TWI482392B - 用於電池充電器之輸入行選擇器、線性充電器、切換充電器及其選擇性連接方法 - Google Patents

Description

用於電池充電器之輸入行選擇器、線性充電器、切換充電器及其選擇性連接方法

本實施例有關於輸入行選擇器。確切地說，本發明是有關於雙路輸入充電器之輸入行選擇器、線性充電器、切換充電器及其選擇性連接方法。

隨著筆記型電腦、手機等掌上設備越來越普及，對於這些設備電源的需求也越來越大。為了滿足這種需求，這些設備都帶有單獨的***式電源適配器或雙路輸入充電器，用於控制兩種電源(通常是牆式適配器和USB介面)為電池充電。充電器通常在充電的同時，產生系統內使用的調製功率。近年來，已經研發出了多種電池充電器結構。一般來說，充電器系統是一個降壓轉換器，利用較高的輸入源驅動電池等較低的輸入負載。

本領域中已知的雙路輸入充電器包括配有電晶體(通常是MOSFET)的負載開關積體電路(IC)。MOSFET通常包括一個內置的寄生二極體，即體二極體，形成在MOSFET的汲極和源極之間。為了接收來自兩個輸入源的功率，雙路輸入充電器利用兩個負載開關IC ，每個負載開關IC都在每個輸入電源的接收端。每個負載開關IC都包括兩個nMOSFET串聯在一個源極-汲極-汲極-源極結構中。負載開關IC帶有一個「可用」訊號，打開所需的負載開關IC。如上所述，當負載開關IC與開關或線性充電器一起組合使用時，用於雙路輸入單獨的輸出充電器。開關或線性充電器還包括兩個nMOSFET串聯在一個源極-汲極-汲極-源極結構中。

因此，帶有單獨輸出的傳統的雙路輸入充電器，至少需要六個或七個nMOSFET才能用於實際功能，這些額外的電路要以一種優化的方式驅動所連接的開關，就會增加成本，使系統變得複雜。

Texas儀器公司的一種產品--BQ24160(雙路輸入開關充電器)利用上述結構，接收來自兩個電源的輸入，提供單獨的輸出。該系統包括一對負載開關，連接到每個輸入電源上。每個負載開關還包括一對nMOSFET開關，在一個源極-汲極-汲極-源極結構中相互連接。負載開關連接到線性或開關充電器上，線性或開關充電器也配有兩個串聯在源極-汲極-汲極-源極結構中的nMOSFET。在一個單獨的輸入線性充電器中，Texas儀器公司的BQ25040產品的結構利用六個nMOSFET開關(一個充電模組中四個開關工作)，在一個單獨的轉換線性充電器中，Texas儀器公司的BQ24150產品的結構利用七個nMOSFET開關(一個充電模組中五個開關工作)，實現雙路輸入單獨輸出的功能。開關數量以及選取專用負載開關的附加控制訊號的增多，都使系統變得更加複雜。此外，串聯的nMOSFET數量的增多，提高了製造損耗，降低了效率，並且增加了成本。

專利號US 7759907B2的專利提出了另一種製備雙路輸入單獨輸出 充電器的方法，其中該系統接收來自兩個輸入電源的功率，提供一個源極選擇電路，在兩個電源中邏輯選擇其中一個。源極選擇電路還包括兩個電路，組合絕緣二極體和旁路電晶體，每個電路都與一個輸入電源相連。這些旁路電晶體為p-型電晶體，與上拉電阻器和絕緣二極體一起，選擇一個輸入電源，並將所選的輸入電源連接到輸出端。上述源極選擇電路本身使用了四個旁路電晶體、絕緣二極體以及上拉電阻器。當用於充電時，該電路所含的其他元件增加了傳導損耗，提高了系統的成本。

因此，有必要提出一種改良型充電電路結構，不僅效率高，而且更加簡潔，使系統的性價比更高。

本發明中所用的術語「電流」是指從兩個輸入電源中的任意一個流向輸出端的電流。

本發明中所用的術語「節點」是指但不侷限於至少電路交匯處的兩個元件的連接點或重新分配點。

本發明中所用的術語「開關」是指但不侷限於具有至少三個端的電晶體。

本發明中所用的術語「負載」是指系統中所連接的電池或其他所連接的元件。

當以下術語「第一/第四/第七/第十/第十三端」、「第二/第五/第八/第十一/第十四端」以及「第三/第六/第九/第十二/第十五端」與NPN雙極結型電晶體(BJT)一起使用時，分別指發射極、集電極和基極。

當以下術語「第一/第四/第七/第十/第十三端」、「第二/第五/第八/第十一/第十四端」以及「第三/第六/第九/第十二/第十五端」與PNP雙極結型電晶體(BJT)一起使用時，分別指集電極、發射極和基極。

當以下術語「第一/第四/第七/第十/第十三端」、「第二/第五/第八/第十一/第十四端」以及「第三/第六/第九/第十二/第十五端」與N型金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)一起使用時，分別指源極、汲極和閘極。

當以下術語「第一/第四/第七/第十/第十三端」、「第二/第五/第八/第十一/第十四端」以及「第三/第六/第九/第十二/第十五端」與P型金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)一起使用時，分別指源極、汲極和閘極。

本發明書中所用的術語「低電壓閉鎖能級」是指但不侷限於預設的一個工作電壓能級。

本發明中所用的術語「源極-汲極-汲極-源極」是指兩個相互串聯的nMOSFET，使第一個nMOSFET的汲極連接到第二個nMOSFET的汲極上。

以上定義附加於本領域中的其他發明。

本發明的目的是在改善原有技術的一個或多個問題，或者至少提供以下有效的可選手段：

本發明的一個目的是提供一種與雙路輸入電池充電器有關的高效的輸入行選擇器。

本發明的另一目的是簡便控制輸入行選擇器中與雙路輸入電池充電器有關的元件。

本發明的另一目的是提供一種自動的行選擇器，無需外部訊號控制組成選擇器的開關，就能工作。

本發明的另一目的是提供一種與雙路輸入電池充電器有關的輸入行選擇器，其結構中所含的元件數量相對較少。

本發明的另一目的是降低雙路輸入電池充電器的傳導損耗。

本發明的另一目的是提供一種節省成本的雙路輸入電池充電器。

本發明的另一目的是提供一種小巧的雙路輸入電池充電器。

閱讀以下發明，並參照圖式後，本發明的其他目標與優勢將顯而易見，以下發明及圖式並不用於侷限本發明的範圍。

依據本發明，提出了一種輸入行選擇器系統，用於選取第一輸入電源線和第二輸入電源線中的其中一個連接到公共節點上，該輸入行選擇器系統包括：第一開關用於選取電流從第一輸入電源線流至節點；第二開關用於選取電流從第二輸入電源線流至節點；自動行選擇器連接到第一開關和第二開關，自動行選擇器基於預設的選擇邏輯，使第一開關或第二開關在工作結構和非工作結構之間切換，這取決於第一輸入電源線和第二輸入電源線中的至少一個的電壓能級，大於低電壓閉鎖能級的預設值。

一般來說，依據本發明，第一開關和第二開關為從金屬氧化物半 導體場效應電晶體(MOSFET)和雙極結型電晶體(BJT)構成的組中選取的電晶體。

我們希望，第一開關至少包括第一端、第二端和第三端，第一端連接到第一輸入電源線；第二開關至少包括第四端、第五端和第六端，第四端連接到第二輸入電源線，第二端和第五端連接到節點。

依據本發明，當第一開關和第二開關為NPN雙極結型電晶體(BJT)時，第一端和第四端為電晶體的發射極，第二端和第五端為集電極，第三端和第六端為基極，構成所述的第一開關和所述的第二開關。

依據本發明，當第一開關和第二開關為PNP雙極結型電晶體(BJT)時，第一端和第四端為電晶體的集電極，第二端和第五端為發射極，第三端和第六端為基極，構成所述的第一開關和所述的第二開關。

依據本發明，當第一開關和第二開關為N型金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)時，第一端和第四端為電晶體的源極，第二端和第五端為汲極，第三端和第六端為閘極，構成所述的第一開關和所述的第二開關。

依據本發明，當第一開關和第二開關為P型金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)時，第一端和第四端為電晶體的汲極，第二端和第五端為源極，第三端和第六端為閘極，構成所述的第一開關和所述的第二開關。

如上所述，自動行選擇器通常包括： 第一分壓器包括第一對電阻器，用於連接到第一輸入電源線，產生第一感測電壓；第二分壓器包括第二對電阻器，用於連接到第二輸入電源線，產生第二感測電壓；比較器用於接收第一感測電壓和第二電壓，並產生輸出訊號；以及驅動器，用於接收輸出訊號，並為第三端或第六端提供預定義電壓。

另外，依據本發明，上述行選擇器用於線性充電器，其中線性充電器還包括第三開關，第三開關有效耦合在節點和負載之間，第三開關至少具有第七端、第八端和第九端，第七端連接到負載，第八端連接到節點，第九端耦合到驅動器上。

此外，依據本發明，上述行選擇器用於切換充電器，其中切換充電器還包括第四開關和第五開關，第四開關和第五開關有效耦合在節點和負載之間，第四開關具有第十端、第十一端和第十二端，第五開關具有第十三端、第十四端和第十五端，第十端和第十四端連接到切換節點，第十一端連接到節點，第十三端接地，第十二端和第十五端耦合到脈寬調製(PWM)驅動器上。

依據本發明，利用至少一個獨立元件、積體電路(IC)以及混合積體電路，可以實現上述系統。

依據本發明，提出了一種選擇性連接，並將第一輸入電源線或第二輸入電源線的其中一個的電流傳輸至公共節點上之方法，該方 法包括以下步驟：製備在第一輸入電源線和節點之間，具有第一端、第二端和第三端的第一開關；將第一端連接到第一輸入電源線，將第二端連接到節點；製備在第二輸入電源線和節點之間，具有第四端、第五端和第六端的第二開關；將第四端連接到第二輸入電源線，將第五端連接到節點；以預設的選擇邏輯為基礎，根據第一輸入電源線和第二輸入電源線中的至少一個的電壓能級，切換工作結構和非工作結構之間的第一開關或第二開關，大於低電壓閉鎖能級的預設值；根據第一輸入電源線，產生第一感測電壓；根據第二輸入電源線，產生第二感測電壓；比較第一感測電壓和第二感測電壓，並產生輸出訊號；以及以輸出訊號為基礎，驅動第三端或第六端，連接感測電壓較高的第一輸入電源線或第二輸入電源線。

依據本發明，上述方法更包括以下步驟：製備具有第七端、第八端和第九端的第三開關，在第一輸入電源線和連接負載之間；將第七端連接到負載；將第八端連接到節點； 適當驅動第九端，調製負載上的充電電流和充電電壓，當用於線性充電器時。

依據本發明，上述方法還包括以下步驟：製備具有第十端、第十一端和第十二端的第四開關，以及具有第十三端、第十四端以及第十五端的第五開關，在節點和開關節點之間；將第十一端連接到節點；將第十三端接地；將第十端和第十四端連接到負載；以及適當驅動第十二端和第十五端，調製開關節點上的充電電流和充電電壓，當用於開關充電器時。

上述方法中所述的預設選擇邏輯，包括以下步驟：確定滯後電壓與偏移電壓，使含有滯後電壓的偏移電壓小於第一開關和第二開關的寄生體二極體的正向電壓；以及從所述的偏移電壓中減去所述的滯後電壓，用於第一感測電壓和第二感測電壓中的至少一個，確定從第一感測電壓和第二感測電壓中選取優先順序高的輸入線。

本發明所述技術的先進性包括實現了：一種與雙路輸入電池充電器有關的輸入行選擇器，其結構包括相 對較少的元件；一種與雙路輸入電池充電器有關的高效輸入行選擇器；一個簡單的控制電路，用於與雙路輸入電池充電器有關的輸入行選擇器中的元件；一種自動行選擇器，無需任何額外訊號，就可控制開關；降低雙路輸入電池充電器中的導電損耗；一種節省成本的雙路輸入電池充電器；以及一種緊湊的雙路輸入電池充電器。

100‧‧‧系統

102、104‧‧‧負載開關IC

106‧‧‧充電器IC

106a‧‧‧線性充電器IC

106b‧‧‧開關充電器IC

108、204、404、504‧‧‧電池

110、206‧‧‧元件

112‧‧‧電容器

1M1、1M2、1M3、1M4、1M5、1M6、1M7、2M1、2M2、2M3、2M4、3M1、3M2、4M3、5M3、5M4、606‧‧‧開關

200a、200b‧‧‧帶有兩個輸入電源線VBUS1、VBUS2之充電器

202‧‧‧可用訊號

402、506‧‧‧其他元件

400‧‧‧線性充電器

406、604‧‧‧閘極驅動

500‧‧‧充電器

502‧‧‧脈寬調製驅動

600‧‧‧排步

602‧‧‧比較器

ALS‧‧‧自動行選擇器

Cpm、Cpm1、Cpm2‧‧‧旁路電容器

EN1、EN2‧‧‧訊號

L1‧‧‧電感器

R1、R2、R3‧‧‧電阻器

Va、Vbat、Vb、Vc、Vin‧‧‧節點

VBUS1、VBUS2‧‧‧輸入電源線

Vcom‧‧‧輸出電壓

VF‧‧‧正向電壓

Vhys‧‧‧滯後電壓

Voff‧‧‧偏置電壓

依據本發明，參照圖式，以下將詳細介紹輸入行選擇器及附帶的電池充電器，其中：第1圖表示傳統的輸入選擇器系統及附帶的電池充電器；第1a圖表示與第1圖所示傳統的電池充電器有關的線性充電器；第1b圖表示與第1圖所示傳統的電池充電器有關的開關充電器；第2a圖表示現有的可選線性充電器；第2b圖表示現有的可選開關充電器；第3圖表示依據本發明的一個實施例，一種輸入行選擇器及附帶的電池充電器；第4圖表示依據本發明的一個實施例，一種電池上用的線性充電器；第5圖表示依據本發明的一個實施例，一種電池上用的開關充電器； 第6圖表示依據本發明的一個實施例，一種自動行選擇器和閘極驅動器；以及第7圖表示第6圖所示的自動行選擇器的輸出波形。

相應的參數或標記表示圖式的各個示意圖的對應部分。

文中所用的術語僅用於說明特定實施例，並不用於侷限。除非特別說明，否則文中所用的單數形式“一個”、“一種”和“那種”也可以包括複數形式。術語“包括”、“包含”和“具有”是包含在內的，因此要具體指明具體的特徵、整體、步驟、操作、成分或零件，但不排除添加一個或多個其他特徵、整體、步驟、操作、成分、零件或元件。除非特別聲明有性能要求，否則文中所述的方法步驟、流程和操作不是必須用於所述性能要求的。

當一個元件或層被稱為“在……上”、“安裝到”、“連接到”或“耦合到”另一個元件或層上時，是指直接在……上、安裝、連接或耦合到其他元件或層上，或者存在中間元件或層。與之相反，當一個元件被稱為“直接在……上”、“直接安裝到”、“直接連接到”或“直接耦合到”另一個元件或層上時，沒有其他中間元件或層。描述元件之間關係的其他詞語應以一種類似的方式解釋(例如，“之間”與“緊挨著”，“附近”與“緊鄰”等)。文中所用的術語“或”包括一個或多個相關名目的任意和全體組合。

雖然文中所用的詞語第一、第二、第三等表示各個元件、零件、區域、層或部分，但是這些元件、零件、區域、層或部分不僅限於這些詞語。所用詞語僅用於區分元件、零件、區域、層或部分 與另一個區域、層或部分。除非特別聲明，否則文中所用的「第一」、「第二」等詞語及其他數詞並非指一個序列或順序。因此，在不偏離實施例意圖的前提下，下文中的第一元件、零件、區域、層或部分也可以認為是第二元件、零件、區域、層或部分。

鑒於在本發明的實施例中，為了實現一個或多個目的或結果，使用“至少”或“至少一個”是指使用一個或多個元件或成分或數量。

各種物理參數、尺寸或數量中所涉及的數值僅為近似值，應明確比該數值更高/更低的值分配給參數、尺寸或數量，都在本發明的範圍內，除非在說明中特別指出不屬於這種情況。

第1圖表示一種傳統的輸入選擇器系統及附帶的電池充電器。如圖所示，系統100包括兩個負載開關積體電路(IC)及附帶的電池充電器的組合，用於表示雙路輸入單獨輸出充電器。系統100接收來自兩個輸入電源線VBUS1、VBUS2的功率，輸入電源線VBUS1及輸入電源線VBUS2分別連接到第一負載開關IC102和第二負載開關IC104上。第一負載開關IC102包括兩個電晶體的串聯，通常使用nMOSFET，1M1和1M2分別在一個源極-汲極-汲極-源極結構中。與之類似，第二負載開關IC104包括兩個電晶體的串聯，1M3和1M4分別在一個源極-汲極-汲極-源極結構中。每個負載開關IC102、104都與充電器IC106的nMOSFET 1M5和1M6串聯耦合，其中開關1M5和1M6連接在源極-汲極-汲極-源極結構中。nMOSFET 1M7與nMOSFET 1M6共同作為一個調製器，藉由電感器L1及電容器112調製充電電流和充電電壓，輸出到負載上，負載包括系統100的電池108或其他所連接的元件。

當系統100連接到兩個輸入電源線VBUS1、VBUS2時，使訊號EN1、EN2相應地啟動負載開關IC(102、104)的其中一個，分別接收來自可用輸入電源線VBUS1及輸入電源線VBUS2的其中一個的輸入功率。當合適的負載開關IC(102、104)可用時，所選的負載開關IC(102、104)的nMOSFET的串聯組合會接收到輸入功率。一般而言，如果負載開關的nMOSFET的閘極上的電壓高於nMOSFET的閘極門檻值電壓，在源極和汲極之間會產生導電通道，可用的nMOSFET會開始導電。兩個負載開關IC(102、104)都將輸入電源線VBUS1、VBUS2連接到公共節點Vin上，從而為充電器IC106提供功率。一旦選擇了輸入電源線，nMOSFET 1M5和1M6就會開始導電，其方式與負載開關IC(102、104)的nMOSFET方式類似。nMOSFET 1M7在電感器L1及電容器112的說明下，調製輸入功率，作為一個濾波器，閉鎖交流電流(AC)。然後，在節點Vbat處，為系統100的電池108或其他所連接的元件110提供可用的調製電壓。

當nMOSFET斷開時，電池108可能會流出反轉電流。串聯nMOSFET的源極-汲極-汲極-源極結構閉鎖了反轉電流，使輸入電源VBUS1及輸入電源線VBUS2分別與節點Vin絕緣，並且使節點Vin、Vbat之間絕緣。然而，多次使用nMOSFET的串聯結構可能會增加導電損耗，從而降低充電器系統的效率。

第1圖所示的充電器IC106表示一個線性充電器IC106a及開關充電器IC106b。第1a圖表示與第1圖所示傳統的電池充電器有關的線性充電器。該圖表示線性充電器IC106a包括一個第一開關1M5和一個第二開關1M6，串聯在節點Vin及節點Vbat之間的源極-汲極- 汲極-源極的結構中。當正常工作時，第一開關1M5總是處於開啟狀態，第二開關1M6線性調製節點Vbat處的電池電壓。當節點Vin處的輸入電壓降至節點Vbat處的電池電壓以下時，會使所有的開關全部斷開，第一開關1M5閉鎖不必要的反轉電流。

第1b圖表示與第1圖所示的傳統電池充電器有關的開關充電器IC。開關充電器IC106b含有三個開關，連接在節點Vin及節點Vbat之間。當正常工作時，開關1M5總是開啟的。當節點Vin處的電壓低於節點Vbat處的電池電壓時，開關1M5會閉鎖電流從節點Vbat流至節點Vin，從而使所有的開關都斷開。開關1M6和1M7相應地開啟/斷開，節點Vbat處的輸出電壓由開關1M6和1M7的開啟時間決定。藉由電感器L1和電容器(沒有特指)，調製節點Vbat處的輸出電壓。當開關1M6開啟，開關1M7斷開時，能量被儲存在電感器L1中，當開關1M7開啟，開關1M6斷開時，功率被電感器L1傳導到節點Vbat。電感器L1和電容器112作為低通濾波器，提供穩定的直流電壓。從電壓調製的角度來看，充電器的作用就是降壓轉換器。

第1、1a、1b圖所示的傳統的充電器結構必需至少使用4個開關，在雙路輸入電源和輸出之間提供絕緣，還需要至少2個額外的開關，用於充電器功能。

第2a圖表示現有的可選線性充電器IC。帶有兩個輸入電源線VBUS1、VBUS2之充電器200a包括開關2M1和2M2的組合，在源極-汲極-汲極-源極結構中，分別串聯到輸入電源線VBUS1上，開關2M3和2M4在源極-汲極-汲極-源極結構中，分別串聯的輸入電源線VBUS2上。根據外部控制器控制的「可用」訊號202，選擇輸入 電源線VBUS1或輸入電源線VBUS2。當選擇輸入電源線VBUS1時，開關2M1和2M2導電。當選擇輸入電源線VBUS2時，開關2M3和2M4導電。開關2M2或2M4調製電池204或帶有兩個輸入電源線VBUS1、VBUS2之充電器200a的元件206上的充電電流和充電電壓。當所有的開關都斷開時，帶有兩個輸入電源線VBUS1、VBUS2之充電器200a使節點Vbat處的電池與輸入電源線VBUS1、VBUS2絕緣。

第2b圖表示現有的可選線性充電器IC。帶有兩個輸入電源線VBUS1、VBUS2之充電器200b包括開關2M1和2M2的組合，在源極-汲極-汲極-源極結構中，分別串聯到輸入電源線VBUS1上，開關2M3和2M4在源極-汲極-汲極-源極結構中，分別串聯的輸入電源線VBUS2上。根據外部控制器控制的「可用」訊號202，選擇輸入電源線VBUS1或輸入電源線VBUS2。當選擇輸入電源線VBUS1時，開關2M1和2M2導電。當選擇輸入電源線VBUS2時，開關2M3和2M4導電。開關2M5與2M2、2M4一起調製電池204或帶有兩個輸入電源線VBUS1、VBUS2之充電器200b的元件206上的充電電流和充電電壓。旁路電容器Cpm1、Cpm2都帶有每個開關的組合，確保充電器穩定工作。當所有的開關都斷開時，帶有兩個輸入電源線VBUS1、VBUS2之充電器200b使節點Vbat處的電池與輸入電源線VBUS1、VBUS2絕緣。

因此，第2a及2b圖所示的傳統的充電器結構必需至少使用4-5個開關，在雙路輸入電源和輸出之間提供絕緣，以用於充電器功能。

此外，如第1、1a、1b、2a及2b圖所示的傳統的充電器結構還必須使用額外的電路(機械硬連接或電子控制的)連接到輸入電源 線處的感測電壓，並選擇合適的輸入電源線。因此，使用更多的開關、額外的電路及其複雜度，都使現有的系統更加昂貴而且效率低下。

第3圖表示依據本發明的一個實施例，輸入行選擇器及其附帶的電池充電器。系統300包括兩個開關3M1和3M2，分別連接到輸入電源線VBUS1及輸入電源線VBUS2上。開關3M1和3M2為電晶體，通常是BJT或MOSFET。參照nMOSFET，解釋說明本發明的實施例。然而，這些實施例都適用於包括NPN雙極結型電晶體(BJT)、PNP雙極結型電晶體(BJT)、N型金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)、P型金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)等類似器件在內的其他電晶體。

開關3M1和3M2相互連接在源極-汲極-汲極-源極結構中，在輸入電源線VBUS1及輸入電源線VBUS2之間提供絕緣，當開關斷開時，使電流流至節點Vbat，從而避免當開關斷開時，反轉電流從節點Vbat流至輸入電源線VBUS1及輸入電源線VBUS2。帶有閘極驅動的自動行選擇器ALS用於根據預定義的邏輯，控制開關3M1和3M2的操作。帶有閘極驅動的自動行選擇器ALS從輸入電源線VBUS1及輸入電源線VBUS2中選擇其一，藉由提供大於閘極門檻值電壓的預定義電壓，驅動相應的開關(3M1或3M2)的閘極，使開關開啟。開關3M1和3M2的汲極端連接到公共節點Vin上，公共節點Vin進一步連接到傳統的充電器IC106上，充電器IC106包括兩個/三個開關1M5、1M6和1M7。參見第1a及1b圖，上述傳統充電器IC106分別稱為線性充電器IC106a及開關充電器IC106b。

依據本發明配置的系統300避免了如第1圖所示的傳統系統100中 必須使用四個開關使輸入電源線與輸出絕緣的方式。藉由提供具有半數開關的輸入行選擇器系統，本發明所述的系統300有效修正了系統100，與原有技術相比，高效配置的自動行選擇器和閘極驅動，使系統300簡便、高效並且節省成本。

第4圖表示依據本發明的一個實施例，電池上使用的雙路輸入單獨輸出線性充電器。線性充電器400包括一個帶有閘極驅動的自動行選擇器ALS，藉由相應的開關3M1或3M2，將雙路輸入電源線VBUS1及輸入電源線VBUS2中的其中之一連接到節點Vbat。帶有閘極驅動的自動行選擇器ALS驅動相應的開關3M1或3M2的閘極，使電流流至開關4M3，開關4M3作為調製器線性工作，調製電池404或系統的其他元件402的充電電壓和充電電流。例如，當帶有閘極驅動的自動行選擇器ALS選擇輸入電源線VBUS1時，開關3M1開啟，開關3M2斷開。開關4M3調製節點Vbat處的輸出，從而控制電池404或其他元件402的充電電流和充電電壓。

閘極驅動406控制開關4M3。當開關斷開時，藉由開關4M3和所連接的開關3M1和3M2之間的源極-汲極-汲極-源極結構，開關4M3使輸入電源線(VBUS1、VBUS2)和節點(Vbat)之間絕緣。例如，當開關3M1、3M2和4M3斷開時，開關3M1和4M3、以及開關3M2和4M3的源極-汲極-汲極-源極結構防止電池404中流出反轉電流。

第5圖表示依據本發明的一個實施例，電池上使用的雙路輸入單獨輸出的開關充電器。充電器500包括開關3M1、3M2以及帶有閘極驅動的自動行選擇器ALS，其排布結構如第4圖所示。藉由開關5M3和所連接的開關3M1和3M2之間的源極-汲極-汲極-源極結構，開關5M3使輸入電源線(VBUS1、VBUS2)及節點(Vbat)之間絕 緣。提供一個額外的開關5M4，與開關5M3一起工作，作為一個開關充電器。脈寬調製驅動502控制開關5M4和5M3，調製輸入功率，提供開關輸出功率。例如，當帶有閘極驅動的自動行選擇器ALS選擇輸入電源線VBUS1時，開關3M1開啟，開關3M2斷開。開關5M3和5M4的傳導次數由脈寬調製驅動502控制，開關5M3和5M4持續切換，與存儲能量的零件一起，調製開關節點Vsw處的充電電流和充電電壓，電感器L1為連接在節點Vbat處的電池504充電，或為系統的其他元件506提供功率。通常，旁路電容器Cpm用於確保充電器500穩定工作。

第6圖表示依據本發明的一個實施例，一種自動行選擇器和閘極驅動。排布600從兩個輸入電源線VBUS1、VBUS2中自動選擇其一。根據預設的選擇邏輯，在工作結構和非工作結構之間，自動行選擇器和閘極驅動觸發與輸入電源線有關的任一開關，這取決於兩個輸入電源線的至少其中一個的電壓能級大於低電壓閉鎖能級的預定義值。輸入電源線附帶的電壓驅動感測每個輸入電源線VBUS1、VBUS2的電壓能級，電壓驅動包括一對電阻器。根據電阻分壓器的電阻率，劃分每個輸入電源線VBUS1、VBUS2的電壓，電阻分壓器包括輸入電源線VBUS1的電阻器R1、R2，以及輸入電源線VBUS2的電阻器R1、R2、R3。節點Va、Vb處的感測電壓分別與輸入電源線VBUS1及輸入電源線VBUS2有關，它們都是非反向的，分別將輸入反轉到比較器602，比較器602比較兩個輸入，並且產生輸出電壓Vcom。比較器602帶有滯後電壓Vhys，用於穩定工作，並且阻止兩個輸入電源線之間的雜訊在輸出電壓Vcom中引起的閃動以及不必要的快速切換。電阻器R3和開關606提供滯後電壓 Vhys。當開關606斷開時，節點Vc處的電壓由R1+R2及R3的比值決定。當開關606開啟時，結構Vc接地。節點Vc處電壓的變化導致節點Vb處電壓變化，比較器602的反轉輸入，並且產生所需的滯後電壓Vhys。比較器602比較節點Va、Vb處的輸入，產生的輸出電壓Vcom載入到閘極驅動604，相應地驅動兩個nMOSFET 3M1和3M2的其中之一的閘極。例如，對於高輸出電壓Vcom，閘極驅動604接通，nMOSFET 3M2斷開。與之類似，對於低輸出電壓Vcom，nMOSFET 3M2接通，nMOSFET 3M1斷開，從而根據輸入電源線VBUS1及輸入電源線VBUS2，使兩個nMOSFET切換。因此，藉由可用的開關，將所選的電源線連接到線性/開關充電器。

第7圖表示第6圖所示的自動行選擇器的輸出波形。輸入電源線VBUS1、VBUS2表示相應的輸入電源的電壓波形，輸出電壓Vcom表示第6圖所示的比較器的輸出電壓，Vin表示線性/開關充電器上的電壓。VTH_r表示當輸入電源線VBUS1上升時的門檻值電壓，VTH_f表示當輸入電源線VBUS1下降時的門檻值電壓。在VTH_r處，輸出電壓Vcom從低能級觸發到高能級，在VTH_f處反之亦然。

關鍵是，為兩個輸入電源線中的其中一個預設置一個較高的優先順序。例如，當藉由交流匯流排適配器和USB介面，獲得兩個輸入電源線時，兩個輸入線會感測到相同的輸入電壓能級。即使比較器的門檻值電壓中有些滯後，因此由於比較器輸入端的輸入電壓能級相同，比較器的輸出都可能不穩定(未知狀態)。此外，雖然兩個輸入都處於同一個電壓能級，但是它們的電流驅動能力卻有所不同。例如，適配器的電流驅動能力高於USB輸入。因此，當輸入線具有相同的感測電壓能級時，適配器輸入線必須具有 較高的優先順序。

然而，為了在兩個輸入電源線中選擇其一，必須在兩個輸入電源線中的任意一個的感測電壓上增加一個偏置電壓Voff。為了解釋說明，我們認為在第6圖所示的輸入電源線VBUS2的感測電壓上增加一個偏置電壓Voff。偏置電壓Voff表示所增加的偏置電壓(與電阻分壓器串聯)，當輸入線具有相同的感測電壓能級時，使輸入電源線VBUS1成為高優先順序線或優先線。

由於增加了偏置電壓Voff，輸入電源線VBUS1的優先順序可以用下式表示：

由於VBUS1=VBUS2，輸出電壓Vcom屬於高能級，與以下的數學方程式相結合。

第6圖所示的比較器602必須要求滯後電壓Vhys，才能穩定運行，保護比較器遠離其有限增益引起的未知狀態。用於升高和降低輸入電源線VBUS1的門檻值電壓的滯後電壓Vhys可以表示為：

其中R1+R2>>R3

輸入電源線VBUS2和VTH_f之間的差δ V與偏置電壓Voff相同，偏置電壓Voff小於nMOSFET開關3M1和3M2的寄生體二極體的正向電壓VF，以便於選取合適的行。因此，依據本發明，δV=VBUS2-VTH _f =Voff<VF

例如，如果VF=0.6V、δ V=0.8V、VBUS1=VBUS2=5.4V，那麼自動行選擇器ALS就選擇輸入電源線VBUS1，輸入電源線VBUS1為預設的優先行。因此，開關3M1開啟，開關3M2斷開。此時，如果除去輸入電源線VBUS1電源，輸入電源線VBUS1電壓降至VBUS2-VF=5.4V-0.6V=4.8V，但是由於輸入電源線VBUS1並不小於輸入電源線VBUS2-δ V，因此開關3M1開啟，開關3M2斷開。因此，輸出Vin成為4.8V，3M2的體二極體使3M2中產生功率損耗。假設最壞的情況是沒有除去輸入電源線VBUS1電源，而是連接4.8V，那麼輸入電源線VBUS2及輸入電源線VBUS1將短接，藉由3M2的體二極體和3M1的汲極-源極電阻RDS(開啟)，從輸入電源線VBUS2到輸入電源線VBUS1會發生巨大的短路電流。顯然，δ V應低於開關的體二極體的正向電壓。

依據本發明，利用獨立元件、積體電路(IC)和混合積體電路中的其中之一，就可以實現上述系統。

儘管本發明的內容已經藉由上述較佳實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容後，對於本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護範圍應由所附的申請專利範圍 來限定。

106‧‧‧充電器IC

1M5、1M6、1M7、3M1、3M2‧‧‧開關

ALS‧‧‧自動行選擇器

L1‧‧‧電感器

Vbat‧‧‧節點

VBUS1、VBUS2‧‧‧輸入電源線

Vin‧‧‧公共節點

Claims (15)

1. 一種輸入行選擇器系統，用於將第一輸入電源線及第二輸入電源線中的其中一個，選擇性地連接到公共節點，該輸入行選擇器系統包括：第一開關，用於選取電流從該第一輸入電源線流至該節點；第二開關，用於選取電流從該第二輸入電源線流至該節點；以及自動行選擇器，連接到該第一開關及該第二開關，該自動行選擇器基於預設的選擇邏輯，使該第一開關或該第二開關在工作結構及非工作結構之間切換，這取決於該第一輸入電源線及該第二輸入電源線中的至少一個的電壓能級，大於低電壓閉鎖能級之預設值。
2. 如申請專利範圍第1項所述之輸入行選擇器系統，其中該第一開關至少包括第一端、第二端及第三端，該第一端連接到該第一輸入電源線；該第二開關至少包括第四端、第五端及第六端，該第四端連接到該第二輸入電源線，該第二端及該第五端連接到該節點。
3. 如申請專利範圍第2項所述之輸入行選擇器系統，其中該自動行選擇器包括：第一分壓器，包括第一對之電阻器，用於連接到該第一輸入電源線，產生第一感測電壓；第二分壓器，包括第二對之電阻器，用於連接到該第二輸入電源線，產生第二感測電壓； 比較器，用於接收該第一感測電壓及該第二感測電壓，並產生輸出訊號；以及驅動器，用於接收該輸出訊號，並為該第三端或該第六端提供預定義電壓。
4. 如申請專利範圍第1項所述之輸入行選擇器系統，其中該第一開關及該第二開關為從金屬氧化物半導體場效應電晶體及雙極結型電晶體構成之組中選取之電晶體。
5. 如申請專利範圍第2項所述之輸入行選擇器系統，其中該第一開關及該第二開關為NPN雙極結型電晶體時，該第一端及該第四端為電晶體之發射極，該第二端及該第五端為集電極，該第三端及該第六端為基極，構成該第一開關及該第二開關。
6. 如申請專利範圍第2項所述之輸入行選擇器系統，其中該第一開關及該第二開關為PNP雙極結型電晶體時，該第一端及該第四端為電晶體之集電極，該第二端及該第五端為發射極，該第三端及該第六端為基極，構成該第一開關及該第二開關。
7. 如申請專利範圍第2項所述之輸入行選擇器系統，其中該第一開關及該第二開關為N型金屬氧化物半導體場效應電晶體時，該第一端及該第四端為電晶體之源極，該第二端及該第五端為汲極，該第三端及該第六端為閘極，構成該第一開關及該第二開關。
8. 如申請專利範圍第2項所述之輸入行選擇器系統，其中該第一開關及該第二開關為P型金屬氧化物半導體場效應電晶體時，該第一端及該第四端為電晶體之汲極，該第二端及該第五端為源極，該第三端及該第六端為閘極，構成該第一開關及該第二開關。
9. 如申請專利範圍第1項所述之輸入行選擇器系統，其中該輸入行選擇器系統包括獨立元件、積體電路以及混合積體電路中之至少 一個。
10. 一種線性充電器，係連接到負載，該線性充電器包括如申請專利範圍第1項所述之輸入行選擇器系統，該線性充電器更包括第三開關，該第三開關有效耦合在該節點及負載之間，該第三開關至少具有第七端、第八端及第九端，該第七端連接到負載，該第八端連接到節點，該第九端耦合到驅動器上。
11. 一種切換充電器，係連接到負載，該切換充電器包括如申請專利範圍第1項所述之輸入行選擇器系統，該切換充電器更包括第四開關及第五開關，該第四開關及該第五開關有效耦合在該節點及負載之間，該第四開關具有第十端、第十一端及第十二端，該第五開關具有第十三端、第十四端及第十五端，該第十端及該第十四端連接到切換節點，該第十一端連接到該節點，該第十三端接地，該第十二端及該第十五端耦合到脈寬調製(PWM)驅動器上。
12. 一種選擇性連接方法，用以將第一輸入電源線或第二輸入電源線的其中一個的電流傳輸至公共節點上，該方法包括以下步驟：製備在該第一輸入電源線及該節點之間，具有第一端、第二端及第三端之第一開關；將該第一端連接到該第一輸入電源線，將該第二端連接到該節點；製備在該第二輸入電源線及該節點之間，具有第四端、第五端及第六端之第二開關；將該第四端連接到該第二輸入電源線，將該第五端連接到該節點；以預設之選擇邏輯為基礎，根據該第一輸入電源線及該第二輸入 電源線中之至少一電壓能級大於低電壓閉鎖能級之預設值，切換工作結構及非工作結構之間該第一開關或該第二開關；根據該第一輸入電源線，產生第一感測電壓；根據該第二輸入電源線，產生第二感測電壓；比較該第一感測電壓及該第二感測電壓，並產生輸出訊號；以及以該輸出訊號為基礎，驅動該第三端或該第六端，連接感測電壓較高之該第一輸入電源線或該第二輸入電源線。
13. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其更包括以下步驟：製備具有第七端、第八端及第九端之第三開關，在該第一輸入電源線及連接負載之間；將該第七端連接到負載；將該第八端連接到該節點；適當驅動該第九端，調製負載上之充電電流及充電電壓。
14. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其更包括以下步驟：製備具有第十端、第十一端及第十二端之第四開關，以及具有第十三端、第十四端以及第十五端之第五開關，在該節點及開關節點之間；將該第十一端連接到該節點；將該第十三端接地；將該第十端及該第十四端連接到負載；以及適當驅動該第十二端及該第十五端，調製開關節點上之充電電流及充電電壓。
15. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中該預設選擇邏輯包括以下步驟：確定滯後電壓與偏移電壓，使含有該滯後電壓之該偏移電壓小於 該第一開關及該第二開關之寄生體二極體之正向電壓；以及從該偏移電壓中減去該滯後電壓，用於該第一感測電壓及該第二感測電壓中之至少一個，確定從該第一感測電壓及該第二感測電壓中選取優先順序高之輸入線。