TWI532293B - 充電方法及應用其之可攜式電子裝置 - Google Patents

充電方法及應用其之可攜式電子裝置 Download PDF

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TWI532293B
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洪祥睿
涂維辰
蔡明廷
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華碩電腦股份有限公司
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Description

充電方法及應用其之可攜式電子裝置
本案是有關於一種電源供應技術，且特別是有關於一種可攜式電子裝置的充電方法及應用其之可攜式電子裝置。
隨著科技的發展，各式各樣的可攜式電子裝置，例如平板型電腦(tablet computer)、個人數位化助理(personal digital assistant,PDA)、筆記型電腦(laptop computer)及智慧型手機(smart phone)等，已成為現代生活中不可或缺的工具。
在可攜式電子裝置的應用中，若電池容量越大即需要較長的充電時間，因此若要同時兼具電池容量與充電效率的考量，勢必要在充電效率上有所改善。
一般的電池模組會在低電量的時候先以預充電模式進行充電，待電量/電池電壓達到一定範圍後，再改以定電流充電模式進行充電，並且在電池電壓趨近於飽充電壓時，改以定電壓充電模式及/或涓流充電模式進行充電，直到電池模組充電完成。
相較於定電壓充電模式而言，以定電流充電模式進行充電可快速的提高電池模組的電量。其中，定電流充電模式與定電壓充電模式之間的切換通常是依據電池模組的電池電壓來決定。然而，因為偵測到的電池電壓並不能反應電池模組本身的真實電壓，而是還會受到電池模組內部的內阻造成的跨壓影響。所以在現有的充電手段下，充電控制模組通常都會在電池模組的真實電壓達到預設的飽充電壓之前，提早進入定電壓充電模式，從而降低了電池模組的充電速率。
本案提供一種可攜式電子裝置的充電方法及應用其之可攜式電子裝置，其可動態地調整最大充電電壓的設定值，藉以延長定電流充電的時間以提高電池模組的充電速率。
本案的可攜式電子裝置的充電方法適用於對可攜式電子裝置的電池模組進行充電。所述充電方法包括以下步驟：偵測電池模組的電池電壓與充電電流；依據電池電壓判斷可攜式電子裝置是否操作於定電流充電模式；當可攜式電子裝置操作於定電流充電模式時，進入過壓保護充電迴圈，藉以令電池模組依據最大充電電壓進行定電流充電，直至充電電流小於預設電流時，離開過壓保護充電迴圈，其中最大充電電壓的設定值會依據電池電壓與過充保護電壓的比較結果逐步地調降；以及在離開過壓保護充電迴圈後，將最大充電電壓設定為飽充電壓。
本案的可攜式電子裝置包括功能模組、電池模組以及充電控制模組。電池模組，耦接功能模組，用以供電給功能模組使用。充電控制模組，耦接電池模組，用以對電池模組進行充電，其中充電控制模組偵測電池模組的電池電壓與充電電流，並且依據電池電壓判斷可攜式電子裝置是否操作於定電流充電模式。當可攜式電子裝置操作於定電流充電模式時，充電控制模組進入過壓保護充電迴圈，藉以依據最大充電電壓對電池模組充電，直至充電電流小於預設電流時，充電控制模組離開過壓保護充電迴圈，並且在離開過壓保護充電迴圈後，將最大充電電壓設定為飽充電壓。在過壓保護充電迴圈中，充電控制模組會依據電池電壓與過充保護電壓的比較結果逐步地調降最大充電電壓的設定值。
基於上述，本案實施例提出一種可攜式電子裝置的充電方法及應用其之可攜式電子裝置。所述充電方法可藉由過壓保護充電迴圈的執行，透過比較電池電壓與過充保護電壓以逐步調降最大充電電壓的設定值的方式，使得電池模組的真實電壓可被充至趨近於飽充電壓時才進入定電壓充電模式。因此，無論電池模組的實際內阻為何，其內阻所造成的阻抗效應皆能有效地被補償，從而延長電池模組定電流充電的時間，藉以提升充電效率。
為讓本案的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
100‧‧‧可攜式電子裝置
110‧‧‧功能模組
120‧‧‧電池模組
130‧‧‧充電控制模組
132‧‧‧電源轉換電路
134‧‧‧功率開關
136‧‧‧控制電路
DC_in‧‧‧直流電源
N‧‧‧係數
K‧‧‧阻抗補償係數
RBAT‧‧‧內阻
RSET‧‧‧預設補償阻抗
t0、t1、t2、t3、t4、t5、t6‧‧‧時間
VCOMP‧‧‧阻抗補償電壓
VBAT‧‧‧電池電壓
VBAT’‧‧‧電池模組的真實電壓
VCHG‧‧‧最大充電電壓
VFLT‧‧‧飽充電壓
IBAT‧‧‧充電電流
IFC‧‧‧飽充電流
VLIM‧‧‧下限電壓
Sc‧‧‧控制訊號
S201~S207‧‧‧充電方法的步驟
S2041~S2046‧‧‧執行過壓保護充電迴圈的步驟
圖1為本案一實施例的可攜式電子裝置的示意圖。
圖2為本案一實施例的可攜式電子裝置的充電方法的步驟流程圖。
圖3為本案一實施例的可攜式電子裝置的執行過壓保護充電迴圈的步驟流程圖。
圖4為本案一實施例的可攜式電子裝置的充電時序示意圖。
為了使本揭露之內容可以被更容易明瞭，以下特舉實施例做為本揭露確實能夠據以實施的範例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件/步驟，係代表相同或類似部件。
圖1為本案一實施例的可攜式電子裝置的示意圖。請參照圖1，本實施例的可攜式電子裝置100適於從外部接收運作所需的直流電源DC_in(可例如由電源轉接器所提供)，並將其轉換為適於供給內部電路運作及/或提供給電池模組進行充電的工作電源。於此，所述可攜式電子裝置100可例如為筆記型電腦、平板電腦、智慧型手機、個人數位助理(PDA)或遊戲機等各式電子裝置，本案不以此為限。
在本實施例中，可攜式電子裝置100可例如是經由電源 轉接器(未繪示)獲取交流電源(如市電)，藉以利用交流電源作為可攜式電子裝置100運作及充電的供電來源。
具體而言，本實施例的可攜式電子裝置100包括功能模組110、電池模組120以及充電控制模組130。功能模組110是可攜式電子裝置100中用以提供特定功能的硬體部分，其例如包括中央處理器(CPU)、晶片組(chipset)、記憶體、硬碟等。電池模組120是用以在可攜式電子裝置100未經由電源轉接器連接外部交流電源時，作為可攜式電子裝置100的主要供電來源。在可攜式電子裝置100連接外部交流電源時，電池模組120受控於充電控制模組130而進行充電的動作。
充電控制模組130耦接電池模組120。充電控制模組130用以於電源轉接器連接至電源輸入端時，接收電源轉接器所提供的電源，並據以供電予功能模組110使用及/或對電池模組120進行充電。更具體地說，在對電池模組120進行充電的過程中，本實施例的充電控制模組130會偵測電池模組120的電池電壓VBAT與充電電流IBAT，藉以在定電流充電模式(constant current mode，CC mode)下動態地調整所設定的最大充電電壓，從而改善電池模組120的內阻(如RBAT)所造成的阻抗效應以提高充電速度。
詳細而言，在本實施例的充電控制模組130中，包括電源轉換電路132、功率開關134以及控制電路136。電源轉換電路132用以接收直流電源DC_in，並且受控於控制電路136而將直流電源DC_in轉換為工作電源。功率開關134耦接電源轉換電路132 以接收工作電源。其中，功率開關134會反應於控制電路136所提供的控制訊號Sc而切換，藉以控制提供給電池模組120的工作電源，從而令電池模組120的充電行為可依據控制電路136所提供的控制訊號Sc而改變。控制電路136用以控制電源轉換電路132的電源轉換，並且提供控制訊號Sc來控制功率開關134的切換。其中，控制電路136會偵測電池模組120的電池電壓VBAT與充電電流IBAT，藉以作為調整控制訊號Sc的依據。
藉由上述的硬體運作方式，所述充電控制模組130可經設計而執行如圖2所示之步驟流程，其中，圖2為本案一實施例的可攜式電子裝置的充電方法的步驟流程圖。
請同時參照圖1與圖2，首先，充電控制模組130會偵測電池模組的電池電壓VBAT與充電電流IBAT(步驟S201)，並且依據電池電壓VBAT判斷可攜式電子裝置100是否操作於定電流充電模式(步驟S202)。當充電控制模組130判定可攜式電子裝置100並非操作於定電流充電模式時，表示可攜式電子裝置100當前可能操作於預充電模式(pre-charge mode)、定電壓充電模式(constant voltage mode，CV mode)或已充電完成。當充電控制模組130判定可攜式電子裝置100操作於定電流充電模式時，充電控制模組130會先執行軟啟動(soft start)(步驟S203)，再進入過壓保護充電迴圈，藉以令電池模組120依據最大充電電壓進行定電流充電(步驟S204)。其中，在過壓保護充電迴圈中，充電控制模組130會依據電池電壓VBAT與過充保護電壓的比較結果逐步地調降最大 充電電壓的設定值，使得電池電壓VBAT與充電電流IBAT也隨之逐步降低，直至充電電流IBAT小於預設電流時，才離開過壓保護充電迴圈。
在離開過壓保護充電迴圈後，充電控制模組130，會將最大充電電壓設定為飽充電壓(步驟S205)(即，進入定電壓充電模式)，使得電池模組120繼續依據飽充電壓進行定電壓充電，並且進一步判斷電池電壓VBAT與充電電流IBAT是否符合飽充條件(步驟S206)。當充電控制模組130判定電池電壓VBAT與充電電流IBAT至少其中之一不符合飽充條件時，充電控制模組130會重新進入過壓保護充電迴圈，以進行定電流充電。反之，當充電控制模組130判定電池電壓VBAT與充電電流IBAT皆已符合飽充條件時，表示電池模組120已經充電完成，因此充電控制模組130會停止對電池模組120進行充電(步驟S207)。
在所述充電手段中，無論電池模組120的實際內阻RBAT為何，充電控制模組130皆可以在過壓保護充電迴圈中，藉由逐步調降最大充電電壓的設定值，令電池模組120的真實電壓VBAT’(即，不考慮內阻RBAT時的電池跨壓)趨近於飽充電壓時才進入定電壓充電模式，使得內阻RBAT所造成的阻抗效應能有效地被補償，從而延長電池模組120定電流充電的時間。
更詳細地說，在本案的充電方法中，控制電路136可先藉由判斷電池電壓VBAT是否位於預設電壓範圍(例如從一預設下限電壓(如3V)至飽充電壓之間的電壓範圍)來判別可攜式電子 裝置100是否操作於定電流充電模式。其中，當電池電壓VBAT位於預設電壓範圍內時，則控制電路136會判定可攜式電子裝置100操作於定電流充電模式。反之，當電池電壓VBAT位於預設電壓範圍外時，控制電路136會判定可攜式電子裝置100非操作於定電流充電模式。
當控制電路136判定可攜式電子裝置100操作於定電流充電模式下時，控制電路136會先對功率開關134執行軟啟動(步驟S203)，藉以避免功率開關134在切換時產生浪湧電流(inrush current)。接著，控制電路136會進入過壓保護充電迴圈(步驟S204)。底下以圖3的步驟流程搭配圖4的電源時序來進一步說明本案的過壓保護充電迴圈的具體技術。
請同時參照圖3與圖4，在過壓保護充電迴圈中(步驟S204)，首先，控制電路136會依據飽充電壓VFLT、阻抗補償電壓VCOMP以及阻抗補償係數K設定最大充電電壓VCHG(步驟S2041)。所設定的最大充電電壓VCHG可利用下式表示：VCHG=VFLT+K×VCOMP (1)
其中，阻抗補償係數K在實際的應用中可設定為1.5，但本案不僅限於此。另外，在本實施例中，所述阻抗補償電壓VCOMP是依據充電電流IBAT與預設補償阻抗(根據電池模組120的內阻RBAT設定，以RSET表示之)所計算，其可以下式表示：VCOMP=IBAT×RSET (2)
在設定完最大充電電壓VCHG之後，控制電路136即會導 通功率開關134，並且控制電源轉換電路132會依據所設定的最大充電電壓VCHG對電池模組120進行定電流充電。此時，控制電路136會持續地偵測並判斷電池電壓VBAT是否大於過充保護電壓VOVP(步驟S2402)。
如圖4所示，在時間t0至t1的期間內，由於電池電壓VBAT尚未達到最大充電電壓VCHG並且未超過過充保護電壓VOVP，故此期間內電池電壓VBAT會從下限電壓VLIM(例如為3V)隨時間逐漸升高。接著，在時間t1至t2的期間內，電池電壓VBAT達到最大充電電壓VCHG，但尚未超過過充保護電壓VOVP。此時控制電路136會接著判斷充電電流IBAT是否小於預設電流(步驟S2043)，其中預設電流可定義為N倍的飽充電流IFC，N為可由設計者自行定義的係數(實際應用中可例如設定為N=4，但不僅限於此)。
若控制電路136判定充電電流IBAT大於等於預設電流，則控制電路136會控制電源轉換電路132持續以定電流對電池模組120充電，並且繼續判斷電池電壓VBAT是否大於過充保護電壓VOVP。另一方面，若控制電路136判定電池電壓VBAT大於過充保護電壓VOVP，控制電路136會截止功率開關134，藉以暫停對電池模組120進行充電(步驟S2044)，並且接著判斷阻抗補償係數K是否小於等於預設值(例如為1)(步驟S2045)。
在阻抗補償係數K大於預設值的情況下，控制電路136會調降一階的阻抗補償係數K(例如調降0.1，但本案不僅限於此) (步驟S2046)，然後再回到步驟S2041，藉以基於調整後的阻抗補償係數K重新計算最大充電電壓VCHG。如圖4的t2至t3期間、t3至t4期間以及t4至t5期間，最大充電電壓VCHG會逐階的下降，使得電池電壓VBAT與充電電流IBAT也隨之下降。
在阻抗補償係數K小於等於預設值的情況下，控制電路136則不會再調降阻抗補償係數K，而是直接回到設定最大充電電壓VCHG的步驟S2041。
在逐階調降阻抗補償係數k後，電池模組120的充電電流IBAT會於電量充至一定程度時較為快速的降低(如t4至t5的期間)，而控制電路136會在偵測到充電電流IBAT小於預設電流時，判定電池模組120的真實電壓VBAT’已達到飽充電壓VFLT，並接著將最大充電電壓VCHG設定為飽充電壓VFLT，以改為利用定電壓充電模式對電池模組120進行充電(步驟S205)。
在定電壓充電模式下，充電電流IBAT同樣會持續地逐漸降低，而控制電路136於此階段會進一步判斷電池電壓VBAT與充電電流IBAT是否符合飽充條件(步驟S206)。更進一步地說，在步驟S206中，控制電路136會判斷電池電壓VBAT是否大於等於飽充電壓VFLT，並且充電電流IBAT是否小於飽充電流IFC。當控制電路136偵測到電池電壓VBAT小於飽充電壓VFLT，或充電電流IBAT大於等於飽充電流IFC時，表示電池模組120尚未充至滿電量，因此控制電路136會判定電池電壓VBAT與充電電流IBAT至少其中之一不符合飽充條件，並且回到步驟S204。如圖4的時間t5至t6， 於此期間電源轉換電路132會持續以定電壓充電模式對電池模組120充電。另一方面，當控制電路136偵測到電池電壓VBAT大於等於飽充電壓VFLT，並且充電電流IBAT小於飽充電流IFC時，表示電池模組120已經充電完成，因此控制電路136會判定電池電壓VBAT與充電電流IBAT同時符合飽充條件，並且令電源轉換電路132停止對電池模組120繼續充電(步驟S207)。
於此值得一提的是，電池電壓VBAT只有在充電的起始期間(t0至t1期間)，以及因為過充而持續升高至超過過充保護電壓VOVP的期間會與最大充電電壓VCHG有所差異。其中，為令圖式清楚，電池電壓VBAT持續升高至超過過充保護電壓VOVP的期間於圖4中係以圈選的方式表示。因此，在時間t1之後的期間，最大充電電壓VCHG與電池電壓VBAT皆繪示為相互重疊，於此合先敘明。
綜上所述，本案實施例提出一種可攜式電子裝置的充電方法及應用其之可攜式電子裝置。所述充電方法可藉由過壓保護充電迴圈的執行，透過比較電池電壓與過充保護電壓以逐步調降最大充電電壓的設定值的方式，使得電池模組的真實電壓可被充至趨近於飽充電壓時才進入定電壓充電模式。因此，無論電池模組的實際內阻為何，其內阻所造成的阻抗效應皆能有效地被補償，從而延長電池模組定電流充電的時間，藉以提升充電效率。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的 精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
S201~S207‧‧‧充電方法的步驟

Claims (18)

  1. 一種可攜式電子裝置的充電方法，適於對該可攜式電子裝置的一電池模組進行充電，該充電方法包括：偵測該電池模組的一電池電壓與一充電電流；依據該電池電壓判斷該可攜式電子裝置是否操作於一定電流充電模式；當該可攜式電子裝置操作於該定電流充電模式時，進入一過壓保護充電迴圈，藉以令該電池模組依據一最大充電電壓進行定電流充電，直至該充電電流小於一預設電流時，離開該過壓保護充電迴圈，其中該最大充電電壓的設定值會依據該電池電壓與一過充保護電壓的比較結果逐步地調降；以及在離開該過壓保護充電迴圈後，將該最大充電電壓設定為一飽充電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的可攜式電子裝置的充電方法，其中進入該過壓保護充電迴圈，藉以令該電池模組依據該最大充電電壓進行定電流充電，直至該充電電流小於一預設電流時，離開該過壓保護充電迴圈的步驟包括：依據該飽充電壓、一阻抗補償電壓以及一阻抗補償係數設定該最大充電電壓；判斷所設定的該最大充電電壓是否大於該過充保護電壓；當該最大充電電壓小於等於該過充保護電壓時，調降該阻抗補償係數，並且回到設定該最大充電電壓的步驟； 當該最大充電電壓大於該過充保護電壓時，判斷該充電電流是否小於該預設電流；以及若該充電電流小於該預設電流，離開該過壓保護充電迴圈。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的可攜式電子裝置的充電方法，其中調降該阻抗補償係數的步驟包括：暫停對該電池模組進行充電；判斷該阻抗補償係數是否小於等於一預設值；當該阻抗補償係數大於該預設值時，調降一階的該阻抗補償係數，並且回到設定該最大充電電壓的步驟；以及當該阻抗補償係數小於等於該預設值時，直接回到設定該最大充電電壓的步驟。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的可攜式電子裝置的充電方法，其中該阻抗補償電壓係依據該充電電流與一預設補償阻抗所計算。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的可攜式電子裝置的充電方法，更包括：判斷該電池電壓與該充電電流是否符合一飽充條件；當該電池電壓與該充電電流至少其中之一不符合該飽充條件時，重新進入該過壓保護充電迴圈；以及當該電池電壓與該充電電流同時符合該飽充條件，停止對該電池模組進行充電。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的可攜式電子裝置的充電方 法，其中判斷該電池電壓與該充電電流是否符合該飽充條件的步驟包括：判斷該電池電壓是否大於等於該飽充電壓，並且該充電電流是否小於一飽充電流。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的可攜式電子裝置的充電方法，其中依據該電池電壓判斷該可攜式電子裝置是否操作於該定電流充電模式的步驟包括：判斷該電池電壓是否位於一預設電壓範圍。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的可攜式電子裝置的充電方法，其中在判定該可攜式電子裝置操作於該定電流充電模式後，該充電方法更包括：在進入該過壓保護充電迴圈之前，執行一軟啟動(soft start)。
  9. 一種可攜式電子裝置，包括：一功能模組；一電池模組，耦接該功能模組，用以供電給該功能模組使用；以及一充電控制模組，耦接該電池模組，用以對該電池模組進行充電，其中該充電控制模組偵測該電池模組的一電池電壓與一充電電流，並且依據該電池電壓判斷該可攜式電子裝置是否操作於一定電流充電模式，其中，當該可攜式電子裝置操作於該定電流充電模式時，該充電控制模組進入一過壓保護充電迴圈，藉以依據一最大充電電 壓對該電池模組充電，直至該充電電流小於一預設電流時，該充電控制模組離開該過壓保護充電迴圈，並且在離開該過壓保護充電迴圈後，將該最大充電電壓設定為一飽充電壓，其中，在該過壓保護充電迴圈中，該充電控制模組會依據該電池電壓與一過充保護電壓的比較結果逐步地調降該最大充電電壓的設定值。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的可攜式電子裝置，其中該充電控制模組包括：一電源轉換電路，接收一直流電源，並且將該直流電源轉換為一工作電源；一功率開關，耦接該電源轉換電路以接收該工作電源，並且反應於一控制訊號而切換，藉以控制提供給該電池模組的該工作電源；以及一控制電路，用以控制該電源轉換電路的電源轉換，並且提供該控制訊號來控制該功率開關的切換，其中該控制電路偵測該電池模組的該電池電壓與該充電電流，藉以作為調整該控制訊號的依據。
  11. 如申請專利範圍第9項所述的可攜式電子裝置，其中在該過壓保護充電迴圈中，該充電控制模組依據該飽充電壓、一阻抗補償電壓以及一阻抗補償係數設定該最大充電電壓，接著判斷所設定的該最大充電電壓是否大於該過充保護電壓，其中當該最大充電電壓小於等於該過充保護電壓時，該充電控制模組調降該 阻抗補償係數，藉以基於對應的最大充電電壓對該電池模組充電。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的可攜式電子裝置，其中當該最大充電電壓大於該過充保護電壓時，該充電控制模組更判斷該充電電流是否小於該預設電流值；若該充電電流小於該預設電流，該充電控制模組離開過壓保護充電迴圈，以及若該充電電流大於等於該預設電流，該充電控制模組重新判斷該最大充電電壓是否小於等於該過充保護電壓。
  13. 如申請專利範圍第11項所述的可攜式電子裝置，其中在該充電控制模組調降該阻抗補償係數的過程中，該充電控制模組先暫停對該電池模組充電，接著判斷該阻抗補償係數是否小於等於一預設值；當該阻抗補償係數大於該預設值時，調降一階的該阻抗補償係數，重新設定該最大充電電壓，並且以更新後的該最大充電電壓對該電池模組充電，以及當該阻抗補償係數小於等於該預設值時，以原先設定的該最大充電電壓對該電池模組充電。
  14. 如申請專利範圍第11項所述的可攜式電子裝置，其中該充電控制模組係依據該充電電流與一預設補償阻抗計算該阻抗補償電壓。
  15. 如申請專利範圍第9項所述的可攜式電子裝置，其中該充電控制模組更判斷該電池電壓與該充電電流是否符合一飽充條件。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的可攜式電子裝置，其中該充電控制模組判斷該電池電壓是否大於等於該飽充電壓，並且該 充電電流是否小於一飽充電流。
  17. 如申請專利範圍第9項所述的可攜式電子裝置，其中該充電控制模組判斷該電池電壓是否位於一預設電壓範圍。
  18. 如申請專利範圍第9項所述的可攜式電子裝置，其中在該充電控制模組判定該可攜式電子裝置操作於該定電流充電模式後，該充電控制模組先執行一軟啟動，再進入該過壓保護充電迴圈。
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