TWI611649B - 充電裝置及充電系統 - Google Patents

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Abstract

本揭露文件係揭露一種充電裝置。充電裝置用以對儲能元件進行充電。充電裝置包含有主控制電路、連接介面、供電電路以及偵測電路。當儲能元件與充電裝置搭接時，連接介面耦接至溫控元件兩端。供電電路耦接至連接介面及主控制電路。偵測電路與連接介面耦接。當儲能元件與充電裝置搭接時，偵測電路將產生偵測信號，並且此偵測信號用以觸發供電電路供應主工作電壓至主控制電路。其中，當儲能元件的溫度超過門檻值時，溫控元件使偵測電路不產生偵測信號，因此供電電路不供應主工作電壓至主控制電路。

Description

充電裝置及充電系統
本揭露文件係關於一種充電裝置，特別係關於一種低待機耗損的充電裝置及充電系統。
現代人已難以脫離電子產品，且對於各項電子產品的性能越趨要求，而在電子產品的使用上，電力則是最基本的需求。為了使產品的電池能持續重複使用，充電電池技術問世，而針對充電電池的充電裝置也隨之蓬勃發展。
當使用者欲對電池充電時，須將充電裝置連接市電，透過充電裝置將市電作穩壓、變壓等調整後才傳入充電電池以充電。然而在未連接電池的情況下，只要充電裝置與市電連接，電力即可進入充電裝置的電路，並造成電力的耗損、浪費。因此，在充電裝置未連接電池充電時，需要有一種待機機制來減少電力的耗損。傳統上，充電裝置通常透過系統輸出開關控制信號來實現降低待機模式的消耗損失。
在本揭露文件之一技術態樣中提出一種充電裝 置。充電裝置用以對儲能元件進行充電。充電裝置包含有主控制電路、連接介面、供電電路及偵測電路。當儲能元件與充電裝置搭接時，連接介面耦接至溫控元件兩端。供電電路耦接至連接介面及主控制電路。偵測電路與連接介面耦接，當儲能元件與充電裝置搭接時，偵測電路產生偵測信號，並且此偵測信號用以觸發供電電路供應主工作電壓至主控制電路。其中，當儲能元件的溫度超過門檻值時，溫控元件使偵測電路不產生偵測信號，因此供電電路不供應主工作電壓至主控制電路。
在本揭露文件之另一技術態樣中提出一種充電系統。充電系統包含有儲能元件及充電裝置。儲能元件包含溫控元件。充電裝置用以對儲能元件進行充電，其包含有主控制電路、連接介面、供電電路和偵測電路。當儲能元件與充電裝置搭接時，連接介面耦接至溫控元件兩端。供電電路耦接至連接介面及主控制電路。偵測電路與連接介面耦接。當儲能元件與充電裝置搭接時，偵測電路產生偵測信號，並且此偵測信號用以觸發供電電路供應主工作電壓至主控制電路。其中，當儲能元件的溫度超過門檻值時，溫控元件使偵測電路不產生偵測信號，因此供電電路不供應主工作電壓至主控制電路。
本揭露文件揭露之技術透過電池插拔動作來控制充電裝置之主電路的啟動時機，可最大限度的降低充電裝置於待機狀態下的電力耗損。此外，本揭示技術亦同時提供了電池過溫及時保護功能，當電池工作溫度超過安全溫度範 圍時，將立即切斷充電裝置的輸出電源，以防止充電裝置繼續對電池充電而造成危險。
100‧‧‧充電裝置
110‧‧‧供電電路
112‧‧‧橋式整流器
114‧‧‧功因校正電路
116‧‧‧變壓器
120‧‧‧偵測電路
122‧‧‧光發射器
124‧‧‧第一開關元件
126‧‧‧偵測電阻元件
128‧‧‧穩壓二極體
130‧‧‧觸發電路
132‧‧‧光偵測器
134‧‧‧第二開關元件
140‧‧‧連接介面
150‧‧‧主控制電路
152‧‧‧諧振電路
154‧‧‧變壓單元
156‧‧‧整流元件
160‧‧‧儲能元件
162‧‧‧溫控元件
Vin‧‧‧輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
VH‧‧‧主工作電壓
VSTB‧‧‧待機電壓
VAUX‧‧‧輔助電壓
VTRI‧‧‧觸發電壓
d1、d2‧‧‧端點
C1‧‧‧電容
第1圖為本揭露文件之一實施例之充電系統架構圖。
第2圖為本揭露文件之一實施例之充電系統部分電路架構圖。
第3A圖為本揭露文件之一實施例之充電系統部分電路架構圖。
第3B圖為本揭露文件之一實施例之充電系統部分電路的電路圖。
第4圖為本揭露文件之一實施例之充電系統部分電路架構圖。
第5圖為本揭露文件之一實施例之充電系統部分電路架構圖。
第6圖為本揭露文件之一實施例之充電系統部分電路的電路圖。
下文係舉實施例配合所附圖式作詳細說明，但所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用來限定本發明，而結構操作之描述非用以限制其執行之順序，任何由元件重新組合之結構，所產生具有均等功效的裝置，皆為本發明揭 示內容所涵蓋的範圍。此外，附圖僅僅用以示意性地加以說明，并未依照其真實尺寸進行繪製。
在全篇說明書與申請專利範圍所使用之用詞(terms)，除有特別註明外，通常具有每個用詞使用在此領域中、在此揭露之內容中與特殊內容中的平常意義。某些用以描述本揭露之用詞將於下或在此說明書的別處討論，以提供本領域技術人員在有關本揭露之描述上額外的引導。
其次，在本文中所使用的用詞「包含」、「包括」、「具有」、「含有」等等，均為開放性的用語，即意指包含但不限於此。
第1圖繪示本揭露文件之一實施例之充電系統架構圖。充電系統包含充電裝置100及儲能元件160。儲能元件160為例如市面上常見之鎳鎘電池(NiCd)、鎳氫電池(NiMH)、鋰離子電池(Li-ion)及鋰離子聚合物電池(Li-Poly)等各種充電電池(可重複充電、反覆使用的化學能電池)。儲能元件160包含有溫控元件162，舉例來說，溫控元件162可以是具有負電阻溫度係數(negative temperature coefficient,NTC)特性的熱敏電阻，或是其他在不同溫度下具有不同電子特性的材料。
一般來說，當周圍溫度增加時，具有負電阻溫度係數之熱敏電阻其電阻值即隨之下降。因此，溫控元件162可隨著儲能元件160之溫度變化而改變部分元件參數，以達到特定目的，例如過溫保護等。關於過溫保護機制將於後文作詳細說明。此外，應注意的是，雖於第1圖中，溫控 元件162繪於儲能元件160中，然而在實際應用上，溫控元件162亦可於儲能元件160外部表面上並而與儲能元件160相鄰，或是置於儲能元件160相接近的其他位置。
充電裝置100係用以對儲能元件160進行充電。如第1圖所示，充電裝置100包含了供電電路110、偵測電路120、觸發電路130、連接介面140及主控制電路150。其中供電電路110電性耦接至電源、偵測電路120、觸發電路130、連接介面140及主控制電路150。外部輸入電源(例如市電或其他各種電力源)提供輸入電壓Vin至供電電路110。供電電路110用以轉換輸入電壓Vin並提供待機電壓VSTB至偵側電路120、提供輔助電壓VAUX至觸發電路130並選擇性地提供主工作電壓VH至主控制電路150。
於此實施例中，當充電裝置100處於待機狀態下，也就是當充電裝置100已連接到外部輸入電源但充電裝置100未與儲能元件160搭接時，供電電路110用以轉換輸入電壓Vin以提供待機電壓VSTB及輔助電壓VAUX。
偵測電路120用以偵測充電裝置100是否與儲能元件160搭接。當充電裝置100與儲能元件160搭接後，充電裝置100由待機狀態切換至啟動狀態。根據偵測電路120提供之偵測信號，觸發電路130觸發供電電路110提供主工作電壓VH至主控制電路150。
偵測電路120與觸發電路130之間的偵測信號的傳送可藉由例如光耦合器(optical coupler)來達成，光耦合器又稱為光電隔離器(optical isolator)。於部份實施 例中，光耦合器係由光發射器及光偵測器兩部分構成，光發射器用以將輸入的數位信號轉換成光束，並發送至光偵測器，光偵測器可以將接受到的光束轉換回另一數位信號。光發射器及光偵測器之間透過光束收發，可以使光偵測器的數位信號與光偵測器的數位信號在信號內容上相對應(例如同時啟動、同時關斷等)，但在電性參數上彼此隔離(例如具有不同的電壓準位、不同的電流大小等)。
偵測電路120分別連接至連接介面140的端點d1與d2，供電電路110連接至連接介面140的端點d1。當儲能元件160與充電裝置100搭接時，連接介面140的端點d1與d2分別耦接儲能元件160之溫控元件162的兩端。當儲能元件160與充電裝置100搭接時，主控制電路150用以產生輸出電壓Vout，並對儲能元件160進行充電。
關於供電電路110、偵測電路120、觸發電路130、連接介面140及主控制電路150之詳細架構及運作原理，將分別於下文中輔助第2圖至第5圖作進一步說明。第2圖繪示本揭露文件之一實施例之充電裝置100中供電電路110架構圖。在第2圖中，供電電路110連接至外部輸入電源(例如市電插座或其他交流電力來源)，外部輸入電源提供輸入電壓Vin給供電電路110。供電電路110中包含橋式整流器112電路及功因校正電路(power factor correction,PFC)114。橋式整流器112可為任何類型之電橋，依實際運用作改變，在本文中並不作限定。
當輸入電壓Vin經橋式整流器112進行整流 後，將供電給功因校正電路114。在充電裝置100處於待機狀態時，橋式整流器112及功因校正電路114的輸出透過變壓器116在變壓器116的二次側產生待機電壓VSTB，橋式整流器112及功因校正電路114的輸出在變壓器116的一次側產生輔助電壓VAUX。當充電裝置100由待機狀態時切換至啟動狀態後，功因校正電路114(或供電電路110)將提供主工作電壓VH至主控制電路150。
應注意的是，觸發電路130之觸發信號VTRI係響應偵測電路120於連接上儲能元件160時產生之偵測信號。當充電裝置並未連接儲能元件160時，偵測電路120並不會產生偵測信號，而觸發電路130亦不會產生觸發信號VTRI。而功因校正電路114因沒有接收到來自觸發電路130之觸發信號VTRI，將不會產生主工作電壓VH，故主控制電路150將不會提供輸出電壓Vout。簡單來說，充電裝置於未連接儲能元件160時，僅產生待機電壓VSTB及輔助電壓VAUX。因此，將不會造成不必要或不期望的電力耗損。
承上實施例，關於偵測電路120之詳細說明請見第3A、3B。第3A圖繪示本揭露文件之一實施例之充電裝置100中偵側電路120架構圖。偵側電路120具有光耦合元件之光發射器122、第一開關元件124和偵測電阻元件126，此外，偵側電路120亦可選擇性加裝電容C1。其中，光發射器122與第一開關元件124之一端相連接，而第一開關元件124之另一端與偵測電阻元件126及電容C相連接。偵側電路120接收來自供電電路110提供之待機電壓VSTB。
第3B圖繪示第3A圖之偵側電路120電路圖、以及其與周邊元件的連接關係。第3B圖中，第一開關元件124為電晶體元件，於此實施例中使用例如場效電晶體，具有源極、閘極和汲極，但本揭示文件並不以此為限，實際應用中，第一開關元件124亦可替換為其他具相等性的電晶體開關，如雙極性電晶體開關、三極體開關或其他開關元件。偵測電阻元件126及電容C1並聯，並共同連接至第一開關元件124之閘極。偵側電路120分別連接到連接介面140的端點d1、d2處。連接介面140的端點d1、d2分別連接儲能元件160之溫控元件162的兩端。
參照第3B圖，假設連接介面140的端點d1、d2未連接儲能元件160之溫控元件162時，端點d1與d2處之間為斷路，端點d2為浮接，此時第一開關元件124之閘極透過偵測電阻元件126接地，也就是說，閘極之電位為低準位，將第一開關元件124關斷(off)。第一開關元件124關斷，則沒有電流通過光發射器122，故光發射器122不作用。另一方面，當充電裝置100接上儲能元件160時，連接介面140將連接到儲能元件160之溫控元件162之兩端，也就是說，溫控元件162之兩端透過連接介面140與偵側電路120相連。
如第3B圖所示，在接上溫控元件162的情況下，待機電壓VSTB將傳送至偵側電路120之端點d1以及溫控元件162。待機電壓VSTB於溫控元件162與偵測電阻元件126之間(端點d2)進行分壓，在端點d2上產生分壓電位 Vd2。理想情況下，分壓電位Vd2的大小約為
Figure TWI611649BD00001
，其中R126為偵測電阻元件126的固定電阻值，R162為溫控元件162的電阻值。須補充的是，溫控元件162的電阻值R162將隨溫度改變而動態變化。
於本揭示文件中，電阻126設置為適當電阻值大小，在正常的溫度範圍內(也就是儲能元件160尚未過熱的情況下)，溫控元件162與偵測電阻元件126所形成的分壓電位Vd2須設置高於第一開關元件124的門檻電壓(threshold voltage,Vth)，也就是說，當充電裝置100接上儲能元件160時時，分壓電位Vd2使第一開關元件124導通。因第一開關元件124導通，待機電壓VSTB形成之電流通過光發射器122，以產生偵測信號(例如光束信號)，其代表偵測到儲能元件160已接上充電裝置100。
第4圖繪示本揭露文件之一實施例之充電裝置100中觸發電路130的電路架構圖。觸發電路130具有光耦合元件之光偵測器132及第二開關元件134，觸發電路130與供電電路110連接以接收輔助電壓VAUX。第二開關元件134可例如為雙極性電晶體/三極體，實際應用中，第二開關元件134亦可替換為其他具相等性的電晶體開關，如場效電晶體開關或其他開關元件。光偵測器132係用以接收上述光發射器122發出的偵測信號。
當充電裝置未與儲能元件160連接時，光偵測器132因沒有接收到光發射器122發出的偵測信號不導通， 觸發電路130不作用。而當充電裝置接上儲能元件160時，光偵測器132將接收到光發射器122發出的偵測信號而導通。此時，輔助電壓VAUX將可通過光偵測器132，並進一步使得第二開關元件134導通(on)，輔助電壓VAUX則可通過第二開關元件134以產生觸發電壓VTRI。觸發電壓VTRI觸發供電電路110之功因校正電路114，使功因校正電路114輸出主工作電壓VH。
第5圖繪示本揭露文件之一實施例之充電裝置100中主控制電路150的電路架構圖。主控制電路150包含諧振電路152與變壓單元154，主控制電路150接收主工作電壓VH，如第5圖所示。當供電電路110中的功因校正電路114受到觸發時，將輸出主工作電壓VH至主控制電路150的諧振電路152。而諧振電路152接著將主工作電壓VH輸送至變壓單元154進行變壓。此外，亦可視實際情況需要，增設整流元件156至主控制電路150中，藉以將經變壓單元154變壓後的電壓作進一步的整流後，產生輸出電壓Vout。輸出電壓Vout則可對儲能元件160進行充電。
藉由上述內容可知，充電裝置100可自動判斷儲能元件160是否已接上，並基於儲能元件160之連接與否來決定是否進一步轉換電源來提供充電電壓(輸出電壓Vout)。因為在連接儲能元件160元件之前，充電裝置處於待機狀態，而不需要先行將電源轉換來產生輸出電壓，因此，本揭露文件實現了使用類似於USB裝置的熱插拔概念來降低充電裝置的待機耗損的技術。
於本揭露文件之另一實施例中，可於偵測電路120中進一步增設穩壓二極體128，如第6圖所示。第6圖繪示本揭露文件之一實施例之充電裝置100中偵側電路120電路圖。穩壓二極體128可例如為齊納二極體(Zener diode)，穩壓二極體128具有逆向崩潰電壓。當穩壓二極體128兩端的逆壓壓差未超過逆向崩潰電壓時，穩壓二極體128兩端視為斷路，當穩壓二極體128兩端的逆壓壓差超過其逆向崩潰電壓時，穩壓二極體128將導通。穩壓二極體128亦與偵測電阻元件126並聯，並連接至第一開關元件124之閘極。於此實施例中，穩壓二極體128的逆向崩潰電壓高於第一開關元件124的門檻電壓(Vth)。
在充電裝置接有儲能元件160時，連接介面140與儲能元件160的溫控元件162相連接。在一般情況下，如同前述，待機電壓VSTB被輸入至偵側電路120之端點d1以及溫控元件162。待機電壓VSTB於溫控元件162與偵測電阻元件126之間(端點d2)進行分壓，在端點d2上產生分壓電位Vd2。理想情況下，分壓電位Vd2的大小約為
Figure TWI611649BD00002
，其中R126為偵測電阻元件126的固定電阻值，R162為溫控元件162的電阻值。溫控元件162的電阻值R162將隨溫度改變而動態變化。當儲能元件160的溫度在正常範圍(尚未過熱時)下，分壓電位Vd2高於第一開關元件124的門檻電壓(Vth)但尚未到達穩壓二極體128的逆向崩 潰電壓，使得第一開關元件124導通並使得光發射器122產生偵測信號。因此，充電裝置100能正常運作並充電儲能元件160。
然而，當儲能元件160溫度上升時，溫控元件162因具有NTC熱敏電阻的特性，電阻值R162隨著儲能元件160溫度的升高而降低。因溫控元件162之電阻值R162降低，分壓電位Vd2將持續上升。而當儲能元件160的溫度過高，使得分壓電位Vd2大於穩壓二極體128之逆向崩潰電壓時，穩壓二極體128將被導通，使端點d2(第一開關元件124之閘極)透過穩壓二極體128接地。此時，第一開關元件124將關斷。
因第一開關元件124關斷，光發射器122不作用，觸發電路130停止觸發供電電路110供應主工作電壓VH至主控制電路150，則輸出電壓Vout停止(充電停止)。因此，利用溫控元件162及穩壓二極體128之特性，充電裝置100可具有過溫保護的功能。
藉由本揭露文件技術的揭示，充電系統可大幅度地降低充電裝置100於待機時所造成的電力耗損。此外，充電系統於實現低待機耗損的同時，還能提供電池(如儲能元件160)過熱時的保護機制，使得產品使用上更加安全。
雖然本發明之實施例已揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當以後附之申請專利範圍所界定為準。
100‧‧‧充電裝置
110‧‧‧供電電路
120‧‧‧偵測電路
130‧‧‧觸發電路
140‧‧‧連接介面
150‧‧‧主控制電路
160‧‧‧儲能元件
162‧‧‧溫控元件
Vin‧‧‧輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
VH‧‧‧主工作電壓
VSTB‧‧‧待機電壓
VAUX‧‧‧輔助電壓
d1、d2‧‧‧端點

Claims (10)

  1. 一種充電裝置，用以對儲能元件進行充電，該充電裝置包含：一主控制電路，用以提供一輸出電壓；一連接介面，當儲能元件與該充電裝置搭接時，該連接介面耦接至一溫控元件兩端；一供電電路，耦接至該連接介面及該主控制電路；一偵測電路，與該連接介面耦接，當儲能元件與該充電裝置搭接時，該偵測電路產生一偵測信號，並且該偵測信號用以觸發該供電電路供應一主工作電壓至該主控制電路，使該主控制電路以該輸出電壓對儲能元件進行充電，其中，當儲能元件的溫度超過一門檻值時，該溫控元件使該偵測電路不產生該偵測信號，該供電電路不供應該主工作電壓至該主控制電路，該主控制電路停止提供該輸出電壓。
  2. 如請求項1所述之充電裝置，其中當儲能元件與該充電裝置搭接時，該供電電路供應一待機電壓至該溫控元件之第一端，該偵測電路包含：一光耦合元件，該供電電路耦接至該光耦合元件之第一端；一開關元件，該開關元件之第一端耦接至該光耦合元件之第二端，該開關元件之控制端耦接至該溫控元件之第二端；以及 一偵測電阻元件，該偵測電阻元件之第一端耦接至該溫控元件之第二端以及該開關元件之控制端。
  3. 如請求項2所述之充電裝置，其中該待機電壓經由該偵測電阻元件與該溫控元件分壓產生一分壓電壓，該分壓電壓導通該開關元件，使該光耦合元件產生該偵測信號。
  4. 如請求項2所述之充電裝置，其中該偵測電路更包含：一穩壓二極體，耦接於該開關元件之控制端與一接地端之間，當溫度變化使該待機電壓經由該偵測電阻元件與該溫控元件分壓所產生的一分壓電壓超出該穩壓二極體之一崩潰電壓準位時，該開關元件關斷，該光耦合元件不產生該偵測信號。
  5. 如請求項1所述之充電裝置，其中該溫控元件為設置於鄰近儲能元件表面之一外部熱敏電阻或設置於儲能元件內的一內建熱敏電阻。
  6. 一種充電系統，包含：一儲能元件，包含一溫控元件；一充電裝置，用以對該儲能元件進行充電，該充電裝置包含： 一主控制電路，用以提供一輸出電壓；一連接介面，當該儲能元件與該充電裝置搭接時，該連接介面耦接至該溫控元件兩端；一供電電路，耦接至該連接介面及該主控制電路；一偵測電路，與該連接介面耦接，當該儲能元件與該充電裝置搭接時，該偵測電路產生一偵測信號，並且該偵測信號用以觸發該供電電路供應一主工作電壓至該主控制電路，使該主控制電路以該輸出電壓對儲能元件進行充電，其中，當該儲能元件的溫度超過一門檻值時，該溫控元件使該偵測電路不產生該偵測信號，該供電電路不供應該主工作電壓至該主控制電路，該主控制電路停止提供該輸出電壓。
  7. 如請求項6所述之充電系統，其中當該儲能元件與該充電裝置搭接時，該供電電路供應一待機電壓至該溫控元件之第一端，該偵測電路包含：一光耦合元件，該供電電路耦接至該光耦合元件之第一端；一開關元件，該開關元件之第一端耦接至該光耦合元件之第二端，該開關元件之控制端耦接至該溫控元件之第二端；以及一偵測電阻元件，該偵測電阻元件之第一端耦接至該溫控元件之第二端以及該開關元件之控制端。
  8. 如請求項7所述之充電系統，其中該待機電壓經由該偵測電阻元件與該溫控元件分壓產生一分壓電壓，該分壓電壓導通該開關元件，使該光耦合元件產生該偵測信號。
  9. 如請求項7所述之充電系統，其中當該儲能元件與該充電裝置未搭接時，該開關元件關斷，該光耦合元件不產生該偵測信號。
  10. 如請求項7所述之充電系統，其中該偵測電路更包含：一穩壓二極體，耦接於該開關元件之控制端與一接地端之間，當溫度變化使該待機電壓經由該偵測電阻元件與該溫控元件分壓所產生的一分壓電壓超出該穩壓二極體之一崩潰電壓準位時，該開關元件關斷，該光耦合元件不產生該偵測信號。
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