CN100442629C

CN100442629C - 线性充电器

Info

Publication number: CN100442629C
Application number: CNB2007100021830A
Authority: CN
Inventors: 刘智民
Original assignee: Via Technologies Inc
Current assignee: Via Technologies Inc
Priority date: 2006-09-01
Filing date: 2007-01-12
Publication date: 2008-12-10
Anticipated expiration: 2027-01-12
Also published as: TW200814493A; CN101001021A; TWI325672B

Abstract

一种线性充电器包括电流产生器、电流检测器、运算放大器以及多工选择装置。该电流产生器乃用来充电电池模块。该电流检测器乃用来输出感测电位。该感测电位对应该电流产生器所产生的电流。该运算放大器的输出端耦接该电流产生器的控制端。在定电流充电模式下，该多工选择装置将第一参考电位以及该感测电位分别耦接至该运算放大器的第一及第二输入端，目的为令该电流产生器输出定值电流。在定电压充电模式下，该多工选择装置将第二参考电位以及该电池模块的电位分别耦接至该运算放大器的第一及第二输入端，目的为调整该电池模块的电位至定值电位。

Description

线性充电器

技术领域

本发明是有关于一种线性充电器(linear battery charger)。

背景技术

线性充电器的操作通常包括定电流充电模式(constant current chargemode)以及定电压充电模式(constant voltage charge mode)。在充电电池模块时，线性充电电路首先会以该定电流充电模式充电该电池模块，直到该电池模块的电位(V_bat)达到某一电平后，才改以该定电压充电模式充电该电池模块。以4.2伏特的锂电池为例，线性充电器首先以该定电流充电模式充电该锂电池。待该锂电池充电至4.1伏特，该线性充电电路会切换至该定电压充电模式继续将该锂电池的电位(V_bat)充电至4.2伏特。该定电压充电模式乃用来避免过度充电该锂电池，以延长该锂电池的使用寿命。

图1为传统线性充电器100。该传统线性充电器100具有充电晶体管g_mp，用以充电电池模块102。该传统线性充电器100的运作如下。在定电流充电模式下，第一开关SW₁导通并且第二开关SW₂不导通。第一运算放大器OP₁、第二运算放大器OP₂、晶体管g_mnc、与该充电晶体管g_mp所形成的回路会令流经感测电阻R_sns的电流I维持在固定值，其大小由耦接该第二运算放大器OP₂的第一参考电位V_ref1决定。电容C_c与电阻R_c组成该线性充电器100在该定电流充电模式下所需要的频率补偿电路。在定电压充电模式下，该第一开关SW₁不导通并且第二开关SW₂导通。第三运算放大器OP₃、晶体管g_mnv、与该充电晶体管g_mp所形成的回路会令该电池模块的电位V_bat维持在第二参考电位V_ref2。电容C_Z与电阻R_Z组成该线性充电器100在该定电压充电模式下所需要的频率补偿电路。

为了确保该传统线性充电器100在该定电流充电模式与该定电压充电模式下能够正确操作，传统线性充电器100所采用的运算放大器OP₁、OP₂、与OP₃必须为具有低偏移电压(low offset)的精确运算放大器。因此，传统线性充电器100的成本相当高。

此外，传统线性充电器100的频率补偿电路非常大(尤其是电容C_z与电阻R_z)，将在该传统线性充电器100上占据较大的面积。

发明内容

本发明提供一种新颖的线性充电器(linear battery charger)，不仅大幅减少精确运算放大器的使用量，更大幅降低其频率补偿电路所占据的面积。

本发明所提供的线性充电器包括第一电流产生器、电流检测器、第一运算放大器、以及多工选择装置。该第一电流产生器产生第一电流，并且耦接电池模块以充电该电池模块。该电流检测器耦接该第一电流产生器，用以产生与该第一电流对应的感测电位。该第一运算放大器具有第一输入端、第二输入端以及输出端。该第一运算放大器的输出端耦接该第一电流产生器的控制端。在定电流充电模式下，该多工选择装置会将第一参考电位以及该感测电位分别耦接至该第一运算放大器的第一及第二输入端。该第一运算放大器可藉此维持该第一电流为定值电流。在定电压充电模式下，该多工选择装置会将第二参考电位以及该电池模块的电位分别耦接至该第一运算放大器的第一及第二输入端。该第一运算放大器可藉此调整该电池模块的电位至定值电位。

为让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合所附图式作详细说明。

附图说明

图1为一传统线性充电器的实施例；

图2为本发明的线性充电器的一实施例；

图3为本发明的线性充电器的另一实施例；

图4为本发明的线性充电器的另一实施例；

图5为本发明的线性充电器的另一实施例；以及

图6为本发明的线性充电器的另一实施例。

[主要元件标号说明]

100～传统线性充电器； 102～电池模块；

104、106、108、110～传统线性充电器100的芯片部分的针脚接点；

200～线性充电器； 202～第一电流产生器；

204～电流检测器； 206～多工选择装置；

208～电池模块；

300～线性充电器； 302～电压电平控制电路；

400～线性充电器； 402～频率补偿电路；

404～分压点； 406～频率补偿器；

408～电池模块； 410～多工选择装置；

500～线性充电器；

C～可变电容； C₁～第一电容；

C₂、C₂₁、C₂₂、C_2n～第二电容；

C_bat～电池模块的电容；

C_c、C_z～用于频率补偿的电容；

C_L～负载电容；

CMP、CMP₁、CMP₂、CMP_n～比较器；

g_mp、g_mnc、g_mnv～晶体管；

I₁与I₂～第一与第二电流；

M₁、M₂、M₃～金属氧化物半导体晶体管；

mux₁、mux₂～多工器；

OP₁、OP₂、OP₃～运算放大器；

R₁、R₂～电阻； R_bat～电池模块的电阻；

R_c、R_z～用于频率补偿的电阻；

R_L～负载电阻； R_sns～感测电阻；

SW、SW₁、SW₂、SW_n～开关；

V_bat～电池模块的电位； V_DD～电源；

V_g～第一金属氧化物半导体晶体管M₁的栅极电位；

V_sns～感测电位；

V_ref1、V_ref2、V_ref3、V_ref31、V_ref32、V_ref3n～参考电位。

具体实施方式

图2为本发明的一实施例。线性充电器200包括第一电流产生器202、电流检测器204、第一运算放大器OP₁、以及多工选择装置206。该第一电流产生器202耦接电池模块208以充电该电池模块208。该第一电流产生器所产生的电流为第一电流I₁。该电流检测器204耦接该第一电流产生器202，并且对应该第一电流I₁的大小输出感测电位V_sns。该第一运算放大器OP₁，具第一输入端(如图所示的非反相输入端)、第二输入端(如图所示的反相输入端)、以及输出端。该第一运算放大器OP₁的输出端耦接该第一电流产生器202的控制端，以控制该第一电流I₁的大小。在定电流充电模式下，该多工选择装置206将第一参考电位V_ref1以及该感测电位V_sns分别耦接至该第一运算放大器OP₁的第一及第二输入端。在定电压充电模式下，该多工选择装置206将第二参考电位V_ref2以及该电池模块的电位V_bat分别耦接至该第一运算放大器OP₁的第一及第二输入端。

在图2所示的实施例中，该第一电流产生器202为第一金属氧化物半导体晶体管M₁、其漏极耦接该电池模块208，并且其栅极耦接该第一运算放大器OP₁的输出端作为该第一电流产生器202的控制端。此外，该电流检测器204包括第二金属氧化物半导体晶体管M₂与感测电阻R_sns。该第二金属氧化物半导体晶体管M₂的栅极与该第一金属氧化物半导体晶体管M₁的栅极耦接在一起，并且该第一与第二金属氧化物半导体晶体管M₁与M₂具有相同的栅源极压降。因此，该第二金属氧化物半导体晶体管M₂所产生的第二电流I₂可与该第一电流I₁成比例关系，其大小乃由该第一与该第二金属氧化物半导体晶体管M₁与M₂的面积比例决定。该感测电阻R_sns耦接于第二金属氧化物半导体晶体管M₂的漏极，用以将该第二电流I₂转换成该感测电位V_sns。在另一实施例中，该感测电阻R_sns可为可变电阻，用以确保该第二金属氧化物半导体晶体管M₂可操作在饱和区。

参阅图2，该多工选择装置206可由两个多工器mux₁与mux₂组成。在该定电流充电模式下，该多工器mux₁将该第一参考电位V_ref1输入该第一运算放大器OP₁的反相输入端，并且该多工器mux₂将该感测电位V_sns输入该第一运算放大器OP₁的非反相输入端。该第一电流I₁变大时，该第二电流I₂会随之变大，导致该感测电位V_sns上升。该第一运算放大器OP₁比较该感测电位V_sns与该第一参考电位V_ref1后，其输出端信号会提升该第一金属氧化物半导体晶体管M₁的栅极电压V_g，导致该第一金属氧化物半导体晶体管M₁的栅源极压差变小，该第一电流I₁被往下调整回原来的电平。在该定电压充电模式下，该多工器mux₁将该第二参考电位V_ref2输入该第一运算放大器OP₁的反相输入端，并且该多工器mux₂将该电池模块的电位V_bat输入该第一运算放大器OP₁的非反相输入端。该电池模块的电位V_bat尚未达到该第二参考电位V_ref2时，该第一运算放大器OP₁会调降该第一金属氧化物半导体晶体管M₁的栅极电压V_g，导致该第一电流I₁变大，以充电该电池模块208至该第二参考电位V_ref2。

由图2所示的实施例可发现，本发明仅仅需要一个低偏移电压(lowoffset)的精确运算放大器(第一运算放大器OP₁)。与传统线性充电器相比，本发明大幅减少精确运算放大器的使用量。

本发明的另一项优点是降低芯片的针脚数目。以图2的线性充电器200为例，仅有感测电阻R_sns外接在芯片外，其余元件都整合在芯片内部。该线性充电器200的芯片部分仅需要三个针脚分别连接电源端V_DD、该电池模块208、以及该感测电阻R_sns。反观图1的传统线性充电器100，该测电阻R_sns、该充电晶体管g_mp、电容C_z、以及电阻R_z皆为外接元件。故传统线性充电器100的芯片部分至少需要四个针脚104、106、108、以及110。

图3为本发明的另一实施例。线性充电器300较图2的线性充电器200多了电压电平控制电路302。该电压电平控制电路302耦接于该第二金属氧化物半导体晶体管M₂的漏极与该感测电阻R_sns之间，其中包括第三金属氧化物半导体晶体管M₃以及第二运算放大器OP₂。该第三金属氧化物半导体晶体管M₃的源极与漏极分别耦接该第二金属氧化物半导体晶体管M₂的漏极与该感测电阻R_sns。该第三金属氧化物半导体晶体管M₃的栅极由该第二运算放大器OP的输出端控制。在此实施例中，该第二运算放大器OP₂的非反相以及反相输入端分别耦接该第一金属氧化物半导体晶体管M₁的漏极以及该第二电金属氧化物半导体晶体管M₂的漏极。该电压电平控制电路302的作用为令该第一与该第二金属氧化物半导体晶体管M₁与M₂具有同样的漏极电压(其值为V_bat)，以确保该第一与该第二金属氧化物半导体晶体管M₁与M₂所产生的第一与第二电流I₁与I₂成固定比例。

图4为本发明的另一实施例。线性充电器400较图3的线性充电器300多了频率补偿电路402。如图4的实施例，该频率补偿电路402包括多个电阻(R₁与R₂)、分压点404、频率补偿器406、以及可变电容C。该等电阻R₁与R₂与该分压点404串接于该电池模块408以及接地端之间。该电池模块的电位V_bat经该等电阻R₁与R₂分压后由该分压点404输出至该多工选择装置410。该频率补偿器406耦接于该电池模块408与该分压点404之间。该可变电容C耦接于该频率补偿器406与该接地端之间。在该定电压充电模式下，该频率补偿电路402提供零点(zero)，用以消除回路中不必要的极点。该零点的大小为1/(R₁·C)。

将图4的频率补偿电路402所使用的可变电容C与传统线性充电器100所采用的频率补偿电容C_c与C_z作比较，可发现两者最大不同在于图4所采用的可变电容C的一端接地。因此本发明的频率补偿电路所采用的电容可为金属氧化物半导体电容(MOS capacitor)，体积远小于传统线性充电器100所采用的频率补偿电容C_c与C_z。

图5为本发明的另一实施例。此线性充电器500与图4的线性充电器400的不同之处在于可变电容C的实现方法。图5所采用的可变电容包括第一电容C₁、第二电容C₂、对应该第二电容C₂的开关SW、以及比较器CMP。该比较器CMP的输出端耦接该开关SW以控制该开关SW。该开关SW导通时，该第二电容C₂并联该第一电容C₁。该比较器CMP的第一输入端与第二输入端分别输入第三参考电位V_ref3与该感测电位V_sns，藉以令该开关SW在低负载电流的状态下为导通，反之为不导通。

以图5的实施例为例，在该定电压充电模式下，该电池模块502的电位V_bat所提供的极点(pole)会随着负载改变。在低负载电流(light load，例如，边充电边使用的手机，此时具有高负载电阻R_L)状态下，该极点的频率极低。因此需要一个极低频的补偿零点，以得到较高的相位边际(phase margin)。反之，在高负载电流(high load)状态下，该极点的频率较高。因此需要一个高频的补偿零点以得到较高的相位边际。图5的实施例通过该第一电容C₁、该第二电容C₂、该开关SW、以及该比较器CMP达到上述需求。如图所示，该第三参考电位V_ref3耦接比较器CMP的非反相输入端，并且该感测电位V_sns耦接比较器CMP的反相输入端。在该低负载电流的状况下，该感测电位V_sns下降至低于该第三参考电位V_ref3。该比较器CMP令该开关SW导通。此时，该补偿零点的值为1/(R₁·(C₁+C₂))。反之，在该高负载电流的状况下，该感测电位V_sns上升至高过该第三参考电位V_ref3。该比较器CMP令该开关SW不导通。此时，该补偿零点的值为1/(R₁·C₁)。

图6为图5的实施例的变形，其中使用更多组的上述第二电容(C₂₁、C₂₂...C_2n)、该等第二电容所对应的开关(SW₁、SW₂...SW_n)、以及控制各开关的多个比较器(CMP₁、CMP₂...CMP_n)。配合特别设计的多个参考电位(V_ref31、V_ref32...V_ref3n)，图6所示的线性充电器提供更多补偿零点供***选择。

本发明所揭露的电路不仅可作为线性充电器使用，亦可用来作为低压降稳压器(Low Drop Out regulator，LDO regulator)。

本发明虽以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求范围所界定者为准。

Claims

1.一种线性充电器，其中包括：

第一电流产生器，产生第一电流并且耦接电池模块，用以充电该电池模块；

电流检测器，耦接该第一电流产生器，用以产生对应于该第一电流大小的感测电位；

第一运算放大器，具第一及第二输入端及输出端，该输出端耦接该第一电流产生器的控制端；以及

多工选择装置，用以在定电流充电模式下，将第一参考电位以及该感测电位分别耦接至该第一运算放大器的第一及第二输入端，并且在定电压充电模式下，将第二参考电位以及该电池模块的电位分别耦接至该第一运算放大器的第一及第二输入端。

2.根据权利要求1所述的线性充电器，其中该第一电流产生器为第一金属氧化物半导体晶体管，其漏极耦接该电池模块，并且其栅极耦接该第一运算放大器的输出端作为该第一电流产生器的该控制端。

3.根据权利要求2所述的线性充电器，其中该电流检测器包括第二金属氧化物半导体晶体管与感测电阻，该第二金属氧化物半导体晶体管的漏极耦接该感测电阻并且其栅极与该第一金属氧化物半导体晶体管的栅极耦接在一起，藉以使流经该第二金属氧化物半导体晶体管的第二电流比例于该第一电流，该感测电阻将该第二电流转换为该感测电位。

4.根据权利要求3所述的线性充电器，其中该第二金属氧化物半导体晶体管的漏极与该感测电阻之间还包括电压电平控制电路，其中包括：

第三金属氧化物半导体晶体管，其源极与漏极分别耦接该第二金属氧化物半导体晶体管的漏极与该感测电阻；以及

第二运算放大器，其第一输入端以及第二输入端分别耦接该第二金属氧化物半导体晶体管的漏极以及该第一金属氧化物半导体晶体管的漏极，并且其输出端耦接该第三金属氧化物半导体晶体管的栅极。

5.根据权利要求3所述的线性充电器，其中该电池模块与该多工选择装置之间还包括频率补偿电路，其中包括：

多个电阻以及分压点，串接于该电池模块以及接地端之间，该电池模块的电位经这些电阻分压后由该分压点输出至该多工选择装置；

频率补偿器，耦接于该电池模块与该分压点之间；以及

可变电容，耦接该频率补偿器至该接地端；

其中，在该定电压充电模式下，该频率补偿电路提供零点，其大小为这些电阻于该电池模块以及该分压点之间的电阻值乘以该可变电容后取倒数。

6.根据权利要求5所述的线性充电器，其中该可变电容包括：

第一电容；

开关以及第二电容，该开关导通时，该第二电容并联该第一电容；

比较器，用以控制该开关，该比较器的第一输入端与第二输入端分别输入第三参考电位与该感测电位，藉以令该开关在低负载电流的状态下为导通，反之为不导通。

7.根据权利要求5所述的线性充电器，其中该可变电容为金属氧化物半导体电容。

8.根据权利要求3所述的线性充电器，其中该感测电阻为可变电阻。