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CN102882239A - 双模式充电器以及利用双模式充电器对电池充电的方法 - Google Patents

双模式充电器以及利用双模式充电器对电池充电的方法 Download PDF

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CN102882239A CN2011104472012A CN201110447201A CN102882239A CN 102882239 A CN102882239 A CN 102882239A CN 2011104472012 A CN2011104472012 A CN 2011104472012A CN 201110447201 A CN201110447201 A CN 201110447201A CN 102882239 A CN102882239 A CN 102882239A
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Abstract

本发明公开了一种双模式充电器以及利用双模式充电器对电池充电的方法。其中，所述双模式充电器包括：控制电路；升压电路，与所述控制电路耦接，用于接收来自输入源的输入电流，并使能所述双模式充电器工作于升压模式；以及低压差稳压电路，与所述控制电路和所述升压电路耦接，用于为所述电池提供充电电流，并使能所述双模式充电器工作于低压差稳压模式，其中，所述控制电路监测所述输入电流和所述充电电流，同时控制所述升压电路和所述低压差稳压电路，并在所述双模式充电器从所述低压差稳压模式转换到所述升压模式的过程中维持所述充电电流恒定。本发明实施例使得从低压差稳压模式切换至升压模式的转换是平滑、渐进和自动的。

Description

双模式充电器以及利用双模式充电器对电池充电的方法
技术领域
本发明涉及电池充电装置，尤其涉及一种在两种不同充电模式下提供平滑过渡的电池充电器以及利用双模充电器对电池充电的方法。
背景技术
近年来，对高性能供电电路日益增长的需求使得电压调整设备不断发展。许多要求低压供电的设备(例如：移动电话、传呼机、笔记本电脑、摄像机以及其它移动电池操作设备等)需要低压差稳压器。
低压差稳压器可以提供稳定的直流电压，其输入电压和输出电压之间的电压差相对较小。低压差稳压器通常用于为电子电路供电。低压差稳压器通常具有误差放大器和功率输出器件(例如：功率晶体管)，并且该误差放大器和功率输出器件串联连接；该误差放大器与低压差稳压器的输入端口相耦接，该功率输出器件与该低压差稳压器的输出端口相耦接，从而该功率输出器件可以驱动外部负载。然而，当充电过程中电池电压上升并且低压差稳压器的输入电压和输出电压的电压差减小时，低压差稳压器的效率会降低。
另一种用于为电子设备提供直流电流的整流器是升压整流器。升压调节器是一种开关模式的电源，包括至少两个半导体开关和至少一个储能元件；升压调节器能够提供比其输入电压更高的输出电压，因此尤其适用于对电压较高的电池充电。
发明内容
本发明提供了一种双模式充电器以及利用双模式充电器对电池充电的方法，能够在两种不同模式下对电池充电，且在维持充电电流恒定的情况下在两种模式下转换。
根据本发明的一个实施例，提供一种双模式充电器，其中，该双模式充电器包括：控制电路；升压电路，升压电路与控制电路耦接，用于接收来自输入源的输入电流，并使能所述双模式充电器工作于升压模式；以及低压差稳压电路(Low Drop-Outcircuit，简称为：LDO电路)，与所述控制电路和所述升压电路耦接，用于为所述电池提供充电电流，并使能所述双模式充电器工作于低压差稳压模式；其中，所述控制电路监测所述输入电流和所述充电电流，同时控制所述升压电路和所述低压差稳压电路，并在所述双模式充电器从低压差稳压模式转换为升压模式的过程中维持所述充电电流恒定。
本发明所述的双模式充电器，所述双模式充电器还包括：连接在所述输入源和所述升压电路之间的第一电阻；以及连接在所述电池和所述低压差稳压电路之间的第二电阻。
本发明所述的双模式充电器，所述控制电路包括：第一电流感应放大器，用于感应所述输入电流；以及第二电流感应放大器，用于感应所述充电电流。
本发明所述的双模式充电器，所述控制电路包括：斜坡信号产生器，用于产生斜坡信号；以及比较器，用于将所述斜坡信号与所述控制电路产生的内部电压进行比较，并根据比较结果产生脉冲宽度调制信号。
根据本发明的另一个实施例，提供另一种双模式充电器，其中，该双模式充电器包括：控制电路；升压电路，与控制电路耦合；以及低压差稳压电路，与所述控制电路和所述升压电路耦接，用于为所述电池提供充电电流，其中，所述控制电路同时控制所述升压电路和所述低压差稳压电路，所述双模式充电器在保持充电电流恒定的同时，在所述升压电路和所述低压差稳压电路之间切换充电操作。
本发明所述的双模式充电器，所述升压电路还用于接收来自输入电压源的输入电流。
本发明所述的双模式充电器，所述控制电路产生内部电压，所述内部电压用于同时控制所述升压电路和所述低压差稳压电路的操作。
本发明所述的双模式充电器，所述控制电路还用于产生脉冲宽度调制信号，所述脉冲宽度调制信号用于控制所述升压电路。
本发明所述的双模式充电器，当所述控制电路产生的内部电压低于预设电压时，所述控制电路还用于产生所述脉冲宽度调制信号。
本发明所述的双模式充电器，当所述电池电压与输入电压相同时，所述控制电路还用于将所述充电操作切换至所述升压电路。
根据本发明的再一个实施例，提供一种利用双模式充电器对电池充电的方法，其中，该对电池充电的方法包括：使能所述双模式充电器工作于LDO模式；将充电电流输出至所述电池；将所述电池的电压与充电适配器的电压进行比较；以及当所述电池的电压与所述充电适配器的电压接近相等时，在保持所述充电电流恒定的同时使所述双模式充电器从所述LDO模式切换至升压(boost)模式。
本发明所述的对电池充电的方法，所述对电池充电的方法还包括：从所述充电适配器接收输入电流。
本发明所述的对电池充电的方法，所述对电池充电的方法还包括：将所述电池的电压与充电截止电压进行比较；以及当所述电池的电压达到所述充电截止电压时，停止所述双模式充电器对所述电池充电。
本发明实施例提供的双模式充电器以及利用双模式充电器对电池充电的方法，当电池的电压与充电适配器的电压接近相等时，在保持充电电流恒定的同时使双模式充电器从低压差稳压模式切换至升压模式，从而使得从低压差稳压模式切换至升压模式的转换是平滑、渐进和自动的，因此实现在提供比输入电压更高的输出电压的情况下能够在两种模式之间无缝转换。
附图说明
以下通过对本发明的一些实施例结合其附图的描述，可以进一步理解本发明的目的、具体结构特征和优点。
图1为本发明一个实施例提供的双模式充电器的结构示意图；
图2为图1所示实施例提供的双模式充电器的电路结构图；
图3为本发明再一个实施例提供的双模式充电器的详细电路图；
图4为图3所示实施例的双模式充电器在充电过程中的充电电流Icharge随时间变化的波形示意图；
图5为图3所示实施例的双模式充电器在充电过程中的电池电压Vichm随时间变化的波形图；
图6为图3所示实施例的双模式充电器在充电过程中的第三端口(pb)的电压Vpb随时间变化的波形图；
图7为本发明实施例提供的利用双模式充电器对电池充电的方法的流程示意图。
具体实施方式
以下将对本发明的实施例给出详细的参考。尽管本发明通过这些实施例进行阐述和说明，但需要注意的是本发明并不仅仅只局限于这些实施例。相反，本发明涵盖所附权利要求所定义的发明精神和发明范围内的所有替代物、变体和等同物。
另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施例中给出了众多的具体细节。本领域技术人员将理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。在另外一些实施例中，对于大家熟知的方法、手续、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
本发明提供了一种灵活的双模式充电器，能够根据电池的电压在两种不同的模式下对电池充电，在两种模式间具有平滑转换并且在转换期间充电电流维持相对恒定，从而使得从低压差稳压模式切换至升压模式的转换是平滑、渐进和自动的。在较低的电池电压水平，该双模式充电器作为LDO充电器为电池充电；当电池电压非常接近适配器电压时，该双模式充电器将操作模式从LDO模式转换为升压(boost)模式，作为升压调节器为电池充电。该灵活的双模式充电器利用一个共同的控制电路以控制LDO充电器和升压调节器，而非利用两个不同的控制电路分别控制LDO充电器和升压调节器。由于采用共同的控制电路，该双模式充电器在两种模式之间的转换是平滑和渐进的，并且该转换操作是由适配器电压和电池电压之间的电压差自动触发的。
本领域普通技术人员可以理解的是，图1所示实施例与图2所示实施例中的如下端口：第一端口(ichm)、第二端口(iacp)、电压端口(pb)、端口iacm、端口ichp、使能端口(EN)等端口均为控制器的输入、输出或控制端口，是为在下述本发明实施例中描述方便而设置的具体的名称以及相应的缩写；本领域普通技术人员可以理解的是，本领域技术人员可以根据具体的设计采用相应的端口，也就是说，上述端口的名称并不能形成对本发明实施例的限制。
在如下的本发明实施例中，以升压电路具体为升压调节器、低压差稳压电路具体为LDO充电器、控制电路具体为开关控制单元、第一电阻具体为适配电阻、第二电阻具体为电池电阻为例进行示例性说明，但该具体的电路结构并不能形成对本发明实施例的限制。
图1为本发明一个实施例提供的双模式充电器100的结构示意图。该双模式充电器100包括：升压充电器(也可以称为升压调节器)102、LDO调节器(也可以称为低压差稳压器)104以及开关控制单元106。双模式充电器100还可以包括适配电阻112和电池电阻114，其中，适配电阻112用于测量输入电流，电池电阻114用于测量充电电流；开关控制单元106控制升压调节器102和LDO调节器104的操作。开关控制单元106还可以监测来自输入源(例如：适配器110)的充电电流以及监测流向电池108的充电电流。升压调节器102接收输入电压，LDO调节器104输出流向电池108的充电电流。双模式充电器100初始时在LDO充电模式下对电池108充电；当电池108的电压上升时，开关控制电路106增加LDO调节器104的导通能力以维持充电电流的恒定。随着电池108的电压继续上升，开关控制单元106启动升压调节器102，以升压(boost)模式对电池108充电。开关控制单元106通过监测第一端口(ichm)监测电池108的电压，通过监测第二端口(iacp)监测适配器110提供的输入电压。
上述本发明实施例，当电池的电压与充电适配器的电压接近相等时，在保持充电电流恒定的同时使双模式充电器从低压差稳压模式切换至升压模式，从而使得从低压差稳压模式切换至升压模式的转换是平滑、渐进和自动的，因此实现了在提供比输入电压更高的输出电压的情况下能够在两种调节器之间的无缝转换。
图2为图1所示实施例提供的双模式充电器100的电路结构图200；图2与图1标识相同的元件具有相似的功能，图2结合图1进行描述；其中，控制器202控制LDO电路206和升压电路204的操作；LDO电路206对应图1所示实施例中的LDO调节器104，升压电路204对应图1所示实施例中的升压调节器102，并且，LDO电路206和升压电路204分别由不同的虚线标识，控制器202与LDO电路206和升压电路204分别有部分重合，以表示控制器202同时控制两个充电器。控制器202可以是单独的一块芯片，也可以是与LDO调节器104和升压调节器102集成在一起的芯片。通过使能端口(EN)启动控制器202，控制器202同时控制LDO调节器104和升压调节器102的操作。控制器202通过电压端口(pb)控制LDO调节器104内的功率晶体管，通过控制器202的开关端口(LX)控制升压调节器102的转换。
图3为本发明图1所示实施例的双模式充电器100的详细电路结构图300，图4为图3所示实施例的双模式充电器在充电过程中的充电电流Icharge随时间变化的波形示意图，图5为图3所示实施例的双模式充电器在充电过程中的电池电压Vichm随时间变化的波形图，图6为图3所示实施例的双模式充电器在充电过程中的第三端口(pb)的电压Vpb随时间变化的波形图。图3与图1、图2中标识相同的元件具有相似的功能，图3结合图1和图2以及图4-图6进行描述。
使能端口(enb)302(对应图2中的使能端口EN)使能双模式充电器100。在使能双模式充电器100之前，第三端口(pb)320与第二端口(iacp)318短接，LDO调节器104保持关闭状态，流向电池108的充电电流Icharge为0，如图4所示。
使能双模式充电器100后，输入电流流经适配电阻(Rsadp)112，电流(V(iacp，iacm)/Rsadp)流经第一电流感应放大器304，其中，电压差V(iacp，iacm)为适配电阻(Rsadp)112两端的电压差。第一误差放大器308将电流感应放大器304的输出电压与预设的适配器电流限值328进行比较，第一误差放大器308的输出电压驱动第三端口(pb)的电压Vpb，而第三端口的电压Vpb通过第三端口(pb)控制图2所示实施例中的P型金氧半场效晶体管(PMOSFET)MP1。
第三端口的电压(Vpb)320也受到第二误差放大器310的输出的影响。由电池电阻(Rsbatt)114感应到的充电电流流经第二电流感应放大器306，并且第二误差放大器310将第一电流感应放大器306的输出电压与预设的充电电流限值330比较。如图4所示，充电电流Icharge第三端口的保持恒定，如图5所示，电池电压(Vichm)在充电过程中增大，如图6所示，第三端口的电压Vpb在充电过程中减小。
当电池充电一段时间后，电池电压Vichm上升到与适配器电压Viacp几乎相等，第三端口的电压Vpb持续下降，从而不足以对电池108充电。此时，启动电池充电器100的升压(boost)模式。当第三端口的电压Vpb小于预设值(例如：0.8V)时，比较器314的输出变为脉冲宽度调制(Pulse-Width Modulation，简称为：PWM)信号，且该PWM信号控制N型金氧半场效晶体管(NMOSFET)326，从而启动升压调节器102。比较器314将第三端口的电压Vpb和斜坡信号产生器312产生的斜坡信号作为输入信号。
随着充电过程的进行，电池电压Vichm会逐渐升高。如图4和图6所示，当电池电压Vichm达到预设充电截止电压332时，第三误差放大器316会使第三端口的电压(Vpb)320升高，充电电流Icharge开始减小，直到Vpb超过斜坡信号的电压范围(例如：大于0.8V)，从而退出充电过程。
图7为本发明一个实施例提供的利用双模式充电器对电池充电的方法的流程示意图700。如图7所示，本发明实施例包括如下步骤：
在步骤702中，当电池与本发明实施例提供的双模式充电器连接后，该双模式充电器在LDO模式下对电池充电。
在步骤704中，持续监测电池电压，判断电池电压是否接近适配器电压；若是，执行步骤706，若否，执行步骤702。
在步骤706中，当电池电压非常接近适配器电压时，双模式充电器开始在升压(boost)模式下对电池充电；其中，在从LDO模式到升压(boost)模式的转换过程中，充电电流保持恒定。
在步骤708中，电池在升压(boost)模式下充电。
在步骤710中，将电池电压与预设电压值(如预设充电截止电压值)进行比较。若电池电压低于该预设电压值，则执行步骤708，继续以升压(boost)模式对电池充电，若电池电压达到预设电压值，则执行步骤712。
在步骤712中，停止对电池充电。
在操作过程中，用户可以将双模式充电器100与耗尽电量的电池108相连，该双模式充电器100与适配器110相连。双模式充电器100在初始时作为LDO调节器104对电池108充电，直到电池电压上升到与适配器110电压几乎相等。之后双模式充电器100开始作为升压调节器102对电池充电，直到电池电压达到预设充电截止电压。由于本发明实施例采用了共同的控制环路，双模式充电器100从LDO调节器104到升压调节器的转换是平滑、渐进和自动的。
在此使用的措辞和表达都是用于说明而非限制，使用这些措辞和表达并不将在此图示和描述的特性的任何等同物(或部分等同物)排除在发明范围之外，在权利要求的范围内可能存在各种修改。其它的修改、变体和替换物也可能存在。因此，权利要求旨在涵盖所有此类等同物。

Claims (13)

1.一种用于对电池充电的双模式充电器，其特征在于，所述双模式充电器包括：
控制电路；
升压电路，与所述控制电路耦接，用于接收来自输入源的输入电流，并使能所述双模式充电器工作于升压模式；以及
低压差稳压电路，与所述控制电路和所述升压电路耦接，用于为所述电池提供充电电流，并使能所述双模式充电器工作于低压差稳压模式，
其中，所述控制电路监测所述输入电流和所述充电电流，同时控制所述升压电路和所述低压差稳压电路，并在所述双模式充电器从所述低压差稳压模式转换到所述升压模式的过程中维持所述充电电流恒定。
2.根据权利要求1所述的双模式充电器，其特征在于，所述双模式充电器还包括：
连接在所述输入源和所述升压电路之间的第一电阻；以及
连接在所述电池和所述低压差稳压电路之间的第二电阻。
3.根据权利要求1所述的双模式充电器，其特征在于，所述控制电路包括：
第一电流感应放大器，用于感应所述输入电流；以及
第二电流感应放大器，用于感应所述充电电流。
4.根据权利要求1所述的双模式充电器，其特征在于，所述控制电路包括：
斜坡信号产生器，用于产生斜坡信号；以及
比较器，用于将所述斜坡信号与所述控制电路产生的内部电压进行比较，并根据比较结果产生脉冲宽度调制信号。
5.一种用于对电池充电的双模式充电器，其特征在于，所述双模式充电器包括：
控制电路；
升压电路，与所述控制电路耦接；以及
低压差稳压电路，与所述控制电路和所述升压电路耦接，用于为所述电池提供充电电流，
其中，所述控制电路同时控制所述升压电路和所述低压差稳压电路，所述双模式充电器在保持所述充电电流恒定的同时，在所述升压电路和所述低压差稳压电路之间切换充电操作。
6.根据权利要求5所述的双模式充电器，其特征在于，所述升压电路还用于接收来自输入电压源的输入电流。
7.根据权利要求5所述的双模式充电器，其特征在于，所述控制电路产生内部电压，所述内部电压用于同时控制所述升压电路和所述低压差稳压电路的操作。
8.根据权利要求5所述的双模式充电器，其特征在于，所述控制电路还用于产生脉冲宽度调制信号，所述脉冲宽度调制信号用于控制所述升压电路。
9.根据权利要求8所述的双模式充电器，其特征在于，当所述控制电路产生的内部电压低于预设电压时，所述控制电路还用于产生所述脉冲宽度调制信号。
10.根据权利要求5所述的双模式充电器，其特征在于，当所述电池电压与输入电压相同时，所述控制电路还用于将所述充电操作切换至所述升压电路。
11.一种利用双模式充电器对电池充电的方法，其特征在于，所述对电池充电的方法包括：
使能所述双模式充电器工作于低压差稳压模式；
将充电电流输出至所述电池；
将所述电池的电压与充电适配器的电压进行比较；以及
当所述电池的电压与所述充电适配器的电压接近相等时，在保持所述充电电流恒定的同时使所述双模式充电器从所述低压差稳压模式切换至升压模式。
12.根据权利要求11所述的对电池充电的方法，其特征在于，所述对电池充电的方法还包括：
从所述充电适配器接收输入电流。
13.根据权利要求11所述的对电池充电的方法，其特征在于，所述对电池充电的方法还包括：
将所述电池的电压与充电截止电压进行比较；以及
当所述电池的电压达到所述充电截止电压时，停止所述双模式充电器对所述电池充电。
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