發明的實施例給出詳細的說明。雖然本發明將結合實施例進行闡述，但應理解這並非意指將本發明限定於這些實施例。相反地，本發明意在涵蓋由後附申請專利範圍所界定的本發明精神和範圍內所定義的各種變化、修改和均等物。
此外，在以下對本發明的詳細描述中，為了提供針對本發明的完全的理解，提供了大量的具體細節。然而，於本技術領域中具有通常知識者將理解，沒有這些具體細節，本發明同樣可以實施。在另外的一些實例中，對於大家熟知的方法、程序、元件和電路未作詳細描述，以便於凸顯本發明之主旨。
圖2所示為根據本發明一實施例的具有功耗控制的電池充電系統200的示例性方塊圖。
在一實施例中，一第一參考電壓VSET被提供至一放大器(例如，一運算放大器202)的一非反相輸入端。並且，運算放大器202的反相輸入端和輸出端分別耦接至一電晶體206(例如，NMOS電晶體)的源極和閘極。此外，一電阻210耦接於NMOS電晶體206的源極和地之間。
由於運算放大器202的反相輸入電壓與其非反相輸入電壓相等，因此NMOS電晶體206的源極電壓等於第一參考電壓VSET。若忽略NMOS電晶體206的閘極電流以及運算放大器202的反相輸入電流，則一第一參考電流IREF1可由 方程式(1)表示之：I REF1=V SET /R 210---(1)
其中，R210代表電阻210的阻值。
此外，一第二參考電壓VSET’被提供至一放大器(例如，一運算放大器204)的非反相輸入端。在一實施例中，第二參考電壓VSET’與第一參考電壓VSET相等。運算放大器204的反相輸入端與輸出端分別耦接至一電晶體208(例如，NMOS電晶體)的源極和閘極。一電阻212耦接於NMOS電晶體208的源極和地之間。
類似的，運算放大器204的反相輸入電壓與其非反相輸入電壓相等，因此NMOS電晶體208的源極電壓與第二參考電壓VSET’相等。若忽略NMOS電晶體208的閘極電流和運算放大器204的反相輸入電流，第二參考電流IREF2可由方程式(2)表示之：I REF2=V SET '/R 212=V SET /R 212---(2)
其中，R212表示電阻212的阻值
在一實施例中，電池充電系統200還包括一由電晶體214和電晶體216(例如，PMOS電晶體)所構成的第一電流鏡。在一實施例中，PMOS電晶體214和PMOS電晶體216為彼此相同或互相匹配。第一電流鏡耦接於NMOS電晶體206和一電晶體218(例如，PNP電晶體)之間。PNP電晶體218的基極和集極皆耦接至地。電池充電系統200還包括一由電晶體220和電晶體222(例如，PMOS電晶體)所構成的第二電流鏡。在一實施例中，PMOS電晶體220和PMOS電晶體222為彼此相同或互相匹配。第二電流鏡耦接 於NMOS電晶體208和一電晶體224(例如，PNP電晶體)之間。由於PNP電晶體224的基極和PNP電晶體218的射極相連接，使得PNP電晶體224與PNP電晶體218串級連接(cascade)。PNP電晶體224的集極與地相連。
若忽略PNP電晶體218和PNP電晶體224的基極電流，流經PNP電晶體218的電流IREF1’與第一參考電流IREF1相等。因此，PNP電晶體218的射極-基極電壓VEB1可由方程式(3)表示之：V EB1=V T ＊ln(I REF1'/I S )=V T ＊ln(I REF1/I S )---(3)
其中，VT代表每一PNP電晶體(例如，PNP電晶體218和PNP電晶體224)在給定溫度下的熱電壓。IS代表每一PNP電晶體(例如，PNP電晶體218和PNP電晶體224)中的基極-射極二極體的反向飽和電流。
類似的，若忽略PNP電晶體224的基極電流，流經PNP電晶體224的電流IREF2’等於第二參考電流IREF2。因此，PNP電晶體224的射極-基極電壓VEB2可由方程式(4)表示之：V EB2=V T ＊ln(I REF2'/I S )=V T ＊ln(I REF2/I S )---(4)
由於PNP電晶體218的基極與地相連，且PNP電晶體224的基極與PNP電晶體218的射極相連，PNP電晶體224的射極電壓VA可由方程式(5)表示之：V A =V EB1+V EB2=V T ＊ln(I REF1/I S )+V T ＊ln(I REF2/I S ) =V T ＊ln(V SET 2/R 210))/R 212 ＊ I S 2))---(5)
在一實施例中，電池充電系統200還包括耦接至一充 電開關252(例如，一場效電晶體)之一充電電流感測器230(例如，PMOS電晶體)。在一實施例中，充電開關252可為一PMOS電晶體。充電開關252的閘極和源極分別與充電電流感測器230的閘極和源極相連。因此，充電開關252和充電電流感測器230具有相同的閘極-源極驅動電壓。在一實施例中，充電電流感測器230的尺寸為充電開關252的1/K。因此，如果忽略短通道調變效應，感應電流ISEN是充電電流ICHG的1/K。感應電流ISEN可由方程式(6)表示之：I SEN =I CHG /K---(6)
電池充電系統200還包括一放大器234，例如，一具有轉導增益之運算轉導放大器(Operational Transconductance Amplifier,OTA)。在一實施例中，運算轉導放大器234的轉導增益可以設定為1/R212。一輸入電壓被提供至運算轉導放大器234的非反相輸入端，且一電池單元258的電壓被提供至運算轉導放大器234的反相輸入端。輸入電壓與電池單元258之電壓之間之電壓差可被運算轉導放大器234轉換為一偏壓電流IDC偏壓電流。偏壓電流偏壓電流IDC可由方程式(7)表示之：I DC =(V IN -V BATT )＊ Gm=(V IN -V BATT )/R 212---(7)
其中，VIN代表輸入電壓。VBATT代表電池單元258的電壓。
在一實施例中，耦接至充電電流感測器230的電晶體232(例如，PNP電晶體)接收感應電流ISEN。PNP電晶體232的基極和集極與地相連。此外，耦接至運算轉導放大 器234的電晶體236(例如，PNP電晶體)接收偏壓電流IDC。由於PNP電晶體236的基極和PNP電晶體232的射極相連且PNP電晶體232的基極與地相連，使得PNP電晶體236與PNP電晶體232串級連接。
若忽略PNP電晶體232和PNP電晶體236的基極電流，流經PNP電晶體232的電流與感應電流ISEN相等。因此，PNP電晶體232的射極-基極電壓VEB3可由方程式(8)表示之：V EB3=V T ＊ln(I SEN /I S )---(8)
其中，VT代表每一PNP電晶體(例如，PNP電晶體218、224、232和236)在給定溫度下的熱電壓。IS代表每一PNP電晶體(例如，PNP電晶體218、224、232和236)中的基極-射極二極體的反向飽和電流。
類似的，若忽略PNP電晶體236的基極電流，流經PNP電晶體236的電流等於偏壓電流IDC。因此，PNP電晶體236的射極-基極電壓VEB4可由方程式(9)表示之：V EB4=V T ＊ln(I DC /I S )---(9)
由於PNP電晶體232的基極與地相連，且PNP電晶體236的基極與PNP電晶體232的射極相連，因此，PNP電晶體236的射極電壓VB可由方程式(10)表示之：V B =V EB3+V EB4=V T ＊ln(I DC /I S )+V T ＊ln(I SEN /I S )=V T ＊ln(I SET ＊ I DC /I S 2)=V T ＊ln((V IN -V BATT )＊ I CHG /(K ＊ R 212 ＊ I S 2))=V T ＊ln(P CHG )-V T ＊ln(K ＊ R 212 ＊ I S 2) (10)
其中，PCHG等於(V IN -V BATT )＊ I CHG ，且代表充電開關252的功耗。
在一實施例中，電池充電系統200包括一誤差放大器240(例如，運算放大器)將充電開關252的功耗PCHG維持在一預設功耗臨界值PSET。誤差放大器240的非反相輸入端與PNP電晶體236的射極相連，且誤差放大器240的反相輸入端與PNP電晶體224的射極相連。非反相輸入電壓VB與反相輸入電壓VA間的電壓差VDEF1可由方程式(11)表示之：V DEF1=V B -V A =V T ＊ln(P CHG )-V T ＊ln(K ＊ R 212 ＊ I S 2)-V T ＊ln((V SET 2/R 210)/(R 212 ＊ I S 2)) =V T ＊ln(P CHG )-V T ＊ln(K ＊ R 212 ＊ I S 2)-V T ＊ln((K ＊ V SET 2/R 210)/(K ＊ R 212 ＊ I S 2))=V T ＊ln(P CHG )-V T ＊ln(K ＊ R 212 ＊ I S 2)-V T ＊ln(K ＊ V SET 2/R 210)+V T ＊ln(K ＊ R 212 ＊ I S 2)=V T ＊ln(P CHG )-V T ＊ln(P SET )(11)
PSET與K*VSET 2/R210相等，代表電池充電系統200之預設功耗臨界值。在一實施例中，預設功耗臨界值PSET可透過調整電阻210之阻值編程。誤差放大器240可根據電壓差VDEF1產生一第一驅動電流IDRV1並透過一二極體242提供給充電開關252。
在一實施例中，電池充電系統200還包括一誤差放大器244(例如，運算放大器)使電池單元電壓VBATT維持在一預設臨界電壓值。此外，串聯耦接的一電阻248和一電阻250耦接於電池單元258的正極和負極之間。誤差放大器244的非反相輸入端耦接於電阻248和電阻250之間之一節點。因此，誤差大器244的非反相輸入端電壓VC可由方程式(12)表示之：V C =V BATT ＊ R 250/(R 248+R 250)---(12)
其中，R248代表電阻248的阻值。R250代表電阻250的阻值。此外，一參考電壓VREF誤差被提供至誤差放大器244的反相輸入端。在一實施例中，參考電壓VREF可由方程式(13)表示之：V REF =V PRE ＊ R 250/(R 248+R 250)---(13)
其中，VPRE代表預設臨界電壓值。
相應地，非反相輸入電壓VC與反相輸入電壓VREF間的電壓差VDEF2可由方程式(14)表示之：V DEF2=V C -V REF =(V BATT -V PRE )＊ R 250/(R 248+R 250)---(14)
其中，誤差放大器244可根據電壓差VDEF2產生一第二驅動電流IDRV2並透過一二極體246提供給至充電開關252。
此外，一電阻254耦接於充電開關252的閘極和源極之間。充電開關252的源極-閘極電壓近似等於電阻254上的電壓。一與電阻254串聯耦接的定電流源256提供一定電流ICC給電阻254。
當一充電器(圖中未示)插入電池充電系統200中時，如果電池單元258的電壓VBATT低於預設臨界電壓值，則根據方程式(14)，電壓差VDRE2將為負值。因此，由誤差放大器244所產生至充電開關252的第二驅動電流IDRV2非常小。因此，第二驅動電流IDRV2可被忽略。此外，二極體246可防止一反向電流流入誤差放大器244的輸出端。因此，充電開關252的驅動電流將不受誤差放大器244的影響。充電開關252主要受控於誤差放大器240所輸出的第一驅動電流IDRV1。因此，電池單元258進行充電時，充電開關252可定功耗控制。
在定功耗充電階段，如果充電開關252的功耗PCHG大於預設功耗臨界值PSET，則根據方程式(11)，電壓差VDEF1可為正值。因此，誤差放大器240所輸出的第一驅動電流IDRV1將增大。由於電流ICC為定值，根據方程式(15)，電阻254上的電壓降V254將減小。
V 254=(I CC -I DRV1)＊ R 254---(15)
其中，R254代表電阻254的電阻。因此，充電開關252的源極-閘極電壓將減小，進而降低充電電流ICHG和功耗PCHG。
如果充電開關252的功耗PCHG小於預設功耗臨界值PSET，則根據方程式(11)，電壓差VDEF1可為負值。因此，誤差放大器240所輸出的第一驅動電流IDRV1將減小。由於電流ICC為定值，則根據方程式(15)，電阻254上的電壓降V254將增大。因此，充電開關252的源極-閘極電壓將增大，進而增加充電電流ICHG和功耗PCHG。
因此，功耗PCHG即可維持在一近似定值。如此，在定功耗充電階段，電池充電系統200將不會出現過熱現象。
當電池單元電壓VBATT接近預設臨界電壓值時，則根據方程式(14)，電壓差VDEF2將接近零。因此，誤差放大器244所輸出的第二驅動電流IDRV2可逐步增加且不可被忽略。因此，電阻254上的電壓降V254可由方程式(16)表示之：V 254=(I CC -I DRV1-I DRV2)＊ R 254---(16)
如果第二驅動電流IDRV2持續增大，(16)壓降V254將減小。充電電流ICHG亦隨之降低。功耗PCHG將會降低，導致誤 差放大器240的非反相輸入電壓VB減小。因此，誤差放大器240所產生的第一驅動電流IDRV1可降低。由於當第一驅動電流IDRV1降低時第二驅動電流IDRV2隨之增大，電壓降V254將不會隨著第一驅動電流IDRV1的降低而減小。因此，當電池單元電壓VBATT接近預設臨界電壓值時，第一驅動電流IDRV1可逐漸減小。
當電池單元電壓VBATT等於或大於預設臨界電壓值時，誤差放大器240所輸出的第一驅動電流IDRV1將會非常小。因此可忽略第一驅動電流IDRV1。此外，二極體242可防止一反向電流流入誤差放大器240。接著，充電開關252主要受控於誤差放大器244所輸出的第二驅動電流IDRV2。因此，電池單元258將在定電壓控制下進行充電。如此，即可由定功耗控制模式平順轉換至定電壓控制模式。
在定電壓充電階段，如果電池單元電壓VBATT增大至預設臨界電壓值之上，則根據方程式(14)，電壓差VDEF2為負值。因此，誤差放大器244所產生的第二驅動電流IDRV2將增大。由於電流ICC為定值，則根據方程式(17)計算而得之電阻254上的壓降V254將減小。
V 254=(I CC -I DRV2)＊ R 254---(17)
因此，充電開關252的源極-閘極電壓將降低，因此充電電流ICHG也隨之降低。當充電電流ICHG減小時，電池單元電壓VBATT將增加的越來越慢。如此，電池單元電壓VBATT即可維持至近似預設臨界電壓值VPRE。
此外，當第一驅動電流IDRV1和第二驅動電流IDRV2都接近零時，電阻254上的壓降V254等於I CC ＊ R 254。由於每一充 電器的輸入電壓都是在一電壓範圍(例如，從4.5V到5.5V)內之一定值，則可將I CC ＊ R 254的值設為此範圍內的最大值，例如，5.5V。因此，充電開關252即可在相應範圍內調節。
有利的是，當電池單元電壓VBATT小於預設臨界電壓值時，電池充電系統200可實現充電開關252上定功耗控制。當電池單元電壓VBATT等於或大於預設臨界電壓值時，電池充電系統200可實現電池單元258的定電壓控制。如圖1所述，在定電流充電階段，如果電源(例如，一直流適配器之電壓或一通用序列埠之電壓)的輸入電壓與電池單元電壓間的電壓差相對較大，則傳統電池充電系統會有過熱疑慮。相較於傳統電池充電系統，在整個充電階段中，即使電源的輸入電壓與電池單元電壓VBATT間的電壓差相對較大，電池充電系統200也不會有過熱疑慮。並且，電池充電系統200還可對一過度放電之電池單元進行充電。當電池單元電壓VBATT相對較低時，充電電流也相對較小，以對電池單元258預充電。此外，當電池單元電壓VBATT升高時，充電電流也將同樣增大直到充電開關252的功耗PCHG達到預設功耗臨界值PSET。因此，電池的充電速度相對較快。
圖3所示為根據本發明一實施例具有功耗控制的電池充電系統300之示例性方塊圖。圖3中與圖2具有相同元件符號之元件具有相似的功能，為了簡明起見，在此不再贅述。圖3將結合圖2進行描述。
在圖3中，一耦接至NMOS電晶體206的電晶體(例如，NPN電晶體318)接收第一參考電流IREF1。此外，耦接 至NMOS電晶體208的電晶體(例如，NPN電晶體324)接收第二參考電流IREF2。NPN電晶體318的基極和集極與輸入電壓VIN相連。NPN電晶體324的基極與NPN電晶體318的射極相連。因此，NPN電晶體324與NPN電晶體318串級連接。NPN電晶體324的集極與輸入電壓VIN相連。
由於NPN電晶體318和NPN電晶體324的基極電流可被忽略，因此流經NPN電晶體318的電流等於第一參考電流IREF1。因此NPN電晶體318的基極-射極電壓VBE1即可由方程式(18)表示之：V BE1=V T ＊ln(I REF1/I S )---(18)
其中，VT代表電池充電系統300中每一NPN電晶體(例如，NPN電晶體318和NPN電晶體324)在給定溫度下的熱電壓。IS代表每一電晶體(例如，NPN電晶體318和NPN電晶體324)的基極-射極二極體的一反向飽和電流。
類似的，由於NPN電晶體324的基極電流可被忽略，因此流經NPN電晶體324的電流將等於第二參考電流IREF2。因此NPN電晶體324的基極-射極電壓VBE2即可由方程式(19)表示之：V BE2=V T ＊ln(I REF2/I S )---(19)
由於NPN電晶體318的基極與輸入電壓VIN相連，且NPN電晶體324的基極與NPN電晶體318的射極相連，NPN電晶體324的射極電壓VA即可由方程式(20)表示之：V A =V IN -(V BE1+V BE2)=V IN -(V T ＊ln(P SET )-V T ＊ln(K ＊ R 212 ＊ I S 2))---(20)
其中，PSET等於K ＊ V SET 2/R 210，代表電池充電系統300的預設功耗臨界值。在一實施例中，透過調節電阻R210的阻 值可編程預設功耗臨界值PSET。
在一實施例中，電池充電系統300包括一由電晶體314和316(例如，NMOS電晶體)所構成的第一電流鏡。在一實施例中，電晶體314和316為彼此相同或互相匹配的。第一電流鏡耦接於充電電流感測器230和電晶體332(例如，NPN電晶體)之間。NPN電晶體332的基極和集極與輸入電壓VIN相連。電池充電系統300還包括一由電晶體320和322(例如，NMOS電晶體)所構成的第二電流鏡。在一實施例中，電晶體314和316為彼此相同或互相匹配的。第二電流鏡耦接於運算轉導放大器234的輸出端和電晶體336(例如，NPN電晶體)之間。由於NPN電晶體336的基極與NPN電晶體332的射極相連，因此NPN電晶體336與NPN電晶體332串級連接。NPN電晶體336的集極與輸入電壓VIN相連。
由於NPN電晶體332和NPN電晶體336的基極電流可被忽略，因此流經NPN電晶體332的電流ISEN’等於流經NMOS電晶體314的感應電流ISEN。因此，NPN電晶體332的基極-射極電壓VBE3即可由方程式(21)表示之：V BE3=V T ＊ln(I SEN '/I S )=V T ＊ln(I SEN /I S )---(21)
其中，VT代表電池充電系統300中每一NPN電晶體(例如，NPN電晶體318、324、332和336)在給定溫度下的熱電壓。IS代表每一電晶體(例如，NPN電晶體318、324、332和336)中的基極-射極二極體的反向飽和電流。
類似的，由於NPN電晶體336的基極電流可被忽略，因此流經NPN電晶體336的電流IDC’等於流經NMOS電晶體 320的偏壓電流IDC。因此，NPN電晶體336的基極-射極電壓VBE4即可由方程式(22)表示之：V BE4=V T ＊ln(I DC '/I S )=V T ＊ln(I DC /I S )---(22)
由於NPN電晶體332的基極與輸入電壓VIN相連，且NPN電晶體336的基極與NPN電晶體332的射極相連，NPN電晶體326的射極電壓VB即可由方程式(23)表示之：V B =V IN -(V BE3+V BE4)=V IN -(V T ＊ln(P CHG )-V T ＊ln(K ＊ R 212 ＊ I S 2))---(23)
其中，PCHG等於(V IN -V BATT )＊ I CHG ，代表充電開關252的功耗。
在一實施例中，誤差放大器240的反相輸入端耦接至NPN電晶體324的射極。誤差放大器240的非反相輸入端耦接至NPN電晶體336的射極。因此，非反相輸入電壓VB與反相輸入電壓VA間的電壓差VDEF1可由方程式(24)表示之：V DEF1=V B -V A =V T ＊ln(P CHG )-V T ＊ln(P SET )---(24)
誤差放大器240可根據電壓差VDEF1產生第一驅動電流IDRV1並透過二極體242至充電開關252。
因此，電池充電系統300可應用圖2中電池充電系統200的處理方式，實現充電開關252的定功耗控制，和/或電池單元258的定電壓控制。
圖4所示為根據本發明一實施例的電池充電系統(例如，圖2所示電池充電系統200)在整個充電過程中的充電示意圖400。圖4將結合圖2進行描述。充電示意圖400包括充電開關252的功耗曲線402、電池單元258的充電電流曲線404和電池單元258的電壓曲線406。功耗曲線 402將隨著充電電流曲線404和電壓曲線406的變化而變化。
當一充電器插入電池充電系統200中時，如果電池單元258的電壓VBATT小於預設臨界電壓值VPRE，則據方程式(14)，電壓差VDEF2為負值。因此，誤差放大器244輸出至充電開關252的第二驅動電流IDRV2很小，進而可被忽略。因此，充電開關252主要受控於誤差放大器240所輸出的第一驅動電流IDRV1。因此，在電池單元258進行充電時，充電開關252可的定功耗控制。
在定功耗充電階段，當電池單元電壓VBATT較低時，充電電流ICHG相對較小以保持充電開關252的功耗PCHG等於預設功耗臨界值PSET。隨著電池單元電壓VBATT的增大，充電電流ICHG亦隨之增大進而保持充電開關252的功耗PCHG等於預設功耗臨界值PSET。
當電池單元電壓VBATT接近於圖4中所標示的預設臨界電壓值VPRE時，根據方程式(14)可知電壓差VDEF2接近零。因此，第二驅動電流IDRV2逐漸增大至不可被忽略。同時，誤差放大器240所產生的第一驅動電流IDRV1將逐漸減小。當電池單元258的電壓VBATT達到預設臨界電壓值VPRE時，第一驅動電流IDRV1減小直至相對小到可被忽略。因此，充電開關252主要受控於誤差放大器244所輸出的第二驅動電流IDRV2，此時電池單元258將在定電壓充電模式下進行充電。
在定電壓充電階段，充電電流ICHG逐漸減小至零。因此，電池單元電壓VBATT將增長的越來越慢。如此，電池單 元電壓VBATT可被保持近似預設臨界電壓值VPRE。同時，由於電池單元電壓VBATT近似定值，功耗PCHG將隨著充電電流ICHG的減小而減小。
圖5所示為根據本發明一實施例電池充電系統(例如，圖2所示電流充電系統200)的操作流程500。圖5將結合圖2進行描述。
在步驟502中，電池充電系統透過充電開關252產生一充電電流至一電池(例如，電池單元258)。在步驟504中，如果電池的電壓VBATT小於一預設臨界電壓值VPRE，則在步驟506中比較充電開關252的功耗PCHG與一預設功耗臨界值PSET。在步驟508中，根據比較結果調整流經充電開關252的充電電流ICHG，進而保持充電開關252的功耗PCHG恆定。
在一實施例中，根據比較結果可產生一驅動電流至充電開關252。如果充電開關252的功耗PCHG大於預設功耗臨界值PSET，則透過驅動電流即可降低充電電流ICHG。如果充電開關252的功耗PCHG小於預設功耗臨界值PSET，透過驅動電流即可增大充電電流ICHG。
如果在步驟504中，電池的電壓VBATT等於或大於預設臨界電壓值VPRE，則步驟510比較電池之電壓VBATT與預設臨界電壓值VPRE。在步驟512中，根據比較結果調整流經充電開關252的充電電流ICHG，進而控制電池的電壓VBATT(例如，保持電池之電壓VBATT近似或恆定)。
在一實施例中，根據比較結果可產生一驅動電流至充電開關252。如果電池之電壓VBATT大於預設臨界電壓值 VPRE，透過驅動電流即可降低充電電流ICHG。
圖6所示為根據本發明一實施例之在一電池充電系統中(例如，圖2所示電池充電系統200)比較充電開關的功耗與一預設功耗臨界值的方法流程600。圖6將結合圖5進行描述。
在步驟602中，一隨流經充電開關252的充電電流變化而變化之第一電流I1係根據方程式(25)產生：I 1=I CHG /K---(25)
其中，ICHG代表流經充電開關252的充電電流。K代表充電開關252與充電電流感測器230的相對尺寸比例參數。在一實施例中，第一電流I1可由充電電流感測器230(例如，一PMOS電晶體)產生。充電電流感測器230之源極和閘極分別連接至充電開關252的源極和閘極。由於充電電流感測器230的尺寸是充電開關252的1/K，因此，如果忽略其短通道調變效應，第一電流I1是充電電流ICHG的1/K。
在步驟604中，充電開關252上的電壓根據根據方程式(26)轉換為一第二電流I2：I 2=(V IN -V BATT )＊ Gm=(V IN -V BATT )/R 212---(26)
其中，Gm代表一轉換參數。在一實施例中，第二電流I2可由一耦接於充電開關252的源極和汲極間的放大器(例如，運算轉導放大器234)產生。運算轉導放大器234的轉導增益可被設定為轉換參數Gm的值。
在步驟606中，一電晶體(例如，PNP電晶體232)的射極和基極間之一第一電壓VEB1係根據第一電流I1透過 方程式(27)產生：V EB1=V T1 ＊ln(I 1/I S1)---(27)
其中，VT1代表PNP電晶體232在給定溫度下的熱電壓。IS1代表PNP電晶體232中的基極-射極二極體的一反向飽和電流。
在步驟608中，一電晶體(例如，PNP電晶體236)之射極和基極間之一第二電壓VEB2係根據第二電流I2透過方程式(28)產生：V EB2=V T2 ＊ln(I 2/I S2)---(28)
其中，VT2代表PNP電晶體236在給定溫度下的熱電壓。IS2代表PNP電晶體236中的基極-射極二極體的一反向飽和電流。VT2與VT1相等。IS2與IS1相等。
在步驟610中，一電晶體(例如，PNP電晶體218)之射極和基極間之一第三電壓VEB3係根據第一參考電流IREF1透過方程式(29)產生：V EB3=V T3 ＊ln(I REF1/I S3)---(29)
其中，VT3代表PNP電晶體218在給定溫度下的熱電壓。IS3代表PNP電晶體218中的基極-射極二極體的一反向飽和電流。VT3與VT1相等。IS3與IS1相等。
在步驟612中，一電晶體(例如，PNP電晶體224)之射極和基極間之一第四電壓VEB4係根據第二參考電流IREF2透過方程式(30)產生：V EB4=V T4 ＊ln(I REF2/I S4)---(30)
其中，VT4代表PNP電晶體224在給定溫度下的熱電壓。IS4代表PNP電晶體224中的基極-射極二極體的一反 向飽和電流。VT4與VT1相等。IS4與IS1相等。
接著，在步驟614中，根據方程式(31)計算電壓差VDIF。
V DIF =V EB1+V EB2-V EB3-V EB4=V T1 ＊ln(I 1 ＊ I S1)+V T2 ＊ln(I 2 ＊ I S2)-V T3 ＊ln(I REF1 ＊ I S3)-V T4 ＊ln(I REF2 ＊ I S4)=V T1 ＊(ln(I 1 ＊ I 2)-ln(I REF1 ＊ I REF2))=V T1 ＊(ln(I CHG ＊(V IN -V BATT ))-ln(I REF1 ＊ I REF2))=V T1 ＊(ln(P CHG )-ln(P SET ))---(31)
PCHG等於I CHG ＊(V IN -V BATT )，代表充電開關252的功耗。PSET等於I REF1 ＊ I REF2的，代表預設功耗臨界值。
在步驟616中，根據計算而得之電壓差VDIF即可比較充電開關252的功耗PCHG與預設功耗臨界值PSET。如果電壓差VDIF為正，則充電開關252的功耗PCHG大於預設功耗臨界值PSET。如果電壓差VDIF為負，則充電開關252的功耗PCHG小於預設功耗臨界值PSET。
綜上所述，本發明揭示了一種電池充電系統(例如，圖2和圖3中所示之電池充電系統200和300)。在一實施例中，電池充電系統包括一充電開關252，控制流經充電開關252的充電電流，以及一耦接至充電開關252的誤差放大器240。當電池之電壓小於一預設臨界電壓值，誤差放大器240可調整充電電流以保持充電開關252的功耗相對恆定。電池充電系統還包括一耦接至充電開關252的誤差放大器244。當電池之電壓等於或大於預設臨界電壓值，誤差放大器244可調整充電電流以保持電池之電壓相對恆定。此外，電池充電系統也可對多個電池進行充電。
如果電池之電壓小於預設臨界電壓值，在對電池單元 258進行充電的同時可控制充電開關252上的定功耗。誤差放大器240可比較充電開關252的功耗與預設功耗臨界值，並且根據比較結果產生一驅動電流至充電開關252。如果充電開關252的功耗大於預設功耗臨界值，即可透過驅動電流降低流經充電開關252的充電電流。如果充電開關252的功耗小於預設功耗臨界值，即可透過驅動電流增加流經充電開關252的充電電流。
如果電池之電壓等於或大於預設臨界電壓值，即可在定電壓控制模式下對電池單元258進行充電。誤差放大器244可比較電池之電壓與預設臨界電壓值，並根據比較結果產生一驅動電流至充電開關252。如果電池之電壓大於預設臨界電壓值，即可透過驅動電流降低流經充電開關252的充電電流。
有利的是，在電池充電系統200或300的整個充電過程中，即使電源的電壓與電池之電壓之間的電壓差較大，也不會出現過熱現象。並且，電池充電系統可對過度放電之電池充電。當電池之電壓很低時，充電電流也很低以對電池進行預充電。此外，當電池之電壓升高時，充電電流也將隨之升高直至充電開關的功耗達到預設功耗臨界值。因此系統的充電速度將加快。
上文具體實施方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、修改和替換。本技術領域中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、結構、佈局、比例、材料、元素、元件及其它方面有所變化。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均等物界定，而不限於此前之描述。
100‧‧‧充電示意圖
102‧‧‧充電電流曲線
104‧‧‧電壓曲線
200‧‧‧電池充電系統
202‧‧‧運算放大器
204‧‧‧運算放大器
206‧‧‧電晶體/NMOS電晶體
208‧‧‧電晶體/NMOS電晶體
210‧‧‧電阻
212‧‧‧電阻
214‧‧‧電晶體/PMOS電晶體
216‧‧‧電晶體/PMOS電晶體
218‧‧‧電晶體/PNP電晶體
220‧‧‧電晶體/PMOS電晶體
222‧‧‧電晶體/PMOS電晶體
224‧‧‧電晶體/PNP電晶體
230‧‧‧充電電流感測器
232‧‧‧電晶體/PNP電晶體
234‧‧‧放大器/運算轉導放大器
236‧‧‧電晶體/PNP電晶體
240‧‧‧誤差放大器
242‧‧‧二極體
244‧‧‧誤差放大器
246‧‧‧二極體
248‧‧‧電阻
250‧‧‧電阻
252‧‧‧充電開關
254‧‧‧電阻
256‧‧‧定電流源
258‧‧‧電池單元
300‧‧‧電池充電系統
314‧‧‧電晶體/NMOS電晶體
316‧‧‧電晶體/NMOS電晶體
318‧‧‧電晶體/NPN電晶體
320‧‧‧電晶體/NMOS電晶體
322‧‧‧電晶體/NMOS電晶體
324‧‧‧電晶體/NPN電晶體
332‧‧‧電晶體/NPN電晶體
336‧‧‧電晶體/NPN電晶體
400‧‧‧充電示意圖
402‧‧‧功耗曲線
404‧‧‧充電電流曲線
406‧‧‧電壓曲線
500‧‧‧流程
502~512‧‧‧步驟
600‧‧‧流程
602~616‧‧‧步驟
以下結合附圖和具體實施例對本發明的技術方法進行詳細的描述，以使本發明的特徵和優點更為明顯。其中：圖1所示為傳統電池充電系統的充電示意圖。
圖2所示為根據本發明一實施例的具有功耗控制的電池充電系統的示例性方塊圖。
圖3所示為根據本發明另一實施例具有功耗控制的電池充電系統的示例性方塊圖。
圖4所示為根據本發明一實施例的電池充電系統充電示意圖。
圖5所示為根據本發明一實施例電池充電系統的操作流程。
圖6所示為根據本發明另一實施例的電池充電系統的操作流程。
200‧‧‧電池充電系統
202‧‧‧運算放大器
204‧‧‧運算放大器
206‧‧‧電晶體/NMOS電晶體
208‧‧‧電晶體/NMOS電晶體
210‧‧‧電阻
212‧‧‧電阻
214‧‧‧電晶體/PMOS電晶體
216‧‧‧電晶體/PMOS電晶體
218‧‧‧電晶體/PNP電晶體
220‧‧‧電晶體/PMOS電晶體
222‧‧‧電晶體/PMOS電晶體
224‧‧‧電晶體/PNP電晶體
230‧‧‧充電電流感測器
232‧‧‧電晶體/PNP電晶體
234‧‧‧放大器/運算轉導放大器
236‧‧‧電晶體/PNP電晶體
240‧‧‧誤差放大器
242‧‧‧二極體
244‧‧‧誤差放大器
246‧‧‧二極體
248‧‧‧電阻
250‧‧‧電阻
252‧‧‧充電開關
254‧‧‧電阻
256‧‧‧定電流源
258‧‧‧電池單元

Claims (24)

  1. 一種電池充電電路，包括：一開關，導通流經一路徑的一電流，並且該路徑包括該開關；一第一放大器，耦接至該開關，並根據該路徑的一功耗值調整該電流，透過比較指示該功耗值的一檢測電壓與一預設值；以及一電路，耦接至該第一放大器，根據指示該電流流經該路徑的第一電流和指示該路徑上一電壓的第二電流產生該檢測電壓，其中，該電路包括：一第一電晶體，其中，該第一電流流經該第一電晶體；以及一第二電晶體，其中，該第二電流流經該第二電晶體，該第一電晶體的一基極-射極二極體耦接至該第二電晶體的一基極-射極二極體，且其中該檢測電壓由該第一電晶體的一基極-射極電壓和第二電晶體的一基極-射極電壓的一總和決定。
  2. 如申請專利範圍第1項的電池充電電路，其中，該第一放大器比較該檢測電壓與該預設值，並根據該比較的一結果產生一驅動電流至該開關。
  3. 如申請專利範圍第1項的電池充電電路，其中，該第一電晶體的該基極-射極電壓由流經該路徑的該電流決定，該第二電晶體的該基極-射極電壓由該 路徑上的該電壓決定，該總和由該功耗值決定。
  4. 如申請專利範圍第1項的電池充電電路，進一步包括：一二極體，耦接於該第一放大器和該開關之間，並防止從該開關流向該第一放大器的一反向電流。
  5. 如申請專利範圍第1項的電池充電電路，進一步包括：一電流源，耦接至該開關，並提供一驅動電流至該開關，以導通流經該路徑的該電流。
  6. 如申請專利範圍第1項的電池充電電路，進一步包括：一第三電晶體，耦接至該開關，並控制該第一電流，其中該第三電晶體的一驅動電壓對應該開關的一驅動電壓。
  7. 如申請專利範圍第1項的電池充電電路，進一步包括：一第二放大器，耦接至該開關，並轉換該路徑上的該電壓為該第二電流。
  8. 如申請專利範圍第1項的電池充電電路，其中，該第二電晶體的一基極與該第一電晶體的一射極相連接，且其中該第二電晶體的一射極電壓被輸入至該第一放大器。
  9. 一種控制一開關的方法，包括：導通流經一路徑的一電流，並且該路徑包括該開關；利用一放大器根據該路徑的一功耗值調整流經該開 關的該電流，透過比較指示該功耗值的一檢測電壓與一預設值；以及根據指示該電流流經該路徑的第一電流和指示該路徑上一電壓的第二電流產生該檢測電壓，其中，該產生過程包括：該第一電流流經該第一電晶體；以及該第二電流流經該第二電晶體，其中，二電晶體的一基極-射極二極體，且其中該檢測電壓由該第一電晶體的一基極-射極電壓和第二電晶體的一基極-射極電壓的一總和決定。
  10. 如申請專利範圍第9項的方法，進一步包括：根據該比較的一結果產生一驅動電流至該開關。
  11. 如申請專利範圍第9項的方法，進一步包括：利用流經該路徑的該電流控制該第一電晶體的該基極-射極電壓，利用該路徑上的該電壓控制該第二電晶體的該基極-射極電壓，根據該功耗值控制該總和。
  12. 如申請專利範圍第9項的方法，進一步包括：防止從該開關流向該放大器的一反向電流。
  13. 如申請專利範圍第9項的方法，進一步包括：控制耦接至該開關的一第三電晶體產生該第一電流，其中該第三電晶體的一驅動電壓對應該開關的一驅動電壓。
  14. 如申請專利範圍第9項的方法，進一步包括：轉換該路徑上的該電壓為該第二電流。
  15. 如申請專利範圍第9項的方法，其中，該第二電晶體的一基極與該第一電晶體的一射極相連接。
  16. 一種電池充電系統，包括：一充電開關，導通一流經一充電路徑的一充電電流至一電池；一第一放大器，耦接至該充電開關，若該電池的一電壓小於一預設臨界電壓值，則根據該充電路徑的一功耗值調整該充電電流，並透過比較指示該功耗值的一檢測電壓與一預設值調整該充電電流，其中，根據指示該充電電流的一第一電流和指示充電路徑上一電壓的一第二電流產生該檢測電壓，其中，該第一電流流經一第一電晶體，該第二電流流經一第二電晶體，其中，該第一電晶體的一基極-射極二極體耦接至該第二電晶體的一基極-射極二極體，且其中，該檢測電壓由該第一電晶體的一基極-射極電壓和第二電晶體的一基極-射極電壓的一總和決定；以及一第二放大器，耦接至該充電開關，若該電池的該電壓達到該預設臨界電壓值，則根據該電池的該電壓調整該充電電流。
  17. 如申請專利範圍第16項的電池充電系統，其中，該第一放大器比較該檢測電壓與該預設值，並根據該比較的一結果產生一驅動電流至該充電開關。
  18. 如申請專利範圍第16項的電池充電系統，其中，該第一電晶體的該基極-射極電壓由流經該充電路徑的該電流決定，該第二電晶體的該基極-射極電壓由該充電路徑上的該電壓決定，該總和由該功耗值決定。
  19. 如申請專利範圍第16項的電池充電系統，其中，該第二放大器比較該電池的該電壓與該預設臨界電壓值，並根據該比較的一結果產生一驅動電流至該充電開關。
  20. 如申請專利範圍第16項的電池充電系統，進一步包括：一二極體，耦接於該第一放大器和該充電開關之間，防止從該充電開關流向該第一放大器的一反向電流。
  21. 如申請專利範圍第16項的電池充電系統，進一步包括：一二極體，耦接於該第二放大器和該充電開關之間，防止從該充電開關流向該第二放大器的一反向電流。
  22. 如申請專利範圍第16項的電池充電系統，進一步包括：一第三電晶體，耦接至該充電開關，並控制該第一電流，其中該第三電晶體的一驅動電壓對應 該充電開關的一驅動電壓。
  23. 如申請專利範圍第16項的電池充電系統，進一步包括：一第三放大器，耦接至該充電開關，並轉換該充電路徑上的該電壓為該第二電流。
  24. 如申請專利範圍第16項的電池充電系統，其中，該第二電晶體的一基極連接至該第一電晶體的一射極，且其中該第二電晶體的一射極電壓被輸入至該第一放大器。
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