TWI436547B - 用於充電一電池系統之方法及設備 - Google Patents

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TWI436547B
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Description

用於充電一電池系統之方法及設備
本發明係有關於電子電路。
許多現代可攜裝置(例如筆記型電腦、行動電話、數位相機、視訊攝影機、媒體播放器、個人數位助理(PDAs)、遊戲機等等)包括電池組。傳統電池組的一特定類型包括一或多個電池胞耦接至一或多個積體電路(IC)晶片。該晶片典型地包括一控制器(例如一微控制器)以及電路，並至少提供電池胞管理及保護。
某些傳統電池組包括一鋰離子電池胞，其本質上為一依電性化學反應封裝於一柱狀體中。位能被儲存於每個電池胞中，且若該電池胞暴露於其規格外的狀態中，該電池胞可過熱、燃燒或***。配有這些依電性電池胞的傳統電池組典型地包括故障安全電路以供偵測不安全狀態(例如過電流充電或放電、短路等等)，且用於採取修正動作以預防該電池胞及/或裝置的損害，並保護使用者。
傳統可充電電池可於放電後利用一充電器充電。當特定電池技術(例如鋰離子及鋰聚合物)被充電時，該充電系統被加上限制以避免危險狀態。一種此限制係與在電池胞電壓低於一特定位準時充電這些電池胞有關，其一般被稱為一深欠電壓(DUV)狀態。一深欠電壓狀態可於深入放電後發生，或當該電池組被第一次充電時發生。當從一深欠電壓狀態充電電池胞時，典型地將使用一低於正常值的充電電流一段時間(即一預充電期間)。在該電池胞電壓已升高至一特定位準時，該充電器可切換至一正常充電模式以便最小化該電池胞的充電時間。在所述之一傳統系統中，該充電器主要依據其偵測之電池胞電壓位準而判定何時自預充電切換至正常充電或者應開始快速充電。
在某些傳統電池組中，兩外部電晶體(例如場效電晶體(FETs))與該電池胞串聯且被開啟或關閉以充電及放電該電池胞。該電晶體允許該電池胞依據一或多個監控狀態自該充電器或該裝置切斷以避免不當或危險操作。在名為一高側(high－side)解決方案之一配置中，該兩電晶體被串聯於該電池胞之正極以及一電池組正極(例如連接一裝置之外部正極)之間。
在一實施例中提供一種用於充電一電池系統的設備、方法及電腦程式產品。一般而言在一態樣中提供一種用於充電一電池系統的方法。該方法包括允許判定一充電器是否耦接至一電池系統，該電池系統包括一或多個電池胞以及一充電開啟電晶體。該方法亦包括允許判定該電池胞之一電壓位準是否低於一預定第一低電壓位準。若該電池胞的電壓位準低於該預定第一低電壓位準，則允許以一降低速率充電該電池胞，其包括調整用於該充電電晶體閘極之一電壓以將該充電器所見之一電壓調節至小於一預定第二電壓位準的一位準。此外，當該電池胞的電壓到達該預定第一低電壓位準時，該方法包括實質完全開啟該充電電晶體以允許該充電器的全速率充電。
該方法可包括一或多個以下特徵。調整用於該充電電晶體之閘極的一電壓之步驟可包括部分開啟該充電電晶體。部分開啟該充電電晶體之步驟可包括部分開啟該充電電晶體直到該電池胞之一電位達到該預定第一低電壓位準。部分開啟該充電電晶體之步驟可包括將跨過該充電電晶體之一電位調整為高於一電壓差，其係位於該電池胞之電位以及供電該電池系統之電池系統監控電路所需之一最小操作電壓之間。部分開啟該充電電晶體之步驟亦可包括調整跨過該充電電晶體之一電位，因而由該充電器所見之電壓係低於一電壓位準，該電壓位準係在該充電器將從一降低之充電速率切換至一正常充電速率之處。
該電池系統可包括一電池管理系統，其包括一電池監控電路，而其中調整用於該充電電晶體之一電壓包括調整一驅動信號至該充電電晶體，以將該電池管理系統之一輸入所見之一電壓維持於一高於一電壓差之位準，該電壓差係位於該電池胞之一電位以及該電池管理系統之一最小操作電壓之間。該電池系統可包括一電池管理系統，其包括電池監控電路，而其中調整用於該充電電晶體之一電壓包括調整一驅動信號至該充電電晶體，以維持該電池管理系統之一輸入處所見之一電壓低於該電壓位準，其中該充電器將自一降低充電速率切換至該電池管理系統之一正常充電速率。
該方法可進一步包括在以一降低速率充電該電池胞前啟動該電池系統之監控電路以及監控該電池胞之降低速率充電步驟。該方法可進一步包括於充電時安全監控該電池系統以及於充電時監控該電池系統之電池胞容量的改變。
調整用於該充電電晶體之一電壓可包括判定該電池系統之一操作電位是否高於一預定最大值，若是，則增加提供給該充電電晶體之一驅動電壓。此外，調整用於該充電電晶體之一電壓可包括判定該電池系統之一操作電位是否低於一預定最小值，若是，則降低提供給該充電電晶體的一驅動電壓。
一般而言，於一態樣中提供一種充電一電池系統的方法。該方法包括允許判定一充電器是否耦接至一電池系統，該電池系統包括一或多個電池胞、一充電電晶體以及充電監控控制電路。該方法亦包括允許判定該電池胞之一電壓位準是否低於一預定第一低電壓位準。若該電池胞之電壓位準低於該預定第一低電壓位準，則該方法包括允許以一降低速率充電該電池胞，其包括部分開啟該充電電晶體。當該電池胞之電壓到達該預定第一低電壓位準時，該方法包括實質完全開啟該充電電晶體以允許該充電器的一全速率充電。部分開啟該充電電晶體可包括調整該充電器所見之一電壓為低於一預定第二電壓位準。
一般而言，在另一態樣中提供一種充電一電池系統的方法。該方法包括允許判定一充電器是否透過一充電電晶體耦接至一電池系統。該方法亦包括於一電池系統之一或多個電池胞之一電壓低於一預定第一臨界值時開啟一充電電晶體為一部份開啟狀態以允許降低速率充電。此外，該方法包括若該判定之電壓位準等於或高於該預定第一臨界值時開啟該充電電晶體於一完全開啟狀態以允許全速率充電。
一般而言，於一態樣中提供一種方法。該方法包括允許判定一充電器已耦接至一電池系統。該電池系統包括一或多個電池胞、用於監控該一或多個電池胞之一充電位準的監控電路、用於允許充電該一或多個電池胞的一充電電晶體、以及用於驅動該充電電晶體閘極的一驅動電路。該方法亦包括監控該一或多個電池胞電壓位準以及判定該監控之電壓位準是否低於一第一臨界電壓位準。若該監控之電壓位準低於該第一臨界電壓位準，則該方法包括允許以一降低速率充電該電池胞，其包括部分開啟該充電電晶體閘極。當該監控電壓超過該第一臨界電壓位準時，該方法包括實質完全開啟該充電電晶體。允許以一降低速率充電可包括調整該充電器所見之一電壓。
一般而言，於一態樣中提供一電池管理系統。該系統包括可用於偵測一電池組之一或多個電池胞之一電壓位準的一監控器。該系統亦包括可用於以至少三種模式之一驅動該充電電晶體的驅動電路。該驅動電路可用於以一第一低電壓模式驅動該充電電晶體－其包括部分開啟該充電電晶體以調整一外部充電器所見之電壓、以一第二關閉模式驅動該充電電晶體以停止充電、以一第三開啟模式驅動該充電電晶體以開始全充電。
一般而言，於另一態樣中提供一設備。該設備包括一高側NFET充電電晶體以及一監控電路以供監控一電池胞將被充電的一電壓位準。若該電池胞之電壓位準在具有一充電器時低於一第一臨界位準，則該設備之驅動電路可用於部分開啟該高側NFET充電電晶體。
一般而言於一態樣中提供一種設備。該設備包括一驅動電路以供驅動一電池組之一充電電晶體以及一監控電路以供監控將被充電之一電池胞的一電壓位準。若該電池胞之電壓位準於提供一充電器時低於一第一臨界位準，則該驅動電路可被用於部分開啟該充電電晶體。
一般而言在一態樣中提供一方法。該方法包括監控關於一電池組之電池胞的一電壓位準以判定該監控之電壓位準是否低於一第一臨界位準。該方法亦包括允許判定一充電器是否耦接至該電池組，以及調整該充電器所見之一電位，直到該電池胞之一電位超過該第一臨界位準。
本發明之態樣可包括一或多個以下特徵。所提出之一電池充電系統允許在一整體充電週期中監控該充電處理。為此，充電監控電路可於充電起始前被通電及啟動，即使於從一極低電壓狀態中恢復。再者，在從一極低電壓狀態開始的一充電週期中，一充電電晶體可被部分開啟以供特定電池配置。可維持該部分充電模式直到該電池胞之電位升高至一足夠位準，以便允許以一快速或正常充電模式對該電池胞安全充電。
在提出之系統中，當一充電器被連接至一電池管理系統時，一充電電晶體被部分開啟。部分開啟允許調整該充電所見之電壓位準(即低於一快速/正常模式位準的一位準)以避免該充電器切換模式。此於提出之系統中被完成，同時維持對該電池管理系統元件(例如包括微控制器(例如晶片)之積體電路元件)的一供應電壓高於一最小操作位準。藉由維持該電池系統元件的操作電壓，監控功能可於整體充電週期中被啟動(舉例來說，以確保監控從及低電壓開始的恢復以及正確監控載入該電池胞的充電)。
在一實施中，一提出之系統允許利用高側NFET電晶體的極低電壓恢復，因而可更有成本效益並且可被製造於一高成本效益的高電壓CMOS處理中。再者，NFETs較類似尺寸的PFETs具有較小的開啟電阻。因此，包括高側NFET電晶體之提出系統可利用更廉價及/或較少的電晶體加以實施。
提出之高側解決方案相較於傳統低側解決方案亦為有利的。由於需要遠低於地面之輸出電壓以關閉該FETs，因此用於低側FET解決方案的傳統驅動器無法輕易以CMOS實施。具有低側FETs之傳統電池組需要雙極性或雙CMOS技術。一提出之解決方案包括一完全整合的解決方案，其中高電壓前端元件、微控制器以及非依電性記憶體被整合於一單一晶片中。與一完全整合之CMOS解決方案相比，一雙極性解決方案無法提供一微控制器單元以及非依電性記憶體的一高成本效益整合。BiCMOS技術的執行成本更為高昂。
類似地，包括一通信埠之一提出的電池管理系統可輕易地以一高側解決方案加以實施，而不具有關於該通信信號位準以及該電池管理系統之地面之低側解決方案所呈現之困難。然而，若仍偏好一低側解決方案，此文中描述之關於該充電電晶體之部分開啟的說明仍可如前述提供益處。再者，雖然本文描述NFET解決方案，但該充電電晶體之部分開啟亦可被用於PFET。
本發明之一或多個實施例的細節被提出於以下之描述及附隨圖式中。本發明之其他特徵、目標及優點將由該描述與圖式以及由申請專利範圍中所明瞭。
現在將參照一單晶片電池管理系統，其中一微控制器、非依電性記憶體以及其他電路元件被整合於單一積體電路中。替代地，該提出之方法及系統可被實現於一多晶片解決方案中。揭露之方法及系統可如該些習知記憶人士所知被實施於這些及其他結構中。一種方法、設備及系統被描述用於極低電壓恢復(即非常低的電池胞電壓)，其方式確保適當的電源被提供給該電池管理系統(例如適當供應被提供給該電池管理系統，因而監控功能可被啟動)，且同時類似地確保一耦接充電器被適當配置以充電該系統之電池胞，包括在極低電壓恢復過程中。
包括電池管理系統之電池組
現在參照第1A圖，該圖顯示用於一應用50中的一電池組100。電池組100可被耦接至一裝置102或一充電器104之一。當被耦接至該充電器104時，該電池組100之終端(即正極與負極以及選擇性的一通信終端)由一媒體106耦接至該充電器104之對應終端(即正極與負極及通信終端)以允許關於該電池組100之電池胞的充電。該媒體106可為電線、導線、針腳或任何其他電子連接方式。下文將更詳細地描述充電。
類似地，當耦接至一裝置102時，該電池組100之終端(即正極與負極及通信終端)由一媒體108被耦接至裝置102的對應終端(即正極與負極及通信終端)以允許該裝置102之操作。該媒體108可為電線、導線、針腳或任何其他電子連接方式。。在某些實施中，電池組100亦於個別通信埠被耦接至裝置102及充電器104。通信埠允許該裝置102/充電器104及電池組100之間的資訊(例如命令及控制)傳輸。可被交換之資訊的一範例包括該電池充電位準(即容量)。
現在參照第1B圖，該圖提供電池組100之一更詳細概略圖。電池組100包括一或多個電池胞120、個別的電晶體110、112、一分流電阻114以及一電池管理系統130。電池管理系統130包括多個元件，如下文所述可被整合於一單一封裝中(例如整合至單一積體電路中)。替代地，電池管理系統130元件可被分別封裝。個別電晶體110、112可被分離自電池管理系統130並被包括於一分離封裝或可伴隨該電池管理系統130元件共同加以封裝。
個別電晶體110、112被用於從該外部電池組終端(外部電池組負極140及正極150)切斷該電池胞120。圖示之實施中顯示兩個別電晶體，其可為場效電晶體(FETs)的形式。雖然亦可使用其他電晶體技術，FETs在處理、效能(例如啟動電阻)、成本、尺寸等方面均有優勢。在圖示之實施中，提供兩電晶體並代表個別充電110及放電112電晶體。充電電晶體110被用於允許該電池胞120之安全充電。放電電晶體112被用於允許該電池胞120之安全放電。該充電及放電電晶體110、112被串連。在一實施中，使用兩NFET電晶體且以一串連配置耦接兩者之汲極。替代地，可使用兩PFET電晶體並且由源極相連。在一PFET解決方案中，可需要未顯示之額外二極體以提供店員至該電池管理系統130(即供給Vfet)。
在圖示之實施中，該充電及放電電晶體110、112以一高側配置加以耦接(亦即該串聯電晶體被耦接至該電池核心之高側，而非一低側配置)。在圖示之高側配置中，該充電電晶體110之一終端(一NFET實施之一源極)被耦接至該電池胞120－1之正極。放電電晶體之一終端(亦為一NFET實施中的一源極)被耦接至該外部電池組正極150。該充電及放電電晶體110、112之個別第二終端彼此相耦接(於一NFET實施中形成一汲極－汲極接面)。充電電晶體110及放電電晶體112分別於輸入OC及OD耦接至電池管理系統130。類似地，該電晶體110、112之間的接面於一晶片輸入(或者有時於此文中稱為並於第1B圖中標示為Vfet)被耦接至該電池管理系統130。該晶片輸入提供操作電源至電池管理系統130。
在圖示之實施中，兩電晶體被要求可阻擋兩方向中的電流流動。更特言之，FETs包括一寄生二極體(分別標示為110－1及112－1)且因而具有單一FET無法允許關閉兩方向中的電流流動。當兩FETs被串聯使用時(源極對源極或汲極對汲極)，流進及流出該電池胞的電流可被關閉。類似地，當使用兩電晶體時，可執行選擇性控制以允許電流在一特定時間僅於單一方向流動(亦即允許充電，直到足夠充電已被置入該電池胞前不加以放電)。
電池胞120為可充電電池且可為鋰離子(Li－ion)或鋰聚合物(Li－polymer)之形式。其他電池技術類型亦為可能的。當提供多個電池胞時，該電池胞120被串聯耦接。在圖示之兩電池胞實施中，電池胞120－1的最頂端正極被耦接至電池管理系統130(例如允許電池電壓位準的偵測)以及該個別電晶體之一(即該充電電晶體110)。該最頂端電池胞120－1的負極以及該最底端電池胞120－2的正極彼此耦接並於輸入170耦接至該電池管理系統130。該串聯中最底部電池胞120－2的負極被耦接至該電池管理系統130(例如允許電池電壓位準的偵測)以及該分流電阻114的一端。透過圖示之一兩電池胞實施，其他數量的電池胞可被包括於該電池組100中，包括單一電池胞配置或其他多電池胞配置。該分流電阻的第二終端被耦接至區域地面(智慧電池區域地面)、該電池管理系統130(以允許透過該分流電阻114測量電流流動)以及該電池組100之外部電池組負極140。
電池管理系統130包括監控電子(supervisor electronic)以於不當操作時保護該電池組、監控電子以估計剩餘電池容量、一控制器(例如一微控制器)用於系統控制以及與耦接至該電池組之裝置及/或充電器的通信、以及記憶體(例如EEPROM、Flash ROM、EPROM、RAM等等)。如前所述，特定電池技術若被不當使用可造成危險情況。舉例來說，Li－ion及Li－Polymer電池若被過充或過快放電便可能過熱、***或或自燃。再者，Li－ion及Li－Polymer電池若被過度放電則可能流失大量的電池容量。電池管理系統130包括監管電子以確保無錯誤操作，其至少一者為從一深欠電壓狀態中恢復。深欠電壓恢復將於下文中更詳細討論。
監控電子為電池管理系統130之部分，其可被用於估計剩餘電池容量。電池容量資訊可透過一通信埠終端160被通信於電池管理系統130及一連接之裝置/充電器之間。如下文之進一步討論，一微控制器(以及相關記憶體)可被包括於電池管理系統130中，並可提供系統控制以及與一連接裝置/充電器之通信。
電池管理系統
第2圖說明用於該電池組100中的示範電池管理系統130的一方塊圖。該電池管理系統130一般包括一處理器202(例如一低功率、一RISC結構基礎的CMOS 8位元微控制器)、一電池保護電路204、一電流流動控制器206、電源監督器210、充電偵測器212、時脈建立器214、埠216、記憶體218、參考電壓220及監視計時器222。該處理器202、埠216、電池保護電路204及參考電壓各自被耦接至一資料匯流排224。
該電池管理系統130之一實際實施可包括其他元件及子系統，其可為了簡潔目的而自第2圖中移除。舉例來說，該晶片130可包括用於電池監控之電路(例如類比至數位轉換器)、用於平衡電池胞電壓之電池胞平衡電路(例如電池胞平衡FETs)、用於與一外部裝置通信之一通信裝置、雜訊抑制電路、喚醒計時器、以及其他監控或控制電路。該記憶體218可被寫入可由該處理器202執行之指令以執行各種任務，例如電池胞平衡、電池保護、電流測量以供判定充電位準等等。
在某些實施中，該電流流動控制器206具有數個被耦接至外部裝置的輸出(例如OC、OD)，該電流流動控制器206可配置該外部裝置以控制該電池胞及一裝置或充電器之間的電流流動。該電流流動控制器206包括各種電路及邏輯(例如操作放大器、控制及狀態暫存器、電晶體、電容、二極體、反相器、閘等等)以於該輸出(例如OC及OD)建立電壓。在某些實施中，該OC輸出為耦接至一充電FET(例如充電電晶體110)之閘極的一高電壓輸出，以完全或部分開啟或關閉該充電FET以控制一充電事件過程中的電流流動。該OD輸出為耦接至一放電FET(例如放電電晶體112)之閘極的一高電壓輸出，以完全或部分開啟或關閉該放電FET以控制在一放電事件過程中的電流流動。第1B圖說明一高側實施中FET裝置的一示範配置以供回應該電流流動控制器206之控制電壓而控制電流流動。
該電流流動控制器206透過介面240被耦接至該電池保護電路204。該電池保護電路204包括用於監控該電池胞電壓及充電/放電電流的電路(例如一差動放大器)以偵測錯誤狀態，且用以起始動作(例如關閉或部分關閉充電及放電FETs)以保護該電池組100之損壞。錯誤狀態之範例包括但不限於：放電過程中的深欠電壓、放電過程中的短路以及充放電過程中的過高電流。在某些實施中，一電流感應電阻(Rsense，即分流電阻114)可被耦接跨過該電池保護電路204之PPI及NNI輸入，其中PPI為源自該電流感應電阻的一未過濾正輸入，而NNI為源自該電流感應電阻之一未過濾負輸入。該電流感應電阻可被耦接至該電池胞120以及電池管理系統130，如第1B圖所述。
包括深欠電壓(under－voltage)復原電路的閘驅動器
現在參照第3圖，該圖說明關於該電池組100之高電壓前端中該充電電晶體(OC FET)的一驅動電路300。驅動電路300形成第2圖之電流流動控制器206之部分並包括閘驅動器302、高與低開啟信號304及306、深欠電壓恢復模式信號308、恢復電路310以及分別標示為DUVR最大312值及DUVR最小值314的兩參照信號。
閘驅動器302包括多個輸入，分別包括高與低開啟信號輸入304及306。閘驅動器302亦接收恢復電路310之一輸出信號(例如AND閘320之一輸出)作為一輸入。閘驅動器302包括一充電幫浦(未顯示)用以提供該驅動信號至第1圖之充電電晶體110的閘極。標示為OC之輸出信號被耦接至該充電電晶體110之閘極輸入。如下文更詳細之討論，該閘驅動器可被配置為三種模式之一：高模式、低模式或部分開啟模式。在高模式中，該充電電晶體之閘極實質上被該閘驅動器302之驅動信號(亦即回應該高開啟信號304)所完全開啟。在低模式中，該充電電晶體之閘極實質上被該閘驅動器302之驅動信號(亦即回應該低開啟信號306)所完全關閉。在部分開啟模式中，該充電電晶體之閘極被驅動以調整跨過該充電電晶體(亦即跨過其閘－源接面)的電位，並藉以調整該充電器所見以及位於該電池組之輸入的電位(即Vfet)。在部分開啟模式中，提供至該充電電晶體之閘極的驅動信號可被替代地升高(例如藉由該閘驅動器中的充電幫浦)以增加該閘極驅動信號以便進一步開啟該充電電晶體，或者對一預定週期數被降低(例如藉由切換切換器330以及允許透過電阻332放電)。在部分開啟模式中，閘驅動器302維持該充電器所見之電位(即調整Vfet 405)為實質固定的且位於該DUVR最大值及最小值參照信號(例如DUVR最大值及DUVR最小值312、314)所定義之限制中。
習知技藝人士將瞭解前述該充電電晶體之閘極驅動信號的部分開啟(包括該閘驅動器302之充電幫浦的升高、以及利用切換器330放電)僅為示範性質。該充電電晶體之部分開啟可由許多方式完成。用於開啟該充電電晶體之一系統實施係結合第3圖加以說明。替代地，其他配置亦為可能的。舉例來說，包括驅動細節的一部份開啟信號(亦即以驅動該閘極的程度變化的一信號)可被提供至該閘驅動器302作為一輸入。回應該部分開啟信號，該充電電晶體之閘極可被驅動於該部分開啟信號所指示之一位準(即部分位準)。替代地，一步進函數可被該閘驅動器使用，其中該部分開啟信號僅於步進(上升或下降)至次一位準時發出。該閘驅動器302之部分開啟的細節將伴隨該復原電路310以及第5圖中討論之充電處理於下文更詳細討論之。
復原電路310包括用於深欠電壓復原的電路。復原電路310於一實施中可被用於控制該閘驅動器302的部分開啟。在一實施中，復原電路310包括結合邏輯、兩比較器以及一切換器。特言之，在圖示之實施中，復原電路310包括兩AND閘320、322、兩比較器324、326以及切換器330。
對AND閘320、322各自之一輸出係由DUVR模式信號308所提供。DUVR模式信號308為可被例如第2圖之微控制器220所提供之一深欠電壓模式信號。DUVR模式信號308於該電池組位於深欠電壓恢復中(例如當該電池胞已被深度放電而於正常充電操作前需要特利充電時)被開啟。DUVR模式信號308可回應該電池胞電位位準與一最小電位位準之一比較而加以建立。電池胞電壓位準可直接由例如該電池管理系統130中的一監控器所測量。對AND閘320之一第二輸入信號被耦接至比較器324之輸出。對AND閘322之一第二輸入信號被耦接至比較器326之輸出。
如前所述，AND閘320之一輸出被耦接至閘驅動器302之一高開啟輸入。AND閘322之一輸出被耦接至切換器330之一閘極。切換器330可為一電晶體之形式，而AND閘322之輸出可如第3圖中所示被用於驅動該電晶體330之閘極。在圖示之配置中，該切換器330及該電池管理系統130之一接地點之間的一信號路徑可選擇性地包括一放電電阻332。藉由完全切換切換器330(例如驅動該閘極以實質完全開啟該電晶體)，該驅動電路300傳遞至該充電電晶體的輸出信號可被降低(因而部分關閉該充電電晶體)。該切換器及電阻伴隨該閘驅動器302之操作將於下文更詳細加以討論。
對比較器324、326各自之一輸出係由一輸入信號350所提供。更特言之，對比較器324之第一(“＋”或非反相的)輸入被耦接至輸入信號350。類似地，比較器326之一第二(“－“或反相的)輸入被耦接至輸入信號350。在本文中係指晶片輸入或Vfet的輸入信號350為該電池管理系統130的操作電位信號。輸入信號350實質上代表該串聯電晶體間一節點所見之電位(例如在一NFET高側解決方案中該充電OC及放電OD電晶體之汲極間的節點之電位)。在某些系統中此被稱為該電池管理系統130之晶片輸入、輸入電壓、Vfet 或Vcc 。
對比較器324之一第二輸入(“－“或反相輸入)係由該DUVR最大參照信號312所提供。對比較器326之一第一輸入(“＋“或非反相輸入)係由DUVR最小參照信號314所提供。在一實施中，該DUVR最小參照信號被設為實質上位於該電池管理系統130的一最小操作點(例如正常電池管理系統130操作的Vfet 最小值)。在一單電池胞實施中，該DUVR最小參照信號位準實質上為0.9x伏特，其中x為一實數乘號。在一多電池胞實施中，該DUVR最小參照信號位準實質上為1.8x伏特。類似地，在一實施中，該DUVR最大臨界位準被設為僅低於關於該充電器中自預充電至快速或正常充電模式之一模式轉換的轉換位準(亦即僅低於該預充電臨界位準)。在一單電池胞實施中，該DUVR最大參照信號位準實質上為1.1x伏持。在一多電池胞實施中，該DUVR最大參照信號位準實質上為2.0x伏特。
操件
現在將伴隨第4圖中說明的充電圖參照閘驅動器302及恢復電路310的操作。充電圖400包括一X軸(時間)及Y軸(電位)，並說明關於該驅動電路之各種信號(對電池管理系統的輸入電位Vfet 405、電池胞電位VCELL 410對充電電晶體之驅動信號VOC 415、以及該充電器所見之電位VBATT 420(即電池組“＋”極所見之電位)的狀態。該圖說明四種時期，分別為重置(時間1)、充電器連接及流入(時期1至2)、部分充電(時期2至3)以及傳統充電(時期3－4)。
於時間t＝0(實質上與時間1同時)，該電池組位於重置模式中，未耦接充電器至該裝置且該相關電池胞之電位實質上為0(亦即VCELL實質上為0而電池胞處於一深欠電壓狀態)。
於時間t≧0時(由時期1至2所定義)，一充電器被耦接至該電池組。該充電器與該電池組的耦接導致該閘驅動器電壓VOC(如驅動信號VOC 415中所見)的一陡升至一初始位準(顯示於圖中的A點)。為了充電該電池，該充電電晶體必須起碼部分被開啟以允許電流流入該電池(因而該VOC電位上升)。實質上與該閘驅動器電壓VOC上升同時者為該電池管理系統130輸入所見之電位VFET 405以及該充電器所見之電池電位VBATT 420的一下降。實質上於時間2，關於該電池管理系統130之微控制器已偵測該深欠電壓狀態並起始一深欠電壓恢復，其包括將如下文討論之充電電晶體的部分開啟。
現在參照該部分充電時期(由時期2至3所定義)，一深欠電壓復原模式已被觸發。深欠電壓復原可如前述由偵測該風潮之一電壓位準低於一臨界位準所觸發。在單一電池胞實施中，若於充電時該電池胞電壓位準低於約1.0x伏特，則觸發深欠電壓復原。在一實施中，深欠電壓復原模式為用於充電該電池組之預設開始模式。在深欠電壓復原模式中，提供至該充電電晶體之閘極的驅動信號VOC 415被調整，因而位於該電池管理系統130之輸入所見的電位VFET 405於關於該深欠電壓復原之整體時期中(例如時期2至3)實質上被調整於一位準(例如高於最小操作位準的一位準)。由第4圖中可知，VFET 405於整體部分充電時期中被維持於一實質固定的位準。
在該深欠電壓復原模式中，藉由例如前述閘驅動器302及復原電路310的結合，可部分開啟該充電電晶體而允許充電，但充電量被小心控制。由該充電圖可知，該電池胞之電位(VCELL 410)於加入充電時升高。隨著充電持續，該充電電晶體之閘驅動器電位(VOC 415)被調整至完全開啟(以更開啟該電晶體並降低跨過該充電電晶體之汲－源接面的電位下降)。在一實施中，調整包括於一預定週期數(例如：一)啟動該閘驅動器(即閘驅動器302)之一充電幫浦。此同時調整降低跨過該充電電晶體的汲－源電位並導致位於該電池管理系統之輸入的一實質固定(即調整的)電位(亦即在時期2－3中實質上的固定VFET信號軌跡)。舉例來說，在該電池胞之初始電位為0.5伏特的一深欠電壓復原，且該電池管理系統130之最小操作電位為1.0x伏特中，該充電電晶體一開始可被部分開啟，因而該汲－源接面呈現的一電位為該電池胞電位及該最小操作電位(此處一開始為.7x伏特)的差。隨著電荷流入該該電池胞，且隨著該電池胞電位升高，提供至該充電電晶體之閘極的驅動信號被進一步調整(在此情形中為增加(例如藉由升高該閘驅動器中的充電幫浦一預定次數)以便降低跨過該汲－源接面的電阻，因而降低跨過該電晶體之電位)以便維持提供至該電池管理系統130之操作電位VFET 405實質上高於一固定最小操作位準。注意，若該閘極驅動信號的調整過多(例如該充電幫浦循環太多次且該結果VFET操作位準下降太低)。則該閘極驅動信號可被降低(例如藉由切換電晶體330以及允許透過電阻332放電該電晶體)一段時間或數次以便VFET升高405之操作電位。
隨著該電池胞之電壓繼續升高，該深欠電壓復原模式可被終止(從時期3－4開始)。在終止時，可開始傳統充電，包括完全開啟該電池組之充電電晶體110。
深欠電壓復原方法
現在參照第5A圖，該圖提供用於深欠電壓復原之一方法500的一流程圖。復原方法500包括三階段：一設置期502、一部份充電期504以及一充電期506。
在該設置期502中，偵測到一充電器被耦接至一電池組510。該偵測可包括透過一放電電晶體中的一分流電阻的偵測，或者替代地與該電池組之放電電晶體無關的分別偵測(例如藉由該電池管理系統130中的一充電器偵測電路)。在偵測後，該電池管理系統被啟動，其由該相連之電池胞或該充電器512之一提供一足夠操作位準的電力。更特言之，在一高側NFET配置中，該電池管理系統係由該充電或放電電晶體中存在之分流電阻於一輸入(此處係指該晶片輸入或VFET)所啟動。該電池管理系統於充電前由該電池胞或該充電器之一所啟動可允許對該電池胞之充電輸入的準確測量(伴隨溫度及其他資料蒐集)以及該充電週期的完全控制(亦即包括啟動該電池管理系統之各種保護模式)。該電池組中該電池胞的一電位位準被偵測。若該電位位準低於一臨界位準(此處係指該部分充電電壓位準)516，一深欠電壓恢復被起始而該處理於步驟520繼續。替代地，不論該電池組何時被耦接至一充電器，一深欠電壓恢復模式可被起始。若該電池胞之電壓位準高於該臨界位準，則一傳統充電週期於步驟550被起始。在一傳統充電週期(550)中，該電池組之充電電晶體被完全開啟以允許該電池胞之傳統或快速充電。在某些實施中，該放電電晶體於該充電週期中可被關閉。關閉該放電電晶體避免該電池組自該充電器分開並於完成或足夠充電該電池胞前連接至一裝置。在其他實施中，該電池組之放電電晶體於該充電週期中被開啟。
在該部分充電期504中，該充電器被允許充電該電池胞但於一低速模式中。為了維持該充電器於該低速模式中，必須調整該充電器所見之電壓。如前所述，具有兩種操作模式(即預充電與正常或快速充電)之傳統充電器依據該充電器所見之電壓位準(將此解為該電池胞電壓位準)切換操作模式。然而，某些特定電池技術無法從一深欠電壓狀態中被過快地充電。為了避免一傳統充電器過早切換為正常或快速模式，調整提供給該電池管理系統並因而調整提供給該充電器之電壓(即VFET)(亦即與該充電器所見之電壓具有一已知關係，因此可被調整以確保適當充電器操作)。更特言之，在部分充電模式中，調整提供給該充電電晶體之驅動信號，因而該充電電晶體之汲－源電位位準等於該電池胞電位與所需電池管理系統操作電位(或者高於此最小位準之一位準)之間的電位差。隨著該電池胞之電位位準上升，跨過該充電電晶體之汲－源接面的電位被調整(即降低)以維持(即調整)該電池管理系統輸入實質上位於正確操作電位。此持續到該電池胞之電位位準到達一恢復電壓，此時該深欠電壓模式(以及該相關部分充電模式)可被終止。
回到第5A圖，在部分充電期504中部分開啟該充電電晶體以允許該電池胞之充電520。可藉由提供低於完全開啟該電晶體所需之一位準的一閘驅動信號至該充電電晶體以執行部分充電。替代地，可執行一連串步驟以協助部分充電。在另一實施中，可依據對該電池管理系統之輸入電位與一或多個參考信號的比較(亦即比較該輸入電位及高與低參照信號DUVR最大值312及DUVR最小值314以建立用於該充電電晶體之一操作限制)替代地開啟(例如提升)或關閉(例如透過切換器330及電阻332放電)該充電電晶體之閘驅動器。部分充電持續到該電池胞電位升高至該部分充電電壓位準之上522。其後，部分充電期504終止而正常或傳統充電接續550。更特言之，如前文之一實施中所述，調整該部分充電模式中對該充電電晶體之一驅動信號，因而該充電電晶體之汲－源電位位準等於該電池胞電位以及所需電池管理系統操作電位之間的電位差。
用於控制該部分充電之一實施被顯示於第5B圖中(特言之參照步驟532－540)。在此實施中，在一操作限制中調整對該充電電晶體之閘極的一驅動信號。可使用邏輯以維持該驅動信號於所需限制中。隨著電池管理系統之輸入處所見之電位的調整(由於在充電過程中該電池胞之電位增加)，該充電電晶體被開啟的程度亦被調整。藉由更加開啟或關閉該充電電晶體，跨過該源－汲接面的電阻改變，造成該電池管理系統之輸入處所見之電位的一改變。更特言之，對該電池管理系統輸入處之電位位準做成一判定532。若該電位位準低於一最小DUVR臨界位準534。則耦接至該充電電晶體的驅動電路被切換為關閉的536(在一實施中，切換該驅動電路因而一一洩漏電晶體330以及相連串聯電阻332緩慢放電該充電電晶體輸出)。藉由關閉該驅動信號至該充電電晶體，該電晶體更為關閉，導致跨過該汲－源接面之電阻增加，以及跨過該電晶體必然之更大電位(即電壓降低)。跨過該電晶體之更大電位轉換為提供給該電池管理系統輸入的一更高電位位準。
替代地，若該電池管理系統輸入之電位位準高於一最大DUVR臨界位準538，則耦接至該充電電晶體之驅動電路被切換為開啟的(由閘驅動器302中的充電幫浦提升一預定週期數)540。藉由啟動該驅動信號至該充電電晶體，該電晶體更加開啟，導致跨過該汲－源接面之電阻降低，以及跨過該電晶體必然之一較小電位(即電壓降低)。跨過該電晶體之較小電位轉換為提供給該電池管理系統輸入的一較低電位位準。若任何狀態均不符合534、538，則該處理繼續檢查(依據需要)以於步驟532判定提供給該電池管理系統之電位。
在一實施中，該DUVR最小臨界位準被設為高於該電池管理系統之一實質最低操作點(即VFET對於正常電池管理系統操作處於其最小值)。類似地，在一實施中，該DUVR最大臨界位準被設為僅低於關於該充電器中一模式從預充電轉換為快速或正常充電模式的轉換位準(亦即僅低於該預充電臨界位準減去一二極體降低)。
該些習知技藝人士將瞭解某些傳統充電器監控該電池胞電位以判定何時自一預充電切換至一快速充電模式。在這些傳統系統中，該充電器典型地監控位於該電池組終端的電池胞位準。因此，於該電池管理系統之輸入處的電位調整亦可有效地調整該充電器所見之電位，藉以避免於該充電器中自一預充電模式切換至一快速充電模式，直到該電池胞為“備妥的”(例如該電池胞已於一適當時間長度中被提昇至一適當電位)。
前文已描述本發明之數種實施例。然而，將瞭解可進行各種修改而不會偏離本發明之精神或範圍。舉例來說，雖然已描述一種在深欠電壓恢復過程中開啟一電池管理系統中的充電電晶體的方法，但其他用於調整跨過該汲－源接面之充電電晶體電壓降低的方法亦為可能的。再者，其他電路、邏輯、程式指令等等可被用於調整該電池管理系統之輸入處以及因而於一耦接充電器之輸入處所見之電位。因此，其他實施例係於以下申請專利範圍之範圍中。
50．．．應用
100．．．電池組
102．．．裝置
104．．．充電器
106．．．媒體
108．．．導電媒體
110,112．．．電晶體
114．．．電流感測電阻
120．．．電池胞
130．．．電池管理系統
140．．．負極
150．．．正極
170．．．中心點
202．．．處理器
204．．．電池保護電路
206．．．電流流動控制器
210．．．電源監督器
212．．．充電偵測器
214．．．時脈建立器
216．．．埠
218．．．記憶體
220．．．參考電壓
222．．．監控計時器
224．．．資料匯流排
302．．．閘驅動器
308．．．深欠電壓恢復模式信號
310．．．恢復電路
第1A圖為包括一電池組的一應用的一概略圖；第1B圖為一電池組的一概略圖；第2圖為一電池管理系統的一方塊圖；第3圖為用於驅動一充電電晶體之一驅動電路的一方塊圖；第4圖為一圖式，其說明該部分充電及傳統充電模式，其包括位於該電池管理系統之輸入電位以及用於該充電電晶體之驅動電位之間的關係；第5A圖為一極低電壓恢復方法的一流程圖；第5B圖為一部份充電模式的一流程圖；各圖式中類似的參照編號指示類似的項目。
302．．．閘驅動器
308．．．深欠電壓恢復模式信號
310．．．恢復電路

Claims (17)

  1. 一種用於充電一電池系統的方法，其包含：判定一充電器耦接至一電池系統，該電池系統包括一或多個電池胞以及一充電電晶體，其中：該電池系統不同於該充電器，該充電器監控該電池系統之一電壓位準，及該充電器可運作以二或更多種操作模式來充電且基於由該充電器所監控之該電池系統之該電壓位準在該二或更多種操作模式之間切換；判定該等電池胞之一電壓位準低於一第一低電壓位準，其中該等電池胞之該電壓位準不同於由該充電器所監控之該電池系統之該電壓位準；以一降低速率充電該等電池胞，其包括調整施加至一充電電晶體閘極之一電壓，其包括：調節由該充電器所監控之該電池系統之該電壓位準至低於一第二電壓位準之一位準，其中該充電器沒有在該二或更多種操作模式之間切換，及供應用於該電池系統之至少一元件之一最小操作電壓；及當該電池胞之電壓到達該第一低電壓位準時，實質上完全開啟(enable)該充電電晶體以允許該充電器在該二或更多種操作模式之間切換。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中調整施加至該充電電晶體之閘極的一電壓包括部分開啟該 充電電晶體。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中部分開啟該充電電晶體包括部分開啟該充電電晶體直到該電池胞之一電壓超過該第一低電壓位準。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中部分開啟該充電電晶體包括將跨過該充電電晶體之一電位調整為高於一電位差，其係介於該等電池胞之一電位與該最小操作電壓之間。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中：該二或更多種操作模式包括一降低充電速率充電模式及一正常充電速率充電模式；當由該充電器所監控之該電壓位準低於該第一電壓位準時，該充電器切換至該降低充電速率充電模式；及當由該充電器所監控之該電壓位準到達該第一電壓位準時，該充電器切換至該正常充電速率充電模式。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該電池系統包括一電池管理系統，其包括電池監控電路，且其中調整施加至該充電電晶體之一電壓包括調整一驅動信號至該充電電晶體，以維持該電池管理系統之一輸入處所見之一電壓於一位準，該位準係高於用於該電池管理系統之一最小操作電壓。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該電池系 統包括一電池管理系統，其包括電池監控電路，且其中調整施加至該充電電晶體之一電壓包括調整一驅動信號至該充電電晶體，以維持該電池管理系統之一輸入處所見之一電壓於一位準，該位準係低於該充電器將自一降低充電速率切換至一正常充電速率的一電壓位準。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之方法，更包含：在以一降低速率充電該等電池胞前，啟動該電池系統中的監控電路；及監控該等電池胞之降低速率充電。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之方法，更包含於充電時安全監控該電池系統。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之方法，更包含於充電時監控該電池系統之電池胞之一容量中的改變。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中調整施加至該充電電晶體的一電壓包括判定該電池系統之一操作電壓是否高於一預定最大值，且若是，則增加提供給該充電電晶體的一驅動電壓。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中調整用於該充電電晶體的一電壓包括判定該電池系統之一操作電壓是否低於一預定最小值，且若是，則降低提供給該充電電晶體的一驅動電壓。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之方法，更包含在充電該等電池胞之前開啟包括於該電池系統中之充電 監控電路。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之方法，更包含使用該電池系統之監控電路監控一或多個電池胞之電壓位準及判定是否該經監控之電壓位準低於第一臨限電壓位準。
  15. 一種用以充電一電池系統之設備，其包含：一高側NFET充電電晶體；一驅動電路，其用以驅動該高側NFET充電電晶體；及一監控電路，其耦接至該驅動電路且用以監控將被充電之一電池胞之一電壓位準；其中當不同於該設備之一充電器耦接至該設備時，該驅動電路可運作以執行包含以下之操作：若該電池胞之電壓位準低於一第一臨界位準，則部分開啟該高側NFET充電電晶體，其包括供應該監控電路之一最小操作電壓，其中該充電器沒有在二或更多種操作模式之間切換，及當該電池胞之電壓位準到達該第一臨界位準時，實質上完全開啟該充電電晶體以允許該充電器在該二或更多種操作模式之間切換。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之設備，其中部分開啟該高側NFET充電電晶體更包括調節由該充電器所監控之該設備之一電壓位準至低於一第二電壓位準之一位準。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之設備，其中：該驅動電路包括一恢復電路，其可運作以控制部分開啟該高側NFET充電電晶體，該恢復電路包括：一結合邏輯電路；複數個比較器，其耦接至該結合邏輯電路；及一切換器，其耦接至該複數個比較器且可運作以基於來自該複數個比較器之一信號來部分開啟該高側NFET充電電晶體。
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