專利名稱：開關電池充電系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電池充電器，且尤其是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(jīng)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)和方法將是非常有利的。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)明通過提供開關電池充電系統(tǒng)和方法來解決這些和其它問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明實施例包含用于使用開關調節(jié)器對電池進行充電的技術。一些實施例包含可使用數(shù)字技術進行配置的可編程開關電池充電器。其它實施例包含基于所感測的電路狀況(例如到達開關調節(jié)器的電池電壓或輸入電流)來修改電池電流的開關電池充電器。在一個實施例中，本發(fā)明包含通用串行總線(USB)電池充電器，所述USB電池充電器包括:開關調節(jié)器，其具有至少一個開關晶體管，所述開關晶體管具有第一輸入和第一輸出，其中所述開關晶體管的第一輸入稱合到USB電源；濾波器,其具有第一輸入和第一輸出，其中所述濾波器的第一輸入耦合到所述開關晶體管的第一輸出；和電池，其耦合到所述濾波器的第一輸出，其中所述開關調節(jié)器經(jīng)配置以接收USB電壓，并據(jù)此來向開關晶體管的控制端子產(chǎn)生開關信號，且其中經(jīng)由濾波器將開關晶體管的輸出處的開關電流和開關電壓耦合以產(chǎn)生經(jīng)濾波的電流和經(jīng)濾波的電壓來對電池進行充電。在一個實施例中，電壓控制器感測經(jīng)濾波的電壓以控制開關晶體管的控制端子處的開關信號。在一個實施例中，電壓控制器包含耦合到可編程數(shù)據(jù)存儲元件的第一輸入、耦合到至少一個電壓感測輸入的第二輸入，和耦合到開關晶體管的控制輸入的輸出，其中可編程數(shù)據(jù)存儲元件配置電壓控制器以當所述電池上的電壓在第一閾值以上時產(chǎn)生到達所述電池的編程電壓。在一個實施例中，電流控制器感測經(jīng)濾波的電流以控制開關晶體管的控制端子處的開關信號。在一個實施例中，電流控制器包含耦合到可編程數(shù)據(jù)存儲元件的第一輸入、耦合到至少一個電流感測輸入的反饋輸入，和耦合到開關晶體管的控制輸入的輸出，且其中可編程數(shù)據(jù)存儲元件配置電流控制器以當所述電池上的電壓在第一閾值以下時將第一編程電流供應到所述電池。在一個實施例中，本發(fā)明進一步包括:接收指示最大輸入電流的輸入信號；和編程電流控制器以基于最大輸入電流來設定最大電池電流。在一個實施例中，電流控制器具有用于設定經(jīng)濾波的電流的控制輸入，且其中電流控制器的控制輸入耦合到開關晶體管的第一輸入或電池以隨著電池上的電壓增加而減小經(jīng)濾波的電流。在一個實施例中，經(jīng)濾波的電流大于進入開關晶體管的第一輸入中的第一輸入電流，且經(jīng)濾波的電流隨著電池上的電壓增加而減小。在一個實施例中，USB電壓在至少4.1伏到5.25伏的范圍內。在另一實施例中，本發(fā)明包含一種從通用串行總線(USB)端口對電池進行充電的方法，其包括:在開關調節(jié)器的輸入處從USB電源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I禹合到電池的端子；在電池的端子處產(chǎn)生第一輸出電壓和第一輸出電流；感測進入電池中的第一輸出電流或電池上的第一輸出電壓；和響應于所感測的第一輸出電流或第一輸出電壓在開關調節(jié)器的控制端子處產(chǎn)生開關信號。在一個實施例中，本發(fā)明進一步包括接收對應于USB端口類型的邏輯信號，其中當邏輯信號處于第一狀態(tài)時，第一輸出電流大于IOOmA且第一輸入電流在IOOmA以下,且當邏輯信號處于第二狀態(tài)時，第一輸出電流大于500mA且第一輸入電流在500mA以下。在一個實施例中，第一輸入電壓大于電池上的電壓，到達電池的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的增加而減小。在一個實施例中，本發(fā)明進一步包括將充電參數(shù)存儲在可編程數(shù)據(jù)存儲元件中，其中通過所述充電參數(shù)來設定第一輸出電流。在一個實施例中，開關調節(jié)器感測第一輸出電壓并產(chǎn)生開關信號以控制第一輸出電壓。在一個實施例中，本發(fā)明進一步包括將充電參數(shù)存儲在可編程數(shù)據(jù)存儲元件中，其中通過所述充電參數(shù)來設定第一輸出電壓。在另一實施例中，本發(fā)明包含通用串行總線(USB)電池充電器，所述USB電池充電器包括:開關調節(jié)器，其具有耦合到USB電源的第一輸入、經(jīng)由第一電阻器耦合到電池的第一輸出、和控制輸入；電流控制器，其具有稱合到第一電阻器的第一和第二端子的用于感測第一輸出電流的第一和第二電流感測輸入，和I禹合到開關調節(jié)器的控制輸入的控制輸出；和電壓控制器，其具有稱合到電池的用于感測電池上的第一輸出電壓的第一電壓感測輸入，和耦合到開關調節(jié)器的控制輸入的控制輸出。在一個實施例中，電流控制器包含用于設定第一輸出電流的控制輸入，且其中對應于最大USB電流的第一邏輯信號I禹合到電流控制器的控制輸入以設定第一輸出電流。在一個實施例中，電流控制器將第一輸出電流設定為大于在開關調節(jié)器的第一輸入處接收到的第一輸入電流。在一個實施例中，電流控制器的控制輸入稱合到開關調節(jié)器的第一輸入或電池，且電流控制器響應于在控制輸入處接收到的控制信號隨著電池上的電壓的增加而減小第
一輸出電流。在一個實施例中，本發(fā)明包含:第一可編程數(shù)據(jù)存儲元件，其耦合到電流控制器的控制輸入以用于設定第一輸出電流，其中所述第一可編程數(shù)據(jù)存儲元件配置電流控制器以當所述電池上的電壓在第一閾值以下時將第一編程電流供應到所述電池；和第二可編程數(shù)據(jù)存儲元件，其耦合到電壓控制器的控制輸入以用于設定第一輸出電壓，其中所述第二可編程數(shù)據(jù)存儲元件配置電壓控制器以當所述電池上的電壓在第一閾值以上時產(chǎn)生到達所述電池的編程恒定電壓。在其它實施例中，本發(fā)明可耦合到其它電源。以下實施方式和附圖提供對本發(fā)明性質和優(yōu)點的更好的理解。


圖1A說明包含根據(jù)本發(fā)明一個實施例的電池充電器的電子裝置。圖1B說明包含根據(jù)本發(fā)明一個實施例的電池充電器的電子裝置。圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的電池的示范性可編程充電循環(huán)。圖3說明根據(jù)本發(fā)明一個實施例的編程電池充電參數(shù)的使用。圖4說明根據(jù)本發(fā)明一個實施例的電池充電系統(tǒng)。圖5說明根據(jù)本發(fā)明一個實施例的電池充電系統(tǒng)。圖6說明根據(jù)本發(fā)明一個實施例的電池充電參數(shù)。圖7A-B是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的不范性充電循環(huán)。圖8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9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10A-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11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12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13是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的電池充電器的實例。圖14是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的恒定電壓控制電路的實例。圖15是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的恒定電流控制電路的實例。圖16是根據(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1A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103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具有稱合到第一電源110的第一輸入，和經(jīng)由下文更詳細描述的濾波器將經(jīng)調節(jié)的輸出提供到至少一個電池的第一輸出。本發(fā)明一個實施例包含將來自通用串行總線(“USB”)端口的電源線的輸入電壓Vin耦合到充電器103中的開關調節(jié)器的輸入。開關電池充電器允許脫離USB端口對電池進行有效充電。如下文更詳細描述，開關電池充電器103包含開關調節(jié)器。來自開關調節(jié)器的輸出電壓和電流將是經(jīng)切換的波形，所述波形被提供到濾波器以便產(chǎn)生到達電池的經(jīng)濾波的輸出電流和電壓。為了本描述內容的目的，開關調節(jié)器的輸出將是濾波器的輸出，其包含到達電池的輸出電流(即，電池充電電流)和電池端子處的輸出電壓。如下文更詳細描述，在一個實施例中，開關電池充電器103耦合到USB端口電源，且電子裝置101的電池可從USB端口進行充電。示范性電子裝置可包含蜂窩式電話、個人數(shù)字助理、便攜式音樂播放器，或多種其它電池運作的電子裝置。然而，多種其它電源110可用于其它實施例中。另外，如下所述，電池充電器103的不同實施例可進一步包含內部電路，其用于(例如)編程充電參數(shù)、控制電池充電功能、控制輸出電流或電壓、感測輸入電流、電池電流和/或電壓。充電器103可使用此功能性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縮減，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)。如下所述，本發(fā)明的一些實施例可編程多種充電參數(shù)以改變充電循環(huán)的特性。在另一實施例中，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，數(shù)字控制器響應于電池電壓的變化而改變所供給的電流。數(shù)字控制器可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，所述電流控制器隨著電池電壓增加而控制輸出電流。圖1B說明包含根據(jù)本發(fā)明一個實施例的電池充電器的電子裝置。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可以是可編程開關電池充電器。開關電池充電器系統(tǒng)110可包含含有開關調節(jié)器的開關電池充電器103，所述開關調節(jié)器具有經(jīng)耦合以接收第一電源(例如，輸入電壓Vin)的第一輸入，和經(jīng)由濾波器104將經(jīng)調節(jié)的輸出提供到至少一個電池的第一輸出。開關電池充電器103可進一步包含用于(例如)感測電池電流和電壓或輸入電流和電壓的內部電路。開關充電器103可使用此信息來控制電壓和電流從電源傳遞到電池端子。在此實施例中，可從(例如)計算機130上的USB端口 131對電池150進行充電。當然，應了解，本發(fā)明的一些實施例可用于從包含USB端口的任何電子系統(tǒng)對電池進行充電。USB端口可包含電源端子105(例如，VBUS)，其可耦合到開關電池充電器103的輸入(Vin)。USB端口可進一步包含用于通過USB將信息傳送到電池充電器系統(tǒng)110的數(shù)據(jù)端子106。USB通過包含兩條數(shù)據(jù)線(D+、D-)、電源(VBUS)和接地(GND)的四線電纜來傳遞信號和電力。使用兩線(D+、D_)來傳送數(shù)據(jù)信號。VBUS通常為5伏。然而，對于高功率網(wǎng)絡集線器端口來說，總線上的電壓可在4.75V到5.25V范圍內，或對于低功率網(wǎng)絡集線器端口來說，其可在4.4V到5.25V范圍內。在瞬態(tài)條件下，VBUS供應可下降到4.1V。因此，開關充電器可包含開關調節(jié)器，所述開關調節(jié)器經(jīng)配置以接收至少4.1伏到5.25伏范圍內的USB電壓以對電池進行充電。另外，最大輸入電流可為500mA (針對USB HUB)或IOOmA (針對USB HOST)。因此，開關電池充電器應設計成以IOOmA或500mA的最大輸入電流運作。在一個實施例中，電池充電器經(jīng)編程以適應不同的最大輸入電流。另外，如下所述，供應到電池的輸出電流可能大于輸入電流以改進充電。在此實例中，USB數(shù)據(jù)耦合到作為電池充電系統(tǒng)110的一部分包含在內的控制器111。數(shù)據(jù)可通過USB數(shù)據(jù)線106傳遞以便(例如)配置充電參數(shù)。USB數(shù)據(jù)線106可耦合到裝置電子元件102，且明確地說耦合到裝置電子元件中的處理器120。在一個實施例中，USB數(shù)據(jù)可包含指示可由USB裝置傳遞的最大輸入電流的輸入信號，且開關電池充電器可接收所述信號并編程充電器中的電流控制器以基于最大輸入電流來設定最大電池電流。舉例來說，電池充電器103可接收對應于USB端口類型的邏輯信號(例如，數(shù)據(jù)線106上的USB500/100信號)。USB端口類型指示USB端口是HOST還是HUB。因此，邏輯信號對應于最大USB電流。邏輯信號可耦合到電流控制器(例如，通過經(jīng)由下文所述的數(shù)字控制器對其進行耦合)以設定進入電池中的輸出電流。因此，當邏輯信號處于第一狀態(tài)時，到達開關充電器的最大輸入電流為100mA( S卩，USB HOST)，且當邏輯信號處于第二狀態(tài)時，到達開關充電器的最大輸入電流為500mA ( S卩，USB HUB)。在下文更詳細描述的一個實施例中，可通過產(chǎn)生大于到達開關系統(tǒng)的輸入電流的進入電池中的電流來增強電池充電效率。舉例來說，在一個實施例中，當邏輯信號處于第一狀態(tài)時，到達開關調節(jié)器的輸入電流可能在IOOmA以下(例如，USB HOST)，且到達電池的輸出電流大于100mA。當邏輯信號處于第二狀態(tài)時，輸入電流可能在500mA以下且第一輸出電流大于500mA。開關電池充電器系統(tǒng)Iio可進一步包含數(shù)據(jù)存儲器112，其耦合到開關充電器103以便配置并控制充電器。數(shù)據(jù)存儲器112可存儲復數(shù)個充電參數(shù)以便在電池150的充電期間控制充電器103。所述參數(shù)可經(jīng)重新編程以改變電壓和/或電流或其它用于對電池進行充電的參數(shù)，且藉此改進電池充電效率。如本文使用的術語“可編程”意味著可響應于(例如，通過總線接收到的)數(shù)字信號而變化(或可變)。因此，本發(fā)明的一些實施例可在不改變實體組件的情況下編程，但本文描述的其它實施例可(例如)通過改變例如電阻器的實體組件而編程。數(shù)據(jù)存儲器112可以是(例如)易失性或非易失性存儲器，且可在不同充電循環(huán)中或在單一充電循環(huán)期間(當電池正在充電時)對充電參數(shù)進行重新編程。如上文所提及，系統(tǒng)110也可包含耦合到數(shù)據(jù)存儲器112和充電器103的控制器111。控制器111可用于利用充電參數(shù)來編程數(shù)據(jù)存儲器112?；蛘?，控制器111可存儲充電參數(shù)以便直接配置并控制充電器103。例如，可使用數(shù)字總線(例如，串行或并行)經(jīng)由控制器111來編程數(shù)據(jù)存儲器112中的充電參數(shù)。因此，可在(例如)電子裝置上或在例如計算機的外部系統(tǒng)上，在軟件的控制下改變充電參數(shù)。在一個實施例中，數(shù)字總線耦合到I2C總線或通用串行總線或使用I2C總線或通用串行總線而實施。在一個實施例中，充電參數(shù)每一者可存儲為復數(shù)個數(shù)字位，且不同的充電參數(shù)可單獨且/或獨立地被編程。接著可將對應于復數(shù)個充電參數(shù)的數(shù)字位轉換成模擬參數(shù)，例如電壓或電流。所述模擬參數(shù)又可耦合到開關電池充電器103中的節(jié)點以視需要修改調節(jié)器的行為，并相應地改變充電的特性。在一個實施例中，可使用下文描述的數(shù)字-模擬轉換器(“DAC”)將數(shù)字位轉換成模擬參數(shù)。在一個實施例中，所存儲的充電參數(shù)在一值范圍內可能是可變的。因此，例如，可在相應的電流或電壓值范圍內編程例如恒定電流和/或恒定電壓的充電特性。在一個實施例中，充電參數(shù)值范圍包含至少一最高值、一最低值，和最高值與最低值之間的復數(shù)個中間值。因此，可通過重新編程數(shù)據(jù)存儲器112中的相應充電參數(shù)，將恒定電壓或電流編程為最高值、最低值或任何中間值。此編程的一個示范性優(yōu)點是使用一個可編程充電器對具有不同電壓額定值和再充電電流額定值的電池進行充電的能力。本發(fā)明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事先寫入并裝載在電子裝置上以動態(tài)地控制充電過程。舉例來說，電子裝置101可包含處理器120，所述處理器120可以是(例如)微處理器或微控制器。處理器120可存取易失性或非易失性存儲器(例如，數(shù)據(jù)存儲器112或被包含作為電子裝置101的一部分的另一存儲器)中的充電控制軟件，且可執(zhí)行用于重新編程數(shù)據(jù)存儲器112中的充電參數(shù)的算法。所述算法可(例如)在電池正在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)。本發(fā)明實施例可用于多種電子裝置中并用于對多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+”)電池進行充電的情境中描述一實例。然而，應了解，以下實例僅為了說明性目的，且也可有利地使用本文描述的技術對例如鋰聚合物電池、鎳氫電池(nickel metalhydride battery)或鎳鎘電池的其它類型電池(例如，具有不同電壓和充電規(guī)格)進行充電。圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的電池的示范性可編程充電循環(huán)。圖2中的曲線圖展示描繪在左側垂直軸201上的進入電池中的電流(“l(fā)out”)和右側垂直軸202上的電池上的電壓(“Vbatt”)與水平軸203上的時間(“t”)。虛線204展示隨著時間的過去電池上的電壓，且實線205展示進入電池中的電流。此實例說明對深度耗盡的Li+電池進行充電的充電循環(huán)。本發(fā)明實施例提供對充電循環(huán)曲線的一個或一個以上參數(shù)的可編程控制。以兩種基本模式對電池進行充電:電流控制模式，其在此實例中從t = 0、t2提供恒定電流；和電壓控制模式，其在此實例中從t = t2、t3提供恒定電壓，兩種模式均可在一值范圍內編程。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(chǎn)生恒定預充電電流210 (例如，IOOmA)，所述恒定預充電電流210可通過存儲的充電參數(shù)來設定使得可在一值范圍內編程預充電電流。恒定預充電電流210將促使電池電壓開始增加。當電池電壓增加到預充電閾值211以上時，系統(tǒng)將增加進入電池中的電流控制(例如，達到500mA)。在一個實施例中，也可使用存儲的充電參數(shù)來編程預充電閾值211。系統(tǒng)將檢測電池電壓，且如果電壓在預充電閾值211以下，那么系統(tǒng)將產(chǎn)生恒定預充電電流。當電池電壓增加到預充電閾值211的編程值以上時，系統(tǒng)將產(chǎn)生大于預充電電流的恒定電流212。第二恒定電流有時稱為“快速充電”電流。當快速充電電流正傳遞到電池時，電池上的電壓將繼續(xù)如204A處所示而增加。本發(fā)明實施例也允許編程系統(tǒng)從供應受控電流變?yōu)楫a(chǎn)生受控電壓時所處的閾值。舉例來說，對應于系統(tǒng)作出從電流控制到電壓控制的變換時所處的閾值的充電參數(shù)可存儲在存儲器中。當電池上的電壓增加到編程閾值以上時，系統(tǒng)將自動地變換以向電池提供恒定電壓213。在一個實施例中，通過存儲的充電參數(shù)來設定供應到電池的電壓213(即，“浮動”電壓)?？赏ㄟ^編程相應的存儲的充電參數(shù)，將浮動電壓設定為電壓值范圍內的任何數(shù)目的電壓。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213。當系統(tǒng)處于電壓控制模式時，進入電池中的電流207將開始減小(即，“縮減”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(即，IOOmA)之后關斷充電器。因此，當系統(tǒng)處于電壓控制模式時，可使用存儲的充電參數(shù)來檢測電流207。當電流207下降到最小編程值以下時，系統(tǒng)將自動停閉充電器并結束充電循環(huán)。有利地，可在一值范圍內編程以上參數(shù)以使電池使用壽命期間、不同充電循環(huán)之間或甚至在單個充電循環(huán)期間特定電池的特定特性最優(yōu)化。圖3說明根據(jù)本發(fā)明一個實施例的編程電池充電參數(shù)的使用。此實例說明本發(fā)明的若干特征。在302處，將對應于電池充電特性的充電參數(shù)存儲在可編程數(shù)據(jù)存儲元件中?？蓪⒊潆妳?shù)作為復數(shù)個數(shù)字位存儲在(例如)寄存器、易失性存儲器陣列，或非易失性存儲器元件中。將參數(shù)存儲為多個位允許編程每一參數(shù)的多個值。因此，可在一值范圍內編程系統(tǒng)參數(shù)(例如，電流、電壓或閾值)以適應較廣范圍的電池特性。在304處，感測電池上的電壓以確定電池電壓在編程預充電閾值以上還是以下。如果電池電壓在編程閾值以下，那么在306處將編程恒定預充電電流供應到電池。在一個實施例中，可在電池正在充電時改變存儲的充電參數(shù)。舉例來說，如果在308處給定重新編程指令，那么可在310處改變控制恒定預充電電流的充電參數(shù)，藉此改變傳遞到電池的預充電電流值。如果電池電壓增加到編程預充電閾值以上但仍在浮動電壓以下，那么在314處供應到電池的恒定電流增力口。如316和318處所示，也可在充電期間通過重新編程存儲在系統(tǒng)中的相應充電參數(shù)來動態(tài)地改變快速充電電流。如果電池上的電壓增加到編程電流控制/電壓控制閾值，那么在322處系統(tǒng)從向電池供應恒定電流變?yōu)樘峁┖愣妷?。?24和326處，也可在一值范圍內重新編程浮動電壓。在320處，感測進入電池中的電流，且如果縮減的電流下降到編程閾值以下，那么在328處終止充電。圖4說明根據(jù)本發(fā)明一個實施例的電池充電系統(tǒng)。電池充電器400包含開關調節(jié)器410，其具有經(jīng)耦合以接收電源(例如，Vin)的輸入端子和經(jīng)由濾波器耦合以將經(jīng)調節(jié)的輸出提供到電池450的輸出端子。在此實例中，開關調節(jié)器410的輸出處的開關電壓和電流經(jīng)由包括電感器402和電容器403的濾波器耦合。將經(jīng)濾波的輸出電壓和經(jīng)濾波的輸出電流提供到電池中。通過將開關調節(jié)器410的輸出經(jīng)由電阻器401( “Rsense”)耦合到電池450來感測開關調節(jié)器輸出電流(或電池輸入電流)。此實例進一步包含耦合到開關調節(jié)器410的控制輸入的電流控制器420和電壓控制器430。當電池450上的電壓在編程閾值以下時，電流控制器420有效。電流控制器420包含分別用于設定預充電電流、快速充電電流和預充電閾值的存儲的恒定預充電電流參數(shù)421、一個或一個以上存儲的恒定快速充電參數(shù)422、和存儲的預充電閾值參數(shù)423。在此實例中，電流控制器420通過感測經(jīng)過電阻器401的電壓來控制電流(例如，Csense+、Csense-)。當電池450上的電壓在編程閾值以上時，電壓控制器430有效。存儲的電池電壓參數(shù)431用于將電流控制設定為電壓控制變換閾值。在此實例中，電壓控制器430通過感測電池端子處的電壓(Vbatt)并相應地調節(jié)調節(jié)器410的控制端子而在電池處維持由參數(shù)431設定的恒定電壓。本發(fā)明實施例進一步包含編程多種其它與電池充電過程有關的參數(shù)。舉例來說，系統(tǒng)控制440包含用于編程電池電流的最小閾值的終止電流參數(shù)。如果電池電流下降到由參數(shù)441設定的值以下，那么充電循環(huán)將終止。另外，系統(tǒng)可存儲用于設定計時器442的參數(shù)。舉例來說，計時器可在恒定預充電電流啟始時啟動?？墒褂每删幊逃嫊r器來測量將恒定預充電電流供應到電池的時間。如果在計時器達到預定值之后電池上的電壓在預充電閾值以下，那么系統(tǒng)可自動終止電流控制并停閉(“超時”)，藉此結束充電循環(huán)。類似地，可使用編程參數(shù)來測量將快速充電電流供應到電池的時間并設定快速充電電流的“超時”。在一個實施例中，系統(tǒng)可包含可編程熱控制?？删幊虩釁?shù)444可包含經(jīng)存儲和使用以控制溫度上的系統(tǒng)操作的欠溫度和過溫度參數(shù)。如果電池溫度在編程的過溫度限制以上或在編程的欠溫度限制以下，那么可暫停充電。熱參數(shù)444也可包含偏置控制參數(shù)以編程進入電池溫度傳感器中的偏置電流。在一個實施例中，電池溫度傳感器是外部負溫度系數(shù)熱敏電阻。因此，可編程偏置控制允許使用(例如)具有不同熱敏電阻值的不同電池。在另一實施例中，系統(tǒng)可包含再充電參數(shù)443。充電循環(huán)之后，電池可自動地再充電(“注滿”)。舉例來說，當輸入電源仍存在時，浮動電壓可下降到編程的再充電閾值以下，將自動啟始新的充電循環(huán)。電池充電器400進一步包含數(shù)字控制器460，其可使用(例如)微控制器、處理器或狀態(tài)機來實施?？刂破?60可包含(或耦合到)非易失性存儲器461以便存儲充電參數(shù)中的一個或一個以上充電參數(shù)?？刂破?60也可包含接口 462，其用于與外部資源或位于同一電子裝置上的處理器470通信。在一個實施例中，充電參數(shù)可存儲在非易失性存儲器461中并傳遞到易失性存儲裝置。控制器460可與處理器470介接以重新編程非易失性存儲器中或易失性存儲器中的所存儲的參數(shù)。舉例來說，處理器470可包含用于改變參數(shù)的軟件充電算法471。處理器可耦合到感測電池電壓和電流的模擬到數(shù)字電路(未圖示)，且所述算法可(例如)基于電池中的所感測的電流和電壓來改變存儲的參數(shù)。
圖5說明根據(jù)本發(fā)明一個實施例的電池充電系統(tǒng)。電池充電器500包含開關調節(jié)器510，其具有用于接收電源的輸入和經(jīng)由濾波器耦合到電池550的輸出，所述濾波器包括電感器502和電容器503以及電流感測電阻器501。電流控制器520感測電阻器501中的電流并將向調節(jié)器510的控制輸入提供信號以便維持受控的(例如，恒定的)電流。受控電流可通過作為數(shù)字值存儲在寄存器521、522和525中的參數(shù)來編程。舉例來說，寄存器521可存儲數(shù)字預充電參數(shù)值，且寄存器522可存儲數(shù)字快速充電參數(shù)值。這兩個不同值可選擇性地耦合到電流控制器520以設定供應到電池的電流。寄存器525可保存用于設定預充電閾值的數(shù)字值。寄存器525的位可輸入到數(shù)字-模擬轉換器(“DAC”)526，DAC526可(例如)將位轉譯成例如電壓的模擬參數(shù)。DAC526的電壓輸出可用作參考并與比較器527中的電池電壓進行比較。當電池電壓在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DAC524。DAC524進而接收對應于預充電電流的數(shù)字值并產(chǎn)生用于控制開關調節(jié)器的模擬參數(shù)以傳遞編程的電流值。當電池電壓增加到寄存器525中編程值以上時，比較器改變狀態(tài)，且選擇電路523將寄存器521中存儲的快速充電電流值耦合到DAC524。DAC524進而接收對應于快速充電電流的新的數(shù)字值并產(chǎn)生用于控制調節(jié)器的模擬參數(shù)以傳遞新的編程電流值。應了解，以上電路只是一個示范性實施方案。在另一實例中，可通過使用電池電壓驅動分壓器來控制預充電閾值。分壓器的特定分接頭可由可編程寄存器以數(shù)字方式選擇。選定的分接頭接著可(例如)耦合到比較器并與參考電壓進行比較。類似地，電壓控制器530耦合到寄存器531以便存儲用于從電流控制模式變?yōu)殡妷嚎刂颇Ｊ降拈撝怠＜拇嫫?31將所述閾值存儲為數(shù)字值。寄存器531的數(shù)字位輸入到DAC532并轉換成用于維持電池上的恒定編程電壓的模擬參數(shù)。在此實例中，使用寄存器541來編程終止電流值?？赏ㄟ^電阻器501來感測電池電流 lout,且可在差分至單端轉換器(differential-to-single endedconverter) 544 中將差分電壓轉換成單端值?？赏ㄟ^DAC542將寄存器544中的對應于期望的終止電流的數(shù)字值轉換成電壓?？蓪碜圆罘种羻味宿D換器544和DAC542兩者的電壓輸入到比較器543。當電池電流減小(縮減)到編程值以下時，比較器可產(chǎn)生信號以停閉控制540并終止充電循環(huán)。電池充電器500包含用于操縱系統(tǒng)中的數(shù)字信息的控制器545?？刂破骺砂?例如)用于對存儲器或寄存器進行讀取和寫入的電路，以及例如通過串行或并行總線與其它電子元件介接的其它系統(tǒng)控制功能。如上文所提及，例如，可將充電參數(shù)存儲在例如EEPROM的非易失性存儲器546中。在此實例中，參數(shù)存儲在非易失性存儲器546中并傳遞到寄存器521、522、525、531和541。如果使用軟件算法來修改參數(shù)，那么所述算法可改變寄存器(例如，針對動態(tài)編程)中或非易失性存儲器(例如，針對靜態(tài)編程)中的參數(shù)值。圖6說明根據(jù)本發(fā)明一個實施例的電池充電參數(shù)。在此實例中，控制器645編程多種存儲的參數(shù)以通過用存儲在非易失性存儲器646中的充電參數(shù)裝載寄存器來調節(jié)充電循環(huán)。舉例來說，如上文參看圖5所描述，寄存器641用于與DAC642、差分至單端轉換器644和比較器643結合來編程終止電流。另外，寄存器651可用于編程預充電計時器652，且寄存器661可用于編程快速充電計時器662。如果在編程時間周期內電池上的電壓未增加到編程預充電閾值以上，那么計時器652可停閉充電循環(huán)。同樣，如果在編程時間周期內電池上的電壓未增加到針對恒定電壓變換閾值的編程恒定電流以上，那么計時器662可停閉充電循環(huán)?？衫眠^溫度和欠溫度參數(shù)來編程寄存器671和674。寄存器671和674的數(shù)字值分別耦合到比較器673和676的輸入，并界定電壓范圍的上限和下限。比較器673和676的其它輸入耦合到檢測電池溫度的熱傳感器690。如果電池溫度導致在編程的過溫度限制以上或在欠溫度限制以下的電壓，那么比較器將停閉充電循環(huán)以保護電池。在一個實施例中，通過寄存器677和DAC678編程偏置電流679以調節(jié)熱傳感器上的電壓。在一個特定實例中，熱傳感器包含負溫度系數(shù)熱敏電阻，且可編程偏置電流以使熱感測電路的溫度范圍最優(yōu)化。圖7是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的示范性充電循環(huán)。本實例可用于(例如)其中輸入電壓是USB電力端子的應用中。在以下實例中，充電循環(huán)參數(shù)中的許多充電循環(huán)參數(shù)可根據(jù)上文描述的技術編程，且可(例如)經(jīng)配置并通過串行或并行總線進行充電。充電循環(huán)以上電復位(power on reset, “POR”)701開始。在702處，感測或以另外的方式測量輸A電壓，并將其與電池電壓和增加的偏移量進行比較。在此實例中，如果輸入電壓小于電池電壓加上130mV，那么在703處系統(tǒng)終止充電并進入備用模式。如果輸入電壓大于電池電壓加上130mV，那么在704處感測并檢查溫度。如果確定電池溫度在容許范圍(即，T(hi) >T > T(1))外，那么系統(tǒng)終止充電。然而，如果確定電池溫度在容許范圍內，那么充電循環(huán)繼續(xù)到705。如上文所提及，溫度檢查的特性可以是可編程的。下表1-2說明用于測量電池溫度以及過溫度和欠溫度參數(shù)的偏置電流的示范性編程:表I
權利要求
1.一種裝置，包括: 開關調節(jié)器，其包括第一端子和第二端子； 電池； 濾波器，其耦合在所述開關調節(jié)器的所述第二端子和所述電池之間； 其中，所述開關調節(jié)器接收來自電源的輸入電流和恒定的輸入電壓，并經(jīng)由濾波器將經(jīng)濾波的輸出電流供應到所述電池； 其中，當所述電池上的電壓小于所述恒定的輸入電壓時，所述經(jīng)濾波的輸出電流大于進入所述開關調節(jié)器的所述第一端子的所述輸入電流； 其中，所述經(jīng)濾波的輸出電流隨著所述電池上的電壓的增加而降低。
2.根據(jù)權利要求1所 述的裝置，其中當所述電池上的電壓低于閾值時，所述開關調節(jié)器在電流控制模式下運作，其中當所述電池上的電壓增加到高于所述閾值時，所述開關調節(jié)器在電壓控制模式下運作。
3.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中降低所述經(jīng)濾波的輸出電流以保持輸入電流的恒定。
4.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中在輸入電流控制模式下降低所述經(jīng)濾波的輸出電流。
5.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中在輸出電流控制模式下降低所述經(jīng)濾波的輸出電流。
6.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中連續(xù)地降低所述經(jīng)濾波的輸出電流。
7.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中在預充電操作模式之后且在恒定電壓充電操作模式之前降低所述經(jīng)濾波的輸出電流。
8.一種對電池進行充電的方法，包括: 在開關調節(jié)器的第一端子處接收來自電源的輸入電流和恒定的輸入電壓； 從所述開關調節(jié)器的第二端子經(jīng)由濾波器將經(jīng)濾波的輸出電流供應至電池； 控制所述開關調節(jié)器以隨著所述電池上的電壓的增加而降低所述經(jīng)濾波的輸出電流； 其中，當所述電池上的電壓低于所述恒定的輸入電壓時，所述經(jīng)濾波的輸出電流大于所述輸入電流。
9.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中當所述電池上的電壓低于閾值時，所述開關調節(jié)器在電流控制模式下運作，其中當所述電池上的電壓增加到高于所述閾值時，所述開關調節(jié)器在電壓控制模式下運作。
10.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中基于來自所述電源的所述輸入電流來控制所述開關調節(jié)器。
11.根據(jù)權利要求10所述的方法，其中降低所述經(jīng)濾波的輸出電流以保持輸入電流的恒定。
12.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中基于從所述濾波器到所述電池的所述經(jīng)濾波的輸出電流來控制所述開關調節(jié)器。
13.根據(jù)權利要求8所述的方法，進一步包括經(jīng)由電阻器來感測所述輸入電流或所述經(jīng)濾波的輸出電流的至少一者。
14.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中在輸入電流控制模式下降低所述經(jīng)濾波的輸出電流。
15.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中在輸出電流控制模式下降低所述經(jīng)濾波的輸出電流。
16.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中連續(xù)地降低所述經(jīng)濾波的輸出電流。
17.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中在預充電操作模式之后且在恒定電壓充電操作模式之前降低所述經(jīng)濾 波的輸出電流。
全文摘要
本發(fā)明涉及開關電池充電系統(tǒng)和方法。本發(fā)明實施例包含用于使用一開關調節(jié)器對一電池進行充電的技術。一些實施例包含可使用數(shù)字技術配置的可編程開關電池充電器。其它實施例包含基于例如電池電壓或所述開關調節(jié)器的輸入電流等所感測的電路狀況來修改電池電流的開關電池充電器。在一個實施例中，本發(fā)明包含一USB電池充電器。
文檔編號H02J7/00GK103117570SQ20121039083
公開日2013年5月22日 申請日期2007年2月14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:高通股份有限公司