TWI412202B - 控制電池之充電電流的控制方法及充電系統 - Google Patents

控制電池之充電電流的控制方法及充電系統 Download PDF

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Description

控制電池之充電電流的控制方法及充電系統
本發明係有關於充電系統與相關方法，尤其係關於控制電池之充電電流，其中充電電流係藉由一外部裝置而產生。
通常，便攜式電性裝置包含電池與電池充電電路，各種類型的充電器通過電池充電電路用來對內部的電池進行充電。例如，支持通用序列匯流排(Universal Serial Bus，USB)規範的充電器可產生並提供具有5V±5%電壓、500mA電流，與支持USB介面之中國移動通信手機規範的充電器具有5V電壓、介於300mA至1800mA的電流，並且經由充電器之USB類型A連接器來對便攜式電性裝置充電。不論充電器類型以及充電器能夠提供電流的大小，傳統的電池充電電路係將所提供的電流限定在一個固定的標準。
因此，能夠依據充電器類型自動調節充電電流，以及辨識充電器類型的充電系統及相關的方法是必需的。
因此，為有效解決以上所述之技術問題，本發明提供了一種控制電池之充電電流的控制方法及充電系統。
本發明提供一種控制電池之充電電流的控制方法，該控制方法係由充電系統中之控制電路來執行，充電系統包含電池，該方法包含：檢測到一裝置耦接於充電系統；以及調節充電電流至一位準；其中，充電電流係由耦接至充電系統之裝置產生。
本發明提供一種充電系統，包含：電池；以及控制電路，耦接電池，用以偵測耦接至充電系統之裝置，並調節電池之充電電流至一位準，其中，充電電流係由裝置產生。
本發明提供一種充電系統，耦接一裝置，包含：偵測電路，當裝置包含具有兩條相連資料線之通用序列匯流排介面時，產生第一電壓；以及當裝置包含具有兩條不相連資料線之通用序列匯流排介面時，產生第二電壓。
本發明之控制電池之充電電流的控制方法及充電系統，能夠自動調節充電電流之大小，以及準確辨識耦接至充電系統之裝置的類型。
在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同樣的元件。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的「包含」係為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。另外，「耦接」一詞在此係包含任何直接及間接的電氣連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接於一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電氣連接於該第二裝置，或透過其他裝置或連接手段間接地電氣連接至該第二裝置。
第1圖係根據本發明一實施例之充電系統100的示意圖。如第1圖所示，充電系統100主要包含：一充電電路102，一控制電路103，一電池組109’一連接器(如：USB連接器)111與偵測電路113。充電電路102包含：一電流控制裝置101(如：P-MOS、N-MOS、BJT等電晶體)，一溫度傳感器104用以測量電流控制裝置101的溫度，一二極管105與一電阻器107。當一充電器或一計算裝置(如：個人計算機、筆記本電腦、工作站等)經由連接器111耦接至充電系統100，藉由充電器或計算裝置提供具有5V+-5%電壓之電流係透過電流控制裝置101、二極管105及電阻器107流向電池組109中之電池。電阻器107係耦接於節點A與節點B之間。控制電路103可測量節點A處之電流及節點B處之電壓。二極管105係耦接於電流控制裝置101與電阻器107之間。電流控制裝置101係耦接於電壓Vin 與二極管105之間。控制電路103以傳感電壓Vin 、參考電壓Vref 、節點A處的電流、經溫度傳感器104測量電流控制裝置101的溫度或以上之組合為依據，發出控制信號CS來控制電流控制裝置101來調節流向電池的電流。電池組109更包含一用以測量電池溫度的溫度傳感器(未標示)，以及提供有關電池身份(Identity)資訊的一辨識單元(未標示)。後文將對偵測電路113以及控制電路103實施的調節方法作詳細說明。
第2圖係根據本發明一實施例之偵測電路113的示意圖。其並非係對本發明範圍之限制，執行相同功能並且具有不同但類似結構的偵測電路應當屬於本發明之範圍。請一並參閱第1圖，於本實施例中，偵測電路113包含電阻器605、電阻器609、電阻器611、電阻器613與電阻器615，以及二極管607。當一充電器或一計算裝置耦接至充電系統(如：充電系統100)，充電器或計算裝置係透過一通用序列匯流排介面提供充電電流，兩條資料線透過電阻器613與電阻器615耦接於一控制單元(如：控制電路103)與充電器或計算裝置之間以用來匹配特性阻抗。接線端D+與接線端D-係耦接至相連之充電器或計算裝置。熟習此技藝者應當了解接線端USB_DP(BB)與接線端USB_DM(BB)係耦接至控制電路，用以傳送資料。電阻器605與二極管607之間節點處的電壓Vref 係提供至控制電路。電阻器611係耦接於電源電壓Vusb 與接線端USB_DP(BB)之間，電源電壓Vusb 可為3.3V以符合通用序列匯流排之規範。電阻器605係耦接於二極管607與電源電壓VDD 之間。電源電壓VDD ，如：2.8V，係低於電源電壓Vusb 。二極管607係耦接於電阻器605與電阻器609之間。電阻器609耦接接線端D-、二極管607及接地電壓。電壓Vref 係隨兩條耦接至接線端D+與接線端D-之資料線而變化。需要了解的是，USB介面更包含一電源線。
耦接充電系統之充電器或計算裝置的類型可參照電壓Vref 來決定。例如，計算裝置包含兩條資料線，其中一條資料線係耦接於接地電壓與接線端D-，另一條資料線係經由一連接器(如：連接器111)耦接至接線端D+。隨後，電壓Vref 係大致處於一接地電壓位準。因此，當偵測到電壓Vref 低於一第一門檻值(如：1V)，控制電路決定計算裝置係耦接於充電系統。需要了解的是，可設定第一門檻值，且所設定第一門檻值低於電源電壓VDD 的一半。於另一範例中，一第一類型之充電器可包含兩條分別耦接至接線端D+與接線端D-的資料線，並且兩條資料線係相連的。隨後，因為電源電壓Vusb 係高於電源電壓VDD ，所以電壓Vref 係大致等於電源電壓VDD 。電流不會流通至二極管607。因此，當偵測到電壓Vref 超出一第二門檻值(如：2V)，控制電路決定第一類型之充電器係耦接於充電系統。需要了解的是可設定第二門檻值，且所設定第二門檻值高於電源電壓VDD 的一半。於再一範例中，一第二類型之充電器可包含兩條分別耦接至接線端D+與接線端D-的資料線，並且兩條資料線係不相連的。隨後，因為電流係可透過二極管607分流至電阻器609與電阻器615，電壓Vref 係大致等於電源電壓VDD 的一半。因此，當偵測到電壓Vref 係位於第一門檻值與第二門檻值之間時，控制電路決定第二類型之充電器係耦接於充電系統。於某些實施例中，電壓Vref 更輸入至控制電路之類比轉數位轉換器(ADC)，以作為調節方法之參考信號。
於本發明之實施例中，充電器或計算裝置係透過通用序列匯流排介面提供充電電流，偵測電路113於充電器或計算裝置包含具有兩條相連資料線之通用序列匯流排介面時，產生一第一電壓；於充電器或計算裝置包含具有兩條不相連資料線之通用序列匯流排介面時，產生一第二電壓。控制電路103於偵測到來自偵測電路之第一電壓時，調節充電電流至一第一預定值；於偵測到來自偵測電路之第二電壓時，調節充電電流至一第二預定值。溫度傳感器104用以傳感電流控制裝置之溫度，控制電路103於偵測到來自偵測電路之第一電壓時，藉由控制電流控制裝置自第一預定值增加充電電流直至溫度傳感器所傳感之溫度超出一預設位準。同樣地，控制電路103亦可依據辨識單元提供之身份資訊來決定電池之最大充電電流限制，藉由控制電流控制裝置自第一位準增加充電電流直至充電電流超出最大充電電流限制。於本發明中，其中控制電路於偵測到來自偵測電路之第一電壓時，藉由控制電流控制裝置自第一預定值逐步增加充電電流直至偵測到充電器或計算裝置提供之一電壓降。
第3圖係根據本發明之控制電池之充電電流的控制方法的流程圖。如第3圖所示，該控制方法包含：
步驟200：偵測充電器或計算裝置係耦接至充電系統中。
步驟201：決定所耦接之充電器或計算裝置是否為第一類型之充電器。若所耦接之充電器或計算裝置係為第一類型之充電器，執行步驟205；若否，則執行步驟203。決定的結果可藉由偵測自偵測電路輸出之電壓來完成(如：第2圖所示之電壓Vref )。
步驟203：藉由控制電流控制裝置(如：電流控制裝置101)將充電電流設定至一第一預定值。
步驟205：藉由控制電流控制裝置將充電電流設定至一第二預定值。
例如，當所耦接之充電器或計算裝置係為第一類型之充電器，則所耦接之充電器或計算裝置輸出至電池的充電電流係被調節限制在300mA至1800mA之間。當所耦接之充電器或計算裝置不是第一類型之充電器，則所耦接之充電器或計算裝置輸出至電池的充電電流係被調節限制在500mA之內。因此，第一預定值係低於500mA，第二預定值係介於300mA至1800mA之間。
步驟207：藉由控制電流控制裝置增加充電電流。亦即，當充電器或計算裝置包含具有兩條相連資料線之通用序列匯流排介面時，藉由控制電流控制裝置自第一預設值逐步增加充電電流直至充電電流超出最大充電電流限制。
步驟209：決定充電電流是否超出最大充電電流限制，若是，則執行步驟211；若否，則執行步驟213。
步驟211：藉由控制電流控制裝置減小充電電流。
步驟213：決定電流控制裝置之溫度是否超出一預設值。若是，執行步驟211，減少充電電流，以致電流控制裝置之溫度降低；若否，執行步驟215。
利用一溫度傳感器(如：傳感器104)來測量電流控制裝置的溫度。當充電器或計算裝置包含具有兩條相連資料線之通用序列匯流排介面時，藉由控制電流控制裝置自第一預設值逐步增加充電電流直至電流控制裝置之溫度超出一預設值。
當充電器或計算裝置包含具有兩條相連資料線之通用序列匯流排介面時，藉由控制電流控制裝置自第一預設值逐步增加充電電流直至偵測到該裝置提供之一電壓降。
步驟215：決定來自所耦接之充電器或計算裝置提供之一電壓降(輸入電流的電壓Vin 的降低)是否超出一預設位準，如：0.5V。若否’返回步驟207，增大充電電流；若是，執行步驟217，以維持充電電流，特別地，於步驟217中，控制電路並未調節充電電流。
經過步驟207至217，電流係被動態地增加，因此減少了充電時間。同樣地，第3圖所示之流程僅為一範例，並非對本發明範圍之限制。如同步驟209、步驟213與步驟215之順序亦可隨進程之變動而相應變動，以及步驟207至217中的部分或全部係可從第3圖所示之控制電池之充電電流的控制方法中去除。
另外，如熟習此技術者所了解，電流控制裝置，如：P-MOS、N-MOS、BJT等電晶體皆具有一飽和區，在飽和區中電流控制裝置能提供最大電流。導電裝置在飽和區中亦具有一較小的電阻值。因此，依據本發明提供之實施例調節方法還可控制電流控制裝置在飽和區中操作，以使可控導電裝置提供最大電流。
第4圖係根據第3圖所示實施例之調節方法中充電電流控制的充電時間示意圖。如第4圖所示，充電電流可逐步增加，或者線性地增加。係以層次(step-wise)與實線，或直線或虛線圖示，圖中兩個關於充電電流的界限：充電器最大輸出電流與最大充電電流限制。充電器最大輸出電流指示充電器能夠輸出的最大電流，最大充電電流限制係指示於步驟209中的最大值。最大充電電流限制係可根據電池的辨識資訊來決定。如第4圖所示，當偵測到輸入電流的電壓(如：第1圖所示之Vin )係依據一預設位準(如：0.5V)而下降，即可決定充電電流係達到充電器最大輸出電流，結果充電電流應當被減少。需要了解的是，當偵測到充電電路消耗的電流大於充電器最大輸出電流時，第一類型之充電器將使得輸入電流的電壓的下降。
第5圖係根據本發明實施例之調節方法中充電電流控制的電池電流電壓的曲線示意圖。參考上述方法，充電電流係被增大，直到電池幾乎達到一預設電壓位準(亦即，電池已經充滿電)，如圖中所示之粗線。然而，傳統的充電系統係將充電電流保持在一恆定值，如圖中所示之虛線。所以，依據本發明實施例之利用控制機制的充電系統與傳統的充電器相比能夠減少充電時間。
依據以上述方法和電路，充電器之充電電流係可依據充電器的類型而調節。於充電期間，充電器之充電電流亦可依據一控制電路所傳感的其他特性而作進一步的調節。因此，充電系統不但調節不同類型充電器的充電電流，而且將充電電流調節盡可能的高些，以減少充電時間，並且避免過量的充電電流引起的損害。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100．．．充電系統
102．．．充電電路
103．．．控制電路
109．．．電池組
111．．．連接器
113．．．偵測電路
101．．．電流控制裝置
104．．．溫度傳感器
105、607．．．二極管
107、605、609、611、615．．．電阻器
200～217．．．步驟
第1圖係根據本發明一實施例之充電系統的示意圖。
第2圖係根據本發明一實施例之偵測電路的示意圖。
第3圖係根據本發明之控制電池之充電電流的控制方法的流程圖。
第4圖係根據第3圖所示實施例之調節方法中充電電流控制的充電時間示意圖。
第5圖係根據本發明實施例之調節方法中充電電流控制的電池電流電壓的曲線示意圖。
200～217．．．步驟

Claims (17)

  1. 一種控制電池之充電電流的控制方法，該控制方法係由一充電系統中之一控制電路來執行，該充電系統包含一電池，該控制方法包含：檢測到一裝置耦接於該充電系統；決定該裝置是否包含具有兩條相連資料線之該通用序列匯流排介面；當該裝置包含具有兩條相連資料線之該通用序列匯流排介面時，自一第一預定值逐步增加地調節一充電電流；以及當該裝置包含具有兩條不相連資料線之該通用序列匯流排介面時，調節該充電電流至一第二預定值；其中，該充電電流係由耦接至該充電系統之該裝置產生。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之控制電池之充電電流的控制方法，其中該第一預定值係介於300mA至1800mA之間，及該第二預定值係低於500mA。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之控制電池之充電電流的控制方法，其中該充電系統包含一電流控制裝置，用以調節該電池之該充電電流，藉由控制該電流控制裝置自該第一預定值逐步增加該充電電流直至該電流控制裝置之溫度超出一預設值。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之控制電池之充電電流的控制方 法，其中該充電系統包含一電流控制裝置，用以調節該電池之該充電電流，藉由控制該電流控制裝置自該第一預定值逐步增加該充電電流直至該充電電流超出最大充電電流限制。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之控制電池之充電電流的控制方法，其中該充電系統包含一電流控制裝置，用以調節該電池之該充電電流，藉由控制該電流控制裝置自該第一預定值逐步增加該充電電流直至偵測到該裝置提供之一電壓降。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之控制電池之充電電流的控制方法，其中該充電電流係逐步增加。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之控制電池之充電電流的控制方法，其中該充電電流係線性地增加。
  8. 一種充電系統，包含：一電池；以及一控制電路，耦接該電池，用以偵測耦接至該充電系統之一裝置，並調節該電池之一充電電流至一位準；以及一偵測電路，其中該裝置係透過一通用序列匯流排介面提供該充電電流，該偵測電路於該裝置包含具有兩條相連資料線之該通用序列匯流排介面時，產生一第一電壓；於該裝置包含具有兩條不相連資料線之該通用序列匯流排介面時，產生一第二電壓；其中，當該控制電路於偵測到來自偵測電路之該第一電壓時，自 一第一預定值逐步增加地調節一充電電流；於偵測到來自偵測電路之該第二電壓時，調節該充電電流至一第二預定值，該充電電流係由該裝置產生。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之充電系統，更包含一電流控制裝置與一溫度傳感器，該溫度傳感器用於傳感該電流控制裝置之溫度，該控制電路藉由控制該電流控制裝置自該第一位準增加該充電電流直至該溫度傳感器所傳感之溫度超出一預設位準。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之充電系統，更包含一電流控制裝置與一辨識單元，該控制電路依據該辨識單元提供之身份資訊來決定該電池之最大充電電流限制，藉由控制該電流控制裝置自該第一位準增加該充電電流直至該充電電流超出最大充電電流限制。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之充電系統，更包含一電流控制裝置，該控制電路藉由控制該電流控制裝置自該第一位準逐步增加該充電電流直至偵測到該裝置提供之一電壓降。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之充電系統，其中該充電電流係被增加，直至偵測到該裝置提供之一電壓係依據一預設值而下降。
  13. 一種充電系統，耦接一裝置，包含：一偵測電路，當該裝置包含具有兩條相連資料線之一通用序列匯流排介面時，產生一第一電壓；以及當該裝置包含具有兩條不相連資 料線之該通用序列匯流排介面時，產生一第二電壓；一電池；以及一控制電路，耦接該偵測電路與該電池，用以依據該第一電壓或第二電壓來調節該電池之一充電電流，該充電電流係由該裝置產生；其中，依據該第一電壓調整該充電電流之後，該控制電路自該已調節的充電電流增加該充電電流。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之充電系統，其中該偵測電路包含：一第一接線端；一第二接線端；一第三接線端；一第四接線端；一第五接線端；一第一電源；一第二電源；以及一二極管；其中，該第一電源係耦接於該第一接線端與該第二接線端之間，該第五接線端係耦接於該第二電源與該二極管之間，該二極管係耦接至該第三接線端、該第四接線端與該第五接線端，以及該第一電源提供之一第一電壓係高於該第二電源提供之一第二電壓。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之充電系統，其中該第一電壓近 似於3.3伏特。
  16. 如申請專利範圍第13項所述之充電系統，其中該裝置包含耦接至該第二接線端之一第一資料線，以及耦接至該第四接線端之一第二資料線，該第一資料線與該第二資料線係相連的，該第五接線端之一電壓近似等於該第一電壓。
  17. 如申請專利範圍第13項所述之充電系統，其中該裝置包含耦接至該第二接線端之一第一資料線，以及耦接至該第四接線端之一第二資料線，該第一資料線與該第二資料線係不相連的，該第五接線端之一電壓近似等於該第二電壓之一半。
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