CN109964384A - 具有调节回路的电池充电*** - Google Patents

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Abstract

描述了用于电子设备的电池(140)的充电***(100，200)。充电***(100，200)包括被配置用以从电源获得转换电压(121)下的转换电流的适配器(110)。此外，充电***(100，200)包括被配置用以通过使用转换电压(121)下的转换电流用电池电压(141)下的电池电流对电子设备的电池(140)充电的电池充电器(130)。另外，充电***(100，200)包括被配置用以将转换电压(121)下的转换电流传输给电池充电器(130)的功率传输装置。另外，充电***(100，200)包括被配置用以将指示电池电压和/或电池电流的反馈信息从电池充电器(130)传输到适配器(110)的通信装置。适配器(110)被配置用以根据反馈信息设置转换电压(121)和/或转换电流。

Description

具有调节回路的电池充电***
技术领域
本文件涉及以节能方式对电池充电的***和方法。
背景技术
输入电压Vin在20V范围内的高压(HV)电池充电器通常利用基于电感器的功率转换器，实现的转换效率在约为90％的范围内。这种相对低效是由于电感性降压功率转换器的效率对仅略低于输入电压Vin的输出电压Vout(即转换比Vout/Vin约为1时)才是最佳的。
电池或输出电压通常为Vout＝3.6V(即<4.2V)且来自外部电源的输入电压Vin(本文也称为转换电压)可高达20V。作为其结果，转换比Vin/Vout相对较高且功率转换效率通常降低。开关频率是影响电感性降压转换器效率的一个参数，其中当开关频率降低时功率转换器的效率通常增加。另一方面，相对较低开关频率下的合理电流纹波通常需要具有相对较高电感的电感器。电感器的尺寸通常随着电感的增加而增加。因此，具有相对较高电感的电感器的使用通常与现代便携式电子设备(如薄平板PC或智能电话)不兼容。因此，用于便携式电子设备的电池充电器通常使用相对低电感的线圈，从而触发相对较高的开关频率，由此限制了电池充电器的功率转换器可实现的最大转换效率。
本文件解决了提供节能和紧凑的用于对电子设备的电池充电的***的技术问题。
独立权利要求解决了该技术问题。此外，在从属权利要求中描述了改进。
发明内容
根据一个方面，描述了一种用于电子设备电池的充电***。充电***包括被配置用以从电源获取转换电压下的功率的适配器。特别地，适配器可以被配置用以在转换电压下获取转换电流。举例来说，电源可以以AC电压(如AC频率为60Hz或50Hz的110V或230V)提供AC电。另一方面，转换电压通常为DC电压(如10V范围内)且转换电流通常为DC电流。这样，适配器可包括用于从电源提供的AC功率中获取在DC转换电压下的功率的AC/DC转换器。适配器可包括墙插头适配器，即适配器可包括用于将适配器与墙插座(如市电电源的墙插座)连接的功率插头。
此外，充电***包括电池充电器，该电池充电器被配置用以通过使用转换电压下的功率，特别是使用转换电压下的转换电流，以电池电压下的电池电流对电子设备的电池充电。这样，在电池充电器的输出端就提供了电池电压下的电池电流。电池电流可被调节到(可能预定的)目标电池电流(如调节到恒定目标电池电流或遵循预定充电曲线的目标电池电流；目标电池电流可例如取决于温度和/或取决于待充电电池的历史和/或取决于先前的充电行为)。电池电流的调节可以由电池充电器内的电流调节器或功率适配器内的电流调节器来执行。电池充电器可实现为电子设备的一部分。通常，适配器和电池充电器实现为独立的物理单元，特别是独立的集成电路(ICs)。
充电***还包括被配置用以向电池充电器传输在转换电压下的功率(即转换电压下的转换电流)的功率传输装置。特别地，功率传输装置可包括以导电方式传输功率的充电线，特别是USB(通用串行总线)充电线。替代或附加地，功率传输装置可包括被配置用以通过使用转换电压下的功率(即转换电压下的转换电流)来产生电磁充电场的无线功率传输单元(如作为适配器一部分)。为此，无线功率传输单元可包括传输线圈。此外，功率传输装置可包括被配置为从电磁充电场中获取在转换电压下的功率(即转换电压下的转换电流)的无线功率接收单元(如作为电池充电器的一部分)。为此，无线功率传输单元可包括接收线圈。
功率传输装置通常表现出电压降和/或功耗。因此，电池充电器输入端的转换电压和/或转换电流(即转换功率)通常低于功率适配器输出端的转换电压和/或转换电流(即转换功率)。功率传输装置的电压降和/或功耗是可以预知的(如通过***设计)和/或可以作为反馈信息从电池充电器传输到功率适配器。这样，当设定(特别是在调节)转换电压和/或转换电流时，功率适配器可以考虑功率传输装置的电压降和/或功耗。应当注意，当在功率适配器内调节转换电流时，功率传输装置(如线)中的任何电压降通常是自动补偿的。另一方面，当配置或设定转换电压的上限时，可以考虑功率传输装置处的最大电压降。特别地，转换电流可被调节使转换电压不超过预定最大转换电压。预定最大转换电压可以取决于功率传输装置处的电压降。
此外，充电***包括被配置用以将指示电池电压和/或电池电流的反馈信息从电池充电器传输到适配器的通信装置。特别地，将在为电池充电的电池充电器的输出端提供的该反馈信息可以指示目标电池电压和/或目标电池电流。目标电池电压和/或目标电池电流可由电池充电器的控制单元(如根据关于电池充电状态SOC的信息)确定。
电池充电器可包括被配置用以通过通信通道传输反馈信息的传输通信模块。此外，适配器可包括被配置用以经通信通道接收反馈信息的接收器通信模块。通信通道可包括充电线的电导线，用来将功率或转换电压下的转换电流从适配器传导到电池充电器。替代或附加地，通信通道可包括射频链接，如蓝牙链接、WLAN链接、UMTS链接和/或LTE链接。
适配器被配置用以根据反馈信息设置(特别是调节)转换电压和/或转换电流。特别地，适配器可被配置用以设置(特别是调节)转换电压或转换电流。作为其结果，功率可被提供给电池充电器使得电池充电器的效率增加(如最大化)和/或使得电池充电器的功耗减少(如最小化)。因此，可以提供节能(且可能尺寸有效)的充电***。
特别地，适配器可以被配置用以设置(如调节)转换电压使在电池充电器内施加的以电池电压下的电池电流对电池充电(特别是以(恒定的)目标电池电压下的(变化的)电池电流对电池充电)的电压转换比(Vin/Vout，即电池充电器的功率转换器的输入电压与功率转换器的输出电压之比)是等于或大于1的整数n。因此，输出电压比输入电压小n倍。电压转换比也可被称之为功率转换器的输出电压比功率转换器的输入电压小n倍的降低转换比。
替代或附加的，适配器可被配置用以设置(如调节)转换电流使在电池充电器内施加的以电池电压下的电池电流对电池充电(特别是以(变化的)电池电压下的(恒定的)目标电池电流对电池充电)的电流转换比(Iout/Iin，即电池充电器的功率转换器的输出电流与功率转换器的输入电流之比)是等于或大于1的整数n。因此，输出电流比输入电流高n倍。作为其结果，功效可以被进一步提高。电流转换比也可被称为功率转换器的输出电流比功率转换器的输入电流高n倍的提升转换比。
电池充电器可包括被配置用以使用转换电压下的功率来调节对电池充电的电池电流的电流调节器。替代或附加的，功率适配器可包括用于通过功率适配器输出端的转换电流的调节来间接调整电池电流的电流调节器。
电池充电器可包括被配置用以选择对电池充电的充电策略和被配置用以基于所选充电策略控制在电池充电器和/或功率适配器处的电流调节器的控制单元。如充电策略可以限定目标电池电流为电池SOC的函数。如充电策略可以被设计为增加(如最大化)电池寿命和/或电池充电循环次数。控制单元可被配置为确定(关于)电池的SOC(的信息)。此外，控制单元可被配置用以基于(关于)SOC(的信息)(且通常基于预定充电策略)确定目标电池电流。目标电池电流可被电流调节器使用将电池电流调节到目标电池电流。这可能需要将电池电压设置为特定值从而能够使电池电流对应于目标电池电流。通过将指示所需电池电压和/或指示目标电池电流的反馈信息提供给适配器，适配器可修改如本文件中概述的转换电压和/或转换电流，从而增加充电***的功率效率。
换而言之，电池充电器可包括被配置用以确定目标电池电流的控制单元。电流调节器(在电池充电器和/或功率适配器处)可被配置用以根据目标电池电流获取电池电压，特别是使得电池充电器输出端的电池电流对应于目标电池电流。因此，电池电压可能随时间而变化。故可向适配器提供变化的反馈信息。
电流调节器可包括电池开关和/或低压差(LDO)调节器。此外，电流调节器可展示调节器电压降Vrdrop。适配器(特别是适配器的电压调节器)可被配置用来根据调节器电压降Vrdrop设置转换电压，从而进一步提高充电***的功率效率。当电池开关闭合时(即当LDO工作在旁路模式时)，使Vrdrop最小化特别有益于提高效率。只要LDO从调节中***压差电压，功耗就会增加且效率就会下降。这样，将调节电池电流的任务转换到适配器可能是有益的，适配器可被配置用于根据所需电池电流(即根据目标电池电流)提供(调节的)转换电流。换而言之，将电流调节器从电池充电器移动到功率适配器可能是有益的。由于这个原因，电池充电器不包括电流和/或电压调节器。
电池充电器可包括被配置和/或***作为以降低转换比n执行转换电压(在电池充电器输入端)的降低转换的功率转换器，其中n是大于或等于1的整数。以类似的方式，功率转换器可被配置和/或***作为以提升转换比n执行转换电流(在电池充电器输入端)的提升转换，其中n是大于或等于1的整数。具有该特征的功率转换器可以表现出特别高的转换效率。对包括或对应于电容式功率转换器的功率转换器尤其如此。适配器可被配置用以根据降低或提升转换比n设定(特别是调节)转换电压和/或转换电流(在适配器输出端)。因此，充电***的功率效率可以进一步提高。
功率转换器可以展示转换器电压降Vcdrop。适配器可被配置用以根据转换器电压降Vcdrop设置(特别是调节)转换电压和/或转换电流(在适配器输出端)，从而进一步提高了充电***的功率效率。
如上所述，适配器可包括被配置用以根据反馈信息(特别是根据目标电池电压)调节转换电压的电压调节器。具体地，转换电压Vin可以被调节以对应于Vin＝nx(Vbat+Vcdrop)+Vrdrop，其中Vbat是期望电池电压(即目标电池电压)，Vcdrop是电池充电器的功率转换器处的电压降，Vrdrop是功率传输装置处的电压降。替代或附加地，转换电压可以被设置或调节为使(目标)电池电压可通过电池充电器(仅)使用降低转换比为n的降压转换从转换电压中获得，n为等于或大于1的整数。
适配器可被配置用以根据电池充电器、功率转换器、功率转换路径(如充电线或无线功率传输装置)的电流额定值或根据最大电池电流来限制最大转换电流。
此外，适配器可被配置用以提供(特别是调节)恒定转换电流，相应的转换电压也被设定。转换电压可被限制到最大水平，该最大水平可从电池充电器的输入电压额定值获取，或者可由最大电池电压(加上功率转换器中的电压降)乘以转换比n确定。这种配置可允许移除电池充电器(尤其是电池充电器处的电流调节器)及其损耗。
这样，适配器可被配置用以根据反馈信息(特别是根据目标电池电流)设置(如调节)转换电流，使电池电压可通过(仅)使用具有降低转换比n的降压转换器由电池充电器从转换电压获取，其中n为等于或大于1的整数(这样转换器的输出电压比转换器的输入电压小n倍)，和/或使(目标)电池电流可通过(仅)使用具有提升转换比n的电流提升转换器由电池充电器从转换电流获取，n是等于或大于1的整数(这样转换器的输出电流比转换器的输入电流高n倍)。为此，适配器也可包括电流调节器。由于这个原因，电池充电器可无电流调节器，从而进一步提高电池充电器的效率。特别地，电池充电器内的能量路径(用于从电池充电器输入端的功率获取用于在电池充电器输出端的对电池充电的功率)可仅包括具有整数转换比的功率转换器。
适配器可被配置用以调节转换电压使转换电流不超过预定的最大转换电流。或者适配器可被配置用以调节转换电流使转换电压不超过预定的最大转换电压。最大转换电流和/或最大转换电压可以是固定的。或者最大转换电流和/或最大转换电压可以通过通信方式由电池充电器设定。特别地，反馈信息可指示最大转换电流和/或最大转换电压。
根据进一步的方面，描述了用于对电子设备电池充电的充电***的适配器。适配器包括被配置用以接收指示用于对电池充电的电池电压和/或电池电流的反馈信息的接收器通信模块(特别是反馈信息可指示在电池充电器输出端被提供的用于对电池充电的目标电池电压和/或目标电池电流)。电池电压可由对应的电池充电器的电流调节器用于根据预定的目标电池电流设置电池电流。电池电压可以随时间变化，以便提供根据预定的目标电池电流(如恒定的目标电池电流)设定(如调节)的电池电流。替代或附加地，电池电流的调节可以由适配器执行。
此外，适配器包括被配置用以根据反馈信息从电源获得在转换电压下的功率(如转换电流)的电压调节器和/或电流调节器。特别地，转换电压可根据为电池充电而设定的电池电压(即根据目标电池电压)获得。替代或附加地，转换电流可根据用于对电池充电的电池电流(即根据目标电池电流)获得。鉴于电池电压和/或电池电流可随时间变化的事实，转换电压和/或电池电流可相应地随时间变化。此外，适配器包括用于通过功率传输装置(如通过充电线)向用于为电池充电的电池充电器提供功率在转移电压下的功率(如转换电流)的功率传输接口(如适当的插头或插座)。
在优选示例中，适配器包括接收器通信模块，该接收器通信模块被配置用以接收指示用于对电池充电的目标电池电压和/或目标电池电流的反馈信息。目标电池电压和/或目标电池电流可由电子设备的相应电池充电器的控制单元来设置。举例来说，(通常恒定的)目标电池电流可由控制单元设置，直到电池达到预定的充电状态SOC(如90％)。达到预定SOC后，为了完成电池的充电(如基本达到100％的SOC)，(通常恒定的)目标电池电压可由控制单元设置。
此外，适配器可以包括电压调节器和/或电流调节器，其被配置用以根据反馈信息从电源(如从市电电源)获得在转换电压下的转换电流。特别地，电压调节器可(如当电池充电器的控制单元设置恒定的目标电池电压以便请求恒定电压充电时)根据目标电池电压来调节转换电压。替代或附加地，电流调节器可(如当电池充电器的控制单元设置恒定的目标电池电流以便请求恒定电流充电时)根据目标电池电流来调节转换电流。
电压调节器可被配置为根据反馈信息(特别是根据目标电池电压)调节转换电压，通过(仅)使用电子设备(或电池充电器)降低转换比为n的降压转换，n为等于或大于1的整数，使得用于对电池充电的电池电压(在电池充电器的输出端)被调节到目标电池电压。特别地，转换电压可被调节到目标转换电压，该目标转换电压对应为目标电池电压的n倍(加上功率传输装置和/或电池充电器的功率转换器处的可能电压降)。
电流调节器可被配置为根据反馈信息(特别是根据目标充电电流)调节转换电流，通过(仅)使用电子设备(或电池充电器)提升转换比为n的电流提升转换，n为等于或大于1的整数，使得用于对电池充电的电池电流(在电池充电器的输出端)被调节到目标电池电流。特别地，转换电流可被调节到目标转换电流，该目标转换电流对应为目标电池电流的1/n倍(加上电池充电器内可能消耗的电流)。
此外，适配器包括功率传输接口，用于通过功率传输方式向对电池充电的电池充电器提供在转换电压下的转换电流。
根据另一方面，描述了一种用于对电子设备的电池充电的电池充电器。电池充电器包括功率接收接口(如适当的插头或插座)，用于通过功率传输装置(如通过充电线)接收在转换电压下的功率(如转换电流)。此外，电池充电器可包括电流调节器，该电流调节器被配置用以通过使用转换电压下的功率调节对电池充电的电池电流。在电池电压下提供电池电流。特别地，电流调节器可以被配置用以设置电流调节器输出端的电压，使得电池以(如恒定的)电池电流充电。电池电压可随时间而变化。特别地，电池电压可以随电池的充电状态(SOC)而变化。
电池充电器可以包括传输通信模块，该传输通信模块被配置用以在通信信道上传输指示(目标)电池电压和/或(目标)电池电流的反馈信息。由于这个原因，相应的适配器可使用反馈信息来提供转换电压下的功率，其中转换电压可取决于反馈信息(特别是取决于用于(如在电池充电器的输出端)对电池充电的(目标)电池电压和/或(目标)电池电流)。
在优选示例中，电池充电器包括功率接收接口，用于通过功率传输装置接收转换电压下的转换电流。此外，电池充电器可包括被配置用以确定用于对电池充电的目标电池电流和/或目标电池电压的控制单元。特别地，控制单元可被配置用以确定关于电池SOC的信息。然后根据关于SOC的信息，控制单元可确定用于对电池充电的目标电池电流和/或目标电池电压。关于电池SOC的信息可包括(空闲)电池电压(即当电池既不充电也不放电时电池处的电压降)。通常，(空闲)电池电压随着电池SOC的增加而增加，从而提供SOC的精确指示。
可用恒定的目标电池电流将电池充电到预定的(空闲)电池电压和/或预定的SOC。继而，可以用恒定的目标电池电压对电池进行充电。这样，在充电循环的第一阶段控制单元可确定用于对电池充电的目标电池电流。此外，在充电循环的第二阶段控制单元可确定用于对电池充电的目标电池电压。从第一阶段切换到第二阶段的时刻可取决于关于电池SOC的信息。从第一阶段切换到第二阶段的时刻可在反馈信息内指示。
此外，电池充电器可包括功率转换器(如电容性功率转换器)。功率转换器可被配置或***作为以降低转换比n执行转换电压(在电池充电器的输入端)的降压转换，以提供用于对电池充电的电池电压，其中n为大于或等于1的整数(特别是n＝2)。换而言之，功率转换器可被设置用以通过降低转换比n执行转换电压的降压转换，使得用于对电池充电的电池电压对应于转换电压的1/n(去除功率转换器处的电压降)。
替代或附加地，功率转换器可被配置或可***作为以提升转换比n执行转换电流(在电池充电器的输入端)的电流提升转换，以提供用于对电池充电的电池电流，其中n为大于或等于1的整数。换而言之，功率转换器可被设置为以提升转换比n执行转换电流的电流提升转换，使得用于对电池充电的电池电流对应于转换电流的n倍。通常，功率转换器执行(大概的)降压转换和(精确的)电流提升转换。整数转换比的使用允许电池充电器内的节能以及空间的节省。
在优选示例中，电池充电器不包括电压调节器(用于将电池电压调节到目标电池电压)和/或电流调节器(用于将电池电流调节到目标电池电流)。相反，电池充电器包括传输通信模块，该传输通信模块被配置用以通过通信信道传输指示目标电池电压和/或目标电池电流的反馈信息。
反馈信息可以由相应的功率适配器接收，该功率适配器被配置用以根据目标电池电压调节转换电压和/或被配置用以根据目标电池电流调节转换电流。特别地，在恒定电流充电阶段，功率适配器可被配置用以调节转换电流(在功率适配器的输出端)，使电池充电器仅通过以整数转换比n执行电流提升转换就可以从转换电流(在电池充电器的输入端)获得(恒定的)目标充电电流。在恒定电压充电阶段，功率适配器可被配置用以调节转换电压(在功率适配器的输出端)，使电池充电器仅通过以整数转换比n执行降压转换就可以从转换电压(在电池充电器的输入端)获得(恒定的)目标充电电压。
反馈信息可(仅)在目标电池电流和/或目标电池电压改变的时刻提供。这样，从电池充电器到适配器的反馈信息的传输就可以由电池充电器的控制单元触发。作为示例，如果(如通过控制单元)在电池充电器处确定用于对电池充电的目标电池电流和/或目标电池电压将变化，则可向适配器提供反馈信息，其中反馈信息指示所请求的目标电池电流和/或目标电池电压的变化。这样，电池的(整个)充电循环可由电池充电器(特别是控制单元)使用选择性传输的反馈信息来控制。
随着电池SOC的增加，可能会出现为了根据目标电池电流调节转换电流，适配器可能需要显著增加转换电压的现象。为了保护功率适配器和/或电池充电器处的组件，功率适配器(特别是电流调节器)可被配置用以调节转换电流，使得转换电压不超过预定的最大转换电压。以类似方式，根据目标电池电压调整转换电压可能导致过大的转换电流。适配器(特别是电压调节器)可被配置用以调节转换电压，使得转换电流不超过预定的最大转移电流。
在另一示例中，适配器和电池充电器可以被配置为提供闭合调节回路，用于通过使用适配器处的电压调节器和/或电流调节器来调节电池充电器输出端的电池电压和/或电池电流。为此，可以从电池充电器向适配器重复或周期性地(如以1Hz，10Hz，100Hz或更高频率)提供反馈信息。那么，(周期性)反馈信息可以指示电池充电器输出端的(实际)电池电压和/或(实际)电池电流。电池充电器可包括用于测量电池充电器输出端的(实际)电池电压和/或(实际)电池电流的装置。
适配器处的电压调节器和/或电流调节器可以使用反馈信息来调整转换电压和/或转移电流，使得电池充电器输出端的(实际)电池电压和/或(实际)电池电流被调节到目标电池电压和/或目标电池电流。特别地，可以在适配器处提供闭环电压调节器，该电压调节器根据(实际)电池电压(特别是根据(实际)电池电压与目标电池电压的偏差)设置转换电压(在适配器输出端)，从而提供电池电压的闭环电压调节。替代或附加地，可以在适配器处提供闭环电流调节器，该电流调节器根据(实际)电池电流(特别是根据(实际)电池电流与目标电池电流的偏差)设置转换电流(在适配器输出端)，从而提供电池电流的闭环电流调节。通过提供经过适配器和电池充电器的闭环调节，可以进一步提高电池电压和/或电池电流的调节质量(以反馈信息的周期性或重复传输为代价)。
根据另一方面，描述了一种使用适配器和电池充电器对电子设备的电池充电的方法。适配器和电池充电器是彼此独立的。该方法包括使用适配器从电源获得转移电压下的功率(如转换电流)。此外，该方法包括将转换电压下的功率(如转换电流)从适配器传输到电池充电器。此外，该方法包括用电池电压下的电池电流对电子设备的电池充电，其中电池电流是使用电池充电器从转换电压下的功率(如转换电流)获取的。该方法还包括将指示电池电压和/或电池电流的反馈信息从电池充电器传输到适配器，其中转换电压和/或转换电流由适配器根据反馈信息设置(特别是调节)。反馈信息可以特别地指示在电池充电器输出端提供的用于电池充电的目标电池电压和/或目标电池电流。这样，就可以根据目标电池电压和/或目标电池电流调节适配器输出端的转换电压和/或转换电流。
应当注意，包括本文件中概述的优选实施例的方法和***可以单独使用或与本文件中公开的其他方法和***组合使用。此外，***上下文中概述的特征也适用于相应的方法。此外，本文件中概述的方法和***的所有方面可以任意组合。特别地，权利要求的特征可以以任意方式彼此组合。
在本文件中，术语“耦合”或“被耦合”是指元件彼此电连通，无论是如通过导线直接连接，还是以某种其他方式。
附图说明
下面参考附图以示例性方式解释本发明，其中：
图1示出了用于对电池充电的示例***的框图；
图2示出了用于对电池充电的另一示例***的框图；
图3示出了用于对电池充电的示例方法的流程图；和
图4示出了用于对电池充电的另一示例***的框图。
详细描述
如上所述，本文件解决了以功率和空间有效的方式对电子设备的电池充电的技术问题。特别地，为了降低电子设备内的功耗，期望将充电***(尤其是包括在充电***的电池充电器内的功率转换器)的效率提高到95％或更高。
图1示出了示例充电***100的框图，其中充电***100包括墙插头适配器110，充电线120(如USB线)和电池充电器130。通常，电池充电器130结合到诸如智能电话或平板电脑的电子设备中，以便为电子设备的电池140充电。适配器110包括被配置用以从AC(交流)源电压(如110V、220V或240V的AC市电电压)产生DC(直流)转换电压121的AC/DC调节器111(特别是电压调节器)。DC转换电压121经充电线120提供给电池充电器130的功率转换器131，其中功率转换器131被配置为将转换电压121转换为***电压135，其中***电压135通常对应于用于对电池140充电的电池电压Vbat141加上充电单元133处的下降电压Vcdrop。
充电单元133(或电流调节器)可以被配置为在(通常为变化的)电池电压141处向电池140提供预定的电池电流用于对电池140充电。为此，充电单元133可包括电池开关和/或电池调节器(如低压差LDO调节器)，以及用于感测电池电流的电流感测装置。充电单元133可用控制单元134来控制。具体地，充电单元133可被控制为使得依据(预定的)目标电池电流的电池电流可以被提供。
此外，充电***100包括使电池充电器130能够与适配器110通信的通信装置。特别地，通信装置使电池充电器130能够向适配器110提供反馈信息。此外，适配器110可被配置用以根据反馈信息调整AC/DC调节器111的操作。通信装置包括电池充电器130内的通信模块132和适配器110内的对应通信模块112。反馈信息可由电池充电器130的通信模块132经由充电线120(如经由充电线120的通信导线122)传输到适配器110的通信模块112。反馈信息可由电池充电器130的控制单元134提供。反馈信息可以指示或对应于电池电压141，电池电压被充电单元133使用来对电池140充电。
通过使用电池充电器130和适配器110之间的双向通信，适配器110在初始协商期间就可以向电池充电器130告知其性能(如最大电压和/或电流)。适配器110还可以发送从电池充电器130收到的指令确认或标记通信错误(如无效指令)。
如上所述，本文件的目标是增加(如最大化)电池充电器130的效率。为此，转换电压121(也称为电池充电器130的输入电压)可被准确设置为电池电压Vbat141的n倍加上充电单元133上的下降电压Vcdrop并可能加上功率转换器131内的一些电压降Vpdrop。这可以通过根据所需电池电压Vbat141调节AC/DC调节器111输出端处的电压来实现。如图1所示，从电池充电器130到适配器110的通信可以通过使用充电线120的墙插头通信来完成。特别地，电池电压141和/或所需转换电压121可以作为反馈信息送到适配器110。然后可以操作AC/DC调节器111使所需转换电压121被提供给电池充电器130的输入端。
功率转换器131可以包括电容性功率转换器。此外，功率转换器131可被配置为以节能的方式提供整数降低转换比n，如当使用适当设计的电容功率转换器时的情况。作为将输入电压141提供给具有n倍所需电池电压141(通常加上功率转换器131和/或充电单元133处的电压降)的功率转换器131的结果，功率转换器131可以在具有最大转换效率的最佳操作点处操作。
应注意，电池充电器130和适配器110之间的通信不限于经由线120(如经由USB导线)的通信。如图2的充电***200所示，使用适当的无线通信模块232、212来执行与墙插头适配器110的无线通信222。示例无线通信方案是蓝牙、无线LAN、UMTS、LTE等。
此外，应当注意充电***200可以被配置为使用适配器110处的无线功率传输器211和电池充电器130处的对应无线功率接收器231来执行无线功率传输221。无线功率传输221通常使用电感器进行功率传输。电感性功率传输的一个例子是Qi标准。
应当注意对于n＝1的情况，功率转换器131可以被绕过和/或移除，从而进一步提高充电***100、200的功率效率。
这样，在电池充电器130内可以使用集成电容性转换器131来划分输入电压121。电容性转换器131可以与调节回路结合使用以动态地将输入电压121精确控制为n x(Vbat+Vcdrop)。替代或附加地，电容性转换器131可以用于控制待提供给电池140的恒定电流。只要转换器131的转换比Vin/Vout为整数比，电容性转换器131就可以获得高效率。典型实现可以是2：1电容性转换器。在电容转换器131内可以不使用调节，从而提供电容性转换器131的最佳效率。
与基于电感器的功率转换器相比，电容性转换器131的另一个优点是电容器比电感器的能量密度高10～1000倍。由此，尽管电容性转换器131的开关频率相对较低，但电容性转换器131内使用的能量存储元件也可以是超小的。
图1和图2的充电***100、200利用适配器110的AC/DC调节器111来调节充电单元133输入端的***电压135。为此，使用通信装置将指示电池电压Vbat141的反馈信息提供给适配器110。具体地，电子设备内的电池充电器103的集成电路(IC)和外部电源110内(即适配器110内)的调节器111的IC之间的(闭环)通信可以被提供。
通过改变转换电压，可以在AC/DC调节器111处“闭合”环路。应该注意，较高的电压也可以触发较高的电流，这导致***100电流馈送组件中的电压降增加。因此，电池充电器130输入端的转换电压增加的可以比指示给AC/DC调节器111的转换电压少得多。在配置恒定电流情况下，***100提供的这种电流可以被认为是回路闭合的。然而，在最大转换电压情况下，配置的电流不可能总被提供给电池充电器130。
通信可以通过充电线120完成，其中可以使用若干技术如VBUS信令、D+/D-信令、和/或通过线120的Type C连接器的通信。替代或附加地，充电器IC与墙插头适配器110内调节器IC之间的通信可由无线连接来实现。典型的应用是无线充电。与功率发射器(即与适配器110)的通信可由负载调制和/或例如由RezenceTM无线充电标准规定的无线RF(射频)链路(蓝牙等)来实现。
图1和2的充电***100、200允许在高效率下进行功率转换，即使转换比为Vin/Vout＝2,3,4..。因此，可以增加转换电压121使得能够在电池充电器130内以高效率(如95％)和低功耗(如减少50％)下用相同的电力线120(导线/连接器)传输增加的功率。这样，充电***100、200就能够实现节能的高压(HV)电池充电。
如上所述，在转换比Vin/Vout＝1的情况下，可以从电池充电器130中移除功率转换器131。故而，将转换电压121直接提供给可被配置为提供用于对电池140充电的调节电池电流的充电单元133。这种情况下，转换电压121由适配器110的调节器111设定为电池电压141加上充电单元133两端的电压降。因而可以进一步降低电池充电器120的功耗和空间要求。
图3示出了用于对电子设备的电池140充电的示例方法300的流程图。电池140可包括一个或多个串联和/或并联布置的电池单元。例如电池单元可使用锂离子电池(LiIon)技术来实现。电子设备可包括如智能手机或平板电脑的便携式电子设备。方法300可通过使用适配器110和电池充电器130来实现，其中适配器110和电池充电器130通常彼此独立。
方法300包括使用适配器110从电源(如从市电电源)中获得301转换电压121处的功率。转换电压121为DC电压，其中电源可以以AC电压提供AC功率。方法300还包括(如使用导电充电线或使用无线功率传输技术)将转换电压121处的功率从适配器110传输302到电池充电器130。
此外，方法300包括用电池电压141处的电池电流对电子设备的电池140充电303，其中电池电流通常是通过使用电池充电器130从转换电压121处的功率获得。特别地，调节的电池电流(如调节到恒定目标电池电流)可以被提供用于对电池140充电。为此，电池充电器130可以包括电流调节器133。为此，电池充电器130可包括电流调节器133(这里也称为充电单元)。
方法300还可以包括将指示电池电压141的反馈信息304从电池充电器130传输到适配器110。然后转换电压121可由适配器110根据该反馈信息设置。具体地，转换电压121可以根据该反馈信息被调节。举例来说，转换电压121可以被设置(如调节)使得要求在电池充电器130执行以获得电池电压141的降压转换是等于或大于等于1的整数n。具体地，目标降低转换比n与实际降低转换比之间的偏差可以被确定。可以设置(如调节)转换电压121使偏差的幅度减小(如最小化)。因此，用于对电池充电的功率效率可以被提高。
如图3所示，传输304反馈信息和基于该反馈信息获得301转换电压121处的功率的过程可以以迭代方式重复。特别地，(连续)调节回路可以被实现。
图4示出了包括功率适配器110、电池充电器130和待充电电池140的示例***。在所示示例中，功率适配器110包括AC/DC整流器410和DC/DC功率转换器411(共同形成AC/DC功率转换器111)，其中功率转换器411被配置用以设置(特别是调节)转换电压121和/或经由功率传输装置120提供的转换电流。功率传输装置120可包括USB线(特别是Type C型USB线(如用于3A转换电流))。此外，功率适配器110可包括一个或多个用于控制功率转换器411的控制单元412、413。
电池充电器130包括DC/DC功率转换器131(在电压降低或电流提升转换比为n(如n＝2)下***作)。电池充电器130还包括可被配置用以确定目标电池电流和/或目标电池电压的控制单元134。此外，电池充电器130可包括被配置用来感测对电池140充电的电池电流的电流监测器431。另外，电池充电器130可包括被配置用来感测关于电池140SOC信息的测量单元432。此外，电池充电器130可包括过压保护电路433。反馈信息可以由USB线120的UTP(如D+和/或D-)端口提供。
应注意，说明书和附图仅说明了所提出方法和***的原理。本领域技术人员将能够实现虽未在本文中明确描述或示出但体现本发明原理的各种布置，这些布置均包括在本发明的构想和范围内。此外，本文件中概述的所有示例和实施例主要旨在仅用于解释目的以帮助读者理解所提出方法和***的原理。此外，本文所提供的本发明原理、方面和实施例的所有陈述以及其具体示例旨在涵盖其等同。

Claims (16)

1.用于电子设备的电池(140)的充电***(100，200)，其中所述充电***(100，200)包括，
被配置用以从电源获得转换电压(121)处的转换电流的适配器(110)；
被配置用以使用所述转换电压(121)处的所述转换电流以电池电压(141)处的电池电流对电子设备的电池(140)充电的电池充电器(130)；
被配置用以将所述转换电压(121)处的所述转换电流传输给所述电池充电器(130)的功率传输装置；和
被配置用以将指示所述电池电压(141)和/或所述电池电流的反馈信息从所述电池充电器(130)传输到所述适配器(110)的通信装置；其中所述适配器(110)被配置用以根据所述反馈信息设置所述转换电压(121)和/或所述转换电流。
2.如权利要求1所述的充电***(100，200)，其中
所述适配器(110)和所述电池充电器(130)在独立的物理单元中被实现，特别在独立的集成电路内被实现；和/或
所述电池充电器(130)作为所述电子设备的一部分被实现。
3.如前面任一权利要求所述的充电***(100，200)，其中所述适配器(110)包括被配置用以根据所述反馈信息调节所述转换电压(121)的电压调节器(111)，使得所述电池电压(141)可由所述电池充电器(130)使用降低转换比为n的降压转换从所述转换电压(121)获取，其中n为等于或大于1的整数。
4.如前面任一权利要求所述的充电***(100、200)，其中所述适配器(110)包括被配置用以根据所述反馈信息调节所述转换电流的电流调节器(133)，使得用于对所述电池(140)充电的电池电流可由所述电池充电器(130)使用提升转换比为n的电流提升转换从所述转换电压(121)获取，其中n为等于或大于1的整数。
5.如前面任一权利要求所述的充电***(100，200)，其中
所述电池充电器(130)包括被配置用以确定为所述电池(140)充电的目标电池电流和/或目标电池电压的控制单元(134)；和
所述反馈信息指示所述目标电池电压和/或所述目标电池电流。
6.如前面任一权利要求所述的充电***(100，200)，其中
所述电池充电器(130)包括功率转换器(131)，功率转换器(131)被配置为
以降低转换比n执行所述转换电压(121)的降压转换，其中n为大于或等于1的整数；和/或
以提升转换比n执行所述转换电流的电流提升转换，其中n为大于或等于1的整数；和
所述适配器(110)被配置用来还根据所述降低或提升转换比n设置所述转换电压(121)和/或所述转换电流。
7.如权利要求6所述的充电***(100，200)，其中所述功率转换器(131)包括电容性功率转换器。
8.如权利要求6到7任一项所述的充电***(100，200)，其中
所述功率转换器(131)表现出转换器电压降；和
所述适配器(110)被配置用来还根据所述转换器压降设置所述转换电压(121)和/或所述转换电流。
9.如前面任一权利要求所述的充电***(100，200)，其中所述功率传输装置包括
充电线(120)，特别是USB充电线；和/或
被配置用以通过使用所述转换电压(121)下的所述转换电流来产生电磁充电场的无线功率传输单元；和
被配置用以从所述电磁充电场中获取所述转换电压(121)下的功率的无线功率接收单元。
10.如前面任一权利要求所述的充电***(100，200)，其中
所述电池充电器(130)包括被配置用以通过通信信道传输所述反馈信息的传输通信模块(132)；和
所述适配器(110)包括被配置用以通过所述通信信道接收所述反馈信息的接收通信模块(112)。
11.权利要求10所述的充电***(100，200)，其中所述通信信道包括
充电线(120)的电导线(122)，用以将所述转换电压(121)下的所述转换电流从所述适配器(110)传导到所述电池充电器(130)；和/或
无线功率传输单元；和/或
射频链路，如蓝牙链路、WLAN链路、UMTS链路和/或LTE链路。
12.如前面任一权利要求所述的充电***(100，200)，其中所述适配器被配置用以
调节所述转换电压使所述转换电流不超过预定最大转换电流；或
调节所述转换电流使所述转换电压不超过预定最大转换电压。
13.用于对电子设备的电池(140)充电的充电***(100，200)的适配器(110)，其中所述适配器(110)包括
被配置用以接收指示用于对所述电池(140)充电的目标电池电压(141)和/或目标电池电流的反馈信息的接收器通信模块(112)；
被配置用以根据所述反馈信息从电源获取转换电压(121)下的转换电流的电压调节器(111)和/或电流调节器；和
用于通过功率传输装置(120)将所述转换电压下的所述转换电流提供给用于对所述电池充电的电池充电器(130)的功率传输接口。
14.如权利要求13所述的适配器(110)，其中
所述电压调节器(111)被配置用以根据所述反馈信息调节所述转换电压，使得通过使用在电子设备上的降低转换比为n的降压转换将用于对所述电池(140)充电的电池电压(141)调节到所述目标电池电压(141)，其中n为等于或大于1的整数；和/或
所述电流调节器被配置用以根据所述反馈信息调节所述转换电流，使得通过使用在电子设备上的提升转换比为n的电流提升转换将用于对所述电池(140)充电的电池电流调节到所述目标电池电流，其中n为等于或大于1的整数。
15.用于给电子设备的电池(140)充电的电池充电器(130)，其中所述电池充电器(130)包括
用于通过功率传输装置(120)接收转换电压(121)下的转换电流的功率接收接口；
被配置用以确定用来对所述电池(140)充电的目标电池电流和/或目标电池电压的控制单元(134)；
功率转换器(131)，被配置用以
以降低转换比n执行所述转换电压(121)的降压转换来提供用于对所述电池(140)充电的电池电压，其中n为大于或等于1的整数；和/或
以提升转换比n执行所述转换电流的电流提升转换来提供用于对所述电池(140)充电的电池电流，其中n为大于或等于1的整数；和
被配置用以通过通信信道传输指示所述目标电池电压和/或所述目标电池电流的反馈信息的传输通信模块(132)。
16.使用适配器(110)和电池充电器(130)对电子设备的电池(140)充电的方法(300)，其中所述适配器(110)和所述电池充电器(130)是彼此独立的；所述方法(300)包括
使用所述适配器(110)从电源获取(301)转换电压(121)下的转换电流；
将所述转换电压(121)下的所述转换电流从所述适配器(110)传输(302)到所述电池充电器(130)；
用电池电压(141)下的电池电流对所述电子设备的电池(140)充电(303)，其中所述电池电流通过使用所述电池充电器(130)从所述转换电压(121)下的所述转换电流获取；和
将指示所述电池电压(141)和/或所述电池电流的反馈信息从所述电池充电器(130)传输(304)到所述适配器(110)；其中所述转换电压(121)和/或转换电流是由所述适配器(110)根据所述反馈信息设置的。
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