TWI325672B

TWI325672B - Linear battery charger

Info

Publication number: TWI325672B
Application number: TW96100662A
Authority: TW
Inventors: Chih Min Liu
Original assignee: Via Tech Inc
Priority date: 2006-09-01
Filing date: 2007-01-08
Publication date: 2010-06-01
Also published as: CN100442629C; TW200814493A; CN101001021A

Description

1325672 九、發明說明：【發明所屬之技術領域】本案係有關於種線性充電器（linear battery charger)。 . 【先前技4标】 • 線性充電器的操作通常包括一定電流充電模式 (constant current charge mode)以及一定電壓充電模式 • (constant voltage charge mode)。在充電一電池模組時，線性充電電路首先會以該定電流充電模式充電該電池模組，直到該電池模組之電位(Vbat)達到某一準位後，才改以該定電壓充電模式充電該電池模組。以4.2伏特的鋰電池為例，線性充電器首先以該定電流充電模式充電該鋰電池。待該鋰電池充電至4.1伏特，該線性充電電路會切換至該定電壓充電模式繼續將該鐘電池之電位(Vbat)充電至4 2伏特。該定電壓充電模式乃用來避免過度充電該鐘電池，以延長籲該裡電池的使用壽命。第1圖為一傳統線性充電器100。該傳統線性充電器 100具有一充電電晶體gmp，用以充電一電池模組1〇2。該 J 傳統線性充電器100的運作如下。在一定電流充電模式 • 下，一第一開關SW1導通並且一第二開關sw2不導通。一第一運算放大器OPi、一第二運算放大器0p2、一電晶體 gmnc、與該充電電日日體gmp所形成的迴路會令流經一感測電阻Rsns的一電流I維持在固定值，其大小由耦接該第二運算放大器〇P2的一第一參考電位vrefl決定。電容Cc與電

Client’s Docket N〇“VIT06-0146 TT*s Docket N〇;0608-A41004-TW/FinaI /Glorious Tien 6 1325672 阻以且成該線性充電器議在該定電流充電模式的一頻率補償電路。在—定電壓充電模式下， Γ、不-導電通二且一第二開關SW2導通。-第“算放:器體gmnv、與該充電電晶體8叫所形成的迴路會 7該電池模組之電位v b at維持在一第二參考電位V 。容Cz與電阻Rz組成該線性充電器1〇〇在該定 # 式下所需要的一頻率補償電路。吳

為了確保該傳統線性充電器100在該定與該定電壓充電模式下能夠正確操作，傳统線性電^ 1〇〇所採用的運算放大器0Pl、0P2、與OP3 ::: 確運算放大1 °因此，傳統線性充電器100的成本相當高。 β此外’傳統線性充電器100的頻率補償電路非常大（尤其是電容cz與電阻Rz)，將在該傳統線性充電器1〇〇上佔據較大的面積。【發明内容】本發明提供一種新穎的線性充電器（linear battery charger)’不僅大幅減少精確運算放大器的使用量，更大幅降低其頻率補償電路所佔據的面積。本發明所提供的線性充電器包括一第一電流產生器、一電流偵測器、一第一運算放大器、以及一多工選擇裝置。該第一電流產生器產生一第一電流，並且耦接一電池模組以充電該電池模組。該電流偵測器耦接該第一電流產生器，用以產生與該第一電流對應的一感測電位。該第一運

Client’s Docket No.:VIT06-0146 TT’s Docket No:0608-A41004-TW/Final /GloriousJTien Ί 1325672 • 算放大器具有一第一輸入端、一第二輸入端以及一輸出端。該第一運算放大器之輸出端耦接該第一電流產生器之一控制端。在一定電流充電模式下，該多工選擇裝置會將一第一參考電位以及該感測電位分別耦接至該第一運算放大器之第一及第二輸入端。該第一運算放大器可藉此維持該第一電流為一定值電流。在一定電壓充電模式下，該多工選擇裝置會將一第二參考電位以及該電池模組之電位分別耦接至該第一運算放大器之第一及第二輸入端。該第一 • 運算放大器可藉此調整該電池模組之電位至一定值電位。為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明 • 顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式作詳細說明。【實施方式】第2圖為本發明的一實施例。一線性充電器200包括一第一電流產生器202、一電流偵測器204、一第一運算放 • 大器OPi、以及一多工選擇裝置206。該第一電流產生器 202耦接一電池模組208以充電該電池模組208。該第一電流產生裔所產生的電流為·一第一電流Ιι。該電流4貞測204 ' 耦接該第一電流產生器202，並且對應該第一電流I!的大 • 小輸出一感測電位Vsns。該第一運算放大器OPi，具一第一輸入端（如圖所示之非反相輸入端）、一第二輸入端（如圖所示之反相輸入端）、以及一輸出端。該第一運算放大器 ΟΡι之輸出端耦接該第一電流產生器202之控制端，以控制該第一電流Ιι的大小。在一定電流充電模式下，該多工

Clients Docket No.:VIT06-0146 TT’s Docket No:0608-A41004-TW/Final /GloriousTien ^ 1325672 - 選擇裝置206將一第一參考電位Vrefl以及該感測電位Vsns 分別耦接至該第一運算放大器OPii第一及第二輸入端。在一定電壓充電模式下，該多工選擇裝置206將一第二參考電位Vref2W及該電池模組之電位Vbat分別耦接至該第一運算放大器OPii第一及第二輸入端。在第2圖所示之實施例中，該第一電流產生器202為一第一金氧半電晶體、其汲極耦接該電池模組208，並且其閘極耦接該第一運算放大器OP!之輸出端作為該第一 • 電流產生器202之控制端。此外，該電流偵測器204包括一第二金氧半電晶體M2與一感測電阻Rsns。該第二金氧半電晶體M2之閘極與該第一金氧半電晶體Mi之閘極耦接在一起，並且該第一與第二金氧半電晶體Mi與M2具有相同的閘源極壓降。因此，該第二金氧半電晶體M2所產生的一第二電流12可與該第一電流Ii成一比例關係，其大小乃由該第一與該第二金氧半電晶體Μι與M2的面積比例決定。該感測電阻Rsns耦接於第二金氧半電晶體M2之汲極， * 用以將該第二電流12轉換成該感測電位Vsns。在另一實施例中，該感測電阻Rsns可為可變電阻，用以確保該第二金 . 氧半電晶體M2可操作在飽和區。參閱第2圖，該多工選擇裝置206可由兩個多工器mux! 與mux2組成。在該定電流充電模式下，該多工器muxi將該第一參考電位Vrefl輸入該第一運算放大器OPii反相輸入端，並且該多工器mux2將該感測電位Vsns輸入該第一運算放大器OPii非反相輸入端。該第一電流Ii變大時，該

Client's Docket N〇.:VIT06-0146 TT's Docket No:0608-A41004-TW/Final /Glorious_Tien 1325672 第二電流I2會隨之變大，導致該感測電位vsns上升。該第一運算放大器0P〗比較該感測電位vsns與該第一參考電位 vrefl後，其輸出端信號會提升該第一金氧半電晶體之閘極電壓Vg，導致該第一金氧半電晶體之閘源極壓差變小，該第一電流Ιι被往下調整回原來的準位。在該定電壓充電模式下，該多工器muxi將該第二參考電位Vref2輪入該第一運算放大器OPi之反相輸入端，並且該多工器 mux2將該電池模組之電位Vbat輸入該第一運算放大器〇Pl 之非反相輸入端。該電池模組之電位Vbat尚未達到該第二參考電位Vref2時，該第一運算放大器〇?1會調降該第一金氧半電晶體Μ!之閘極電壓Vg，導致該第一電流“變大，以充電該電池模組208至該第二參考電位Vref2。由第2圖所示之實施例可發現，本發明僅僅需要一個低偏移電壓（low offset)的精確運算放大器（第一運算放大器〇Pi)。與傳統線性充電器相比，本發明大幅減少精確運算放大器的使用量。本發明的另一項優點是降低晶片的針腳數目。以第2 圖之線性充電器200為例，僅有感測電阻Rsns外接在晶片外’其餘元件都整合在晶片内部。該線性充電器2〇〇的晶片部分僅需要三個針腳分別連接一電源端VDD、該電池模組208、以及該感測電阻Rsns。反觀第1圖之傳統線性充電器100 ’該測電阻Rsns、該充電電晶體gmp、電容Cz、以及電阻Rz皆為外接元件。故傳統線性充電器1〇〇的晶片部分至少需要四個針腳104、106、108、以及11〇。

Client's Docket N〇.:V1T06-0146 TT*s Docket N〇;0608-A41004-TW/Final /Glorious Tien 1325672 第3圖為本發明的另一實施例。線性充電器300較第 2圖之線性充電器200多了一電壓準位控制電路302。該電壓準位控制電路302耦接於該第二金氧半電晶體M2之汲極與該感測電阻Rsns之間，其中包括一第三金氧半電晶體 M3以及一第二運算放大器OP2。該第三金氧半電晶體M3 之源極與汲極分別耦接該第二金氧半電晶體M2之汲極與 ' 該感測電阻Rsns。該第三金氧半電晶體M3之閘極由該第二運算放大器OP2之輸出端控制。在此實施例中，該第二運 • 算放大器OP2之非反相以及反相輸入端分別耦接該第一金氧半電晶體Μ!之汲極以及該第二電金氧半電晶體M2之汲極。該電壓準位控制電路302的作用為令該第一與該第二金氧半電晶體Μι與M2具有同樣的汲極電壓（其值為 Vbat)，以確保該第一與該第二金氧半電晶體皿1與M2所產生的第一與第二電流h與12成固定比例。第4圖為本發明的另一實施例。線性充電器400較第 3圖之線性充電器300多了一頻率補償電路402。如第4 ® 圖之實施例，該頻率補償電路402包括複數個電阻(I與 R2)、一分壓點404、一頻率補償器406、以及一可變電容 C。該等電阻I與R2與該分壓點404串接於該電池模組 408以及一接地端之間。該電池模組之電位Vbaj^該等電阻1^與R2分壓後由該分壓點404輸出至該多工選擇裝置 410。該頻率補償器406耦接於該電池模組408與該分壓點 404之間。該可變電容C耦接於該頻率補償器406與該接地端之間。在該定電壓充電模式下，該頻率補償電路402

Client’s Docket No.:VIT06-0146 TT’s Docket No:0608-A41004-TW/Final /Glorious_Tien 11 1325672 該極點的頻率較高。因此m高頻的補償零點以得到較高的相位邊際。第5圖之實施例藉由該第一電容Ci、該第二電容C2、該開關sw、以及該比較器CMP達到上述需求。如圖所示，該第三參考電位义把耦接比較器之非反相輸入端’並且該感測電位Vsns耦接比較器之反相輸入端。在該低負載電流的狀況下，該感測

km- Ύ sns I 降至低於該第三參考電位Vref3。該比較器CMP令該開關 SW導通。此時，該補償零點的值為1/(Ri.(Ci+c2))。反之，在該南負載電流的狀況下，該制€位¥咖上升至高過該第三參考電位Vref3。該比較器CMP令該開關SW不導通。此時，該補償零點的值為1/(R1.C1)。第6圖為第5圖之實施例的變形，其中使用更多組的上述第二電容(C21、C2r..c2n)、該等第二電容所對應之開關（SW!、SW2...SWn)、以及控制各開關的複數個比較器 (CMP!、CMP2."CMPn) 〇配合特職計的複數個參考電位 (Vrefsi、Vref32〜Vref3n) ’第6圖所示之線性充電器提供更多補償零點供系統選擇。本發明所揭露的電路不僅可作為線性充電器使用，亦可用來作為低壓降穩壓器（Low Dr〇p 〇ut regulat〇r，LD0 regulator)。本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍’任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍内，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Client's Docket No.:VIT06-0146 TT*s Docket No:0608-A41004-TW/Final /Glorious_Tien 1325672 【圖式簡單說明】第1圖為一傳統線性充電器之實施例；第2圖為本發明之線性充電器的一實施例；第3圖為本發明之線性充電器的另一實施例；第4圖為本發明之線性充電器的另一實施例；第5圖為本發明之線性充電器的另一實施例；以及第6圖為本發明之線性充電器的另一實施例。【主要元件符號說明】 100〜傳統線性充電器； 102〜電池模組； 104、106、108、110〜傳統線性充電器100之晶片部分的針腳接點； 202〜第一電流產生器； 206〜多工選擇裝置； 200〜線性充電器； 204〜電流偵測器； 208〜電池模組； 302〜電壓準位控制電路； 402〜頻率補償電路； 406〜頻率補償器； 410〜多工選擇裝置； Q ~第一電容； 300〜線性充電器； 400〜線性充電器； 404〜分壓點； 408〜電池模組； 500〜線性充電器； C〜可變電容； C2、C21、C22、C2n〜第二電容， Cbat〜電池模組之電容；

Cc、cz〜用於頻率補償的電容；

Client’s Docket N〇.:VIT06-0146 TT*s Docket No:0608-A41004-TW/Final /Glorious_Tien J4 1325672 cL〜負載電容； CMP、CMPi、CMP2、CMPn 〜比較器； gmp、gmnc、gmnv〜電晶體，

Ii與12〜第一與第二電流；、M2、M3〜金氧半電晶體； mux!、mux]〜多工器； OPi、0P2、0P3〜運算放大器；

Ri、R2〜電阻； Rbat〜電池模組之電阻；

Rc、Rz〜用於頻率補償的電阻；

Rl〜負載電阻； Rsns〜感測電阻； SW、SWi、SW2、SWn〜開關；

Vbat〜電池模組之電位； VDD〜電源；

Vg〜第一金氧半電晶體之閘極電位；

Vsns〜感測電位；

Vrefi、Vref2、Vref3、Vref3i、Vref32、Vref3n〜參考電位。

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Claims

1325672 十、申請專利範圍： 1. 一種線性充電器，其中包括：一第一電流產生器，產生一第一電流並且耦接一電池模組，用以充電該電池模組；一電流偵測器，耦接該第一電流產生器，用以產生對應於該第一電流大小的一感測電位； ' 一第一運算放大器，具一第一及第二輸入端及一輸出端，該輸出端耦接該第一電流產生器之一控制端；以及 • 一多工選擇裝置，用以在一定電流充電模式下，將一第一參考電位以及該感測電位分別耦接至該第一運算放大器之第一及第二輸入端，並且在一定電壓充電模式下，將一第二參考電位以及該電池模組之電位分別耦接至該第一運算放大器之第一及第二輸入端。 2. 如申請專利範圍第1項所述之線性充電器，其中該第一電流產生器為一第一金氧半電晶體，其汲極耦接該電池模組，並且其閘極耦接該第一運算放大器之輸出端作為 ® 該第一電流產生器之該控制端。 3. 如申請專利範圍第2項所述之線性充電器，其中該電流偵測器包括一第二金氧半電晶體與一感測電阻，該第二金氧半電晶體之汲極耦接該感測電阻並且其閘極與該第一金氧半電晶體之閘極耦接在一起，藉以使流經該第二金氧半電晶體的一第二電流比例於該第一電流，該感測電阻將該第二電流轉換為該感測電位。 4. 如申請專利範圍第3項所述之線性充電器，其中該 Client’s Docket Νο.:νΐΤ06·0146 TT’s Docket No:0608-A41004-TW/Final /Glorious_Tien 1325672 第二金氧半電晶體之汲極與該感測電阻之間更包括一電壓準位控制電路，其中包括：一第三金氧半電晶體，其源極與汲極分別耦接該第二金氧半電晶體之汲極與該感測電阻；以及一第二運算放大器，其一第一輸入端以及一第二輸入端分別耦接該第二金氧半電晶體之汲極以及該第一金氧半電晶體之汲極，並且其輸出端耦接該第三金氧半電晶體之閘極。 5. 如申請專利範圍第3項所述之線性充電器，其中該電池模組與該多工選擇裝置之間更包括一頻率補償電路，其中包括：複數個電阻以及一分壓點，串接於該電池模組以及一接地端之間，該電池模組之電位經該等電阻分壓後由該分壓點輸出至該多工選擇裝置；一頻率補償器，耦接於該電池模組與該分壓點之間；以及一可變電容，耦接該頻率補償器至該接地端；其中，在該定電壓充電模式下，該頻率補償電路提供一零點，其大小為該等電阻於該電池模組以及該分壓點之間的電阻值乘以該可變電容後取倒數。 6. 如申請專利範圍第5項所述之線性充電器，其中該可變電容包括：一第一電容；一開關以及一第二電容，該開關導通時，該第二電容 Clients Docket No. :VIT06-0146 IT’s Docket N〇:0608-A41004-TW/Final /Glorious Tien 17 1325672 - 並聯該第一電容；一比較器，用以控制該開關，該比較器的一第一輸入端與一第二輸入端分別輸入一第三參考電位與該感測電位，藉以令該開關在一低負載電流的狀態下為導通，反之為不導通。 7. 如申請專利範圍第5項所述之線性充電器，其中該 ' 可變電容可為金氧半電容。 8. 如申請專利範圍第1項所述之線性充電器，其中該 ® 感測電阻可為可變電阻。

Client’s Docket N〇.:VIT06-0146 TT^ Docket No:0608-A41004-TW/Final /Glorious_Tien