具有恒定電流到恒定電壓轉變的電池充電器的制作方法

專利名稱：具有恒定電流到恒定電壓轉變的電池充電器的制作方法
技術領域：
本發明大體上涉及電池，且更明確地說，涉及用于與此類電池一起使用的電池充電器。
背景技術：
電池充電器是眾所周知的。當對電池進行充電時，電池充電器可在恒定電流模式中 操作，其中電池充電器提供恒定電流以對電池進行充電。電池充電器也可在恒定電壓模 式中操作，其中電池充電器提供恒定電壓以對電池進行充電。常規電池充電器的問題在 于，當電池從恒定電流模式轉變到恒定電壓模式時，電池充電器可能經歷顯著較大的充 電電流增加。遺憾的是，如果電池充電器的封裝不能夠耗散過量功率，那么大的充電電 流可能對電池充電器造成不可逆的損壞。因此，需要用于對電池進行充電的經改進系統 和方法。本發明解決此需要。

發明內容
本發明揭示一種用于對電池進行充電的系統和方法。在一個實施例中，所述系統包 含充電電路，所述充電電路在第一階段期間以恒定電流對電池進行充電，且在第二階段 期間以恒定電壓對所述電池進行充電。所述系統還包含控制電路，其用于在所述充電從 所述第一階段轉變到所述第二階段時使過電流閃變最小化。根據本文所揭示的系統和方 法，可以受控且可靠的方式對電池進行充電。


圖1是根據一個實施例的充電系統的示意圖。
圖2是展示一展示電流和電壓對時間的理想恒定電流恒定電壓(CCCV)充電分布 的實例的曲線圖。圖3是根據一個實施例的恒定電流電路的示意圖。
圖4是展示來自圖3的恒定電流電路的實例性充電結果的曲線圖。
圖5展示根據一個實施例的恒定電壓電路的示意圖。
圖6是根據另一實施例的充電系統的示意圖。
圖7展示通過添加二極管獲得的實例性充電結果。
圖8展示通過添加二極管獲得的更多實例性充電結果。
圖9展示通過施加數字控制時序獲得的實例性充電結果。
圖IO展示通過施加數字控制時序獲得的更多實例性充電結果。
圖11是根據另一實施例的充電系統的示意圖。
圖12展示所產生的信號控制的詳細圖。
圖13A是根據一個實施例的存儲器點電路的概念示意圖，所述電路可用于實施圖 11的存儲器點電路。
圖13B是根據另一實施例的存儲器點電路的晶體管電平示意圖，所述電路可用于實 施圖11的存儲器點電路。
圖14是單觸發信號產生器的示意圖。
圖15展示圖11的充電系統的實例性充電結果。
具體實施例方式
本發明涉及集成電路，且更明確地說，涉及電池充電器。呈現以下描述以使得所屬 領域的技術人員能夠制作和使用本發明，且在專利申請案及其要求的上下文中提供以下 描述。所屬領域的技術人員將容易明白對優選實施例的各種修改以及本文所描述的一般 原理和特征。因此，本發明不希望限于所示的實施例，而是應符合與本文所描述的原理 和特征一致的最廣范圍。
揭示根據本發明的用于對電池進行充電的系統和方法。所述系統包含充電電路，其 在第一階段期間以恒定電流對電池進行充電，且在第二階段期間以恒定電壓對電池進行 充電。所述系統還包含控制電路，其通過在轉變期間使電流閃變和/或電壓閃變最小化來 實現從第一階段(恒定電流模式)到第二階段(恒定電壓模式)的平穩轉變。所述系統 還包含限制電路，其提供專用的控制信號，所述控制信號限制功率晶體管處的過量電壓 電平以避免對系統造成不可逆損壞。所述專用信號可由控制電路產生。因此，可以受控 且可靠的方式對電池進行充電。為了更明確地描述本發明的特征，現在結合附圖參看以 下描述。雖然本文所揭示的本發明是在鋰離子/鋰聚合物電池的上下文中描述，但本發明可應 用于其它類型的要求cccv充電技術的電池，且仍保持處于本發明的精神和范圍內。
基本充電系統
圖I是根據一個實施例的充電系統00的示意圖。充電系統100包含多路復用器 (mux) 102和104。在一個實施例中，多路復用器102和104可為模擬多路復用器。充 電系統100還包含恒定增益(GI)電流到電壓轉換器106和誤差放大器108。在一個實 施例中，誤差放大器108可具有非常高的增益。充電系統IOO還包含電阻器110和112。 在一個實施例中，電阻器IIO和112可被配置為電阻器橋。充電系統IOO還包含功率晶 體管114。在一個實施例中，晶體管114是金屬氧化物半導體(MOS)晶體管。充電系 統100還包含電流感測電阻器122。在一個實施例中，所述感測裝置可為任何用于測量 電流的適當裝置。電源124耦合到晶體管114。電源可為任何適當的電源，例如交流或 直流壁裝適配器或通用串行總線(USB)端口等。在一個實施例中，電池126可耦合到 如圖1所示的充電系統。在一個實施例中，電池可為鋰離子/鋰聚合物型電池。在操作中， 充電系統100以恒定電流恒定電壓(CCCV)對電池126進行充電，如以下在圖2中所 示。
圖2是展示一展示電流和電壓對時間的實例性恒定電流恒定電壓(CCCV)充電分 布的曲線圖。如圖2展示，電池充電系統大體上施加恒定電流(開始于TpKCH)以將電池 從初始電壓值(例如，VBAT_CC=3V)充電到標稱電壓值(例如，VBAT_CV=4.2 V)。在一 個實施例中，對電池進行充電所需的所施加充電電流的值等于電池的容量。舉例來說， 如果電池容量是1安培小時(Ah)，那么將在1小時期間施加1安培的充電電流以便對 電池進行充電。
在一個實施例中，充電系統IOO可利用預充電模式，其中以恒定電流將電池預充電 到兩個給定值(例如，VBAT_PRCH= 2.4 V禾口 VBAT—cc= 3 V)之間的電壓。在此情形中，在 一個實施例中，所使用的恒定電流可為電池容量的1/10 (例如，0.1 A二100mA，其中 假定1 Ah的電池容量)。
在一個實施例中，當電池電壓達到標稱電壓值(例如，VBAT_CV=4.2V)時，可將恒 定電壓施加于電池。充電電流減小到預定值，稱為充電結束電流值。在此時刻，電池充 電完成且充電停止。
在一個實施例中，充電系統IOO使用恒定電流電路和恒定電壓電路實現上述充電特 性，所述電路兩者在下文中詳細描述。 恒定電流電路圖3是根據一個實施例的恒定電流電路300的示意圖。 一起參看圖1和圖3兩者， 恒定電流電路300包含晶體管114、電流感測電阻器122、電流到電壓轉換器106以及 誤差放大器108。
一般來說，在操作中，恒定電流電路300維持對電池126進行充電的恒定充電電流。 恒定電流電路300通過在電流感測電阻器122處感測充電電流Ic皿c來執行此功能，且調 整充電電流IcH^以保持其恒定。更具體來說，晶體管114經由電流感測電阻器126將充
電電流IcHK。提供到電池126。更具體來說，電流感測電阻器122基于充電電流ICHKC而產
生電壓。電流到電壓轉換器106隨后接收跨越電流感測電阻器122的電壓差，且將增益 輸出到誤差放大器108的輸入。在一個實施例中，誤差放大器108維持恒定電流Vcc的 電壓與電流到電壓轉換器106的輸出增益之間的相等。誤差放大器108驅動晶體管114 以便維持恒定的充電電流ICHR。。
圖4是展示來自圖3的恒定電流電路的實例性充電結果的曲線圖。如圖4展示，恒 定電流電路300施加與Vcc成比例的充電電流IcH^，以便將電池126從一個電壓VBAT_CCI 或VBAT—CC2充電到VBAT_CV。 VCC1和VCC2是對應于兩個充電電流ICHRG1和ICHRG2的電壓。
其為提供從IPRCH=C/10到ICHR。MACX=1C的給定充電電流IcHR0的電壓控制。
恒定電壓電路
圖5展示根據一個實施例的恒定電壓電路500的示意圖。一起參看圖1和圖5兩者， 恒定電流電路500包含晶體管114、電流感測電阻器122、電阻器110和112以及誤差 放大器108。在一個實施例中，電流感測電阻器122恰好是此恒定電壓電路300的一部 分，但不對電路回路的功能性提供顯著貢獻。在一個實施例中，電阻器110和112經配 置作為分壓器，其根據以下等式操作
VBAT* R2/(R1 +R2) = Vcv。
一般來說，在操作中，恒定電壓電路500維持對電池126進行充電的恒定充電電壓。 誤差放大器108確保恒定電壓Vcv與從電阻器110和112的分壓器得到的電壓之間的相 等。在一個實施例中，恒定電壓Vcv可為由任何適當電壓源(例如，帶隙電壓源)提供 的參考電壓。誤差放大器108驅動晶體管114以便維持恒定充電電壓VBAT。恒定電壓電 路500的所得行為類似于線性調節器的所得行為。
恒定電流恒定電壓電路
再次參看圖1，在一個實施例中，可(例如，由模/數轉換器(ADC)、比較器或任 何適當的處理器)連續監視電壓控制電位voltagectrl。如果電壓控制電位voltagectrl的 值下降到Vcv以下(voltagectrl是經由電阻器橋的Vbat的境像)，那么控制多路復用器102和104的信號cccvmode變為邏輯"0"。這選擇Vcc作為多路復用器104的輸出且選 擇電流信號currentctrl作為多路復用器102的輸出。因此，恒定電流電路300 (圖3)變 為有效。當跨越電池的電壓VBAT達至lJ VBAT_CV = 4.2 v且信號voltagectrl達到Vcv (例如， 1.200 V帶隙電壓)時，信號cccvmode變為邏輯"1"。這選擇Vcv作為多路復用器104 的輸出，且選擇信號voltagectrl作為多路復用器102的輸出。因此，恒定電壓電路500 變為有效。
恰在從恒定電流模式向恒定電壓模式轉變之前，多路復用器104輸出是Vcc，且多 路復用器102輸出是currentctrl，其高于Vcv = 1.200 V。誤差放大器108確保Vcc與 currentctrl信號之間的相等，且驅動晶體管114以使得其產生等于ICHRC5= 1C的充電電流。
在一個實施例中，在從恒定電流模式到恒定電壓模式轉變期間，且當信號cccvmode 從邏輯"0"變為邏輯"1"時，恒定電流電路300變為無效。在一個實施例中，恒定電 壓電路500不會立即變為有效，因為其需要一些時間來變為激活且穩定。當轉變發生時， 誤差放大器108的輸入從Vcc減小到Vcv。理想的是，如果兩個輸入均瞬時存在，那么 恒定電流電路300變為無效且恒定電壓電路500立即變為有效。但到誤差放大器108的 輸入獨立地改變，直到恒定電壓電路500穩定且驅動晶體管114的誤差放大器108的輸 出減小而達到O值為止。因為柵極電壓驅動晶體管114，所以通過晶體管114的電流快 速增加以便對電池126進行充電，直到恒定電壓電路500穩定為止。晶體管114的電流 可能達到最大電流電荷的兩倍(見圖7)。如果封裝不能夠耗散過量的功率，那么這可能 會造成不可逆的損壞。
具有二極管的充電系統
圖6是根據另一實施例的充電系統600的示意圖。充電系統600類似于圖1的充電 系統100，不同之處只是充電系統600包含二極管602。如圖6展示，二極管602耦合 在電源(例如，ACDC/USB)與晶體管114的柵極之間。在操作中，二極管602通過確 保將電源與晶體管114的柵極之間的壓降限制到(在最差情況下)至少二極管電壓(粗 略地為0.6V)來限制晶體管114的柵極處的電壓。這是為了限制放大器輸出處的電壓， 使得其減小并達到O伏。在一個實施例中，如果需要0.6 V以上的壓降，那么可利用兩 個或兩個以上二極管。舉例來說，串聯耦合的兩個二極管將允許1.2 V的最大電壓降。 串聯的三個二極管將允許1.8V的最大電壓降。
一個潛在的問題在于，對于需要較大電壓的操作，晶體管114的柵極可能需要多于 一個二極管。因此，柵極電壓可能與VDD相比減小到-1.2 V，即使驅動晶體管114所需 的柵極電壓至多為0.7 V (恰好高于0.6V)。因此，存在0.5 V的過量電壓(1.2 V到0.7V)。在轉變期間，充電電流可能由于先前的過量電壓而顯著增加，且因此對充電電路造 成損壞。由于工藝變化和/或溫度而帶來的二極管602與晶體管114之間的失配也可能引 起此類問題。圖7和圖8展示通過添加二極管602獲得的實例性充電結果。 具有數字控制的充電系統
提供對充電電流的較佳控制的另一優化是通過減少恒定電流電路仍有效的時間來 執行的。這可使用數字控制來實現。當VBAT達到其標稱電池值時，數字信號可立即將信 號cccvmode從邏輯"0"改變到邏輯"l"。由此，恒定電流電路300將在至多 一個時鐘 周期內有效。然而，即使對于短持續時間來說，開路配置也是可能的。此外，由于回路 的特征在于給定的恒定時間，因此開路配置可能比一個時鐘周期更重要。圖9和圖10 展示通過施加數字控制時序獲得的實例性充電結果。
具有存儲器點電路和平穩轉變控制電路的充電系統
圖11是根據另一實施例的充電系統1100的示意圖。圖11的充電系統1100類似于 圖1的充電系統100，不同之處只是充電系統1100包含存儲器點電路1102和轉變控制 電路1104。在一個實施例中，轉變控制電路1104包含單觸發產生器1106、反相器1107 和觸發鎖存器1108。
如下文更詳細地描述，存儲器點電路1102和轉變控制電路1104通過在轉變期間使 電流閃變和/或電壓閃變最小化來實現從恒定電流模式到恒定電壓模式的平穩轉變。更具 體來說，般來說，在操作巾，充電系統1100在從恒定電流模式向恒定電壓模式轉變 期間維持晶體管114的柵極處的電壓。更具體來說，存儲器點電路1102提供專用的控 制信號，其存儲晶體管114的柵極處的電壓或任何其它過量電壓。控制信號是由轉變控 制電路根據輸入信號cccvmode來產生的，所述轉變控制電路產生允許控制多路復用器 104和存儲器點電路1102的cccvmux。
圖12展示cccvmode、 cccvmux禾B cccvmemory信號的時序圖。如圖12展示，當從 恒定電流模式到恒定電壓模式的轉變發生時，信號cccvmode從邏輯"1"變為邏輯"0"。 在一個實施例中，平穩轉變控制電路1104接收信號cccvmode且單觸發產生器1106產 生單脈沖信號，其驅動存儲器點電路1102。
圖13A是存儲器點電路1300的概念示意圖，所述存儲器點電路1300可用于實施圖 11的存儲器點電路U02。如圖13A展示，存儲器點1300可包含開關1110和電容器1112。 在一個實施例中，開關n0可由信號cccvmemory控制，所述信號由單觸發信號產生器 1106產生。
圖13B是存儲器點電路1302的示意圖，所述存儲器點電路1302可用于實施圖11的存儲器點電路H02。圖13B的存儲器點電路1302類似于圖13A的存儲器點電路1300， 不同之處只是圖13B的存儲器點電路1302具有用于實施開關1110的晶體管1114。晶體 管1114可為PMOS晶體管或NMOS晶體管。
參看圖12和圖13A兩者，在給定時間T期間，開關1110斷開且電容器1112的所 存儲電壓驅動晶體管114的柵極(圖11)。在時間T之后，信號cccvmemory變為邏輯 "0"。觸發鎖存器1108在信號cccvmemory的下降沿上變為有效，且產生信號cccvmux， 所述信號cccvmux從邏輯"1"變為邏輯"0"，其類似于信號cccvmode但延遲了時間T。 信號cccvmux控制多路復用器104以使得多路復用器104輸出Vcv。因此，恒定電流電 路變為無效且充電在恒定電壓模式期間是連續的。
圖14是單觸發信號產生器1400的示意圖。在一個實施例中，單觸發產生器1400 產生具有給定持續時間的單觸發信號。此持續時間維持斷開的開關1110 (圖13A)且允 許存儲在電容器1112上的電壓驅動晶體管114的柵極(圖l)。時序圖(圖12)中所展 示的單觸發信號的周期T如下給定T = RC * Ln(l+RB/RA)，其中RB、 RA、 R和C在 圖14中詳細描述。
圖15展示圖11的充電系統的實例性充電結果。如圖15展示，圖11的充電系統消 除了在從恒定電流模式向恒定電壓模式轉變期間可能發生的閃變(如圖7和圖9中)。 參看下部曲線圖，在從恒定電流模式向恒定電壓模式轉變之后，電流適當地下降。參看 上部曲線圖，在從恒定電流模式向恒定電壓模式轉變之后，電壓恒定而沒有任何閃變。
根據本文所揭示的系統和方法，實施例提供許多益處。舉例來說，實施例消除了在 從恒定電流模式向恒定電壓模式轉變期間可能發生的閃變。本發明的實施例還改進了充 電系統的準確性和穩固性。
已揭示了用于對電池進行充電的系統和方法。所述系統包含充電電路，所述充電電 路在第一階段期間以恒定電流對電池進行充電，且在第二階段期間以恒定電壓對電池進 行充電。所述系統還包含控制電路，所述控制電路在充電從第一階段轉變到第二階段的 同時使閃變最小化。因此，可以受控且可靠的方式對電池進行充電。
已根據所展示的實施例描述了本發明。所屬領域的一般技術人員將容易認識到，對 所述實施例可存在變化，且任何變化均將在本發明的精神和范圍內。因此，所屬領域的 一般技術人員在不脫離所附權利要求書的精神和范圍的情況下可做出許多修改。
權利要求
1.一種用于對電池進行充電的系統，所述系統包括充電電路，其在第一階段期間以恒定電流對所述電池進行充電，且在第二階段期間以恒定電壓對所述電池進行充電；以及控制電路，其耦合到所述充電電路，所述控制電路用于在所述充電從所述第一階段轉變到所述第二階段時使閃變最小化。
2. 根據權利要求1所述的系統，其中所述控制電路包括單觸發產生器；以及觸發鎖存器，其耦合到所述單觸發產生器。
3. 根據權利要求1所述的系統，其中所述充電電路進一步包括-晶體管，其將充電電流提供到所述電池；以及 電壓存儲電路，其存儲所述晶體管的柵極處的電壓。
4. 根據權利要求1所述的系統，其中所述充電電路進一步包括-晶體管，其經配置以耦合在電源與電池之間； 放大器，其耦合到所述晶體管的柵極；以及電流到電壓轉換器，其耦合在所述晶體管與所述電池之間。
5. 根據權利要求4所述的系統，其中所述充電電路進一步包括-第一多路復用器，其耦合在所述轉換器的輸出與所述放大器的第一輸入之間；以及第二多路復用器，其耦合到所述放大器的第二輸入。
6. 根據權利要求4所述的系統，其中所述充電電路進一步包括分壓器，所述分壓器耦 合在所述電流到電壓轉換器、所述電池與所述第一多路復用器之間。
7. —種用于對電池進行充電的系統，所述系統包括充電電路，其在第一階段期間以恒定電流對所述電池進行充電，且在第二階段期間以恒定電壓對所述電池進行充電；以及控制電路，其耦合到所述充電電路，所述控制電路用于在所述充電從所述第一階 段轉變到所述第二階段時使閃變最小化，且其中所述控制電路包括單觸發產生器；以及觸發鎖存器，其耦合到所述單觸發產生器。
8. 根據權利要求7所述的系統，其中所述充電電路進一步包括晶體管，其將充電電流提供到所述電池；以及 電壓存儲電路，其存儲所述晶體管的柵極處的電壓。
9. 根據權利耍求7所述的系統，其中所述充電電路包括晶體管，其經配置以耦合在電源與電池之間； 放大器，其耦合到所述晶體管的柵極；以及 電流到電壓轉換器，其耦合在所述晶體管與所述電池之間。
10. 根據權利要求9所述的系統，其中所述充電電路進一步包括第一多路復用器，其耦合在所述電流到電壓轉換器的輸出與所述放大器的第一輸 入之間；以及第二多路復用器，其耦合到所述放大器的第二輸入。
11. 根據權利要求9所述的系統，其中所述充電電路進一步包括分壓器，所述分壓器耦 合在所述轉換器與所述電池之間。
12. —種用于對電池進行充電的方法，所述方法包括在第 一 階段期間以恒定電流對所述電池進行充電；在第二階段期間以恒定電壓對所述電池進行充電；以及在從所述第階段轉變到所述第二階段時使用控制電路使閃變最小化。
13. 根據權利要求12所述的方法，其中所述充電步驟進一步包括經由晶體管將充電電流提供到所述電池；以及 限制所述晶體管的柵極處的電壓。
全文摘要
一種系統(1100)包含充電電路，所述充電電路在第一階段期間以恒定電流對電池(126)進行充電，且在第二階段期間以恒定電壓對所述電池進行充電。所述系統還包含控制電路(1104)，其用于在所述充電從所述第一階段轉變到所述第二階段時使閃變最小化。因此，可以受控且可靠的方式對電池進行充電。
文檔編號H02J7/00GK101617455SQ200880005647
公開日2009年12月30日 申請日期2008年2月22日 優先權日2007年2月22日
發明者格扎維埃·拉拜林, 比拉爾·馬納伊 申請人:愛特梅爾公司