TWI472122B - 電流調節系統 - Google Patents

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TWI472122B TW101147415A TW101147415A TWI472122B TW I472122 B TWI472122 B TW I472122B TW 101147415 A TW101147415 A TW 101147415A TW 101147415 A TW101147415 A TW 101147415A TW I472122 B TWI472122 B TW I472122B
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凃裕仁
劉衛宗
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Description

電流調節系統
本發明係關於一種電流調節系統，尤指一種藉由維持電阻之電壓為定值，進而調節出充電電池之充電電流曲線之電流調節系統。
隨著科技的發展與時代的進步，電子裝置的快速發展使得人們生活水準普遍提高，而現今隨著電子裝置的大量發展，充電電池也因而大量使用於電子裝置中，例如筆記型電腦、個人數位助理(Personal Digital Assistant；PDA)或手機等，其可再充電而重複使用之特性，使得人們在使用電子裝置更為方便，其中，在現有技術中，係藉由充電裝置對充電電池、或直接對裝設有充電電池之電子裝置進行充電。
請參閱第一圖，第一圖係顯示先前技術充電裝置對充電電池與對電子裝置之充電示意圖。如第一圖所示，充電裝置PA10係耦接於開關PA20以及充電控制電路PA30，充電電池PA40係耦接於開關PA20、充電控制電路PA30以及電子裝置PA50。其中，當充電裝置PA10以充電路徑L1對電子裝置PA50進行充電時，係可視為充電路徑L1上具有開關PA20，而由於現有技術中，充電裝置PA10對電子裝置PA50直接進行充電之轉換效率仍有待改進(例如是現有之行動電源對智慧型手機之充電效率仍不佳之問 題)，因此以改善此問題之技術解決方案因而被提出，例如是中華民國專利公告號第I221692號之「具有電流調節及溫度調節之充電系統」，其提出之「線性調節器」即為對開關PA20進行改良之方案。
另外，充電裝置PA10以充電路徑L2對充電電池PA40進行充電時，其係經由充電控制電路PA30針對充電電池PA40之狀況進行充電控制，藉以達到良好之充電效率，其中，為了達到更佳之充電效率，對於改進充電控制電路PA30之相關技術方案亦被提出，例如是美國專利公告號第7,161,393號，然而，其主要係藉由電壓判別進行輸出電流調節而達到提升充電效率之目的，但上述現有技術仍存在有定電壓充電模式以及定電流充電模式不能順暢地配合溫度之調節，因而具有迴路不穩之問題而使其仍有改善之空間。
有鑒於在習知技術中，由於仍具有迴路不穩之問題，緣此，本發明之主要目的係提供一種電流調節系統，其係藉由將電阻之電壓維持為定值，藉以調節電壓轉換電流以及溫度轉換電流，進而調節出充電電池之充電電流曲線，藉以降低迴路不穩之問題。
本發明為解決習知技術之問題，所採用之必要技術手段係提供一種電流調節系統，係用以調節出對一充電電池進行充電之一充電電流曲線，並耦接於一功率轉換器以及充電電池，用以接收功率轉換器之一輸入電壓，並用以輸出一輸出電壓至充電電池。電流調節系統包含一電流調節模組、一電壓轉電流調節模組、一溫度轉電流調節模組以及一電阻。電流調節模組係耦接於功率轉換器，用以在一定電流模式以及一定電壓模式時輸出一轉換電流，電壓轉電流調節模組係耦接於充電電池，用以在定電壓模式時，依據輸出電壓以及一第一參考電壓，產生並輸出一電壓轉換電流。
溫度轉電流調節模組係用以在該定電壓模式時，依據充電電池或充電系統之一溫度，產生並輸出一溫度轉換電流。電阻係耦接於電流調節模組、電壓轉電流調節模組以及溫度轉電流調節模組，用以接收轉換電流、電壓轉換電流以及溫度轉換電流，且電阻之一電阻電壓於迴路鎖定時係為一定值，據以在定電流模式以及定電壓模式下，調節電壓轉換電流與溫度轉換電流中之至少一者時，藉由維持定值使轉換電流逐漸變小，藉以在充電電池之電力充滿下，調節出充電電流曲線。
較佳者，上述之電流調節系統中，電流調節模組更包含一差動運算放大器以及一電晶體，差動運算放大器用以依據輸入電壓以及輸出電壓，輸出一控制電壓，而電晶體係耦接於差動運算放大器，用以依據控制電壓感測並控制 流過功率轉換器所產生之轉換電流。另外，電流調節系統更耦接於一補償電路，並且更包含一誤差放大器(Error Amplifier；EA)，誤差放大器係耦接於電流調節模組、電壓轉電流調節模組、溫度轉電流調節模組、電阻以及補償電路，並且具有一第二參考電壓，用以依據第二參考電壓以及電阻電壓，輸出一誤差電壓至補償電路以進行補償。
較佳者，上述之電流調節系統中，在定電流模式對充電電池充電時，轉換電流係完全流經電阻，而在輸出電壓達一第一閾值時，係對充電電池以定電壓模式進行充電，使電壓轉換電流流經電阻並逐漸放大而使轉換電流逐漸變小，在轉換電流流經電阻之值達一第二閾值時，充電電池之電力係充滿而調節出充電電流曲線。另外，電阻係為一電流電壓轉換器，電壓轉電流調節模組係為線性放大器(Linear Amplifier)、電壓電流轉換(Voltage to Current；VIC)電路以及運算互導放大器(Operational Transconductance Amplifiers；OTA)中之其中一者，而溫度轉電流調節模組係為正比絕對溫度(Proportional To Absolute Temperature；PTAT)電路以及反比絕對溫度(Complimentary To Absolute Temperature；CTAT)電路中之至少一者組合而成，藉以產生並輸出該溫度轉換電流。
較佳者，上述之電流調節系統之另一實施例中，在定電流模式對充電電池充電時，轉換電流係完全流經電阻，而在輸出電壓達一第一閾值時，係對充電電池以定電壓模式進行充電時，電壓轉換電流流經電阻並漸漸放大，且溫 度轉電流調節模組同時依據溫度而使溫度轉換電流漸漸放大，藉以使轉換電流漸漸變小，當轉換電流流經電阻之值達一第二閾值時，充電電池之電力係充滿而調節出充電電流曲線。
相較於習知技術，藉由本發明所提供之電流調節系統，利用將電阻之電壓維持為定值，藉以調節電壓轉換電流以及溫度轉換電流達到調節出充電電池之充電電流曲線之效，因此定電流模式、定電壓模式以及溫度調節模式可順利地同時發揮調節作用，且其不會彼此干擾或是彼此相互抑制而有回路不穩的現象發生，藉以降低迴路不穩之問題而提升充電效率。
本發明所採用的具體實施例，將藉由以下之實施例及圖式作進一步之說明。
由於本發明所提供之電流調節系統中，其組合實施方式不勝枚舉，故在此不再一一贅述，僅列舉較佳實施例來加以具體說明。
請一併參閱第二圖至第五圖，第二圖係顯示本發明電流調節系統之方塊電路示意圖，第三圖係顯示本發明充電電池電流曲線以及電流電壓曲線示意圖，第四圖係顯示本發明電壓轉電流調節模組之曲線示意圖。第五圖係 顯示本發明溫度轉電流調節模組之曲線示意圖。如圖所示，電流調節系統1係耦接於一功率轉換器(power converter)2、一補償電路3以及一充電電池4，用以接收功率轉換器2之一輸入電壓Vin，並用以輸出一輸出電壓Vout至充電電池4(輸出電壓Vout同時也為充電電池4之電池電壓)，並且用以調節出對充電電池4進行充電之一充電電流曲線100。具體而言，輸入電壓Vin係由功率轉換器2接收一電路(此電路為習知技術，不再予以贅述)所輸出之功率輸入電壓VIN 而輸出至電流調節系統1，而充電電池4可為市面上可進行充電之充電電池，在本發明較佳實施例中，充電電池4係為鋰電池。
電流調節系統1包含一電流調節模組11、一電壓轉電流調節模組12、電阻13、電阻14、一溫度轉電流調節模組15、一誤差放大器(Error Amplifier；EA)16以及一電阻17，電流調節模組11係耦接於功率轉換器2，並且包含一差動運算放大器111、一電晶體112、一電阻113以及一電阻114。差動運算放大器111係耦接於電晶體112(之控制端)、電阻113以及電阻114，電阻113係耦接於電阻114，並且形成類似差動輸入之模式，也就是說，在本發明較佳實施例中，輸入電壓Vin係位於電阻113以及電阻114之耦接處，並藉由分壓作為差動運算放大器111之其中之一輸入電壓(圖未示)，而輸出電壓Vout係作為差動運算放大器111之另一輸入電壓(圖未示)。
電壓轉電流調節模組12係耦接於電阻13、電阻14以 及充電電池4，而電阻13係耦接於電流調節模組11之電阻113，其中，在本發明較佳實施例中，電壓轉電流調節模組12係接收有一可調整大小之第一參考電壓Vref1以及輸出電壓Vout於電阻13以及電阻14之分壓VFB 。其中，電壓轉電流調節模組12係為線性放大器(Linear Amplifier)、電壓電流轉換(Voltage to Current；VIC)電路以及運算互導放大器(Operational Transconductance Amplifiers；OTA)中之其中一者，但不限於上述，任何可將電壓轉換為電流之電路均不脫離本發明之精神。
溫度轉電流調節模組15係耦接於電流調節模組11之電晶體112、以及電壓轉電流調節模組12，且溫度轉電流調節模組15可為正比絕對溫度(Proportional To Absolute Temperature；PTAT)電路以及反比絕對溫度(Complimentary To Absolute Temperature；CTAT)電路中之至少一者組合而成，也就是說，其係可經由正溫度係數之電路以及負溫度係數之電路組合而成。
誤差放大器16係耦接於溫度轉電流調節模組15、電流調節模組11之電晶體112、電壓轉電流調節模組12以及補償電路3。電阻17係耦接於電流調節模組11之電晶體112、電壓轉電流調節模組12、溫度轉電流調節模組15以及誤差放大器16，且電阻17之電阻電壓(圖未示)係為一定值，而誤差放大器16係接收有一可調整大小之第二參考電壓Vref2以及電阻17之電阻電壓，另外，在此值得一提的是，電阻17係為一電流電壓轉換器，也就是說，在 本發明較佳實施例中，電阻17係由電流電壓轉換器所構成，而在其他實施例中，電阻17可由其他電路所構成。功率轉換器2係包含有一感測模組21，而補償電路3係電性連接於功率轉換器2，其中，補償電路3係為習知技術，在此不再予以贅述。
其中，電流調節模組11用以在一定電流模式充電以及一定電壓模式充電時輸出一轉換電流I1，具體而言，差動運算放大器111用以依據輸入電壓Vin以及輸出電壓Vout(具體而言是依據輸入電壓Vin之分壓以及輸出電壓Vout)，輸出一控制電壓Vc，而電晶體112係依據控制電壓Vc控制流過電晶體112之功率轉換器2所產生之轉換電流I1，其中，其係依據控制電壓Vc而控制轉換電流I1流過電晶體112之大小。而電壓轉電流調節模組12用以在定電壓模式時，依據輸出電壓Vout以及第一參考電壓Vref1，產生並輸出電壓轉換電流I2。
而溫度轉電流調節模組15係用以產生並輸出溫度轉換電流I3；誤差放大器16係用以依據第二參考電壓Vref2以及電阻電壓，輸出一誤差電壓(圖未示)至補償電路3以進行補償，其如何補償非本專利欲討論之範圍，且其係為習知技術，在此不再予以贅述。另外，電阻17之電阻電壓於迴路鎖定時為定值，係用以在定電流模式以及定電壓模式下，藉由調節電壓轉換電流I2與溫度轉換電流I3中之至少一者(亦即可同時調整二者或其中一者)時，並藉由維持此定值而使轉換電流I1逐漸變小，藉以在充電電池 4之電力充滿下，調節出充電電流曲線100，其中，充電電力4之電力充滿係可藉由功率轉換器2之感測模組21的感測，而決定充電電池4之電力係為充滿而關閉定電壓模式，例如是感測轉換電流I1為初始之五分之一或十分之一，但不限於此。
具體而言，以僅調節電壓轉換電流I2為例，請進一步參閱第三圖，本發明較佳實施例之主要目的在於調節出充電電流曲線100，其初始對充電電池4進行充電時，係以定電流模式進行充電，在定電流模式對充電電池4充電時，轉換電流I1係完全流經電阻17，而在輸出電壓Vout達一第一閾值(例如是第三圖電流電壓曲線200所示之閾值電壓A，大約為4.10V，在4.10V前係為定電流模式，在4.10V後係為定電壓模式，閾值之值不限於上述)時，係對充電電池4以定電壓模式進行充電，藉由電壓轉電流調節模組12的調節，逐漸放大流經電阻17之電壓轉換電流I2(如第四圖所示之電壓轉換電流曲線300，第四圖所示僅為舉例，其並沒有與第三圖相匹配，且並非用以限定電壓轉換電流曲線300，其係視實務上之使用而有相對應之調整，且第四圖之橫軸係為輸出電壓Vout，在其他實施例中可為分壓VFB ，特此敘明)，而由於電阻17之電阻電壓需維持定值，因此使得轉換電流I1逐漸變小，在轉換電流I1流經電阻17之值達一第二閾值(例如是轉換電流I1之值為0或是為初始轉換電流I1之五分之一或十分之一，但不限於上述)時，充電電池4之電力係充滿而調節出充 電電流曲線100。
另外，再以同時調節電壓轉換電流I2以及溫度轉換電流I3為例，請進一步參閱第三圖以及第五圖，在初始以定電流模式對充電電池4充電時，轉換電流I1係完全流經電阻17，而在輸出電壓Vout達一第一閾值(即第三圖電流電壓曲線200所示之閾值電壓A，大約為4.10V，在4.10V前係為定電流模式，在4.10V後係為定電壓模式，但不限於上述)時，係對充電電池4以定電壓模式進行充電時，藉由電壓轉電流調節模組12的調節，漸漸放大流經電阻17的電壓轉換電流I2(如第四圖所示之電壓轉換電流曲線300)，且溫度轉電流調節模組15同時依據充電電池4(其他實施例可為充電系統)之溫度，使溫度轉換電流I3流經電阻17並使其漸漸放大(如第五圖所示之溫度轉換電流曲線400，第五圖所示僅為舉例，並非用以限定溫度轉換電流曲線400，其係視實務上之使用而有相對應之調整，特此敘明)，而為了使電阻17之電阻電壓維持定值，因而隨著電壓轉換電流I2以及溫度轉換電流I3的放大，使得轉換電流I1漸漸變小，而當轉換電流I1流經電阻17之值達一第二閾值(例如是轉換電流I1之值為0或是為初始轉換電流I1之五分之一或十分之一，但不限於上述)時，充電電池4之電力係充滿而調節出更依據充電電池4之溫度而充電之充電電流曲線100(即可建構出包含有電流、電壓以及溫度之三維曲線圖，而第三圖所示之充電電流曲線100並未繪示包含有溫度)。
綜合以上所述，藉由本發明所提供之電流調節系統1，利用將電阻17之電阻電壓維持為定值，藉以調節電壓轉換電流I2以及溫度轉換電流I3達到調節出充電電池4之充電電流曲線100之效，因此定電流模式、定電壓模式以及溫度調節模式可順利地同時發揮調節作用，且其不會彼此干擾或是彼此相互抑制而有回路不穩的現象發生，藉以降低迴路不穩之問題而提升充電效率。
藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。
PA10‧‧‧充電裝置
PA20‧‧‧開關
PA30‧‧‧充電控制電路
PA40‧‧‧充電電池
PA50‧‧‧電子裝置
1‧‧‧電流調節系統
11‧‧‧電流調節模組
111‧‧‧差動運算放大器
112‧‧‧電晶體
113‧‧‧電阻
114‧‧‧電阻
12‧‧‧電壓轉電流調節模組
13‧‧‧電阻
14‧‧‧電阻
15‧‧‧溫度轉電流調節模組
16‧‧‧誤差放大器
17‧‧‧電阻
2‧‧‧功率轉換器
21‧‧‧感測模組
3‧‧‧補償電路
4‧‧‧充電電池
100‧‧‧充電電流曲線
200‧‧‧電流電壓曲線
300‧‧‧電壓轉換電流曲線
400‧‧‧溫度轉換電流曲線
I1‧‧‧轉換電流
I2‧‧‧電壓轉換電流
I3‧‧‧溫度轉換電流
VIN ‧‧‧功率輸入電壓
Vin‧‧‧輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
Vc‧‧‧控制電壓
Vref1‧‧‧第一參考電壓
Vref2‧‧‧第二參考電壓
VFB ‧‧‧分壓
A‧‧‧閾值電壓
L1、L2‧‧‧充電路徑
第一圖係顯示先前技術充電裝置對充電電池與對電子裝置之充電示意圖；第二圖係顯示本發明電流調節系統之方塊電路示意圖；第三圖係顯示本發明充電電池電流曲線以及電流電壓曲線示意圖；第四圖係顯示本發明電壓轉電流調節模組之曲線示意圖；以及第五圖係顯示本發明溫度轉電流調節模組之曲線示意圖。
1‧‧‧電流調節系統
11‧‧‧電流調節模組
111‧‧‧差動運算放大器
112‧‧‧電晶體
113‧‧‧電阻
114‧‧‧電阻
12‧‧‧電壓轉電流調節模組
13‧‧‧電阻
14‧‧‧電阻
15‧‧‧溫度轉電流調節模組
16‧‧‧誤差放大器
17‧‧‧電阻
2‧‧‧功率轉換器
21‧‧‧感測模組
3‧‧‧補償電路
4‧‧‧充電電池
I1‧‧‧轉換電流
I2‧‧‧電壓轉換電流
I3‧‧‧溫度轉換電流
VIN ‧‧‧功率輸入電壓
Vin‧‧‧輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
Vc‧‧‧控制電壓
Vref1‧‧‧第一參考電壓
Vref2‧‧‧第二參考電壓
VFB ‧‧‧分壓

Claims (9)

  1. 一種電流調節系統，係用以調節出對一充電電池進行充電之一充電電流曲線，並耦接於一功率轉換器以及該充電電池，用以接收該功率轉換器之一輸入電壓，並用以輸出一輸出電壓至該充電電池，該電流調節系統包含：一電流調節模組，係耦接於該功率轉換器，用以在一定電流模式以及一定電壓模式時輸出一轉換電流；一電壓轉電流調節模組，係耦接於該充電電池，用以在該定電壓模式時，依據該輸出電壓以及一第一參考電壓，產生並輸出一電壓轉換電流；一溫度轉電流調節模組，係用以在該定電壓模式時，依據該充電電池之一溫度，產生並輸出一溫度轉換電流；以及一電阻，一端係耦接於該電流調節模組、該電壓轉電流調節模組以及該溫度轉電流調節模組，另一端係接地，該電阻用以接收該轉換電流、該電壓轉換電流以及該溫度轉換電流，且該電阻之一電阻電壓係為一定值，據以在該定電流模式以及該定電壓模式下，調節該電壓轉換電流與該溫度轉換電流中之至少一者時，藉由維持該定值使該轉換電流逐漸變小，藉以在該充電電池之電力充滿下，調節出該充電電流曲線。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電流調節系統，其中，該電流調節模組更包含一差動運算放大器以及一電晶體，該差動運 算放大器用以依據該輸入電壓以及該輸出電壓，輸出一控制電壓，而該電晶體係耦接於該差動運算放大器，用以依據該控制電壓控制流過該電晶體之該功率轉換器所產生之該轉換電流。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電流調節系統，其中，該電流調節系統更耦接於一補償電路。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之電流調節系統，其中，更包含一誤差放大器(Error Amplifier；EA)，係耦接於該電流調節模組、該電壓轉電流調節模組、該溫度轉電流調節模組、該電阻以及該補償電路，並且具有一第二參考電壓，用以依據該第二參考電壓以及該電阻電壓，輸出一誤差電壓至該補償電路以進行補償。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電流調節系統，其中，在該定電流模式對該充電電池充電時，該轉換電流係完全流經該電阻，而在該輸出電壓達一第一閾值時，係對該充電電池以定電壓模式進行充電，使該電壓轉換電流流經該電阻並逐漸放大而使該轉換電流逐漸變小，在該轉換電流流經該電阻之值達一第二閾值時，該充電電池之電力係充滿而調節出該充電電流曲線。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之電流調節系統，其中，在該定 電流模式對該充電電池充電時，該轉換電流係完全流經該電阻，而在該輸出電壓達一第一閾值時，係對該充電電池以定電壓模式進行充電時，該電壓轉換電流流經該電阻並漸漸放大，且該溫度轉電流調節模組同時依據該溫度而使該溫度轉換電流漸漸放大，藉以使該轉換電流漸漸變小，當該轉換電流流經該電阻之值達一第二閾值時，該充電電池之電力係充滿而調節出該充電電流曲線。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之電流調節系統，其中，該電阻係為一電流電壓轉換器。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之電流調節系統，其中，該電壓轉電流調節模組係為線性放大器(Linear Amplifier)、電壓電流轉換(Voltage to Current；VIC)電路以及運算互導放大器(Operational Transconductance Amplifiers；OTA)中之其中一者。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之電流調節系統，其中，該溫度轉電流調節模組係為正比絕對溫度(Proportional To Absolute Temperature；PTAT)電路以及反比絕對溫度(Complimentary To Absolute Temperature；CTAT)電路中之至少一者組合而成，藉以產生並輸出該溫度轉換電流。
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