TWI587603B - 具有降壓-升壓操作之電池充電器及用於為一電池充電之方法 - Google Patents

具有降壓-升壓操作之電池充電器及用於為一電池充電之方法 Download PDF

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Description

具有降壓-升壓操作之電池充電器及用於為一電池充電之方法 對相關申請案之交叉參考
本申請案依據35 U.S.C.§ 119(e)主張2013年9月9日申請的Yongxuan Hu、Arthur H.Chang、Shimon Elkayan、Collin Conners及Liyu Yang(代理案號APL-P20797USP1)的標題為「Universal Power Adapter」之美國臨時申請案第61/875,551號的優先權，該申請案之內容以引用方式併入本文中。
所描述之實施例係關於用於控制與一電池相關聯之充電電路之操作模式的技術。更確切而言，所描述之實施例係關於用於基於電池之充電電壓及自功率轉接器接收之輸入電壓而選擇一降壓-升壓充電電路的操作模式的技術。
在充電期間，攜帶型電子器件通常連接至功率轉接器，該功率轉接器將一AC電源線電壓變換成用於為電池充電的DC輸入電壓。此外，許多攜帶型電子器件包括一充電電路，其另外在為電池充電之前變換DC輸入電壓。
充電電路的組態及其操作常常取決於DC輸入電壓及電池之充電電壓。然而，存在廣泛的多種功率轉接器(具有不同DC輸入電壓)及廣泛的多種電池(具有不同充電電壓)。此等變化常常要求充電電路具有更多複雜性(大小及成本方面相應增大)，或要求將特定功率轉接器用 於一特定攜帶型電子器件，此可對使用者造成不便。
所描述之實施例係關於一種充電電路。此充電電路包括：一介面連接器，其可耦接至提供一輸入電壓之一功率轉接器；及一降壓-升壓充電電路，其耦接至該介面連接器，且該降壓-升壓充電電路可耦接至具有一充電電壓之一電池，且可將一輸出信號提供至該電池。對於一給定輸入電壓及一給定充電電壓，該降壓-升壓充電電路基於一控制信號按一組模式中之一模式操作，其中該組模式包含：一降壓模式、一升壓模式及一降壓-升壓模式。此外，該充電電路包括被耦接至該降壓-升壓充電電路之控制邏輯，該控制邏輯基於該充電電壓及該輸入電壓產生該等控制信號。
詳言之，該降壓-升壓充電電路可在處於該升壓模式中時作為一升壓電路操作，且若該充電電壓比該輸入電壓多出一預定量(諸如在該輸入電壓小於一第一電壓臨限時，其中該第一電壓臨限小於該充電電壓)，則該降壓-升壓充電電路可在該升壓模式中操作，且該升壓電路可選擇性地耦接至該電池。此外，該降壓-升壓充電電路可在處於該降壓模式中時作為一降壓電路操作，且若該充電電壓比該輸入電壓少一預定量(諸如在該輸入電壓大於一第二電壓臨限時，其中該第二電壓臨限大於該充電電壓)，則該降壓-升壓充電電路可在該降壓模式中操作，且該降壓電路可選擇性地耦接至該電池。
然而，若該充電電壓比該輸入電壓大的量少於該第一預定量，或比該輸入電壓小的量少於該第二預定量(諸如在該輸入電壓介於該第一電壓臨限與該第二電壓臨限之間時)，該降壓-升壓充電電路可在處於該降壓-升壓模式中時作為一降壓-升壓電路操作，其中該降壓-升壓電路可在一充電組態與一放電組態之間切換。詳言之，該降壓-升壓充電電路中之切換器可分別將該降壓-升壓電路在該充電組態與該 放電組態之間移動，該等切換器選擇性地耦接至該電池。舉例而言，在一充電時間間隔期間，該降壓-升壓充電電路中之兩個切換器可經啟用以將該降壓-升壓電路置於一充電組態中以向一電感器充電，且在一後續放電時間間隔期間，該降壓-升壓充電電路中之另外兩個切換器可將該降壓-升壓電路置於一放電組態中以將該電池耦接至該電感器，且用在該第一時間間隔期間儲存於該電感器中的能量為該電池充電。該控制邏輯可基於該輸入電壓及該充電電壓指定該充電時間間隔之一持續時間及該後續放電時間間隔之一持續時間。在一些實施例中，該控制邏輯包括一脈寬調變電路。
另外，一旦已選擇一模式，該控制邏輯便可改變該第一電壓臨限及/或該第二電壓臨限之值，以控制在模式之間的切換點。此遲滯可防止模式波動。
因此，該降壓-升壓充電電路可在一連續範圍之輸入電壓及充電電壓下操作。舉例而言，該輸入電壓可介於5V至20V之間，且該充電電壓可介於6V與13V之間。
另一實施例提供具有介面電路及在一降壓-升壓模式中操作的一降壓-升壓充電電路之一充電電路，其中該降壓-升壓充電電路經組態以作為一降壓電路操作且作為一升壓電路操作。此外，該充電電路可包括一組切換器，且可經組態以耦接至一電感器。一第一切換器可選擇性地將該電感器之一第一側耦接至介面連接器，一第二切換器可選擇性地將該電感器之該第一側耦接至接地，一第三切換器可選擇性地將該電感器之一第二側耦接至接地，且一第四切換器可選擇性地將該電感器之該第二側耦接至電池。在該降壓-升壓充電電路之操作期間，該組切換器可成對進行切換，使得在該第二切換器及該第四切換器斷開時該第一切換器及該第三切換器閉合(從而為電感器進行充電)，且在該第一切換器及該第三切換器斷開時該第二切換器及該第 四切換器閉合(從而為電感器進行放電)。
另一實施例提供一電子器件，其包括：一積體電路；耦接至該積體電路之電池，其具有充電電壓；及上文描述之充電電路的一實施例，其耦接至該電池。
另一實施例提供一種用於為該電池充電的方法，該方法可由上文描述之充電電路的一實施例執行。在操作期間，該充電電路自該功率轉接器接收該輸入電壓。接著，該充電電路基於該輸入電壓及該電池之一充電電壓判定該降壓-升壓充電電路之操作模式，其中該降壓-升壓充電電路提供該輸出信號以為該電池充電，且其中，對於該給定輸入電壓及該給定充電電壓，該降壓-升壓充電電路按該組模式中之該操作模式操作。此組模式包含：降壓模式、升壓模式及降壓-升壓模式。接下來，充電電路選擇該降壓-升壓充電電路之該所判定的操作模式。
僅僅出於說明一些例示性實施例的目的提供本【發明內容】，以便提供對本文中描述之標的物之一些態樣的基本理解。因此，將瞭解，上文描述之特徵僅為實例，且不應理解為以任何方式限制本文中描述之標的物之範疇或精神。本文中描述之標的物的其他特徵、態樣及優點將自以下【實施方式】、【圖示簡單說明】及【申請專利範圍】而變得顯而易見。
110-1‧‧‧第一電壓臨限/低電壓臨限
110-2‧‧‧低電壓臨限
110-3‧‧‧低電壓臨限
112-1‧‧‧第二電壓臨限/高電壓臨限
112-2‧‧‧高電壓臨限
112-3‧‧‧高電壓臨限
114‧‧‧降壓模式
116‧‧‧升壓模式
118‧‧‧降壓-升壓模式
200‧‧‧電力系統
210‧‧‧功率轉接器
212‧‧‧輸入信號
214‧‧‧充電電路
216‧‧‧介面連接器
218‧‧‧降壓-升壓充電電路
220‧‧‧控制邏輯
222‧‧‧控制信號
224‧‧‧切換器
224-1‧‧‧第一切換器
224-2‧‧‧第二切換器
224-3‧‧‧第三切換器
224-4‧‧‧第四切換器
226‧‧‧輸出信號
228‧‧‧切換器
230‧‧‧電池
232‧‧‧電感器
300‧‧‧充電電路
310‧‧‧輸入節點
312‧‧‧輸出節點
400‧‧‧控制電路
410‧‧‧跨導放大器
412‧‧‧跨導放大器
500‧‧‧控制邏輯
800‧‧‧用於為電池充電之方法
900‧‧‧電子器件
910‧‧‧充電電路
912‧‧‧電池
914‧‧‧選用之記憶體子系統
916‧‧‧選用之處理子系統
圖1為根據本發明之一實施例的說明一降壓-升壓充電電路之操作模式的圖式。
圖2為根據本發明之一實施例的說明一電力系統的方塊圖。
圖3為根據本發明之一實施例的說明圖2之電力系統中之充電電路的方塊圖。
圖4為根據本發明之一實施例的說明圖3之充電電路中的控制邏 輯中之控制電路的方塊圖。
圖5為根據本發明之一實施例的說明圖3之充電電路中的控制邏輯中之控制電路的方塊圖。
圖6為根據本發明之一實施例的說明圖3之充電電路之操作期間的電信號的時序圖。
圖7為根據本發明之一實施例的說明圖3之充電電路之操作期間的電信號的時序圖。
圖8為根據本發明之一實施例的說明一種用於使用圖2及圖3之充電電路為電池充電之方法的流程圖。
圖9為根據本發明之一實施例的說明包括圖2及圖3之充電電路之電子器件的方塊圖。
應注意，相同參考數字在諸圖式中指對應部分。此外，同一部分之多個例項係用與例項號以一短劃線隔開的共同前置來命名。
描述一種在廣泛範圍之輸入電壓及電池之充電電壓下操作的降壓-升壓充電電路。此充電電路可自功率轉接器接收一輸入電壓，且可提供一輸出電壓以為電池充電。如下文進一步參考圖2及圖3描述，充電電路中的降壓-升壓充電電路中之切換器可基於輸入電壓、充電電壓及選用之電池電壓而組態該降壓-升壓充電電路，以在不同操作模式中操作。舉例而言，降壓-升壓充電電路可在降壓模式中作為一降壓電路操作，在此狀況下，該降壓電路耦接至電池。此外，降壓-升壓充電電路可在升壓模式中作為一升壓電路操作，在此狀況下，該升壓電路耦接至電池。此外，降壓-升壓充電電路可在處於降壓-升壓模式中時作為一降壓-升壓電路操作，該降壓-升壓電路可於充電組態與放電組態之間切換。詳言之，該降壓-升壓充電電路中之切換器可分別將該降壓-升壓電路在該充電組態與該放電組態之間移動，該等 切換器選擇性地耦接至該電池。舉例而言，在一充電時間間隔期間，該降壓-升壓充電電路中之兩個切換器可經啟用以將該降壓-升壓電路置於一充電組態中以向一電感器充電，且在一後續放電時間間隔期間，該降壓-升壓充電電路中之另外兩個切換器可將該降壓-升壓電路置於一放電組態中以將該電池耦接至該電感器，且用在該第一時間間隔期間儲存於該電感器中的能量為該電池充電。在圖1中說明了降壓-升壓充電電路之此等不同操作模式。
詳言之，對於給定充電電壓，可存在用於判定使用哪個操作模式的三個初始範圍(由低或第一電壓臨限110-1及高或第二電壓臨限112-1分界)。第一電壓範圍係針對高於高電壓臨限112-1之輸入電壓，在此狀況下，降壓-升壓充電電路在降壓模式114中操作。第二電壓範圍係針對低於低電壓臨限110-1之輸入電壓，在此狀況下，降壓-升壓充電電路在升壓模式116中操作。且第三電壓範圍係針對介於低電壓臨限110-1與高電壓臨限112-1之間的輸入電壓，在此狀況下，降壓-升壓充電電路在降壓-升壓模式118中操作。應注意，可取決於充電電壓選擇低電壓臨限110-1及高電壓臨限112-1。舉例而言，對於包括兩個電池芯之電池(此係出於說明之目的而使用)，低電壓臨限110-1可為6V且高電壓臨限112-1可為11V。或者，對於包括三個電池芯之電池(此係出於另一說明之目的而使用)，低電壓臨限110-1可為9V且高電壓臨限112-1可為15.5V。
此外，降壓-升壓充電電路可在輸入電壓改變的情況下改變模式。在一些情況下，若輸入電壓跨過低電壓臨限110-1抑或高電壓臨限112-1，則模式可改變(例如，模式可在輸入電壓自低於低電壓臨限110-1增加到高於低電壓臨限110-1時自升壓模式116切換至降壓-升壓模式118)。然而，如圖1中所說明，在其他情況下，在模式切換之前，輸入電壓可需要跨過一動態電壓臨限。舉例而言，一旦降壓-升 壓充電電路處於降壓模式中，高電壓臨限112-2便可低於高電壓臨限112-1之一初始值，且模式將不會自降壓模式114切換至降壓-升壓模式118，直至輸入電壓降到高電壓臨限112-2之下。類似地，一旦降壓-升壓充電電路處於升壓模式116中，便可存在高於低電壓臨限110-1之初始值的一低電壓臨限110-2。且一旦降壓-升壓充電電路處於降壓-升壓模式118中，便可存在高於高電壓臨限112-1之初始值的一高電壓臨限112-3及低於低電壓臨限110-1之初始值的一低電壓臨限110-3。舉例而言，動態電壓臨限可表示電壓臨限110-1及112-1之初始值的5%或10%之增大或減小。因此，可在降壓-升壓充電電路處於模式中之一者中之後動態調適電壓臨限110-1及112-1之初始值。可使用動態電壓臨限來實施的此遲滯可在輸入電壓於低電壓臨限110-1抑或高電壓臨限112-1之初始值周圍徘徊的情況下最小化頻繁的(且可能浪費的)模式切換。應注意，在其他實施例中，電壓臨限110及112係靜態的，且因此，可不隨著降壓-升壓切換電路於模式之間切換而改變。另外，應注意，電壓臨限110及112可(諸如)在功率轉接器被斷開連接且重新連接時或在電源供應器被循環關閉且開啟時重設。
圖2呈現說明電力系統200之方塊圖。此電力系統可包括：功率轉接器210、充電電路214、切換器228及電池230。此外，充電電路214可包括：介面連接器216、降壓-升壓充電電路218及控制邏輯220。此外，降壓-升壓充電電路218可包括切換器224及電感器232。切換器可包含：第一切換器224-1，其可選擇性地將電感器232之第一側耦接至介面連接器216；第二切換器224-2，其可選擇性地將電感器232之第一側耦接至接地；第三切換器224-3，其可選擇性地將電感器232之第二側耦接至接地；及第四切換器224-4，其可選擇性地將輸出信號226提供至電池及/或系統負載。舉例而言，第四切換器224-4可選擇性地將電感器232之第二側耦接至電池230(儘管應瞭解，切換器 228或另一元件可選擇性地控制電感器232之第二側與電池230之間的連接)。應注意，功率轉接器210可經組態以藉由耦接至由電力柵格提供之AC電力線來接收AC電力，且可將AC電信號轉換成DC電信號。此外，功率轉接器210可使用包括一全橋式整流器、一半橋式整流器及/或一返馳轉換器電路以執行轉換。另外，應注意，電池230可包括一或多個電池芯或一或多個電池組，且電池230可具有一充電電壓(例如，由電力系統200設定之電壓，其中在該電壓下為電池230充電)。然而，電池230並不限於一特定構造。
在電力系統200之操作期間，功率轉接器210經由具有一或多個信號線之電纜將具有輸入電壓之一輸入信號212提供至介面連接器216。接著，介面連接器216將輸入信號212提供至降壓-升壓充電電路218及控制邏輯220。如先前所描述的，基於輸入電壓及充電電壓，控制邏輯220可自一組模式選擇降壓-升壓充電電路218之操作模式(或模式)，該組模式可包括(但不限於)：一降壓模式、一升壓模式及一降壓-升壓模式。詳言之，控制邏輯220可基於輸入電壓及充電電壓(及/或電池電壓)產生一或多個控制信號222。此等控制信號可指定切換器(Q)224(諸如場效電晶體或FET)之切換狀態(諸如斷開或閉合)以選擇操作模式。此外，降壓-升壓充電電路218可輸出輸出信號226(諸如充電信號)或將輸出信號226提供至電池230以為電池230充電，及/或輸出或提供至器件負載以向包括電力系統200之電子器件提供電力。如圖2中所示，控制邏輯220可控制切換器228(諸如場效電晶體或FET)之切換狀態，以在電池230被充電時(諸如在功率轉接器210及/或降壓-升壓充電電路218被適當組態以用於操作時)進行閘控。
因此，在給定時間處，降壓-升壓充電電路218在選自該組模式中之一模式中操作。舉例而言，模式之選擇(及可實施該模式的所得一或多個控制信號222)可基於輸入電壓高於抑或低於充電電壓(及/或電 池電壓)。詳言之，降壓-升壓充電電路218可在處於升壓模式中時包括(或藉由使用切換器224，可經組態以操作為)一升壓電路，且若充電電壓比輸入電壓多出一預定量(諸如在該輸入電壓小於如上文關於圖1所描述之第一電壓臨限時)，則降壓-升壓充電電路218可在升壓模式中操作且升壓電路可選擇性地耦接至電池230。為了在升壓模式中操作降壓-升壓充電電路218，一或多個控制信號222可閉合第一切換器224-1且可斷開第二切換器224-2(意即，第一切換器224-1接通且第二切換器224-2關斷)。接著，充電電路214可對輸入信號212執行DC至DC電力轉換以產生輸出信號226。在此電力轉換期間，第三及第四切換器224-3及224-4可基於一或多個控制信號222而交替切換(使得當第四切換器224-4關斷時，第三切換器224-3接通，且反之亦然)。舉例而言，第三及第四切換器224-3及224-4可在切換頻率下進行切換。儘管應瞭解，切換頻率可視需要被設定為任何值，但在一些實例中，切換頻率可介於100KHz與2MHz之間。(舉例而言，切換可在介於10kHz與10MHz之間的頻率下進行，此取決於充電電路214中之電感器232的大小及/或可接受的切換損耗)。此切換模式電力轉換可允許：在功率轉接器210提供具有比充電電壓低之輸入電壓之輸入信號212時，於適當充電電壓下(且基於功率轉接器210之能力)將更多電力提供至電池230。
此外，降壓-升壓充電電路218可在處於降壓模式中時包括(或藉由使用切換器224，可經組態以操作為)一降壓電路，且若充電電壓比輸入電壓小一預定量(諸如在輸入電壓大於諸如上文關於圖1更詳細論述的第二電壓臨限時，此可出現在功率轉接器210為一所謂「高電壓」功率轉接器時)，則降壓-升壓充電電路218可在降壓模式中操作，且降壓電路可選擇性地耦接至電池230。為了在降壓模式中操作降壓-升壓充電電路218，一或多個控制信號222可斷開第三切換器 224-3且可閉合第四切換器224-4(意即，第三切換器224-3關斷且第四切換器224-4接通)。接著，充電電路214可對輸入信號212執行DC至DC電力轉換以產生輸出信號226。在此電力轉換期間，第一及第二切換器224-1及224-2可基於一或多個控制信號222而交替切換(使得當第二切換器224-2關斷時，第一切換器224-1接通，且反之亦然)。舉例而言，第一及第二切換器224-1及224-2可在切換頻率下進行切換。儘管應瞭解，切換頻率可視需要被設定為任何值，但在一些實例中，切換頻率可介於100KHz與2MHz之間。此切換模式電力轉換亦可允許：在功率轉接器210電流受限時(其又可促進或使功率轉接器210能夠更小型)，於適當充電電壓下(且基於功率轉接器210之能力)將更多電力提供至電池230。
然而，若充電電壓比輸入電壓大的量少於第一預定量，或比輸入電壓小的量少於第二預定量(諸如在輸入電壓介於第一電壓臨限與第二電壓臨限之間時，如上文論述)，該降壓-升壓充電電路218可在該降壓-升壓模式中操作具有一充電組態及一放電組態的一降壓-升壓電路，其可選擇性地耦接至電池230。舉例而言，如下文參考圖6及圖7進一步描述，降壓升壓充電電路218中之切換器224可分別將降壓-升壓充電電路218在充電組態與放電組態之間切換，該等切換器選擇性地耦接至電池230。詳言之，在第一充電時間間隔期間，可啟用降壓-升壓充電電路218中之第一及第三切換器224-1及224-3以為電感器232充電，且在後續第二放電時間間隔期間，可將降壓-升壓充電電路218中之第二及第四切換器224-2及224-4耦接至電池230且用在第一時間間隔期間儲存於電感器232中之能量為電池230充電。此外，如下文參考圖4及圖5進一步描述，降壓-升壓充電電路218可藉由在充電組態與放電組態之間交替切換來對輸入信號212執行DC至DC電力轉換以產生輸出信號226。基於一或多個控制信號222的切換器224之此交替成 對切換可以任何合適切換頻率進行，例如介於100kHz與2MHz之間(此再次被提供為一說明，且不意欲為限制性的)。此切換模式之電力轉換亦可允許在適當充電電壓下(且基於功率轉接器210之能力)將更多電力提供至電池230。
應注意，控制邏輯220可基於輸入電壓及充電電壓而指定充電時間間隔之一持續時間及後續放電時間間隔之一持續時間。詳言之，在降壓-升壓模式中的每一組態中所耗費之時間量可取決於輸入電壓及充電電壓。當輸入電壓等於充電電壓時，兩個時間間隔相等，且降壓-升壓充電電路218可耗費相等時間在電感器充電組態及電感器放電組態中操作。此外，當輸入電壓高於充電電壓時，降壓-升壓充電電路218將更多時間耗費在放電組態中。相反地，當輸入電壓低於充電電壓時，降壓-升壓充電電路218將更多時間耗費在充電組態中。如下文參考圖4及圖5進一步描述，在一些實施例中，控制邏輯220包括脈寬調變(PWM)電路。然而，可使用其他類型之調變(諸如振幅調變或積分三角調變)或控制技術。
另外，如先前所描述的，在提供指定模式之一或多個控制信號222之後，控制邏輯220可改變第一電壓臨限及第二電壓臨限之值。此遲滯(或動態電壓臨限之使用)可防止模式波動。
因此，降壓-升壓充電電路218可在一連續範圍之輸入電壓及充電電壓下操作。舉例而言，輸入電壓可介於5V至20V之間，且充電電壓可針對雙電池芯電池介於6V與8.7V之間，且針對三電池芯電池介於9V與13.05V之間。因而，輸入電壓可與一通用串列匯流排相容(諸如大致5V)，且充電電壓可介於6V與9V之間。然而，應理解，此等數值僅出於說明之目的，且可使用其他電池組態、輸入電壓及/或充電電壓。
在一些實施例中，當介面連接器216與功率轉接器210解耦時， 降壓-升壓充電電路218可被置於升壓模式組態中。此可確保在充電電路214重新耦接至功率轉接器210的情況下充電電路214回復至最初預期輸入信號212具有低輸入電壓(大致5V)的操作模式。然而，在一些實施例中，雖然充電電路214預設至升壓模式，但該充電電路不操作，直至功率轉接器210被連接或耦接至介面連接器216。替代性地，甚至在功率轉接器210連接或耦接至介面連接器216之後，充電電路214仍可不操作，直至發生與功率轉接器210的交握或資訊通信。詳言之，在功率轉接器210可被組態之實施例中，自功率轉接器210接收之資訊可包括輸入電壓及功率轉接器210何時準備好自功率轉接器210為電池230充電，且被提供至功率轉接器210之資訊可包括充電電壓及/或操作模式。此資訊可允許功率轉接器210及/或充電電路214受到組態且可同步其操作。然而，功率轉接器210及/或充電電路214之操作可或可不涉及功率轉接器210與充電電路214之間的資訊通信。
另外，如先前所指出，對於一給定電池及一給定功率轉接器，降壓-升壓充電電路218可按選自一組模式之一模式操作，該組模式包括(但不限於)：升壓模式、降壓模式及降壓-升壓模式(例如，在輸入電壓及/或充電電壓之一些範圍中，可存在其他類型之模式或操作模式)。因此，上文所描述之降壓-升壓充電電路218的組態可出現在功率轉接器210與介面連接器216耦接或解耦時、輸入電壓改變時及/或達到一熱限制之情況下(例如，若充電電路214關閉，則降壓-升壓充電電路218可被置於升壓模式組態中)。
藉由促進降壓-升壓充電電路218之組態，充電技術可允許更靈活地使用不同功率轉接器，且可允許更小型且更低成本的功率轉接器。因此，充電技術可減少使用者失望，且可在使用包括需要進行日常再充電之電源(諸如電池)之電子器件時改良總體使用者體驗。
現描述充電電路及其操作之例示性實施例。攜帶型電子器件(諸 如智慧型電話、平板電腦及膝上型電腦)在人們日常生活中愈加重要。攜帶型電子器件中之電池充電器(意即，充電電路)藉由維持電池中之電荷來使得此等攜帶型電子器件能夠發揮作用。
雖然可結合上文描述之充電電路使用廣泛多種電池類型及組態，但在以下論述中，將鋰離子電池用作說明性實例。鋰離子電池因為其高能量密度、長循環壽命及無記憶效應而被廣泛用於攜帶型電子器件中。舉例而言，用於膝上型電腦中之鋰離子電池組(意即，電池)常常包括兩個或三個串聯的電池芯。通常，電力轉接器將110V或220V AC電力線電壓轉換成電池充電器之輸入源電壓(或輸入電壓)。對於膝上型電腦，自功率轉接器至充電電路之輸入電壓通常在10V至20V之範圍中(諸如12V或15V)。替代性地，由於通用串列匯流排介面之普及，輸入電壓可為5V。應注意，前述數值僅出於說明之目的，且可將其他值用於不同功率轉接器、電池及/或系統要求。
圖3呈現充電電路300之方塊圖，其中在輸入節點310處接收輸入電壓，且至電池之輸出電壓係在輸出節點312處輸出。對於一些電池(意即，諸如一些雙電池芯組態)，電池組電壓可介於6V與8.7V之間(意即，電池組可在操作期間經歷一電壓範圍)。在一些情況下，充電電路300可經組態以連接至功率轉接器，該功率轉接器提供小於最低電池組電壓(例如，5V，而電池電壓介於6V與8.7V之間)或大於最高電池組電壓(例如，12V或15V，而電池電壓介於6V與8.7V之間)的一輸入電壓。如先前所描述的，降壓-升壓充電器電路218可在降壓模式及升壓模式中操作。因此，降壓-升壓充電器電路218可採用前述實例中之輸入電壓或使用前述實例中之輸入電壓操作。此外，在此等實例中，降壓-升壓充電器電路218無需在可能輸入電壓之全部範圍上自降壓模式至升壓模式(且反之亦然)連續操作，此係因為6V至8.7V電池組電壓始終低於輸入電壓或始終高於輸入電壓。
然而，對於一些三電池芯組態，電池組電壓可介於9V與13.05V之間(意即，電池組可在操作期間經歷一電壓範圍)。若功率轉接器210將一12V輸入電壓(諸如在上文論述之實例中)提供至充電電路214，則此位於9V至13.05V範圍內。此外，若降壓-升壓充電器電路218僅具有降壓模式及升壓模式，則該電路將不能在不中斷的情況下將三電池芯電池自9V充電回到13.05V(例如，在僅使用降壓模式及升壓模式時，也許不可能在輸入電壓及電池組電壓之範圍中操作)。可改為使用降壓-升壓模式。因此，在降壓-升壓模式中，在接通時間期間，第一及第三切換器224-1及224-3係接通(或閉合)的，且第二及第四切換器224-2及224-4係關斷(或斷開)的，使得在充電組態中能量自功率轉接器210傳送至電感器232。此外，在關斷時間期間，第一及第三切換器224-1及224-3係關斷的，且第二及第四切換器224-2及224-4係接通的，使得在放電組態中能量自電感器232傳送至充電器電路輸出電容器及負載。應注意，在一例示性實施例中，電感器232(圖2及圖3)具有大致1μH至10μH之電感，且Rw為大致100kΩ。
圖4及圖5呈現控制邏輯之一實施例的方塊圖，該控制邏輯可用以控制切換器224(圖2及圖3)之切換以在降壓-升壓模式中操作充電器電路(且，因此為降壓-升壓充電電路之操作可受到控制之一種方式)。詳言之，此等實施例說明藉由作為斜坡信號之模擬電感器電流的基於漣波之控制(該斜坡信號用以產生圖2中之控制信號222，意即，用於切換器224之脈衝)。上升斜坡經設計成在接通時間期間與電感器232(圖2及圖3)上的電壓成比例，且下降斜坡經設計成在關斷時間期間與電感器232(圖2及圖3)上的電壓成比例。以此方式，模擬信號與電感器電流成比例。形成在控制電壓Vc(來自誤差放大器之輸出，該誤差放大器積分充電電路之控制迴路中的反饋與參考設定之間的誤差)周圍的電壓窗Vw，其在下文展示於圖5中。窗之上限(Vh)為Vc加上 0.5．Vw(如亦在下文展示於圖5中)，且下限(Vl)為Vc減去0.5．Vw。接著，比較斜坡信號與Vh及Vl以判定接通時間及關斷時間(其類似於峰-谷電流模式控制)。當斜坡信號之上升斜面達到Vh時，終止接通時間；且當斜坡信號之下降邊緣達到Vl時，終止關斷時間。
圖4展示產生模擬電感器電流斜坡信號的控制邏輯220(圖2及圖3)中之控制電路400。在圖4中，Vref為耦合至電流受控電壓源的電壓位準。V_R(模擬電感器電流斜坡信號)與Vref之間的電壓差形成流經電阻器Rr之電流，且此電流及電感器電流漣波調整Vw。
在控制電路400中之t 1(等於D．Ts)期間，切換器S9關斷且切換器S10接通。V_R之電壓改變率為gm．CSIN/Cr，其中gm為跨導放大器410及412之增益，且CSIN為充電器電路之輸入電壓(其有時被稱為Vin)。此外，V_R之升高斜坡在接通時間期間與電感器232(圖2及圖3)上的電壓成比例。在t 2(等於D'．Ts)期間，切換器S9接通且切換器S10關斷。V_R之電壓改變率為gm．(-CSON)/Cr，其中CSON為充電器電路之輸出電壓(其有時被稱為Vout)且Cr為電容器值。應注意，V_R之下降斜坡在關斷時間期間與電感器232(圖2及圖3)上的電壓成比例。
此外，控制邏輯220(圖2及圖3)中的展示於圖5中之控制邏輯500產生為gm．Rw．Vin．Vout/(Vin+Vout)的窗大小Vw(等於Vh減去Vl)，其中Rw為電阻器值。在此窗大小的情況下，接通時間t 1等於D．Rw．Cr且關斷時間t 2等於D'．Rw．Cr。(應注意，Vin/Vout等於D'/D)。因此，切換週期Ts(等於t 1+t 2)為(D+D')．Rw．Cr或Rw．Cr，且切換頻率fsw(等於1/Ts)為1/(Rw．Cr)。應注意，切換頻率僅取決於電阻器值Rw及電容器值Cr，因此，即使輸入電壓及輸出電壓具有廣泛範圍，切換頻率亦不改變。(亦注意，控制邏輯在一組模式中之模式之間改變的臨限具有初始值。在選擇一給定模式之後，此等邊界或臨限擴大。此遲滯減少模式波動或模式切換)。在圖5中，應注意，跨導放大器由「gm」表 示，而緩衝器由「b」表示。此外，「L.O.」指示對數運算，且「E.O.」指示指數運算。
圖6呈現充電器電路在降壓-升壓模式中的操作期間的電信號之圖式，其中輸入電壓為11V且輸出電壓為8.4V(其係出於說明之目的而使用)，當經組態以作為降壓電路操作時(Vin大於Vout)，在接通時間期間，圖2及圖3中的第一及第三切換器224-1及224-3接通，且圖2及圖3中的第二及第四切換器224-2及224-4關斷。因此，當Vin大於Vout時，斜坡上升時間小於斜坡下降時間，此係因為需要較少時間來對圖2及圖3中之電感器232充電。應注意，即使在降壓-升壓模式中，切換器224(圖2及圖3)亦成對切換。在降壓-升壓模式中，所有四個切換器224(圖2及圖3)係在作用中，相對的，在降壓模式抑或升壓模式中，一給定對切換器224(圖2及圖3)係在作用中(意即，降壓-升壓充電電路在降壓-升壓模式中作為降壓電路及升壓電路兩者操作)。
此外，如圖7中所示，該圖呈現充電器電路在降壓-升壓模式中的操作期間的電信號之圖式，其中輸入電壓為5V且輸出電壓為8.4V(其係出於說明之目的而使用)，當經組態以作為升壓電路操作時(Vin小於Vout)，在關斷時間期間，圖2及圖3中的第一及第三切換器224-1及224-3關斷，且圖2及圖3中的第二及第四切換器224-2及224-4接通。因此，當Vin小於Vout時，斜坡上升時間大於斜坡下降時間，此係因為需要較多時間來對圖2及圖3中之電感器232充電。
如先前所指出的，控制技術亦能夠分離降壓模式操作及升壓模式操作。在降壓模式中，在t1(等於D．Ts)期間，切換器S9及S10係接通的，且V_R之電壓改變率為gm．(Vin-Vout)/Cr。在t 2(等於D'．Ts)期間，切換器S9接通且切換器S10關斷，且V_R之電壓改變率為gm．(-Vout)/Cr。若Vw為gm．D．(Vin-Vout)．Rw，則t 1為D．Rw．Cr，t 2為D'．Rw．Cr，Ts為Rw．Cr，且切換頻率fsw為1/(Rw．Cr)。類似地，在升壓 模式中，在t1(等於D．Ts)期間，切換器S9關斷且切換器S10接通，且V_R之電壓改變率為gm．Vin/Cr。在t 2(等於D'．Ts)期間，切換器S9及S10接通，且V_R之電壓改變率為gm．(Vin-Vout)/Cr。若Vw為gm．D'．(Vout-Vin)．Rw，則t 1為D．Rw．Cr，t 2為D'．Rw．Cr，Ts為Rw．Cr，且切換頻率fsw為1/(Rw．Cr)。此能力可用於諸如15V之輸入電壓，此係因為一單獨降壓操作模式可節省切換損耗(僅切換圖2及圖3中之切換器224中的兩個切換器，而非四個切換器)。類似地，在諸如5V之輸入電壓下，一單獨升壓操作模式可節省切換損耗(再次因為僅切換圖2及圖3中之切換器224中的兩個切換器，而非四個切換器)。
現描述一種方法之實施例。圖8呈現說明一種用於為電池充電之方法800的流程圖，該方法可使用充電電路(諸如圖2中的充電電路214或圖3中的充電電路300)來執行。在操作期間，該充電電路自功率轉接器接收一輸入電壓(操作810)。接著，該充電電路基於該輸入電壓及該電池之一充電電壓判定降壓-升壓充電電路之操作模式(操作812)，其中該降壓-升壓充電電路提供一輸出信號以為該電池充電，且其中，對於一給定輸入電壓及一給定充電電壓，該降壓-升壓充電電路在一組模式中之該操作模式中操作。此組模式包含：一降壓模式、一升壓模式及一降壓-升壓模式。接下來，該充電電路選擇該降壓-升壓充電電路之該所判定的操作模式(操作814)。
在方法800之一些實施例中，可存在額外的或較少操作。此外，可改變操作之次序，及/或可將兩個或兩個以上操作組合成單一操作。舉例而言，可替代基於輸入電壓或除基於輸入電壓之外另外基於經由耦接至功率轉接器之一或多個資料信號線接收的充電電壓及資訊(諸如電壓或電阻)判定操作模式。此資訊可指定功率轉接器是否可提供充電電壓。替代地或另外，可基於輸入電壓、充電電壓及/或電池電壓判定操作模式。
可將充電電路之一實施例用於一電子器件中。此展示於圖9中，該圖呈現說明包括充電電路910(諸如充電電路214(圖2)或300(圖3))及電池912之電子器件900的方塊圖。
一般而言，充電電路之實施例的功能可實施於硬體及/或軟體中。因此，電子器件900可包括儲存於選用之記憶體子系統914(諸如DRAM或另一類型之揮發性或非揮發性電腦可讀記憶體)中之一或多個程式模組或指令集，其可由一選用之處理子系統916(其包括一或多個積體電路)執行。(一般而言，如此項技術中所已知的，充電技術可較多地實施於硬體中且較少地實施於軟體中，或較少地實施於硬體中且較多地實施於軟體中)。應注意，一或多個電腦程式可構成一電腦程式機構。此外，選用之記憶體子系統914中之各種模組中的指令可用以下語言實施：一高階程序性語言、一物件導向式程式設計語言，及/或一組譯或機器語言。應注意，程式設計語言可經編譯或解譯(例如，可組態或經組態)以由處理子系統執行。
充電電路200(圖2)、充電電路300(圖3)及電子器件900中之組件可由信號線、鏈路或匯流排耦接。雖然電通信已被用作說明性實例，但一般而言，此等連接可包括信號及/或資料之電通信、光學通信或電光學通信。此外，在前述實施例中，一些組件被展示為直接連接至彼此，而其他組件被展示為經由中間組件連接。在每一情況下，互連或「耦接」之方法建立介於兩個或兩個以上電路節點或端子之間的某種所要通信。如熟習此項技術者將理解的，此等耦接可常常使用若干電路組態來完成(例如，可使用AC耦接及/或DC耦接)。
在一些實施例中，此等電路、組件及器件中之功能性可實施於以下項中之一或多者中：特殊應用積體電路(ASIC)、場可程式化閘陣列(FPGA)，及/或一或多個數位信號處理器(DSP)。此外，可使用類比及/或數位電路之任一組合來實施電路及組件，包括：雙極、PMOS及 /或NMOS閘或電晶體。此外，此等實施例中之信號可包括具有大致離散值之數位信號及/或具有連續值之類比信號。另外，組件及電路可為單端或差分的，且電源供應器可為單極或雙極的。
用於設計包含本文中描述之電路中之一或多者的積體電路或積體電路之一部分的過程之輸出可為一電腦可讀媒體，諸如(例如)磁帶或光碟或磁碟。該電腦可讀媒體可經編碼有資料結構或描述可經實體地具現化為積體電路或積體電路之一部分的電路的其他資訊。儘管可將各種格式用於此編碼，但通常將此等資料結構按以下格式撰寫：加州理工學院(Caltech)中間格式(CIF)、Calma GDS II串流格式(GDSII)或電子設計交換格式(EDIF)。熟習積體電路設計技術者可用上文詳細說明之類型的簡圖及對應描述來開發此類資料結構，且將該等資料結構編碼於電腦可讀媒體上。熟習積體電路製造技術者可使用此經編碼資料來製造包含本文中描述之電路中之一或多者的積體電路。
電子器件900可包括多種器件(可包括一電源(諸如電池)及/或電源供應器)中之一者，該等器件包括：一桌上型電腦、一伺服器、一膝上型電腦、一媒體播放器(諸如MP3播放器)、一器具、一小筆記型電腦/迷你筆記型電腦、一平板電腦、一智慧型電話、一蜂巢式電話、一網路器具、一機上盒、一個人數位助理(PDA)、一玩具、一控制器、一數位信號處理器、一遊戲主機、一器件控制器、一位於一器具內之計算引擎、一消費型電子器件、一攜帶型計算器件或一攜帶型電子器件、一個人行事曆，及/或另一電子器件。
儘管使用特定組件來描述充電電路200(圖2)、充電電路300(圖3)及電子器件900，但在替代性實施例中，可使用不同組件及/或子系統。另外，組件中之一或多者可不存在於此等實施例中之一或多者中。舉例而言，電感器232(圖2及圖3)可為一外部組件或可為一整合式組件。在一些實施例中，充電電路200(圖2)、充電電路300(圖3)及 電子器件900包括圖中未示的一或多個額外組件。舉例而言，充電電路可實施於一積體電路中。此外，雖然圖2及圖3說明一單級充電電路，但在其他實施例中，充電電路包括多個級。另外，雖然圖2及圖3說明一非反相全切換降壓-升壓充電電路，但在其他實施例中，使用廣泛多種不同充電電路中之一或多者。又，儘管在前述實施例中展示單獨組件，但在一些實施例中，可將一給定組件中之一些或全部整合至其他組件中之一或多者中及/或可改變組件之位置。應注意，控制邏輯220(圖2)可預程式化有電池230(圖2)之充電電壓，從而可無需將傳遞輸出信號226之信號線耦接至控制邏輯220(如圖2中所示)。類似地，可由介面連接器216(圖2)將輸入電壓提供至控制邏輯220(圖2)，從而可無需將傳遞輸入信號212之信號線耦接至控制邏輯220(如圖2中所示)。
在前述描述中，提及了「一些實施例」。應注意，「一些實施例」描述所有可能實施例之子集，但並非始終指定同一實施例子集。
前述描述意欲使熟習此項技術者能夠製作並使用本發明，且在特定應用及其要求之內容脈絡中提供前述描述。此外，已僅出於說明及描述之目的而呈現本發明之實施例的前述描述。該等描述並非意欲為詳盡的或將本發明限於所揭示之形式。相應地，熟習此項技術者將顯而易見許多修改及變化，且在不背離本發明之精神及範疇的情況下可將本文中界定之一般原理應用於其他實施例及應用。另外，前述實施例之論述並非意欲限制本發明。因此，本發明不意欲限於所展示之實施例，而應被賦予與本文中所揭示之原理及特徵相一致的最廣範疇。
212‧‧‧輸入信號
218‧‧‧降壓-升壓充電電路
220‧‧‧控制邏輯
224-1‧‧‧第一切換器
224-2‧‧‧第二切換器
224-3‧‧‧第三切換器
224-4‧‧‧第四切換器
226‧‧‧輸出信號
228‧‧‧切換器
232‧‧‧電感器
300‧‧‧充電電路
310‧‧‧輸入節點
312‧‧‧輸出節點

Claims (20)

  1. 一種充電電路，其包含：一介面連接器，其經組態以耦接至提供一輸入電壓之一功率轉接器；一降壓-升壓充電電路，其耦接至該介面連接器，且經組態以耦接至具有一充電電壓之一電池且將一輸出信號提供至該電池，其中針對一給定輸入電壓及一給定充電電壓，該降壓-升壓充電電路經組態以基於一控制信號而按一組模式中之一模式操作，其中該組模式包含：一降壓模式、一升壓模式及一降壓-升壓模式；及控制邏輯，其耦接至該降壓-升壓充電電路，其經組態以基於該充電電壓及該輸入電壓而產生該控制信號。
  2. 如請求項1之充電電路，其中該降壓-升壓充電電路在處於該升壓模式中時作為一升壓電路操作；且其中，若該充電電壓比該輸入電壓多出一預定量，則該降壓-升壓充電電路在該升壓模式中操作，且該升壓電路選擇性地耦接至該電池。
  3. 如請求項1之充電電路，其中該降壓-升壓充電電路在處於該降壓模式中時作為一降壓電路操作；且其中，若該充電電壓比該輸入電壓少一預定量，則該降壓-升壓充電電路在該降壓模式中操作，且該降壓電路選擇性地耦接至該電池。
  4. 如請求項1之充電電路，其中該降壓-升壓充電電路在處於該降壓-升壓模式中時作為一升壓電路及一降壓電路操作；且其中，若該充電電壓為比該輸入電壓大的量少於一第一預定 量且比該輸入電壓小的量少於一第二預定量的一電壓，則該降壓-升壓充電電路在該降壓-升壓模式中操作，且該升壓電路及該降壓電路選擇性地耦接至該電池。
  5. 如請求項4之充電電路，其中，在一時間間隔期間，該降壓-升壓充電電路作為一降壓電路操作，其耦接至該電池；且其中，在一後續時間間隔期間，該降壓-升壓充電電路作為一升壓電路操作，其耦接至該電池。
  6. 如請求項5之充電電路，其進一步包含控制邏輯，該控制邏輯經組態以基於該輸入電壓及該充電電壓而指定該時間間隔之一持續時間及該後續時間間隔之一持續時間。
  7. 如請求項6之充電電路，其中該控制邏輯包括一脈寬調變電路。
  8. 如請求項1之充電電路，其中該降壓-升壓充電電路經組態以在一連續範圍之輸入電壓及充電電壓下操作。
  9. 如請求項1之充電電路，其中，對於小於一第一電壓臨限之該輸入電壓，該降壓-升壓充電電路在處於該升壓模式中時作為一升壓電路操作，且該升壓電路選擇性地耦接至該電池；其中，對於大於一第二電壓臨限之該輸入電壓，該降壓-升壓充電電路在處於該降壓模式中時作為一降壓電路操作，且該降壓電路選擇性地耦接至該電池；且其中，對於介於該第一電壓臨限與該第二電壓臨限之間的該輸入電壓，該降壓-升壓充電電路在處於該降壓-升壓模式中時作為該降壓電路及該升壓電路操作，且該降壓電路及該升壓電路選擇性地耦接至該電池。
  10. 如請求項9之充電電路，其中，在提供指定該模式之該控制信號之後，該控制邏輯經組態以改變該第一電壓臨限及該第二電壓 臨限之初始值以防止模式波動。
  11. 如請求項1之充電電路，其中該輸入電壓介於5V至20V之間；且其中該充電電壓介於6V與13V之間。
  12. 一種充電電路，其包含：一介面連接器，其經組態以耦接至提供一輸入電壓之一功率轉接器；及一降壓-升壓充電電路，其耦接至該介面連接器，且經組態以耦接至具有一充電電壓之一電池且將一輸出信號提供至該電池，其中該降壓-升壓充電電路經組態以在一降壓-升壓模式中操作，在該模式中，該降壓-升壓充電電路作為一降壓電路及一升壓電路二者操作，以將自該功率轉接器所接收之一輸入電壓轉換為該充電電壓。
  13. 如請求項12之充電電路，其中該充電電路進一步包括一組切換器且經組態以耦接至一電感器；其中一第一切換器選擇性地將該電感器之一第一側耦接至該介面連接器，一第二切換器選擇性地將該電感器之該第一側耦接至接地，一第三切換器選擇性地將該電感器之一第二側耦接至接地，且一第四切換器選擇性地將該電感器之該第二側耦接至該電池；且其中，在該降壓-升壓充電電路之操作期間，該組切換器成對進行切換，使得在該第二切換器及該第四切換器斷開時該第一切換器及該第三切換器閉合，且在該第一切換器及該第三切換器斷開時該第二切換器及該第四切換器閉合。
  14. 一種電子器件，其包含：一積體電路；一電池，其耦接至該積體電路，該電池具有一充電電壓；及 一充電電路，其耦接至該電池，其中該充電電路包括：一介面連接器，其經組態以耦接至提供一輸入電壓之一功率轉接器；一降壓-升壓充電電路，其耦接至該介面連接器，且經組態以耦接至具有一充電電壓之電池且將一輸出信號提供至該電池，其中針對一給定輸入電壓及一給定充電電壓，該降壓-升壓充電電路經組態以基於一控制信號而按一組模式中之一模式操作，其中該組模式包含：一降壓模式、一升壓模式及一降壓-升壓模式；及控制邏輯，其耦接至該降壓-升壓充電電路，其經組態以基於該充電電壓及該輸入電壓而產生該控制信號。
  15. 如請求項14之電子器件，其中該降壓-升壓充電電路在處於該升壓模式中時作為一升壓電路操作；且其中，若該充電電壓比該輸入電壓多出一預定量，則該降壓-升壓充電電路在該升壓模式中操作，且該升壓電路選擇性地耦接至該電池。
  16. 如請求項14之電子器件，其中該降壓-升壓充電電路在處於該降壓模式中時作為一降壓電路操作；且其中，若該充電電壓比該輸入電壓少一預定量，則該降壓-升壓充電電路在該降壓模式中操作，且該降壓電路選擇性地耦接至該電池。
  17. 如請求項14之電子器件，其中該降壓-升壓充電電路在處於該降壓-升壓模式中時作為一升壓電路及一降壓電路操作；且其中，若該充電電壓為比該輸入電壓大的量少於一第一預定量且比該輸入電壓小的量少於一第二預定量的一電壓，則該降壓-升壓充電電路在該降壓-升壓模式中操作，且該升壓電路及該 降壓電路選擇性地耦接至該電池。
  18. 如請求項17之電子器件，其中，在一時間間隔期間，該降壓-升壓電路作為該降壓電路操作，其耦接至該電池；且其中，在一後續時間間隔期間，該降壓-升壓電路作為該升壓電路操作，其耦接至該電池。
  19. 如請求項18之電子器件，其進一步包含一控制邏輯，該控制邏輯經組態以基於該輸入電壓及該充電電壓而指定該時間間隔之一持續時間及該後續時間間隔之一持續時間。
  20. 一種用於為一電池充電之方法，其包含：自一功率轉接器接收一輸入電壓；基於該輸入電壓及該電池之一充電電壓判定一降壓-升壓充電電路之一操作模式，其中該降壓-升壓充電電路提供一輸出信號以為該電池充電，且其中，針對一給定輸入電壓及一給定充電電壓，該降壓-升壓充電電路按一組模式中之該操作模式操作，其中該組模式包含：一降壓模式、一升壓模式及一降壓-升壓模式；及選擇該降壓-升壓充電電路之該所判定之操作模式。
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