TWI762338B - 快充驅動器 - Google Patents

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Abstract

本揭示文件提供一種快充驅動器，用以為電子裝置的電池充電。快充驅動器包含快充電路以及充電控制器。快充電路包含第一空乏型氮化鎵電晶體、第一增強型場效電晶體、第二空乏型氮化鎵電晶體以及第二強型場效電晶體。充電控制器用以依據電池電量控制快充電路在定電流模式或定電壓模式下運作。利用第一空乏型氮化鎵電晶體以及第二空乏型氮化鎵電晶體具有相對較低的切換耗損的特性，從而降低快充驅動器為電池充電的功率耗損，進而提升充電速度。

Description

快充驅動器
本案係關於一種快充驅動器，特別係關於一種適合在開關模式運作的快充驅動器。
隨著現今人們越來越普遍的使用行動裝置(例如，筆記型電腦、手機、平板電腦)，如何提升充電器對行動裝置的電池的充電速度並改善充電過程中的能量損耗，以降低電池的充電時間成為重要的議題。
本揭示文件提供一種快充驅動器，快充驅動器包含快充電路。快充電路包含第一空乏型氮化鎵電晶體、第一增強型場效電晶體、第二空乏型氮化鎵電晶體以及第二強型場效電晶體。第一空乏型氮化鎵電晶體的第一端電性耦接快充驅動器的輸入端，第一空乏型氮化鎵電晶體的第二端電性耦接電感的第一端。電感的第二端電性耦接快充驅動器的輸出端。快充驅動器的輸出端用以電性耦接一電池的陽極。第一增強型場效電晶體的第一端電性耦接第一空乏型氮化鎵電晶體之第二端以及閘極端，第一增強型場效電晶體的第二端電性耦接系統低電壓端，第一增強型場效電晶體的閘極端用以接收脈衝寬度調變訊號。第二空乏型氮化鎵電晶體的第一端電性耦接快充驅動器的輸入端。第二空乏型氮化鎵電晶體的第一端電性耦接第二空乏型氮化鎵電晶體之第二端，第二空乏型氮化鎵電晶體的第二端電性耦接第二空乏型氮化鎵電晶體之閘極端以及快充驅動器的輸出端，第二空乏型氮化鎵電晶體的閘極端用以接收控制訊號。
綜上所述， 本揭示文件藉由設置切換損耗相對較低的第一空乏型氮化鎵電晶體以及第二空乏型氮化鎵電晶體做為快充驅動器中的功率元件，從而減少快充驅動器在開關模式下的耗能。
下列係舉實施例配合所附圖式做詳細說明，但所提供之實施例並非用以限制本揭露所涵蓋的範圍，而結構運作之描述非用以限制其執行順序，任何由元件重新組合之結構，所產生具有均等功效的裝置，皆為本揭露所涵蓋的範圍。另外，圖式僅以說明為目的，並未依照原尺寸作圖。為使便於理解，下述說明中相同元件或相似元件將以相同之符號標示來說明。
在全篇說明書與申請專利範圍所使用之用詞(terms)，除有特別註明除外，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。
此外，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』。此外，本文中所使用之『及／或』，包含相關列舉項目中一或多個項目的任意一個以及其所有組合。
於本文中，當一元件被稱為『耦接』或『連接』時，可指『電性耦接』或『電性連接』。『耦接』或『連接』亦可用以表示二或多個元件間相互搭配操作或互動。此外，雖然本文中使用『第一』、『第二』、…等用語描述不同元件，該用語僅是用以區別以相同技術用語描述的元件或操作。
請參閱第1圖，第1圖為依據本揭露一些實施例之快充驅動器10的電路架構圖。如第1圖所示，快充驅動器10包含快充電路11、電感L1以及充電控制器12。充電控制器12用以依據電池41電量控制快充電路11。充電控制器12包含PWM產生器(脈衝訊號調變產生器)13。快充電路11包含第一空乏型氮化鎵電晶體Q4、第一增強型場效電晶體Q2、第二空乏型氮化鎵電晶體Q3以及第二增強型場效電晶體Q1。
在架構上，快充電路11電性耦接在快充驅動器10的輸入端Vin以及輸出端Vout之間。快充驅動器10的輸入端Vin電性耦接通用序列匯流排連接器20的電壓接腳”Vbus”。通用序列匯流排連接器20 可以由受USB電力傳輸(USB Power Delivery) 所規範的USB type-C 來實施。快充驅動器10的輸入端Vin透過通用序列匯流排連接器20電性耦接電源端50，用以接收電源端50的電源電壓。快充驅動器10的輸出端Vout電性耦接通用序列匯流排連接器30。通用序列匯流排連接器30可以由USB type-A、USB type-B或USB type-C實施。並且，快充驅動器10的輸出端Vout用以透過通用序列匯流排連接器30 電性耦接電池41的陽極。充電控制器12電性耦接通用序列匯流排20的電壓接腳”Vbus”、資料接腳”D+/D-”以及快充驅動器10的輸出端Vout。快充驅動器10可以用於為手機、行動電源、平板電腦、穿戴型電子裝置、小型電器的充電裝置、筆記型電腦和其他電子裝置充電，因此電池41可以由鋰電池實施，但本案不應以此為限。
在一些實施例中，透過一些USB埠(例如，USB2.0)充電會較難達到快速充電的需求，因為USB埠具有嚴格的輸出電流限制，例如，USB2.0規範電壓必須為5伏特，並且電流最高僅有1.5安培。然而，受USB電力傳輸所規範的USB type-C可以傳輸多種電流和電壓的組合。因此，在本揭示文件中利用受USB電力傳輸所規範的USB type-C 實現通用序列匯流排連接器20及30，以在相對較大的電流或電壓下充電，從而提升充電速率。
並且，快充驅動器10、電源端50以及電子裝置40須符合USB電力傳輸協定，使電子裝置40可以依據其需求(例如，充電電壓以及電流大小)向電源端50通訊。舉例而言，電源端50透過快充驅動器10可以提供5伏特(電流5.7安培)、9伏特(電流2.85安培)以及12伏特(電流1.25安培)的電壓，而電子裝置40向電源端50與快充驅動器10申請5伏特(電流5.7安培)的電壓作為充電電壓。此時，快充驅動器10便可將電源端50的電源電壓轉換為5伏特的電壓 ， 並將從電源端50的電源電壓轉換為5伏特的電壓傳送至電子裝置40的電池41。
在一些實施例中，充電控制器12與充電功率元件(例如，第一空乏型氮化鎵電晶體Q4、第一增強型場效電晶體Q2、第二空乏型氮化鎵電晶體Q3以及第二增強型場效電晶體Q1)經常被整合在同一電路基板。然而，充電功率元件常常在較高的溫度運作，使充電控制器12需要降低充電速度，避免溫度過高造成充電控制器12中的元件損壞。
因此，將由充電功率元件(第一空乏型氮化鎵電晶體Q4、第一增強型場效電晶體Q2、第二空乏型氮化鎵電晶體Q3以及第二增強型場效電晶體Q1)所組成的快充電路11設置在單片電路基板，再將快充電路11所設置的單片電路基板與另一電路基板上的充電控制器12耦接。換言之，將快充電路11與充電控制器12分別設置在不同的電路基板，因此在快充電路11運作發熱時，第一片基板上的快充電路11散發的熱能不會直接影響第二片基板上的充電控制器12。進而使充電控制器12不會受限於快充電路11中的功率元件在運作時的溫度，從而提高充電速度與降低功耗。
於其他實施例中，可將快充電路11與充電控制器12設置在相同基板，並藉由第一空乏型氮化鎵電晶體Q4、以及第二空乏型氮化鎵電晶體Q3作為功率元件的設置以達到減少耗能的功效。因此，本揭示文件並不以此為限。
詳細而言，第一空乏型氮化鎵電晶體Q4的第一端電性耦接快充驅動器10的輸入端Vin；第一空乏型氮化鎵電晶體Q4的第二端電性耦接第一增強型場效電晶體Q2的第一端；第一空乏型氮化鎵電晶體Q4的閘極端電性耦接第一空乏型氮化鎵電晶體Q4的第二端以及電感L1的第一端。電感L1的第二端電性耦接快充驅動器10的輸出端Vout。第一增強型場效電晶體Q2的第一端電性耦接第一空乏型氮化鎵電晶體Q4的第二端；第一增強型場效電晶體Q2的第二端電性耦接系統低電壓端VL；第一增強型場效電晶體Q2的閘極端電性耦接PWM產生器13並且用以接收PWM訊號(脈衝寬度調變訊號)以及充電控制器12的控制訊號。
第二空乏型氮化鎵電晶體Q3的第一端電性耦接快充驅動器10的輸入端Vin以及第一空乏型氮化鎵電晶體Q4的第一端；第二空乏型氮化鎵電晶體Q3的第二端電性耦接第二增強型場效電晶體Q1的第一端；第二空乏型氮化鎵電晶體Q3的閘極端電性耦接第二增強型場效電晶體Q1的第二端。第二增強型場效電晶體Q1的第一端電性耦接第二空乏型氮化鎵電晶體Q3的第二端；第二增強型場效電晶體Q1的第二端電性耦接快充驅動器10的輸出端Vout。
在本揭示文件中，提供兩種充電模式以提高快充控制器的充電速度。第一種模式是定電流模式，在電池41的電量較低時(例如，電池41的電量在60%以下)，在定電流模式下充電可以迅速的增加電池41的電量。第二種模式是定電壓模式，在電池41的電量較高時(例如，電池41的電量在60%以上)，為了避免過充，會採用定電壓充電以保護電池41。
在一些實施例中，快充驅動器10藉由受USB電力傳輸規範的協議晶片可以從電子裝置40獲取電池41的電量資訊。在另一些實施例中，快充驅動器10可以量測輸出端Vout的電壓並以此判斷電池41電量，從而獲得電池41的電量資訊。
為了較佳的理解，快充驅動器10在定電流模式下的操作，請參閱第2A圖以及第2B圖。第2A圖為第1圖之快充驅動器10在定電流模式的電路圖。第2B圖為依據本揭露一些實施例之第1圖中的快充驅動器10在定電流模式依據PWM訊號的電流i 1波形圖。電流i 1在縱軸的單位為安培。PWM訊號在縱軸的單位為伏特。
值得注意的是，第一空乏型氮化鎵電晶體Q4以及第二空乏型氮化鎵電晶體Q3為常開型氮化鎵電晶體。亦即，常開型氮化鎵電晶體在其閘極端的電壓為零時導通，在其閘極端的電壓為負數值(例如-2~-5伏特)時關斷。
在定電流模式下，充電控制器12關斷第二增強型場效電晶體Q1，使第二空乏型氮化鎵電晶體Q3的第二端與快充驅動器100的輸出端Vout斷路。亦即，來自電源端50的電源電壓無法經由第二增強型場效電晶體Q1傳送至快充驅動器100的輸出端Vout。並且，充電控制器12控制PWM產生器13產生PWM訊號至第一增強型場效電晶體Q2的閘極端。當PWM訊號在低位準時，第一增強型場效電晶體Q2關斷，使第一空乏型氮化鎵電晶體Q4的第二端以及閘極端與系統低電壓端VL斷路，藉此將來自電源端50的電源電壓傳送至電感L1；當PWM訊號在高位準時，第一增強型場效電晶體Q2導通，使第一空乏型氮化鎵電晶體Q4的第二端以及閘極端電性連接至系統低電壓端VL，藉此拉低第一空乏型氮化鎵電晶體Q4的第二端以及閘極端的電壓位準，從而關斷輸入端Vin經由第一空乏型氮化鎵電晶體Q4至輸出端Vout的電流路徑。此時，第二空乏型氮化鎵電晶體Q3、第二增強型場效電晶體Q1以及電感L1是作為降壓轉換器(buck converter)的功能來運作，使得輸出端Vout的電壓相較於輸入端Vin的電壓較小，而輸出的電流i 1大於輸入的電流。
如此一來，藉由提供PWM訊號至第一增強型場效電晶體Q2的閘極端，電感L1第一端的電位響應於第一增強型場效電晶體Q2的切換，在PWM訊號為低位準時被拉高，並且在PWM訊號為低位準時被拉低。藉此透過電感L1將其第一端的電位變化轉換為電流i 1，並將電流i 1傳送至快充驅動器100的輸出端Vout，並透過通用序列匯流排連接器30將電流i 1傳送至電池41的陽極，藉此對電池41進行定電流充電。
在一些實施例中，特定的封裝方式會影響氮化鎵電晶體在定電流模式(開關模式)下的性能。因此在本揭示文件中，將第一空乏型氮化鎵電晶體Q4、第一增強型場效電晶體Q2、第二空乏型氮化鎵電晶體Q3以及第二增強型場效電晶體Q1集成封裝可以減少寄生電感，優化在定電流模式(開關模式)下第一空乏型氮化鎵電晶體Q4的切換速度。
值得注意的是，在同等導通電阻的情形下，氮化鎵電晶體的終端電容相對較低並且避免了本體二極體(body diode)所導致的反向恢復損耗，使氮化鎵電晶體的性能以及切換速度優於矽-金氧半場效電晶體。因此，相對於矽-金氧半場效電晶體，氮化鎵電晶體可以實現更高的切換頻率，從而減少切換損耗，提升功率密度和瞬態性能。亦即，在高頻切換時，氮化鎵電晶體的切換速度比矽金氧半場效電晶體快上許多，因此在本揭示文件中，利用第一空乏型氮化鎵電晶體Q4以及第二空乏型氮化鎵電晶體Q3作為快充驅動器10中功率元件的設置，藉此減少切換損耗，提升功率密度和瞬態性能。
為了較佳的理解，快充控制器100在定電壓模式下的操作，請參閱第3圖。第3圖為第1圖之快充驅動器10在定電壓模式的電路圖。
在定電壓模式下，充電控制器12導通第二增強型場效電晶體Q1，使第二空乏型氮化鎵電晶體Q3的第二端連接至快充驅動器100的輸出端Vout，從而將電源端50的電源電壓經由第二空乏型氮化鎵電晶體Q3、第二增強型場效電晶體Q1以及通用序列匯流排連接器30傳送至電池41的陽極，藉此對電池41進行定電壓充電。此時，在定電壓模式下的充電電流以i 2表示。並且，充電控制器12導通第一增強型場效電晶體Q2，使第一空乏型氮化鎵電晶體Q4的第二端以及閘極端電性連接至系統低電壓端VL，藉此拉低第一空乏型氮化鎵電晶體Q4的第二端以及閘極端的電壓位準，從而關斷輸入端Vin經由第一空乏型氮化鎵電晶體Q4至輸出端Vout的電流路徑。
在一些實施例中，充電控制器12中的感測器(例如，電流感測器或電壓感測器)電性耦接快充驅動器10的輸出端Vout，並且用以檢測快充驅動器10的輸出端Vout的電流流速或是電流大小。當快充驅動器10的輸出端Vout的電流流速或是電流大小小於臨界值(例如，電流i 2小於50豪安培或是電流i 2的流速小於電池標稱容量的電流流速的0.5倍)，充電控制器12關斷第二增強型場效電晶體Q1並且導通第一增強型場效電晶體Q2，藉此關斷輸入端Vin至輸出端Vout的電流路徑，並且停止對電池41充電。
請參閱第4圖，第4圖為依據本揭露一些實施例之快充驅動器10的電路架構圖。為了圖式的簡潔，第4圖未繪示通用序列匯流排連接器20及30。如第4圖所示，快充驅動器10包含快充電路11、電感L1、電容Cout、開關Q5以及充電控制器12。充電控制器12包含狀態機16、電源路徑控制電路(power path control circuit)15以及充電控制電路14。電子裝置40包含電池41以及系統負載42。於一實施例中，充電控制器12可以包含處理器、系統單晶片、特定應用整合電路(ASIC)，於一實施例中，狀態機16、電源路徑控制電路15以及充電控制電路14可以透過軟體及/或韌體方式在上述處理器、系統單晶片、特定應用整合電路(ASIC)上執行。
狀態機16用以接收電源端50的資訊並控制充電控制電路14執行不同的充電模式(例如，定電壓充電或定電流充電)。並且，狀態機16可以依據電子裝置40的電池41電量控制電源路徑控制電路15以導通快充電路11的輸出端Vout2連接至電池41的充電路徑。舉例而言，當電池41電量在65%時，狀態機16控制電源路徑控制電路15導通開關Q5，使電池41的陽極連接至快充驅動器10的輸出端Vout2；當電池41電量在100%時，狀態機16控制電源路徑控制電路15關斷開關Q5，使電池41的陽極與快充驅動器10的輸出端Vout2斷路，而快充驅動器10僅為電子裝置40的系統負載42充電。
綜上所述，本揭示文件將第一空乏型氮化鎵電晶體Q4以及第二空乏型氮化鎵電晶體Q3作為快充驅動器10中功率元件的設置，藉此減少快充驅動器10在定電流充電模式以及定電壓充電模式下的切換損耗，從而提升充電速度與降低功耗。並且，利用受USB電力傳輸所規範的USB type-C作為快充驅動器10連接的通用序列匯流排連接器20，使快充驅動器10可以在可選擇的電壓及電流組合下運作，從而提高充電速度。
雖然本揭露已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何本領域通具通常知識者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
為使本揭露之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附符號之說明如下 10:快充驅動器 11:快充電路 12:充電控制器 13:PWM產生器 14:充電控制電路 15:電源路徑控制電路 16:狀態機 20,30:通用序列匯流排連接器 40:電子裝置 41:電池 42:系統負載 50:電源端 Q1:第二增強型場效電晶體 Q2:第一增強型場效電晶體 Q3:第二空乏型氮化鎵電晶體 Q4:第一空乏型氮化鎵電晶體 Q5:開關 VL:系統低電壓端 L1:電感 Cout:電容 Vin:輸入端 Vout:輸出端 Vbus,D+/D-:接腳
為使本揭露之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下： 第1圖為依據本揭露一些實施例之快充驅動器的電路架構圖。 第2A圖為第1圖之快充驅動器在定電流模式的電路圖。 第2B圖為依據本揭露一些實施例之第1圖中的快充驅動器在定電流模式依據PWM訊號的電流波形圖。 第3圖為第1圖之快充驅動器在定電壓模式的電路圖。 第4圖為依據本揭露一些實施例之快充驅動器的電路架構圖。
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
10:快充驅動器
11:快充電路
12:充電控制器
13:PWM產生器
20,30:通用序列匯流排連接器
40:電子裝置
41:電池
50:電源端
Q1:第二增強型場效電晶體
Q2:第一增強型場效電晶體
Q3:第二空乏型氮化鎵電晶體
Q4:第一空乏型氮化鎵電晶體
VL:系統低電壓端
L1:電感
Vin:輸入端
Vout:輸出端
Vbus,D+/D-:接腳

Claims (10)

  1. 一種快充驅動器，包含： 一快充電路，包含： 一第一空乏型氮化鎵電晶體，其第一端電性耦接該快充驅動器的一輸入端，其第二端電性耦接一電感的第一端，其中該電感的第二端電性耦接該快充驅動器的一輸出端，其中該快充驅動器的該輸出端用以電性耦接一電池的陽極； 一第一增強型場效電晶體，其第一端電性耦接該第一空乏型氮化鎵電晶體之第二端以及閘極端，其第二端電性耦接一系統低電壓端，其閘極端用以接收一脈衝寬度調變訊號； 一第二空乏型氮化鎵電晶體，其第一端電性耦接該快充驅動器的該輸入端；以及 一第二增強型場效電晶體，其第一端電性耦接該第二空乏型氮化鎵電晶體之第二端，其第二端電性耦接該第二空乏型氮化鎵電晶體之閘極端以及該快充驅動器的該輸出端，其閘極端用以接收一控制訊號。
  2. 如請求項1所述的快充驅動器，更包含: 一充電控制器，用以自一電子裝置接收該電子裝置的一電量資訊，並依據該電量資訊控制該第一增強型場效電晶體以及該第二增強型場效電晶體。
  3. 如請求項2所述的快充驅動器，其中： 當該電子裝置的該電量資訊小於一閥值時，該充電控制器控制一脈衝寬度調變產生器產生一脈衝寬度調變訊號至該第一增強型場效電晶體的閘極端；以及 當該電子裝置的該電量資訊大於該閥值時，該充電控制器產生該控制訊號至該第二增強型場效電晶體的閘極端。
  4. 如請求項2所述的快充驅動器，其中當該電子裝置的該電量資訊小於一閥值時，該充電控制器關斷該第二增強型場效電晶體使該第二空乏型氮化鎵電晶體之第二端與該充電電路的該輸出端斷路，並且該充電控制器控制一脈衝寬度調變產生器產生一脈衝寬度調變訊號至該第一增強型場效電晶體之閘極端。
  5. 如請求項4所述的快充驅動器，其中當該脈衝寬度調變訊號為高位準時該第一增強型場效電晶體導通，該系統低電壓端的電壓經由該第一增強型場效電晶體傳送至該第一增強型場效電晶體之閘極端，並且當該脈衝寬度調變訊號為低位準時，該第一增強型場效電晶體關斷，其中響應於該第一增強型場效電晶體的切換該電感將其第一端的電壓變化轉換為一電流，並且該快充驅動器之該輸出端輸出該電流至該電池。
  6. 如請求項2所述的快充驅動器，其中當該電子裝置的該電量資訊大於一閥值時，該充電控制器導通該第一增強型場效電晶體以下拉該第一空乏型氮化鎵電晶體的閘極端的電壓，使該第一空乏型氮化鎵電晶體之第二端與該充電路的該輸出端斷路，並且導通該第二增強型場效電晶體使該第二空乏型氮化鎵電晶體之第二端連接至該充電路的該輸出端。
  7. 如請求項2所述的快充驅動器，其中該充電控制器電性耦接該快充驅動器的該輸出端以量測一充電電流，當該充電電流的充電速率小於一臨界值時，該充電控制器控器關斷該第二增強型場效電晶體並且導通該第一增強型場效電晶體。
  8. 如請求項2所述的快充驅動器，其中該快充電路設置於一第一基板，該充電控制器設置於相異於該第一基板的一第二基板。
  9. 如請求項1所述的快充驅動器，其中該快充驅動器的該輸入端電性耦接一通用序列匯流排連接器。
  10. 如請求項8所述的快充驅動器，其中該通用序列匯流排連接器是由通用序列匯流排電力傳輸(USB Power Delivery)所規範的USB type-C。
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