專利名稱：電池充電設備的制作方法
描述本發(fā)明涉及電池充電設備。
電池充電器在技術方面通常是眾所周知的，例如蜂窩電話電池為鋰離子(Litio.Ion)類型的電池。
這些電池的充電按照已知的恒定電流(CC)和恒定電壓(CV)過程來發(fā)生。在電池充電階段期間，充電器按照電流調(diào)整過程進行工作，即將恒定電流提供給電池。同時電池上的電壓增加直到其達到其穩(wěn)態(tài)充電值；在這個值附近，充電電流開始減小直到使自己為零并且充電器進入電壓調(diào)整階段，即電池被提供恒定電壓。
通常在這個過程中，要求調(diào)整電流以及調(diào)整電壓的高度精確。所要求的該值通常為充電電流的10％并且為調(diào)整電壓的1％。而且，需要控制設備的溫度不超過發(fā)熱極限，也取決于所使用的充電器設備。


圖1中示出了在各種類型的電池充電器設備中通常使用的一種電池充電器設備。
該設備包括適合于調(diào)整電池LOAD的電流的裝置CA、D2，適合于調(diào)整電壓的裝置VA、D1，以及適合于調(diào)整功率的裝置PA、D3。
該設備包括一對PMOS晶體管M1和M2，其源極端子連接到輸入電壓Vin；晶體管M2的漏極端子連接到電池LOAD，電池LOAD另外端子連接到地并且晶體管M1的漏極端子連接到晶體管M3的源極端子。后者的漏極端子連接到電阻R，電阻R另外的端子連接到地。晶體管M3的柵極端子由運算放大器1驅(qū)動，運算放大器1的反相和非反相(non-inverting)輸入端子分別連接到晶體管M1和M2的漏極端子。
電流發(fā)生器I1和二極管D1-D3的陰極連接到晶體管M1和M2的柵極端子，其中二極管D1-D3陽極連接到相應運算誤差放大器VA、CA和PA。放大器VA的反相端子上的輸入是參考電壓Vref并且非反相端子上的輸入為電池LOAD的端子上的電壓Vout，放大器CA的反相端子上的輸入是參考電壓V1并且非反相端子是電壓Vout，并且放大器PA的反相端子上的輸入是充電器設備的溫度Tdie并且非反相端子上的輸入是參考溫度Tref。
在電池LOAD的充電階段期間，存在電流調(diào)整階段；PMOS晶體管M1和M2的控制由誤差放大器CA來執(zhí)行，因為誤差放大器VA是非平衡的，電壓Vout小于電壓Vref。當電壓Vout達到電壓Vref時，晶體管M1和M2的控制轉(zhuǎn)到放大器VA，放大器VA提供所需的全部電流來直接偏置二極管D1，同時二極管D2被截止。
如果充電器設備的溫度高于參考溫度Tref，則控制轉(zhuǎn)到放大器PA，放大器PA直接偏置二極管D3。
為了充電上的調(diào)整電流十分精確，MOS晶體管M1和M2的漏極和源極之間的電壓必須彼此相等。由于兩個MOS晶體管具有相同的柵極端子和源極端子之間的電壓，充電電流等于參考電流V1/R乘以MOS晶體管M1、M2的面積之比。為此，放大器1被引入來維持晶體管M1和M2的漏極端子為相同電勢。
鑒于技術方面，本發(fā)明的目的是提供電池充電設備，其具有比已知充電器更簡單的電路并且具有更高的精度。
根據(jù)本發(fā)明，這個目的通過適合于充電電池的設備來實現(xiàn)，該設備包括至少一個第一和第二晶體管，所述晶體管連接到輸入電壓并且具有輸出端子，所述第一晶體管的輸出端子連接到所述電池，所述設備包括所述晶體管的驅(qū)動電路，所述驅(qū)動電路包括適合于在所述電池的充電階段期間調(diào)整所述電池中的電流的第一裝置，特征在于所述第一裝置適合于在所述電池的充電階段期間保持所述晶體管的輸出端子上的電壓相同。
由于本發(fā)明，電池充電設備可以被制造得具有更少量的部件并且在其中該設備被集成的芯片上具有更小的占用面積。使用該設備，在調(diào)整電池中的電流和電壓的階段我們還擁有高度的精度。
本發(fā)明的特征和優(yōu)勢將從其實施例的下面具體描述中變得顯而易見，所述實施例作為非限制性例子在附圖中加以示出，其中圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術的電池充電器；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的電池充電器的示意圖；圖3示出了圖2的電池充電器的電路實現(xiàn)；
圖4示出了在不執(zhí)行溫度調(diào)整的情況下在使用圖3的設備獲得的電池的充電階段中電壓Vout、輸出電流Iout和溫度Tp的時間圖；圖5是圖4的電流Iout的時間圖的一部分的放大圖；圖6示出了在執(zhí)行溫度調(diào)整的情況下在使用圖3的設備獲得的電池的充電階段中電壓Vout、輸出電流Iout和溫度Tp的時間圖。
參照圖2，示出了根據(jù)本發(fā)明的電池充電設備的示意圖。該設備包括一對PMOS晶體管M10和M20，其源極端子連接到輸入電壓Vin。晶體管M10的漏極端子連接到電池LOAD，電池LOAD另外端子連接到地。充電設備包括適合于驅(qū)動晶體管M10和M20的柵極端子的電路100。晶體管M20的漏極端子也連接到電路100；更精確地說，所述端子連接到晶體管M30的漏極端子，晶體管M30是電流反射鏡M30-M31的一部分。所述電流反射鏡適合于在晶體管M10上反射電流I30，電流I30與來自同名(homonymous)電流發(fā)生器的電流Iref成比例。后者由運算放大器PA1來控制，運算放大器PA1在反相端子上的輸入為參考電壓Vref2并且在非反相端子上的輸入是與設備的溫度成比例的電壓V(T)；電壓V(T)由設備2產(chǎn)生，設備2對溫度敏感。當該設備的溫度增加并且電壓V(T)變得與電壓Vref2相同時，放大器PA1起到命令電流Iref減小的作用。因此電流I30和流入晶體管M10的充電電流也減小。因此在晶體管M10中消耗的功率減小并且這也使得該設備的溫度降低；放大器PA1發(fā)生干預直到該設備的溫度和產(chǎn)生這個溫度的晶體管M10中的電流之間達到平衡。
晶體管M10和M20的漏極端子連接到屬于驅(qū)動電路100的運算誤差放大器CA1的非反相和反相輸入端子。該放大器CA1的輸出與運算誤差放大器VA1的輸出會聚在電路塊CVA上，CVA的輸出信號適合于驅(qū)動晶體管M10和M20。放大器VA1在反相端子上的輸入為參考電壓Vref1并且在非反相端子上的輸入為在電池LOAD的端子上的電壓Vout。放大器CA1的非反相輸入連接到該端子進行調(diào)整，該端子即晶體管M10的漏極端子以這樣的方式由放大器CA1、電路塊CVA和處于平衡的晶體管M10和M20組成的回路保持晶體管M10和M20的漏極端子上的電壓在整個時間上為同樣的值，其中電壓Vout向著其穩(wěn)定狀態(tài)值Vref增長，而不需要提供另外的放大級。調(diào)整的電流因此與參考電流Iref乘以晶體管MOS M10和M20的面積的比值恰好相同。電路塊CVA相當于加法器節(jié)點，其輸出信號與來自放大器CA1的輸出信號一致或者來自與放大器VA1的輸出信號一致，當它們中的一個或另一個有效時。放大器CA1具有偏置電流Ipol，該電流由放大器VA1的輸出信號控制。
在電流調(diào)整期間，電壓Vout增加直到其達到參考值Vref1。當這發(fā)生時，系統(tǒng)逐漸減小這個級CA1的偏置電流Ipol到零，使得有源調(diào)整回路變成由放大器VA1、塊CVA和MOS晶體管M10和M20組成的電壓的回路。
在圖3中示出了圖2的設備的電路實現(xiàn)。當電池LOAD放電時，電Vout小于參考電Vref，放大器VA1不平衡并且誤差放大器CA1通過由PMOS晶體管M41-M42和NMOS晶體管M43-M44構成的反射鏡由電流Ipol進行偏置。這個電流還在NMOS晶體管M49中在級CVA的輸出上通過NMOS晶體管反射鏡M44-M45、PMOS晶體管反射鏡M46-M47以及NMOS晶體管反射鏡M48-M49被反射。
放大器CA1的差分級由其柵極端子連接到晶體管M20和M10的漏極端子的PMOS晶體管M51-M52組成，該差分級負責通過晶體管反射鏡M53-M54調(diào)整電池LOAD中的充電電流，晶體管反射鏡M53-M54發(fā)送信號到輸出級CVA，差分級在晶體管M55中通過電流反射鏡M60-M55產(chǎn)生平衡晶體管M49的電流的電流；以這樣的方式獲得電流平衡。在二極管連接中，晶體管M51的漏極端子連接到晶體管M61，晶體管M61又連接到地。
放大器VA1包括具有PMOS晶體管M62-M63的差分級；在所述晶體管的柵極端子上分別有由 給定的電壓Vout和參考電壓Vref1的一部分。晶體管M62和M63的源極端子連接到偏置電流Ipol的發(fā)生器并且漏極端子分別連接到晶體管M44和M56的漏極端子。
應當看到，在電流調(diào)整中，放大器VA1沒有作用，因為其不平衡防止由NMOS晶體管M56-M57組成的電流反射鏡中的電流的通過。
放大器PA1包括具有PMOS晶體管M64和M65以及NMOS晶體管M66-M67的電流反射鏡的差分級。晶體管M64和M65的源極端子連接到偏置電流Ipol2的發(fā)生器并且漏極端子分別連接到晶體管M66和M67的漏極端子。晶體管M64和M65的柵極端子連接到參考電壓Vref2和連接到電壓V(T)并且晶體管M64的漏極端子連接到晶體管M58的柵極端子。
如果系統(tǒng)的溫度使得信號V(T)＝K×T小于Vref2，那么放大器PA1不平衡并且截止晶體管M58。這樣參考電流Iref在晶體管M20中被完全反射并且在電池的整個充電階段期間，被調(diào)整的電流正好是電流Iref的倍數(shù)，因為放大器CA1負責使晶體管M10和M20的漏極-源極電壓相等。
如果系統(tǒng)的溫度使得V(T)達到Vref2，那么級PA1趨向減去反射鏡M30-M31上電流Iref的一部分。結(jié)果，充電電流小于其額定值并且它將自己確定在根據(jù)下列等式平衡設備的溫度Tj的值上Tj＝Tamb+(Vin-Vout)×Iout×θ其中Tamb是系統(tǒng)外部的溫度，Iout是充電電流并且θ是設備的封裝(package)的熱電阻。
溫度回路由于封裝的反應時間而動態(tài)變慢，該回路差不多在起點上具有主電極(dominating pole)并且沒有必要補償。
當電壓Vout達到參考電壓Vref1時，放大器VA1平衡自身并且NMOS反射鏡晶體管M56-M59趨于減去放大器CA1的偏置電流Ipol，該放大器CA1然后被截止。以這種方式，極VA執(zhí)行輸出的電壓調(diào)整。
調(diào)整回路電流/電壓的補償已經(jīng)通過連接在晶體管M20的柵極端子和漏極端子之間的Miller(米勒)電容器來執(zhí)行。
圖4示出了在電池的充電階段中電壓Vout、輸出電流Iout和溫度Tp的時間圖，輸入電壓Vin＝5V并且外部溫度為25℃。充電電流被編程設為0.5A。由規(guī)范設置的最大結(jié)溫度是Tj＝120℃。在這種情況下，可以看出系統(tǒng)的溫度較低并且因此充電電流等于那個編程設置的電流。在電壓調(diào)整中，充電電流減小直到它耗盡自己并且電池上的調(diào)整電壓按照規(guī)范是4.1V。
圖5示出了在電流調(diào)整期間電池的充電電流Iout的放大。突出顯示了0.2％的極好精度。
圖6示出了當Vin＝12V并且外部溫度為25℃時在電池的充電階段中電壓Vout、輸出電流Iout和溫度Tp的時間圖。如前所述，該電流被編程設為0.5A。在這種情況下，設備的溫度被調(diào)整為120℃，減小充電電流到約0.24A。
權利要求
1.一種適合于充電電池的設備，該設備包括至少一個第一晶體管(M10)和第二晶體管(M20)，所述晶體管(M10，M20)連接到輸入電壓(Vin)并且具有輸出端子，所述第一晶體管(M10)的輸出端子連接到所述電池(LOAD)，所述設備包括用于驅(qū)動所述晶體管(M10，M20)的電路(100)，所述驅(qū)動電路(100)包括適合于在所述電池(LOAD)的充電階段期間調(diào)整所述電池中的電流(Iout)的第一裝置(CA1)，其特征在于所述第一裝置(CA1)適合于在所述電池(LOAD)的充電階段期間保持所述晶體管(M10，M20)的輸出端子上的電壓相同。
2.根據(jù)權利要求1的設備，其特征在于所述第一裝置(CA1)包括具有連接到所述晶體管(M10，M20)的輸出端子的反相和非反相輸入端子的運算放大器，所述運算放大器適合于驅(qū)動所述晶體管(M10，M20)來提供恒定電流給所述電池(LOAD)。
3.根據(jù)以上任一權利要求的設備，其特征在于所述驅(qū)動電路(100)包括適合于當所述電池的電壓達到參考電壓(Vref)時調(diào)整所述電池的電壓(Vout)的另一裝置(VA1)。
4.根據(jù)以上任一權利要求的設備，其特征在于所述另一裝置(VA1)適合于當電池的電壓(Vout)達到所述參考電壓(Vref)時截止所述第一裝置(CA1)。
5.根據(jù)以上任一權利要求的設備，其特征在于所述驅(qū)動電路(100)包括連接到所述第二晶體管(M20)的輸出端子并且適合于設置流過所述第二開關裝置的電流的第二裝置(M30-M31，Iref，PA1)。
6.根據(jù)權利要求5的設備，其特征在于所述第二裝置(M30-M31，Iref，PA1)包括適合于改變在設備溫度函數(shù)中在所述第二晶體管(M20)上的電流(I30)的裝置(PA1)。
7.根據(jù)權利要求6的設備，其特征在于所述第二裝置(M30-M31，Iref，PA1)包括電流發(fā)生器(Iref)、對溫度敏感并且適合于產(chǎn)生設備溫度函數(shù)中的電壓(V(T))的裝置(2)、以及適合于比較由所述敏感裝置產(chǎn)生的電壓(V(T))與另一參考電壓(Vref2)并且改變在所述比較函數(shù)中在所述第二晶體管(M20)上的電流(I30)的裝置(PA1)。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種適合于充電電池的設備，該設備包括至少一個第一晶體管(M10)和第二晶體管(M20)。所述晶體管(M10，M20)連接到輸入電壓(Vin)并且具有輸出端子，所述第一晶體管(M10)的輸出端子連接到所述電池(LOAD)。所述設備包括用于驅(qū)動所述晶體管(M10，M20)的電路(100)，并且所述驅(qū)動電路(100)包括適合于在所述電池(LOAD)的充電階段期間調(diào)整所述電池中的電流(Iout)的第一裝置(CA1)。所述第一裝置(CA1)適合于在所述電池(LOAD)的充電階段期間保持所述晶體管(M10，M20)的輸出端子上的電壓相同。
文檔編號H02J7/00GK101052932SQ200580037255
公開日2007年10月10日 申請日期2005年10月18日 優(yōu)先權日2004年10月28日
發(fā)明者A·德阿里戈, F·馬里諾 申請人:意法半導體股份有限公司