TWI552480B

TWI552480B - 切換式充電器

Info

Publication number: TWI552480B
Application number: TW104106643A
Authority: TW
Inventors: 何儀修
Original assignee: 晶豪科技股份有限公司
Priority date: 2015-03-03
Filing date: 2015-03-03
Publication date: 2016-10-01
Also published as: TW201633647A

Description

切換式充電器

本發明係有關一種切換式充電器，尤指一種能夠防止負載端發生漏電流(leakage current)效應的切換式充電器。

傳統的手機電池充電方式通常是採用線性充電器(linear charger)來充電，充電器的輸入電流會恆等於輸出電流，由於電源轉接器是5伏特(V)輸出，而手機電池電壓是在3V到4.2V之間，當電池的電壓比較低的時候，則會產生功率損耗的問題，亦即供電的功率就會損耗在充電器電路上。此外，上述功率損耗還會造成裝置在充電過程中的發熱現象，且難以進一步提高充電電流。

基於線性充電器具有以上缺點，切換式充電器(switching charger)已逐漸取代線性充電器。舉例而言，當採用切換式充電器時，若電池電壓較低，則提供給電池的電流實際上會高於輸入電流，因此會有較低的電路功率損耗。然而，現有的切換式充電器存在有漏電流的問題。舉例來說，當電池的電壓低於3V時，切換式充電器會輸出小電流來對電池進行充電；當電池的電壓超過3V時，切換式充電器的輸出電流會逐漸變大，接著切換式充電器會進入定電流(constant current)模式；當電池的電壓趨近於4.2V時，亦即接近充電飽和狀態時，切換式充電器會進入定電壓模式，切換式充電器的輸出電流會遽降到0安培(A)，由於此時切換式充電器的切換電路中工作於責任週期(duty cycle)的第二導通週期的開關仍為導通狀態，造成負載有負電流經由此開關回流，造成電池對切換式充電器放電，此即為漏電流效應，而這會使充電效率大幅降低。因此，有需要提供一種新的切換式充電器來解決上述問題。

本發明之一實施例提供了一種切換式充電器，用以接收一輸入電壓，以及對應地提供一輸出電壓。該切換式充電器包含有一切換電路、一電感器、一控制電路以及一偵測電路。該切換電路係耦接於該輸入電壓；該電感器係耦接於該切換電路，用以自該切換電路接收該輸入電壓，並提供該輸出電壓至一負載；該控制電路係用以根據該切換電路的輸出電流以及來自該輸出電壓的一回授訊號，來產生一責任週期訊號，並依據該責任週期訊號來控制該切換電路；該偵測電路係用以根據該責任週期訊號以及該切換電路的輸出電流的大小，來動態控制該切換電路於一完整脈衝寬度調變週期結束之前進入一提前關閉模式。

本發明的實施例所提供的切換式充電器可偵測負載端是否接近充電飽和狀態，以選擇性地執行一提前關閉模式來防止負載端的漏電流效應，進而降低功率損耗並且提昇充電效能。

100‧‧‧切換式充電器

20‧‧‧切換電路

30‧‧‧電感器

40‧‧‧偵測電路

50‧‧‧控制電路

52‧‧‧誤差放大器

54‧‧‧比較器

56‧‧‧控制邏輯電路

60‧‧‧分壓電路

V_in‧‧‧輸入電壓

V_O‧‧‧輸出電壓

R_O‧‧‧負載

V_FB‧‧‧回授訊號

DU‧‧‧責任週期訊號

I_L‧‧‧輸出電流

R1、R2‧‧‧電阻

V_REF‧‧‧參考電壓

V_C‧‧‧控制訊號

V_CS‧‧‧感測電壓

V_S‧‧‧斜率補償訊號

C_O‧‧‧電容

R_C‧‧‧電阻元件

R_L‧‧‧電阻元件

i_CS‧‧‧感測電流

PreZCD‧‧‧第一預定電流峰值

PreZCD’‧‧‧第二預定電流峰值

Q1‧‧‧第一開關

Q2‧‧‧第二開關

t0~t3‧‧‧時間點

第1圖係為本發明切換式充電器的的一實施例的示意圖。

第2圖係為根據本發明的一實施例的有執行提前關閉模式的責任週期的波形圖。

第3圖係為根據本發明的一實施例的未執行提前關閉模式的責任週期的波形圖。

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圖係為本發明切換式充電器(switching charger)的一實施例的示意圖。本實施例中，切換式充電器100係用以接收一輸入電壓V_in，以及對應地提供一輸出電壓V_O。切換式充電器100包含有一切換電路20、一電感器30、一偵測電路40、一控制電路50以及一分壓電路60。請注意，切換式充電器100可用作為一降壓(buck)充電器，但不以此為限，此外，本實施例中，切換電路20以及控制電路50的內部組成元件僅用以舉例，並不用以限定本發明的範疇。切換電路20係耦接於輸入電壓V_in；電感器30係耦接於切換電路20，用以自切換電路20接收輸入電壓V_in，並提供輸出電壓V_O至一負載R_O；控制電路50係用以根據切換電路20的輸出電流i_L以及來自輸出電壓V_O的一回授訊號V_FB，以產生責任週期訊號DU，並依據責任週期訊號DU來控制切換電路20的開關導通時序。偵測電路40係用以根據責任週期訊號DU以及切換電路20的輸出電流i_L的大小，來動態控制切換電路20於一完整脈衝寬度調變(pulse width modulation,PWM)週期結束之前進入一提前關閉模式。通常知識者當可瞭解“完整脈衝寬度調變週期”包含了一第一導通週期(亦即切換電路20中的第一開關Q1的開啟時段)以及一第二導通週期(亦即切換電路20中第二開關Q2的開啟時段)。此外，在本發明中，所述“提前關閉模式”係指縮短切換電路20的第二導通週期的長度，亦即縮短切換電路20中第二開關Q2的開啟時段，使得第二開關Q2於完整脈衝寬度調變週期結束之前便提早關閉。

舉例來說，控制電路50會根據責任週期訊號DU產生用來開啟(亦即導通)第一開關Q1的第一責任週期訊號S_P(即第一導通週期訊號)以及用來開啟(亦即導通)第二開關Q2的第二責任週期訊號S_N(即第二導通週期訊號)，其中第一開關Q1，具有一第一端，耦接於輸入電壓V_in，一控制端，用以接收第一責任週期訊號S_P，以及一第二端；第二開關Q2具有一第一端，耦接於第一開關Q1的第二端，一控制端，用以接收第二責任週期訊號S_N，其中偵測電路40會感測切換電路20於第一開關Q1導通時的輸出電流i_L(即感測電流i_CS)，且偵測電路40會透過關閉第二開關Q2來讓切換電路20進入提前關閉模式。第一開關Q1以及第二開關Q2可例如是電晶體，但不以此為限，只要可實現實質上相同的開關功能，亦可採用其它元件來代替。

第一開關Q1的導通時間T_ON(Q1)與完整脈衝寬度調變週期T的比值(亦即)即為第一開關Q1的責任週期D(Q1)，而第二開關Q2的導通時間T_ON(Q2)與該脈衝寬度調變週期T的比值(亦即)即為第二開關Q2的責任週期D(Q2)，此外，若提前關閉模式並未啟動，則D(Q1)+D(Q2)=1，亦即第一開關Q1的責任週期與第二開關Q2的責任週期的總和為全部的(100%)責任週期(亦即第一開關Q1的開啟時段加上第二開關Q2的開啟時段會等於完整脈衝寬度調變週期T的時間長度)，然而，若提前關閉模式被啟動，則D(Q1)+D(Q2)<1，亦即第一開關Q1的責任週期與第二開關Q2的責任週期的總和會小於全部的(100%)責任週期(亦即第一開關Q1的開啟時段加上第二開關Q2的開啟時段會小於完整脈衝寬度調變週期T的時間長度)。

分壓電路60係用以根據輸出電壓V_O來產生回授電壓V_FB，其中分壓電路60可利用圖示的二電阻R1、R2來實現，但本發明不以此為限。此外，控制電路50包含有一誤差放大器52、一比較器54以及一控制邏輯電路56。誤差放大器52係用以接收回授訊號V_FB，並將回授訊號V_FB與一參考電壓V_REF進行比較，以產生一控制訊號V_C。比較器54可例如是為一脈衝寬度調變(pulse-width modulation,PWM)比較器，用以接收控制訊號V_C、對應切換電路20的輸出端的一感測電壓V_CS以及一斜率補償訊號V_S，並且根據控制訊號V_C、感測電壓V_CS以及斜率補償訊號V_S來產生一比較結果以作為責任週期訊號DU。舉例來說，該比較結果可以是一方波，且比較器54可對感測電壓V_CS以及斜率補償訊號V_S進行加總，並將加總後的輸入訊號與控制訊號V_C進行比較來輸出該方波。控制邏輯電路56會根據比較結果(即該方波)來決定切換電路20中各個開關(即第一開關Q1以及第二開關Q2)的責任週期。由於誤差放大器52、比較器54以及控制邏輯電路56的操作原理為本領域通常知識者所知悉，故更細部的操作在此便不另贅述。

在切換電路20之一完整脈衝寬度調變週期的第一導通週期中(請注意，於不同的脈衝寬度調變週期中，第一導通週期的時間長度可動態調整)，控制邏輯電路56會開啟切換電路20中的第一開關Q1以及關閉切換電路20中的第二開關Q2，以將能量自輸入電壓V_in經由電感器30而傳送至電容C_O。在此狀態下，輸入電壓V_in可透過電感器30向負載R_O提供電流。此外，在切換電路20之該完整脈衝寬度調變週期的第二導通週期中(請注意，於不同的脈衝寬度調變週期中，第二導通週期的時間長度亦可動態調整)，控制邏輯電路56會關閉切換電路20中的第一開關Q1以及開啟切換電路20中的第二開關Q2，以將在電容C_O之內的能量傳送至負載R_O，電感器30會藉由逆反其電壓以繼續向負載R_O提供電流。電容C_O與地端電位(或是低邏輯電位)之間可耦接一電阻元件R_C，且電感器30與負載R_O之間可耦接一電阻元件R_L，但本發明不以此為限。

請一併參考第1~3圖，其中第2圖係為根據本發明的一實施例的有執行提前關閉模式的責任週期的波形圖，第3圖係為根據本發明的一實施例的未執行提前關閉模式的責任週期的波形圖。偵測電路40會一併偵測比較器54的輸入端的感測電流i_CS以及比較器54輸出的責任週期訊號DU，以根據感測電流i_CS以及責任週期訊號DU來決定是否執行提前關閉模式。詳細來說，當責任週期訊號DU指示切換電路20的操作時間於一目前完整脈衝寬度調變週期中已達到一預定時間點，以及感測電流i_CS的峰值(peak current value)小於一第一預定電流峰值PreZCD時，偵測電路20會控制切換電路20於目前的完整脈衝寬度調變週期(可視為100%責任週期)中的預定時間點進入提前關閉模式，其中第一預定電流峰值PreZCD可設定為300mA，其可視為一閥值(threshold)。

舉例而言，在第2圖中，一完整的脈衝寬度調變週期之開始時間點(即t0)至預定時間點(即t2)的時間長度可設為完整脈衝寬度調變週期的90%，其中時間點t3為完整脈衝寬度調變週期之結束時間點，時間點t0~t1之間的時段代表完整脈衝寬度調變週期中的第一導通週期(亦即第一開關Q1的開啟時段)，時間點t1~t2之間的時段代表完整脈衝寬度調變週期中的第二導通週期(亦即第二開關Q2的開啟時段)，且PON用以指示脈衝寬度調變週期操作在第一導通週期，NON用以指示脈衝寬度調變週期操作在第二導通週期。在第3圖中，一完整的脈衝寬度調變週期之開始時間點與結束時間點分別為t0與t3，其中時間點t0~t1的時段代表完整脈衝寬度調變週期中的第一導通週期(亦即第一開關Q1的開啟時段)，以及時間點t1~t3之間的時段代表完整脈衝寬度調變週期中的第二導通週期(亦即第二開關Q2的開啟時段)。由於第2~3圖可知，當提前關閉模式被執行時，脈衝寬度調變週期的第二導通週期(亦即第二開關Q2的開啟時段)會於完整脈衝寬度調變週期結束之前便提早結束。

本實施例中，偵測感測電流i_CS在實作上係透過偵測感測電壓V_CS來實現，因為感測電壓V_CS之值即為感測電流i_CS之值乘上電阻元件R_i的阻值，若電阻元件R_i的阻值為定值，則感測電壓V_CS與感測電流i_CS會具有一固定比例，因此，經由感測電壓V_CS的大小便能得知感測電流i_CS的大小。然而，任何可偵測切換電路20的輸出電流大小的機制均可被採用，這些設計上的變化均屬本發明的範疇。

如第2圖的範例所示，當偵測到感測電流i_CS的峰值(感測電流i_CS於第一導通週期中的最大值)不夠大(例如小於300mA)，且完整的脈衝寬度調變週期已經運行至預定時間點(例如90%的責任週期)時，控制電路50的控制邏輯電路56會立即關閉第二開關Q2，以防止電池端(即負載R_O端)有漏電流。此外，如第3圖的範例所示，當偵測到感測電流i_CS的峰值(感測電流i_CS於第一導通週期中的最大值)已經夠大(例如大於300mA)，此時不論完整的脈衝寬度調變週期是否已經運行至預定時間點，控制電路50將不執行提前關閉模式的操作，亦即第二導通週期不會提早結束。本發明的精神在於，利用偵測電路40來偵測感測電流i_CS的峰值的大小以及責任週期是否已經運行至預定時間點，故可得知負載R_O(即電池)是否處於一個接近充電飽和的狀態，因為當感測電流i_CS的峰值小於第一預定電流峰值PreZCD(例如300mA)，可知切換電路20的輸出電流i_L的變化已經趨近緩和，再加上責任週期已經運行至預定時間點(例如90%的責任週期)，故可得知電池即將充電飽和，因此控制邏輯電路56可據以在漏電流可能產生之前就先關閉第二開關Q2(因為漏電流是從負載R_O流經第二開關Q2到地端)，故可有效避免習知技術中切換式充電器有漏電流的問題。

請注意，在第2圖的範例中，當滿足執行提前關閉模式的條件時，較佳的是，第二開關Q2能夠實質上在預定時間點被關閉，亦即在時間點t2或稍晚於時間點t2被關閉，然而本發明並不以此為限，只要第二開關Q2能夠在時間點t3之前被關閉即可有效抑制漏電流現象。換言之，凡是依據切換式充電器的輸出電流的大小以及回授路徑上的責任週期訊號來縮短一脈衝寬度調變週期中的第二導通週期的時間(亦即縮短第二開關Q2的開啟時段)，皆屬於本發明的範疇。

除了透過設定第一預定電流峰值PreZCD來決定是否執行提前關閉模式，以調整目前的完整脈衝寬度調變週期中的第二導通週期的時間長短，本發明亦對應地提供了以下防止不當操作的方法來結合上述控制提前關閉模式之執行的操作，然而以下方法並不用以限定本發明的範疇。

舉例來說，在切換電路20的目前的完整脈衝寬度調變週期係操作在提前關閉模式的前提之下，偵測電路40可對下一完整脈衝寬度調變週期設定不同於第一預定電流峰值PreZCD的一第二預定電流峰值PreZCD’，例如第二預定電流峰值PreZCD’可設為330mA，而第一預定電流峰值PreZCD為300mA。也就是說，若切換電路20於第一個完整脈衝寬度調變週期有進入提前關閉模式，在第二個完整脈衝寬度調變週期(亦即緊接第一個完整脈衝寬度調變週期之後的另一完整脈衝寬度調變週期)的電流峰值必須超過更高的門檻值，才不會再進入提前關閉模式。此外，若切換電路20在第二個完整脈衝寬度調變週期中未進入提前關閉模式，則偵測電路40會將第三個完整脈衝寬度調變週期(亦即緊接第二個完整脈衝寬度調變週期之後的另一完整脈衝寬度調變週期)的門檻值重新設為300mA，以此類推。

如此一來，可避免切換電路20的操作模式因為輸入電流i_L的微幅的峰值震盪而不斷改變。因為當切換電路20於目前完整脈衝寬度調變週期中進入提前關閉模式而使得偵測電路40將下一完整脈衝寬度調變週期中所採用的預定電流峰值提高到330mA，如果切換電路20的輸出電流i_L於該下一完整脈衝寬度調變週期中保持在小於330mA(即便輸出電流i_L有大於300mA)，且責任週期訊號DU指示切換電路20的操作時間於該下一完整脈衝寬度調變週期中已達到預定時間點(例如90%的責任週期)，偵測電路40就會控制切換電路20於該下一完整脈衝寬度調變週期中的預定時間點(例如90%的責任週期)進入提前關閉模式。偵測電路40將會持續使用第二預定電流峰值PreZCD’(例如330mA)，直到於某一完整脈衝寬度調變週期中，切換電路20的輸出電流i_L超過330mA，且責任週期訊號DU指示切換電路20的操作時間於此一完整脈衝寬度調變週期中已達到預定時間點(例如90%的責任週期)，偵測電路40則不會控制切換電路20於此一完整脈衝寬度調變週期中的預定時間點(例如90%的責任週期)進入提前關閉模式，並且將下一完整脈衝寬度調變週期中所要使用的預定電流峰值重新設為第一預定電流峰值PreZCD(例如300mA)。

綜上所述，本發明的切換式充電器可偵測負載端是否接近充電飽和狀態，以選擇性地執行一提前關閉模式來防止負載端的漏電流效應，以降低功率損耗並且提昇充電效能。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。