專利名稱：充電電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是關于一種充電電路，特別是關于一種快速充電及保護電池不過充的低功 率充電電路。
背景技術：
目前，對于可重復充放電的電池的充電方法通常采用以下四種方法。此四種方法 為定電流(Constant Current,CC)模式、定電壓(Constant Voltage,CV)模式、脈沖充電模 式及定電流/定電壓模式。采用定電流的充電方式可于短時間內將電池充飽，但于電池快要接近充飽時，充 電效率會降低，且必須要設置過充保護機制保護電池，因此采用定電流模式的充電電路成 本較高。使用定電壓模式的充電電路則為根據電池的電壓與預設充電電壓的差值調整充 電電流的大小，因此充電電流會隨著電壓差值變小而逐漸變小，不需要針對電池過充的問 題設置保護機制，但于充電初期的較大電壓差值，可能會導致電池進入過度充電的情況，而 造成電池的損壞。而脈沖充電模式是將脈沖電流以周期性的方式對電池充電，在充電過程中提供充 電休息時間，讓電池內部的電解液利用休息時間獲得化學反應的中和緩沖的時間，以使不 同濃度的電解液進行平衡漂移，增進電解液反應的均勻性，進而改進電池使用壽命，但如何 決定最佳脈沖充電頻率，在目前仍無定論。定電流/定電壓模式為在充電初期，以定電流對電池充電，等到電池的電壓達到 設定電壓后，在以定電壓的方式對電池充電，且充電電流隨著電池電壓的增大而降低，等到 充電電流減少至零的時候，則視為電池已經100%滿充。然而，此方式會因為充電末期必須 等到充電電流為零，因此會拖長充電時間。

發(fā)明內容
有鑒于上述現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種充電電路，以解決不 能同時兼顧快速充電及保護電池的問題。根據本發(fā)明的目的，提出一種充電電路，可整合于一芯片上，充電電路包含一充電 單元、一開關單元、一偏壓單元、一分壓單元及一比較單元。充電單元連接于一電源輸入端 與一負載之間，并由電源輸入端所提供的定電壓的電源輸入以輸出一定電流對負載充電。 開關單元連接于電流控制單元與電源輸入端之間，使充電單元導通或截止。偏壓單元連接 充電單元及開關單元，以提供一第一偏壓至充電單元。分壓單元的一端其一端連接負載及 充電單元，并根據負載的電壓產生一第一訊號。比較單元連接至開關單元、偏壓單元及分壓 單元，并接收偏壓單元所提供的一第二訊號及第一訊號，以比較第一訊號及第二訊號，并根 據比較結果輸出一第二偏壓至開關單元使開關單元導通或關閉，以使充電單元對負載充電 或停止充電。
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其中，充電單元為一第一 P型晶體管，開關單元為一第二 P型晶體管，第二 P型晶 體管的汲極連接第一 P型晶體管的閘極。其中，當?shù)谝挥嵦栃∮诘诙嵦枺容^單元輸出高電位的第二偏壓至第二 P型晶 體管的閘極，使第二 P型晶體管截止而第一 P型晶體管導通，當?shù)谝挥嵦柎笥诘诙嵦?，?較單元輸出低電位的第二偏壓，使第二 P型晶體管導通而第一 P型晶體管截止。其中，偏壓單元包含一起始部、一參考部及一串接部，參考部連接于起始部與串接 部之間，起始部驅動參考部產生一第三訊號至第三輸入端及串接部，以驅動串接部，串接部 分別提供第一偏壓及第二訊號至充電單元及比較單元。其中，比較單元包含一差動部、一滯留部及一輸出部，滯留部連接于差動部與輸出 部之間，差動部比較第一訊號及第二訊號，滯留部啟動輸出部輸出第二偏壓。其中，差動部包含一電流鏡、一差動對及一 N型晶體管，差動對連接于電流鏡與N 型晶體管之間，差動對接收第一訊號及第二訊號，并將第一訊號及第二訊號的電壓差值傳 送至滯留部。其中，滯留部根據第一訊號及第二訊號的一電壓差值控制輸出部輸出第二偏壓。其中，停止充電所對應的所述第二訊號電壓值大于充電完成后再次充電的所述第 二訊號電壓值。其中，分壓單元僅包含串接的多個P型晶體管及一 N型晶體管，且各P型晶體管的 汲極與閘極相互連接，由其中的一個P型晶體管的汲極輸出第一訊號。其中，負載為一鋰電池。承上所述，依本發(fā)明的充電電路，其可具有一或多個下述優(yōu)點(1)此充電電路可通過比較單元控制充電電路是否繼續(xù)充電，這樣可提高負載的 使用壽命。(2)此充電電路可通過第一 P型晶體管以定電流的方式充電，這樣可加快充電速度。



圖1為本發(fā)明的充電電路的方塊圖； 圖2為本發(fā)明的充電電路的較佳實施例的電路圖； 圖3為本發(fā)明的充電電路的較佳實施例的偏壓單元的電路圖 圖4為本發(fā)明的充電電路的較佳實施例的比較單元的電路圖 圖5為本發(fā)明的充電電路的較佳實施例的分壓單元的電路圖 圖6為本發(fā)明的充電電路的仿真示意圖； 圖7為本發(fā)明的負載電壓值與第二偏壓的模擬示意圖。主要組件符號說明
10 偏壓單元； 12 參考部； 20 分壓單元； 31 差動部； 33 輸出部；
I充電電路；
II起始部； 13:串接部； 30 比較單元； 32 滯留部；
40:充電單元；60 負載；
50 開關單元； VDD 電源輸入端； V2 第二訊號； V_biasl 第一偏壓； MPlOl 第一 P型晶體管；Vl 第一訊號；V3 第三訊號； V_bias2 第二偏壓；MP102 第二 P型晶體管；MP201 MP203、MP206 MP207、MP209 MP210、MP212 MP213、MP215 MP216
P型晶體管；MP301 MP303、MP306、MP309、MP312、MP314 :P 型晶體管；MP401 MP404 :P 型晶體管；MN204 MN205、MN208、MN211、MN214、MN217 MN218 :N 型晶體管；MN302、MN304 MN305、MN307 MN308、MN310 MN311、MN313、MN315 MN316
N型晶體管；MN405 =N型晶體管；Inl 第一輸入端；In2 第二輸入端；In3 第三輸入端；Out 輸出端；I。 I3 電流；R:電阻。
具體實施例方式請參閱圖1，其為本發(fā)明的充電電路的方塊圖。該圖中，充電電路1包含充電單元 40、開關單元50、偏壓單元10、分壓單元20及比較單元30。充電單元40連接于電源輸入 端VDD與負載60之間，并由電源輸入端VDD提供的定電壓對負載60以定電流的方式充電。 開關單元50連接于充電單元40與電源輸入端VD之間，使充電單元40導通或截止。此充 電單元40與開關單元50較佳為P型晶體管。偏壓單元10連接充電單元40與開關單元50，以提供第一偏壓V_biasl至充電單 元40。分壓單元20的一端連接負載60及充電單元40，并根據負載60的電壓產生第一訊 號Vl。比較單元30連接至開關單元50、偏壓單元10及分壓單元20，并接收偏壓單元10所 提供的第二訊號V2及第一訊號VI，以比較第一訊號Vl的電壓值與第二訊號V2的電壓值， 并根據比較結果輸出第二偏壓V_bias2至開關單元50，使開關單元50導通或截止以使充電 單元40對負載60充電或停止充電。 請參閱圖2，其為本發(fā)明的充電電路的較佳實施例的電路圖。該圖中，充電電路1 包含一第一 P型晶體管MP101、一第二 P型晶體管MP102、一偏壓單元10、一分壓單元20及 一比較單元30。第一 P型晶體管MPlOl的源極連接一電源輸入端VDD，以接收固定電壓的電源輸 入，此固定電壓較佳為5伏特(Volt)附近的電壓，第一 P型晶體管MPlOl的汲極連接一負 載60，以定電流的方式對負載60充電，此負載60較佳為鋰電池。第二 P型晶體管MP102的源極與汲極分別連接電源輸入端VDD與第一 P型晶體管 MPlOl的閘極。偏壓單元10提供一第一偏壓V_biasl至第一 P型晶體管MPlOl的閘極，以使第一P型晶體管MPlOl導通或截止。其中，偏壓單元10的主要功能在于提供穩(wěn)定的電壓輸出，包 括第二訊號V2、第三訊號V3及第一偏壓V_biasl。分壓單元20連接負載60與第一 P型晶體管MPlOl的汲極，并根據負載60的電壓
產生一第一訊號VI。比較單元30具有一第一輸入端hi、一第二輸入端化2、一第三輸入端In3及一輸 出端Out。此第一輸入端Inl為此比較單元30的負輸入端，第二輸入端In2為正輸入端。 負輸入端連接分壓單元20以接收第一訊號VI。正輸入端及第三輸入端Ιη3分別連接偏壓 單元10的不同端點，以分別接收偏壓單元10所提供的一第二訊號V2及一第三訊號V3。輸 出端Out連接第二 P型晶體管MP102的閘極，當?shù)谝挥嵦朧l的電壓值小于第二訊號V2的 電壓值時，輸出端Out會提供高電位的一第二偏壓V_bias2給第二 P型晶體管MP102的閘 極，使第二 P型晶體管MP102截止，亦同時使第一 P型晶體管MPlOl導通以對負載60進行 充電，此高電位的電壓值較佳為5伏特(Volt)。當?shù)谝挥嵦朧l的電壓值大于第二訊號V2 的電壓值時，輸出端Out會提供低電位的一第二偏壓V_bias2給第二 P型晶體管MP102的 閘極使第二 P型晶體管MP102導通，此時第一偏壓V_biasl的電壓值與電源輸入端VDD所 提供的電壓值相同，會使得第一 P型晶體管MP101截止而停止對負載60進行充電，此低電 位的電壓值較佳為0伏特(Volt)。請參閱圖3，其為本發(fā)明的充電電路的較佳實施例的偏壓單元的電路圖。圖中，偏 壓單元10包含一起始部11、一參考部12及一串接部13，參考部11連接于起始部12與串 接部13之間，起始部11驅動參考部12產生第三訊號V3至第三輸入端In3及串接部13， 以驅動串接部13，串接部13分別提供第一偏壓V_biasl及第二訊號V2至第一 P型晶體管 MP101的閘極與第二輸入端h2。參考部12由四個P型晶體管MP206、MP207、MP209、MP210、兩個N型晶體管MN208、 麗211及一個電阻R所組成。其中四個P型晶體管MP206 MP208可提供相同的電流I。以 及I1，使得J, R 二 Vt2u+(字12--------(1)
J7^rn1 Γ 1 、 1 ,2^0 IVt2m λι/2
_ 7廠M+(CT)+^+綠)-——⑵其中，Vt2ci9與Vt211為P型晶體管MP209及N型晶體管麗211的熱電壓，在一般室 溫下，此熱電壓值約為25mV，而β211則為N型晶體管麗211的電流增益。在上述兩個方程式(1)及O)中可得知Itl與I1與電源輸入端VDD所提供的電壓 值無關，因此本發(fā)明由此設置一個與輸入電壓值無關的電路。當N型晶體管麗211的汲極與源極電壓差Vds211小于第三訊號電壓值時，可能會 導致N型晶體管ΜΝ211截止，因此本發(fā)明加入起始部11克服此可能截止的問題。起始部11 包含三個P型晶體管ΜΡ201 ΜΡ203及兩個N型晶體管ΜΝ204及ΜΝ205，當Vds211為低電壓 時，會使ΜΝ204截止，因此ΜΝ204的汲極與源極電壓差Vck2tl4變成高電位而導通ΜΝ205，而使 Vds211的電壓值升高，亦同時導通ΜΝ204使Vds2tl4的電壓值下降而關閉ΜΝ205，如此便不會影 響到ΜΡ206、ΜΡ207、ΜΡ209、ΜΡ210、ΜΝ208及R組成電路提供第三訊號V3的固定電壓值。而串接部13接收參考部12所提供的電壓后，可在P型晶體管ΜΡ212及ΜΡ213上產生電流12，再通過一個溫度系數(shù)相似的N型晶體管麗214產生第二訊號V2，此第二訊號 V2可導通N型晶體管MN217，而產生電流I3并以此導通P型晶體管MP215、MP216、MP218， 以輸出第一偏壓V_biasl至第一 P型晶體管MPlOl的閘極，此第一偏壓的電壓值為電源輸 入端的電壓值減去MP215源極與汲極間的電壓差。請參閱圖4，其為本發(fā)明的充電電路的較佳實施例的比較單元的電路圖。圖中，比 較單元30包含一差動部31、一滯留部32及一輸出部33，滯留部32連接于差動部31與輸 出部33之間，差動部31可比較第一訊號Vl及第二訊號V2的電壓差值，滯留部32可啟動 輸出部33輸出高電位的第二偏壓或低電位的第二偏壓。在差動部31中，P型晶體管MP301與MP303形成一個電流鏡，N型晶體管麗302與 MN304形成一個差動對，并且此電流鏡與差動對可形成差動放大器，以比較第一訊號Vl與 第二訊號V2的電壓差值。滯留部32中，P型晶體管MP306、MP309與N型晶體管麗307 麗311形成一個具有滯留效應的電路。輸出部33由P型晶體管MP312、MP314與N型晶體 管麗313、麗315、麗316所構成的自我偏壓雙端轉單端的轉換器。MN302與MN304的閘極分別為比較單元30的正輸入端及負輸入端，以分別接收第 二訊號V2及第一訊號Vl。在此，本發(fā)明利用此具有滯留效應的比較單元30，使得對負載60 充電時達到了一預設完充電壓后立即停止充電，并且在負載60的電壓值在充電完成后又 下降到一預設待充電壓后才再度導通第一P型晶體管進行充電。其中，預設完充電壓的電 壓值大于預設待充電壓的電壓值，且此預設完充電壓的電壓值較佳為4. 2V，預設待充電壓 的電壓值較佳為4. IV，這樣，不但可以防止電源輸入端VDD所提供的電壓值不穩(wěn)所造成的 誤充電情況，也可以防止電池可能同時充電與放電的情況而反復不停的充放電，延長負載 60的使用壽命。請參閱圖5，其為本發(fā)明的充電電路的較佳實施例的分壓單元的電路圖。圖中，分 壓單元20包含五個相同的P型晶體管MP401 MP404與一個N型晶體管MN405所構成。特 別要強調的是，在此分壓單元20的電路圖中，本發(fā)明僅使用晶體管而沒有如現(xiàn)有技術中使 用電阻，可降低熱噪聲與節(jié)省芯片面積，且P型晶體管皆為閘極與汲極相接，可等效成一般 的二極管，以作為分壓的用途，并且由于使用相同特性的晶體管，因此其制程相同，在相同 溫度下的漂移分壓效果皆相同，且兩端分別接至電源輸入端VDD與負載60，因此本發(fā)明將 分壓單元的長度調長，使通過的電流降低以減少耗電。在圖4中，第一訊號Vl是由MP404 的汲極輸入，但在此僅為舉例，并不以此為限，亦可在MP403或其它P型晶體管的汲極輸出 第一訊號VI。請參閱圖6，其為本發(fā)明的充電電路的仿真示意圖。該圖中，橫軸為時間，左方縱 軸為負載60的電壓值，右方縱軸為充電電流的電流值。在此，雖然輸入電壓的電壓值介于 4. 8V到5. 2V之間漂移，但充電電流仍然穩(wěn)定的維持在40mA左右，當負載60的電壓值到達 4. 2V之后，充電電路1立即停止充電。請參閱圖7，其為本發(fā)明的負載電壓值與第二偏壓的模擬示意圖。該圖中，橫軸為 時間，縱軸為電壓值。在充電過程中，當負載60的電壓值高于4.2V時，第二偏壓V_bias2 立即下降到0V，使充電電路1停止充電；充電完成后，當負載60的電壓值低于4. IV時，第 二偏壓V_bias2立即上升到5V，使充電電路1開始充電。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，對本發(fā)明而言僅是說明性的，而非限制性的；
7本領域技術人員理解，在本發(fā)明權利要求所限定的精神和范圍內可對其進行許多改變，修 改，甚至等效變更，但都將落入本發(fā)明的保護范圍內。
權利要求
1.一種充電電路，整合于一芯片上，所述充電電路包含一充電單元、一開關單元、一偏 壓單元及一分壓單元，其特征在于所述充電單元連接于一電源輸入端與一負載之間，根據 所述電源輸入端所提供的定電壓的電源輸入以輸出一定電流對所述負載充電；所述開關單 元連接于所述電流控制單元與電源輸入端之間，使所述充電單元導通或截止；所述偏壓單 元連接所述充電單元及開關單元，以提供一第一偏壓至所述充電單元；所述分壓單元的一 端連接所述負載及充電單元，并根據所述負載的電壓產生一第一訊號；所述充電電路還包 含一比較單元，所述比較單元連接至所述開關單元、偏壓單元及分壓單元，并接收所述偏壓 單元所提供的一第二訊號及所述第一訊號，以比較所述第一訊號及第二訊號，并根據比較 結果輸出一第二偏壓至所述開關單元使所述開關單元導通或關閉，以使充電單元對所述負 載充電或停止充電。
2.如權利要求1所述的充電電路，其特征在于所述充電單元為一第一P型晶體管，所 述開關單元為一第二 P型晶體管，所述第二 P型晶體管的汲極連接所述第一 P型晶體管的 閘極。
3.如權利要求2所述的充電電路，其特征在于當所述第一訊號小于所述第二訊號，所 述比較單元輸出高電位的所述第二偏壓至所述第二 P型晶體管的間極，使所述第二 P型晶 體管截止而所述第一 P型晶體管導通，當所述第一訊號大于所述第二訊號，所述比較單元 輸出低電位的所述第二偏壓，使所述第二 P型晶體管導通而所述第一 P型晶體管截止。
4.如權利要求1所述的充電電路，其特征在于所述偏壓單元包含一起始部、一參考部 及一串接部，所述參考部連接于所述起始部與串接部之間，所述起始部驅動所述參考部產 生一第三訊號至所述第三輸入端及串接部，以驅動所述串接部，所述串接部分別提供所述 第一偏壓及第二訊號至所述充電單元及比較單元。
5.如權利要求1所述的充電電路，其特征在于所述比較單元包含一差動部、一滯留部 及一輸出部，所述滯留部連接于所述差動部與輸出部之間，所述差動部比較所述第一訊號 及第二訊號，所述滯留部啟動所述輸出部輸出所述第二偏壓。
6.如權利要求5所述的充電電路，其特征在于所述差動部包含一電流鏡、一差動對及 一 N型晶體管，所述差動對連接于所述電流鏡與N型晶體管之間，所述差動對接收所述第一 訊號及第二訊號，并將所述第一訊號及第二訊號的電壓差值傳送至所述滯留部。
7.如權利要求6所述的充電電路，其特征在于所述滯留部根據所述第一訊號及第二 訊號的一電壓差值控制所述輸出部輸出所述第二偏壓。
8.如權利要求5所述的充電電路，其特征在于停止充電所對應的所述第二訊號電壓 值大于充電完成后再次充電的所述第二訊號電壓值。
9.如權利要求1所述的充電電路，其特征在于所述分壓單元僅包含串接的多個P型 晶體管及一 N型晶體管，且各所述的P型晶體管的汲極與閘極相連接，由其中的一個所述P 型晶體管的汲極輸出所述第一訊號。
10.如權利要求1所述的充電電路，其特征在于所述負載為一鋰電池。
全文摘要
本發(fā)明揭露一種充電電路，可整合于一芯片上。充電電路包含一充電單元、一開關單元、一偏壓單元、一分壓單元及一比較單元。充電單元連接于電源輸入端與負載之間，由電源輸入端所提供的固定偏壓，以定電流的方式對負載充電。開關單元連接于電流控制單元與電源輸入端之間，使充電單元導通或截止。分壓電路通過負載的電壓產生一第一訊號輸入比較單元。偏壓單元輸入固定電壓值的第二訊號至比較單元。比較單元比較第一訊號及第二訊號后，控制開關單元導通或截止，并由此導通或截止的狀態(tài)控制充電單元對負載充電或停止充電。
文檔編號H02J7/00GK102088196SQ20091026149
公開日2011年6月8日 申請日期2009年12月8日 優(yōu)先權日2009年12月8日
發(fā)明者王朝欽, 謝志尚, 顏韶甫 申請人:宏碁股份有限公司