CN104158233B - 充电结束点的判断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种充电结束点的判断方法，包括：藉电源输入单元将输入电源转换成分压及输出电源；利用脉冲宽度调制(PWM)驱动控制器接收分压电源并产生PWM驱动信号，控制切换晶体管产生充电电流；藉充电电感传导充电电流对充电电池单元进行充电操作；利用感测电阻连接充电电池单元而接地；利用PWM驱动控制器依据感测电阻的感测电压以调节PWM驱动信号的工作宽度；以及藉PWM驱动控制器比较工作宽度及预设宽度，判断目前的工作宽度是否低于预设宽度而结束充电操作。因此，本发明不需高灵敏度、高增益的复杂放大器，便能精确判断充电是否完成。
Description
技术领域
本发明有关于一种充电结束点的判断方法，尤其是在定电压小电流充电时利用脉冲宽度调制驱动控制器判断脉冲宽度调制信号的工作宽度是否低于预设宽度以决定充电结束点。
背景技术
许多手持式或可携式的电子装置，比如手表、手机、笔电(笔记型计算机)、平板计算机、遥控器、收录音机、随身听、录音笔、相机，无法使用价格低的市电当作电源而运作，而是需要体积小、重量轻、具有相当电量及相当便性的电池以提供所需的电力，比如一次性电池的碳锌电池、碱性电池、水银电池，或充电电池的镍镉电池、镍氢电池、锂电池、锂铁电池，其中充电电池具有可多次充电、放电的重复循环使用特性，不仅可减少废弃物，同时也具有相当的节能减碳功效，因此，已成为上述电子装置的主要电源，尤其是手机、笔电、平板计算机。
依据充电电池的电化学特性，一般的充电程序可包括定电流充电、定电压充电、小电流充电等等步骤，藉以缩短充电时间，同时尽量提高可充电量。然而，充电电池在充电时，尤其是锂系电池，须避免过度充电，否则可能会发生过热、产生高活性物质(比如氢气)而造成毁损或甚至***起火。因此，负责充电的充电器通常需要侦测电池是否达到充饱程度，并在充饱时，停止充电，以防止过度充电的危险。
在现有技术中，侦测电池是否充饱的最简单且常使用的手段是电流感测方式。具体而言，使用感测电阻串接在切换晶体管，让切换晶体管的导通电流流过感测电阻，并藉控制电路侦测在感测电阻上的感测电压而决定电池的充饱程度。不过，在实际电路上一般是尽可能使用很小电阻，以避免功耗的浪费，因此感测电流及感测电压很低。尤其是在电池接近充饱时，感测电流会更低，使得感测电压过低而不容易精确侦测，可能造成充电结束点的误判，比如太早结束而充电量不足，或太晚结束而过度充电，甚至影响安全性。
上述问题的现有技术解决方法是使用高灵敏度及高增益的模拟放大器，可配置在控制电路中，用以精确放大微小的感测电压，这不仅会导致成本增加，且还因这类放大器容易受到周围电气环境的干扰而影响电气特性，大大增加实体电路布局上的困难程度，甚至无法具体实现。
因此，需要一种充电结束点的判断方法，可在充电电池单元接近充饱时，精确判断充电的结束点而停止进一步充电，避免充电电池单元充电量不足或被过度充电而损坏，提高可利用电量并改善安全性，藉以解决上述现有技术的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种充电结束点的判断方法，是在定电流充电后的定电压充电中进行，其中在定电压充电时，充电电流会随充电电池逐渐充饱而降低，因此本发明的判断方法包括：利用电源输入单元接收输入电源，并经分压及滤波处理而产生分压电源及输出电源，分别供应脉冲宽度调制(PulseWidthModulation，PWM)驱动控制器及切换晶体管；利用PWM驱动控制器产生PWM驱动信号，用以控制切换晶体管的切换动作，使得切换晶体管导通及关闭而利用输出电源以产生充电电流，且经由充电电感对充电电池单元进行充电操作，而充电电池单元是经感测电阻而接地，且感测电阻的跨压为感测电压；利用PWM驱动控制器接收感测电压，并依据感测电压而调节PWM驱动信号的工作宽度(duty)；利用PWM驱动控制器比较工作宽度以及预设宽度，并判断目前的工作宽度是否低于预设宽度；以及如果工作宽度大于预设宽度，则持续产生PWM驱动信号以供应充电电流给充电电感，而如果工作宽度等于或低于预设宽度，则停止产生PWM驱动信号，藉以关闭切换晶体管而停止提供充电电流给充电电感，进而结束对充电电池单元的充电操作。
因此，本发明的方法可在不需使用高灵敏度放大器下，便能利用PWM驱动控制器决定所产生的PWM信号的工作宽度是否低于预设宽度而精确判断充电结束点的结束点，进而停止进一步充电，防止过度充电，不仅可大幅降低成本，还能提高抗噪声能力，尤其是可大幅改善温度的影响，增进整体充电操作的稳定性及可靠度。
附图说明
图1显示依据本发明第一实施例充电结束点的判断方法的操作流程图。
图2显示依据本发明第一实施例充电结束点的判断方法的***示意图。
图3显示依据本发明第二实施例充电结束点的判断方法的操作流程图。
图4显示依据本发明第二实施例充电结束点的判断方法的***示意图。
其中，附图标记说明如下：
10电源输入单元
20脉冲宽度调制(PWM)驱动控制器
30切换晶体管
BT充电电池单元
C滤波电容
I充电电流
IS感测电流
L充电电感
RS感测电阻
S10至S60步骤
Vin输入电源
VS感测电压
S10利用电源输入单元产生分压电源及输出电源
S20利用脉冲宽度调制(PWM)驱动控制器产生PWM驱动信号
S30利用PWM驱动信号控制切换晶体管以产生充电电流
S40利用充电电感传输充电电流给充电电池
S41利用充电电感及感测电阻传输充电电流给充电电池
S50利用PWM驱动控制器依据感测电压以调节工作宽度
S60利用PWM驱动控制器判断该充电操作是否完成而结束充电操作
具体实施方式
以下配合附图及附图标记对本发明的实施方式做更详细的说明，使熟习本领域的技术人员在研读本说明书后能据以实施。
请同时参考图1及图2，依据本发明第一实施例充电结束点的判断方法的操作流程图及***示意图。本发明的判断方法主要是在定电流充电后的定电压充电中判断充电电池的充电结束点，藉以结束充电操作。充电电池整个充电操作包括依序进行的定电流充电及定电压充电，其中在定电压充电时，充电电流会随充电电池逐渐充饱而降低，而本发明的判断方法用以判断充电电池在定电压充电时的充电结束点。
具体而言，本发明的判断方法是利用充电装置对充电电池单元BT进行充电，而充电装置可包括电源输入单元10、切换晶体管30、脉冲宽度调制(PWM)驱动控制器20、充电电感L及感测电阻RS。
上述的充电电池单元BT本质上并不是限于一单元充电电池单元，而是可包括由至少一单元充电电池单元经并联及/或串联连接组合而成一体的充电电池组。
本发明第一实施例判断充电结束点的充电方法是从步骤S10开始，主要是利用电源输入单元10接收输入电源Vin，比如市电、其它交流或直流电源，并经适当处理而产生分压电源及输出电源，比如分压、滤波及/或整流处理。
接着，进入步骤S20，利用脉冲宽度调制(PWM)驱动控制器20接收来自电源输入单元10的分压电源，以当作供应电源，并产生PWM驱动信号。
在步骤S30中，利用切换晶体管30接收来自电源输入单元10的输出电源，并由PWM驱动信号控制切换晶体管30的切换动作，进而利用输出电源以产生充电电流I。具体而言，切换晶体管30可为功率晶体管，比如金氧半晶体管(MOS)，其中切换晶体管30的闸极连接至PWM驱动信号，因此，PWM驱动信号可控制切换晶体管30为导通或关闭，亦即使得输出电源可经由切换晶体管30而以充电电流I的形式传送。
然后在步骤S40中，利用充电电感L电气连接至切换晶体管30以接收充电电流I，并利用充电电流I对电气连接至充电电感L的充电电池单元BT进行充电操作。此外，充电电池单元BT是经感测电阻RS而接地，且流过感测电阻RS的感测电流IS会在感测电阻RS上产生感测电压VS，亦即感测电阻RS的一端为接地，而感测电阻RS的另一端连接至充电电池单元BT，因此感测电阻RS的另一端的电压即为感测电压VS。
进入步骤S50，利用PWM驱动控制器20接收感测电压VS，并依据感测电压VS以调节PWM驱动信号的工作宽度，因而对充电电流I形成反馈控制回路，达到稳定充电电流I的目的。具体而言，感测电压VS愈小时，表示感测电流IS过低，亦即充电电流I过低，因此PWM驱动控制器20需要增加工作宽度，藉以提高充电电流I，反之亦然。
最后执行步骤S60，利用PWM驱动控制器20比较PWM驱动信号的工作宽度以及预设宽度，以判断充电电池单元BT是否已经充饱，或是否达到充电操作的充电结束点而停止充电操作，以完成整个充电操作。较佳的，预设宽度可设定为PWM驱动信号的工作周期的5%至0.2%之间的任意数值，比如工作周期的2%。
具体而言，如果工作宽度大于预设宽度，则还未达到充电结束点，且PWM驱动控制器20持续产生PWM驱动信号，使得切换晶体管30提供充电电流I而对充电电池单元BT充电。另一情形是，如果工作宽度等于或小于预设宽度，则达到充电结束点，且PWM驱动控制器20停止产生PWM驱动信号，或将PWM驱动信号的工作宽度设定为零，藉以关闭切换晶体管30而停止提供充电电流I给充电电感L，亦即结束对充电电池单元BT的充电操作。
上述的PWM驱动控制器20可由微处理器(MCU)而实现，藉以执行特定的固件程序而控制整个充电操作的流程。此外，为进一步改善充电电流I的电气质量，比如滤除噪声，可如图2所示，利用滤波电容C将充电电感L及充电电池单元BT的串接点连接至接地。
此外，进一步参考图3及图4，分别为本发明第二实施例充电结束点的判断方法的操作流程图及***示意图，其中第二实施例是类似于第一实施例，其主要的差异在于第二实施例的步骤S41是利用串接的充电电感L及感测电阻RS以传输充电电流J给充电电池单元而充电，如图3及图4所示，亦即第一实施例及第二实施例是使用不同连接方式的回馈控制路径。具体而言，在第二实施例的步骤S41中，感测电阻RS是连接至充电电感L以及充电电池单元BT之间，此时，感测电阻RS的端电压即为所需的感测电压VS，而在第一实施例的步骤S40中，感测电阻RS是连接至充电电池单元BT以及接地之间。
由于第二实施例的其余操作处理步骤如同第一实施例，在此不再赘述。
要注意的是，进一步，还可如图4所示，利用滤波电容C将充电电感L及感测电阻RS的串接点连接至接地，藉以改善充电电流I对充电电池单元BT的充电质量。
此外，为进一步改善充电电流I的电气质量，比如滤除噪声，可如图2所示，利用滤波电容将充电电感L及充电电池单元BT的串接点连接至接地。
综上所述，本发明的特点在于不使用模拟硬件方式而是利用数字处理方式，以判断充电电池单元的充饱程度，因此，不需高灵敏度且易受干扰的模拟放大器，而可直接利用数字运作的PWM驱动控制器依据PWM驱动信号的工作周期，便能精确判断充电电池单元是否充饱，进而决定充电操作的结束点。因此，本发明不仅可大幅简化电路设计以及实体布局，同时还能降低制作成本，尤其是PWM驱动控制器本身为数字电路，因此可提高抗噪声能力，改善充电结束点的精确度，增进整体充电操作的稳定性及可靠度。
以上所述内容仅为用以解释本发明的较佳实施例，并非企图据以对本发明做任何形式上的限制，因此，凡有在相同的发明精神下所作有关本发明的任何修饰或变更，皆仍应包括在本发明意图保护的范畴。
Claims (6)
1.一种充电结束点的判断方法，用以藉一充电装置对一充电电池单元进行一充电操作，该充电装置包括一电源输入单元、一切换晶体管、一脉冲宽度调制驱动控制器、一充电电感及一感测电阻，其特征在于，该方法是包括以下步骤：
利用该电源输入单元接收来自外部的一输入电源，并经分压、滤波及/或整流处理而产生一分压电源及一输出电源；
利用该脉冲宽度调制驱动控制器接收该分压电源以当作供应电源，并产生一脉冲宽度调制驱动信号；
利用该切换晶体管接收该输出电源，并由该脉冲宽度调制驱动信号控制该切换晶体管的切换动作而产生一充电电流；
利用该充电电感电气连接至该切换晶体管，用以接收该充电电流，并利用该充电电流而对电气连接至该充电电感的该充电电池单元进行该充电操作，该充电电池单元是经该感测电阻而接地，且一感测电流流过该感测电阻，而该感测电阻的跨压为一感测电压；
利用该脉冲宽度调制驱动控制器接收该感测电压，并依据该感测电压以调节该脉冲宽度调制驱动信号的一工作宽度；
该脉冲宽度调制驱动控制器比较该脉冲宽度调制驱动信号的工作宽度以及一预设宽度，以判断该充电操作是否达到一充电结束点而完成；以及
如果该工作宽度大于该预设宽度，则该充电结束点还未达到且该脉冲宽度调制驱动控制器持续产生该脉冲宽度调制驱动信号，而如果该工作宽度等于或小于该预设宽度，则该充电结束点已达到且该脉冲宽度调制驱动控制器设定该脉冲宽度调制驱动信号的工作宽度为零，藉以关闭该切换晶体管而停止提供该充电电流给该充电电感，因而结束对该充电电池单元的充电操作，其中该脉冲宽度调制驱动控制器为一微处理器，藉以执行一固件程序而控制该充电操作。
2.一种充电结束点的判断方法，用以藉一充电装置对一充电电池单元进行一充电操作，该充电装置包括一电源输入单元、一切换晶体管、一脉冲宽度调制驱动控制器、一充电电感及一感测电阻，其特征在于，该方法包括以下步骤：
利用该电源输入单元接收来自外部的一输入电源，并经分压、滤波及/或整流处理而产生一分压电源及一输出电源；
利用该脉冲宽度调制驱动控制器接收该分压电源以当作供应电源，并产生一脉冲宽度调制驱动信号；
利用该切换晶体管接收该输出电源，并由该脉冲宽度调制驱动信号控制该切换晶体管的切换动作而产生一充电电流；
利用串接的该充电电感及该感测电阻，将该充电电流传输至该充电电池单元，用以该充电电池单元进行该充电操作，且该感测电阻是连接至该充电电感及该充电电池单元之间，而该感测电阻的端电压为一感测电压，该充电电池单元中不与该感测电阻连接的一端为接地；
利用该脉冲宽度调制驱动控制器接收该感测电压，并依据该感测电压以调节该脉冲宽度调制驱动信号的一工作宽度；
该脉冲宽度调制驱动控制器比较该脉冲宽度调制驱动信号的工作宽度以及一预设宽度，以判断该充电操作是否达到一充电结束点而完成；以及
如果该工作宽度大于该预设宽度，则该充电结束点还未达到且该脉冲宽度调制驱动控制器持续产生该脉冲宽度调制驱动信号，而如果该工作宽度等于或小于该预设宽度，则该充电结束点已达到且该脉冲宽度调制驱动控制器设定该脉冲宽度调制驱动信号的工作宽度为零，藉以关闭该切换晶体管而停止提供该充电电流给该充电电感，因而结束对该充电电池单元的充电操作，其中该脉冲宽度调制驱动控制器为一微处理器，藉以执行一固件程序而控制该充电操作。
3.如权利要求1或2所述的判断方法，其特征在于，该预设宽度为该脉冲宽度调制驱动信号的一工作周期的5％至0.2％之间的任意数值。
4.如权利要求1或2所述的判断方法，其特征在于，该充电电池单元包括由至少一单元充电电池单元构成并经并联及/或串联连接组合而成一体的一充电电池组。
5.如权利要求1所述的判断方法，其特征在于，进一步包括：
利用一滤波电容将该充电电感及该充电电池单元的串接点连接至接地。
6.如权利要求2所述的判断方法，其特征在于，进一步包括：
利用一滤波电容将该充电电感及该感测电阻的串接点连接至接地。
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