CN100405697C - 充电器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种充电器，其充电模式包含第一充电模式与第二充电模式，并依据模式控制信号在第一、第二充电模式之间作选择。此充电器包含有：一充电调节电路，具有一控制端用以接收一调节控制信号、一输入端用以耦接至一电源供应器以及该充电调节电路依据调节控制信号产生一充电电流至一输出端；一第一运算放大器，具有二输入端分别接收一电池现存电压及一第一参考电压，以产生一第一控制信号；以及一第一开关单元，在第一充电模式时输出该第一控制信号作为该模式控制信号，并在第二充电模式时输出该第一控制信号作为该调节控制信号。

Description

充电器

技术领域

本发明提供一种充电器，尤指一种可以防止充电电流在模态转换(modetransition)时产生瞬间超量(overshooting)的充电器。

背景技术

一般而言，一个锂(Li-ion)电池的充电***通常会有一个定电流模式(Cons tant Current Mode)，在这个模式下，充电***会提供高电流给待充电的电池，以节省充电的时间。当电池充电到一个预设的电压值时，充电***会切换至定电压模式(Constant Voltage Mode)，而在定电压模式下，充电***会将电池电压维持在该预设的电压值。众所周知，电池内部可以等效地视为一个电阻串联一个电容，因此在定电流模式结束时，电池并不会完全充饱电。由于内电阻造成的压降，所以其在定电流模式下电池电压会比真正储存的电压还高。一旦进入定电压模式后，电池电压就会被维持在该预设的电压值，换句话说，充电***会持续对电池充电，直到充电电流变为零，当充电电流变为零，就表示内电阻上不再有压降，也就表示电池已经充电到预设的电压值。

一旦电池电压达到预设的电压值，就不可以再以定电流模式对电池充电，因为如果继续以定电流模式对电池充电，则很容易会超过电池标准的蓄电量，而导致变压器、电池或者充电***的损坏。然而，为了要缩短整体的充电时间，充电的初期必须使用定电流模式，也就是说，充电时最好尽可能利用定电流模式充电。基于以上的原因，一个充电***在模态转换时是否平顺便大大地影响充电***的效能。

请参阅图1，其显示一现有充电器100。充电器100用来对电池150充电，其包含有一充电调节电路110、一比较器120、一电流侦测单元130、一运算放大器132、一运算放大器142以及开关SW1、SW2、SW3、SW4。充电调节电路110有一输入端连接一电源供应器，及一控制端经由开关SW2连接至运算放大器142，一输出端供应一电流至电流侦测单元130与电池150。电流侦测单元130的两个端点分别连接充电调节电路110与电池150，并产生一电压V₁至运算放大器132。运算放大器132接收电压V₁与一参考电压V_ref 2，而输出一调节信号S1经由一开关SW1连接至充电调节电路110之控制端。比较器120之正输入端连接电池电压V_bat，而负输入端经由开关SW4、SW3分别连接两个参考电压V_{ref_1}及V_{ref_3}，而输出端则输出一模式控制信号M。运算放大器142之正输入端连接电池电压V_bat，负输入端连接参考电压V_ref 3，而其输出端则经开关SW2控制充电调节电路110。

其中比较器120可以是一个磁滞比较器(hysteresis comparator)，用来稳定充电模式的切换。如图1所示，众所周知的，电池150可以等效地视为一个电阻R_int串联一个电容C_int，而且充电调节电路110另耦接至一电源供应器(未显示)。比较器120用来将电池电压V_bat与参考电压V_ref 1进行比较。如果电池电压V_bat低于参考电压V_ref 1，则比较器120就会送出模式控制信号M并使其为状态M_c，控制充电器100运作于定电流模式下，将开关SW1、SW3切换至导通状态，以及将开关SW2、SW4切换至非导通状态，使电池150在定电流模式下进行充电。

在定电流模式下，充电调节电路110系提供给电池150一个稳定的充电电流。如图1所示，充电调节电路110利用一个P型金氧半场效晶体管(P-MOSFET)来调节所需的充电电流。电流侦测单元130包含有一个用来监测流经电阻R的充电电流的传感器135，此电阻R之值将足够准确使其足以代表充电电流的电流量，传感器135在测得该充电电流之后，其会输出一电压V₁至运算放大器132上，而电压V₁的值对应于电阻R上的电压降，举例来说，如果测得的电压降是160mV，则传感器135就会将该电压降转换为大小为160mV的电压准位。运算放大器132会输出一调节讯号S1来控制P型金氧半场效晶体管111的栅极电压因此能调节以及稳定电源供应器所输出的充电电流，其具体的操作则详述如后。由图1中可以看到，充电调节电路110、电阻R、传感器135以及运算放大器132系构成一个闭回路(closed loop)，因此电压V₁便成为该闭回路中的回授讯号(feedback signal)。运算放大器132将输入的电压V₁与一参考电压V_{ref_2}作比较，而后根据比较的结果来决定调节讯号S1的电压准位，假设在定电流模式下的充电电流设计为10mA，且电阻R的电阻值为50Ω，很明显地，如果充电调节电路110成功地输出预定的电流值10mA，电阻R上的压降就会等于500mV，因此，参考电压V_ref 2就会设定为500mV，用来检查流经电阻R上的电流大小是否等于预先设计的电流值。如果电压V₁大于参考电压V_{ref_2}，则经过运算放大器132放大之后的调节讯号S1就会具有较高的电压准位，以控制充电调节电路110减少充电电流；然而，如果电压V₁小于参考电压V_ref 2，则经过运算放大器132放大之后的调节讯号S1就会具有较低的电压准位，以控制充电调节电路110增加充电电流，因此，电池150便可接收到一稳定的充电电流。

当电池电压V_bat达到终止电压(termination vol tage)(也就是参考电压V_ref 3)时，充电器100会从定电流模式转换到定电压模式。事实上，当充电器100在定电流模式下充电时，比较器120会持续比较电池电压V_bat和参考电压V_ref 3，而当电池电压V_bat不再小于参考电压V_{ref_3}时，比较器120会送出一模式控制信号M并使其为状态M_v，使充电器100运作于定电压模式下，将开关SW1、SW3切换为非导通状态，而开关SW2、SW4则切换为导通状态，则使充电器100进入定电压模式。在定电压模式中，比较器120会持续比较电池电压V_bat和参考电压V_ref 1，而当电池电压V_bat小于参考电压V_ref 1时，充电器100则又会进入定电流模式。

在定电压模式下，充电调节电路110对电池150充电使其达到终止电压V_ref 3，并且充电器100将电池电压V_bat维持在该终止电压V_ref 3。在定电压模式中，以运算放大器142来调节充电电流，而运算放大器142会比较电池电压V_bat与参考电压V_ref 3，并且送出一调节讯号S2来控制P型金氧半场效晶体管111的栅极电压，以进一步调节充电电流。与定电流模式相类似，定电压模式也有一个闭回路，其包含充电调节电路110、电阻R以及运算放大器142，而为了要将电池电压V_bat稳定在参考电压V_{ref_3}，运算放大器142系比较电池电压V_bat与参考电压V_ref 3来决定如何调节充电电流。换句话说，当电池电压V_bat稍有偏移参考电压V_ref 3时，调节讯号S2就会精确地调整P型金氧半场效晶体管111的栅极电压，所以，电池150便能够在一稳定的电池电压V_bat下进行充电。

一旦电池电压V_bat小于参考电压V_{ref_1}时，例如当充饱电的电池150被取出而置入另一个电力已耗尽的电池时，充电器100将会再度回到定电流模式，其切换情形详述如下。当在定电压模式下充电时，运算放大器142控制充电调节电路110，而在此同时，比较器120系持续比较电池电压V_bat与参考电压V_{ref_1}，其中参考电压V_{ref_1}小于参考电压V_ref 3，因此，当充饱电的电池150被取出而于充电器100中置入另一个电力已耗尽的电池时，电池电压V_bat会因此而降低，如果电池电压V_bat小于参考电压V_{ref_1}的话，比较器120就会送出模式控制信号M并使其为状态M_c，控制充电器100运作于定电流模式下，此时开关SW1、SW3为导通状态，而开关SW2、SW4则为非导通状态，因此，充电器100便再度对电力已耗尽的电池提供一个稳定的电流。

如上所述，充电器100会选择性地切换于两种模式之间(定电流模式与定电压模式)，所以在切换时就一定会有过渡期(transition)产生，然而，众所周知的，因为制程因素的变动，所以比较器120和运算放大器142实际上无法完全相同，这意谓着在两个模式之间切换时可能无法很平顺，这很容易造成瞬间过大的充电电流而导致变压器、充电器100或者电池150的毁损。举例来说，假设定电流模式下的定充电电流为800mA，参考电压V_{ref_1}为4.1V，而且参考电压V_ref 3和终止电压同为4.2V，则理想情况下，当电池电压V_bat等于4.2V时会发生模式转换，此时定电压模式下的闭回路便会激活以将电池电压V_bat维持在4.2V，因此，当充电器100刚切换到定电压模式时，充电电压仍会维持在800mA，而两个模态之间的转换也就非常的平顺，但是于实际操作上，因为比较器120与运算放大器142在特性上并不匹配，所以发生模态转换时的电压与转换至定电压模式后欲维持的电压很可能不相同，也就是说，如果当电池电压V_bat仍小于4.2V时(假设4.1V)，比较器120就不寻常地送出状态为M_v之模式控制信号M，随后运算放大器142便会接着送出调节讯号S2来控制P型金氧半场效晶体管111，藉由增加充电电流来将电池电压V_bat维持在4.2V，在这种情况下，模态转换后瞬间的充电电流会大于原本在定电流模式下的充电电流，因此，可能导致瞬间超量的充电电流而损害变压器、充电器100或是电池150。在另一种情况下，如果当电池电压V_bat已经超过4.2V时(假设4.3V)，比较器120仍未送出状态为M_v之模式控制信号M，则电池150会过充而造成损坏。

因此，有必要设计一个能够预防充电电流瞬间超量以及电池过充的充电器来保护变压器、充电器或是电池。

发明内容

因此本发明的主要目的之一在于提供一种防止瞬间超量的充电电流以及过度充电的电池电压的充电器，以解决上述问题。

根据本发明的申请专利范围，其是揭露一种充电器，该充电器包含至少两种充电模式，由一模式控制讯号进行充电模式之选择。该充电器包含有：一充电调节电路、一运算放大器以及一开关单元。其中，该充电调节电路具有：一输入端，耦接至一电源供应器；一输出端，提供一充电电流；以及一控制端，输入一调节控制讯号，其中该充电电流的值系根据该调节控制讯号而调整。该运算放大器具有：一正输入端，输入一电池电压；一负输入端，输入一第一参考电压；以及一输出端，用来产生一第一控制讯号。该开关单元系用来根据该模式控制信号以将该第一控制讯号连接作为该模式控制讯号，或连接作为该调节控制讯号。

利用本发明所提出的充电器，可以同时防止瞬间超量的充电电流以及过充的电池电压，因此模态转换也就会更加平顺。

附图说明

图1为现有充电器的电路图。

图2为本发明充电器的一实施例的电路图。

符号说明：

100、200 充电器

110 充电调节电路

111 P型金氧半场效晶体管

120 比较器

130 电流侦测单元

132、142 运算放大器

135 传感器

150 电池

160 第一开关单元

170 第二开关单元

180 第三开关单元

215 运算放大器

220 比较器

具体实施方式

为了同时避免瞬间超量的充电电流与过充的电池电压，必须解决现有技术中因为比较器120与运算放大器142组件特性不匹配而造成的问题。请参考图2，其所显示的充电器200为本发明一实施例。充电器200用来对电池150进行充电，其包含有充电调节电路110、电流侦测单元130、运算放大器132、运算放大器215、比较器220、第一开关单元160包含开关SW2、SW3、第二开关单元170包含开关SW4以及第三开关单元180包含开关SW1。充电调节电路110有一输入端连接一电源供应器，及一控制端经由开关SW2连接至运算放大器215，及经由开关SW1连接至运算放大器132。一输出端供应一电流源至电流侦测单元130与电池150。电流侦测单元130的两个端点分别连接充电调节电路110与电池150，并产生一电压V₁至运算放大器132。运算放大器132输入电压V₁与一参考电压V_{ref_2}，而输出一调节信号S1。比较器220之正输入端连接电池电压V_bat，而负输入端参考电压V_{ref_1}，而输出端则经由开关SW4输出一模式控制信号M。运算放大器215之正输入端连接电池电压V_bat，负输入端连接参考电压V_{ref_3}，而其输出端输出一调节信号S2则经开关SW2控制充电调节电路110，并经由开关SW3输出模式控制信号M。

充电调节电路110以及电流侦测单元130与图1中所显示的组件相同，因此为求简洁起见，于此便省略对两者的描述。至于运算放大器215，它不但可以在定电压模式下控制充电调节电路110，而且当充电器200操作于定电流模式时，还可以用来作为比较器，以下对运算放大器215的相关操作有详细的描述。

在本实施例中，当运作于定电流模式下时，开关SW1、SW3系处于导通状态，而开关SW2、SW4则处于非导通状态，然而，当运作于定电压模式下时，开关SW1、SW3系处于非导通状态，而开关SW2、SW4则处于导通状态。当充电器200操作于定电流模式时，运算放大器215会比较电池电压V_bat与参考电压V_{ref_3}，所以，当电池电压V_bat大于或等于参考电压V_ref 3时，运算放大器215便送出模式控制信号M并使其为状态M_v，控制充电器200运作于定电压模式下：将开关SW1、SW3切换至非导通状态，以及将开关SW2、SW4切换至导通状态，换句话说，充电器200便随之进入定电压模式。在定电压模式下进行充电时，充电调节电路110、电阻R以及运算放大器215系形成闭回路，目的是将电池电压V_bat维持在与参考电压V_ref 3相等的电压准位。因为触发模式控制信号M至状态M_v以及控制充电调节电路110都是利用同一个运算放大器215，所以就没有现有技术中因为比较器120与运算放大器142不匹配而造成的问题，所以在模态转换时，电池电压V_bat可以准确地维持在一个固定的电压值(亦即参考电压V_{ref_3})，因此就不会产生瞬间超量的充电电流与过充的电池电压。

再者，在定电压模式下，比较器220会比较电池电压V_bat与参考电压V_ref 1，举例来说，当充饱电的电池150被移开，而另一个电力已耗尽的电池被置入时，该电力已耗尽之电池的电池电压V_bat就会小于参考电压V_ref 1，此时，比较器220就会送出模式控制信号M并使其为状态M_c，控制充电器200运作于定电流模式下，亦即，开关SW1、SW3会被切换至导通状态，而开关SW2、SW4则会被切换至非导通状态，因此充电器200则又进入定电流模式，以及运算放大器215则又成为单纯的比较器，用来侦测电池电压V_bat是否已经到达参考电压V_ref 3。

综合上述，为了要解决现有技术中因为比较器120与运算放大器142组件特性不匹配而造成的问题，本发明利用单一个运算放大器，其在一种模式时(即定电流模式)当作比较器，而在另一种模式时(即定电压模式)作为控制器，此外，还有一个比较器用来比较电池电压V_bat与另一临界电压，以决定何时要将充电器从定电压模式切换到定电流模式。本发明充电器所包含的组件与现有技术中的相类似，然而，透过新的电路配置，使得原本发生于模态转换时的严重问题可以完全地被解决。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种充电器，用来对一电池进行充电，其充电模式包含第一充电模式与第二充电模式，并依据模式控制信号作为使用第一充电模式与第二充电模式的选择，此充电器包含有：

一充电调节电路，具有一控制端、一输入端及一输出端，该控制端用以接收一调节控制信号，该输入端用以耦接至一电源供应器，并依据调节控制信号产生一充电电流于该输出端；

一第一运算放大器，具有二输入端分别接收一电池现存电压及一第一参考电压，以产生一第一控制信号；及

一第一开关单元，具有一输入端接收该第一控制信号、一第一输出端及一第二输出端，该第一开关单元依据该模式控制信号，在第一充电模式时于该第一输出端输出该第一控制信号以作为该模式控制信号，在第二充电模式时于该第二输出端输出该第一控制信号以作为该调节控制信号；

其中，第一充电模式为一定电流模式，第二充电模式为一定电压模式。

2.根据权利要求1所述的充电器，其中该充电器另包含有：

一比较器，接收一电池现存电压与一第二参考电压，产生一第二控制信号；及

一第二开关单元，具有一输入端接收该第二控制信号、一输出端，该第二开关单元依据该模式控制信号，在第一充电模式时断接该输入端与该输出端，在第二充电模式时于该输出端输出该第二控制信号以作为该模式控制信号。

3.根据权利要求2所述的充电器，其中该第二参考电压小于该第一参考电压。

4.根据权利要求1所述的充电器，其中该充电器另包含有：

一电流侦测单元，接收该充电调节电路之输出电流，并产生一侦测电压，用以反应该充电调节电路之输出电流；

一第二运算放大器，接收该侦侧电压与一第三参考电压，产生一第三控制信号；及

一第三开关单元，具有一输入端接收该第三控制信号、一输出端，该第三开关单元依据该模式控制信号，在第一充电模式时于该输出端输出该第三控制信号以作为该调节控制信号，在第二充电模式时断接该输入端与该输出端。

5.根据权利要求1所述的充电器，其中该电池为一锂电池。

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