TWI738268B - 定電流充電裝置 - Google Patents

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    • G05F3/02—Regulating voltage or current
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    • H02J7/007—Regulation of charging or discharging current or voltage
    • H02J7/00712—Regulation of charging or discharging current or voltage the cycle being controlled or terminated in response to electric parameters
    • H02J7/00714—Regulation of charging or discharging current or voltage the cycle being controlled or terminated in response to electric parameters in response to battery charging or discharging current

Abstract

一種定電流充電裝置，用於對一待充電裝置充電並包括：一參考電流源，提供一參考電流；一電流鏡，電性耦接至該參考電流源並輸出一鏡像電流；一電流調整單元，電性耦接至該電流鏡及該待充電裝置並根據該鏡像電流輸出一充電電流以對該待充電裝置充電；以及一電流補償單元，電性耦接至該電流鏡及該電流調整單元並根據一參考電壓調整該充電電流。

Description

定電流充電裝置
本揭示關於充電技術領域，特別是關於一種定電流充電裝置。
習知的充電裝置包括一定電流充電模式以及一定電壓充電模式。當電池剛開始被充電時，充電裝置以定電流充電模式對電池充電。當電池被充電至一電壓之後，充電裝置以定電壓充電模式對電池充電。
然而，習知的充電裝置所提供的電流及電壓有時候並不穩定，不穩定的電流或電壓不會僅影響電池的充電效率，還會降低電池的使用壽命。
因此需要針對上述習知技術的問題提出一種解決方法。
本揭示提供一種定電流充電裝置，其能解決習知技術中的問題。
本揭示之定電流充電裝置包括：一參考電流源，用於提供一參考電流；一電流鏡，電性耦接至該參考電流源並輸出一鏡像電流；一電流調整單元，電性耦接至該電流鏡及該待充電裝置，該電流調整單元根據該鏡像電流輸出一充電電流以對該待充電裝置充電；以及一電流補償單元，電性耦接至該電流鏡及該電流調整單元，該電流補償單元根據一參考電壓調整該充電電流。
本揭示之定電流充電裝置可以通過該電流調整單元及該電流補償單元提供穩定且可控制的充電電流。再者，本揭示之定電流充電裝置可以根據該電流鏡之電晶體的通道寬長比及該電流調整單元之電晶體的通道寬長比設計該充電電流。最後，本揭示之定電流充電裝置可以通過該電流補償單元提供穩定的充電電流及充電電壓。
為使本揭示的目的、技術方案及效果更加清楚、明確，以下參照圖式並舉實施例對本揭示進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本揭示，本揭示說明書所使用的詞語“實施例”意指用作實例、示例或例證，並不用於限定本揭示。此外，本揭示說明書和所附申請專利範圍中所使用的冠詞「一」一般地可以被解釋為意指「一個或多個」，除非另外指定或從上下文可以清楚確定單數形式。並且，在所附圖式中，結構、功能相似或相同的元件是以相同元件標號來表示。
請參閱第1圖以及第2圖，第1圖顯示根據本揭示一實施例之定電流充電裝置的方塊圖。第2圖顯示第1圖之定電流充電裝置的詳細電路圖。
該定電流充電裝置用於對一待充電裝置50充電且包括一參考電流源10、一電流鏡20、一電流調整單元30以及一電流補償單元40。
本揭示之該待充電裝置50可以為但不限於一需要充電的電路或一可充電電池。
該參考電流源10電性耦接至一電源VDD並提供一參考電流I REF。該電源VDD可以為一直流電源。該參考電流I REF可以根據需求調整。
該電流鏡20電性耦接至該參考電流源10並輸出一鏡像電流I B，其中該鏡像電流I B可以為該參考電流I REF的M倍。
該電流調整單元30電性耦接至該電源VDD、該電流鏡20及該待充電裝置50。該電流調整單元30根據該鏡像電流I B輸出一充電電流I C以對該待充電裝置50充電，其中該充電電流I C可以為該鏡像電流I B的N倍。也就是說，該充電電流I C可以為該參考電流I REF的M
Figure 02_image001
N倍。M及N為正數。
該電流補償單元40電性耦接至該電源VDD、該電流鏡20及該電流調整單元30。該電流補償單元40根據一參考電壓V REF補償該充電電流I C以調整該充電電流I C。更明確地說，該電流補償單元40可以控制以增加或減少該充電電流I C。此外，該電流補償單元40進一步調整輸入至該待充電裝置50之一充電電壓V C。更明確地說，該電流補償單元40可以控制以增加或減少該充電電壓V C。該參考電壓V REF可以根據需求調整。
如第2圖所示，該電流鏡20包括一第一電晶體T1以及一第二電晶體T2。該第一電晶體T1包括一第一控制端、一第一輸入端以及一第一輸出端。該第二電晶體T2包括一第二控制端、一第二輸入端以及一第二輸出端。
該第一控制端電性耦接至該參考電流源10及該第二控制端。該第一輸入端電性耦接至該電流調整單元30及該電流補償單元40。該第一輸出端電性耦接至一接地端G。該第二輸入端電性耦接至該參考電流源10。該第二輸出端電性耦接至該接地端G。
於本實施例中，該第一電晶體T1及該第二電晶體T2可以為N型金屬氧化物半導體場效電晶體（N-type Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，NMOSFET）。
該電流調整單元30包括一運算放大器OPA、一第三電晶體T3以及一第四電晶體T4。該運算放大器OPA包括一反相輸入端－、一非反相輸入端＋以及一輸出端O。該第三電晶體T3包括一第三控制端、一第三輸入端以及一第三輸出端。該第四電晶體T4包括一第四控制端、一第四輸入端以及一第四輸出端。
該反相輸入端－電性耦接至該參考電壓V REF，該非反相輸入端＋電性耦接至該待充電裝置50及該第三輸出端。該輸出端O電性耦接至該電流補償單元40。該第三控制端電性耦接至該第四控制端及該電流補償單元40。該第三輸入端電性耦接至該電源VDD。該第四輸入端電性耦接至該電源VDD。該第四輸出端電性耦接至該第一輸入端。
於本實施例中，該第三電晶體T3及該第四電晶體T4可以為P型金屬氧化物半導體場效電晶體（P-type Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，PMOSFET）。
該電流補償單元40包括一第五電晶體T5一第六電晶體T6以及一第七電晶體T7。該第五電晶體T5包括一第五控制端、一第五輸入端以及一第五輸出端。該第六電晶體T6包括一第六控制端、一第六輸入端以及一第六輸出端。該第七電晶體T7包括一第七控制端、一第七輸入端以及一第七輸出端。
該第五控制端電性耦接至該第六控制端、該第六輸出端及該第七輸入端。該第五輸入端電性耦接至該電源VDD。該第五輸出端電性耦接至該第三控制端。該第六輸入端電性耦接至該電源VDD。該第七控制端電性耦接至該第一輸入端。該第七輸出端電性耦接至該接地端G。
於本實施例中，該第五電晶體T5及該第六電晶體T6可以為P型金屬氧化物半導體場效電晶體，該第七電晶體T7可以為N型金屬氧化物半導體場效電晶體。
以下將詳述本揭示之定電流充電裝置的工作原理。
首先，該充電電壓V C於初始狀態為零，該非反相輸入端＋的電壓（即等於零）小於該參考電壓V REF，該輸出端O輸出一低電壓準位。該第三電晶體T3及該第四電晶體T4導通，使得該第七電晶體T7導通。當該第七電晶體T7導通時，該第五電晶體T5以及該第六電晶體T6導通。流經該第五電晶體T5的電流會影響該第一控制端的電壓及該第二控制端的電壓，進而影響該鏡像電流I B及該充電電流I C。
更明確地說，該鏡像電流I B與該第一電晶體T1的通道寬長比（W1/L1）及該第二電晶體T2的通道寬長比（W2/L2）有關，M為該第一電晶體T1的通道寬長比（W1/L1）及該第二電晶體T2的通道寬長比（W2/L2）的比值。W1為該第一電晶體T1的通道寬度，L1為第一電晶體T1的通道長度。W2為該第二電晶體T2的通道寬度，L2為第二電晶體T2的通道長度。該鏡像電流I B與該參考電流I REF的關係如下：
Figure 02_image003
該充電電流I C與該第三電晶體T3的通道寬長比（W3/L3）及該第四電晶體T4的通道寬長比（W4/L4）有關，N為該第三電晶體T3的通道寬長比（W3/L3）及該第四電晶體T4的通道寬長比（W4/L4）的比值。W3為該第三電晶體T3的通道寬度，L3為第三電晶體T3的通道長度。W4為該第四電晶體T4的通道寬度，L4為第四電晶體T4的通道長度。該充電電流I C與該鏡像電流I B的關係如下：
Figure 02_image005
從上述可知，本揭示之定電流充電裝置可以通過該第一電晶體T1的通道寬長比（W1/L1）、該第二電晶體T2的通道寬長比（W2/L2）、該第三電晶體T3的通道寬長比（W3/L3）及該第四電晶體T4的通道寬長比的設計提供穩定的充電電流I C。因此，該充電電流I C可設計為高電流值且為可控制。
當該充電電壓V C上升並接近該參考電壓V REF時，該輸出端O輸出一高電壓準位，進而使流經該第四電晶體T4的電流下降。當流經該第四電晶體T4的電流下降時，該鏡像電流I B及該充電電流I C也隨之下降。
當該充電電壓V C上升至該參考電壓V REF時，該第一電晶體T1停止提供該充電電流I C。也就是說，當該充電電壓等於該參考電壓V REF時，該充電電流I C為零。
綜上，本揭示之定電流充電裝置可以通過該電流補償單元40控制以增加或減少該充電電流I C並控制以增加或減少該充電電壓V C，進而達到提供穩定的充電電流I C及充電電壓V C。再者，本揭示之定電流充電裝置可以通過該電流鏡20及該電流調整單元30提供具有高電流值且為可控制的充電電流I C。
請參閱第3圖，第3圖顯示第2圖中充電電流I C與充電電壓V C的模擬圖。
於第3圖的模擬圖中，電源VDD為4伏特，參考電壓V REF為2伏特，參考電流I REF為100微安培，充電電流I C為200毫安培，待充電裝置50為1法拉電容。
從第3圖可知，充電電流I C可快速（約在2秒時）提供穩定的電流（200毫安培），當充電電壓V C逐漸上升時，充電電流I C逐漸下降。當充電電壓V C上升至參考電壓V REF（2伏特）時，充電電流I C急速下降歸零。
請參閱第4圖，第4圖顯示第2圖中充電電壓V C與輸出端O的電壓的模擬圖。
從第4圖可知，輸出端O的電壓（即等於該第一電晶體T1的控制端的電壓與該第二電晶體T2的控制端的電壓）於初始狀態為零。當輸出端O的電壓上升時，充電電壓V C也穩定上升。當充電電壓V C上升至參考電壓V REF（2伏特）時，輸出端O的電壓為高電壓準位，該第一電晶體T1及該第二電晶體T2不導通，充電電流為零。
本揭示之定電流充電裝置可以通過該電流調整單元及該電流補償單元提供具有高電流值且可控制的充電電流（如第3圖所示）。再者，本揭示之定電流充電裝置可以根據該電流鏡之電晶體的通道寬長比及該電流調整單元之電晶體的通道寬長比設計該充電電流。最後，本揭示之定電流充電裝置可以通過該電流補償單元提供穩定的充電電流（如第3圖所示）及充電電壓（如第4圖所示）。
雖然本揭示已用較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭示，本揭示所屬技術領域中具有通常知識者在不脫離本揭示之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭示之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10:參考電流源 20:電流鏡 30:電流調整單元 40:電流補償單元 50:待充電裝置 G:接地端 I B:鏡像電流 I C:充電電流 I REF:參考電流 OPA:運算放大器 O:輸出端 T1:第一電晶體 T2:第二電晶體 T3:第三電晶體 T4:第四電晶體 T5:第五電晶體 T6:第六電晶體 T7:第七電晶體 VDD:電源 V REF:參考電壓 V C:充電電壓 ＋:非反相輸入端 －:反相輸入端
[第1圖]顯示根據本揭示一實施例之定電流充電裝置的方塊圖。 [第2圖]顯示第1圖之定電流充電裝置的詳細電路圖。 [第3圖]顯示第2圖中充電電流I C與充電電壓V C的模擬圖。 [第4圖]顯示第2圖中充電電壓V C與輸出端O的電壓的模擬圖。
10:參考電流源
20:電流鏡
30:電流調整單元
40:電流補償單元
50:待充電裝置
IB:鏡像電流
IC:充電電流
IREF:參考電流
VDD:電源
VREF:參考電壓

Claims (8)

  1. 一種定電流充電裝置，用於對一待充電裝置充電，該定電流充電裝置包括：一參考電流源，提供一參考電流；一電流鏡，電性耦接至該參考電流源並輸出一鏡像電流；一電流調整單元，電性耦接至該電流鏡及該待充電裝置，該電流調整單元根據該鏡像電流輸出一充電電流以對該待充電裝置充電；以及一電流補償單元，電性耦接至該電流鏡及該電流調整單元，該電流補償單元根據一參考電壓調整該充電電流，其中該鏡像電流為該參考電流的M倍，該充電電流為該鏡像電流的N倍，M及N為正數。
  2. 如請求項1之定電流充電裝置，其中該電流鏡包括：一第一電晶體，包括一第一控制端、一第一輸入端以及一第一輸出端；以及一第二電晶體，包括一第二控制端、一第二輸入端以及一第二輸出端，其中該第一控制端電性耦接至該參考電流源及該第二控制端，該第一輸入端電性耦接至該電流調整單元及該電流補償單元，該第一輸出端電性耦接至一接地端，該第二輸入端電性耦接至該參考電流源，該第二輸出端電性耦接至該接地端。
  3. 如請求項2之定電流充電裝置，其中該電流調整單元包括：一運算放大器，包括一反相輸入端、一非反相輸入端以及一輸出端；一第三電晶體，包括一第三控制端、一第三輸入端以及一第三輸出端；以及一第四電晶體，包括一第四控制端、一第四輸入端以及一第四輸出端， 其中該反相輸入端電性耦接至該參考電壓，該非反相輸入端電性耦接至該待充電裝置及該第三輸出端，該輸出端電性耦接至該電流補償單元，該第三控制端電性耦接至該第四控制端及該電流補償單元，該第三輸入端電性耦接至一電源，該第四輸入端電性耦接至該電源，該第四輸出端電性耦接至該第一輸入端。
  4. 如請求項3之定電流充電裝置，其中該電流補償單元包括：一第五電晶體，包括一第五控制端、一第五輸入端以及一第五輸出端；一第六電晶體，包括一第六控制端、一第六輸入端以及一第六輸出端；以及一第七電晶體，包括一第七控制端、一第七輸入端以及一第七輸出端，其中該第五控制端電性耦接至該第六控制端、該第六輸出端及該第七輸入端，該第五輸入端電性耦接至該電源，該第五輸出端電性耦接至該第三控制端，該第六輸入端電性耦接至該電源，該第七控制端電性耦接至該第一輸入端，該第七輸出端電性耦接至該接地端。
  5. 如請求項2之定電流充電裝置，其中M為該第一電晶體的通道寬長比及該第二電晶體的通道寬長比的比值。
  6. 如請求項3之定電流充電裝置，其中N為該第三電晶體的通道寬長比及該第四電晶體的通道寬長比的比值。
  7. 如請求項1之定電流充電裝置，其中該電流補償單元進一步調整輸入至該待充電裝置之一充電電壓。
  8. 如請求項7之定電流充電裝置，其中當該充電電壓等於該參考電壓時，該充電電流為零。
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