TWI390820B - Charging circuit - Google Patents

Description

充電電路

本發明是有關於一種充電電路，特別是有關於一快速充電及保護電池不過充之低功率充電電路。

目前，對於可重複充放電之電池的充電方法通常採用以下四種方法。此四種方法為定電流(Constant Current，CC)模式、定電壓(Constant Voltage，CV)模式、脈衝充電模式及定電流/定電壓模式。

採用定電流之充電方式可於短時間內將電池充飽，但於電池快要接近充飽時，充電效率會降低，且必須要設置過充保護機制保護電池，因此採用定電流模式的充電電路成本較高。

使用定電壓模式的充電電路則為根據電池的電壓與預設充電電壓的差值調整充電電流的大小，因此充電電流會隨著電壓差值變小而逐漸變小，不需要針對電池過充的問題設置保護機制，但於充電初期的較大電壓差值，可能會導致電池進入過度充電的情況，而造成電池的損壞。

而脈衝充電模式係將脈衝電流以週期性的方式對電池充電，在充電過程中提供充電休息時間，讓電池內部的電解液利用休息時間獲得化學反應的中和緩衝的時間，以使不同濃度的電解液進行平衡漂移，增進電解液反應的均勻性，進而改進電池使用壽命，但如何決定最加脈衝充電頻率，在目前仍無定論。

定電流/定電壓模式為在充電初期，以定電流對電池充電，等到電池的電壓達到設定電壓後，在以定電壓的方式對電池充電，且充電電流隨著電池電壓的增大而降低，等到充電電流減少至零的時候，則視為電池已經100%滿充。然此方式會因為充電末期必須等到充電電流為零，因此會拖長充電時間。

有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之目的就是在提供一種充電電路，以解決不能同時兼顧快速充電及保護電池的問題。

根據本發明之目的，提出一種充電電路，可整合於一晶片上，充電電路包含一充電單元、一開關單元、一偏壓單元、一分壓單元及一比較單元。充電單元連接於一電源輸入端與一負載之間，並由電源輸入端所提供之定電壓之電源輸入以輸出一定電流對負載充電。開關單元連接於電流控制單元與電源輸入端之間，使充電單元導通或截止。偏壓單元連接充電單元及開關單元，以提供一第一偏壓至充電單元。分壓單元之一端其一端連接負載及充電單元，並根據負載之電壓產生一第一訊號。比較單元連接至開關單元、偏壓單元及分壓單元，並接收偏壓單元所提供之一第二訊號及第一訊號，以比較第一訊號及第二訊號，並根據比較結果輸出一第二偏壓至開關單元使開關單元導通或關閉，以使充電單元對負載充電或停止充電。

其中，充電單元為一第一P型電晶體，開關單元係為一第二P型電晶體。

其中，停止充電所對應之該第二訊號電壓值大於充電完成後再次充電之該第二訊號電壓值。

其中，分壓單元僅包含串接之複數個P型電晶體及一N型電晶體，且各P型電晶體之汲極與閘極相互連接，由其中之一P型電晶體之汲極輸出第一訊號。

承上所述，依本發明之充電電路，其可具有一或多個下述優點：

(1)此充電電路可藉由比較單元控制充電電路是否繼續充電，藉此可提高負載的使用壽命。

(2)此充電電路可藉由第一P型電晶體以定電流的方式充電，藉此可加快充電速度。

請參閱第1圖，其係為本發明之充電電路之方塊圖。該圖中，充電電路1包含充電單元40、開關單元50、偏壓單元10、分壓單元20及比較單元30。充電單元40連接於電源輸入端VDD與負載60之間，並由電源輸入端VDD提供的定電壓對負載60以定電流的方式充電。開關單元50連接於充電單元40與電源輸入端VDD之間，使充電單元40導通或截止。此充電單元40與開關單元50較佳為P型電晶體。

偏壓單元10連接充電單元40與開關單元50，以提供第一偏壓V_bias1至充電單元40。分壓單元20的一端連接負載60及充電單元40，並根據負載60的電壓產生第一訊號V1。比較單元30連接至開關單元、偏壓單元及分壓單元，並接收偏壓單元所提供的第二訊號V2及第一訊號V1，以比較第一訊號V1的電壓值與第二訊號V2的電壓值，並根據比較結果輸出第二偏壓至開關單元50，使開關單元50導通或截止以使充電單元40對負載60充電或停止充電。

請參閱第2圖，其係為本發明之充電電路之較佳實施例之電路圖。該圖中，充電電路1包含一第一P型電晶體MP101、一第二P型電晶體MP102、一偏壓單元10、一分壓單元20及一比較單元30。

第一P型電晶體MP101的源極連接一電源輸入端VDD，以接收固定電壓之電源輸入，此固定電壓較佳為5伏特(Volt)附近之電壓，第一P型電晶體MP101的汲極連接一負載60，以定電流的方式對負載60充電，此負載60較佳為鋰電池。

第二P型電晶體MP102的源極與汲極分別連接電源輸入端VDD與第一P型電晶體MP101的閘極。

偏壓單元10提供一第一偏壓V_bias1至第一P型電晶體MP101的閘極，以使第一P型電晶體MP101導通或截止。其中，偏壓單元10的主要功用在於提供穩定的電壓輸出，包括第二訊號V2、第三訊號V3及第一偏壓V_bias1。

分壓單元20連接負載60與第一P型電晶體MP101的汲極，並根據負載60的電壓產生一第一訊號V1。

比較單元30具有一第一輸入端In1、一第二輸入端In2、一第三輸入端In3及一輸出端Out。此第一輸入端In1為此比較單元30之負輸入端，第二輸入端In2為正輸入端。負輸入端連接分壓單元20以接收第一訊號V1。正輸入端及第三輸入端In3分別連接偏壓單元10之不同端點，以分別接收偏壓單元10所提供之一第二訊號V2及一第三訊號V3。輸出端Out連接第二P型電晶體MP102之閘極，當第一訊號V1之電壓值小於第二訊號V2之電壓值時，輸出端Out會提供高電位之一第二偏壓V_bias2給第二P型電晶體MP102之閘極，使第二P型電晶體MP102截止，亦同時使第一P型電晶體MP101導通以對負載60進行充電，此高電位之電壓值較佳為5伏特(Volt)。當第一訊號V1之電壓值大於第二訊號V2之電壓值時，輸出端Out會提供低電位之一第二偏壓V_bias2給第二P型電晶體MP102之閘極使第二P型電晶體MP102導通，此時第一偏壓V_bias1的電壓值與電源輸入端VDD所提供之電壓值相同，會使得第一P型電晶體MP101截止而停止對負載60進行充電，此低電位之電壓值較佳為0伏特(Volt)。

請參閱第3圖，其係為本發明之充電電路之較佳實施例之偏壓單元之電路圖。圖中，偏壓單元10包含一起始部11、一參考部12及一串接部13，參考部11連接於起始部12與串接部13之間，起始部11驅動參考部12產生第三訊號V3至第三輸入端In3及串接部13，以驅動串接部13，串接部13係分別提供第一偏壓V_bias1及第二訊號V2至第一P型電晶體MP101之閘極與第二輸入端In2。

參考部12由四個P型電晶體MP206、MP207、MP209、MP210、兩個N型電晶體MN208、MN211及一個電阻R所組成。其中四個P型電晶體MP206~MP208可提供相同的電流I₀ 以及I₁ ，使得：

其中，Vt₂₀₉ 與Vt₂₁₁ 為P型電晶體MP209及N型電晶體MN211的熱電壓，在一般室溫下，此熱電壓值約為25mV，而β₂₁₁ 則為N型電晶體MN211的電流增益。

在上述兩個方程式(1)及(2)中可得知I₀ 與I₁ 是與電源輸入端VDD所提供的電壓值無關，因此本發明由此設置一個與輸入電壓值無關的電路。

當N型電晶體MN211的汲極與源極電壓差Vds₂₁₁ 小於第三訊號電壓值時，可能會導致N型電晶體MN211截止，因此本發明加入起始部11克服此可能截止之問題。起始部11包含三個P型電晶體MP201~MP203及兩個N型電晶體MN204及MN205，當Vds₂₁₁ 為低電壓時，會使MN204截止，因此MN204的汲極與源極電壓差Vds₂₀₄ 變成高電位而導通MN205，而使Vds₂₁₁ 的電壓值升高，亦同時導通MN204使Vds₂₀₄ 的電壓值下降而關閉MN205，如此便不會影響到MP206、MP207、MP209、MP210、MN208及R組成電路提供第三訊號V3的固定電壓值。

而串接部13接收參考部12所提供的電壓後，可在P型電晶體MP212及MP213上產生電流I₂ ，在藉由一個溫度係數相似的N型電晶體MN214產生第二訊號V2，此第二訊號V2可導通N型電晶體MN217，而產生電流I₃ 並以此導通P型電晶體MP215、MP216、MP218，以輸出第一偏壓V_bias1至第一P型電晶體MP101的閘極，此第一偏壓之電壓值為電源輸入端的電壓值減去MP215源極與汲極間的電壓差。

請參閱第4圖，其係為本發明之充電電路之較佳實施例之比較單元之電路圖。圖中，比較單元30包含一差動部31、一滯留部32及一輸出部33，滯留部32連接於差動部31與輸出部33之間，差動部31可比較第一訊號V1及第二訊號V2的電壓差值，滯留部32可啟動輸出部33輸出高電位之第二偏壓或低電位之第二偏壓。

在差動部31中，P型電晶體MP301與MP30形成一個電流鏡，N型電晶體MN302與MN304形成一個差動對，並且此電流鏡與差動對可形成差動放大器，以比較第一訊號V1與第二訊號V2之電壓差值。滯留部32中，P型電晶體MP306、MP309與N型電晶體MN307~MN311形成一個具有滯留效應的電路。輸出部33由P型電晶體MP312、MP314與N型電晶體MN313、MN315、MN316所構成的自我偏壓雙端轉單端的轉換器。

MN302與MN304的閘極分別為比較單元30的正輸入端及負輸入端，以分別接收第二訊號V2及第一訊號V1。在此，本發明利用此具有滯留效應的比較單元30，使得對負載60充電時達到了一預設完充電壓後立即停止充電，並且在負載60的電壓值在充電完成後又下降到一預設待充電壓後才再度導通第一P型電晶體進行充電。其中，預設完充電壓的電壓值大於預設待充電壓的電壓值，且此預設完充電壓的電壓值較佳為4.2V，預設待充電壓的電壓值較佳為4.1V，藉此不但可以防止電源輸入端VDD所提供的電壓值不穩所造成的誤充電情況，也可以防止電池可能同時充電與放電的情況而反覆不停的充放電，延長負載60的使用壽命。

請參閱第5圖，其係為本發明之充電電路之較佳實施例之分壓單元之電路圖。圖中，分壓單元20包含五個相同的P型電晶體MP401~MP404與一個N型電晶體MN405所構成。特別要強調的是，在此分壓單元20之電路圖中，本發明僅使用電晶體而沒有如習知技藝中使用電阻，可降低熱雜訊與節省晶片面積，且P型電晶體皆為閘極與汲極相接，可等效成一般的二極體，以作為分壓之用途，並且由於使用相同特性的電晶體，因此其製程相同，在相同溫度下的漂移分壓效果皆為相同，且兩端分別接至電源輸入端VDD與負載60，因此本發明將分壓單元的長度調長，使通過的電流降低以減少耗電。在第四圖中，第一訊號V1是由MP404的汲極輸入，但在此僅為舉例，並不以此為限，亦可在MP403或其他P型電晶體的汲極輸出第一訊號V1。

請參閱第6圖，其係為本發明之充電電路之模擬示意圖。該圖中，橫軸為時間，左方縱軸為負載60的電壓值，右方縱軸為充電電流的電流值。在此，雖然輸入電壓的電壓值介於4.8V到5.2V之間漂移，但充電電流仍然穩定的維持在40mA左右，當負載60的電壓值到達4.2V之後，充電電路1立即停止充電。

請參閱第7圖，其係為本發明之負載電壓值與第二偏壓之模擬示意圖。該圖中，橫軸為時間，縱軸為電壓值。在充電過程中，當負載60的電壓值高於4.2V時，第二偏壓V_bias2立即下降到0V，使充電電路1停止充電；充電完成後，當負載60的電壓值低於4.1V時，第二偏壓V_bias2立即上升到5V，使充電電路1開始充電。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1．．．充電電路

10．．．偏壓單元

11．．．起始部

12．．．參考部

13．．．串接部

20．．．分壓單元

30．．．比較單元

31．．．差動部

32．．．滯留部

33．．．輸出部

40．．．充電單元

50．．．開關單元

60．．．負載

VDD．．．電源輸入端

V1．．．第一訊號

V2．．．第二訊號

V3．．．第三訊號

V_bias1．．．第一偏壓

V_bias2．．．第二偏壓

MP101．．．第一P型電晶體

MP102．．．第二P型電晶體

MP201~MP203、MP206~MP207、MP209~MP210、MP212~MP213、MP215~MP216．．．P型電晶體

MP301~MP303、MP306、MP309、MP312、MP314．．．P型電晶體

MP401~MP405．．．P型電晶體

MN204~MN205、MN208、MN211、MN214、MN217~MN218．．．N型電晶體

MN302、MN304~MN305、MN307~MN308、MN310~MN311、MN313、MN315~MN316．．．N型電晶體

MN405．．．N型電晶體

In1．．．第一輸入端

In2．．．第二輸入端

In3．．．第三輸入端

Out．．．輸出端

I₀ ~I₃ ．．．電流

以及

R．．．電阻

第1圖　係為本發明之充電電路之方塊圖；

第2圖　係為本發明之充電電路之較佳實施例之電路圖；

第3圖　係為本發明之充電電路之較佳實施例之偏壓單元之電路圖；

第4圖　係為本發明之充電電路之較佳實施例之比較單元之電路圖；

第5圖　係為本發明之充電電路之較佳實施例之分壓單元之電路圖；

第6圖　係為本發明之充電電路之模擬示意圖；以及

第7圖　係為本發明之負載電壓值與第二偏壓之模擬示意圖。

1．．．充電電路

10．．．偏壓單元

20．．．分壓單元

30．．．比較單元

60．．．負載

VDD．．．電源輸入端

V1．．．第一訊號

V2．．．第二訊號

V3．．．第三訊號

V_bias1．．．第一偏壓

V_bias2．．．第二偏壓

MP101．．．第一P型電晶體

MP102．．．第二P型電晶體

In1．．．第一輸入端

In2．．．第二輸入端

In3．．．第三輸入端

以及

Out．．．輸出端

Claims (10)

1. 一種充電電路，係整合於一晶片上，該充電電路包含：一充電單元，係連接於一電源輸入端與一負載之間，根據該電源輸入端所提供之定電壓之電源輸入以輸出一定電流對該負載充電；一開關單元，係連接於該電流控制單元與該電源輸入端之間，使該充電單元導通或截止；一偏壓單元，係連接該充電單元及該開關單元，以提供一第一偏壓至該充電單元；一分壓單元，其一端係連接該負載及該充電單元，並根據該負載之電壓產生一第一訊號；以及一比較單元，係連接至該開關單元、該偏壓單元及該分壓單元，並接收該偏壓單元所提供之一第二訊號及該第一訊號，以比較該第一訊號及該第二訊號，並根據比較結果輸出一第二偏壓至該開關單元使該開關單元導通或關閉，以使充電單元對該負載充電或停止充電。
2. 如申請專利範圍第1項所述之充電電路，其中該充電單元係為一第一P型電晶體，該開關單元係為一第二P型電晶體，該第二P型電晶體之汲極係連接該第一P型電晶體之閘極。
3. 如申請專利範圍第2項所述之充電電路，其中當該第一訊號小於該第二訊號，該比較單元輸出高電位之該第二偏壓至該第二P型電晶體之閘極，使該第二P型電晶體截止而該第一P型電晶體導通，當該第一訊號大於該第二訊號，該比較單元輸出低電位之該第二偏壓，使該第二P型電晶體導通而該第一P型電晶體截止。
4. 如申請專利範圍第1項所述之充電電路，其中該偏壓單元係包含一起始部、一參考部及一串接部，該參考部連接於該起始部與該串接部之間，該起始部驅動該參考部產生一第三訊號至該第三輸入端及該串接部，以驅動該串接部，該串接部係分別提供該第一偏壓及該第二訊號至該充電單元及該比較單元。
5. 如申請專利範圍第1項所述之充電電路，其中該比較單元係包含一差動部、一滯留部及一輸出部，該滯留部係連接於該差動部與該輸出部之間，該差動部係比較該第一訊號及該第二訊號，該滯留部係啟動該輸出部輸出該第二偏壓。
6. 如申請專利範圍第5項所述之充電電路，其中該差動部係包含一電流鏡、一差動對及一N型電晶體，該差動對連接於該電流鏡與該N型電晶體之間，該差動對係接收該第一訊號及該第二訊號，並將該第一訊號及該第二訊號之電壓差值傳送至該滯留部。
7. 如申請專利範圍第6項所述之充電電路，其中該滯留部根據該第一訊號及該第二訊號之一電壓差值控制該輸出部輸出該第二偏壓。
8. 如申請專利範圍第5項所述之充電電路，其中停止充電所對應之該第二訊號電壓值大於充電完成後再次充電之該第二訊號電壓值。
9. 如申請專利範圍第1項所述之充電電路，其中該分壓單元僅包含串接之複數個P型電晶體及一N型電晶體，且各該P型電晶體之汲極與閘極係相連接，由其中之一該P型電晶體之汲極輸出該第一訊號。
10. 如申請專利範圍第1項所述之充電電路，其中該負載係為一鋰電池。