TWI390818B - 改善充電器待機時之效率的裝置及方法，以及超低待機功率充電器 - Google Patents

改善充電器待機時之效率的裝置及方法，以及超低待機功率充電器 Download PDF

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Description

改善充電器待機時之效率的裝置及方法，以及超低待機功率充電器
本發明係有關一種充電器，特別是關於一種改善充電器待機時之效率的裝置及方法。
近年來，為了因應能源短缺與環保意識之高漲，電源供應器的節能省電功能越來越受到重視，其中，電源供應器待機時的功率消耗亦是相當重要的一環。如圖1所示，典型的充電器10具有兩支接腳VCC和IS供連接電池12，以及馳返式(flyback)電壓轉換器14用來對電池12充電。在電壓轉換器14中，變壓器Tx具有一次側線圈Lp連接在電力輸入端Vin及功率開關Qsw之間，以及二次側線圈Ls連接在二極體Do及接地端GND之間；電源控制器16從接腳GATE提供脈寬調變(PWM)信號Vgs切換功率開關Qsw，以控制變壓器Tx的電力傳遞。變壓器Tx還具有輔助線圈Laux連接在接地端GND及二極體Daux之間，供應電流Iaux對電容Cvdd充電，以提供電力給電源控制器16的電源接腳VDD。恆流恆壓控制器18監視接腳VCC的電壓及接腳IS的電流，利用光耦合器20產生回授信號FB給電源控制器16的接腳COMP。電流感測電阻Rcs串聯功率開關Qsw，感測一次側線圈Lp的電流，產生電流感測信號VCS給電源控制器16的電流感測接腳CS。電源控制器16根據回授信號FB及電流感測信號VCS調變功率開關Qsw的工作周期(duty)。
在充電器10對電池12充電的過程中，恆流恆壓控制器18利用光耦合器20控制馳返式電壓轉換器14，使充電器10操作在恆定電流充電模式或恆定電壓充電模式。恆定電流充電模式係以高於電池電壓Vb之電壓VCC維持固定電流IS對電池12充電。在此模式下，隨著充電時間的增加，電池12進行逆化學反應而儲存能量，電池電壓Vb逐漸上升。為能持續對電池12充電，充電器10保持電壓VCC高於電池電壓Vb。但是在電池12逐漸充電飽和的過程中，電池電壓Vb逐漸上升，若不進行有效的上限控制，電池電壓Vb過高將造成電池12永久的損壞。因此恆流恆壓控制器18便於電池電壓Vb達到預設值時，將充電器10切換到恆定電壓充電模式。恆定電壓充電模式係以高於電池電壓Vb的固定電壓VCC對電池12充電。在此模式下，電壓VCC與電池電壓Vb的差值逐漸減小，充電的速度會逐漸驅緩，最終電池電壓Vb逼近電壓VCC。當電池電壓Vb達到電壓VCC時，代表電池12已充電飽和，充電器10便進入待機模式。若在電池12尚未達到充電飽和以前便將電池12拔離充電器10，充電器10也會進入待機模式。在待機模式時，若提供電力給馳返式電壓轉換器14的電力輸入端Vin，則電壓轉換器14將持續運作，因而產生某些損失，例如切換損失、導通損失等，這會導致充電器10具有很大的待機功率消耗。
因此，一種在充電器待機時降低其功率消耗的裝置及方法，乃為所冀。
本發明的目的之一，在於提供一種降低充電器待機時之功率消耗的裝置及方法。
本發明的目的之一，在於提供一種在充電器待機時降低電壓轉換器之切換損失及導通損失的裝置及方法。
本發明的目的之一，在於提供一種改善充電器待機時之效率的裝置及方法。
本發明的目的之一，在於提供一種超低待機功率的充電器。
根據本發明，一種改善充電器待機時之效率的裝置包括電源監控電路連接該充電器的二接腳，從其偵測電壓及電流，據以產生控制信號。該控制信號在待機模式時關閉該充電器，以減少待機期間的功率消耗。
根據本發明，一種改善充電器待機時之效率的方法包括偵測該充電器二接腳的電壓及電流，根據該電壓及電流產生控制信號。該控制信號在待機模式時關閉該充電器，以減少待機期間的功率消耗。
根據本發明，一種超低待機功率充電器包括二接腳供連接電池，電壓轉換器用以提供電力對電池充電，以及電源監控電路連接該二接腳，根據從其偵測到的電壓及電流產生控制信號。該控制信號在待機模式時關閉該電壓轉換器，以減少待機期間的功率消耗。
圖2係根據本發明的實施例，充電器22和圖1的充電器10大致相同，具有兩支接腳VCC和IS供連接電池12，馳返式電壓轉換器24具有電源控制器26藉脈寬調變信號Vgs切換功率開關Qsw，以控制從其電力傳遞，恆流恆壓控制器18控制充電器22操作在恆定電流模式或恆定電壓模式，光耦合器20提供回授信號FB給電源控制器26的接腳COMP，電源控制器26根據回授信號FB與電流感測信號VCS調變功率開關Qsw的工作周期。不過，充電器22增加了電源監控電路28連接接腳VCC和IS，根據從其測得的電壓VCC及電流IS產生控制信號SIGN，以及光耦合器30將控制信號SIGN轉換成致能信號Sen給電源控制器26的接腳EN/DIS。
不論全新或電力已不足之電池，由於電池化學反應的關係，其仍殘存有一定的電壓。當電池12插入充電器22時，電壓轉換器24尚未運作，接腳VCC的電壓即為電池電壓Vb，電源監控電路28從接腳VCC偵測電池12殘存的電池電壓Vb，若電池電壓Vb低於第一臨界值VCC_L ，則判定電池12已損毀，充電器22將不對電池12充電。若電池電壓Vb介於第一臨界值VCC_L 及第二臨界值VCC_H 之間，電源監控電路28將會喚醒充電器22。在此狀況下，控制信號SIGN係低準位，因此在光耦合器30中沒有電流流過發光二極體D2，電晶體Q2為截止狀態，所以致能信號Sen為高準位，充電器22對電池12充電。
當充電器22在充電模式時，接腳VCC的電壓約等於電壓轉換器24的輸出電壓Vo，電源監控電路30根據接腳VCC的電壓及接腳IS的電流，保持控制信號SIGN為低準位，使電源控制器26持續切換功率開關Qsw。恆流恆壓控制器18仍然如習知技術一般，控制充電器22在恆定電流充電模式或恆定電壓充電模式操作。當電池12充電至額定電壓時，接腳VCC的電壓高於第二臨界值VCC_H ，且接腳IS的電流低於第三臨界值VIS_L ，電源監控電路28便關閉充電器22，使其進入待機模式。在此狀況下，控制信號SIGN係高準位，因此光耦合器30產生的致能信號Sen係低準位，使得電源控制器26失能，不再切換功率開關Qsw。在另一種狀況下，若充電器22對電池12充電達到一段預設時間，接腳VCC的電壓卻未達到第二臨界值VCC_H 或接腳IS的電流未低於第三臨界值VIS_L ，電源監控電路28也會拉高控制信號SIGN的準位，關閉電源控制器26，達到節能省電之目的，同時作為避免電池12充電過久過熱之保護。此功能只要在電源監控電路28中設置計時器即可達成。
若電池12拔離充電器22，電源監控電路28可立即偵測到接腳IS的電流低於第三臨界值VIS_L ，進而拉高控制信號SIGN的準位，以關閉電源控制器26，達到節能省電之目的。
在充電器22待機時，恆流恆壓控制器18透過電池12提供的電池電壓Vb待機，同時關閉其內部不必要之功能，使功率消耗達到最低。當電池12的電量被消耗到電池電壓Vb低於第四臨界值VCC_H_hys ，控制信號SIGN又變成低準位，因此再次啟動充電器22。在待機期間，由於電源控制器26關閉，功率開關Qsw不作動，因此切換損失和導通損失皆不發生，充電器22的效率提高了。
充電器22在待機模式時，電壓轉換器24被電源監控電路28關閉了，因此免除切換損失和導通損失，降低了功率消耗。
電源監控電路28也可與恆流恆壓控制器18整合於同一積體電路中。
圖3係圖2中的電源監控電路28的實施例。比較器32比較電壓VCC和第一臨界值VCC_L 而產生信號S1，遲滯比較器34比較電壓VCC和第二臨界值VCC_H 而產生信號S2，比較器36比較電流IS和第三臨界值VIS_L 而產生信號S3，邏輯電路38根據信號S1、S2和S3產生控制信號SIGN。在此實施例中，反相器40將信號S2反相成為信號S4，及閘42根據信號S1和S4產生信號S5，及閘44根據信號S2和S3產生信號S6，信號S5和S6分別提供給正反器46的設置輸入端S和重置輸入端R，正反器46的輸出Q為控制信號SIGN。若電壓VCC低於第一臨界值VCC_L ，則信號S1為低準位，控制信號SIGN將不會被觸發。當電壓VCC上升至高於第二臨界值VCC_H 時，信號S2轉為高準位，這會重置控制信號SIGN。在信號S2轉為高準位以後，由於磁滯比較器34的磁滯，在電壓VCC下降至低於第四臨界值VCC_H_hys ，信號S2才會轉為低準位，進而觸發控制信號SIGN。在充電期間，若電流IS下降至低於第三臨界值VIS_L ，信號S3將轉為高準位，因而重置控制信號SIGN。
圖4係電池充電流程的示意圖，其中波形48表示電壓VCC，波形50表示電流IS，波形62表示電池容量QC。在電池12插入充電器22時，電壓VCC等於電池電壓Vb，此電壓高於第一臨界值VCC_L ，代表電池12為正常，此電壓亦低於第二臨界值VCC_H ，因此在時間t1進入充電模式，電壓VCC快速上升，電流IS為固定值，電池容量QC線性地增加；直到時間t2，電壓VCC上升至第二臨界值VCC_H ，充電器22從恆定電流模式切換到恆定電壓模式，電壓VCC保持為固定值，電流IS逐漸下降，電池容量QC增加的速度趨緩；直到時間t3，電流IS下降至第三臨界值VIS_L ，充電器22進入待機模式，電流IS繼續下降；在待機模式期間，因為電池12提供電力支持恆流恆壓控制器18及電源監控電路28，因此被消耗部份電能，造成電池容量QC略為減少，電壓VCC也略為降低；在時間t4時，電壓VCC下降至第四臨界值VCC_H_hys ，充電器22又被啟動進入恆定電流模式；在時間t5，充電器22從恆定電流模式切換到恆定電壓模式。在待機模式期間，即時間t3到t4，不論電池12已經被充電飽和或被拔離充電器22，充電器22都會被關閉，只有恆流恆壓控制器18及電源監控電路28消耗很低的功率，因此充電器22的待機功率極低。
以上對於本發明之較佳實施例所作的敘述係為闡明之目的，而無意限定本發明精確地為所揭露的形式，基於以上的教導或從本發明的實施例學習而作修改或變化是可能的，實施例係為解說本發明的原理以及讓熟習該項技術者以各種實施例利用本發明在實際應用上而選擇及敘述，本發明的技術思想企圖由以下的申請專利範圍及其均等來決定。
10．．．充電器
12．．．電池
14．．．馳返式電壓轉換器
16．．．電源控制器
18．．．恆流恆壓控制器
20．．．光耦合器
22．．．充電器
24．．．馳返式電壓轉換器
26．．．電源控制器
28．．．電源監控電路
30．．．光耦合器
32．．．比較器
34．．．磁滯比較器
36．．．比較器
38．．．邏輯電路
40．．．反相器
42．．．及閘
44．．．或閘
46．．．正反器
48．．．電壓VCC的波形
50．．．電流IS的波形
52．．．電池容量QC的波形
圖1係習知的充電器；
圖2係根據本發明的充電器；
圖3係圖2中的電源監控電路的實施例；以及
圖4係根據本發明的電池充電流程的示意圖。
12．．．電池
18．．．恆流恆壓控制器
20．．．光耦合器
22．．．充電器
24．．．馳返式電壓轉換器
26．．．電源控制器
28．．．電源監控電路
30．．．光耦合器

Claims (16)

  1. 一種改善充電器待機時之效率的裝置，該充電器包含二接腳供連接電池，以及電壓轉換器藉電源控制器切換功率開關，該裝置包括：電源監控電路連接該二接腳，根據從其偵測到的電壓及電流產生控制信號；以及光耦合器連接該電源監控電路，將該控制信號轉換為致能信號給該電源控制器，以致能或關閉該電源控制器；其中，在該電壓介於第一臨界值及第二臨界值之間時，致能該電源控制器；在該電壓高於該第二臨界值且該電流低於第三臨界值時，關閉該電源控制器。
  2. 如請求項1之裝置，其中該電源監控電路在充電模式時致能該電源控制器，以及在待機模式時關閉該電源控制器。
  3. 如請求項1之裝置，其中該電源監控電路包括：第一比較器，比較該電壓及該第一臨界值而產生第一信號；磁滯比較器，比較該電壓及該第二臨界值而產生第二信號；第二比較器，比較該電流及該第三臨界值而產生第三信號；以及邏輯電路，連接該第一比較器、磁滯比較器及第二比較器，根據該第一、第二及第三信號決定該控制信號。
  4. 如請求項3之裝置，其中該邏輯電路包括：反相器連接該磁滯比較器，將該第二信號反相而產生第四信號；及閘連接該第一比較器及反相器，根據該第一及第四信號產生第 五信號；或閘連接該磁滯比較器及第二比較器，根據該第二及第三信號產生第六信號；以及正反器，具有設置輸入端接受該第五信號，重置輸入端接受該第六信號，以及輸出端產生該控制信號。
  5. 如請求項2之裝置，其中該電源監控電路在該充電模式維持達到一段預設時間，該電壓卻未達到該第二臨界值時，切換該控制信號以關閉該電源控制器。
  6. 如請求項2之裝置，其中該電源監控電路在該充電模式維持達到一段預設時間，該電流卻未低於該第三臨界值時，切換該控制信號以關閉該電源控制器。
  7. 一種改善充電器待機時之效率的方法，該充電器包含二接腳供連接電池，該方法包括：(A)從該二接腳偵測電壓及電流；(B)根據該電壓及電流產生控制信號；(C)在該電壓介於第一臨界值及第二臨界值之間時，藉該控制信號致能該充電器以進入充電模式；以及(D)在該電壓高於該第二臨界值且該電流低於第三臨界值時，藉該控制信號關閉該充電器以進入待機模式。
  8. 如請求項7之方法，其中該步驟B包括：比較該電壓及該第一臨界值而產生第一信號；磁滯地比較該電壓及該第二臨界值而產生第二信號； 比較該電流及該第三臨界值而產生第三信號；以及根據該第一、第二及第三信號決定該控制信號。
  9. 如請求項7之方法，其中該步驟B包括在該電壓於該待機模式下低於第四臨界值時，切換該控制信號以致能該充電器。
  10. 如請求項7之方法，其中該步驟B包括在該充電模式維持達到一段預設時間，該電壓卻未達到該第二臨界值時，切換該控制信號以關閉該充電器。
  11. 如請求項7之方法，其中該步驟B包括在該充電模式維持達到一段預設時間，該電流卻未低於該第三臨界值時，切換該控制信號以關閉該充電器。
  12. 一種超低待機功率充電器，包括：二接腳，供連接電池；電壓轉換器，用以提供電力對電池充電；以及電源監控電路連接該二接腳，根據從其偵測到的電壓及電流產生控制信號，以致能或關閉該電壓轉換器；其中，在該電壓介於第一臨界值及第二臨界值之間時，致能該電壓轉換器；在該電壓高於該第二臨界值且該電流低於第三臨界值時，關閉該電壓轉換器。
  13. 如請求項12之充電器，其中該電源監控電路在充電模式時致能該電壓轉換器，以及在待機模式時關閉該電壓轉換器。
  14. 如請求項12之充電器，更包括光耦合器連接該電源監控電路，將該控制信號轉換為致能信號給該電壓轉換器。
  15. 如請求項13之充電器，其中該電源監控電路在該充電模式維持達到一段預設時間，該電壓卻未達到該第二臨界值時，切換該控制信號以關閉該電壓轉換器。
  16. 如請求項13之充電器，其中該電源監控電路在該充電模式維持達到一段預設時間，該電流卻未低於該第三臨界值時，切換該控制信號以關閉該電壓轉換器。
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