TWI836705B - 電源系統 - Google Patents

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Abstract

一種電源系統，包括第一電池組、第二電池組以及電源管理電路。第一電池組具有第一端及第二端，並且具有第一電池容量。第二電池組具有第三端及第四端，第三端耦接至第一電池組的第二端並提供電池低電壓，第四端接地，第二電池組具有第二電池容量，並且第二電池容量大於第一電池容量。電源管理電路耦接第二電池組以接收電池低電壓，並且基於電池低電壓提供元件操作電壓至電子元件。

Description

電源系統
本揭示是有關於一種電源系統，且特別是有關於一種具有充電電池的電源系統。
充電電池目前被用來供電給其中包括筆記型電腦、行動電話、個人數位助理、數位音樂播放器、及無線電動工具之多種可攜式電子裝置、或者供電給車用電子裝置作為待機電源。現有電池保護板控制所有元件電源的方式，都由電池串中處於最高電壓（應用於可攜式電子裝置例如為19V，應用於車用電子裝置例如為58.8V）的電池供電給電源，再經由電源轉換電路轉換為元件可使用的電壓，例如5V及3.3V。然而，因元件所使用的電壓遠低於電池串的最高電壓，由電池串的最高電壓轉換至元件所使用的電壓會造成電壓降損失，使得電池減少了不必要電壓降造成的功耗損失。
本揭示提供一種電源系統，可降低電壓轉換所造成的電壓降損失，以減少電壓降造成的功耗損失。
本揭示的電源系統，包括第一電池組、第二電池組以及電源管理電路。第一電池組具有第一端及第二端，並且具有第一電池容量。第二電池組具有第三端及第四端，第三端耦接至第一電池組的第二端並提供電池低電壓，第四端接地，第二電池組具有第二電池容量，並且第二電池容量大於第一電池容量。電源管理電路耦接第二電池組以接收電池低電壓，並且基於電池低電壓提供元件操作電壓至電子元件。
基於上述，本揭示實施例的電源系統，電源管理電路是將較低電壓的電池低電壓轉換為提供給電子元件的元件操作電壓，而非將具有最高電壓的正電池組電壓提供給電子元件。因此，可降低電壓轉換所造成的功耗損失。
為讓本揭示的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
在傳統作法中，提供給元件的操作電壓（例如3.3V或5V）遠低於電池組所提供的電池組電壓（例如58.8V或19V），因此將電池組電壓轉換至較低電壓的操作電壓會造成電壓降損失。為了使電池組減少不必要的電壓降造成的功耗損失，本揭示是將電池串分為至少兩組，並且在低電位的電池組中增加電池數，亦即增加低電位的電池組的電池容量，然後利用低電位的電池組的電壓來產生元件的操作電壓。藉此，可以延長電池組的待機時間，不損耗電池模組的電池容量。
圖1為依據本揭示一實施例的電源系統的系統示意圖。請參照圖1，在本揭示實施例中，電源系統100例如是可攜式電子裝置（未繪示）的電池模組，亦即電源系統100例如包括正輸入/輸出端Tio+及負輸入/輸出端Tio-，其中正輸入/輸出端Tio+及負輸入/輸出端Tio-用以提供可攜式電子裝置（未繪示）正電池組電壓PACK+及負電池組電壓PACK-。
在本實施例中，電源系統100包括第一電池組BP1、第二電池組BP2及電源管理電路110，其中第一電池組BP1與第二電池組BP2串接於正輸入/輸出端Tio+及負輸入/輸出端Tio-之間。
進一步來說，第一電池組BP1具有耦接正輸入/輸出端Tio+的第一端a及第二端b，並且具有第一電池容量，其中第一端a提供正電池組電壓PACK+。第二電池組BP2具有耦接第一電池組BP1的第三端c及耦接接地電壓節點GND（即接地）的第四端d，並且具有第二電池容量，其中第三端c提供電池低電壓BAT2+，接地電壓節點GND透過電阻耦接至負輸入/輸出端Tio-，並且第二電池容量大於第一電池容量。
電源管理電路110耦接第一電池組BP1及第二電池組BP2，並且接收電池低電壓BAT2+。電源管理電路110基於電池低電壓BAT2+提供元件操作電壓至電子元件。依據上述，由於電池低電壓BAT2+是小於正電池組電壓PACK+，因此可降低電壓轉換所造成的電壓降損失，以減少電壓降造成的功耗損失。
在本實施例中，電源系統100可更包括充放電電路120，充放電電路120耦接至第一電池組BP1的第一端a及第二電池組BP2的第三端c之間。並且，電源管理電路110例如是類比前端（analog front end，AFE）晶片，並且具有系統低電壓接腳VSS、多個電壓感測接腳VC0~VC16、系統高電壓接腳BAT、充電保護接腳CHG、放電保護接腳DSG、偏壓接腳BREG、穩壓輸入接腳REGIN、穩壓輸出接腳REG1及REG2、資料接腳SDA、以及時脈接腳SCL。
在本實施例中，系統低電壓接腳VSS耦接至接地電壓節點GND。在本實施例中，電源系統100可更包括二極體D1及電阻R1，系統高電壓接腳BAT經由二極體D1及電阻R1耦接至第一電池組BP1的第一端a。
在本實施例中，第一電池組BP1由多個第一電池胞BC1串接而成，並且第二電池組BP2由多個第二電池胞BC2串並聯而成。在本實施例中，電源系統100可更包括多個電阻R2及R3，電壓感測接腳VC3~VC16經由多個電阻R2耦接至第一電池胞BC1的串接點，且電壓感測接腳VC0~VC2經由多個電阻R3耦接至第二電池胞BC2的串接點，以偵測每個串接點的電壓，藉此偵測第一電池組BP1的第一電量、偵測第二電池組BP2的第一電量、以及第一電池組BP1及第二電池組BP2的充電狀態及放電狀態。其中，第一電池組BP1可由多個第一電池胞BC1串並聯而成，本揭示實施例不以此為限。
在本實施例中，電源系統100可更包括充電保護電晶體MC及放電保護電晶體MD，電源管理電路110的充電保護接腳CHG耦接充電保護電晶體MC，並且電源管理電路110的放電保護接腳DSG耦接放電保護電晶體MD，其中電源管理電路110基於第一電池組BP1及第二電池組BP2的充電狀態及放電狀態，來提供充電保護信號Schg及放電保護信號Sdsg。進一步來說，電源管理電路110可基於第一電池組BP1及第二電池組BP2的充電狀態及放電狀態判斷第一電池組BP1及第二電池組BP2是否過壓或欠壓，並且對應地提供充電保護信號Schg及放電保護信號Sdsg。
在本實施例中，電源系統100可更包括穩壓電路130，電源管理電路110的偏壓接腳BREG及穩壓輸入接腳REGIN耦接穩壓電路130，其中偏壓接腳BREG用以提供偏壓VB1至穩壓電路130，穩壓輸入接腳REGIN用以接收由穩壓電路130所傳送的電池低電壓BAT2+。在本實施例中，電源系統100可更包括控制器140及通訊電路150。於一實施例中，通訊電路150可與可攜式電子裝置（未繪示）中的控制電路進行通訊。電源管理電路110基於電池低電壓BAT2+提供元件操作電壓（例如Vop1及Vop2）至電子元件（例如控制器140及通訊電路150），其中提供至控制器140的元件操作電壓Vop1例如是3.3V，提供至通訊電路150的元件操作電壓Vop2例如是5V，但是電壓準位依據元件操作需求而定，本揭示實施例不以此為限。詳細來說，電源管理電路110的穩壓輸出接腳REG1耦接至控制器140，以提供元件操作電壓Vop1，並且電源管理電路110的穩壓輸出接腳REG2耦接至通訊電路150，以提供元件操作電壓Vop2。
電源管理電路110的資料接腳SDA及時脈接腳SCL耦接控制器140，以進行電源管理電路110與控制器140之間的通訊，其中資料接腳SDA及時脈接腳SCL可用以執行積體電路間（Inter-Integrated Circuit，I 2C）通訊協定，但本揭示實施例不以此為限。進一步來說，控制器140更耦接至充放電電路120，控制器140從電源管理電路110接收指示第一電池組BP1的第一電量以及第二電池組BP2的第二電量的電量資訊IFVC，並且基於電量資訊IFVC提供反向充電信號Schi至充放電電路120。
在本實施例中，充電保護電晶體MC具有耦接第一端a的第一源/汲極、接收充電保護信號Schg的第一閘極、以及第二源/汲極。放電保護電晶體MD具有耦接充電保護電晶體MC的第二源/汲極的第三源/汲極、接收放電保護信號Sdsg的第二閘極、以及耦接正輸入/輸出端Tout+的第四源/汲極。
在本實施例中，穩壓電路130耦接於第三端c與電源管理電路110之間，用以將電池低電壓BAT2+傳送至電源管理電路110。其中，穩壓電路130例如包括雙極性接面型電晶體T1，並且雙極性接面型電晶體T1包括接收電池低電壓BAT2+的集極、接收偏壓VB1的基極、以及耦接電源管理電路110的射極。電源系統100可更包括多個電容，配置於電源系統100中，以作為穩壓及電壓緩衝之用。
當電源系統100進行充電時，第一電池組BP1的第一端a接收來自外部充電器（未繪示）的外部充電電壓Vche，以直接利用外部充電電壓Vche進行充電。並且，充放電電路120可使用外部充電電壓Vche對第二電池組BP2進行額外的充電，以使電池電量不同的第一電池組BP1及第二電池組BP2可實質上同時充飽。
當電源系統100進行放電時，第一電池組BP1的第一端a經由充電保護電晶體MC及放電保護電晶體MD將正電池組電壓PACK+提供至正輸入/輸出端Tio+，並且電源管理電路110利用電池低電壓BAT2+提供元件操作電壓Vop1及Vop2。當在第一電池組BP1的第一電量小於第二電池組BP2的第二電量達臨界電量時電源管理電路110可提供反向充電信號Schi至充放電電路120，充放電電路120基於反向充電信號Schi使用電池低電壓BAT2+提供反向充電電壓Vchg至第一端a，以對第一電池組BP1充電，其中反向充電信號Schi可以積體電路間（Inter-Integrated Circuit，I 2C）信號，但本揭示實施例不以此為限。
舉例來說，整體系統設計的電池為第一電池組BP1的電池容量為15安培小時（Ah），並且在第二電池組BP2中增加並聯的電池數，以使第二電池組BP2的電池容量增加至20安培小時。若可攜式電子裝置（未繪示）的待機功耗為10毫安（mA），其待機時間為1500小時（h），原始設計的電池容量會只剩下10安培小時；然而，本揭示實施例的電源系統100（增加第二電池組BP2的電池）的待機時間可以延長至2000小時，且前500小時只使用第二電池組BP2的電力，而第一電池組BP1的電池電力不會衰減，即可維持第一電池組BP1原始設計的15安培小時的電池電力。
在本實施例中，第一電池組BP1與第二電池組BP2為容量不平衡的電池組的組合，但是可透過控制充放電電路120達到電力平衡，下述範例是以第一電池組BP1的電池容量為15安培小時及第二電池組BP2的電池容量增加至20安培小時來說明。
當整串電池組（第一電池組BP1及第二電池組BP2）都為0安培小時的狀態下，啟動充放電電路120中的充電功能以5安培的電流對第二電池組BP2充電，以及利用系統中的外部充電器（未繪示）提供15安培對整串電池組（第一電池組BP1及第二電池組BP2）充電。藉此，第一電池組BP1的充電電流可維持於15安培，第二電池組BP2的充電電流可維持於20安培，預估可以同時充飽。
當第二電池組BP2的電池電力為5安培小時且第一電池組BP1的電池電力為0安培小時，可以只利用系統中的外部充電器（未繪示）提供的15安培進行充電，預估可以同時充飽。
當第二電池組BP2的電池電力為7安培小時且第一電池組BP1的電池電力為0安培小時，除了利用外部充電器（未繪示）提供的15安培進行充電，一併開啟充放電電路120中的升壓負載（Boost load）功能，將第二電池組BP2的電池電力（亦即電池低電壓BAT2+）反向充電到整串電池組的正輸入/輸出端Tio+，亦即提供反向充電電壓Vchg到正輸入/輸出端Tio+，以對第一電池組BP1進行充電，直到第一電池組BP1的電池電力與第二電池組BP2的電池電力平衡後，亦即第一電池組BP1的電池電力與第二電池組BP2的電池電力的差異約為預設差值（例如5安培小時），關閉升壓負載功能。
當第二電池組BP2的電池電力為10安培小時且第一電池組BP1的電池電力為5安培小時，可以只利用系統中的外部充電器（未繪示）提供的15安培進行充電，預估可以同時充飽。
當第二電池組BP2的電池電力為18安培小時且第一電池組BP1的電池電力為15安培小時，關閉電源系統100的充電保護電晶體MC，使外部充電器（未繪示）無法對第一電池組BP1充電，而充放電電路120中的充電器功能持續對第二電池組BP2充電。
上述充放電狀態為舉例以說明，並且可以透過控制器140監控第一電池組BP1及第二電池組BP2的電壓、電流、溫度及電池電力中的至少一者，其中控制器140基於監控的結果進行微調，以控制第一電池組BP1及第二電池組BP2的充電的方法。
依據上述，本揭示實施例將原先提供給電子元件的電源輸入從電池組（亦即第一電池組BP1及第二電池組BP2）中具有最高電壓的正電池組電壓PACK+來提供，改為低電位的第二電池組BP2提供，並增加第二電池組BP2的電池容量，以抵銷第二電池組BP2因外部元件功耗造成的損失，並可因此增加整體系統的待機時間。進一步來說，可在電源系統100中針對電池組第二電池組BP2新增加充放電電路120，以針對第二電池組BP2進行額外的充電，並在充電時，當第二電池組BP2的電池電力大於第一電池組BP1的電池電力時，進行反向升壓放電，以對第二電池組BP2的電池電力及第一電池組BP1的電池電力進行電力平衡。
綜上所述，本揭示實施例的電源系統，電源管理電路是將較低電壓的電池低電壓轉換為提供給電子元件的元件操作電壓，而非具有最高電壓的正電池組電壓。因此，可降低電壓轉換所造成的電壓降損失元件操作電壓，以減少電壓降造成的功耗損失。
雖然本揭示已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭示，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭示的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本揭示的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100:電源系統 110:電源管理電路 120:充放電電路 130:穩壓電路 140:控制器 150:通訊電路 a:第一端 b:第二端 BAT:系統高電壓接腳 BAT2+:電池低電壓 BC1:第一電池胞 BC2:第二電池胞 BP1:第一電池組 BP2:第二電池組 BREG:偏壓接腳 c:第三端 CHG:充電保護接腳 d:第四端 D1:二極體 DSG:放電保護接腳 GND:接地電壓節點 IFVC:電量資訊 MC:充電保護電晶體 MD:放電保護電晶體 PACK-:負電池組電壓 PACK+:正電池組電壓 R1、R2、R3:電阻 REG1、REG2:穩壓輸出接腳 REGIN:穩壓輸入接腳 Schg:充電保護信號 Schi:反向充電信號 SCL:時脈接腳 SDA:資料接腳 Sdsg:放電保護信號 T1:雙極性接面型電晶體 Tio-:負輸入/輸出端 Tio+:正輸入/輸出端 VB1:偏壓 VC0~VC16:電壓感測接腳 Vop1、Vop2:元件操作電壓 VSS:系統低電壓接腳
圖1為依據本揭示一實施例的電源系統的系統示意圖。
100:電源系統
110:電源管理電路
120:充放電電路
130:穩壓電路
140:控制器
150:通訊電路
a:第一端
b:第二端
BAT:系統高電壓接腳
BAT2+:電池低電壓
BC1:第一電池胞
BC2:第二電池胞
BP1:第一電池組
BP2:第二電池組
BREG:偏壓接腳
c:第三端
CHG:充電保護接腳
d:第四端
D1:二極體
DSG:放電保護接腳
GND:接地電壓節點
IFVC:電量資訊
MC:充電保護電晶體
MD:放電保護電晶體
PACK-:負電池組電壓
PACK+:正電池組電壓
R1、R2、R3:電阻
REG1、REG2:穩壓輸出接腳
REGIN:穩壓輸入接腳
Schg:充電保護信號
Schi:反向充電信號
SCL:時脈接腳
SDA:資料接腳
Sdsg:放電保護信號
T1:雙極性接面型電晶體
Tio-:負輸入/輸出端
Tio+:正輸入/輸出端
VB1:偏壓
VC0~VC16:電壓感測接腳
Vop1、Vop2:元件操作電壓
VSS:系統低電壓接腳

Claims (9)

  1. 一種電源系統，包括：一第一電池組，具有一第一端及一第二端，並且具有一第一電池容量，其中該第一端接收來自一外部充電器的一外部充電電壓；一第二電池組，具有一第三端及一第四端，該第三端耦接至該第一電池組的該第二端並提供一電池低電壓，該第四端接地，該第二電池組具有一第二電池容量，並且該第二電池容量大於該第一電池容量；一電源管理電路，耦接該第二電池組以接收該電池低電壓，並且基於該電池低電壓提供一元件操作電壓至一電子元件；以及一充放電電路，耦接至該第一電池組的該第一端及該第二電池組的該第三端之間，該充放電電路適以基於該外部充電電壓對該第二電池組充電，並在該第一電池組的一第一電量小於該第二電池組的一第二電量達一臨界電量時，基於該電池低電壓提供一反向充電電壓至該第一端，以對該第一電池組充電。
  2. 如請求項1所述的電源系統，其中該電源管理電路更耦接至該第一電池組，以偵測該第一電池組的該第一電量以及該第二電池組的該第二電量。
  3. 如請求項2所述的電源系統，更包括：一控制器，耦接該電源管理電路及該充放電電路，該控制器適以自該電源管理電路接收指示該第一電量以及該第二電量的一 電量資訊，並且基於該電量資訊提供一反向充電信號至該充放電電路，該充放電電路適以基於該反向充電信號提供該反向充電電壓。
  4. 如請求項1所述的電源系統，其中該第一電池組利用該外部充電電壓進行充電。
  5. 如請求項1所述的電源系統，更包括：一穩壓電路，耦接於該第二電池組的該第三端與該電源管理電路之間，並用以將該電池低電壓傳送至該電源管理電路。
  6. 如請求項5所述的電源系統，其中該穩壓電路包括一雙極性接面型電晶體，該雙極性接面型電晶體包括接收該電池低電壓的一集極、接收一偏壓的一基極、以及耦接該電源管理電路的一射極。
  7. 如請求項1所述的電源系統，更包括：一充電保護電晶體，具有耦接該第一端的一第一源/汲極、接收一充電保護信號的一第一閘極、以及一第二源/汲極；以及一放電保護電晶體，具有耦接該充電保護電晶體的該第二源/汲極的一第三源/汲極、接收一放電保護信號的一第二閘極、以及耦接一正輸入/輸出端的一第四源/汲極，其中該電源管理電路更耦接該第一電池組、該充電保護電晶體以及該放電保護電晶體，以偵測該第一電池組及該第二電池組的一充電狀態及一放電狀態，以基於該充電狀態及該放電狀態提 供該充電保護信號及該放電保護信號。
  8. 如請求項1所述的電源系統，其中該電子元件包括一控制器及一通訊電路的其中至少一者。
  9. 如請求項1所述的電源系統，其中該電源管理電路包括一類比前端晶片。
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