CN1499689A

CN1499689A - 电池过压过流保护电路和可调适配器限流电路

Info

Publication number: CN1499689A
Application number: CNA031594654A
Authority: CN
Inventors: 弗拉德・波谱斯库-斯坦尼斯蒂; 弗拉德·波谱斯库－斯坦尼斯蒂; ・利普赛; 拉兹罗·利普赛; ・谷斯塔夫森; 斯蒂芬·谷斯塔夫森
Original assignee: 02 MICRO Co
Current assignee: O2Micro International Ltd
Priority date: 2002-10-24
Filing date: 2003-09-25
Publication date: 2004-05-26
Anticipated expiration: 2023-09-25
Also published as: CN2702505Y; US6989981B2; CN1320717C; TW200406966A; US20040080892A1; TWI240474B

Abstract

本发明公开了一种包括保护电路和/或适配器限流偏置电路的电池充电电路。当充电路径为开路时，例如，当电池与充电路径断开连接时，该保护电路能减轻或消除由充电控制器产生的过压和过流状况。适配器限流偏置电路能产生一个偏移信号给由充电器控制器使用的适配器电流信号。

Description

电池过压过流保护电路和可调适配器限流电路

技术领域

本发明涉及一种电池过压过流保护电路，以及可调适配器限流电路。

背景技术

图3所示为一种常规保护电路的拓扑结构200。电路200包括常规电池充电电路20和一个保护电路，该保护电路由电池40和适配器电源22之间的一个二极管204和电阻202构成。在电池充电领域中，电池充电的构成是人们熟知的，其包括：一个充电器控制器30、一个由开关26、28和电感32、电容器34构成的降压型转换器(Buck converter)，以及一个反向电流保护开关38。充电器30利用来自常规PWM技术控制降压型转换器的开关26和28，来产生一个至电池40的充电电流。电流源通常是一个适配器22。充电器利用来自检测电阻R1(24)和R2(36)的反馈信息来控制流至电池的电流量。检测电阻R1产生一个代表从适配器22流出电流量的反馈信号。检测电阻R2产生一个代表降压型转换器产生的充电电流量的反馈信号。反馈数据用来控制占空比，从而控制由充电器产生的充电电流。

在操作期间，充电器控制器通过调整开关26和28的占空比(PWM)来调整流至电池的充电电流量。充电部分20的工作情况在美国专利申请09/948,828(现在的美国专利)和美国专利No.6,459,602中有进一步的详细描述，所有上述专利被全部引作参考并教导这些常规组成部分和变化形式。

当电池被断开，充电路径(定义为适配器和电池之间的部分)就为开路。因为开关38被控制器30产生的控制信号打开，所以限流电阻202和二极管204进行工作以便增加充电器的电压反馈引脚(VFB)上的电压。结果，充电器将减小占空比，从而电容器34上的电压也减小。当电池重新连接上时，电容器34上的电压小于电池两端的电压，因此开关38的体二极管(body diode)被反向偏置。在这种情况下，流入电池的浪涌电流就会减小或者被消除，控制器的占空比逐渐增加，以便继续给电池充电。

然而，该拓扑结构并不包括一种能防止或减少电池终端过压的机构。

发明内容

一方面，本发明给出了一种电池充电器电路，它包括：一个包括充电控制器的电池充电电路，用于根据由所述控制器产生的PWM信号的占空比产生沿充电路径的充电电流和电压。一个与充电路径相耦连的保护电路，当所述充电路径为开路时，该保护电路适用于减小所述开关的所述占空比，从而减小PWM信号产生的电压和电流。

另一方面，本发明给出了一种电池充电器电路，它包括：一个包括充电控制器的电池充电电路，用于根据由所述控制器产生的PWM信号的占空比产生沿充电路径的充电电流和电压。该电路还包括适配器限流保护电路，该保护电路产生一偏移信号(offset signal)给由所述控制器使用的一个适配器电流信号。

本领域的技术人应当理解，虽然下面的详细描述是基于给出的最佳实施例及其使用方法进行的，但是本发明并不仅仅局限于这些实施例和使用方法。反而，本发明涉及范围广泛，其范围仅由附后的权利要求限定。

本发明的其它特征和优点将在下面的详细描述过程中得到充分体现，详细描述中请参照各附图，其中相同的标号表示相同的部件。

附图说明

图1所示为本发明的一个示例性保护电路拓扑结构图。

图2所示为本发明的一个示例性可调适配器限流电路拓扑结构图。

图3所示为一个常规保护电路拓扑结构图；和

图4所示为本发明的另一示例性实施例的保护电路拓扑结构图。

具体实施方式

图1所示为一个带保护电路12的示例性充电电路10。当充电路径50为开路时(可以是，例如，当电池与充电路径断开时)，该保护电路能防止或减轻过压及过流。电路10包括一个常规电池充电电路20和一个保护电路12。总的看来，当充电路径50为开路时，保护电路12适用于减小由充电器控制器30产生的PWM信号的占空比。充电路径50通常代表适配器22与电池40之间的路径，并由开关26、28和38控制。在一个示例性实施例中，当电池40断开连接时(或者当充电路径为开路时)，保护电路12适用于减小由充电器控制器30产生的PWM信号的占空比，从而减小当电池重新被连接时电池终端(节点44)上的电压和浪涌电流。

在电池充电领域中，电池充电的构成是人们熟知的，其包括：一个充电器控制器30、一个由开关26、28和电感32、电容器34构成的降压型转换器，以及一个反向电流保护开关38。充电器控制器30利用常规PMW技术控制降压型转换器的开关26和28，以产生一个至电池40的充电电流。电流源通常是一个适配器22。充电器控制器利用来自检测电阻R1(24)和R2(36)的反馈信息来控制流至电池的电流量。检测电阻R1产生一个代表由适配器22产生的电流量的反馈信号。检测电阻R2产生一个代表由降压型转换器产生的充电电流量的反馈信号。上述反馈数据用来控制占空比，并控制由控制器产生的充电电流。如对组成部分20的上述描述，在工作期间，充电器控制器通过开关26和28调整所产生的PWM信号的占空比，从而来调整流至电池的充电电流量。

电池领域还为人们所熟知的是，电池单元40(例如，Li Ion电池)包括一个内部开关装置42来连通和断开电池和充电电路，例如，当电池进行周期性校验时。在常规电池充电***中，当电池重新与充电电路连通时，节点44的电流增加，这是因为反馈信息发现电池处于开路状态，就会通过增大开关的占空比来试图增加流经电池的电流。同样，在电池断开连接期间，电池终端上的电压也会增加。这两种情况在电池重新连接时都会损坏电池或充电器电路。现有技术中一种试图减少这些影响的办法是提高控制回路的速度。但是，即使响应时间接近为零(这将付出很高代价)，当电池重新连接时，形成在电容器34上的电荷仍然会产生浪涌电流。

相应地，当电池40断开连接时，保护电路12适用于减小充电器控制器30产生的PWM信号的占空比，从而减小电池终端(节点44)的电压和当电池重新连通时产生的浪涌电流。在一个示例性实施例中，保护电路12在节点45和44处与充电路径50相耦接(尽管也同样可以考虑将保护电路12适当地耦接到充电路径的任何地方)。保护电路12包括一个限流电阻18(Rlimit)和包括一误差放大器14、晶体管16的激活电路，该电路一端连接在节点44(电池终端节点)，另一端通过适配器电流检测电阻24连接到适配器22上。

在电池连接充电的正常工作期间，电池是被连通的。连通的电池产生一个代表电池上电压的反馈信号VFB。在示例性实施例中，可编程值VbatMax稍大于电池的最大额定电压(例如，可以由电池生产商提供)。“稍大于”在这里可以被广义地理解为一个较高值，例如，可以基于组件允许公差、理想输出，或是一个例如高2-5％的指定值。本发明旨在包括广范围的VbatMax值，因此任何一个较高的值都被认为是同等的。因此，当电池被连接，误差放大器EA14将有一个正值输入；从而它的输出保持高电平，使晶体管16饱和。电流将从AC适配器通过R1和Rlimit，流入电池。Rlimit是选择用来把该电流限制在一个与流经R1、R2的主充电电流相比较低的电流值上。Rlimit的具体值并不关键，例如，可以选择Rlimit来允许占充电电流的可忽略不计的百分比的电流流经电路12。另外，或可替代地，当开关38断开，可以选择Rlimit 18的值来给电池提供涓流充电。

当电池开关40的内部开关42处于OFF状态(即电池断开)，则连在适配器22上经R1和R2通往电池40的充电路径50为开路，因此流经R1和R2的主充电电流下降至零。充电器则会通过发送CHGST信号来作出响应而关闭开关S3(38)。充电器接收来自由R2与反馈信号ICHP和ICHM定义的充电器电流回路的反馈信息，并通过增加开关26和28的占空比来使充电电流保持在编程设定值。这会使电容器C上电压的增加。VFB(节点44)上的电压也会增加，并且当VFB与VbatMax相等时，误差放大器EA 14会改变状态，使得晶体管16开始工作在激活区。这使VFB保持在VbatMax电平。Vmax是充电器的一个可编程输入信号，代表电池的最大电压。这样的话，VFB就大于Vmax。Vmax回路尽力使VFB保持在Vmax电平，并使充电器减小占空比，从而减小电容器34上的电压。因为S3二极管此刻为反向偏置，该回路则被断开，并且充电器将继续减小占空比至一个可编程最小值。综上所述，随着电池内部开关转为OFF状态，电池终端上的电压(VFB)将保持在VbatMax，而电容器C上的电压则很小(与电池电压相比较)，相应于达到最小占空比(0％的占空比将为0伏)。

当电池内部开关42调回至ON，电池强制VFB电压为小于VbatMax的一个值，因此使晶体管16处于饱和状态，如上所述。VFB电压也小于Vmax，并且Vmax回路停止强制占空比为低值。占空比将被电流控制回路和电压控制回路驱动而从低值开始增大。当占空比达到一个值使得电容器C上的电压大到足以能使S3二极管正向偏置时，就会再次形成充电电流，***也回到初始状态。从而，过压和过流情形就被减轻或者消除。

图2所示为本发明的示例性可调适配器限流电路100。图2的电路100的组成部分和图1电路10的组成部分相似，但在该示例性实施例中，充电器电路20’改进后包括可调节适配器电流限制的电路。本领域熟知，不同的适配器根据适配器的最大额定电流值归类。现在，一些适配器包括一个表明该适配器的最大额定电流的信号(图中未示出)。根据该信号，***微控制器会设定一个电压IadLimitSet，该电压可用在充电器电路中来把适配器的电流限定在一个恰当的值。假如充电器30没有改进成接受该电压值从而相应调整适配器的电流，因为充电器有可能从适配器中抽出(draw)过多电流，或者在电池(用于充电)和***(图中未示，但通常包括一个例如经由R1从适配器获得电源的便携式计算机的***)之间错误的分配可用电流，故总电流(***电流和充电器的输入电流)将会超出适配器容量。或者，如果充电器包括一个固定的适配器额定电流，从而用一个较大的适配器将会利用不充分，因为充电器不能使用超出编写在充电控制器里的固定值的电流。

一些充电器设有对适配器电流的固定内部限定值；即设定一个在IACM和IACP之间的限定电压Vad_sense_lim。当超出了这个阈值，适配器电流回路(通过R1)开始减小充电电流，以使总适配器电流保持在限定值之内。适配器电流限定值为Vad_sence_lim/R1。可以通过选择适配器电流检测电阻R1来选择该适配器电流限定值。如果具有不同电流容量的适配器用在同一***，终端用户每次改变适配器类型时都改变检测电阻的方法是不现实的。另一个解决的办法是改变检测电压Vad_sense_lim的限定值，或者在检测电阻R1的电压上加一偏移量。因此，把内部限定值保持在Vad_sense_lim不变，检测电阻上的电压通过附加的偏移量而在到达引脚IACP和IACM之前就已经改变。这是由图2所示的拓扑结构20’实现的。在该示例性实施例中，电阻R3和电流源48并联于R1和适配器22之间，从而改进了通过R1的适配器电流控制回路。该电流可以由微控制器来调节，从而适应不同的适配器尺寸。

因此，R3上的电流偏移R1上的电流。在该示例性实施例中，电流源产生的电流是由适配器电流限定信号IadLimitSet所设定的。当然，电流源产生的电流可以是一个固定的、预先设定的值，例如，选择为能适应市场上大多数的适配器的值。通过检查，控制器中的反馈值由R1上的电压值减去R3上的电压值来表示，即Vr1-Vr3。

本领域的技术人员将认识到，可以对本发明做许多改进。例如，图1所示的过压和过流保护电路12只是一种示例性的实施例例。图4所示为本发明的另一个可替换示例性实施例保护电路12’。在该示例性实施例中，一个并联稳压器58用来限制电池的开路电压(以和如图1和2的误差放大器14大致相同的方式)。如前所述，保护电路12’耦接到充电路径50(例如，连在节点45和44之间)。电阻54(R4)给晶体管16提供基极电流，并给并联稳压器58提供阴极电流。相应地，选择R4的值以提供合适的基极电流和阴极电流。通常，尽管不是必须的，R4＞R3。由R5(60)和R6(62)表示的分压器给并联稳压器58提供一个参考电压。通常，R5大于R6。并联稳压器58和由R5(60)和R6(62)构成的分压器的工作过程与上述的误差放大器的工作过程相似，并为本领域技术人员所理解。本领域的技术人员还知道，许多其它电路拓扑结构可以按减轻或者消除过压和过流情况的方式来减少控制器产生的PWM信号的占空比；图1、2、4的典型例子给出了这种电路结构，并且本发明的范围并不局限于这里所述的具体拓扑结构。

图1、2、4所示的组成构件可能包括常规标准构件和/或定制构件或专有构件。图中所示的晶体管16为常规NPN器件，尽管如此，其它晶体管(例如FET)也能满足条件并且被认为是本发明的等同物。所有的这些替代都认为是在本发明的精神之内，都受限于本发明的权利要求。

Claims

1.一种电池充电器电路，包括一个充电控制器，所述充电控制器根据由该充电控制器产生的PWM信号的占空比产生沿充电路径的充电电流和电压；一个与所述充电路径耦接的保护电路，其适用于当所述充电路径为开路时减小开关的占空比，从而减小由所述PWM信号产生的电压和电流。

2.根据权利要求1所述的电池充电器电路，其中，所述充电电路还包括一个降压型转换器电路，所述降压型转换器电路包括一个沿所述充电路径的电感和一个并联于所述充电路径的电容器，且当所述充电路径为开路时，由所述保护电路减小所述电容器上的电压。

3.根据权利要求2所述的电池充电器电路，其中，当所述充电路径为开路时，由所述保护电路减小所述电感上的电流。

4.根据权利要求1所述的电池充电器电路，其中，所述保护电路包括一个与晶体管串联的限流电阻，所述晶体管的导通状态由一个误差放大器控制，所述误差放大器接收一个表示所需最大电压的第一输入、和一个表示所述充电电路产生的电压的第二输入。

5.根据权利要求1所述的电池充电器电路，还包括适配器电流限制保护电路，所述限制保护电路产生一偏移信号给由所述控制器使用的适配器电流信号。

6.根据权利要求5所述的电池充电器电路，其中，所述充电路径还包括一个检测电阻，所述检测电阻产生一个表示由适配器供给的电流的反馈信号，而且所述适配器电流限制保护电路包括一个与电流源串联的电阻，以便产生所述偏移信号给表示由所述适配器供给的所述电流的所述反馈信号。

7.一种电池充电器电路，包括一个电池充电电路，所述电池充电电路包括一个充电控制器，该充电控制器根据其产生的PWM信号的占空比沿充电路径产生充电电流和电压；还包括产生一个偏移信号给由所述控制器使用的适配器电流信号的适配器电流限制保护电路。

8.根据权利要求7所述的电池充电器电路，其中，所述充电路径还包括一个用于产生表示由适配器供给的电流的反馈信号的检测电阻，其中，所述适配器电流限制保护电路包括一个与电流源串联的电阻，以便产生所述偏移信号给表示由所述适配器供给的所述电流的所述反馈信号。

9.根据权利要求7所述的电池充电器电路，还包括一个耦接到所述充电路径的保护电路，当所述充电路径为开路时所述保护电路适用于通过所述控制器减小所述PMW信号的占空比，从而减小所述开关产生的电压和电流。

10.根据权利要求9所述的电池充电器电路，其中，所述充电电路还包括一个降压型转换器电路，所述降压型转换器电路包括一个沿所述充电路径的电感和一个与所述充电路径并联的电容器，且当所述充电路径为开路时，由所述保护电路减小所述电容器上的电压。

11.根据权利要求9所述的电池充电器电路，其中，当所述充电路径为开路时，由所述保护电路减小所述电感中的电流。

12.根据权利要求7所述的电池充电器电路，所述保护电路包括一个与一开关串联的限流电阻，所述开关的导通状态由一个误差放大器控制，所述误差放大器接收一个表示所需最大电压的第一输入和一个表示所述充电电路产生电压的第二输入。

13.一种电池充电器电路，包括一个电池充电电路，所述电池充电电路包括一个充电控制器，该充电控制器根据其产生的PWM信号的占空比沿一个充电路径产生充电电流和电压；还包括一个耦接到所述充电路径的保护电路，当所述充电路径为开路时，所述保护电路适用于给所述充电控制器产生反馈信号来减小所述开关的占空比，从而减小由所述开关产生的电压和电流；还包括适配器电流限制保护电路，用来产生一个偏移信号给由所述控制器使用的适配器电流信号。

14.根据权利要求13所述的电池充电器电路，其中，所述充电电路还包括一个降压型转换器电路，所述降压型转换器电路包括一个沿所述充电路径的电感和一个与所述充电路径并联的电容器，当所述充电路径为开路时，由所述保护电路减小所述电容器的电压。

15.根据权利要求14所述的电池充电器电路，其中，当所述充电路径为开路时，由所述保护电路减小所述电感中的电流。

16.根据权利要求13所述的电池充电器电路，其中，所述保护电路包括一个与一开关串联的限流电阻，所述开关的导通状态由一个误差放大器控制，所述误差放大器接收一个表示所需最大电压的第一输入和一个表示由所述充电电路产生的电压的第二输入。

17.根据权利要求13所述的电池充电器电路，所述充电路径还包括一个检测电阻，所述检测电阻用于产生一个表示由适配器供给的电流的反馈信号，所述适配器电流限制保护电路包括一个与电流源串联的电阻，以便产生所述偏移信号给表示由所述适配器供给的所述电流的所述反馈信号。

18.根据权利要求1所述的电池充电器电路，其中，所述保护电路包括一个与晶体管串联的限流电阻，所述晶体管的导通状态由并联稳压器控制，所述并联稳压器接收由所述晶体管的输出产生的一个参考信号。

19.根据权利要求18所述的电池充电器电路，还包括一个与所述晶体管的输出耦接的分压器电路，所述分压器产生所述参考电压。