專利名稱：使用開關調節(jié)器對電池進行充電的系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及開關電池充電器，且尤其涉及開關電池充電系統(tǒng)和方法。
背景技術：
電池已長時間被用作移動電子裝置的電力來源。電池提供允許電路運作的電流和電壓形式的能量。然而，儲存在電池中的能量的量有限，且當電子裝置在使用時電池損失電力。當電池的能量供應被耗盡時，電池的電壓將開始從其額定電壓下降，且依賴于電池來獲得電力的電子裝置將不再適當運作。對于不同類型的電子裝置來說，這些閾值將不同。
許多類型的電池是針對單一用途而設計的。這些電池在電荷耗盡之后被丟棄。然而，一些電池設計成可再充電的?？稍俪潆婋姵赝ǔＰ枰撤N形式的電池充電系統(tǒng)。典型的電池充電系統(tǒng)將電力從電源(例如AC壁式插座)轉移到電池中。再充電過程通常包含處理并調節(jié)來自電源的電壓和電流，使得供應到電池的電壓和電流滿足特定電池的充電規(guī)格。舉例來說，如果供應到電池的電壓或電流過大，那么電池可能會損壞或甚至會爆炸。另一方面，如果供應到電池的電壓或電流過小，那么充電過程可能效率非常低或完全無效。電池的充電規(guī)格的低效使用可導致(例如)非常長的充電時間。另外，如果充電過程未有效地進行，那么電池的電池容量(即，電池可保持的能量的量)可能不會最優(yōu)化。此外，低效充電可影響電池的有效壽命(即，從特定電池可利用的充電/放電循環(huán)的次數(shù))。此外，低效充電可能由于電池的特性隨著時間變化的緣故。使這些問題復雜的是以下事實不同電池的電池特性(包含電池的指定電壓和再充電電流)可能不同。
現(xiàn)有電池充電器通常是靜態(tài)系統(tǒng)。充電器經配置以從特定電源接收電力，并基于電池的充電規(guī)格將電壓和電流提供給特定電池。然而，現(xiàn)有充電器的不靈活性導致上文描述的許多低效性和問題。擁有比現(xiàn)有系統(tǒng)更靈活或甚至可適于特定電池或變化的電池充電環(huán)境的電池充電系統(tǒng)和方法將是有利的。因此，需要改進電池充電過程的效率的改進的電池充電器系統(tǒng)和方法。本發(fā)明通過提供使用開關調節(jié)器來對電池進行充電的系統(tǒng)和方法來解決這些和其它問題。

發(fā)明內容
在一個實施例中，本發(fā)明包含一種對一電池進行充電的方法，所述方法包括在開關調節(jié)器的輸入處接收第一輸入電壓和第一輸入電流；將開關調節(jié)器的輸出耦合到電池的端子；在電池的端子處產生第一輸出電壓和第一輸出電流，其中開關調節(jié)器控制第一輸出電流，且其中到電池的第一輸出電流大于第一輸入電流，且第一輸入電壓大于第一輸出電壓；和隨著電池上的第一輸出電壓增加而減少第一輸出電流。
在一個實施例中，本發(fā)明進一步包括感測電池上的第一輸出電壓，且據(jù)此來調節(jié)第一輸出電流，使得第一輸入電流在第一值以下。
在一個實施例中，本發(fā)明進一步包括感測到開關調節(jié)器第一輸入電流，且據(jù)此來調節(jié)第一輸出電流，使得第一輸入電流在第一值以下。
在一個實施例中，本發(fā)明進一步包括將開關調節(jié)器的開關輸出電流和開關輸出電壓經由濾波器而耦合到電池的端子。
在一個實施例中，第一輸出電流隨著電池上的第一輸出電壓增加而減少越過復數(shù)個電流值。
在一個實施例中，第一輸出電流隨著電池上的第一輸出電壓增加而持續(xù)減少。
在一個實施例中，第一輸出電流隨著電池上的第一輸出電壓增加而遞增減少。
在一個實施例中，第一輸出電流持續(xù)減少以維持到開關調節(jié)器的恒定第一輸入電流。
在一個實施例中，如果到開關調節(jié)器的第一輸入電流增加到閾值以上，那么第一輸出電流遞增減少。
在一個實施例中，本發(fā)明進一步包括感測電池上的第一輸出電壓，；和如果所感測的第一輸出電壓大于第一閾值，那么將可編程數(shù)據(jù)存儲元件中的充電參數(shù)從對應于第一恒定輸出電流的第一值改變?yōu)閷诘诙愣ㄝ敵鲭娏鞯牡诙?，其中第一恒定輸出電流大于第二恒定輸出電流?br> 在一個實施例中，本發(fā)明進一步包括響應于所感測的第一輸出電壓的增加，而在對應于復數(shù)個連續(xù)降低的恒定輸出電流的值范圍內改變充電參數(shù)。
在一個實施例中，本發(fā)明進一步包括感測到開關調節(jié)器的第一輸入電流；和如果所感測的第一輸入電流大于第一閾值，那么將可編程數(shù)據(jù)存儲元件中的充電參數(shù)從對應于第一恒定輸出電流的第一值改變?yōu)閷诘诙愣ㄝ敵鲭娏鞯牡诙担渲械谝缓愣ㄝ敵鲭娏鞔笥诘诙愣ㄝ敵鲭娏鳌?br> 在一個實施例中，本發(fā)明進一步包括響應于所感測的第一輸入電流，而在對應于復數(shù)個連續(xù)降低的恒定輸出電流的值范圍內改變充電參數(shù)。
在一個實施例中，開關調節(jié)器的輸入耦合到通用串行總線端口。
在一個實施例中，開關調節(jié)器的輸出耦合到鋰離子電池、鎳氫電池(nickel metalhydride battery)或鎳鎘電池。
在一個實施例中，第一輸出電流根據(jù)預定義的軟件算法減少。
在另一實施例中，本發(fā)明包含一種對電池進行充電的方法，所述方法包括在開關調節(jié)器的輸入處接收第一輸入電壓和第一輸入電流；從開關調節(jié)器產生第一受控輸出電流到電池中，所述電流大于到開關調節(jié)器的第一輸入電流；感測電池上的電壓或到開關調節(jié)器的第一輸入電流；和隨著電池上的電壓增加而減少第一受控輸出電流。
在一個實施例中，開關調節(jié)器在電流控制模式下運作。
在一個實施例中，感測電池上的電壓，并響應于感測到電池上的電壓增加而持續(xù)減少第一受控輸出電流。
在一個實施例中，感測電池上的電壓，并響應于感測到電池上的電壓增加而將第一受控輸出電流遞增設定為較低值。
在一個實施例中，感測第一輸入電流，并持續(xù)減少第一受控輸出電流以維持到開關調節(jié)器的恒定的第一輸入電流。
在一個實施例中，感測第一輸入電流，且如果到開關調節(jié)器的第一輸入電流增加到閾值以上，那么遞增減少第一受控輸出電流。
在一個實施例中，所述方法進一步包括將可編程數(shù)據(jù)存儲元件中的充電參數(shù)從對應于第一恒定輸出電流的第一值改變?yōu)閷诘诙愣ㄝ敵鲭娏鞯牡诙?，其中所述第一恒定輸出電流大于第二恒定輸出電流?br> 在一個實施例中，所述方法進一步包括響應于電池上的電壓增加，而在對應于連續(xù)降低的恒定輸出電流的值范圍內改變可編程數(shù)據(jù)存儲元件中的充電參數(shù)。
在一個實施例中，所述方法進一步包括如果所述第一輸入電流增加到閾值以上，那么將可編程數(shù)據(jù)存儲元件中的充電參數(shù)從對應于第一恒定輸出電流的第一值改變?yōu)閷诘诙愣ㄝ敵鲭娏鞯牡诙?，所述第二恒定輸出電流小于第一輸出電流?br> 在另一實施例中，本發(fā)明包含電池充電器，所述電池充電器包括開關調節(jié)器，其具有第一輸入、第一輸出和控制輸入，其中第一輸入接收第一輸入電壓和第一輸入電流，且第一輸出耦合到電池以提供第一輸出電壓和第一輸出電流；可調節(jié)電流控制器，其具有經耦合以感測第一輸出電流的至少一個輸入、經耦合以控制開關調節(jié)器的控制輸入的至少一個輸出，和第二輸入，所述第二輸入耦合到開關調節(jié)器的第一輸入以便檢測輸入電流的變化，或耦合到電池以便檢測第一輸出電壓的變化，其中第二輸入響應于第一輸入電流或第一輸出電壓的變化而改變到電池的第一輸出電流，其中開關調節(jié)器向電池提供第一輸出電流，所述第一輸出電流大于第一輸入電流，且其中第一輸出電流隨著電池上的電壓增加而減少。
在一個實施例中，所述電池充電器進一步包括感測電阻器，其耦合在開關調節(jié)器的第一輸出與電池之間以便感測第一輸出電流，其中可調節(jié)電流控制器的至少一個輸入包括耦合到感測電阻器的第一端子的第一輸入和耦合到感測電阻器的第二端子的第二輸入。
在一個實施例中，所述開關調節(jié)器在電流控制模式下運作。
在一個實施例中，所述第一輸出電流經調節(jié)使得第一輸入電流保持在第一值以下。
在一個實施例中，所述電池充電器進一步包括感測電路(sense circuit)，其感測第一輸入電流，且可調節(jié)電流控制器的第二輸入耦合到所述感測電路以便檢測輸入電流的變化。
在一個實施例中，所述感測電路包括第一電阻器，其耦合到開關調節(jié)器的輸入。
在一個實施例中，所述電池充電器進一步包括模擬或數(shù)字控制器，其耦合在感測電路與可調節(jié)電流控制器之間，其中如果第一輸入電流增加到第一閾值以上，那么模擬或數(shù)字控制器改變可調節(jié)電流控制器的第二輸入處的控制電壓。
在一個實施例中，所述控制器是數(shù)字控制器，且如果第一輸入電流增加到第一閾值以上，那么所述數(shù)字控制器改變至少一個可編程存儲元件中的數(shù)字位。
在一個實施例中，所述控制器是模擬控制器，且所述模擬控制器具有耦合到感測電路的至少一個輸入和耦合到可調節(jié)電流控制器的至少一個輸出，且其中如果第一輸入電流增加到第一閾值以上，那么模擬控制器改變可調節(jié)電流控制器的第二輸入處的電壓。
在一個實施例中，所述可調節(jié)電流控制器的第二輸入耦合到電池以便檢測第一輸出電壓的變化。
在一個實施例中，所述電池充電器進一步包括數(shù)字控制器，所述數(shù)字控制器具有耦合到電池的至少一個輸入和耦合到可調節(jié)電流控制器的第二輸入的輸出，其中如果第一輸出電壓增加到第一閾值以上，那么數(shù)字控制器改變至少一個可編程數(shù)據(jù)存儲元件中的數(shù)字位，且據(jù)此改變可調節(jié)電流控制器的第二輸入處的電壓以便減少第一輸出電流。
在一個實施例中，所述電池充電器進一步包括模擬-數(shù)字轉換器，其耦合在電池與數(shù)字控制器的至少一個輸入之間；和數(shù)字-模擬轉換器，其耦合在可編程數(shù)據(jù)存儲元件與可調節(jié)電流控制器的第二輸入之間。
在一個實施例中，所述可編程數(shù)據(jù)存儲元件是寄存器。
在一個實施例中，所述可編程數(shù)據(jù)存儲元件是寄存器，且所述數(shù)字控制器通過將數(shù)字位從易失性存儲器加載到寄存器中而改變寄存器中的數(shù)字位。
在一個實施例中，所述可編程數(shù)據(jù)存儲元件是寄存器，且所述數(shù)字控制器通過將數(shù)字位從非易失性存儲器加載到寄存器中而改變寄存器中的數(shù)字位。
在一個實施例中，所述開關調節(jié)器進一步包括開關晶體管、誤差放大器和開關電路，且可調節(jié)電流控制器的至少一個輸出經由誤差放大器和切換電路而耦合到開關晶體管的控制端子。
在一個實施例中，所述開關調節(jié)器包括脈寬調制電路。
在一個實施例中，所述可調節(jié)電流控制器向開關調節(jié)器產生第一控制信號以產生進入電池的恒定的第一輸出電流，且可調節(jié)電流控制器隨著電池上電壓的增加而改變第一控制信號以持續(xù)減少恒定的第一輸出電流。
在一個實施例中，可調節(jié)電流控制器向開關調節(jié)器產生第一控制信號以產生進入電池的恒定的第一輸出電流，且控制器響應于第一輸入電流或第一輸出電壓的增加而重新編程耦合到可調節(jié)電流控制器的至少一個數(shù)據(jù)存儲元件，且據(jù)此可調節(jié)電流控制器改變第一控制信號以遞增地減少恒定的第一輸出電流。
在一個實施例中，所述電池充電器進一步包括寄存器，其耦合到可調節(jié)電流控制器的第二輸入，其中響應于第一輸入電流或第一輸出電壓的增加而將寄存器中的數(shù)字位從第一值改變?yōu)榈诙?，且?jù)此減少第一輸出電流。
在另一實施例中，本發(fā)明包括一種對電池進行充電的方法，所述方法包括在開關晶體管的第一端子處接收第一電壓和第一電流，其中第一電壓和第一電流從電源耦合到開關晶體管的第一端子；在開關晶體管的控制輸入處接收開關信號；且據(jù)此在開關晶體管的第二端子處產生第二電壓和第二電流；對第二電壓和第二電流進行濾波以產生經濾波的電壓和經濾波的電流；將經濾波的電壓和經濾波的電流耦合到電池的端子，其中電池的端子處的經濾波的電壓小于開關晶體管的第一端子處的第一電壓，且其中到達電池的端子中的經濾波的電流大于到達開關晶體管的第一端子中的第一電流；和隨著電池上的電壓在小于第一電壓的對應值范圍內增加而在大于第一電流的一值的電流值范圍內減少經濾波的電流。
在一個實施例中，濾波包括經由至少一個電感器將第二電流耦合到電池端子。
在一個實施例中，調節(jié)經濾波的電流使得第一電流保持在第一值以下。
在一個實施例中，所述方法進一步包括感測電池上的所述經濾波的電流和所述電壓，且據(jù)此控制經濾波的電流。
在一個實施例中，所述方法進一步包括感測第一電流和經濾波的電流，且據(jù)此控制經濾波的電流。
在一個實施例中，所述電源是通用串行總線端口。
在另一實施例中，本發(fā)明包含電池充電器，其包括開關調節(jié)器，所述開關調節(jié)器包含至少一個開關晶體管，所述開關晶體管具有第一輸入以接收第一輸入電壓和第一輸入電流，和第一輸出，其耦合到電池以提供第一輸出電壓和第一輸出電流；電流控制器，其用于控制到電池的第一輸出電流，電流控制器具有用于感測到電池的第一輸出電流的至少一個輸入、用于響應于控制信號而調節(jié)第一輸出電流的第二輸入，和耦合到開關晶體管的第一輸出；和控制器，其具有耦合到開關調節(jié)器的第一輸入或電池的第一輸入，和耦合到電流控制器的第二輸入的至少一個輸出，其中控制器響應第一輸入電流或第一輸出電壓的增加，且其中如果第一輸入電流或第一輸出電壓增加，那么控制器改變電流控制器的第二輸入處的控制信號以減少第一輸出電流，其中開關調節(jié)器向電池提供第一輸出電流，所述第一輸出電流大于第一輸入電流，且其中第一輸出電流隨著電池上的第一輸出電壓增加而減少。
在一個實施例中，所述電池充電器進一步包括輸出感測電阻器，其耦合到開關晶體管的第一輸出以便感測第一輸出電流，且電流控制器耦合到輸出感測電阻器的第一和第二端子以便控制第一輸出電流。
在一個實施例中，所述電池充電器進一步包括輸入感測電阻器，其耦合到開關晶體管的第一輸入以便感測第一輸入電流，且所述控制器耦合到輸入感測電阻器的第一和第二端子。
在一個實施例中，控制器包括模擬控制器，且所述模擬控制器在電流控制器的第二輸入處產生控制電壓，以便響應于第一輸入電流而減少第一輸出電流。
在一個實施例中，控制器包括數(shù)字控制器，所述電路進一步包括模擬-數(shù)字轉換器，其具有耦合在輸入感測電阻器上的輸入和耦合到數(shù)字控制器的輸出；耦合到數(shù)字控制器的寄存器；和數(shù)字-模擬轉換器，其具有耦合到寄存器的輸入和耦合到電流控制器第二輸入的輸出，其中數(shù)字控制器響應于第一輸入電流的增加，而重新編程寄存器，且據(jù)此減少第一輸出電流。
在一個實施例中，所述電池充電器進一步包括非易失性存儲器，且數(shù)字控制器利用存儲在非易失性存儲器中的參數(shù)而重新編程寄存器。
在一個實施例中，所述電池充電器進一步包括易失性存儲器，且數(shù)字控制器利用存儲在易失性存儲器中的參數(shù)而重新編程寄存器。
在一個實施例中，所述控制器的第一輸入耦合到電池。
在一個實施例中，所述控制器包括模擬控制器，其中模擬控制器在電流控制器的第二輸入處產生控制電壓，以便響應于第一輸出電壓而減少第一輸出電流。
在一個實施例中，所述控制器包括數(shù)字控制器，所述電路進一步包括模擬-數(shù)字轉換器，其具有耦合到電池的輸入和耦合到數(shù)字控制器的輸出；耦合到數(shù)字控制器的寄存器；和數(shù)字-模擬轉換器，其具有耦合到寄存器的輸入和耦合到電流控制器的第二輸入的輸出，其中數(shù)字控制器響應于第一輸出電壓的增加而重新編程寄存器，且據(jù)此減少第一輸出電流。
在一個實施例中，所述電池充電器進一步包括非易失性存儲器，且數(shù)字控制器利用存儲在非易失性存儲器中的參數(shù)而重新編程寄存器。
在一個實施例中，所述電池充電器進一步包括易失性存儲器，且數(shù)字控制器利用存儲在易失性存儲器中的參數(shù)而重新編程寄存器。
在一個實施例中，所述控制器和電流控制器在同一集成電路上。
在一個實施例中，所述控制器和電流控制器在不同的集成電路上。
在另一實施例中，本發(fā)明包含電池充電器，其包括開關調節(jié)器，所述開關調節(jié)器包含至少一個開關晶體管，所述開關晶體管具有第一輸入以接收第一輸入電壓和第一輸入電流，和第一輸出，其耦合到電池以提供第一輸出電壓和第一輸出電流；電流控制器構件，其耦合到開關調節(jié)器，以便感測和控制到電池的輸出電流，且響應于控制信號而改變到電池的第一輸出電流；和控制器構件，其用于響應于第一輸入電流或第一輸出電壓而產生控制信號到電流控制器構件，其中開關調節(jié)器向電池提供第一輸出電流，所述第一輸出電流大于第一輸入電流，且其中隨著電池上的電壓增加而調節(jié)第一輸出電流。
在一個實施例中，所述電池充電器進一步包括用于感測第一輸入電流的感測電路構件。
在一個實施例中，所述電池充電器進一步包括用于感測第一輸出電流的感測電路構件。
在一個實施例中，所述控制器構件包括模擬電路。
在一個實施例中，所述控制器構件包括數(shù)字電路。
在一個實施例中，所述電流控制器構件包括用于接收對應于第一輸出電流的電壓的第一和第二輸入，和用于接收控制信號以隨著電池上的電壓增加而減少第一輸出電流的第二輸入。
在一個實施例中，所述電池充電器進一步包括用于控制第一輸出電壓的電壓控制構件。
在一個實施例中，所述開關調節(jié)器進一步包括用于將開關信號提供到開關晶體管的控制端子的開關電路構件。
以下實施方式和附圖提供對本發(fā)明的性質和優(yōu)點的更好的理解。


圖1說明包含根據(jù)本發(fā)明一個實施例的開關電池充電器的電子裝置。
圖2說明包含根據(jù)本發(fā)明一個實施例的開關調節(jié)器的開關電池充電器。
圖3說明使用根據(jù)本發(fā)明一個實施例的開關調節(jié)器對電池進行充電。
圖4A-B說明使用根據(jù)本發(fā)明實施例的開關調節(jié)器對電池進行充電。
圖5說明根據(jù)本發(fā)明一個實施例的電池充電系統(tǒng)的示范性實施方案。
圖6說明根據(jù)本發(fā)明一個實施例的電池充電系統(tǒng)的示范性實施方案。
圖7為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的電池充電器的實例。
圖8為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的電壓控制器的實例。
圖9為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的電流控制器的實例。
圖10為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的模擬控制器的實例。
具體實施例方式
本文描述開關電池充電系統(tǒng)和方法的技術。以下描述內容中，為了解釋的目的，陳述大量實例和特定細節(jié)以便提供對本發(fā)明的詳盡理解。然而，所屬領域的技術人員將明顯可見，如權利要求書界定的本發(fā)明可單獨地或與下文描述的其它特征組合而包含這些實例中的一些或全部特征，且可進一步包含本文描述的特征和概念的明顯修改和等效形式。
圖1說明系統(tǒng)100，其包含含有根據(jù)本發(fā)明一個實施例的開關電池充電器的電子裝置101。電子裝置101包含由電池150供電的裝置電子元件102?？墒褂瞄_關電池充電器103對電池進行再充電。開關電池充電器103具有耦合到第一電源110的第一輸入(例如，來自通用串行總線“USB”端口的電源線的輸入電壓Vin)和將經調節(jié)的輸出經由下文更詳細描述的濾波器提供到至少一個電池的第一輸出。提供到濾波器的輸出電壓和電流將為切換的波形。為了此描述的目的，開關調節(jié)器的輸出將為濾波器的輸出，其包含到電池的經濾波的輸出電流(即，電池充電電流)和電池端子處的經濾波的輸出電壓。充電器103可進一步包含內部電路以便感測(例如)輸入電流、電池電流和/或電壓。充電器103可使用這些信息來控制電壓和電流從電源110傳遞到電池150的端子。
在一個實施例中，在充電循環(huán)中的第一時間周期期間，開關電池充電器103在電流控制模式下運作以將受控的電流提供到電池150。在充電循環(huán)中的第二時間周期期間，電池充電器103在電壓控制模式下運作以將受控的電壓提供到電池150。在電流控制模式下，開關充電器的輸出電流(即，進入電池中的電流)用作電路的控制參數(shù)(例如，進入電池中的電流可用于控制一控制開關的反饋回路)。類似地，在電壓控制模式下，開關充電器的輸出電壓(即，電池上的電壓)用作電路的控制參數(shù)(例如，電池上的電壓可用于控制一控制開關的反饋回路)。舉例來說，當充電器處于電流控制模式時(例如，當電池電壓在某一閾值以下時)，開關調節(jié)器可控制供給到電池中的輸出電流。如果電池上的電壓增加到指定閾值以上，那么系統(tǒng)接著可從電流控制模式切換為電壓控制模式。如果電池上的電壓升高到特定電平，那么隨著未受控制的電流遞減直至消失，系統(tǒng)接著可控制電池上的電壓(例如，通過維持恒定電池電壓)。在一個實施例中，隨著電池進行充電(例如，隨著電池電壓增加)，可修改通過開關調節(jié)器103供給到電池150的電流。在一個特定實例中，通過數(shù)字控制器來改變所供給的電流，所述數(shù)字控制器改變存儲在可編程數(shù)據(jù)存儲元件(例如，寄存器或存儲器)中的所存儲的充電參數(shù)。在另一特定實例中，通過模擬控制器來改變所供給的電流，所述模擬控制器改變電流控制器的控制輸入處的控制信號，所述電流控制器控制輸出電流。
本發(fā)明的實施例可用在各種電子裝置中，且可用于對各種電池類型和配置進行充電。為了說明本發(fā)明某些方面的優(yōu)點，將在對鋰離子(“Li+”)電池進行充電的情形下描述一實例。然而，應了解，以下實例僅用于說明性目的，且其它類型的(例如)具有不同電壓和充電規(guī)格的電池(例如鋰聚合物電池、鎳氫電池或鎳鎘電池)也可使用本文所述的技術進行有利的充電。
圖2說明包含根據(jù)本發(fā)明一個實施例的開關調節(jié)器203的開關電池充電器201。裝置電子元件202包含電源端子(“Vcc”)，所述電源端子從電池250接收電力。當電池250耗盡時，可通過將電壓和電流從電源210經由開關調節(jié)器203和濾波器204而耦合到電池250來對其進行再充電。舉例來說，電源可為DC電源。應了解，本文所述的技術也可應用于AC電源。因此，圖2是使用DC電源的一個示范性系統(tǒng)。開關調節(jié)器203可包含開關裝置221、開關電路(“切換器”)222、可調節(jié)電流控制器223、輸出感測電路225和輸入感測電路224。開關調節(jié)器203區(qū)別于線性調節(jié)器，因為開關調節(jié)器203包含開關電路222，所述開關電路222在晶體管221的控制端子處產生開關控制信號222A。舉例來說，開關裝置221可為PMOS晶體管。然而，應了解，可使用(例如)其它類型的裝置(例如，一個或一個以上雙極或MOS晶體管)來構建所述開關裝置。
在電流控制模式下，輸出感測電路225感測進入到電池中的輸出電流。電流控制器223耦合到輸出感測電流225以便控制輸出電流。電流控制器223從輸出感測電路接收對應于輸出電流的輸入。電流控制器223使用這些輸入來控制開關電路222，開關電路222又向開關裝置221的控制端子提供修改輸出電流的信號。示范性開關控制方案可包含對開關裝置221的控制端子進行脈寬調制。開關調節(jié)器203的輸出經由濾波器204而耦合到電池250的一端子。通過感測電池電壓或進入電池的電流可控制電池端子處的電壓或電流。在電流控制模式下，電流控制器223可接收所感測的電池電流并修改控制信號222A以改變開關電路222和開關裝置221的行為來將電池電流維持在一受控值。類似地，在電壓控制模式下，電壓控制器(下文描述)可接收所感測的電池電壓，并修改控制信號222A以改變開關電路222和開關裝置221的行為來將電池電壓維持在一受控值。因此，可將進入電池的電壓或電流維持在受控值。如下文將更詳細描述，電流控制器223可包含耦合到電池上的電壓或到開關調節(jié)器的輸入電流的另一輸入，以隨著電池上的電壓的增加而控制對電池電流的修改。因為電池電壓或輸入電流可用于此目的，所以系統(tǒng)可包含輸入感測電路224或可不包含輸入感測電路224。
在一個實施例中，開關調節(jié)器203從電源210接收電壓和電流，并向電池提供充電電流，所述充電電流大于從電源接收的電流。舉例來說，如果從電源接收的電壓大于電池電壓，那么開關調節(jié)器可將大于到達開關調節(jié)器的輸入電流的充電電流提供到電池中。當開關調節(jié)器的輸入處的電壓大于電池上的電壓時(有時稱為“補償(Buck)”配置)，開關調節(jié)器的“理想”電壓-電流關系給定如下Vout＝C*Vin；和Iout＝Iin/C，其中C是常數(shù)。舉例來說，在脈寬調制的開關調節(jié)器中，C是開關裝置的控制輸入處的開關波形的“工作循環(huán)”D。以上等式說明輸出電流是輸入電流、輸入電壓和輸出電壓的函數(shù)，如下
Iout＝Iin*(Vin/Vout)。
應了解，以上等式適用于“理想”補償調節(jié)器。在實際實施方案中，輸出由于非理想性(即，效率損失)而降級，降級量可約為10％(即，效率η＝90％)。以上等式說明進入電池250中的充電電流可能大于輸入電流(即，輸入電壓Vin大于輸出電壓的情況)。此外，在充電循環(huán)開始時，電池電壓比在充電循環(huán)中稍后的時間點小。因此，在充電循環(huán)開始時，進入電池中的電流可能大于(即，當Vin/Vbatt較大時，其中Vbatt＝Vout)在充電循環(huán)中稍后的時間點處(即，當Vin/Vbatt較小時)進入電池中的電流。在一個實施例中，控制進入電池中的電流(即，開關調節(jié)器的輸出電流)并將其設定為初始值，且隨著電池電壓增加，輸出電流減小。以上等式說明隨著電池電壓增加，進入開關調節(jié)器中的電流將開始增加以獲得開關調節(jié)器的輸出處的給定電流。此效果是由于以上展示的開關調節(jié)器上的電壓-電流關系的緣故。舉例來說，如果Iout和Vin是固定的，那么Iin必須隨著Vout增加而增加。因此，不同實施例可感測輸出電壓或輸入電流，并隨著電池電壓增加而減小進入電池中的電流。
舉例來說，開關調節(jié)器203可在電流控制模式下運作，其中輸出感測電路225感測開關調節(jié)器的輸出電流(即，電池輸入電流)，且電流控制器223隨著電池上的電壓增加而控制進入電池中的電流減小。在一個實施例中，電流控制器223可響應于對應于不斷增加的電池電壓的控制信號而減小電池電流，所述控制信號以信號通知電流控制器223減小電池電流。在另一實施例中，輸入感測電路224感測到達開關調節(jié)器的輸入電流，且電流控制器223響應于對應于不斷增加的輸入電流的控制信號而減小進入電池中的電流。同等地，可監(jiān)控與輸入電流或電池電壓有關的其它參數(shù)以獲得期望的信息來調節(jié)進入電池中的電流。在一個實施例中，使用控制器(下文更詳細描述)來響應于第一輸入電流或第一輸出電壓而產生到達電流控制器的一個或一個以上控制信號?？刂破魇墙邮账袦y的參數(shù)(例如，作為模擬或數(shù)字信號的輸入電流或電池電壓)并向電流控制器223產生一個或一個以上控制信號以調節(jié)輸出處的電流的電路。感測電路、控制器和電流控制器可實施為模擬電路(整體或部分地)，使得隨著電池上的開關調節(jié)器輸出電壓增加而持續(xù)減小開關調節(jié)器輸出電流(即，電池充電電流)。在另一實施例中，控制器和/或電流控制器可實施為數(shù)字電路(整體或部分地)，使得隨著電池電壓增加而遞增減小電池充電電流。下文描述這些電路的實例。
圖3說明使用根據(jù)本發(fā)明一個實施例的開關調節(jié)器對電池進行充電。在301處，在開關調節(jié)器的輸入處接收輸入電壓和輸入電流。在302處，將開關調節(jié)器的輸出處的開關輸出電流和電壓耦合到電池的端子。舉例來說，可經由濾波器將開關晶體管的輸出端子耦合到電池端子。在303處，在開關調節(jié)器的輸出處產生輸出電壓(即，電池電壓)和輸出電流(即，電池輸入電流)。在304處，隨著電池上的輸出電壓增加而減小進入電池中的電流。如上文所提及，開關調節(jié)器可通過直接感測電池電壓、輸入電流或其它相關參數(shù)來檢測電池電壓的升高。
圖4A-B說明使用根據(jù)本發(fā)明實施例的開關調節(jié)器對電池進行充電。圖4A中的曲線圖展示描繪在右側垂直軸上的電流和左側垂直軸上的電池上的電壓與水平軸上的時間。線401展示隨著時間的過去電池上的電壓，線402展示進入電池中的電流，且線403展示進入開關調節(jié)器中的電流。此實例說明對深度耗盡的Li+電池進行充電的充電循環(huán)。以兩種基本模式對電池進行充電電流控制模式(t＝0、t2)和電壓控制模式(t＝t2、t3)。在此實例中，電池上的電壓初始地在某一特定閾值(例如，3伏)以下，從而指示電池被深度耗盡。因此，電流控制模式可初始地產生恒定預充電電流410(例如，100mA)。恒定預充電電流410將使電池電壓開始增加。當電池電壓增加到預充電閾值420(例如，3伏)以上時，系統(tǒng)將增加供給到電池的電流。第二電流有時稱為“快速充電”電流。
如圖4A中所示，進入電池中的電流可能大于由開關調節(jié)器接收的電流。舉例來說，在快速充電循環(huán)開始時，進入電池中的電流可初始地設定為750mA，而進入開關調節(jié)器中的電流為500mA。因此，隨著電池被充電，電池上的電壓將開始增加。隨著電池電壓增加，進入電池中的電流可減小使得輸入電流保持近似恒定。如上文所提及，如果電池上的電壓增加，且如果由開關調節(jié)器供應的電流保持恒定，那么進入開關調節(jié)器中的電流將開始增加。在一些應用中，可能需要將輸入電流保持在某些閾值以下，使得進入開關調節(jié)器中的總電力不會超過電源處可用的總電力。在此實例中，輸入電流維持近似恒定，且進入電池中的電流隨著電池電壓增加而減小。舉例來說，當電池電壓增加到420B處的3伏以上時，進入電池中的電流減小到約700mA。從圖4A可看出，電流隨著電池上的電壓增加而連續(xù)減小以維持輸入電流近似恒定。如上文所提及，可使用模擬或數(shù)字技術來控制電池電流。或者，系統(tǒng)可感測到達開關調節(jié)器的輸入電流或電池電壓以實施電池電流控制。
當在時間t2處電池上的電壓增加到閾值430A以上時，系統(tǒng)可自動地變換以將向電池提供恒定電壓(即，“浮動”電壓)。當電流控制模式期間電池增加到浮動電壓時，系統(tǒng)將變換到電壓控制模式并維持電池處的浮動電壓。當系統(tǒng)處于電壓控制模式時，進入電池中的電流430將開始減小(即，“逐漸衰減”或“下降”)。在一些實施例中，可能需要在電流到達某一最小閾值440之后切斷充電器。因此，當電池電流下降到最小值以下時，在時間t3處系統(tǒng)可自動停閉充電器并結束充電循環(huán)。
圖4B說明到達開關調節(jié)器的輸入電流和由開關調節(jié)器提供的電池電流與電池電壓。圖4B中的曲線圖展示描繪在左側垂直軸上的電流和水平軸上的電池電壓。初始地，電池電壓在某一閾值(例如，3伏)以下，系統(tǒng)處于預充電模式，且開關調節(jié)器經設定以向電池提供恒定預充電電流410A(例如，100mA)。因此，輸入電流410B小于電池電流(例如，＜100mA)。當系統(tǒng)變換到快速充電模式(例如，由于電池電壓增加到某一閾值(例如，3伏)以上的緣故)時，電池電流可從預充電值復位為最大值402A(例如，700mA)。當從開關調節(jié)器供應到電池的電流增加時，輸入電流類似地增加到新的值403A(例如，約475mA)。然而，隨著電池電壓增加到閾值以上，如果輸出電流保持恒定，那么輸入電流將增加。在一些應用中，電源(例如，USB電源)可能不能夠將某一最大值(例如，對于USB來說為500mA)以上的輸入電流供應到開關調節(jié)器。在設定進入電池中的電流時可考慮所述最大輸入值。因此，當輸入電流增加到某一閾值(如，例如500mA的最大容許電平)時，系統(tǒng)可將電池電流復位為小于先前值的新的值402B，使得輸入電流相應地減小到403B處的閾值(例如，約450mA)以下。進入電池中的輸出電流可隨著電池上的輸出電壓增加而遞增減小，使得輸入電流保持在如圖4B中所示的閾值以下。在一個實施例中，輸出電流響應于感測到達開關調節(jié)器的輸入電流和確定輸入電流已增加到閾值以上而遞增減小。在另一實施例中，輸出電流響應于感測電池電壓而遞增減小。
圖5說明根據(jù)本發(fā)明一個實施例的電池充電系統(tǒng)500的示范性實施方案。此實例說明一個可能的實施方案，其使用數(shù)字控制器545和可編程存儲器來隨著電池電壓增加而調節(jié)電池電流。電池充電器500包含開關調節(jié)器510，其具有用于從電源接收輸入電壓和電流的輸入。開關調節(jié)器510的輸出經由包括電感器503和電容器504的濾波器而耦合到電池550。電流感測電阻器501也可包含在到達電池的電流路徑中。電流控制器520具有用于感測電池電流的耦合到電流感測電阻器501的第一端子的第一輸入，和耦合到電流感測電阻器501的第二端子的第二輸入。在電流控制模式下，電流控制器520接收所感測的電池電流并向開關調節(jié)器510的控制輸入提供控制信號。在此實例中，電流控制器520是可調節(jié)的電流控制器，且包含接收控制信號以便調節(jié)由開關調節(jié)器產生的輸出電流的控制輸入520A。系統(tǒng)500進一步包含用于充電循環(huán)的電壓控制模式的電壓控制器530。電壓控制器530包含耦合到電池端子以便感測電池電壓的第一輸入。在電壓控制模式下，電壓控制器530的輸出向開關調節(jié)器510產生控制信號。在此實例中，電壓控制器530是可調節(jié)的電壓控制器，且包含控制輸入530A以便調節(jié)由開關調節(jié)器產生的輸出電流。
充電系統(tǒng)500進一步包含數(shù)據(jù)存儲器，其耦合到電流控制器520和電壓控制器530以在電流控制模式和電壓控制模式下配置開關調節(jié)器。可編程數(shù)據(jù)存儲元件(例如寄存器或存儲器)可存儲復數(shù)個充電參數(shù)，以便在電池550的充電期間控制開關調節(jié)器510?？蓪?shù)重新編程以改變電壓和/或電流或其它用來對電池進行充電的參數(shù)，且從而改進電池充電效率。數(shù)據(jù)存儲器可為(例如)易失性或非易失性存儲器，且可在不同的充電循環(huán)內或單個充電循環(huán)期間(當電池正充電時)重新編程充電參數(shù)。
在此實例中，數(shù)字控制器545用于修改電流控制器520的控制輸入以隨著電池上的電壓增加而改變電池電流。在一個實施例中，可使用感測電路(例如，輸入感測電阻器502)來感測開關調節(jié)器的輸入電流。在此實例中，輸入感測電阻器502是用于感測由開關調節(jié)器接收的第一輸入電流的構件。等效感測構件可包含(例如)晶體管或感應感測技術。電阻器502的端子經由模擬-數(shù)字(“A/D”)轉換器548耦合到數(shù)字控制器545。在另一實施例中，電池上的電壓可經由A/D 549耦合到數(shù)字控制器545?？刂破?45接收所感測的輸入電流或輸出電壓并調節(jié)電流控制器520以如上所述控制電池電流。舉例來說，數(shù)字控制器545可用于利用充電參數(shù)來編程數(shù)據(jù)存儲元件，所述充電參數(shù)又轉換成模擬信號并耦合到電流控制器520的控制輸入520A。例如，可使用數(shù)字總線541(例如，串行或并行總線)經由控制器545來編程數(shù)據(jù)存儲器中的充電參數(shù)。因此，可在預定義的軟件算法的控制下改變充電參數(shù)?？刂破?45可與開關調節(jié)器和開關電池充電器電路包含在同一集成電路上，或控制器545可包含在電子裝置中的另一集成電路上。在一個實施例中，數(shù)字總線可(例如)耦合到I2C總線或通用串行總線(“USB”)或使用I2C總線或通用串行總線(“USB”)而實施。
在一個實施例中，充電參數(shù)可各存儲作為復數(shù)個數(shù)字位，且不同充電參數(shù)可在寄存器522中從易失性存儲器546或非易失性存儲器547被編程，所述易失性存儲器546或非易失性存儲器547可為本地或遠程的(例如，在同一集成電路或系統(tǒng)上，或在另一集成電流或系統(tǒng)上)。對應于復數(shù)個充電參數(shù)的數(shù)字位接著可轉換成模擬參數(shù)，例如電壓或電流。模擬參數(shù)又可耦合到電流控制器520的控制輸入，且又可耦合到開關調節(jié)器510的控制輸入以改變電池電流。在一個實施例中，可使用(例如)數(shù)字-模擬轉換器(“DAC”)524將數(shù)字位轉換成模擬參數(shù)。多種技術可用于A/D和DAC。在此實例中，DAC 524、寄存器522、數(shù)字控制器545和A/D 548或A/D 549包括用于響應于第一輸入電流或第一輸出電壓而向電流控制器產生控制信號的構件。應了解，可使用其它感測和控制電流技術，且電阻器感測、A/D、寄存器和DAC僅為實例。
在一個實施例中，充電循環(huán)包含預充電和快速充電電流控制模式和電壓控制模式。舉例來說，可通過存儲作為寄存器521和522中的數(shù)字值的參數(shù)來編程到達電池的電流。寄存器521可存儲數(shù)字預充電參數(shù)值，且寄存器522可存儲一個或一個以上快速充電參數(shù)值。不同的快速充電參數(shù)值可選擇性耦合到電流控制器520，以基于所感測到的電池電壓或所感測到的電池電流而設定供應到電池的電流。在此實例中，寄存器525可保持數(shù)字值以便設定預充電閾值。寄存器525的位可以是對于數(shù)字-模擬轉換器(“DAC”)526的輸入，所述數(shù)字-模擬轉換器(“DAC”)526可將位解譯成(例如)模擬參數(shù)，例如電壓。DAC 526的電壓輸出可用作參考，且可與比較器527中的電池電壓相比較。當電池電壓在經編程的預充電閾值以下時，比較器可使用選擇電路523(例如，多路復用器)將寄存器521中的所存儲的預充電電流值耦合到DAC 524。DAC 524又接收對應于預充電電流的數(shù)字值，并產生模擬參數(shù)以便控制調節(jié)器傳送經編程的電流值。當電池電壓增加到在寄存器525中編程的值以上時，比較器改變狀態(tài)，且選擇電路523將寄存器522中的所存儲的快速充電電流值耦合到DAC 524。DAC 524又接收對應于快速充電電流的新的數(shù)字值，并產生模擬參數(shù)以便控制開關調節(jié)器傳遞新的經編程的電流值。應了解，以上電路僅為一個示范性實施方案。在另一實例中，可使用電池電壓控制預充電閾值以驅動分壓器?？赏ㄟ^可編程寄存器來以數(shù)字方式選擇分壓器的特定分接頭(tap)。接著，選定的分接頭可耦合到比較器，并與(例如)參考電壓相比較。
隨著電池電壓增加，數(shù)字控制器545可重新編程寄存器522以改變電池電流。舉例來說，數(shù)字控制器545可將電池電壓與閾值相比較(在軟件中或在硬件中)，且如果電池電壓在閾值以上，那么重新編程寄存器522。隨著電池電壓增加，控制器545可將電池電壓與不同的閾值相比較以改變輸出電流。所述閾值可(例如)線性間隔開，或可根據(jù)特定系統(tǒng)要求來確定?；蛘?，數(shù)字控制器545可將調節(jié)器輸入電流與閾值相比較(在軟件中或在硬件中)，且如果輸入電流在閾值以上，那么重新編程寄存器522。
對于電壓控制模式而言，電壓控制器530耦合到用于存儲閾值的寄存器531，以便從電流控制改變?yōu)殡妷嚎刂?。寄存?31存儲閾值作為數(shù)字值。寄存器531的數(shù)字位輸入到DAC 532并轉換成模擬參數(shù)，以便維持電池上的恒定的經編程電壓。當電池電壓增加到在寄存器531中編程的電壓以上時，系統(tǒng)將變換成電壓控制模式，且調節(jié)器的輸出處將維持恒定的經編程電壓，且電流逐漸減少。
數(shù)字控制器545也可用來操控系統(tǒng)中的其它數(shù)字信息。控制器可包含(例如)用于對存儲器或寄存器進行讀取和寫入的電路，以及其它系統(tǒng)控制功能，例如通過串行或并行總線與其它電子元件介接。如上文所提及，充電參數(shù)可存儲在(例如)非易失性存儲器547(例如，EEPROM)或易失性存儲器546中。因為開關調節(jié)器或存儲器可在外部，所以非易失性或易失性存儲器可在同一集成電路上。如果存儲器在外部，那么系統(tǒng)可進一步包含接口(未圖示)以便存取外部資源。在此實例中，參數(shù)可存儲在非易失性存儲器546中并傳遞到寄存器521、522、525和531。
本發(fā)明的實施例進一步包含根據(jù)預定義的軟件算法來重新編程一個或一個以上充電參數(shù)。用于控制充電過程的軟件可提前寫入或加載到電子裝置上以動態(tài)地控制充電過程。舉例來說，電子裝置可包含處理器，所述處理器可為(例如)微處理器或微控制器。所述處理器可存取易失性或非易失性存儲器中的充電控制軟件，且可執(zhí)行用于重新編程充電參數(shù)的算法。所述算法可(例如)在電池充電時改變一個或一個以上充電參數(shù)，或所述算法可在多個充電循環(huán)內改變一個或一個以上充電參數(shù)。所述算法可改變寄存器(例如，針對動態(tài)編程)或非易失性存儲器(例如，針對靜態(tài)編程)中的參數(shù)值。舉例來說，所述算法可被接收作為輸入感測的電池狀況，且所述算法可基于這些狀況而修改經編程的快速充電電流。從圖5所示的實例可見，在系統(tǒng)中包含數(shù)字控制允許多種參數(shù)(包含在預充電期間傳送到電池的電流，或與電池電壓或輸入電流相比較以控制輸出電流的變化的閾值)的靈活可編程性。這些閾值可在多個充電循環(huán)內被修改或甚至在單個充電循環(huán)內被修改。
圖6說明根據(jù)本發(fā)明一個實施例的電池充電系統(tǒng)600的示范性實施方案。此實例說明使用模擬控制器645隨著電池電壓增加而調節(jié)電池電流的一個可能的實施方案。電池充電器600包含開關調節(jié)器610，其具有用于從電源接收電壓和電流的輸入。開關調節(jié)器610的輸出經由包括電感器603和電容器604的濾波器而耦合到電池650。如針對圖5的電池充電系統(tǒng)500所描述，在電流控制模式下，電流控制器620感測輸出電流，并向開關調節(jié)器610的控制輸入提供控制信號，以便控制供給到電池的電流。在此實例中，電流感測電阻器601包含在通往電池的電流路徑中，且電流控制器620具有耦合到電流感測電阻器601的第一端子的第一輸入和耦合到電流感測電阻器601的第二端子的第二輸入，以便感測電池電流。與在圖5中的充電器500中一樣，電流控制器620是可調節(jié)電流控制器，且包含接收控制信號以便調節(jié)由開關調節(jié)器產生的輸出電流的控制輸入646。系統(tǒng)600進一步包含用于充電循環(huán)的電壓控制模式的電壓控制器630。電壓控制器630包含耦合到電池端子以便感測電池電壓的第一輸入。在電壓控制模式下，電壓控制器630的輸出向開關調節(jié)器610產生控制信號。
在此實例中，模擬控制器645提供用于響應于第一輸入電流或第一輸出電壓而向電流控制器產生控制信號的構件。模擬控制器645可耦合到電池端子以便感測電池電壓或可耦合到輸入電流感測電路以便感測到達開關調節(jié)器的輸入電流。在此實例中，輸入電流感測電路是耦合到開關調節(jié)器610的輸入的電流感測電阻器602。在此實例中，模擬控制器645可具有耦合到電池的輸入，或模擬控制器645可包含耦合在感測電阻器601上的兩個輸入。響應于感測輸入電流或電池電壓，模擬控制器修改電流控制器620的控制輸入646上的一個或一個以上控制信號，以改變電池電流。模擬控制器645可使用多種不同的輸入或輸出電路技術來感測輸入電流或電池電壓，并根據(jù)電流控制器620的特定實施方案來產生合適的信號或多個信號。舉例來說，模擬控制器645可包含(例如)放大器、電流源、限制器和/或比較電路，以便處理所感測的電壓或電流，并向電流控制器620在控制輸入646上產生一個或一個以上控制信號以調節(jié)電池電流。應了解，可使用多種感測電路和模擬電路。因此，可通過模擬控制器645響應于所感測的電池電壓輸入或所感測的輸入電流來調節(jié)在電流模式下產生的電池電流。因此，電流控制器620可產生進入電池的電流，所述電流大于如上所述進入開關調節(jié)器的電流。電流控制器620可感測到達電池的輸入電流和來自模擬控制器645的控制信號，且電池電流可隨著電池上的電壓增加而減少。
圖7為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的電池充電器的實例。電池充電器700包含電壓控制器701、電流控制器702和耦合到晶體管707(例如，PMOS晶體管)的開關調節(jié)器703，以便控制耦合在輸入端子708與輸出端子709之間的電壓和電流。電流控制器702包含第一輸入端子710和第二輸入端子711以便感測通過輸出電流感測電阻器(例如，0.1歐姆電阻器)的電流。端子710耦合到電阻器的正端子，所述正端子耦合到晶體管707的端子709，且端子711耦合到電阻器的負端子，所述負端子耦合到電池(在開關調節(jié)器中，端子709耦合到電感器，且電感器的另一端子可耦合到端子710)。電流控制器702進一步包含控制輸入750，以便響應于在端子710與711之間所感測的電流來控制由開關調節(jié)器產生的電流量。電流控制器702的輸出耦合到調節(jié)器703的輸入。電壓控制器701包含(例如)耦合到電池的電池感測輸入端子712，和可耦合到DAC的控制輸入751。電壓控制器701的輸出也耦合到開關調節(jié)器703的輸入。開關調節(jié)器703可包含誤差放大器704，其具有耦合到參考電壓714(例如，1伏)的第一輸入和耦合到電壓控制器701和電流控制器702的輸出的第二輸入端子。誤差放大器704的輸出(例如)耦合到開關電路705的輸入，例如脈寬調制(“PWM”)電路的工作循環(huán)控制輸入。應了解，可使用多種開關技術來實踐本發(fā)明。節(jié)點713是調節(jié)器的負反饋節(jié)點。因此，在電流控制或電壓控制下，回路將把節(jié)點713驅動為與誤差放大器的參考電壓(例如，1伏)相同的電壓。
圖8是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的電壓控制器的實例。電壓控制器800僅是可用于實踐本發(fā)明不同實施例的控制電路的一個實例。在此實例中，電池感測端子801耦合到待充電的電池。第二輸入端子802耦合到數(shù)字-模擬轉換器(“VDAC”)的輸出以便將電池端子處的電壓設定為經編程電壓值。端子802可經由VDAC耦合到存儲充電參數(shù)的寄存器或存儲器以設定電池處的電壓?？赏ㄟ^改變充電參數(shù)來調節(jié)電池電壓，藉此在不同值的范圍內改變端子1402處的電壓。可通過改變充電參數(shù)來調節(jié)電池電壓，從而在不同值范圍內改變端子802處的電壓。舉例來說，如上文所提及，電壓控制器800的輸出DIFF將被驅動為與誤差放大器參考相同的電壓(其在此實例中為1伏)。包含放大器804和805的差分求和網絡和電阻器806-812的網絡在輸出處的電壓DIFF、電池電壓BSENSE和DAC電壓VDAC(V)之間建立以下關系DIFF＝BSENSE-(2.45V+VDAC(V))。
因此，當反饋回路將DIFF驅動為1伏時，電池電壓是DAC的輸出上的電壓的函數(shù)。
當DIFF＝1伏時；BSENSE＝3.45+VDAC(V)。
因此，可通過改變耦合到DAC的輸入的位的數(shù)字值來編程電池電壓。
圖9是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的電流控制器的實例。電流控制器900僅是可用于實踐本發(fā)明不同實施例的控制電路的一個實例。在此實例中，正和負電流感測端子902-903耦合在待充電的電池的輸入處的感測電阻器上。控制輸入端子901耦合到控制電壓(“Vctrl”)以便響應于數(shù)字或模擬控制器來設定進入電池中的受控電流。舉例來說，Vctrl可從模擬電路接收響應于輸出電壓或輸入電流的模擬電壓以便隨著電池電壓增加而減小電池電流。或者，端子901可經由數(shù)字-模擬轉換器(“DAC”)耦合到存儲充電參數(shù)的寄存器或存儲器以設定進入電池中的電流。數(shù)字控制器可通過改變充電參數(shù)來響應于電池電壓或輸入電流而調節(jié)電池電流，藉此在不同值的范圍內改變端子901處的電壓。作為實例，如上文所提及，電流控制器900的輸出DIFF將被驅動為與誤差放大器參考相同的電壓(其在此實例中為1伏)。包含放大器905和906的差分求和網絡和電阻器907-914的網絡在輸出處的電壓DIFF、由電壓測量到的電池電流CSENSE+和CSENSE-與控制電壓之間建立以下關系DIFF＝R2/R1(CSENSE+-CSENSE-)+Vctrl。
因此，當反饋回路將DIFF驅動為1伏時，電池電流是Vctrl上的電壓的函數(shù)。
當DIFF＝1伏且R2/R1＝5時；(CSENSE+-CSENSE-)＝(1V-Vctrl)/5。
因此，可通過改變控制電壓(例如，通過改變耦合到DAC的輸入的位的數(shù)字值)來改變由開關調節(jié)器供應到電池的電流。雖然圖7-8中的以上電路使用差分求和技術，但應了解，可使用其它電流和/或電壓求和技術來感測輸出電池電流和電壓并產生控制信號以驅動開關調節(jié)器的控制輸入。
參看圖7-9，本發(fā)明的一個特征可包含使用“有線-或(wired-OR)”配置將電流控制器和電壓控制器的輸出連接到調節(jié)器。舉例來說，在一個實施例中，電壓控制器800中的放大器805的輸出下拉晶體管(output pull-down transistor)和電流控制器900中的放大器906的輸出下拉晶體管是“弱”裝置。舉例來說，用于從DIFF節(jié)點汲取電流的裝置遠小于放大器805和906中的用于將電流供給到DIFF節(jié)點中的裝置。在電流控制模式期間，當電池電壓在由VDAC(V)編程的值以下時，放大器805的正輸入(BSENSE)在負輸入以下，且放大器805的輸出將試圖從DIFF汲取電流。然而，電流控制器放大器906的輸出將在正方向上驅動DIFF節(jié)點。因此，因為放大器805的下拉輸出弱于放大器906的上拉輸出，所以系統(tǒng)將由恒定電流控制器900支配。類似地，當電池上的電壓(BSENSE)增加到放大器805的正輸入與負輸入相等的點時，電壓控制器將起支配作用。在此點處，通過感測電阻器的電流將開始減小，且放大器906的輸出將開始下拉。然而，因為放大器906的下拉輸出弱于放大器805的上拉輸出，所以系統(tǒng)將由恒定電壓控制器800支配。
圖10說明根據(jù)本發(fā)明一個實施例的示范性模擬控制器。電流控制器1020包含耦合到“Csense+”的第一輸入和耦合到“Csense-”的第二輸入。此處，Csense+耦合到輸出電流感測電阻器的正端子，且Csense-耦合到輸出電流感測電阻器的負端子。電流控制器1020將向開關調節(jié)器1001的控制輸入1004產生控制信號。開關調節(jié)器1001包含開關電路1003，開關電路1003又向開關晶體管1002的柵極產生開關信號(例如，脈寬調制信號)(開關調節(jié)器1001也可包含已為了說明性目的而省略的誤差放大器)。電流控制器1020進一步包含控制輸入Vctrl。Vctrl處的電壓可用于控制電池電流。在此實例中，電流控制器1620的控制輸入處的電壓由電流源1045設定到電阻器1046(“R1”)中。當系統(tǒng)處于預充電模式時，由電流源1045提供的電流可能小于當系統(tǒng)處于快速充電模式時所提供的電流。當系統(tǒng)初始地進入快速充電模式時，進入電阻器1046中的電流可對應于最大期望輸出電流來設定Vctrl處的最大電壓。快速充電循環(huán)開始時的最大輸出電流可通過設計選擇以多種方式設定，包含通過選擇電阻器1046。電壓Vsense源自開關調節(jié)器輸入電流或電池電壓。初始地，當快速充電模式開始時，電壓Vsense偏置晶體管1048瀕臨于傳導。隨著電池上的電壓增加，或隨著到達開關調節(jié)器的輸入電流增加，Vsense將增加。隨著Vsense增加，晶體管1048將接通并傳導電流(即，Vsense/R2)，這將從電阻器1046竊取電流，藉此促使電流控制器1020的控制輸入處的電壓減小。因此，隨著Vctrl減小，電流控制器1020減小由開關調節(jié)器1001產生的輸出電流。因此，隨著電池電壓增加，或隨著輸入電流增加，Vsense將促使電流控制器1020減小輸出電池電流。
以上描述說明本發(fā)明各種實施例連同關于可如何實施本發(fā)明各方面的實例。以上實例和實施例不應認為是僅有的實施例，且其被提供以說明如由所附權利要求書界定的本發(fā)明的靈活性和優(yōu)點?；谝陨辖沂緝热莺退綑嗬髸?，所屬領域的技術人員將了解其它配置、實施例、實施方案和等效形式，且可在不脫離由權利要求書界定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下使用所述其它配置、實施例、實施方案和等效形式。本文已使用的術語和表達用于描述各種實施例和實例。不應將這些術語和表達解釋為排除所展示和描述的特征或其部分的等效形式，認為可能在所附權利要求書的范圍內作出各種修改。
權利要求
1.一種對一電池進行充電的方法，其包括在一開關調節(jié)器的輸入處接收一第一輸入電壓和一第一輸入電流；將所述開關調節(jié)器的一輸出耦合到一電池的一端子；在所述電池的所述端子處產生一第一輸出電壓和一第一輸出電流，其中所述開關調節(jié)器控制所述第一輸出電流，且其中到達所述電池的所述第一輸出電流大于所述第一輸入電流且所述第一輸入電壓大于所述第一輸出電壓；和隨著所述電池上的所述第一輸出電壓的增加而減少所述第一輸出電流。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其進一步包括感測所述電池上的所述第一輸出電壓，且據(jù)此調節(jié)所述第一輸出電流，使得所述第一輸入電流在一第一值以下。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其進一步包括感測到達所述開關調節(jié)器的所述第一輸入電流，且據(jù)此調節(jié)所述第一輸出電流，使得所述第一輸入電流在一第一值以下。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其進一步包括經由一濾波器將所述開關調節(jié)器的一開關輸出電流和一開關輸出電壓耦合到一電池的一端子。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中隨著所述電池上的所述第一輸出電壓的增加而在復數(shù)個電流值范圍內減少所述第一輸出電流。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中隨著所述電池上的所述第一輸出電壓的增加而持續(xù)減少所述第一輸出電流。
7.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中隨著所述電池上的所述第一輸出電壓的增加而遞增地減少所述第一輸出電流。
8.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中持續(xù)減少所述第一輸出電流以維持到達所述開關調節(jié)器的一恒定的第一輸入電流。
9.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中如果到達所述開關調節(jié)器的所述第一輸入電流增加到一閾值以上，那么遞增地減少所述第一輸出電流。
10.根據(jù)權利要求1所述的方法，其進一步包括感測所述電池上的所述第一輸出電壓；和如果所述所感測的第一輸出電壓大于一第一閾值，那么將一可編程數(shù)據(jù)存儲元件中的一充電參數(shù)從一對應于一第一恒定輸出電流的第一值改變?yōu)橐粚谝坏诙愣ㄝ敵鲭娏鞯牡诙?，其中所述第一恒定輸出電流大于所述第二恒定輸出電流?br> 11.根據(jù)權利要求10所述的方法，其進一步包括響應于所述所感測的第一輸出電壓的增加，在對應于復數(shù)個連續(xù)降低的恒定輸出電流的值的一范圍內改變所述充電參數(shù)。
12.根據(jù)權利要求1所述的方法，其進一步包括感測到達所述開關調節(jié)器的所述第一輸入電流；和如果所述所感測的第一輸入電流大于一第一閾值，那么將一可編程數(shù)據(jù)存儲元件中的一充電參數(shù)從一對應于一第一恒定輸出電流的第一值改變?yōu)橐粚谝坏诙愣ㄝ敵鲭娏鞯牡诙?，其中所述第一恒定輸出電流大于所述第二恒定輸出電流?br> 13.根據(jù)權利要求12所述的方法，其進一步包括響應于所述所感測的第一輸入電流，在對應于復數(shù)個連續(xù)降低的恒定輸出電流的值的一范圍內改變所述充電參數(shù)。
14.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中將所述開關調節(jié)器的所述輸入耦合到一通用串行總線端口。
15.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中將所述開關調節(jié)器的所述輸出耦合到一鋰離子電池、一鎳氫電池或一鎳鎘電池。
16.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中根據(jù)一預定義的軟件算法減少所述第一輸出電流。
17.一種電池充電器，其包括一開關調節(jié)器，其具有一第一輸入、一第一輸出和一控制輸入，其中所述第一輸入接收一第一輸入電壓和一第一輸入電流，且所述第一輸出耦合到一電池以提供一第一輸出電壓和一第一輸出電流；一可調節(jié)電流控制器，其具有經耦合以感測所述第一輸出電流的至少一個輸入、耦合到所述開關調節(jié)器的一控制輸入的至少一個輸出、和一第二輸入，所述第二輸入耦合到所述開關調節(jié)器的所述第一輸入以便檢測所述輸入電流的變化，或耦合到所述電池以便檢測所述第一輸出電壓的變化，其中所述第二輸入響應于所述第一輸入電流或第一輸出電壓的變化而改變到達所述電池的所述第一輸出電流，其中所述開關調節(jié)器向所述電池提供一第一輸出電流，所述第一輸出電流大于所述第一輸入電流，且其中所述第一輸出電流隨著所述電池上的所述電壓的增加而減少。
18.根據(jù)權利要求17所述的電池充電器，其進一步包括一感測電阻器，所述感測電阻器耦合在所述開關調節(jié)器的所述第一輸出與所述電池之間以便感測所述第一輸出電流，其中所述可調節(jié)電流控制器的所述至少一個輸入包括一耦合到所述感測電阻器的一第一端子的第一輸入和一耦合到所述感測電阻器的一第二端子的第二輸入。
19.根據(jù)權利要求17所述的電池充電器，其中所述開關調節(jié)器在一電流控制模式下運作。
20.根據(jù)權利要求17所述的電池充電器，其中所述第一輸出電流經調節(jié)使得所述第一輸入電流保持在一第一值以下。
21.根據(jù)權利要求17所述的電池充電器，其進一步包括一感測電路，所述感測電路感測所述第一輸入電流，其中所述可調節(jié)電流控制器的所述第二輸入耦合到所述感測電路以便檢測所述輸入電流的變化。
22.根據(jù)權利要求21所述的電池充電器，其中所述感測電路包括一耦合到所述開關調節(jié)器的所述輸入的第一電阻器。
23.根據(jù)權利要求21所述的電池充電器，其進一步包括一模擬或數(shù)字控制器，所述模擬或數(shù)字控制器耦合在所述感測電路與所述可調節(jié)電流控制器之間，其中如果所述第一輸入電流增加到一第一閾值以上，那么所述模擬或數(shù)字控制器改變所述可調節(jié)電流控制器的所述第二輸入處的一控制電壓。
24.根據(jù)權利要求23所述的電池充電器，其中所述控制器是一數(shù)字控制器，且其中如果所述第一輸入電流增加到一第一閾值以上，那么所述數(shù)字控制器改變至少一個可編程存儲元件中的數(shù)字位。
25.根據(jù)權利要求23所述的電池充電器，其中所述控制器是一模擬控制器，且其中所述模擬控制器具有耦合到所述感測電路的至少一個輸入和耦合到所述可調節(jié)電流控制器的至少一個輸出，且其中如果所述第一輸入電流增加到一第一閾值以上，那么所述模擬控制器改變所述可調節(jié)電流控制器的所述第二輸入處的一電壓。
26.根據(jù)權利要求17所述的電池充電器，其中所述可調節(jié)電流控制器的一第二輸入耦合到所述電池以便檢測所述第一輸出電壓的變化。
27.根據(jù)權利要求26所述的電池充電器，其進一步包括一數(shù)字控制器，所述數(shù)字控制器具有耦合到所述電池的至少一個輸入和一耦合到所述可調節(jié)電流控制器的所述第二輸入的輸出，其中如果所述第一輸出電壓增加到一第一閾值以上，那么所述數(shù)字控制器改變至少一個可編程數(shù)據(jù)存儲元件中的數(shù)字位，且據(jù)此改變所述可調節(jié)電流控制器的所述第二輸入處的一電壓以便減少所述第一輸出電流。
28.根據(jù)權利要求27所述的電池充電器，其進一步包括一模擬-數(shù)字轉換器，所述模擬-數(shù)字轉換器耦合在所述電池與所述數(shù)字控制器的所述至少一個輸入之間；和一數(shù)字-模擬轉換器，所述數(shù)字-模擬轉換器耦合在所述可編程數(shù)據(jù)存儲元件與所述可調節(jié)電流控制器的所述第二輸入之間。
29.根據(jù)權利要求27所述的電池充電器，其中所述可編程數(shù)據(jù)存儲元件是一寄存器。
30.根據(jù)權利要求27所述的電池充電器，其中所述可編程數(shù)據(jù)存儲元件是一寄存器，且其中所述數(shù)字控制器通過將數(shù)字位從一易失性存儲器加載到所述寄存器中而改變所述寄存器中的數(shù)字位。
31.根據(jù)權利要求27所述的電池充電器，其中所述可編程數(shù)據(jù)存儲元件是一寄存器，且其中所述數(shù)字控制器通過將數(shù)字位從一非易失性存儲器加載到所述寄存器中而改變所述寄存器中的數(shù)字位。
32.根據(jù)權利要求17所述的電池充電器，其中所述開關調節(jié)器進一步包括一開關晶體管、一誤差放大器和開關電路，且其中所述可調節(jié)電流控制器的所述至少一個輸出經由所述誤差放大器和開關電路耦合到所述開關晶體管的一控制端子。
33.根據(jù)權利要求17所述的電池充電器，其中所述開關調節(jié)器包括一脈寬調制電路。
34.根據(jù)權利要求17所述的電池充電器，其中所述可調節(jié)電流控制器向所述開關調節(jié)器產生一第一控制信號以產生一進入所述電池的恒定的第一輸出電流，且其中所述可調節(jié)電流控制器改變所述第一控制信號以隨著所述電池上的所述電壓的增加而持續(xù)減少所述恒定的第一輸出電流。
35.根據(jù)權利要求17所述的電池充電器，其中所述可調節(jié)電流控制器向所述開關調節(jié)器產生一第一控制信號以產生一進入所述電池的恒定的第一輸出電流，且其中一控制器響應于所述第一輸入電流或第一輸出電壓的一增加而重新編程耦合到所述可調節(jié)電流控制器的至少一個數(shù)據(jù)存儲元件，且據(jù)此所述可調節(jié)電流控制器改變所述第一控制信號以遞增地減少所述恒定的第一輸出電流。
36.根據(jù)權利要求17所述的電池充電器，其進一步包括一寄存器，所述寄存器耦合到所述可調節(jié)電流控制器的所述第二輸入，其中響應于所述第一輸入電流或第一輸出電壓的一增加將所述寄存器中的數(shù)字位從一第一值改變?yōu)橐坏诙?，且?jù)此減少所述第一輸出電流。
全文摘要
在本發(fā)明的一個實施例中包含一種使用一開關調節(jié)器對一電池進行充電的系統(tǒng)和方法。在一個實施例中，一開關調節(jié)器接收一輸入電壓和輸入電流。所述開關調節(jié)器的輸出耦合到一待充電的電池。所述開關調節(jié)器提供一進入所述電池中的電流，所述電流大于進入所述開關調節(jié)器中的所述電流。隨著所述電池上的所述電壓增加，減少由所述開關調節(jié)器所提供的所述電流。本發(fā)明還可使用模擬或數(shù)字技術來實施以便隨著所述電池電壓增加而減少進入所述電池中的所述電流。
文檔編號H02J7/04GK101051762SQ20071008021
公開日2007年10月10日 申請日期2007年2月13日 優(yōu)先權日2006年2月16日
發(fā)明者M·阿比德·侯賽因, 肯尼思·C·阿德金斯, 喬治斯·康斯坦丁諾斯·帕帕里佐斯 申請人:舒米特微電子公司