TWI462429B - 單迴路充電裝置以及單迴路充電方法 - Google Patents

Description

單迴路充電裝置以及單迴路充電方法

本發明係關於一種充電裝置，特別係關於一種單迴路充電裝置。

近年來，隨著可攜式電子產品應用的大量成長，如手機、PDA、音樂隨身聽等應用，因此也使得可充式電池的使用愈來愈普遍。可充式電池可以提供穩定之電壓電流，使得可攜式電子產品或電路正常的工作。當電池的能量逐漸減少，電池電壓也會隨之開始逐漸下降。當電池電壓下降至某一電壓以下時，便會造成可攜式電子產品或電路無法正常工作。因此，可充式電池提供了可重複進行電之功能，使得可充式電池可以反覆的被使用。目前市面上之可充式電池種類繁多，如何針對各類電池可重複進行電之功能提供一個快速且安全的充電方式便成了一個相當大的挑戰。

另外，使用不正確的充電方式對可充式或者不可充式電池進行充電充電，可能會造成危險，同時也會使電池的性能降低並縮短電池的使用壽命。有鑑於此，本發明欲提供一充電裝置與充電方法。本發明之充電裝置與充電方法係藉由一個新的單迴路充電系統對電池進行充電，除了可改善傳統定電壓定電流充電方式所產生的電路複雜度之外，並提供一個穩定安全的充電裝置與方法，增加電池性能並延長電池使用壽命。

本發明提供一種單迴路充電裝置，用以對一電池進行充電，包括一電流偵測電路、一第一比較器、一參考電壓產生器、一第二比較器、一控制邏輯電路以及一功率級電路。電流偵測電路用以偵測一充電電流，並根據充電電流產生一電流偵測訊號。第一比較器用以將電流偵測訊號與一第一參考電壓進行比較，並產生一電流比較訊號。參考電壓產生器用以根據電流比較訊號，產生一第二參考電壓。第二比較器用以將電池之一電池電壓與第二參考電壓進行比較，並產生一電壓比較訊號。控制邏輯電路用以根據電壓比較訊號，產生一組控制訊號。功率級電路，用以接收一充電電壓，並根據控制訊號控制充電電壓，以產生一已校正充電電壓，其中充電電流係由已校正充電電壓所產生且用以對電池進行充電。

本發明另提供一種單迴路充電方法，其方法包括：偵測一充電電流，並根據充電電流產生一電流偵測訊號；將電流偵測訊號以及一第一參考電壓進行比較，並產生一電流比較訊號；根據電流比較訊號，產生一第二參考電壓；將一電池之一電池電壓與第二參考電壓進行比較，並產生一電壓比較訊號；根據電壓比較訊號，產生一組控制訊號；以及根據控制訊號以及一充電電壓產生一已校正充電電壓，其中充電電流係由已校正充電電壓所產生並用以對電池進行充電。

以下將詳細討論本發明各種實施例之裝置及使用方法。然而值得注意的是，本發明所提供之許多可行的發明概念可實施在各種特定範圍中。這些特定實施例僅用於舉例說明本發明之裝置及使用方法，但非用於限定本發明之範圍。

第1圖為本發明所提供之充電系統之方塊圖。充電系統1000包括一單迴路充電裝置100以及一電池200。單迴路充電裝置100用以耦接至一充電電壓VCV，並根據充電電壓VCV對電池200進行充電，其中單迴路充電裝置100包括一節點N1用以連接電池200，並透過節點N1對電池200進行充電。值得注意的是，單迴路充電裝置100具有一預充模式Pre_C、一恆壓模式CV以及一恆流模式CC。在預充模式Pre_C下，單迴路充電裝置100提供一較小之電流(例如0.2A)至電池200，以準備對電池200進行充電。在恆流模式CC下，單迴路充電裝置100提供一充電電流ICC(例如2A)至電池200，以對電池200進行充電，其中充電電流ICC係為一直流電流。在恆壓模式CV下，單迴路充電裝置100提供一固定電壓(例如12V)至電池200，使得電池200上升至該固定電壓(例如12V)。如第1圖所示，電池200之電壓係為電池電壓VBAT，並且電池200可為任何種類之電池，例如太陽能電池、鹼性電池或者鋰電池等等。

單迴路充電裝置100包括一電流偵測電路110、一參考電流產生器120、一比較器130、一參考電壓產生器140、一濾波電路150、一分壓電路160、一比較器170、一控制邏輯電路180以及一功率級電路190。電流偵測電路110用以偵測一充電電流ICC，並根據充電電流ICC產生一電流偵測訊號IDS。電流偵測電路110包括一電阻R1以及一訊號產生器112。電阻R1具有一第一端耦接至功率級電路190，以及一第二端透過濾波電路150耦接至節點N1。訊號產生器112用以根據電阻R1以及充電電流ICC所產生之一電壓降，產生相應於充電電流ICC之電流偵測訊號IDS。

參考電流產生器120用以根據一既定設定值，產生相應於一預定充電電流大小之一第一參考電壓Vxref，其中該既定設定值代表恆流模式CC中根據不同之充電環境所預定之充電電流ICC。參考電流產生器120包括複數定電流源I1-IN、複數開關SW1-SWN以及一電阻R2。每一開關SW1-SWN具有一第一端耦接於定電流源I1-IN，以及一第二端耦接至電阻R2。電阻R2具有一第一端耦接至每一開關SW1-SWN之第二端，以及一第二端耦接至一接地GND。開關SW1-SWN用以根據該既定設定值，將定電流源I1-IN中之一者(或多者)與電阻R2進行連接，電阻R2根據所連接之定電流源輸出的電流產生第一參考電壓Vxref。

比較器130用以將電流偵測訊號IDS與第一參考電壓Vxref進行比較，並產生一電流比較訊號ICS。參考電壓產生器140用以根據電流比較訊號ICS，產生一第二參考電壓Vyref。參考電壓產生器140包括一動態電壓產生器142、一定電壓產生器144、一判斷裝置145以及一開關146。動態電壓產生器142用以根據電流比較訊號ICS產生一動態電壓Vyref1。舉例而言，動態電壓產生器142具有一初始電壓、一降壓器(Step-down transformer)以及一升壓器(Step-up transformer)。初始電壓用以提供一預設之動態電壓Vyref1。降壓器以及升壓器用以動態地根據電流比較訊號ICS調整動態電壓Vyref1。舉例而言，當比較器130輸出代表電流偵測訊號IDS大於第一參考電壓Vxref時(即充電電流ICC大於恆流模式CC中所預定之電流)，降壓器(Step-down transformer)則降低目前之動態電壓Vyref1。當比較器130輸出代表電流偵測訊號IDS小於第一參考電壓Vxref時(即充電電流ICC小於恆流模式CC中所預定之電流)，升壓器則提高目前之動態電壓Vyref1。定電壓產生器144，用以產生一定電壓Vyref2。

判斷裝置145耦接至電阻R5以及電阻R4之間，用以根據電池電壓VBAT之一分壓VBAT’判斷電池電壓VBAT是否達到一既定電壓，並傳送一判斷訊號S3至開關146。在本發明之另一實施例中，判斷裝置145耦接至節點N1，用以判斷電池電壓VBAT是否達到一既定電壓，並傳送判斷訊號S3至開關146。當電池電壓VBAT未達到相應於恆壓模式CV之一既定電壓(例如，10V)時，開關146根據判斷訊號S3，將動態電壓Vyref1作為第二參考電壓Vyref並提供至比較器170。當電池電壓VBAT達到相應於恆壓模式CV之既定電壓(例如，10V)時，開關146根據判斷訊號S3，將定電壓Vyref2作為第二參考電壓Vyref並提供至比較器170。舉例而言，定電壓Vyref2係相應於電池200充飽電時之電壓(例如12V)。值得注意的是，該既定電壓小於電池200充飽電時之電壓。在本發明之另一實施例中，當電池電壓VBAT未達到相應於電池完成充電之一既定電壓(例如，12V)時，開關146將動態電壓Vyref1作為第二參考電壓Vyref並提供至比較器170。當電池電壓VBAT達到相應於電池完成充電之一既定電壓(例如，12V)時，將定電壓Vyref2作為第二參考電壓Vyref並提供至比較器170。舉例而言，定電壓Vyref2係相應於電池200充飽電時之電壓(例如12V)。值得注意的是，該既定電壓等於電池200充飽電時之電壓。

濾波電路150用以對一已校正充電電壓VCV’以及充電電流ICC進行濾波，並將已濾波之已校正充電電壓VCV’以及充電電流ICC傳送至分壓電路160。濾波電路150更包括一電感L1、一電容C1以及一電阻R3。電感L1具有一第一端耦接至電流偵測電路110，以及一第二端耦接至節點N1。電容C1具有一第一端耦接至節點N1，以及一第二端耦接至電阻R3。電阻R3具有一第一端耦接至電容C1之第二端，以及一第二端耦接至接地GND。分壓電路160用以對電池電壓VBAT進行分壓，並產生一分壓VBAT’提供至比較器170。分壓電路160包括電阻R4以及電阻R5。電阻R4具有一第一端耦接至一節點N1，以及一第二端耦接至電阻R5。電阻R5具有一第一端耦接於電阻R4之第二端，以及一第二端耦接至接地GND。值得注意的是，濾波電路150中之電感L1、電容C1以及電阻R3可針對不同之電路設計，本發明不限於此。

比較器170用以將一電池電壓VBAT與第二參考電壓Vyref進行比較，並產生一電壓比較訊號VCS。控制邏輯電路180用以根據電壓比較訊號VCS，產生一組控制訊號S1以及S2。一功率級電路190接收充電電壓VCV，並根據控制訊號S1以及S2控制充電電壓VCV以產生已校正充電電壓VCV’，以提供電池200進行充電。功率級電路190包括電晶體192以及194。電晶體192具有一第一端耦接至充電電壓VCV，一第二端耦接至電流偵測電路110，以及一控制端耦接至控制邏輯電路180所輸出之控制訊號S1。電晶體194具有一第一端耦接至電流偵測電路110，一第二端耦接至接地GND，以及一控制端耦接至控制邏輯電路180所輸出之控制訊號S2。電晶體192以及194用以分別根據控制訊號S1以及S2進行切換，以產生已校正充電電壓VCV’。值得注意的是，本實施例之功率級電路190係藉由切換電晶體192以及194產生一脈衝寬度變調訊號(Pulse Width Modulation，PWM)。換言之，已校正充電電壓VCV’係為一脈衝寬度變調訊號。值得注意的是，充電電流ICC係由已校正充電電壓VCV’所產生的，用以對電池200進行充電。

第2圖為本發明所提供之一單迴路充電方法的流程圖。流程開始於步驟S200。

在步驟S200中，電流偵測電路110偵測一充電電流ICC，並根據所偵測到之充電電流ICC產生一電流偵測訊號IDS。電流偵測電路110係根據充電電流ICC流經電阻R1所產生之一電壓降，產生相應於充電電流ICC之電流偵測訊號IDS。值得注意的是，充電電流ICC係單迴路充電裝置100在恆流模式CC下，由充電電壓VCV提供，用以對電池200進行充電之電流(例如2A)，其中充電電流ICC係為一直流電流。

接著，在步驟S202中，比較器130將電流偵測訊號IDS以及一第一參考電壓Vxref進行比較，並產生一電流比較訊號ICS。舉例而言，參考電流產生器120之開關SW1-SW2係根據一既定設定值，將複數定電流源I1-IN中之一者(或多者)與電阻R2進行導通，並且藉由電阻R2根據已導通之定電流源I1-IN產生第一參考電壓Vxref。既定設定值代表在恆流模式CC中，根據不同之充電環境的所預定之充電電流ICC。

接著，在步驟S204中，參考電壓產生器140根據電流比較訊號ICS，產生一第二參考電壓Vyref。在某些實施例中，步驟S204更包括當電池電壓VBAT未達到一既定電壓時，參考電壓產生器140根據電流比較訊號ICS產生一動態電壓Vyref1作為第二參考電壓Vyref。當電池電壓VBAT達到既定電壓時，參考電壓產生器140將一定電壓Vyref2作為第二參考電壓Vyref。

接著，在步驟S206中，比較器170將一電池電壓VBAT與第二參考電壓Vyref進行比較，並產生一電壓比較訊號VCS。

接著，在步驟S208中，控制邏輯電路180根據電壓比較訊號VCS，產生一組控制訊號S1以及S2。

接著，在步驟S210中，功率級190根據控制訊號S1-S2以及一充電電壓VCV產生一已校正充電電壓VCV’。在此實施例中，充電電流ICC係由已校正充電電壓VCV’所產生並用以對電池200進行充電，並且電池電壓VBAT係為電池200之電壓。舉例而言，功率級190係根據控制訊號S1以及S2對充電電壓VCV以及一接地GND進行切換，以產生已校正充電電壓VCV’。值得注意的是，本實施例之功率級電路190係藉由切換電晶體192以及194產生一脈衝寬度變調訊號(Pulse Width Modulation，PWM)。換言之，已校正充電電壓VCV’係為一脈衝寬度變調訊號。另外，充電電流ICC係由已校正充電電壓VCV’所產生的，用以對電池200進行充電。流程結束於步驟S210。

第3圖為本發明所提供之單迴路充電裝置100的訊號模擬圖。第3圖包括電池電壓VBAT、充電電流ICC以及第二參考電壓Vyref分別在預充模式Pre_C、恆壓模式CV以及恆流模式CC下之模擬圖。由第3圖可知，在預充模式Pre_C下，單迴路充電裝置100提供一較小之充電電流ICC(例如0.2A)至電池200，以準備對電池200進行充電。在預充模式Pre_C下，由於單迴路充電裝置100所提供之較小之電流，電池200之電池電壓VBAT以及第二參考電壓Vyref緩慢的上升。在恆流模式CC下，單迴路充電裝置100提供一較大之充電電流ICC(例如2A)至電池200，以對電池200進行充電，其中充電電流ICC係為一直流電流。在恆流模式CC下，單迴路充電裝置100所提供之較大的充電電流ICC，電池電壓VBAT以及第二參考電壓Vyref進行上升。在恆壓模式CV下，單迴路充電裝置100，提供一固定並相應於12V之第二參考電壓Vyref至比較器170，使得電池200上升至該固定之電壓(例如12V)。

第4以及5圖為本發明所提供之單迴路充電裝置100的訊號模擬圖。第4圖包括電池電壓VBAT、充電電流ICC以及第二參考電壓Vyref分別在預充模式Pre_C下之模擬圖。第5圖包括電池電壓VBAT、充電電流ICC以及第二參考電壓Vyref分別在恆流模式CC之模擬圖。由第4以及5圖可知，在預充模式Pre_C以及恆流模式CC下，電池電壓VBAT會隨著充電電流ICC上升，並且有細部的調動。充電電流ICC則分別在預充模式Pre_C以及恆流模式CC下，固定在0.2A以及2A。值得注意的是，充電電流ICC係由3角波組成之直流電流。第二參考電壓Vyref則根據充電電流ICC階梯式的調動。

本發明提供一電池充電裝置與方法，藉由以單迴路方式對電池充電，除了擁有傳統定電流充電和定電壓充電的功能外，又可減少額外提供的定電流充電方式所產生的電路複雜度、提供一個穩定安全的充電裝置與方法以及增加電池性能並延長電池使用壽命。值得注意的是，本發明之單迴路充電裝置100具有可改變定電流源I1-IN之參考值的參考電流產生器120，可在不同之預設情況下改變用以對電池200充電之充電電流ICC。因此，本發明之單迴路充電裝置100特別適用於充電電壓源VCV不穩之太陽能電池。

本發明之方法，或特定型態或其部份，可以以程式碼的型態存在。程式碼可儲存於實體媒體，如軟碟、光碟片、硬碟、或是任何其他機器可讀取(如電腦可讀取)儲存媒體，亦或不限於外在形式之電腦程式產品，其中，當程式碼被機器，如電腦載入且執行時，此機器變成用以參與本發明之裝置。程式碼也可透過一些傳送媒體，如電線或電纜、光纖、或是任何傳輸型態進行傳送，其中，當程式碼被機器，如電腦接收、載入且執行時，此機器變成用以參與本發明之裝置。當在一般用途處理單元實作時，程式碼結合處理單元提供一操作類似於應用特定邏輯電路之獨特裝置。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。

1000．．．充電系統

100．．．單迴路充電裝置

110．．．電流偵測電路

112．．．訊號產生器

120．．．參考電流產生器

130、170．．．比較器

140．．．參考電壓產生器

142．．．動態電壓產生器

144．．．定電壓產生器

145．．．判斷裝置

146、SW1-SWN．．．開關

150．．．濾波電路

160．．．分壓電路

180．．．控制邏輯電路

190．．．功率級電路

192、194．．．電晶體

200．．．電池

VCV．．．充電電壓

VCV’．．．已校正充電電壓

GND．．．接地

ICC．．．充電電流

R1-R5．．．電阻

L1．．．電感

C1．．．電容

N1．．．節點

VBAT．．．電池電壓

VBAT’．．．分壓

VCS．．．電壓比較訊號

ICS．．．電流比較訊號

Vxref、Vyref．．．參考電壓

Vyref1．．．動態電壓

Vyref2．．．定電壓

I1-IN．．．定電流源

IDS．．．電流偵測訊號

S1-S2．．．控制訊號

S3．．．判斷訊號

Pre_C．．．預充模式

CC．．．恆流模式

CV．．．恆壓模式

第1圖為本發明所提供之一種單迴路充電裝置之方塊圖；

第2圖為本發明所提供之一種單迴路充電方法的流程圖；

第3圖為本發明所提供之單迴路充電裝置的訊號模擬圖；

第4圖為本發明所提供之單迴路充電裝置的訊號模擬圖；

第5圖為本發明所提供之單迴路充電裝置的訊號模擬圖。

1000．．．充電系統

100．．．單迴路充電裝置

110．．．電流偵測電路

112．．．訊號產生器

120．．．參考電流產生器

130、170．．．比較器

140．．．參考電壓產生器

142．．．動態電壓產生器

144．．．定電壓產生器

145．．．判斷裝置

146、SW1-SWN．．．開關

150．．．濾波電路

160．．．分壓電路

180．．．控制邏輯電路

190．．．功率級電路

192、194．．．電晶體

200．．．電池

VCV．．．充電電壓

VCV’．．．已校正充電電壓

GND．．．接地

ICC．．．充電電流

R1-R5．．．電阻

L1．．．電感

C1．．．電容

N1．．．節點

VBAT．．．電池電壓

VBAT’．．．分壓

VCS．．．電壓比較訊號

ICS．．．電流比較訊號

Vxref、Vyref．．．參考電壓

Vyref1．．．動態電壓

Vyref2．．．定電壓

I1-IN．．．定電流源

IDS．．．電流偵測訊號

S1-S2．．．控制訊號

S3．．．判斷訊號

Claims (13)

1. 一種單迴路充電裝置，用以對一電池進行充電，包括：一電流偵測電路，用以偵測一充電電流，並根據上述充電電流產生一電流偵測訊號；一第一比較器，用以將上述電流偵測訊號與一第一參考電壓進行比較，並產生一電流比較訊號；一參考電壓產生器，用以根據上述電流比較訊號，產生一第二參考電壓，其中上述參考電壓產生器更包括：一動態電壓產生器，用以根據上述電流比較訊號產生一動態電壓；一定電壓產生器，用以產生一定電壓；以及一開關，用以當上述電池電壓未達到一既定電壓時，將上述動態電壓作為上述第二參考電壓並提供至上述第二比較器，以及當上述電池電壓達到上述既定電壓時，將上述定電壓作為上述第二參考電壓並提供至上述第二比較器；一第二比較器，用以將上述電池之一電池電壓與上述第二參考電壓進行比較，並產生一電壓比較訊號；一控制邏輯電路，用以根據上述電壓比較訊號，產生一組控制訊號；以及一功率級電路，用以接收一充電電壓，並根據上述控制訊號控制上述充電電壓，以產生一已校正充電電壓，其中上述充電電流係由上述已校正充電電壓所產生且用以對上述電池進行充電。
2. 如申請專利範圍第1項所述之單迴路充電裝置，其中 上述功率級電路更包括：一第一電晶體，具有一第一端耦接至上述充電電壓，一第二端耦接至上述電流偵測電路，以及一控制端耦接至上述控制邏輯電路；以及一第二電晶體，具有一第一端耦接至上述電流偵測電路，一第二端耦接至一接地，以及一控制端耦接至上述控制邏輯電路，其中上述第一以及第二電晶體用以根據上述控制訊號進行切換，以產生上述已校正充電電壓。
3. 如申請專利範圍第1項所述之單迴路充電裝置，其中上述電流偵測電路更包括：一電阻，具有一第一端耦接至上述功率級電路以及一第二端耦接至一節點；以及一訊號產生器，用以根據上述電阻以及上述充電電流所產生之一電壓降，產生相應於上述充電電流之上述電流偵測訊號，其中上述節點係用以連接上述電池。
4. 如申請專利範圍第1項所述之單迴路充電裝置，更包括一參考電流產生器，用以產生對應於一預定充電電流之上述第一參考電壓。
5. 如申請專利範圍第4項所述之單迴路充電裝置，其中上述參考電流產生器更包括：複數定電流源；複數開關，其中每一開關具有一第一端耦接於上述定電流源，以及一第二端；以及一電阻，具有一第一端耦接於每一上述開關之第二 端，以及一第二端耦接至一接地，其中上述開關用以根據一既定設定值，將上述定電流源中之一者或多者與上述電阻進行連接，並且上述電阻用以根據已連接之上述定電流源所輸出之電流產生上述第一參考電壓。
6. 如申請專利範圍第1項所述之單迴路充電裝置，更包括一濾波電路，用以對上述已校正充電電壓以及充電電流進行濾波。
7. 如申請專利範圍第6項所述之單迴路充電裝置，上述濾波電路更包括：一電感，具有一第一端耦接至上述電流偵測電路，以及一第二端耦接至一節點；一電容，具有一第一端耦接至上述節點，以及一第二端；以及一電阻，具有一第一端耦接至上述電容之第二端，以及一第二端耦接至一接地，其中上述節點係用以連接上述電池。
8. 如申請專利範圍第1項所述之單迴路充電裝置，更包括一分壓電路，用以對上述電池電壓進行分壓，並產生一分壓提供至上述第二比較器。
9. 如申請專利範圍第8項所述之單迴路充電裝置，上述分壓電路更包括：一第一電阻，具有一第一端耦接至一節點，以及一第二端；以及一第二電阻，具有一第一端耦接至上述第一電阻之第 二端，以及一第二端耦接至一接地，其中上述節點係用以連接上述電池。
10. 一種單迴路充電方法，其方法包括：偵測一充電電流，並根據上述充電電流產生一電流偵測訊號；將上述電流偵測訊號以及一第一參考電壓進行比較，並產生一電流比較訊號；根據上述電流比較訊號，產生一第二參考電壓，其中產生上述第二參考電壓之步驟更包括：當上述電池電壓未達到一既定電壓時，根據上述電流比較訊號產生一動態電壓作為上述第二參考電壓；以及當上述電池電壓達到上述既定電壓時，將一定電壓作為上述第二參考電壓；將一電池之一電池電壓與上述第二參考電壓進行比較，並產生一電壓比較訊號；根據上述電壓比較訊號，產生一組控制訊號；以及根據上述控制訊號以及一充電電壓產生一已校正充電電壓，其中上述充電電流係由上述已校正充電電壓所產生並用以對上述電池進行充電。
11. 如申請專利範圍第10項所述之單迴路充電方法，其中產生上述已校正充電電壓之步驟，更包括根據上述控制訊號進行切換，以產生上述已校正充電電壓。
12. 如申請專利範圍第10項所述之單迴路充電方法，其 中產生上述電流偵測訊號之步驟，更包括藉由上述充電電流流經一電阻所產生之一電壓降，產生相應於上述充電電流之上述電流偵測訊號。
13. 如申請專利範圍第10項所述之單迴路充電方法，其中產生上述第一參考電壓之步驟更包括：根據一既定設定值，將複數定電流源中之一者與一電阻進行導通；以及根據已導通之上述定電流源產生上述第一參考電壓。