CN1633739A - 复合电源 - Google Patents

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乔丹·T·鲍瑞库夫
戴维·N·克莱恩
约翰·罗腾杜
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    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
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  • Dc-Dc Converters (AREA)
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Abstract

一种复合电源包括一开关型DC/DC增压转换器，它从原电池接收能量并安排将所接收的能量输送到可充电电池中，并设置上述转换器提供一个小于可充电电池满负荷电压的一个固定的输出电压。该复合电源包括一个电路，该电路包含原电池电流控制器，它检测原电池电流并部分控制所述转换器的操作来为该复合电源的原电池一侧提供恒定电流的放电。

Description

复合电源
本发明涉及便携式电子设备的供电。
通常，便携式电子设备是由原电池或者可充电电池来供电的。但便携式电子设备市场的发展，以及使用方式的变革为整合原电源和可充电电源来为电子设备供电提供了前景。虽然原电池具备更大的能量密度，但其内阻却很大，因此原电池不适于高耗电(＞0.2C的放电率)的电子设备。可充电电池可以支持较大负载，但是在许多应用领域中却显得容量不足。
根据本发明的一个方面，一种复合电源包含一个开关型DC/DC增压转换器，用于从一个原电池接收能量并安排将所接收的能量输送到一个可充电电池中，并设置上述转换器提供一个小于可充电电池满负荷电压的一个固定的输出电压。
根据本发明的另一个方面，一种复合电源包含一个开关型DC/DC增压转换器，用于从一个原电池接收能量并安排将所接收的能量输送到一个可充电电池，以及一个控制该开关型DC/DC转换器的控制电路。所述电路包含一个耦合于上述转换器反馈输入上的电阻分压器，被选择用于提供小于该可充电电池满负荷电压的一个固定的输出电压。
根据本发明的另一个方面，一种操作复合电源的方法包括通过一个开关型DC/DC增压转换器将能量从一个原电池以小于可充电电池满负荷电压的一个固定电压输送到一个可充电电池。
本发明的一个或更多的方面将带来如下一个或更多的优点。
所述电路可以利用锂离子或锂聚合物可充电电池的充电电压的特性。例如，锂离子电池的充电电压通常在很宽的幅度内与其充电状态有关。这就允许电路以相应于所需的充电状态的电平由DC/DC转换器12产生一个输出电压。电路并不将可充电电池充满，牺牲了一定比例的设备最大连续运行时间。然而，非饱和充电的方案具备如下的优点。电路能够提供更高能量效率的可充电电池。在为可充电电池充电的最后阶段将会产生热损失。通过避免满负荷充电，这样的热损失能被避免。同时，可充电电池自身也有一个较低的自放电比率(由于较低的充电电压)。另外，对于电池的长期保存而言也只有最小限度的损害。如果可充电电池被充满电保存，锂离子电池的部分容量将永远地丧失。同时所述电路简化对了充电控制器和保护电路的需要。
此外，该电路也放宽了对DC/DC转换器电路精确性的要求。锂离子充电器在输出电压上一般具有高于0.5％的精确度。通常这就要求在DC/DC转换器后再附加一个第二充电设备。不满负荷对锂离子电池充电允许有+/-电压容差，使得使用简单和廉价的DC/DC转换器成为可能。电路可以为设备电源终端提供窄电压范围(这使得设备内部电压的调节更有效)。电路将自动补偿可充电电池所消耗的能量并且提供一个具有非常低的静态电流特征的电路。该电路有效的利用了原电池的能量，具备低EMI水平并且可被整合到现有的锂离子供电的设备上。
本发明的一个或更多的具体实施例细节将结合附图在下文进行描述。本发明的其它特征，目的以及有益效果将在下文的描述、附图，以及权利要求中显现出来。
附图说明
图1为一个复合电源的方框图。
图2为一个复合DC电源的控制电路的原理图。
图3为复合DC电源的一个可替换控制电路的原理图。
参考图1，一个复合电源10包含一个开关型DC/DC增压转换器12，它接收来自原电池14的能量并将能量传送至二次例如可充电电池16。所述可充电电池16在需要的时候将电能传送至设备20。设备20可以是任何类型的电子设备，特别是便携设备，例如蜂窝式移动电话、个人数字助理、数码相机等无线设备。开关型DC/DC增压转换器12被配置用于提供小于所述可充电电池16充电电压的一个固定的输出电压，且电流被限于可充电电池的一部分充电电流之内。在此配置下，开关型DC/DC增压转换器12同时充当二次电池的充电器。可充电电池16可以是可充电锂离子型。优选实施方式包含锂离子或锂聚合物可充电电池。这些可充电电池可以为设备18提供比其它潜在的可充电电池相对更长时间的电能，并且对于长时间的连续使用也非常有效。原电源14可以为碱性，锌-空气或是燃料电池，但也不仅限于此。
通过使用锂离子或锂聚合物可充电电池，电路10可以利用这些电池的充电电压特性。例如，可方便地使锂离子电池的充电电压在很大幅度内与其充电状态有关。这就允许电路10以相应于所需的充电状态的电平由DC/DC转换器12产生一个输出电压。举例来说，在约4V的电压时，电平是充电电压的约90％。电路10并不将可充电电池16充满电，这牺牲了设备20的10％的最大连续运行时间。但是非饱和充电的方案提供了如下的优点。电路10能够提供更高能量效率的可充电电池16。在为可充电电池16充电的最后阶段将会产生热损失。通过避免满负荷充电，这样的热损失能被避免。同时，可充电电池16也有一个较低的自放电比率(由于较低的充电电压)。另外，对于电池的长期保存而言也只有最小限度的损害。如果可充电电池16被充满电保存，锂离子电池的部分容量将永远地丧失。同时电路10还简化对了充电控制器和保护电路的需要。
此外，电路10也放宽了对DC/DC转换器电路12精确性的要求。锂离子充电器在输出电压上一般具有高于0.5％的精确度。通常这就要求在DC/DC转换器后再附加一个第二充电设备。不满负荷对锂离子电池充电允许有+/-2.5％的电压容差，从3.9V至4.1V，这是典型的简单和廉价的DC/DC转换器的输出电压精确度。电路12消除了锂离子电池过充电的可能，导致保护电路(未示出)的简化。电路10也可以为设备电源终端提供窄电压范围(这使得设备内部电压的调节更有效)。电路10自动补偿可充电电池所消耗的能量并且提供一个具有非常低的静态电流特征的电路。电路10有效的利用了原电池的能量，具备低EMI水平并且可被整合到现有的锂离子供电的设备上。
锂离子电池的充电要求是要限制充电电流。转换器自身可以限制充电电流。这样，这个逐步增压的转换器同时作为锂电池的充电器和恒定电流电源直到可充电电池的电压达到转换器的输出电压为止，并在此后作为一个恒压电源。当达到输出电压后，电流会在几个小时内指数降低至实际上为零。***在此状态下只消耗可以忽略不计的低静态电流(数十μA)。
通常的转换器控制二次(充电)电流并且将充电电流保持在一个恒定水平上；而其它的转换器不提供电流控制。二次侧的恒定电流导致原电池电流的变化，并且随着原电池电压的降低而升高。这是一种功率恒定型的放电，而这对于原电池而言是最不利的。为了避免这些情况，电路包含一个原电池电流控制器，它检测原电池电流并参与DC/DC转换器的闭合反馈环路，以保证在原电池一端低恒流放电，显著提高原电池的效率。
存在的缺陷是为锂离子电池充电到足以驱动用电设备之前的初始延迟，特别是在原电池被更换之后。一个好的解决方案是在设备端监控原电池的电压(通过一个燃料标尺，低电量时警告和切断)以阻止二次电池更多的放电。这样，当原电池的电量耗完而可充电电池仍然保持在几乎满负载状态时，设备就提示用户并最终断电，在更换了原电池后设备就可以立即使用了。可充电电池可以是与设备一体化的而不必单独提供给用户。
参考图2，电路30用于控制逐步增压的(boost)DC/DC转换器12来实现最佳效果。电路30包含用于DC/DC转换器12的偏压控制电路32，一个原电流检测放大器和一个电源开关34以及一个充电切断开关36。另外，还包含一个保险丝38。
逐步压型(boost)DC/DC转换器12例如可以是LinearTechnology的LTC3400(U1)。当然，许多其它的设备都可被利用，比如，Maxim的MAX1765。LTC3400(U1)在低电流水平上具有非常高的效率(＞90％)，而大多数其它设备仅有80％或更低。转换器12的偏压电路32包括一个跨接于转换器12的电感L1(例如6.8μh)，它被优化以提高转换的效率。在本实施例中，逐步增压型(boost)DC/DC转换器12的输入电压幅度在0.7至5.5V之间。输出电压可通过两个外部电阻R1和R2来调节。当输出端(Vout)的输出电压为4V时，在转换器12的反馈输入端(FB)将输出电压调节到等于内部参考电压(比如1.25V)。为使转换器12正常运行，输出电压应该始终比输入电压高。这样，将输出电压限制在4V的水平上就限制了输入电压的范围，在本实施例中就是0.7-3.3V，这可以使用一个或两个串连的原电池(碱性或锌-空气)，或者一个锂原电池。输入电压一旦高出输出电压超过0.7V，DC/DC转换器芯片内的二极管元件将会正向导通并且电流将由原电池端向二次电池端流动，仅受两端电池的内部电阻和两***间的电压差的限制，将会导致高的涌流。
该转换器的内部输出电流限制为600mA。为进一步提高效率并减小体积和造价，在10-100mA间的一个更低的电流值是所希望的。在理想情况下，电路10可以是一个专用途集成电路(ASIC)，该ASIC包含绝大部分外部组件(但可以不包含可用于为特定用途而对原电流进行外部编程的电感L1和电流检测电阻)。电容器C1，C2和C3用于转换器12输入、输出端的开关脉冲滤波并防止波动。C4被用作转换器的“软启动”并能提高稳定性。
电路30包含一个具备电源关断部分34的原电流传感器/放大器，包括运算放大器U2，该运算放大器U2具有电阻器R4和R5，用于提供原电流的检测电阻。为保证在R5两端的压降或称(IR损失)的最小化，R4和R5的电阻值应为非常小的值(如100mA时为0.25ohm)。通过增益由R2/R3的比率设置的运算放大器U2，上述很低的IR压降(平均25mV)将被放大50倍，以在连接到转换器12的反馈输入FB上的二极管D1的输出端达到1.25V。这样，R1两端的电压信号，以及通过二极管D1的输入电流信号没有任何中间干扰地，在“取最大值”基础上在转换器的反馈输入端进行相加，并与内部参考电压相比较。***将响应最先达到1.25V的信号并关闭转换器的开关，以减少输出电压。这样就提供了一个同时恒定输出电压/恒定输入电流型的电池充电器。
输出电压限制为4V，并且输出电流也被限制为：Iout＝Iin*Vin/Vout，这将电压转换器变为一个锂离子充电器，其中CV/CC(恒定电压/恒定电流)输出是必须的。通常锂离子的化学性质要求V＝4.1V或4.2V，并且I＜1C比率。在电路10中，V＝4V且I＜＜1C比率，这更加安全并且不需要额外的保护电路。如果预计有非常规的条件，就必须有冗余的保护了(例如，在原电池终端施加高电压对上述的***可能就会不安全)。
由于运算放大器U2消耗几十微安，当接电时，为了减少***的静态电流，利用运算放大器U2的关闭管脚实现一个节电关闭机制。当转换器12激活和开关时，流过二极管D2的脉冲将使运算放大器U2的关闭管脚处的电压下降到足以触发运算放大器U2，当在空闲状态时，流过负载电阻R8的电流将为电容C5充电并切断运算放大器U2的电源。
电路30还包括一个开关电路36。锂离子电池通过MOSFET(金属氧化半导体场效应晶体管)开关Q1连接到DC/DC转换器12的输出上。当原电池在放电过程中在DC/DC转换器的输入侧上达到切断电压时，开关电路36阻止锂离子电池通过DC/DC转换器12放电(几毫安)。开关电路36还可用于将***的原切断电压调整为具有所选择的可充电电池化学原理的一个电池或两个串连电池组所需要的电平。充电开关电路36在达到转换器12的输入切断电压时切断电路。在本例所示出的为单碱性电池的实施例。MOSFET Q1通过双极晶体管Q2的发射极-集电极结来加偏压，并且双极晶体管Q2的基极-发射极结通过来自原电池的电阻R7来加偏压。当原电压下降到0.7V时，Q2关闭，Q1也随之关闭，充电停止。电阻R6吸收断路时通过Q2的漏电，以防止它对Q2的高阻抗的栅加偏压。由于关闭充电消除了转换器输出Vout的负载从而也就消除了原电池的负载，原电池的电压升高充电重新开始，而后电路36再次被触发，这样转换直至对于所选切断电压原电池的所有可用能量均被输送到可充电电池16中。这一方法与其它方法完全不同，通常一个设备在其电源第一次达到切断电压时就被关闭，而一些能量存留在原电池中没有使用。而使用本发明所述的方法，可以使原电池在终止前输送出其全部能量。
为确保安全，锂离子电池还具有一个包含保险丝(F1)的保险电路38，该保险丝与充电电路和输出均串连连接，以在发生短路时永久地断开电路。
在设计本复合电源***时，还有一些需优化的参数。例如，优化原电池14的能量以支持设备所需的总体运行时间。优化可充电电池16的能量以支持设备一个运行周期所需的持续时间。选择可充电电池的功率以足够支持设备最大功率，并且优化充电速率以使原电池的几乎全部的使用价值满足设备所需的间歇运行。
这一最优方案是在效率、充电时间、体积大小及造价与性能之间的一个折衷。为了加速充电，当可充电电池接近无电状态时，一个与电压相关的充电速率可以在转换器的设计中被应用，如Maxim的MAX1765 EV电路板那样。当锂电池充电电压很快升高到3V-3.7V范围时，高速率充电将只持续很短的时间并且对原电池不产生大的影响。
在刚刚使用完最大连续运行时间后需紧急使用设备这种不太可能发生的情况下，可将原电池14的全部功率提供给可充电电池16，但这是以效率为代价的。
在许多设备20中，比原始规定的体积更小的锂离子电池可以支持所需的峰值功率，并且由于永久充电，因此可足以满足满意的持续使用的要求。
参考图3，示出了控制逐步增压(boost)DC/DC转换器12的操作的另一电路。该电路包括DC-DC转换器12的偏压控制电路，一个原电流检测比较器64以及一个充电切断比较器66，被连接到电源关闭电路62上。另外，还包含一个保险丝68。
逐步增压(boost)DC/DC转换器12例如可以是LinearTechnology的LTC3400(U1)。许多其它的设备都可被利用，比如，上文提到的Maxim的MAX1765。转换器12的外部组件包括一个跨接于转换器12的电感L11(例如6.8μh)，它被优化以提高转换的效率。在本实施例中，逐步增压(boost)DC/DC转换器12的输入电压幅度在0.7至5.5V之间。输出电压可通过两个外部电阻R1和R2来调节。当输出端(Vout)的输出电压为4V时，在转换器12的反馈输入端(FB)将输出电压调节到等于内部参考电压(比如1.25V)。为使转换器12正常运行，输出电压应该始终比输入电压高。这样，将输出电压限制在4V的水平上就限制了输入电压的范围，在本实施例中就是0.7-3.3V，这可以使用一个或两个串连的原电池(碱性或锌-空气)，或者一个锂原电池。输入电压一旦高出输出电压，电流将由原电池端向二次电池端流动，仅受两端电池的内部电阻和两***间的电压差的限制，将会导致高的涌流。
如前所述，为进一步提高效率并减小体积和造价，在10-100mA间的一个更低的电流值是所希望的。它可以是一个专用途集成电路(ASIC)，该ASIC包含绝大部分外部组件(但可以不包含可用于为特定用途而对原电流进行外部编程的电感L1和电流检测电阻)。电容器C11，C12和C13对转换器12输入、输出端的开关脉冲滤波并防止波动。C18被用作转换器的“软启动”。电路64包含一个原电流传感器/比较器，一个电源关断部分62，包含有一个运算放大器U5-A(双重组装的运放对中的一个运算放大器)，该运算放大器U5-A具有电阻器R14和R15，用于提供原电流的检测电阻。为保证在R15两端的压降或称(IR损失)的最小化，R14和R15应为非常小的值(如100mA时为0.25ohm)。上述很低的IR压降(平均25mV)通过运算放大器U2与参考电压相比较(由参考电压源D2和分压器R19/R13产生)，当原电流超过预定的限度时，U2的输出将上升并切断转换器。连接到运算放大器U5-A的负反馈环路上的电阻器R20和电容器C16形成一个积分器，来引入一个延迟并由此稳定比较器的响应。二极管D1防止电压控制和电流控制电路之间的干扰。这样，来自R11的输出电压信号，以及来自二极管D1的输入电流信号没有任何中间干扰地，在“取最大值”基础上在转换器的反馈输入端进行相加，并与内部参考电压相比较。***将响应最先达到1.25V的信号并关闭转换器的开关，以减少输出电压。
锂离子电池通过MOSFET(金属氧化半导体场效应晶体管)开关Q11连接到DC/DC转换器12的输出上。当原电池在放电过程中在DC/DC转换器的输入侧上达到切断电压时(本例中对两节串连碱性电池而言是1.4V)，关断控制电路66阻止锂离子电池通过DC/DC转换器12放电(几毫安)。关断控制电路66还可用于将***的原切断电压调整为具有所选择的可充电电池化学原理的一个电池或两个串连电池组所需要的电平。通过Q11关断控制电路66在达到转换器输入端切断电压时切断电路。当DC-DC转换器12的输入电压小于某一确定阈值时，通过作为经由电阻R24检测的比较器的运算放大器U5-B来为MOSFET Q11加偏压。该电压阈值由电阻器R17，R23以及齐纳二极管D2决定。在本实施例中，在U5-B的负反馈环路中使用R18会产生迟滞现象。如果电压为1.4V或更小，由晶体管Q12构成的反向电路62就会关闭转换器，并且通过Q11充电被关闭，防止了锂离子电池通过转换器的输出被放电。如果电压等于或大于1.45V，DC/DC转换器开启且电路进行充电。当输入电压小于1.4V时产生一个“更换原电池”的信号，该信号被用于驱动Q11和Q12。当原电压降到1.4V以下时，Q2关闭，U11也随之关闭，充电停止。电阻R16吸收断路时通过Q11的漏电，以防止它对Q11的高阻抗的栅加偏压。关闭充电消除了转换器输出Vout的负载从而也就消除了原电池的负载，原电池的电压升高充电重新开始。如上所述，这样转换和充电将在一个衰减的负载周期上继续直到在所选切断电压原电池的所有可用能量均被转化。
为确保安全，锂离子电池还具有一个包含保险丝(F1)的保险电路68，该保险丝与充电电路和输出均串连连接，以在发生短路时永久地断开电路。
以上揭示了本发明的一些具体的实施方式，其它的实施方式均在附随的权利要求书所限定的范围之内。

Claims (19)

1.一种复合电源，包括：
开关型DC/DC增压转换器，它从原电池接收能量并安排将所接收的能量输送到可充电电池中，并设置上述转换器提供一个小于可充电电池满负荷电压的一个固定的输出电压。
2.根据权利要求1所述的复合电源，还包括：
一个电路，该电路包含原电池电流控制器，用于检测原电池电流并部分控制所述转换器的操作，使得该复合电源的原电池一侧提供恒定电流的放电。
3.根据权利要求1所述的复合电源，其中所述电路还包括：
原电流检测放大器/比较器以及电源关断电路，所述电源关断电路用于关闭原电流检测放大器/比较器。
4.根据权利要求1所述的复合电源，其中所述控制电路还包括：
一对外部电阻，所述电阻耦合于转换器反馈输入上，用于将所述固定输出电压调节为小于可充电电池满负荷电压。
5.根据权利要求1所述的复合电源，其中所述原电池为碱性电池，锌-空气电池，燃料电池，太阳能电池，或者其它电流受限电源。
6.根据权利要求1所述的复合电源，其中所述可充电电池为锂离子或锂聚合物可充电电池。
7.根据权利要求1所述的复合电源，其中所述原电池控制器包括：
运算放大器，该放大器具有一原电池电流检测电阻，用于提供原电池电流控制，该放大器的输出耦合于所述转换器的闭合反馈环路上。
8.根据权利要求9所述的复合电源，其中所述转换器的闭合反馈环路还包括：一个电阻器，该电阻器耦合于转换器的输出和反馈端之间。
9.根据权利要求1所述的复合电源，其中所述电路提供相应于可充电电池约90％的负荷量的输出电压。
10.一种复合电池，包括：
开关型DC/DC增压转换器，它从原电池接收能量并安排将所接收的能量输送到可充电电池中，
一个电路，用于控制该开关型DC/DC转换器，该电路包括：
电阻分压器，该分压器耦合于所述转换器的反馈输入上，被选择用于提供小于该可充电电池满负荷电压的一个固定的输出电压。
11.  根据权利要求1所述的复合电源，还包括：
原电池电流传感器/比较器，包含于所述DC/DC转换器的反馈控制环路之中，用于部分控制所述转换器的操作，使得该复合电源的原电池一侧提供恒定电流的放电。
12.根据权利要求12所述的复合电源，其中所述原电池为碱性电池，锌-空气电池，燃料电池，太阳能电池，或者其它电流受限电源。
13.根据权利要求12所述的复合电源，其中所述可充电电池为锂离子或锂聚合物可充电电池。
14.根据权利要求15所述的复合电源，其中所述电路提供相应于可充电电池约90％的负荷量的输出电压。
15.一种操作复合型电源的方法，包括：
通过开关型DC/DC增压转换器将能量从原电池以小于可充电电池满负荷电压的固定电压输送到可充电电池。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括：
控制电路，该电路检测原电池电流，并且部分控制所述转换器的操作，使得该复合电源的原电池一侧提供恒定电流的放电。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述原电池为碱性电池，锌-空气电池，燃料电池，太阳能电池，或者其它电流受限电源。
18.根据权利要求15所述的方法，其中所述可充电电池为锂离子或锂聚合物可充电电池。
19.根据权利要求15所述的方法，其中所述电路提供相应于可充电电池约90％的负荷量的输出电压。
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