TWI713280B - 用於可攜式電子裝置的充電供電電路及可攜式電子裝置 - Google Patents

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Abstract

一種充電供電電路包含控制單元用於控制在第一參考節點與電池正極之間的第一開關單元、在USB連接埠與第一或第二參考節點之間的第二開關單元、及與負載電路串聯在第一與第二參考節點之間的第三開關，以使當可攜式電子裝置於待機狀態時，允許以來自USB連接埠的輸入電壓經由導通的第一及第二開關單元對電池充電，而從待機狀態切換至激活狀態時，停止電池的充電並允許輸入電壓經由導通的第二及第三開關單元供應給負載電路，且當該可攜式電子裝置處於激活狀態但無輸入電壓時，允許充電電池經由導通的第一及第三開關單元供應電池電壓給負載電路。

Description

用於可攜式電子裝置的充電供電電路及可攜式電子裝置
本發明是有關於供電領域，特別是指一種用於可攜式電子裝置的充電供電電路及一種可攜式電子裝置。
目前，如手電筒、檯燈、電扇等的可攜式電子裝置通常內建有USB充電電路，用以使經由USB連接埠傳輸的輸入電壓對可攜式電子裝置中的可充電電池充電。
如圖1所示的現有USB充電電路是用作一獨立的(鋰)電池充電器，無法將USB電源直接供電給系統負載，並且在充電期間若電池同時供電給系統負載將會影響充電控制器(LTC4053-42)對電池電壓的判定。
如圖2所示的現有USB充電供電電路雖可支援USB電源直接供電給系統負載，且在USB電源供電期間會同時對(鋰)電池充電。然而，在系統負載於待機狀態下，由於電池正極、二極體DQ1、蕭特基二極體D11、下拉電阻器及電池負極共同構成一漏電流迴路，同時蕭特基二極體D11具有較大的逆向電流，因此導致較大的(逆向)漏電流。此外，在USB電源的供電期間，由於大部分電流會流經蕭特基二極體D11，致使其發熱而耗電。
因此，在設計USB充電供電電路時，如何使可攜式電子裝置在USB電源供電運行時(如LED燈發光、風扇馬達運轉)自動停止對可充電電池的充電(無須手動操作停止充電)，如何使可攜式電子裝置的待機耗電降至最低，如何自動偵測是否接收到USB電源，在可攜式電子裝置處於待機狀態期間，如何自動地以USB電源對可充電電池充電(無須手動操作開始充電)，如何提供短路或逆流保護等已成為目前重要的議題。
因此，本發明的目的，即在提供一種用於可攜式電子裝置的充電供電電路及一種可攜式電子裝置，其能克服現有技術的至少一缺點。
於是，本發明所提供的一種充電供電電路適用於一可攜式電子裝置。該可攜式電子裝置包含一USB連接埠、一可充電電池及一負載電路。該充電供電電路可操作在一待機模式、一USB充電模式、一電池供電模式及一USB供電模式其中一者，並包含一第一開關單元、一第二開關單元、一第三開關單元、一控制單元、及一穩壓單元。
該第一開關單元適於電連接在一第一參考節點與該可充電電池的正極之間，且具有一第一控制端，並根據該第一控制端所接收的一第一控制信號導通或不導通。
該第二開關單元適於電連接在該USB連接埠與該第一參考節點和一用來電連接該可充電電池的負極的第二參考節點其中一者之間，且具有一第二控制端，並根據該第二控制端所接收的一第二控制信號導通或不導通。
該第三開關單元適於與該負載電路彼此串聯在該第一參考節點和該第二參考節點之間，且具有一第三控制端，並根據該第三控制端所接收的一第三控制信號導通或不導通。
該控制單元適於電連接該可充電電池和該USB連接埠以偵測該可充電電池的跨壓和該USB連接埠是否接收到一輸入電壓，電連接該第二參考節點和該第一至第三控制端，接收經由該第一參考節點的工作電壓並根據偵測結果和與該可攜式電子裝置的操作狀態有關的輸入信號，產生該第一至第三控制信號且將該第一至第三控制信號分別輸出至該第一至第三控制端。
該穩壓單元電連接該控制單元以將輸入至該控制單元的該工作電壓穩定在一預定電壓範圍。
該可攜式電子裝置處於一待機狀態下，該控制單元在偵測到該USB連接埠未接收到一輸入電壓時，該充電供電電路操作在該待機模式，其中該控制單元透過該第二控制信號和該第三控制信號，使該第二開關單元和該第三開關單元不導通以允許該可充電電池經由該第一開關單元供應該工作電壓，而該控制單元在偵測到該USB連接埠接收到一輸入電壓時，該充電供電電路操作在該USB充電模式，其中該控制單元透過該第一至第三控制信號，使該第一開關單元和該第二開關單元導通而該第三開關單元不導通以允許該輸入電壓開始對該可充電電池充電，直到該控制單元偵測到該可充電電池的電壓達到一預定電壓。
當該可攜式電子裝置從該待機狀態切換至一激活狀態時，該控制單元在偵測出該USB連接埠未接收到一輸入電壓時，該充電供電電路操作在該電池供電模式，其中該控制單元透過該第一至第三控制信號，使該第一開關單元和該第三開關單元導通而該第二開關單元不導通以允許該可充電電池供應一電池電壓給該負載電路，而該控制單元在偵測出該USB連接埠接收到一輸入電壓時，該充電供電電路操作在該USB供電模式，其中該控制單元透過該第一至第三控制信號，使該第二開關單元和該第三開關單元導通而該第一開關單元不導通以允許該輸入電壓供應給該負載電路。
在該充電供電電路操作在該USB充電模式的情況下，當該可攜式電子裝置切換到該激活狀態時，該充電供電電路從該USB充電模式切換至該USB供電模式。
本發明的充電供電電路中，該第一開關單元包括一第一PMOS電晶體。該第一PMOS電晶體具有電連接該第一參考節點的一源極、用來電連該可充電電池的該正極的一汲極、及作為該第一控制端的一閘極，並包含一第一本體二極體。
本發明的充電供電電路中，該USB連接埠包含一正端及一負端，該第一參考節點還用來電連接該USB連接埠的該正端，該第二參考節點為接地點並還用來電連接該可充電電池的該負極，該控制單元適於電連接該USB連接埠的該負端。該第二開關單元電連接在該第二參考節點與該USB連接埠的該負端之間，並包括一第一NMOS電晶體。該第一NMOS電晶體具有電連接該第二參考節點的一源極、用來電連該USB連接埠的該負端的一汲極、及作為該第二控制端的一閘極，並包含一第二本體二極體。
本發明的充電供電電路中，該USB連接埠包含一正端及一負端，該控制單元適於電連接該USB連接埠的該正端，該第二參考節點為接地點並還用來電連接該可充電電池的該負極和該USB連接埠的該負端。該第二開關單元電連接在該第一參考節點與該USB連接埠的該正端之間，並包括一第二PMOS電晶體。該第二PMOS電晶體具有電連接該第一參考節點的一源極、用來電連該USB連接埠的該正端的一汲極、及作為該第二控制端的一閘極，並包含一第二本體二極體。
本發明的充電供電電路中，該控制單元包括一控制器、及彼此串聯的一第一電阻器和一第二電阻器。該控制器接收該工作電壓，電連接該第二參考節點，包含分別電連接該第一至第三控制端的第一至第三輸出端、用於偵測該輸入電壓的一第一輸入端、用於偵測該電池電壓的一第二輸入端、及用於接收該輸入信號的一第三輸入端，並操作來根據該第一輸入端與該第二輸入端的偵測結果以及該輸入信號產生該第一至第三控制信號且經由該第一至第三輸出端將該第一至第三控制信號分別輸出至該第一至第三控制端。該第一電阻器和該第二電阻器電連接該USB連接埠，該第一電阻器和該第二電阻器之間的一共同節點電連接該控制器的該第一輸入端。
本發明的充電供電電路中，該穩壓單元包括電連接在該控制器與該第二參考節點之間的一電容器。
本發明的充電供電電路中，該穩壓單元還包括與該電容器並聯的一稽納二極體，該稽納二極體具有分別電連接該第二參考節點和該控制器的陽極和陰極。
本發明的充電供電電路中，該充電供電電路還包含一蕭特基二極體，該蕭特基二極體具有電連接該第一參考節點的一陽極，以及電連接該控制器、該電容器和該稽納二極體的該陰極的一陰極，並用以防止來自該電容器的放電電流流入到該第一參考節點。
本發明的充電供電電路中，該充電供電電路還包含一指示單元，該指示單元電連接該控制單元，並回應於該第一控制信號產生對應於該充電供電電路操作時的視覺輸出。
本發明的充電供電電路中，在該充電供電電路操作在該USB供電模式的情況下，當該控制單元偵測出該USB連接埠未接收到一輸入電壓時，該充電供電電路從該USB供電模式切換至該電池供電模式。
本發明的充電供電電路中，在該充電供電電路操作在該電池供電模式的情況下，當該控制單元偵測出該USB連接埠接收到一輸入電壓時，該充電供電電路從該電池供電模式切換至該USB供電模式。
於是，本發明所提供的一種可攜式電子裝置包含一USB連接埠、一可充電電池、一負載電路、及上述各種情況的充電供電電路。
本發明之功效在於：能自動偵測是否接收到(來自USB電源)的輸入電壓；在該可攜式電子裝置處於待機狀態情況下，當偵測出無輸入電壓時能使待機耗電降至最低，而當偵測出接收到輸入電壓時能以輸入電壓自動地對該可充電電池充電，無須手動操作開始充電；在操作在該USB充電模式的情況下，當該可攜式電子裝置從待機狀態切換到激活狀態時，僅允許該輸入電壓供應給該負電路載且自動停止對該可充電電池的充電，無須手動操作停止充電；能提供該USB連接埠的短路或逆流保護；能提供該可充電電池的反接保護；當該可充電電池充飽時能自動斷電，避免過充；並能使除了該負載電路以外的耗電降至最低。
在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
參閱圖3與圖4，繪示出的本發明第一實施例的可攜式電子裝置例如包含一USB連接埠11、一輸入模組14、一可充電電池12、一負載電路13，以及一電連接該USB連接埠11、該可充電電池12、該負載電路13和該輸入模組14的充電供電電路10。在本實施例中，該可攜式電子裝置例如可以是但不限於一手電筒裝置。在其他實施例中，該可攜式電子裝置亦可以是如手持式風扇裝置的其他裝置。
該USB連接埠11用於接收一輸入電壓Vi。具體來說，當該USB連接埠11經由一USB連接線(圖未示)與例如隨身電源的USB電源(圖未示)電連接時，該USB連接埠11會接收到由USB電源所提供的輸入電壓Vi。在本實施例中，該USB連接埠11例如包含一正端111及一負端112。
在本實施例中，該負載電路13例如包含由一個或多個LED(圖4中僅繪出一個LED來代表)。
在本實施例中，該輸入模組14例如包含彼此串聯在地與該充電供電電路10之間的一電阻器和一開關組件。該開關組件可供手動按壓以便在其與該電阻器之間的共同節點對該充電供電電路10至少提供一有關一待機(standby)狀態(如停止照明)及一激活(activated)狀態(如啟動照明)的輸入信號。具體而言，當用戶想要該可攜式電子裝置從待機狀態切換到激活狀態或從激活狀態切換到待機狀態時，例如經由手動按壓操作而使該開關組件導通，該輸入模組14能在該開關組件的導通期間將具有低準位的輸入信號提供給該充電供電電路10，以供該充電供電電路10據以進行有關的控制操作(相關細節將詳細說明在下文中)。
該充電供電電路10可以操作在一待機模式、一USB充電模式、一電池供電模式及一USB供電模式其中一者，並例如包含一第一參考節點n1、一第二參考節點n2、一第一開關單元1、一第二開關單元2、一第三開關單元3、一控制單元4、一穩壓單元5、一指示單元6、及一蕭特基二極體7。在本實施例中，在該第一參考節點n1的電壓作為該充電供電電路10的供電電壓(通常以Vcc表示)，且該第二參考節點n2為接地點(通常以GND表示)。
該第一開關單元1電連接在該第一參考節點n1與該可充電電池12，並具有一第一控制端。該第一開關單元1可以根據該第一控制端所接收的一第一控制信號導通或不導通。更具體地，在本實施例中，該第一參考節點n1電連接該USB連接埠11的正端111。該第一開關單元1例如包含但不限於一低態動作(active-low)的第一PMOS電晶體Q1。該第一PMOS電晶體Q1具有電連接該第一參考節點n1的源極、電連接該可充電電池12(正確安裝下)的正極的汲極、及作為該第一控制端的閘極，並包含一第一本體二極體Q1D。請注意，在該可充電電池12被正確安裝時，該可充電電池12的負極會接地(亦即，電連接該第二參考節點n2)；若該可充電電池12未正常安裝(即，反接)時，該第一PMOS電晶體Q1的汲極會錯誤地電連接該可充電電池12的負極。在此配置下，該第一PMOS電晶體Q1的操作與該可充電電池12的充電和供電(包含待機狀態下的供電與激活狀態下的供電)有關。
在本實施例中，該第二開關單元2電連接在該USB連接埠11的負端112與該第二參考節點n2之間，並具有一第二控制端。該第二開關單元2可以根據該第二控制端所接收的一第二控制信號導通或不導通。更具體地，在本實施例中，該第二開關單元2例如包含但不限於一高態動作(active-high)的第一NMOS電晶體Q2。該第一NMOS電晶體Q2具有電連接該第二參考節點n2的源極、電連接該USB連接埠11的負端112的汲極、及作為該第二控制端的閘極，並包含一第二本體二極體Q2D。在此配置下，該第一NMOS電晶體Q2的操作與該USB電源對該可充電電池12的充電和在激活狀態下的供電有關。
該第三開關單元3與該負載電路13彼此串聯在該第一參考節點n1與該第二參考節點n2之間，並具有一第三控制端。該第三開關單元3可以根據該第三控制端所接收的一第三控制信號導通或不導通。在本實施例中，該第三開關單元3例如包括一具有該第三控制端且電連接在該負載電路13(也就是LED的陰極)該第二參考節點n2之間的電晶體，但不以此例為限。更具體地，該電晶體例如是但不限於一高態動作的第二NMOS電晶體Q3，其具有作為該第三控制端的閘極、電連接該第二參考節點n2的源極、及電連接該負載電路13(也就是LED的陰極)的汲極。在此配置下，該第二NMOS電晶體Q3的操作與該負載電路13的輸出功率有關。
該控制單元4電連接該可充電電池12和該USB連接埠11以偵測該可充電電池12的電壓和該USB連接埠11是否接收到輸入電壓Vi，電連接該輸入模組14以接收該輸入信號，電連接該第一參考節點n1、該第二參考節點n2和該第一至第三控制端，接收經由該第一參考節點n1的工作電壓(通常以VDD表示)，並根據偵測結果和接收到的輸入信號產生該第一至第三控制信號且將該第一至第三控制信號分別輸出至該第一至第三控制端。更具體地，在本實施例中，該控制單元4例如包含但不限於一控制器40，以及第一至第三電阻器41~43。該控制器40可以一8-pin微控制器(例如，PIC12F1572)來實現，其具有用於接收該工作電壓的VDD端、電連接該第二參考節點n2的共同接地端(以下，簡稱VSS端)、分別電連接該第一至第三控制端的第一至第三輸出端401~403、用於偵測該輸入電壓的第一輸入端404、用於偵測該電池電壓的第二輸入端405、及電連接該輸入模組14中在該電阻器與該開關組件之間的共同節點以接收該輸入信號的第三輸入端406，並操作來根據該第一輸入端404與該第二輸入端405的偵測結果以及該輸入信號產生該第一至第三控制信號且經由該第一至第三輸出端401~403將該第一至第三控制信號分別輸出至該第一至第三控制端。該第一電阻器41和該第二電阻器42彼此串聯在該VDD端與該USB連接埠11的負端112之間，其中該第一電阻器41電連接該VDD端，而該第二電阻器42電連接該USB連接埠11的負端112。該第一電阻器41與該第二電阻器42之間的一共同節點電連接該控制器40的第一輸入端404。該第三電阻器43電連接在該控制器40的第二輸入端405與該可充電電池12的正端之間。該控制器40的VDD端還電連接該輸入模組14的電阻器
請注意，在本實施例中，該控制器40對於該第一至第三輸入端404~406所接收到的電壓必須符合於特定限制，例如在一下限電壓(如，-0.3V)與一上限電壓(如，VDD+0.3V)之間的電壓範圍。因此，若在該第一PMOS電晶體Q1導通而該第一NMOS電晶體Q2不導通的情況下，當該USB連接埠11接收到該輸入電壓Vi時，該第一輸入端404對於該VSS端的相對電壓為該第二電阻器42的跨壓減去該第二本體二極體Q2D的順向偏壓Vf(約0.8V)。為了滿足該特定限制，僅需適當地決定該第一電阻器41與該第二電阻器42的電阻值以便該相對電壓上拉至例如0V。因此，該第二電阻器42可用作一上拉電阻。然而，在其他實施例中，若對於無上述特定限制的控制器 (例如，其允許接收如-0.8V的電壓)而言，該第二電阻器42亦可被省略。另一方面，在本實施例中，該第一電阻器41和該輸入模組14的電阻器亦用作有關於VDD的上拉電阻。然而，在其他實施例中，若控制器內建有對應的上拉電阻時，該第一電阻器41和該輸入模組14的電阻器亦可被省略。
更明確地，在本實施例中，該控制器40透過偵測該第一輸入端404是否接收到一邏輯-0準位的電壓或者透過判定工作電壓VDD是否大於該可充電電池12的最大跨壓(例如，4.5V)來確定該USB連接埠11是否接收到該輸入電壓Vi(即，當該第一輸入端404接收到邏輯-0準位的電壓或者當VDD＞4.5V時代表該USB連接埠11接收到該輸入電壓Vi)，該控制器40透過該第二輸入端405所接收到的電壓來估算該可充電電池12的跨壓，該控制器40透過判定該第三輸入端406所接收到的輸入信號是否具有邏輯-0準位來確定該可攜式電子裝置的操作狀態是否要改變(即，當輸入信號具有邏輯-0準位時代表該可攜式電子裝置的操作狀態要改變)。
附帶一提，在該可充電電池12被設計成是可拆卸的情況下，若該可充電電池12被反接時，由於該第三電阻器43(例如為100Ω的電阻器)在不影響對於該可充電電池12的跨壓的偵測下可以大幅減少該控制器40的發熱，藉此達成該可充電電池12的反接保護。
該穩壓單元5電連接該控制器40的VDD端以將該工作電壓VDD穩定在一預定電壓範圍。更具體地，在本實施例中，該穩壓單元5例如可包含彼此並聯連接在該控制器40的VDD端與該第二參考節點n2之間的一電容器51和一稽納二極體52，該稽納二極體52具有分別電連接該第二參考節點n2和該VDD端的陽極和陰極。請注意，該稽納二極體52組配用來將該控制器40的工作電壓VDD維持在一最高電壓(例如，5.5V的額定電壓) 。附帶一提，由於該可攜式電子裝置通常具有受限的體積，該電容器51最好具有較小電容，例如可以具有47μF的多層陶瓷電容器(MLCC)來實現，但不以此例為限。
該蕭特基二極體7具有電連接該第一參考節點n1的一陽極，以及電連接該控制器40的VDD端、該電容器51和該稽納二極體52的陰極的一陰極，並組配用來當該負載電路13例如利用PWM信號而被激活時(即，LED導通發光時)防止該電容器51放電(即，防止從該電容器51流出的放電電流流至該第一參考節點n1)，藉此能確保穩定的工作電壓VDD進而使該控制器40能穩定地操作。
該指示單元6接收該工作電壓VDD，並電連接且受控於該控制單元4，以使該指示單元6回應於該第一控制信號產生對應於該充電供電電路10操作時的視覺輸出。更具體地，在本實施例中，該指示單元6例如包含但不限於彼此串聯且電連接在該控制器40的VDD端與第一控制端401之間的一電阻器和一LED。換言之，該LED用於產生視覺輸出，且該LED的導通(發光)或不導通(不發光)將與該第一PMOS電晶體Q1的導通或不導通同步。舉例來說，當該第一控制信號呈現邏輯-0準位時，該LED導通發光且該第一PMOS電晶體Q1導通，而當該第一控制信號呈現邏輯-1準位時，該LED不導通因而不發光且該第一PMOS電晶體Q1不導通。
以下，將參閱圖4進一步詳細說明該充電供電電路10的運作，特別是在待機模式、USB充電模式、電池供電模式以及USB供電模式下該控制單元4的操作與控制，以及該指示單元6的視覺輸出。
在該可攜式電子裝置處於待機狀態的情況下，該控制器40在偵測到該USB連接埠11未接收到輸入電壓Vi時，該充電供電電路10操作在該待機模式。在該待機模式中，該控制器40透過輸出具有邏輯-1準位的該第一控制信號、具有邏輯-0準位的該第二控制信號和具有邏輯-0準位的該第三控制信號，使該第一PMOS電晶體Q1、該第一NMOS電晶體Q2和該第二NMOS電晶體Q3不導通，以允許該可充電電池12經由該第一本體二極體Q1D和該蕭特基二極體7以低耗電的方式供應該控制器40的工作電壓VDD。在待機模式期間，由於該指示單元6中的LED不導通，因此該指示單元6以不發光的方式作為對應於該待機模式的視覺輸出。
該可攜式電子裝置仍處於待機狀態的情況下，該控制器40在偵測到該USB連接埠11接收到輸入電壓Vi時，該充電供電電路10會從該待機模式切換到該USB充電模式。在該USB充電模式中，該控制器40透過輸出具有邏輯-0準位的該第一控制信號、具有邏輯-1準位的該第二控制信號和具有邏輯-0準位的該第三控制信號，使該第一PMOS電晶體Q1和該第一NMOS電晶體Q2導通而該第二NMOS電晶體Q3不導通，以允許該輸入電壓經由該USB連接埠11的正端111、該第一PMOS電晶體Q1、該可充電電池12、該第二參考節點n2(GND)、該第一NMOS電晶體Q2和該USB連接埠11的負端112構成的一充電電流路徑開始對該可充電電池12充電，直到該控制器40偵測到該可充電電池12的跨壓達到一預定電壓。更具體地，在充電初期，由於該第一PMOS電晶體Q1和該第一NMOS電晶體Q2具有很小的導通電阻，因此充電電流可達到1A以上，為了避免充電電流過大，該控制器40可以透過輸出具有脈寬調變(PWM)的該第一控制信號來調節。舉例來說，當該控制器40偵測到該工作電壓VDD小於安全電壓(例如，4.8V)時，該控制器40可以將該第一控制信號的PWM的工作週期(duty cycle)調小。在充電末期，當該控制器40偵測到該可充電電池12的跨壓達到例如4.2V時可以停止充電(即，使該該第一PMOS電晶體Q1和該第一NMOS電晶體Q2成為不導通)，但若要充更飽，可以在該可充電電池12的跨壓達到例如4.2V後再經過額外的充電時間的充電後才停止充電。請注意，在充電期間，該控制器40必須使該第一PMOS電晶體Q1從導通切換成不導通才能偵測該可充電電池12的跨壓。附帶一提，該額外充電時間可以是一固定時間，或是由充電電流降低至該可充電電池12的額定容量(例如，3300mAh)的3%(例如，99mA)來決定該額外充電時間。請注意，該充電電流的獲得與該第二本體二極體Q2D的導通壓降(以下以Vf表示)有關。此外，該控制器40具有低耗電特性(其消耗的電流小於1mA，可忽略)且導通的該蕭特基二極體7具有較低的壓降亦可忽略。請注意，在開始充電前的很短時間內，例如1ms，該控制器40為了量測該工作電壓VDD，透過使該第一PMOS電晶體Q1和該第二NMOS電晶體Q3不導通而使該第一NMOS電晶體Q2導通(此時，其跨壓可是視為0)的控制，量測到的該工作電壓VDD非常接近該輸入電壓Vi，隨後立即使該第一PMOS電晶體Q1切換成導通(進入充電期間)。因此，在充電期間，該工作電壓VDD大致為該輸入電壓Vi。然而，在額外充電期間內，為了量測充電電流，該控制器40使該第一NMOS電晶體Q2從導通切換成不導通，若忽略該第一PMOS電晶體Q1和該蕭特基二極體7的跨壓，此時該可充電電池12可視為與該控制器40並聯，於是，該工作電壓VDD大致為該可充電電池12的(充電)跨壓(以下以Vc表示)且Vi=Vc+Vf(亦即，Vf=Vi-Vc)。由於Vf會隨著流經該第二本體二極體Q2D的電流(即，在額外充電期間的充電電流)而改變，因此該控制器40僅須根據計算出的Vf且利用預先獲得該第一NMOS電晶體Q2的規格資訊(例如，在25℃時，Vf=0.65V/I=100mA，Vf=0.6V/I=80mA，…)便可獲得該充電電流，而不需額外配置用於感測充電電流的電阻器。
該控制器40一旦偵測到該USB連接埠11接收到該輸入電壓時，在該充電供電電路10切換到該充電模式之前，該控制器40還透過輸出具有例如一個或兩個邏輯-0脈波的該第一控制信號使該指示單元6閃爍發光一次或兩次作為指示該USB連接埠11接收到該輸入電壓Vi的視覺輸出。而在上述充電期間和額外充電期間，該指示單元6根據該第一控制信號而可以持續發光及高頻閃爍發光(人眼會因視覺暫留作用而看似連續發光)作為上述充電期間的視覺輸出並以低頻閃爍發光的方式作為上述額外充電期間的視覺輸出。
當該控制器40停止該輸入電壓Vi對該可充電電池12充電時(即，充飽時)，該充電供電電路10可切換回該待機模式。
在該可攜式電子裝置處於待機狀態的情況下，當該控制器40的該第三輸入端406接收到具有邏輯-0準位的該輸入信號時，此代表該可攜式電子裝置要從待機狀態切換到激活狀態。於是，該控制器40會先偵測該USB連接埠11是否接收到輸入電壓Vi。當該控制器40偵測到該USB連接埠11未接收到輸入電壓Vi時，該充電供電電路10(從該待機模式)切換到該電池供電模式。在該電池供電模式中，該控制器40透過輸出具有邏輯-0準位的該第一控制信號、具有邏輯-0準位的該第二控制信號和具有PWM的該第三控制信號，使該第一PMOS電晶體Q1導通、該第二NMOS電晶體Q3以例如100KHz的高頻間歇性導通而該第一NMOS電晶體Q2不導通，以允許該可充電電池12供應一電池電壓給該負載電路13而使其中的LED以高頻閃爍方式發光(人眼無法感覺此高頻閃爍)。在該電池供電模式期間，由於該指示單元6中的LED保持導通，因此該指示單元6以持續發光的方式作為對應於該電池供電模式的視覺輸出。而當該控制器40偵測到該USB連接埠11接收到輸入電壓Vi時，該充電供電電路10(從該待機模式)切換到該USB供電模式。在該USB供電模式中，該控制器40透過輸出具有邏輯-1準位的該第一控制信號、具有邏輯-1準位的該第二控制信號和具有邏輯-1準位的該第三控制信號，使該第一NMOS電晶體Q2和該第二NMOS電晶體Q3導通而該第一PMOS電晶體Q1不導通，以允許該輸入電壓Vi供應給該負載電路13。在該USB供電模式期間，由於該指示單元6中的LED保持不導通，因此該指示單元6以持續不發光的方式作為對應於該USB供電模式的視覺輸出。
請注意，在該充電供電電路10操作在該USB供電模式的情況下，當該控制器40偵測出該USB連接埠11未接收到輸入電壓Vi時，該充電供電電路10會自動地從該USB供電模式切換至該電池供電模式；在該充電供電電路10操作在該電池供電模式的期間情況下，當該控制器40偵測出該USB連接埠接收到輸入電壓Vi時，該充電供電電路10會自動地從該電池供電模式切換至該USB供電模式；以及在該充電供電電路10操作在該USB充電模式的情況下，當該控制器40的該第三輸入端406接收到具有邏輯-0準位的該輸入信號時，此代表該可攜式電子裝置要從待機狀態切換到激活狀態，該充電供電電路10會自動地從該USB充電模式切換到該USB供電模式，亦即，輸入電壓Vi停止對該可充電電池12充電而直接供應該負載電路13，藉此可避免USB電源的負載過大，並確保該負載電路13的運作不會受到因充電電流的分流所導致的不良影響(例如，發光亮度降低)。
此外，當該可攜式電子裝置處於待機狀態且該充電供電電路10操作在該待機模式時，此時該第一PMOS電晶體Q1和該第一NMOS電晶體Q2均不導通，若該USB連接埠11發生短路(例如，由於異物插入而使其正端111與負端112電性連接)時，該第二本體二極體Q2D為逆向不導通，因而無法構成一電流迴路，藉此達成短路或逆流保護。
參閱圖5，繪示出的本發明第二實施例的可攜式電子裝置，其為該第一實施例的變化態樣，並且其與該第一實施例的可攜式電子裝置(圖4)在配置上不同之處將清楚說明如下。
在本實施例中，該USB連接埠11的負端112電連接該第二參考節點n2(即，接地點)。
在本實施例中，該負載電路13例如包含一電感器131、一LED133及一蕭特基二極體132，其中該電感器131與該LED133彼此串聯且電連接在該第三開關單元3與該第二參考節點n2之間，而該蕭特基二極體132與串聯的該電感器131和該LED133並聯，於是構成一用於限制電流的降壓轉換器(buck converter)。
在本實施例中，該輸入模組14例如以一觸控模組來實現，並可以操作來產生至少與待機狀態和激活狀態的控制有關的輸入信號。由於觸控模組的技術已為通常知識者所熟知，且其並非本發明的特徵，故在此省略其細節不再贅述。
在本實施例中，該第二開關單元2電連接在該第一參考節點n1與該USB連接埠11的正端111之間，並包括一低態動作的第二PMOS電晶體Q2’。該第二PMOS電晶體Q2’具有電連接該第一參考節點n1的源極、電連接該USB連接埠11的正端111的汲極、及作為該第二控制端的閘極，並包含一第二本體二極體Q2D’。
在本實施例中，該第三開關單元3例如包括一具有該第三控制端且電連接在該第一參考節點n1與該負載電路13之間的電晶體，但不以此例為限。更具體地，此電晶體例如是但不限於一低態動作的第三PMOS電晶體Q3’，其具有作為該第三控制端的閘極、電連接該負載電路13的電感器131的汲極、及電連接該的一參考節點n1的源極。
在本實施例中，該第一電阻器41與該二電阻器42彼此仍是串聯連接，然而，該第一電阻器41電連接該第二參考節點n2，且該第二電阻器42電連接該USB連接埠11的正端111。此外，該電二電阻器42用作一降壓電阻。
在本實施例中，該控制器40能辨識來自該輸入模組14且對應不同控制的輸入信號。
在本實施例中，該穩壓單元5僅包含該電容器51，亦即省略了該第一實施例中的稽納二極體52(圖4)。
請注意，相似於上述第一實施例中所述，該控制器40對於該第一至第三輸入端404~406所接收到的電壓必須符合於上述特定限制，例如 -0.3V~VDD+0.3V的電壓範圍。因此，若在該第一PMOS電晶體Q1導通而該第二POMOS電晶體Q2’不導通的情況下，當該USB連接埠11接收到該輸入電壓Vi時，該第一輸入端404對於該VSS端的相對電壓大致為(VDD+0.8V)減去該第二電阻器42的跨壓，此處，0.8V代表該第二本體二極體Q2D’的順向偏壓Vf。為了滿足上述特定限制，僅需適當地決定該第一電阻器41與該第二電阻器42的電阻值以便該相對電壓下降到例如VDD+0.3V以下。因此，在本實施例中，該第二電阻器42是用作一降壓電阻。然而，在其他實施例中，若對於無上述特定限制的控制器 (例如，其允許接收如VDD+0.8V的電壓)而言，該第二電阻器42亦可被省略。
在本實施例中，由於該第一電阻器41與該第二電阻器42的連接方式不同於上述第一實施例中所述，因此該控制器40透過偵測該第一輸入端404是否接收到一邏輯-1準位的電壓來確定該USB連接埠11是否接收到該輸入電壓Vi(即，當該第一輸入端404接收到邏輯-1準位的電壓時代表該USB連接埠11接收到該輸入電壓Vi。
在本實施例中，由於該第二開關單元2使用的該第二PMOS電晶體Q2’且該第三開關單元3使用了該第三PMOS電晶體Q3’，於是該控制器40是透過輸出具有邏輯-0準位的第二控制信號而使該第二PMOS電晶體Q2’導通，並透過輸出具有邏輯-0準位的第三控制信號而使該第三PMOS電晶體Q3’導通。因此，該充電供電電路10具有相似於上述第一實施例中所述的運作，並能達成如上述第一實施例中所述的所有功效。
綜上所述，本發明的充電供電電路10確實能達成以下功效： 1.     自動偵測是否接收到(來自USB電源)的輸入電壓； 2.     在該可攜式電子裝置處於待機狀態的情況下，當偵測出無輸入電壓時能使待機耗電降至最低，而當偵測出接收到輸入電壓時能以輸入電壓自動地對該可充電電池12充電，無須手動操作開始充電； 3.     在操作在該USB充電模式的情況下，當該可攜式電子裝置從待機狀態切換到激活狀態時，僅允許該輸入電壓供應給該負電路載13且自動停止對該可充電電池12的充電，無須手動操作停止充電； 4.     能提供該USB連接埠11的短路或逆流保護； 5.     能提供該可充電電池12的反接保護； 6.     當該可充電電池12充飽時，能自動從該USB充電模式切換到該待機模式而達成自動斷電，以避免過充並無須手動斷開USB電源與該USB連接埠11的連接；及 7.     在操作在該USB供電模式或該電池供電模式的情況下，相較於圖2的現有技術，能使除了該負載電路13以外的耗電降至最低。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
10:充電供電電路 1:第一開關單元 2:第二開關單元 3:第三開關單元 4:控制單元 40:控制器 401:第一控制端 402:第二控制端 403:第三控制端 404:第一輸入端 405:第二輸入端 406:第三輸入端 41:第一電阻器 42:第二電阻器 43:第三電阻器 5:穩壓單元 51:電容器 52:稽納二極體 6:指示單元 7:蕭特基二極體 11:USB連接埠 111:正端 112:負端 12:可充電電池 13:負載電路 131:電感器 132:蕭特基二極體 133:LED 14:輸入模組 n1:第一參考節點 n2:第二參考節點
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一電路方塊圖，示例性地繪示一種現有USB充電電路； 圖2是一電路方塊圖，示例性地繪示一種現有USB充電供電電路； 圖3是一方塊圖，說明本發明第一實施例的可攜式電子裝置； 圖4是一電路圖，示例性地繪示出該第一實施例的詳細電路；及 圖5是一電路圖，示例性地繪示出本發明第二實施例的可攜式電子裝置的詳細電路。
10:充電供電電路
1:第一開關單元
2:第二開關單元
3:第三開關單元
4:控制單元
40:控制器
401:第一控制端
402:第二控制端
403:第三控制端
404:第一輸入端
405:第二輸入端
406:第三輸入端
41:第一電阻器
42:第二電阻器
43:第三電阻器
5:穩壓單元
51:電容器
52:稽納二極體
6:指示單元
7:蕭特基二極體
11:USB連接埠
111:正端
112:負端
12:可充電電池
13:負載電路
14:輸入模組
n1:第一參考節點
n2:第二參考節點

Claims (12)

  1. 一種充電供電電路，適用於一可攜式電子裝置，該可攜式電子裝置包含一USB連接埠、一可充電電池及一負載電路，該充電供電電路可操作在一待機模式、一USB充電模式、一電池供電模式及一USB供電模式其中一者，並包含： 一第一開關單元，適於電連接在一第一參考節點與該可充電電池的正極之間，具有一第一控制端，並根據該第一控制端所接收的一第一控制信號導通或不導通； 一第二開關單元，適於電連接在該USB連接埠與該第一參考節點和一用來電連接該可充電電池的負極的第二參考節點其中一者之間，具有一第二控制端，並根據該第二控制端所接收的一第二控制信號導通或不導通； 一第三開關單元，適於與該負載電路彼此串聯在該第一參考節點和該第二參考節點之間，具有一第三控制端，並根據該第三控制端所接收的一第三控制信號導通或不導通； 一控制單元，適於電連接該可充電電池和該USB連接埠以偵測該可充電電池的跨壓和該USB連接埠是否接收到一輸入電壓，電連接該第二參考節點和該第一至第三控制端，接收經由該第一參考節點的工作電壓並根據偵測結果和與該可攜式電子裝置的操作狀態有關的輸入信號，產生該第一至第三控制信號且將該第一至第三控制信號分別輸出至該第一至第三控制端；及 一穩壓單元，電連接該控制單元以將輸入至該控制單元的該工作電壓穩定在一預定電壓範圍； 其中，該可攜式電子裝置處於一待機狀態下，該控制單元在偵測出該USB連接埠未接收到一輸入電壓時，該充電供電電路操作在該待機模式，其中該控制單元透過該第二控制信號和該第三控制信號，使該第二開關單元和該第三開關單元不導通以允許該可充電電池經由該第一開關單元供應該工作電壓，而該控制單元在偵測出該USB連接埠接收到一輸入電壓時，該充電供電電路操作在該USB充電模式，其中該控制單元透過該第一至第三控制信號，使該第一開關單元和該第二開關單元導通而該第三開關單元不導通以允許該輸入電壓開始對該可充電電池充電，直到該控制單元偵測到該可充電電池的電壓達到一預定電壓； 其中，當該可攜式電子裝置從該待機狀態切換至一激活狀態時，該控制單元在偵測出該USB連接埠未接收到一輸入電壓時，該充電供電電路操作在該電池供電模式，其中該控制單元透過該第一至第三控制信號，使該第一開關單元和該第三開關單元導通而該第二開關單元不導通以允許該可充電電池供應一電池電壓給該負載電路，而該控制單元在偵測出該USB連接埠接收到一輸入電壓時，該充電供電電路操作在該USB供電模式，其中該控制單元透過該第一至第三控制信號，使該第二開關單元和該第三開關單元導通而該第一開關單元不導通以允許該輸入電壓供應給該負載電路；及 其中，在該充電供電電路操作在該USB充電模式的情況下，當該可攜式電子裝置切換到該激活狀態時，該充電供電電路從該USB充電模式切換至該USB供電模式。
  2. 如請求項1所述的充電供電電路，其中，該第一開關單元包括： 一第一PMOS電晶體，具有電連接該第一參考節點的一源極、用來電連該可充電電池的該正極的一汲極、及作為該第一控制端的一閘極，並包含一第一本體二極體。
  3. 如請求項1所述的充電供電電路，該USB連接埠包含一正端及一負端，其中： 該第一參考節點還用來電連接該USB連接埠的該正端，該第二參考節點為接地點並還用來電連接該可充電電池的該負極，並且該控制單元適於電連接該USB連接埠的該負端；及 該第二開關單元電連接在該第二參考節點與該USB連接埠的該負端之間，並包括 一第一NMOS電晶體，具有電連接該第二參考節點的一源極、用來電連該USB連接埠的該負端的一汲極、及作為該第二控制端的一閘極，並包含一第二本體二極體。
  4. 如請求項1所述的充電供電電路，該USB連接埠包含一正端及一負端，其中： 該控制單元適於電連接該USB連接埠的該正端，該第二參考節點為接地點並還用來電連接該可充電電池的該負極和該USB連接埠的該負端；及 該第二開關單元電連接在該第一參考節點與該USB連接埠的該正端之間，並包括 一第二PMOS電晶體，具有電連接該第一參考節點的一源極、用來電連該USB連接埠的該正端的一汲極、及作為該第二控制端的一閘極，並包含一第二本體二極體。
  5. 如請求項3或4所述的充電供電電路，其中，該控制單元包括： 一控制器，接收該工作電壓，電連接該第二參考節點，包含分別電連接該第一至第三控制端的第一至第三輸出端、用於偵測該輸入電壓的一第一輸入端、用於偵測該可充電電池的跨壓的一第二輸入端、及用於接收該輸入信號的一第三輸入端，並操作來根據該第一輸入端與該第二輸入端的偵測結果以及該輸入信號產生該第一至第三控制信號且經由該第一至第三輸出端將該第一至第三控制信號分別輸出至該第一至第三控制端；及 彼此串聯的一第一電阻器和一第二電阻器，電連接該USB連接埠，該第一電阻器和該第二電阻器之間的一共同節點電連接該控制器的該第一輸入端。
  6. 如請求項5所述的充電供電電路，其中，該穩壓單元包括電連接在該控制器與該第二參考節點之間的一電容器。
  7. 如請求項6所述的充電供電電路，其中，該穩壓單元還包括與該電容器並聯的一稽納二極體，該稽納二極體具有分別電連接該第二參考節點和該控制器的陽極和陰極。
  8. 如請求項6所述的充電供電電路，還包含： 一蕭特基二極體，具有電連接該第一參考節點的一陽極以及電連接該控制器、該電容器和該稽納二極體的該陰極的一陰極，並用以防止來自該電容器的放電電流流入到該第一參考節點。
  9. 如請求項1所述的充電供電電路，還包含： 一指示單元，電連接該控制單元，並回應於該第一控制信號產生對應於該充電供電電路操作時的視覺輸出。
  10. 如請求項1所述的充電供電電路，其中，在該充電供電電路操作在該USB供電模式的情況下，當該控制單元偵測出該USB連接埠未接收到一輸入電壓時，該充電供電電路從該USB供電模式切換至該電池供電模式。
  11. 如請求項1所述的充電供電電路，其中，在該充電供電電路操作在該電池供電模式的情況下，當該控制單元偵測出該USB連接埠接收到一輸入電壓時，該充電供電電路從該電池供電模式切換至該USB供電模式。
  12. 一種可攜式電子裝置，包含一USB連接埠、一可充電電池、一負載電路、及如請求項1至11其中任一項所述的充電供電電路。
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