專利名稱：用于電池供電的系統(tǒng)的功率管理電路及方法
技術領域：
本公開一般地涉及電池供電的系統(tǒng)中的功率管理，輸入電流在這些系統(tǒng)中被提供用來既對負載供電又對電池充電，尤其涉及在這樣的系統(tǒng)中提供輸入電流來既對負載供電又對電池充電，輸入電流在這些系統(tǒng)中受到比如來自USB端口的約束。
背景技術：
在電池供電的系統(tǒng)中，比如膝上型計算機、PDA、MP3播放器等等，輸入電流源提供電流以對其應用供電，同時對電池充電。接收比如可能從墻壁插座(“壁式(wall wart)”)獲得的無限制輸入電流源的功率管理系統(tǒng)一般實施充電定時器，該充電定時器被編程到規(guī)定的固定時間量，該時間量由設計者根據(jù)充電電流和電池容量來設定。此設計在無限制的電流源系統(tǒng)中一直是合適的，因為充電電流量值在整個充電周期中維持恒定，直至充電器在電池接近完全充電時進入電壓模式充電為止。
然而，在從電流受約束的源接收功率的充電器中，比如同時對應用負載供電的USB端口，可用于對電池充電的電流量值可能與編程不一樣。在此情況下，電池充電電流將小于編程的量值，從而該負載接收足夠電流用于對負載供電，而在不超過USB端口的電流容量。當電池未接收其完全充電電流時，固定期間定時器將趨向于在電池被完全充電之前超時。
理想的是實施可變定時(timing)，以便在充電電流有減小時增加電池充電的期間，從而確保電池將實現(xiàn)完全充電。然而，當電池處在其恒定電壓充電模式時，應當維持固定期間充電。

發(fā)明內容
在包括電池供電的應用的功率管理系統(tǒng)中，其中輸入電壓被作為電流源(其可以是電流受約束的源，比如USB端口)提供給電池用于對電池充電以及還提供給負載用于對應用供電，可用于對電池充電的電流量值依據(jù)負載所需的電流量而變化。按照本公開的一個方面，電池充電電流是在基于電池充電電流量值的期間期間被提供到電池。例如，較小量值的充電電流在較長的時間期間被施加到電池以確保完全充電。
電池充電電流的量值是通過監(jiān)視取決于電池類型和特性的編程電池充電電流與由負載使用的電流量值之差來確定。
按照本公開的另一方面，當充電電流隨著電池接近完全充電而開始回落時，由于電壓模式充電造成的電池充電電流的任何變化被檢測，以及響應地，充電期間被設為取決于電池類型的規(guī)定充電期間。
在本公開的一個實施例中，該系統(tǒng)包括輸入電流源，用于向電池和負載提供輸入電流；負載電流監(jiān)視器電路，用于確定負載電流量值；以及可變期間定時器。耦合于定時器的充電電路在由定時器確定的充電期間對電流提供給電流進行控制，響應于負載電流量值的控制電路控制定時器期間。
充電電路可耦合于負載電流監(jiān)視器電路，配置為按照(a)取決于電池類型和特性的編程量值的充電電流與(b)負載電流之差來控制電池電流的量值。
該系統(tǒng)可包括充電模式檢測器電路，耦合于電池和參考電壓源，用于檢測電池的電壓模式充電。響應地，檢測器將定時器的充電期間設為規(guī)定的固定充電期間。
對于本領域的技術人員，從以下的詳細描述中，本公開的附加方面和優(yōu)點將容易地變得明顯，其中簡單地通過為實施本公開而構思的最佳模式的說明，僅示出和描述了本公開的示范實施例。如將認識到的，本公開可有其他和不同實施例，其若干細節(jié)可在各種明顯的方面進行修改，它們都未脫離本公開。因此附圖和描述應當視為在本質上是說明性的而非限制性的。


圖1是示出了這里所公開的系統(tǒng)進行操作時的環(huán)境的框圖。
圖2是示出了按照本公開的功率管理系統(tǒng)的概括框圖。
圖3是示出了本系統(tǒng)的示范實施的更詳細的電路圖。
具體實施例方式
參照圖1，繪出了功率管理系統(tǒng)10，其中USB端口(Iin)和電池B協(xié)同地對應用負載(Iout)供電。當電池被至少部分地放電時，USB端口對負載也給電池提供電流。功率管理系統(tǒng)10在電池與負載之間策略地分攤USB電流，從而不超過端口的最大電流容量。USB端口是電流受約束的源，其具有由一個或多個相關通用串行總線標準規(guī)定的最大電流輸送能力，例如通用串行總線修訂版2.0規(guī)范(Universal Serial Bus Revision 2.0Specification)。按照此公開，功率管理系統(tǒng)10還控制電池充電的時間期間。也就是，當負載電流增加以及電池充電電流的數(shù)量減小，以將USB電流限制為其規(guī)定的最大電流時，電池被充電更長期間，以確保電池達到完全充電，而不是處于恒定電流充電模式中。
在圖2中，可看到功率管理電路10包括四個功能塊電池充電器電路12、充電電流程序電路14、負載電流監(jiān)視器16和自適應定時器電路18。電池充電器電路12是恒定電流、恒定電壓鋰離子電池充電器，其最初以編程的恒定電流ICHG對電池B充電，其量值由電池充電電流程序電路14按照電池的定額(rating)來控制。當電池變?yōu)橥耆潆娀蚪咏耆潆姇r，充電器12操作于減小電流的恒定電壓模式中，以維持該電池為完全充電。
處于恒定電流模式中的充電器電路12對電池施加電流的時間期間是由自適應定時器18控制。如前所述，在無限制的電流供應系統(tǒng)中，定時器18常規(guī)地已被設于固定時間期間，通常通過以預定的固定速率來運行定時器，其取決于電池特性。然而按照此公開，由于電流的提供受到約束，該定時器期間在恒定電流模式充電期間是變化的，以解決由于負載對電流的要求而減小提供到電池的電流，從而充電時間被相當?shù)卦黾印，F(xiàn)在將參照圖3更具體地描述該系統(tǒng)。
在圖3中，所示電池充電器電路12包括晶體管對15，其制作為(size)分別導通比率1/1000的電流(對于此例)。晶體管15b的輸出(漏)被耦合到電池B用于對電池充電，以及耦合到放大器23的非反相輸入。向放大器23的反相輸入施加與電池B的完全充電端子電壓相對應的參考電壓REF。鋰離子電池具有4.2伏的完全充電端子電壓。經(jīng)過二極管D4，晶體管15b與放大器23一起作用，以便在電池B處維持恒定電壓。
晶體管15a的輸出(漏)被耦合到放大器22的非反相輸入，以及經(jīng)過電阻器19接地。放大器22的反相輸入經(jīng)過電阻器20接地，以及從充電電流程序電路14接收充電電流，其量值等于編程電流ICHG減去負載電流，如以隨后所述方式由電路14和16所確定的。
負載電流監(jiān)視器16包括晶體管對38，其制作為分別導通比率1/1000的電流，晶體管38a的漏極連接到放大器36的反相輸入和晶體管40的源極，晶體管38b的漏極連接到放大器的非反相輸入和輸出節(jié)點OUT。晶體管40的柵極由放大器36的輸出來控制；晶體管的漏極經(jīng)過電阻器42接地。晶體管40與放大器36一起作用，以傳送與晶體管38a相同的電流以及在晶體管38a和38b上維持相等的漏極電壓。
經(jīng)過晶體管38b的負載電流由放大器36鏡像到晶體管38a和40中，以在電阻器42上產生與負載電流對應的電壓。此電壓經(jīng)過放大器30傳遞到充電電流程序電路14，控制電流經(jīng)過晶體管32的傳導，從而以與負載電流IL對應的數(shù)量來匯集(sink)來自線路27的電流。
在充電電流程序電路14內是電流鏡26，其由如圖所示互連的且在具有參考電流源ICHG的電路中的晶體管26a、26b和26c構成。由鏡晶體管26b提供到線路27的ICHG在二極管D2的正極處被分流，從而對應于負載電流的電流IL由晶體管32從ICHG中減去，如前所述，并且余數(shù)(ICHG-IL)被施加到電阻器20。對應電壓被施加到電池充電器電路12的放大器22。此對應電壓與電池充電電流成比例，還施加到自適應定時器18，用以控制在電流模式充電期間對電池B充電的定時器期間。
在充電器12的輸入節(jié)點處施加的來自USB端口的電流被作為充電電流經(jīng)由晶體管15b提供到電池B，且經(jīng)過晶體管38b提供到負載電流監(jiān)視器16的輸出節(jié)點38c處的附著負載用于操作該應用。對電池B施加充電電流的時間是由耦合到電池充電器12和充電電流程序電路14的自適應定時器18控制。如上所述，電池B可以是但不限于鋰離子電池。
功率管理電路10操作如下。電池充電器12在兩種模式中交替地起作用電流充電模式和電壓充電模式。當電池B被放電時，操作于電流模式中的充電器12向電池提供量值由充電電流程序電路14確定的充電電流。當電池B接近完全充電時，充電器12開始操作于電壓模式中，以向電池提供較小量值的電流，以便將電池保持在與完全充電狀態(tài)對應的恒定端子電壓。
充電器12在電流充電模式中提供給電池的充電電流的量值是由設計者編程和取決于電池的類型、大小和其它特性。當負載不消耗電流時，充電電流程序電路14將編程的充電電流的全部提供給電池。然而，由于輸入電流的數(shù)量受到限制，電池充電電流必須被減少由負載消耗的任意電流。因此，負載電流監(jiān)視器16監(jiān)視由負載消耗的電流，使編程的充電電流減少由負載正在占用的數(shù)量電流，以便將從電流源吸取的總電流量限制于規(guī)定量(例如USB端口電流)。定時器18響應于電池充電電流，以取決于充電電流的量值來改變電池充電的時間期間。也就是，當充電電流量值減小時(由于增加的負載電流)，由定時器18設定的時間期間被相應地增加。
自適應定時器18包括計數(shù)器56，其由滯后比較器54的輸出進行鐘控，該滯后比較器是由相對于REF的電容器上的電壓量值觸發(fā)。電容器52是由上和下電流鏡48a和48b驅動，它們又是經(jīng)過緩沖器46選擇性地通過線路49上與電池充電電流量值即編程和負載電流之差相對應的電壓來控制(在恒定電流充電模式中)，或者通過滯后比較器44來控制至編程的固定時間期間(在恒定電壓模式充電中)。
功率管理系統(tǒng)10的電路操作如下。在低電池電壓時，放大器23由于施加到放大器非反相輸入的電壓量值是小于施加到非反相輸入端的參考電壓量值而失去調節(jié)，該放大器的輸出為低(地)。放大器23的輸出現(xiàn)在是通過二極管D4而從電流鏡15隔離，允許放大器22調節(jié)經(jīng)過晶體管15a進入電阻器19中的電流，以便與由充電電流程序電路14呈現(xiàn)于電阻器20的電壓相匹配。如上所述，施加到電阻器20的編程電流采用了與編程電流源24和負載電流之差相等的量值。因此，電池B被充電器12以與編程充電電流減去瞬間負載電流相等的電流來充電。
電池在電流模式充電期間被充電的時間期間在這時是由自適應定時器18控制。定時器18包括開關45，其具有與恒定電流充電模式對應的上極以及與恒定電壓充電模式對應的下極。開關45被象征性地表示為機械開關；實際上它是電子的。
在電流模式充電期間，當開關處于上面的位置時，如圖所示，放大器46接收與電池充電電流(編程電流與負載電流之差)對應的輸入電壓，其輸出則被施加到電流鏡電路。電流鏡48的輸出被施加到電容器52和滯后比較器54的反相輸入，該滯后比較器的非反相輸入則連接到參考電壓源REF。
當開關45處于(上面的)電流充電位置時，如圖所示，緩沖器放大器46驅動晶體管51，從而電阻器47中的電流被驅動為等于電阻器20中的電流。電阻器47中的電流是通過引用的頂側和底側電流鏡48a和48b分別地鏡像至電容器52和地。
假設初始時電容器52電壓為零，來自比較器54的時鐘輸出CLK為高，其使晶體管55使能和關斷底側電流鏡48b。頂側電流鏡48a對應地將其電流供應給電容器52，使電容器電壓斜升，直至達到比較器的上閾值REF為止。此比較器的輸出現(xiàn)在切換至其低狀態(tài)，使晶體管55禁止，其使底側鏡48b使能。由于鏡像比從底到頂是2∶1，該鏡將匯集所有來自頂側鏡的電流加上來自現(xiàn)在放電的電容器52的一個附加單位電流。此循環(huán)以取決于電池充電電流量值的頻率來重復。在恒定電流模式中，計數(shù)器的頻率因而與進入電容器中的電流成比例，后者又與電池充電電流成比例。
充電器此后進入電壓模式，其中不再需要令振蕩器頻率跟蹤電池充電電流。電壓模式是通過監(jiān)視電池充電器放大器23的輸出來檢測的，其實施了對放大器23的輸出與參考電壓REF進行比較的滯后比較器44。當放大器23的輸出開始增加，其指示電池接近完全充電，并且達到與電壓模式對應的參考電壓REF時，比較器44被激活，將開關46驅動至其電壓模式位置(較低位置)，僅基于恒定電流源24而不是基于電流模式充電期間的可變電池電流——測量為恒定電流源電流與負載電流之差，來控制定時定時。定時器56操作為以常規(guī)方式來控制電池充電器12的剩余充電期間。
已經(jīng)描述了實施例，應該注意本領域技術人員可依據(jù)上述教導來進行改型和變形。因此應該理解，可在所公開的具體實施例中進行變化，其落于由所附權利要求和等效所限定的本公開的范圍和精神之內。例如，電池電流可被減小以便減少電路發(fā)熱，而不是響應于電壓模式充電而減小，在此情況下可改變定時器的定時期間以保證電池變成完全充電。作為另一例，電流監(jiān)視器可設置為監(jiān)視電池的放電，以使定時器振蕩器以遞減計數(shù)器的模式來運作，而不是像在充電模式期間所完成的那樣遞增計數(shù)器。而且，盡管在USB供電電池充電器的背景中在這里描述了該系統(tǒng)，其打算供單個單元的鋰離子電池或多個單元的鋰離子電池系統(tǒng)使用，但是由本公開教導的原理并不限于此方面。
權利要求
1.一種用于電池供電應用的功率管理方法，包括步驟在對電池充電的充電期間向電池提供電流；以及按照電流量值來控制充電期間。
2.根據(jù)權利要求1的方法，其中充電期間是與電流量值相反地來控制。
3.根據(jù)權利要求1的方法，包括步驟用于檢測何時由于電壓模式充電造成電流變化，以及響應地將充電期間設為規(guī)定的充電期間。
4.根據(jù)權利要求3的方法，其中規(guī)定的充電期間取決于電池類型。
5.根據(jù)權利要求1的方法，其中輸入電流被提供給(1)電池用于對電池充電以及(2)負載，包括用于確定充電電流量值的附加步驟，其中用于提供電流給電池的步驟是按照(a)取決于電池類型的規(guī)定電流與(b)負載電流量值之差來控制。
6.根據(jù)權利要求5的方法，其中輸入電流是從USB端口獲得。
7.一種用于在電池供電的應用中實施的功率管理系統(tǒng)，包括輸入電流節(jié)點，對其施加有電流源，用于向電池和負載提供輸入電流；第一電路，耦合于輸入電流節(jié)點，配置為用于在充電期間向電池提供充電電流；第二電路，配置為用于確定由第一電路提供給電池的電流的量值；以及第三電路，耦合于第一電路，響應于充電電流的量值，用于控制充電期間。
8.根據(jù)權利要求7的系統(tǒng)，包括第四電路，用于監(jiān)視負載電流；其中第三電路配置為用于按照(a)取決于電池類型的規(guī)定量值電流與(b)由第四電路監(jiān)視的負載電流量值之差來向電池提供電流。
9.根據(jù)權利要求8的系統(tǒng)，包括第五電路，配置為用于檢測何時由于電壓模式充電造成充電電流的變化，以及響應地將充電期間設為規(guī)定的充電期間。
10.根據(jù)權利要求9的系統(tǒng)，其中規(guī)定的充電期間取決于電池類型。
11.根據(jù)權利要求8的系統(tǒng)，其中輸入電流源是USB端口。
12.一種用于在電池供電的應用中實施的功率管理系統(tǒng)，包括輸入電流源，用于向電池和負載提供輸入電流；負載電流監(jiān)視器電路，用于確定負載電流量值；可變期間定時器；充電電路，耦合于定時器，用于在由定時器確定的充電期間對電流提供給電流進行控制；以及控制電路，響應于負載電流量值，用于控制定時器期間。
13.根據(jù)權利要求12述的系統(tǒng)，包括充電模式檢測器電路，耦合于電池和參考電壓源，用于檢測電池的電壓模式充電，以及響應地將定時器的充電期間設為規(guī)定的充電期間。
14.根據(jù)權利要求13的系統(tǒng)，其中規(guī)定的充電期間取決于電池類型。
15.根據(jù)權利要求12的系統(tǒng)，其中充電電路耦合于負載電流監(jiān)視器電路，配置為按照(a)取決于電池類型的規(guī)定量值電流與(b)負載電流來控制電池電流的量值。
16.根據(jù)權利要求12的系統(tǒng)，其中輸入電流源是USB端口。
17.根據(jù)權利要求15的系統(tǒng)，其中電池電流的量值是按照規(guī)定電流與負載電流之差來控制。
18.一種用于在電池供電的應用中實施的功率管理系統(tǒng)，包括輸入電流源，用于將輸入電流提供給(1)電池以對電池充電以及(2)負載；第一裝置，用于確定電池電流量值；可變期間定時器；第二裝置，用于在由定時器確定的充電期間對電流提供給電池進行控制；以及第三裝置，按照電池電流的量值來控制定時器期間。
19.根據(jù)權利要求17的系統(tǒng)，包括用于監(jiān)視負載電流的第四裝置，其中第一裝置按照(a)取決于電池類型的規(guī)定電流與(b)負載電流之差來確定電池電流量值。
20.根據(jù)權利要求18的系統(tǒng)，包括第五裝置，用于檢測何時由于電壓模式充電造成電池電流的變化，以及響應地將充電期間設為規(guī)定的充電期間。
全文摘要
一種功率管理系統(tǒng)，包括電池供電的應用，其中輸入電流是由可以是電流受約束的源比如USB端口的電流源提供給電池用于對電池充電以及提供給應用負載。電池充電電流是在基于電池充電電流量值的時間期間被提供到電池，從而較少量值的充電電流在較大的時間期間被施加到電池。按照一個實施，電池充電電流是通過監(jiān)視取決于電池類型的編程充電電流與由負載使用的電流量值之差來確定的。當充電電流隨著電池接近完全充電而開始回落時，由于電壓模式充電造成的電池充電電流的變化被檢測，以及響應地，充電期間被設為基于電池的固定充電期間。
文檔編號H01M10/44GK1805238SQ20051013015
公開日2006年7月19日 申請日期2005年12月12日 優(yōu)先權日2004年12月30日
發(fā)明者羅杰·A·澤姆克, 大衛(wèi)·B·貝爾 申請人:凌特公司