TWM446455U - 充電器電路 - Google Patents

Description

充電器電路

本新型係有關一種充電器電路，特別是指一種可節省積體電路晶片接點與開關元件、並增加電流控制準確度之充電器電路。

第1圖顯示習知具有充電接點BAT的充電器電路1之電路示意圖。如第1圖所示，充電器電路1自輸入端DC接收整流輸入電壓，或自輸入端USB接收通用串列匯流排(universal serial bus,USB)輸入電壓，並將其轉換為輸出電壓，自輸出端SYS輸出，以供應電源給負載電路13；且輸出端SYS與充電接點BAT耦接，藉由操作開關Q1、Q2與Q3，以使輸入端DC或輸入端USB供應電源予負載電路13，此外並對充電接點BAT充電(開關Q1、Q2與Q3之控制電路省略未予繪示，以使圖面簡潔)。

該先前技術中，將輸入端DC接收的整流輸入電壓轉換為輸出電壓，是以切換式降壓功率轉換電路來達成，該降壓功率轉換電路包括上橋開關UG與下橋開關LG，當輸入端DC接收整流輸入電壓，PWM控制電路11產生操作訊號，操作此上橋開關UG與下橋開關LG，以將輸入電壓轉換為輸出電壓，其中上橋開關UG與下橋開關LG交替完全導通。當輸入端DC接收整流輸入電壓而輸入端USB未接收USB輸入電壓時，開關Q2為恆開而開關Q1為恆關。另一方面，當輸入端USB接收USB輸入電壓而輸入端DC接收整流輸入電壓時，則開關Q2為恆關，藉由開關Q1的操作，將此USB輸入電壓 轉換為輸出電壓，其中，開關Q1係低壓差線性穩壓器(low dropout regulator,LDO)，工作於其線性區而呈恆為部分導通狀態，其能源效率較差。此外，如前所述，充電器電路1更具有充電接點BAT，充電電池B1耦接於充電接點BAT與接地電位GND之間，藉由開關Q1、Q2、與Q3的操作，使輸入端DC或輸入端USB可以經由節點A對充電電池B1。

第1圖所示之充電器電路1中，由於開關Q1採用LDO，工作於線性區而呈恆為部分導通狀態，其功率轉換效率不及於切換式功率轉換電路，且如要使該開關Q1的導通電阻降低，當負載電路13為低電流需求的電路時，由於開關Q1的壓降(等於導通電阻×電流)過低又工作於線性區，通過該開關Q1的電流就不易準確控制於規格所要求的狀態。此外，充電器電路1整合為積體電路晶片10，為配合不同輸入電壓訊號(整流輸入電壓或USB輸入電壓)，需要兩個接點來達成接收輸入電壓的功能，在積體電路微縮的趨勢下，這種安排方式亦為一種缺點，也會增加製造的成本。且該先前技術中，使用Q1、Q2、Q3、UG與LG五個功率開關，零件數目也使成本上昇。

有鑑於此，本創作即針對上述先前技術之不足，提出一種充電控制電路，可減少積體電路晶片接點與使用的開關元件數目，以降低製造成本，並可提高功率轉換效率與電流控制準確度。

本創作提供了一種充電器電路，包含：一切換式功率轉換電路，用以自一輸入端接收一輸入電壓與一輸入電流，並 將該輸入電壓轉換為一輸出電壓；一充電開關，耦接於該輸出電壓與一充電接點之間；一充電控制電路，控制該充電開關之操作，其中，所述切換式電供應器包括：一第一上橋開關，耦接於該輸入端與一相位節點之間；一第二上橋開關，耦接於該輸入端與該相位節點之間，且與該第一上橋開關並聯；一下橋元件，耦接於該相位節點與一參考電位之間；以及一脈寬調變(pulse width modulation,PWM)控制電路，根據一回授訊號與一相關於該輸入電流之決定訊號，產生一第一訊號與一第二訊號，分別操作該第一上橋開關與該第二上橋開關，以將該輸入電壓轉換為該輸出電壓。

在其中一種實施型態中，該第一上橋開關與該第二上橋開關係合併為一個可變尺寸的開關元件。當輸入電流較大時，該可變尺寸的開關元件以較大的尺寸操作，而輸入電流較小時，該可變尺寸的開關元件以較小的尺寸操作。

在其中一種實施型態中，當輸入電流較大時，該第一上橋開關與第二上橋開關共同操作，當輸入電流較小時，該第一上橋開關與第二上橋開關僅其中之一操作。

在其中一種實施型態中，該第一上橋開關與該第二上橋開關之尺寸不同，當輸入電流較大時，該第一上橋開關與第二上橋開關中尺寸較大者操作，當輸入電流較小時，該第一上橋開關與第二上橋開關中尺寸較小者操作。

在其中一種實施型態中，該第一上橋開關、該第二上橋開關、該下橋元件、該PWM控制電路、該充電開關、與該充電控制電路可整合為一積體電路晶片。

底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本創作之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

請參閱第3圖，顯示本創作的一個實施例。如第3圖所示，充電器電路2包含輸入端DC/USB、切換式功率轉換電路25、與充電控制電路22。在本實施例中，切換式功率轉換電路25為同步降壓型功率轉換電路，對應於第2A圖所示之電路(但本創作將上橋開關UG切分為UG1和UG2，容後詳述)，但本創作不侷限於此；如第2B-2J圖所示，切換式功率轉換電路25可為其他型式的同步或非同步之降壓型、升壓型、反壓型、或升降壓型功率轉換電路。

切換式功率轉換電路25自輸入端DC/USB接收輸入電壓，並將輸入電壓轉換為輸出電壓，以供應電源予負載電路23，且輸出電壓經由開關Q4耦接至充電接點BAT，用以例如但不限於對充電電池B2充電；當輸入端DC/USB未能提供輸入電壓時，則充電電池B2可經由開關Q4放電，以供電給負載電路23。本創作中，輸入端DC/USB既可接收整流輸入電壓、也可接收USB輸入電壓(二者擇一)；相較於先前技術需要兩個輸入接點，本實施例減少輸入接點為一個。

切換式功率轉換電路25包含上橋開關UG1與UG2、下橋元件LG、脈寬調變(pulse width modulation,PWM)控制電路21。上橋開關UG1耦接於輸入端DC/USB與相位節點PH之間，且上橋開關UG2亦耦接於輸入端DC/USB與相位節點PH之間，且與上橋開關UG1並聯。下橋元件LG，例如但不限於如圖所示之電晶體開關元件(參照第2B圖，下橋元件LG亦可改換為二極體)，耦接於相位節點PH與參考電位之間，參考電位例如但不限於如圖所示之接地電位。PWM控制電路21根據回授訊號FB與相關於輸入電流之決定訊號DET，產生第 一訊號U1與第二訊號U2，分別操作上橋開關UG1與上橋開關UG2，以將整流輸入電壓或USB輸入電壓轉換為輸出電壓。在本創作的較佳實施例中，上橋開關UG1與上橋開關UG2的元件尺寸宜為不同；上橋開關UG1與上橋開關UG2可由分開獨立的兩個電晶體元件構成，但在一較佳實施例中，上橋開關UG1與上橋開關UG2宜為一個電晶體元件，但分割為不同比例的兩個部份，亦即如第3圖下方所示，在此較佳實施例中，上橋開關UG1與上橋開關UG2可合併視為一個可變尺寸的開關元件UGX。又，上橋開關的數目雖然例示為二但不限於為二，亦可為三個以上，或從另一角度而言，可變尺寸的開關元件UGX可以不只具有兩種尺寸變化。

當輸入端DC/USB所接收之輸入訊號為交流電壓經整流電路(未示出)整流後所產生之整流輸入電壓時，其電壓較高且輸入電流較大，此際根據決定訊號DET所產生之第一訊號U1與第二訊號U2，例如可同時操作上橋開關UG1與UG2，或是只操作其中尺寸較大的上橋開關(以下假設上橋開關UG1尺寸較大)，以處理較大的輸入電流。另一方面，當輸入端DC/USB所接收之輸入訊號為USB輸入電壓，其電壓較低且輸入電流較小，或是負載電路23僅需要(或僅能接受)較小輸出電流時，此際根據決定訊號所產生之第一訊號U1與第二訊號U2，例如可只操作尺寸較小的上橋開關UG2，以處理較小的輸入電流，提高電流控制的準確度。

決定訊號DET有多種方式可以產生，例如可根據輸入端DC/USB所接收之電壓位準來產生、根據對負載電路23之輸出電流限制來產生、根據對充電接點BAT之輸出電流限制來產生、由外部訊號來產生、或由使用者輸入等等。需說明的 是，雖然以上敘述中稱決定訊號DET為「相關於輸入電流」，但不表示決定訊號DET必須與輸入電流有直接的關係或必須根據輸入電流來產生；例如，輸入端DC/USB的連接方式、對負載電路23之輸出電流、對充電接點BAT之輸出電流等，都會間接與輸入電流相關，因此敘述中稱決定訊號DET為「相關於輸入電流」，包括直接相關與間接相關。此外，雖然提高電流控制的準確度是本創作的目的與優點之一，但決定訊號DET可根據任何欲達成的目的，來控制上橋開關UG1與上橋開關UG2(開關元件UGX)的尺寸變化，而不必須限制其目的為提高電流控制的準確度。

與先前技術相較之下，根據本創作之第一個實施例，僅需一個輸入端DC/USB，而不需要兩個輸入端；開關元件的數目較少(第1圖先前技術電路需要五個開關元件，本創作僅需要四個，且上橋開關UG1與上橋開關UG2可視為一個，如此則本創作僅需要三個開關元件)；另外，無論是處理較大或較小的輸入電流，皆以切換式的控制方式操作，如此一來，可提高功率的轉換效率與電流控制的準確度，此皆為本創作優於先前技術之處。

第3圖所顯示第一個實施例中，充電控制電路22例如但不限於包括開關Q4、以及充電路徑控制電路27。其中，充電開關Q4耦接於輸出電壓(輸出端SYS)與充電接點BAT之間，根據充電訊號CHG以控制輸出電壓對充電接點BAT之充電、或控制充電接點BAT對輸出端SYS之放電。

如第3圖所示，輸入端DC/USB、上橋開關UG1、上橋開關UG2、下橋元件LG、與PWM控制電路21可整合為積體電路晶片20。積體電路晶片20亦可以但不限於更包含充電 路徑控制電路27與開關Q4。

以上已針對較佳實施例來說明本創作，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本創作的內容而已，並非用來限定本創作之權利範圍。在本創作之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化。例如，實施例中圖示直接連接的兩電路或電晶體間，可插置不影響主要功能的其他電路或電晶體；又如，接地電位GND不必須為絕對地電位(0V)，而可為相對地電位；再如，實施例中之功率級不限於如圖所示之降壓型功率轉換電路，而可為同步或非同步之降壓型、升壓型、反壓型、或升降壓型功率轉換電路，如第2A-2J圖所示；又如，積體電路晶片不限於如圖所示，將上橋開關與下橋元件皆整合於積體電路晶片中，亦可以將上橋開關或/與下橋元件獨立於積體電路晶片之外。本創作的範圍應涵蓋上述及其他所有等效變化，且本創作的任一等效變化並不必須達成本創作的所有優點或目的，如在相同概念下，僅達成一部分優點或目的，仍應屬於本創作的範圍。

1,2‧‧‧充電控制電路

10,20‧‧‧積體電路晶片

11,21‧‧‧PWM控制電路

13,23‧‧‧負載電路

15‧‧‧功率級

22‧‧‧充電控制電路

25‧‧‧切換式功率轉換電路

27‧‧‧充電路徑控制電路

A‧‧‧節點

BAT‧‧‧充電接點

B1,B2‧‧‧電池

CHG‧‧‧充電訊號

DC/USB‧‧‧輸入端

DET‧‧‧決定訊號

FB‧‧‧回授訊號

GND‧‧‧接地電位

LG‧‧‧下橋元件

PH‧‧‧相位節點

Q1,Q2,Q3,Q4‧‧‧開關

SYS‧‧‧輸出端

U1‧‧‧第一訊號

U2‧‧‧第二訊號

UG1,UG2‧‧‧上橋開關

UGX‧‧‧可變尺寸的開關元件

第1圖顯示習知具有充電接點BAT的充電控制電路1之電路示意圖。

第2A-2J圖示出同步或非同步之降壓型、升壓型、反壓型、或升降壓型轉換電路。

第3圖顯示本創作的一個實施例。

2‧‧‧充電電路

20‧‧‧積體電路晶片

21‧‧‧PWM控制電路

23‧‧‧負載電路

27‧‧‧充電路徑控制電路

BAT‧‧‧充電接點

B2‧‧‧電池

CHG‧‧‧充電訊號

DC/USB‧‧‧輸入端

DET‧‧‧決定訊號

FB‧‧‧回授訊號

LG‧‧‧下橋元件

PH‧‧‧相位節點

Q4‧‧‧開關

SYS‧‧‧輸出端

U1‧‧‧第一訊號

U2‧‧‧第二訊號

UG1,UG2‧‧‧上橋開關

Claims (8)

1. 一種充電器電路，包含：一切換式功率轉換電路，用以自一輸入端接收一輸入電壓與一輸入電流，並將該輸入電壓轉換為一輸出電壓；一充電開關，耦接於該輸出電壓與一充電接點之間；一充電控制電路，控制該充電開關之操作，其中，所述切換式功率轉換電路包括：一第一上橋開關，耦接於該輸入端與一相位節點之間；一第二上橋開關，耦接於該輸入端與該相位節點之間，且與該第一上橋開關並聯；一下橋元件，耦接於該相位節點與一參考電位之間；以及一脈寬調變(pulse width modulation,PWM)控制電路，根據一回授訊號與一相關於該輸入電流之決定訊號，產生一第一訊號與一第二訊號，分別操作該第一上橋開關與該第二上橋開關，以將該輸入電壓轉換為該輸出電壓。
2. 如申請專利範圍第1項所述之充電器電路，其中該第一上橋開關與該第二上橋開關係合併為一個可變尺寸的開關元件。
3. 如申請專利範圍第2項所述之充電器電路，其中當輸入電流較大時，該可變尺寸的開關元件以較大的尺寸操作，而輸入電流較小時，該可變尺寸的開關元件以較小的尺寸操作。
4. 如申請專利範圍第1項所述之充電器電路，其中當輸入電流較大時，該第一上橋開關與第二上橋開關共同操作，當輸入電流較小時，該第一上橋開關與第二上橋開關僅其中之一操作。
5. 如申請專利範圍第1項所述之充電器電路，其中該第一上橋開關與該第二上橋開關之尺寸不同，當輸入電流較大時，該第一上橋開關與第二上橋開關中尺寸較大者操作，當輸入電流較小時，該第一上橋開關與第二上橋開關中尺寸較小者操作。
6. 如申請專利範圍第1項所述之充電器電路，其中該下橋元件為電晶體或二極體。
7. 如申請專利範圍第1項所述之充電器電路，其中該輸入端接收一整流電壓或一通用串列匯流排(universal serial bus,USB)電壓。
8. 如申請專利範圍第1項所述之充電器電路，其中該第一上橋開關、該第二上橋開關、該下橋元件、該PWM控制電路、該充電開關、與該充電控制電路整合為一積體電路晶片。