TWI479774B - 用於提供系統功率和對電池進行充電的電路，及用於可攜式裝置的系統 - Google Patents

Description

用於提供系統功率和對電池進行充電的電路，及用於可攜式裝置的系統

本發明教示係關於用於電池的方法和系統。更特定而言，本發明教示係關於用於電池充電器的方法和系統、及包含相同電池充電器的系統。

隨著電子技術的進步，可攜式裝置係普遍存在的。如同一般所知者，此類行動裝置通常操作於由一電池提供的電力。已進行許多努力於延長電池的使用時間。行動裝置的使用者常遇到的現象為：當電池電壓低於最小可使用系統準位時，即使當該裝置連接至一外部電源，該裝置的「立即開啟(instant-on)」的功能係不可能達成的。在這些情況中，該裝置的一使用者在該裝置顯示任何對輸入功率的回應之前，必須等待電池充電至最小電池電壓。

第1圖(先前技術)描繪一傳統的充電器100以充電一電池160。傳統的電池充電器100包含：一責任週期產生器130、一輸入電流限制控制系統110、一降壓切換調整器120、一恆定充電電流放大器140、及一恆定電池電壓放大器150。在此充電器中，該責任週期產生器130係由該輸入電流限制控制系統110、該恆定充電電流放大器140、及該恆定電池電壓放大器150來控制。充電器100的責任週期控制降壓切換調整器120，其接續地控制至可攜式裝置的系統功率。

充電器100的責任週期係根據來自多個來源的回授資訊動態地調整。舉例而言，該恆定充電電流放大器140量測流經電池160的電流，及嘗試控制責任週期以使得流經電池160的電流保持為常數。除外，該恆定電池電壓放大器150量測電池160的電壓，及使用此資訊以控制責任週期以使得電池電壓保持為常數。再者，輸入電流限制控制系統110量測輸入電流，及使用此資訊以自動地控制由責任週期產生器130產生的責任週期。

詞彙「低層(lower deck)」意指一電池充電器當電池深度地放電時在其輸出所產生的最小電壓。在此示例說明的電池充電器中，當電池電壓低於下層時，將不具有傳送至可攜式裝置的系統功率，因為所有的功率藉由電池充電器100傳送至電池。因此，其具有前文根據用於電池充電器的先前技術解決方案所討論的問題。

在一可攜式裝置中，當一使用者施加外部電源至產品中，其當外部電源係可獲用時以充電低於最小使用系統準位的電池時而維持一最小系統電壓，促使一「立即開啟」操作。同時地，當系統負載超過一可程式化的輸入功率限制時，從該電池提供一理想二極體功能至該系統負載亦有利於該系統。

本發明教示係關於其中即使當電池電壓低於此準位時提供一電池充電器的一最小輸出電壓以供電一系統負載的方法和系統。本發明教示亦關於其中當限制傳送至一可攜式裝置的輸入功率時，可犠牲電池的充電電流以使得系統負載功率可優先化(prioritized)的方法和系統。本發明教示進一步關於其中當該系統負載超過可獲用功率時，電池充電電流減少至零，及接續地從該電池拉挽出功率以支援系統負載的方法和系統。意即，當此情況發生時，輸出電壓不再維持在最小所需系統準位，而是處於或低於電池準位。

在此揭露中，詞彙「低層」意指一電池充電器當電池深度地放電時在其輸出所產生的最小電壓。除外，可交換地使用詞彙「輸入功率限制」和「輸入電流限制」。再者，對一固定輸入電壓而言，輸入功率為恆定，僅調整輸入電流係等效於調整輸入功率。

第2圖係根據本發明教示的具體實施例的一電池充電器之一示例性實施200的方塊圖。在第2圖中，使用電池充電器200以充電一電池260。電池充電器200包含：一責任週期產生器230，其控制一降壓切換調整器220、各種子電路，其控制該責任週期產生器230，該子電路包含：一輸入電流限制控制系統210、一恆定充電電流放大器240、一恆定電池電壓放大器250、及一低層系統270，和用於控制在不同的情況中在電池和系統負載之間的功率分散的一理想二極體放大器280。

在示例性實施200中，如同可見者，責任週期產生器230連接至降壓切換調整器220功率輸出。由責任週期產生器230所產生的責任週期係根據不同的條件控制的。如同第2圖所示，責任週期產生器230根據在電池充電器200、基於流過該充電器至電池的量測電流之恆定充電電流放大器240、及基於在電池260上量測的電壓之恆定電池電壓放大器250的輸入處所量測到的輸入電流由輸入電流限制控制系統210來加以控制。

傳統上，流進用以重充電的電池之充電電流保持為一常數，及其可由恆定充電電流放大器240來達成。此外，亦確保在電池260所量測到的電池電壓處於一特定準位，及此可由恆定電池電壓放大器250來達成。如同在此所討論者，根據本發明教示，流至電池用以重充電的電流和在電池處所量測的電壓可隨情況改變。

低層系統270觀察系統負載和電池260的充電情況，及控制在系統功率和傳至電池用於重充電的功率之間的功率分散。舉例而言，當電池電壓低於低層，和系統負載需要功率時，可設計低層系統270以將電池從系統電源解耦合，以使得足夠量的功率傳送至可攜式裝置以允許其連續操作。可使用理想的二極體放大器280在特定情形中將系統電源與電池重耦合。此些將於後文中更為詳細地討論。

第3-8圖根據本發明教示的具體實施例描繪如第2圖所示例說明的不同系統元件的示例性實施。在揭露此些系統元件的示例性具體實施例之後，更為詳細地討論電路的功能性。第3圖描繪用於輸入電流限制控制系統210的一示例性電路。如同在此所揭露者，輸入電流限制控制系統210連接至責任週期產生器230和降壓切換調整器220二者。如在第3圖所示者，輸入電流限制控制系統210包含：二個電阻器R1 310和R2 330、一電流感測放大器320、及一參考電壓350，和一放大器A1 340。此些元件如同第3圖所示般連接。放大器A1 340的輸出連接至責任週期產生器230。電阻器R1的一端點連接至輸入電源，和電阻器R1的另一端點連接至降壓切換調整器220。

第4圖根據本發明教示的具體實施例描繪降壓切換調整器的示例性實施。示例性降壓切換調整器220包含：PMOS電晶體410和NMOS電晶體420、二極體430，其連接電晶體420的源極和汲極、及一子電路440，其包含如第4圖所示般連接的一電感器L1 450和一電容器C1 460。PMOS電晶體作用為一功率切換器。NMOS電晶體420作用為一同步整流器。在一些具體實施例中，子電路440可外部個別相接一電感器L1和一電容器C1。降壓切換調整器連接在輸入電源VIN至輸出功率VOUT之間。

電晶體410和420二者之間的閘極連接至責任週期產生器230。電晶體410的源極連接至輸入電流限制控制系統210。電晶體410的汲極連接至電晶體420的汲極，電晶體420的源極連接至接地。子電路440耦合至電晶體420和410的汲極，及其輸出連接至系統電源。在一些具體實施例中，當責任週期改變時，降壓切換調整器220從而需要一不同的實施，其可包含內部和可為典型的和用以實現切換電池充電器的外部元件二者。

第5圖根據本發明教示的具體實施例描繪恆定充電電流放大器240的示例性實施。示例性恆定充電電流放大器240包含：一電流感測放大器530、一電阻器R4 540、一放大器510、及一參考電壓520。該電流感測放大器530具有二個輸入端點。非反相輸入端點連接至系統電源和反相輸入端點連接至低層系統270。在正輸入和負輸入端點之間，存在一電阻器R3 550。跨過電阻器R3，該電流感測放大器240感測流至低層系統270的電流。

一旦其感測流至低層系統270的電流，該電流感測放大器530產生一輸出，及此輸出傳送至放大器510的反相輸入端點。放大器510係根據在從該電流感測放大器530在反相輸入端點所接收的訊號和透過參考電壓520在其正端點所提供的一參考之間的差來運作，其連接至放大器510的非反相端點和接地。電阻器R4 540連接在該電流感測放大器530的輸出和接地之間。放大器510的輸出傳送至責任週期產生器230以根據從系統電源流至低層系統270的感測電流來控制責任週期。

第6圖根據本發明教示的具體實施例描繪恆定電池電壓放大器250的一示例性實施。示例性恆定電池電壓放大器250於其輸入端連接至電池260，及在其輸出端連接至責任週期產生器230。初始地，恆定電池電壓放大器250包含：二個電阻器，R5 630和R6 640、一參考電壓620、及一放大器610。電阻器R5 630的一端點耦合至電池，及其它者則連接至放大器610的反相輸入端點。電阻器R6 640連接在放大器610的反相輸入端點和接地之間。參考電壓620連接在接地和放大器610的非反相輸入端點之間以提供一參考電壓。放大器610根據在其非反相輸入端點所提供的參考電壓和在電池上感測到及在非反相輸入端點上提供至它的電壓之差來操作。放大器A3 610的輸出傳送至責任週期產生器230。

第7圖根據本發明教示的具體實施例描繪低層系統270的一示例性實施。該示例性低層系統270包含：一PMOS電晶體710、一電流源720、二極體730、一放大器740、一電壓參考760、及二個電阻器R7 750和R8 770。其如同後文描述般連接。PMOS電晶體710的源極連接至恆定充電電流放大器240。PMOS電晶體710的汲極連接至電池。電流源720連接在系統電源和PMOS電晶體710的閘極之間，其亦可連接至理想二極體放大器280。二極體730的陽極連接至電晶體710的閘極，及二極體730的陰極連接至放大器740的輸出。在放大器的非反相輸入端點提供電壓參考VREF4 760。二個電阻器R7 750和R8 770串接於系統電源和接地之間。放大器740的反相輸入端點連接至電阻器750和770彼此相連接處。

第8圖根據本發明教示的具體實施例描繪理想二極體放大器280的一示例性實施。該示例性理想二極體放大器280包含：一放大器820和耦接至放大器的二極體810。放大器820的非反相輸入端點連接至一電壓參考830，其連接至系統電源。放大器的反相輸入端連接至電池260。二極體810的陽極連接至在低層系統270的PMOS電晶體710之閘極，及二極體810的陰極連接至放大器820的輸出。

第9圖根據本發明教示的具體實施例基於呈現於第3-8圖的示例性電路實施，描繪電池充電器200的整體示例性實施。在操作中，放大器610(A3)，連同在恆定電池電壓放大器250的電阻器R5 630和R6 640，偵測在電池電壓和參考源VREF3(620)之間的差，及產生一誤差訊號。可使用此誤差訊號控制一般使用於充電一鋰離子電池的恆定電流/恆定電壓演算法(未示出)的恆定電壓部份。

本發明教示的關鍵係關於低層系統270和理想二極體放大器280如何結合電路的其它部份操作。一般而言，期望由放大器610所控制的浮動電壓控制準位明顯大於低層系統準位。既為如此，期望恆定電池電壓放大器250中的浮動電壓放大器610和在低層系統270的放大器740獨立地與恆定充電電流放大器240互動，而非彼此間互動。如同不期望放大器610同時地與低層系統270操作，其操作細節在此不加以討論。

在恆定充電電流放大器240中，放大器A2或510，結合電流感測轉導放大器GM2或530、電阻器R3 550和R4 540，及參考源VREF2，產生一誤差訊號，其經使用以控制恆定電流/恆定電壓演算法的恆定電流部份，典型地被使用以充電鋰離子電池。使用此放大器和電路以轉換其輸出至一適當的切換責任週期係具有切換功率供應設計的通常知識者所習知的。該恆定定電流/恆定電壓演算法亦是具有線性鋰離子電池設計的通常知識者所習知的。

在輸入電流限制控制系統210中，該電流感測放大器GM1 320、放大器A1 340、電阻器R1 310和R2 330，及參考源VREF1促使切換調整器220以測量及控制其擁有的平均輸入電流。此特徵對一電池充電器並非一必要需求，而對符合特定工業標準(例如USB標準)係有用的。此能力在後續的概念中相對於一電池充電器提供額外的實用性。首先，其可允許調整器傳送恆定輸出功率，而非輸出電流。第二，其有助於控制從一電流限制源汲取的電流。前者係有用的因為其可最佳化來自一限制功率源的充電功率及因而亦最佳化充電時間。後者有用於最小化在輸入源上的設計需求，藉此減少其大小和成本。

在先前技術所習知者為：在一第一限制器組態中，各種控制放大器可耦合至功率開關(未示出)。意即，一切換調整器經可程式化以在缺乏任何控制訊號時傳送最大功率。當各種控制放大器的至少一者到達其調整點和指示調整器限制其輸出功率時，達成調整。如同第2圖和第4圖所示，當使用降壓切換調整器時，其導致責任週期的減少。如同將可所見者，輸入電流調整特徵(當與最小輸出電壓(例如低層)調整放大器(在第2圖的低層系統270)一起使用時)將產生一所欲和有用的行為集。

應可注意到所說明的在210中的輸入電流量測系統的示例性實施並非唯一的可能具體實施例。替代性的具體實施例亦可能達成相同的目標。舉例而言，一可能的替代性實施係使用一功率開關(例如在第4圖的電晶體410)為電流感測元件。

本發明教示的一重要元件係低層系統270，如同在此所討論者，包含：一放大器A4 740、電晶體MP2 710、電阻器R7 750、R8 770、參考電壓VREF4 760、一電流源I1 720、和二極體D1 730。低層系統270結合輸入電流限制系統210操作。在操作中，電晶體MP2 710的功能係(儘可能地為低阻抗)連接切換調整器的輸出至電池端點。此低阻抗連接確保最佳電池充電效率。其一般性地放置切換調整器的輸出電壓在為(或略高於)電池端點電壓。然而，當電池電壓低於可攜式產品可靠地操作的準位之下(例如低層)，可設計電晶體MP2 710以解耦合電池端點及切換調整器輸出以保留輸出電壓。

在低層系統270的放大器A4 740，結合電阻器750和770、VREF4、電流源I1 720和二極體D1 730，控制電晶體MP2 710的閘極，以使得當系統電壓VOUT落至低層電壓時，電晶體MP2的阻抗增加。此增加的阻抗影響此解耦合，其需使得一電池端點處於一電壓、及使得一輸出電壓處於一不同的及更佳較高的電壓。

電池充電器200在操作中執行的功能性根據不同的情況來討論。為了適當揭露此功能性，可考慮後續情況：

1.　電池電壓高於低層，系統負載加上可程式化的充電電流並不超過輸入功率限制。

2.　電池電壓高於低層，系統負載加上可程式化的充電電流超過輸入功率限制。單獨的系統負載和充電流不超過輸入功率限制。

3.　電池電壓高於低層，單獨的系統負載超過輸入功率限制。

4.　電池電壓高於低層，單獨的可程式化的充電電流超過輸入功率限制。

5.　電池電壓高於低層。單獨的系統負載和可程式化的充電電流超過輸入功率限制。

6.　電池電壓低於低層，系統負載加上可程式化的充電電流並不超過輸入功率限制。

7.　電池電壓低於低層，系統負載加上可程式化的充電電流超過輸入功率限制。單獨的系統負載和充電電流不超過輸入功率限制。

8.　電池電壓低於低層，單獨的系統負載超過輸入功率限制。

9.　電池電壓低於低層，單獨的可程式化的充電電流超過輸入功率限制。

10.　電池電壓低於低層。單獨的系統負載和可程式化的充電電流超過輸入功率限制。

電池充電器的操作將根據在後文詳細列出的情況的每一者加以討論。

情況1：

在此情況中，電池電壓高於低層電壓，和電池充電電流與系統負載的組合並不超過輸入電流限制特徵的可程式化準位。在此情況中，低層放大器儘可能低地拉挽電晶體MP2(710)的閘極(例如較佳地至接地)，使得電晶體MP2儘可能地導通。切換調整器的輸出電壓VOUT等於電池電壓加上充電電流乘上電晶體MP2和電阻器R3(550)的總電阻。

在此情況中，在恆定充電電流放大器240中的放大器A2(其經授與任務以調整充電電流)控制切換調整器的責任週期。電池接收針對其被可程式化的充電電流。當負載電流浮動時，輸出電壓亦將浮動以使得更多或較少的充電電流流動。在此情況中，放大器A2(510)將偵測流至電池的充電電流中的浮動，及重調整切換調整器220的責任週期以進行補償。在此情況中，無其它放大器在切換調整器220上產生任何影響。

情況2：

在此情況中，電池電壓高於低層電壓，及組合的負載電流和可程式化的充電電流超過輸入功率限制可程式準位，但單獨各者並不會超過。在這情形中，電晶體MP2 710的閘極仍然在接地附近，因為放大器A4(740)並不偵測低於低層準位的一輸出電壓。在此情形中，在輸入電流限制控制系統210中的放大器A1 340控制切換調整器的責任週期，及因而控制它的輸出功率。因為電池電壓係固定的，在此情況輸出電壓將稍微地下降，導致跨於來自電晶體MP2和電阻器R3的組合電阻足夠較低的電壓以支持可程式化的充電電流。然而，完整的負載電流將持續地供應至VOUT，因為在負載和電感器之間的直接連接給予其一高優先權。此外，在此情境中，放大器A2 510將強度地不被滿意的，藉此放棄控制切換調整器。因而，當設計電池充電器200時，在此情況中犠牲充電電流以受制於負載電流的較高優先權。

情況3：

在此情況中，電池電壓高於低層準位，及單獨的系統負載超過輸入功率限制。如同在情況2中，在此情形下，輸入電流限制控制系統210控制切換調整器220的責任週期。在低層系統270的電晶體MP2 710之閘極將接近接地。因為外部負載超過所配置的功率，輸出電壓VOUT將下拉及跨於電晶體MP2和電阻器R3的電壓將反轉。此電壓反轉導致係從電池汲取電流，而非傳送電流給電池。因此，藉由連接至負載和電池，及電晶體MP2 710和電阻器R3 550的非零阻抗的本質，在從輸入供應和電池260傳送功率至輸出處來實現自動的理想二極體功能。除了本發明拓撲的優點，此結果無需任何額外的決策元件而能達成。

此可考慮為一固有的零順向偏壓之理想二極體，因為其不具有一特定的臨界電壓偵測準位，而係取決於電阻性元件的本質行為。此外，可注意到在組合的情況1、2、和3中，當組合的負載電流和充電電流在輸入功率限制之上增加，充電電流自全部逐漸減少為部份、減少至零，及最後為負的以補充負載電流。情況1、2、和3之各者產生所欲行為，以使得輸出電壓從略高於電池電壓變為略低於電池電壓。

情況4：

在情況4中，單獨的可程式化電流超過輸入功率限制的可程式化。此為情況2的另一特殊情形，其中充電電流將自動地減少至由輸入電流限制控制系統210所指定的準位。在此情形中，電晶體MP2 710的閘極係位於接地，及輸出電壓VOUT係電池電壓加上具有的充電電流乘上電晶體MP2 710和電阻器R3 530的組合電阻。

情況5：

在此情形中，單獨的系統負載電流和可程式化的電池充電電流超過輸入功率限制，因而其總合亦是如此。如同在情況2中，輸入電流限制控制系統210控制切換調整器的責任週期，及電晶體MP2 710的閘極係位於接地。類似於情況3，輸出電壓在此情況中由系統負載拉挽出而低於電池端點電壓，及補充的功率將從電池供應至負載。可程式化充電電流亦超過輸入功率限制的事實係無關緊要的，因為在MP2-R3組合的反相電壓使得充電電流控制系統強度地不被滿意的(dissatisfied)，及因而係不作用的。

情況6：

情況6係其中電池電壓低於低層系統準位的第一情境。在此情形中，討論著重於當組合的負載電流和可程式化的充電電流並不超過由輸入功率限制控制系統210所使用的臨界值時發生了何種情況。

當電池電壓低於低層準位時，在低層系統270中的放大器A4 740允許I1在電晶體MP2 710的閘極上拉升，使其阻抗增加，以使得輸出VOUT並不降至低於可程式化的低層準位。意即，在電池260和輸出電壓VOUT之間的阻抗藉由MP2和放大器A4 740所欲地增加，以為了從輸出節點自輸出節點解耦合電池端點。如同前文所提及者，此耦合係必須的以在發生低電池電壓時維持輸出電壓。

在此情境中，如在情況1，在電池充電電流控制放大器240中的放大器A2 510控制切換調整器220的責任週期。不像在情況1中，在低層系統270中的放大器A4 740不再嘗試連接電晶體MP2的閘極到接地，而是調整其至需要用以維持輸出電壓的準位。

在此情形中，可作出一些有趣的觀察。首先，在低層系統270中的元件，其包含：一放大器A4 740、電晶體MP2 710、電阻器R7 750和R8 770、和VREF4，對切換調整器220的責任週期不具有直接的影響。意即，此為一完整的獨立電路。

第二，在低層系統270中的此些元件對一分流調整器具有一極大的相似性。特定而言，當電流供應至低層系統270的頂部，電壓係由放大器A4 740的高增益控制的調變MP2阻抗頗為精確地控制。在此網路和分流調整器之間的主要差異為：在一分流調整器中，電流一般性地傳送至接地(例如浪費者)，而在此網路中，其可傳送至電池及因而促使有用的功能性。

第三，具有如第2圖和第9圖所示的電池充電器中的充電電流控制迴路。特定而言，電阻器R3 550和R4 540、GM2 530和一放大器A2 510依然「看見(see)」一低阻抗負載。意即，並非如先前傳送一固定電流經過電阻器R3 550和電晶體MP2 710的低阻抗至電池，其目前傳送其電流至由電晶體MP2 710的轉導形成之「分流調整器」，其係由放大器A4 740的高增益所支持(backed up)。如此，在這情況中，分流調整器作用為電池的代理者：形成一新的低阻抗負載，其行為類似低阻抗電池，但具有一較高的端電壓。

情況7：

如同在情況2中，組合的系統負載和可程式化的充電電流超過輸入功率限制，然而單獨的各者皆不會超過。在此情形中，在輸入電流限制控制系統210中的放大器A1 340控制來自切換調整器220的功率準位。然而，在此情形中電池260低於低層準位。如同在情況6中，低層控制系統目前調整電晶體MP2 710的閘極，以為了要維持輸出電壓VOUT。情況7和情況6之間的差別係：因為不具有足夠的功率供應予組合的負載及充電電流，輸出電壓將略低於在情況6中的輸出電壓，其使得放大器A4 740以允許I1拉升電晶體MP2 710的閘極，藉此進一步增加MP2的阻抗。在電晶體MP2 710的阻抗之增加而後將有效地減少電池充電電流直到滿足系統負載。

情況8：

在情況8中，單獨的系統負載超過輸入功率限制。在此情況中，對切換調整器維持任何的輸入電壓而不妨礙或以某種方式影響輸入電流限制控制係不可能的。因此，輸出電壓將降至低於低層準位。一般而言，此情況代表來自一系統架構觀點的可攜式產品的一故障，因為其代表輸入功率源、及後續地輸入功率限制控制系統可程式化準位係設計為不足夠以提供最小需求功率至產品的情況。根據本發明教示，其揭露一明確的理想二極體功能：嘗試以反轉低層系統270的決策及重耦合電池和輸出電壓以提供緊急功率至系統負載。

注意到因為電池目前低於低層準位，當可攜式系統偵測到降低的電壓及作用為一系統重設或另外地為不正常的，傳送電池功率的嘗試為或不為成功的。亦注意到電池(處於其降低的充電狀態)能夠或不能夠供應需要的電流，而無需在電池電壓中進一步的突然降落。理想的二極體功能可仍然包含於商業上可獲用的產品，以使得一系統當電池進一步地載入它會引起危害而不能放電時，能夠低於低層準位來操作。

理想二極體的功能係由理想二極體放大器280來達成。如第8圖所示例說明者，該理想二極體放大器280可包含放大器A5 820和一參考電壓VREF5 830。當輸出電壓降落超過一特定量(例如15mV)，低於電池電壓，放大器A5 820拉挽電晶體MP2 710的閘極返回朝向接地，藉此重新連接電池和輸出電壓。在低層系統270中的放大器A4 740由於數種理由在此情況中並不影響此操作。由於在低層系統270中的二極體D1 730及在理想二極體放大器280中的D2 810的二極體之ORing功能，將互不影響。此外，因為電晶體放大器A4已處於其強烈不被滿意的狀態，其輸出電壓係一高準位。類似地，在前面的情況中，放大器A5 820並不影響放大器A4 740，其係因為當低層功能為作用時，VOUT總高於電池的電壓，及因此使得放大器A5 820總強烈地不被滿意。

情況9：

在情況9中，電池電壓低於低層準位及單獨的可程式化的充電電流超過輸入功率限制。在此情形中，如在情況4，該輸入電流限制控制系統210將控制切換調整器220的責任週期。因為此迴路將嘗試著減少責任週期，以為了要維持一最大輸入電流，輸出電壓可稍微地下降。當輸出電壓下降時，低層放大器A4 740可再度地允許I1提升電晶體MP2 710的閘極，其使得電晶體MP2 710變得較不具導通性。最後電晶體MP2 710的閘極，及從而電晶體MP2 710的阻抗可提升為足夠高以減少電池充電電流至由該輸入電流限制控制系統210所允許的一準位。此導致一充電電流低於可程式化的限制和輸出電壓等於低層準位。因為該充電電流目前低於該可程式化的準位，該恆定充電電流控制放大器240從而為強烈地不被滿意的，及因此將不影響該輸入電流限制控制系統210。

情況10：

在情況10中，單獨的可程式化的電池充電電流和系統負載電流皆超過輸入電流系統的限制。此情況非常類似於情形8，其中該負載電流拉挽輸出電壓降至低層準位，因而需要明確的理想二極體功能以重耦合(其係藉由電晶體MP2 710)電池端點至系統輸出節點VOUT。此情況亦些許表示在系統設計中的問題，因為低層限制被破壞及產品的正確操作可根據實際的電池電壓來妥協。

存在有一些實際上的問題。在情形6-10中，在低層系統270中的放大器A4 740係作用的，及電晶體MP2 710呈現高於其最小可達到值的一電阻。當此為該情形，橫跨在MP2的電壓不再最小化(例如其目前等於低層電壓減去電池電壓)，及因此其功率耗散不再最小化。對一高功率系統而言，很顯然地功率耗散變得很重要。此可具有一些負面的效應。舉例而言，電池充電器200目前為一切換電池充電器和一線性電池充電器的混合，及因此具有混合的效能。意即，其效能對既定條件而言將低於最大的可達到值。此外，需要設計解耦合電晶體MP2 710以阻止所發生的功率耗散直到電池端點電壓達到低層準位。它們為權衡問題：在不使用第二DC/DC轉換器，在可攜式產品內提供立即開啟功能。在一些具體實施例中，可使用一替代性的方法或電路以保護電晶體MP2 710，其減少該可程式化充電電流從一較高的值至一較低的值作為在低層電壓和電池端點電壓之間的差之函數。作為一權衡，此替代性方法可增加充電時間。

在一些具體實施例中，可考慮各種考量以為了消除此些負面的效應。舉例而言，低層電壓可設置為儘可地低，藉此促使混合電池充電器更為朝向一完全的切換充電器，而依然提供立即開啟行為的功能。一般而言，低層電壓可根據可攜式裝置可靠地運作的準位來決定。此外，因為當電池電壓非常低時，其一般會頗為快速地充電至低層電壓，該電池處於無效率模式的時間片段係相當短的。因此在一充電週期中的整體充電效率依然相當高。再者，若不期望該期間非常長的話，在傳輸元件(例如電晶體MP2 710)的功率耗散可不禁止的。

第10圖根據本發明教示的具體實施例顯示一可攜式裝置1000，其併入有能夠允許該可攜式裝置當電池電壓降低至低層時可運作的一電池充電器1010。在此組態中，該可攜式裝置1000包含一電池1020、一電池充電器1010、及一組部署的系統元件1030以為了供該可攜式裝置進行它們被設計以執行的功能。此系統元件的實例包含一些電腦螢幕1040、允許複數個應用模組1060和通訊模組1070操作的主電路1050。

在操作中，當可攜式裝置並不連接至任何外部電源供應，例如不具有傳至電池充電器的輸入功率，電池1020提供系統元件內部電源供應。當電池1020放電及具有一外部電源供應時，電池充電器1010充電該電池。當該電池深度地放電時，例如該電池的電壓低於低層，該電池充電器能夠從電池1020解耦合該系統電源，以使得足夠的電源供應傳送至系統元件以為了供它們持續地操作，及因而促使立即開啟功能。

在第10圖中的電池充電器1010根據本發明教示來建構，其在此根據第2-9圖來揭露。當根據特定示例說明的具體實施例描述了本發明，在此所使用的詞彙係描述性的詞彙，而非限制性的詞彙。可在隨附的申請專利範圍內作出改變，其係在不偏離本發明的態樣中之範圍和精神。雖然參照特定結構、步驟、和內容在此描述本發明，本發明並不限於特定揭露者，而是以各種方式體現，其中一些相當不同於此些所揭露的具體實施例，及延伸至所有等效結構、步驟、及內容，例如在隨附的申請專利範圍的範疇之內。

100．．．傳統的充電器

110．．．輸入電流限制控制系統

120．．．降壓切換調整器

130．．．責任週期產生器

140．．．恆定充電電流放大器

150．．．恆定電池電壓放大器

160．．．電池

200．．．電池充電器

210．．．輸入電流限制控制系統

220．．．降壓切換調整器

230．．．責任週期產生器

240．．．恆定充電電流放大器

250．．．恆定電池電壓放大器

260．．．電池

270．．．低層系統

280．．．理想二極體放大器

310．．．電阻器

320．．．電流感測放大器

330．．．電阻器

340．．．放大器

350．．．參考電壓

410．．．PMOS電晶體

420．．．NMOS電晶體

430．．．二極體

440．．．子電路

450．．．電感器

460．．．電容器

510．．．放大器

520．．．參考電壓

530．．．電流感測放大器

540．．．電阻器

550．．．電阻器

610．．．放大器

620．．．參考電壓

630．．．電阻器

640．．．電阻器

710．．．PMOS電晶體

720．．．電流源

730．．．二極體

740．．．放大器

750．．．電阻器

760．．．電壓參考

770．．．電阻器

810．．．二極體

820．．．放大器

830．．．電壓參考

1000．．．可攜式裝置

1010．．．電池充電器

1020．．．電池

1030．．．系統元件

所請求的發明及/或在此所描述者進一步根據示例性具體實施例描述。此些示例性具體實施例根據圖式更為詳細地描述。此些具體實施例係非限制示例性具體實施例，其中類似的參考編號代表在圖式中的數個視圖中類似的架構，及其中：

第1圖(先前技術)示例說明一傳統電池充電器的系統示意圖。

第2圖根據本發明的具體實施例教示描繪包含一電池和一電池充電器的一示例性系統示意圖。

第3圖根據本發明教示的具體實施例描繪用於一輸入電流限制控制系統的一示例性電路。

第4圖根據本發明教示的具體實施例描繪用於一降壓切換調整器的一示例性電路。

第5圖根據本發明教示的具體實施例描繪用於一恆定充電電流放大器的一示例性電路。

第6圖根據本發明教示的具體實施例描繪用於一恆定電池電壓放大器的一示例性電路。

第7圖根據本發明教示的具體實施例描繪用於一低層系統的一示例性電路。

第8圖根據本發明教示的具體實施例描繪用於一理想二極體放大器的一示例性電路。

第9圖根據本發明教示的具體實施例描繪用於一電池充電器的一示例性實施。

第10圖根據本發明教示的具體實施例顯示一可攜式裝置，其包含能夠允許該可攜式裝置當該電池電壓降低至低層時可操作的一電池充電器。

200．．．電池充電器

210．．．輸入電流限制控制系統

220．．．降壓切換調整器

230．．．責任週期產生器

240．．．恆定充電電流放大器

250．．．恆定電池電壓放大器

260．．．電池

270．．．低層系統

280．．．理想二極體放大器

Claims (15)

1. 一種用於提供系統功率和對一電池進行充電的電路，該電路包含：一切換調整器，該切換調整器經組態以根據一輸入功率和一責任週期傳送該系統功率；一責任週期產生器，該責任週期產生器經組態以回應於一輸入電流限制控制電路、一電池電流限制控制電路、及一電池電壓限制控制電路，而產生該責任週期以被使用於調整來自該電路的功率輸出；該輸入電流限制控制電路經組態以根據一輸入電流的限制，限制該責任週期；該電池電流限制控制電路經組態以根據一電池充電電流的限制，限制該責任週期；該電池電壓限制控制電路經組態以根據一電池電壓的限制，限制該責任週期；一可控制的阻抗元件，該可控制的阻抗元件用以公稱地(nominally)耦合該電池至該系統；及一輸出電壓調整電路，該輸出電壓調整電路經組態以控制該可控制的阻抗元件，該可控制的阻抗元件回應於該系統的該電壓下降至一系統電壓限制、或下降低於該系統電壓限制，而部份地或實質地從該系統解耦合該電池。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電路，其中該切換調整器係一降壓切換調整器。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電路，其中該輸入電流限制控制電路包含：一第一電流感測放大器，該第一電流感測放大器的非反相輸入連接至該輸入電源，該第一電流感測放大器的反相輸入耦接至該切換調整器；一第一電阻器，該第一電阻器連接該第一電流感測放大器的該非反相輸入和反相輸入；一第二電阻器，該第二電阻器連接該第一電流感測放大器的輸出和該接地；一第一放大器，該第一放大器的反相輸入連接至該第一電流感測放大器的輸出，該第一放大器的非反相輸入連接至一第一電壓參考，及該第一放大器的輸出連接至該責任週期產生器。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電路，其中該電池電流限制控制電路包含：一第二電流感測放大器，該第二電流感測放大器的非反相輸入連接至該系統電源，及該第二電流感測放大器的反相輸入連接至該可控制的阻抗元件；一第三電阻器，該第三電阻器連接該第二電流感測放大器的該非反相輸入和該反相輸入； 一第四電阻器，該四電阻器連接該第二電流感測放大器的輸出和該接地；一第二放大器，該第二放大器的反相輸入連接至該第二電流感測放大器的輸出，該第二放大器的非反相輸入連接至一第二參考電壓，及該第二放大器的輸出耦接至該責任週期產生器以控制該產生的責任週期。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電路，其中該電池電壓限制控制電路包含：一第三放大器，該第三放大器的輸出耦接至該責任週期產生器以控制該產生的責任週期，及該第三放大器的非反相輸入連接至一第三參考電壓；一第五電阻器，該第五電阻器連接至該第三放大器的一反相輸入和該電池；及一第六電阻器，該第六電阻器連接該第三放大器的該反相輸入和該接地。
6. 如申請專利範圍第4項所述之電路，其中該可控制的阻抗元件根據一第一PMOS電晶體來加以實施。
7. 如申請專利範圍第6項所述之電路，其中：該第一PMOS電晶體的源極連接至在該恆定充電電流放大器中的該第二電流感測放大器之該反相輸入，該第一PMOS電晶體的汲極連接至該電池，及該第一PMOS 電晶體的閘極連接至一理想二極體放大器；及該輸出電壓調整電路包含：一第一電流源，該第一電流源連接在該系統電源和該第一PMOS電晶體的該閘極之間；一第一二極體，該第一二極體的陽極連接至該第一PMOS電晶體的該閘極；一第四放大器，該第四放大器的非反相輸入耦接至一第四參考電壓，及該第四放大器的輸出連接至該第一二極體的陰極；第七電阻器和第八電阻器，該第七電阻器和該第八電阻器串聯地連接在該系統電源和該接地之間，及其中該第七電阻器和該第八電阻器彼此連接以耦接至該第四放大器的該反相輸入。
8. 如申請專利範圍第7項所述之電路，其中該電流源包含：至少一電晶體或一電阻器。
9. 如申請專利範圍第2項所述之電路，其中該降壓切換調整器包含：一第二PMOS電晶體，該第二PMOS電晶體的閘極耦接至該責任週期產生器，及該第二PMOS電晶體的源極耦接至該第一電流感測放大器的該反相輸入；一第一NMOS電晶體，該第一NMOS電晶體的閘極耦接至該責任週期產生器，該第一NMOS電晶體的源極連 接至該接地，及該第一NMOS電晶體的汲極連接至該第二PMOS電晶體的該汲極；及一子電路，該子電路耦接至該第二PMOS電晶體的該汲極和該系統電源。
10. 如申請專利範圍第9項所述之電路，其中該子電路包含：一電感器，該電感器的一端連接至該第二PMOS電晶體的該汲極，和該電感器的另一端連接至該系統電源；及一電容器，該電容器的一端連接至該系統電源和該電容器的另一端連接至該接地。
11. 如申請專利範圍第1項所述之電路，進一步包含：一理想二極體放大器。
12. 如申請專利範圍第11項所述之電路，其中該理想二極體放大器包含：一第五放大器，該第五放大器的非反相輸入藉由一電壓參考耦接至該系統電源，和該第五放大器的反相輸入連接至該電池；及一第二二極體，該第二二極體的陽極連接在該低層系統中的該第一二極體的陽極，和該第二二極體的陰極連接至該第五放大器的輸出。
13. 如申請專利範圍第12項所述之電路，其中該電壓參考被實現為在該第五放大器中的一偏移。
14. 一種用於一可攜式裝置的系統，該系統包含：複數個系統元件，該等系統元件經組態以促使複數個該可攜式裝置經設計以執行的功能；一電池，該電池經組態以提供一內部電源供應至該等複數個缺乏一外部輸入電源供應的系統元件；及一電池充電器，該電池充電器經組態以當該外部輸入電源供應為可獲用時，充電該電池，其中該電池充電器當被充電的該電池的電壓低於限制時能夠提供系統功率至該等系統元件，藉此允許該等系統元件當該電池的電壓降至低於限制時能進行操作；其中該電池充電器包含：一切換調整器，該切換調整器經組態以根據一輸入功率和一責任週期傳送該系統功率；一責任週期產生器，該責任週期產生器經組態以回應於一輸入電流限制控制電路、一電池電流限制控制電路、及一電池電壓限制控制電路，而產生該責任週期以被使用於調整來自該電路的功率輸出；該輸入電流限制控制電路經組態以根據一輸入電流的限制，來限制該責任週期；該電池電流限制控制電路經組態以根據一電池充電電 流的限制，來限制該責任週期；該電池電壓限制控制電路經組態以根據一電池電壓的限制，來限制該責任週期；一可控制的阻抗元件，該可控制的阻抗元件用以公稱地(nominally)耦合該電池至該系統；及一輸出電壓調整電路，該輸出電壓調整電路經組態以控制該可控制的阻抗元件，該可控制的阻抗元件當該系統的電壓下降至一系統電壓限制、或下降低於該系統電壓限制時，部份地或實質地從該系統解耦合該電池。
15. 如申請專利範圍第14項所述之系統，其中該等複數個系統元件包含：一顯示螢幕，該顯示螢幕經組態以顯示資訊；一或多個應用模組，該等應用模組部署在該可攜式裝置上及經組態以執行該可攜式裝置被設計以執行的至少一些功能；一主要電路，該主要電路經組態以執行該等一或多個應用模組的至少一些者；及一或多個通訊模組，該等通訊模組經組態以促進該可攜式裝置以進行通訊。