专利名称：给电池充电的系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电池管理领域，更具体的是涉及支持便携式设备的电池管理集成电路领域。特别的，本实用新型涉及一种便携式设备的低噪声充电系统。
背景技术：
通常，从外部AC-DC适配器开始，给锂离子电池和镍镉电池充电的充电器集成电路有很多。其中大多采用外部功率晶体管给电池组提供充电电流，这将占据PCB(印刷电路板)大块面积。
一种很普遍的方法是采用线性充电器，提供有限的恒定电压电流给电池组充电。其主要的缺陷在于来自电源的串联调节器需消耗大量功率。这就意味着要使用大功率晶体管，但因其尺寸大且占据了PCB的有限空间，在便携式设备中并不是首选。
另外一些其他的解决方法利用一个外部晶体管的闭合和断开，由一个微处理器和附加电路控制，从而测量电池电压。但缺陷在于成本高以及占据PCB大块面积。还有一些方法采用DC-DC降压型转换器给电池充电。该方法的缺陷在于充电过程中系统会产生高噪声、成本高、以及为符合EMI规定而需采用专用机械附件。采用较便宜的磁滞充电器的缺陷在于充电结束时会产生高噪声。这就干扰了无线便携式设备的正常操作。
因此，需要一种能克服上述缺陷的充电系统或电路。
实用新型内容本实用新型目的在于给便携式设备提供一种低噪声充电系统。特别的，这里详述了提供给单片电池充电器或电源管理单元IC(集成电路)中单独部分的一种系统。本实用新型应用于便携式式电话，无线电话，个人数字助理(PDA)等。
为实现上述目的，本实用新型还提供一种给电池充电的系统，该系统包括一个判定电池的电压是否低于一个第一预定电压的第一比较器；将一个外部电源连接到电池的开关；和一个发出具有多个脉冲信号的定时器。
与现有技术相比，由于本实用新型充电系统在电池电压达到一个预定电压后，就以低频脉冲电流给电池充电以响应定时器发出的多个脉冲信号，由于脉冲频率非常低，从而避免产生噪声并且除去所需的额外过滤，进而避免在便携式装置中产生噪声。
本实用新型的其它特性和优点将在以下详细描述并结合图示的说明中更为明显。
图1所示为根据本实用新型一个实施例中给电池充电的充电系统的框图。
图2a所示为图1充电系统中定时器输出信号的波形图。
图2b所示为图1充电系统中比较电池电压与充电终止电压的比较器的输出波形图。
图2c所示为图1充电系统中启动脉冲充电阶段的或非门的输出波形图。
图2d所示为图1充电系统中D锁存器的输出波形图。
图2e所示为图1充电系统中控制充电开关的或门的输出波形图。
图2f所示为图1充电系统中电池电压的波形图。
图3所示为根据本实用新型一个实施例中给电池充电的方法的框图。
图4所示为根据本实用新型一个实施例中给电池脉冲充电的方法的框图。
具体实施方式
这里将针对本实用新型的优选实施例加以详述，即便携式设备的低噪声充电系统。虽然本实用新型的详述将结合优选实施例，但应当认识到本实用新型并不局限于这些实施例。相反，本实用新型的意旨包括各种替代、修改的等效实施方式，这些如附属权利要求定义的等效实施方式也应包含在本实用新型的精神和范围内。
另外，对于本实用新型的以下详述，阐明的许多特定细节是为了更彻底的理解本实用新型。然而，本领域技术人员应当认识到没有这些特定细节也可以实施本实用新型。其他情况下，熟知的方法、程序、元件和电路在此没有详述，避免使本实用新型特征模糊不清。
图1示出了本实用新型一个实施例的充电系统100。在本实施例中，充电系统100包括一个连接到AC-DC适配器102的充电输入端106和一个连接到电池104的电池端108，使得充电系统100控制电池104的充电进程。虽然以下详述将锂离子电池作为本实用新型电路中电池104，但本实用新型并不受实例的限制。显然，本实用新型并不局限于给锂离子电池充电，本实用新型应当被广泛解释为独立于特定应用中特定电池的一种充电电路。
本实用新型实施例的充电系统100包括一个开关150，该开关150将充电输入端106连接到电池端108，从而启动或停止来自适配器102提供给电池104的充电电压。充电系统100还包括一个旁路开关152，该旁路开关152通过一个电阻154将充电输入端106连接到电池端108，从而形成一个旁路预充电电路。
充电系统100中比较器132的两个输入端分别连接到电池端108和一个具有预定电压或一个下限阈值电压的电压源，如2.5伏电压。当电池104上的电压低于2.5伏，比较器132的输出为高电平或被设置，接着，通过一个反相器或者一个非门156，旁路开关152被启动或闭合，通过两个或门160和164，开关150被禁止或断开。因此，适配器102的电压通过旁路预充电电路被加到电池104，例如通过电阻154，加到电池104的电压通过流经电阻154的电流乘以电阻154的阻值被减小。
本实用新型实施例的充电系统100包括一个比较器134，比较器134的两个输入端分别连接到电池端108和一个预定电压的电压源，例如，锂离子电池适用的4.5伏。当电池104上的电压大于4.5伏，比较器134的输出就为高电平或被设置，接着，通过或门160和164，开关150被禁止。因此，适配器102的电压不会加到电池104，从而防止电池104过度充电。
本实用新型实施例中充电系统100还包括一个比较器136，比较器136的两个输入端分别连接到电池端108和一个预定电压的电压源，例如，锂离子电池适用的4.2伏或4.1伏。充电系统100包括一个D锁存器(D型触发器)120，D锁存器120的数据输入端(D)连接到比较器136的输出端，D锁存器120输出端连接到或门160的输入端。充电系统100中的定时器126连接到D锁存器120的时钟输入端。
本实用新型的该实施例中提供了一个R-S触发器122。R-S触发器122的复位输入和置位输入分别连接到复位逻辑单元128和比较器136的输出端。R-S触发器122的输出连接到一个或非门162。
根据本实用新型的实施例，当电池104通过充电系统100由AC-DC适配器102充电时，电池上的电压被传输到比较器132、134和136，并且R-S触发器122由复位逻辑单元128复位。若电池电压低于2.5伏，如前所述，开关150被断开并且开关152被闭合。旁路预充电电路被启动，以小电流给电池104充电。
若电池上的电压高于2.5伏且低于4.2伏，比较器132、134和136的输出为低电平。那么，D锁存器120的输出为低电平，R-S触发器122的输出为高电平。或非门162的输出为低电平状态。当或门164其他输入都为低电平时，开关150被启动，因此，来自适配器102的电压被加到电池104。在此阶段，以适配器102限制的电流给电池充电，称为恒定电流充电阶段(CC阶段)或称阶段I。一旦电池电压达到充电终止电压，如4.2伏，充电系统100以低频脉冲电流给电池104充电，称为脉冲充电阶段或称阶段II。
图2a-2f示出了本实用新型实施例的充电系统100中的各个设备的波形图。一旦电池104的电压高于4.2伏，如图2a-2f中T1所示，比较器136的输出变为高电平。脉冲充电阶段或称阶段II被启动。R-S触发器122的输出被锁定为低电平，或非门162被启动。或非门162的输出，如图2c所示，与如图2a所示的定时器126的输出脉冲成反相脉冲。脉冲期间，例如，当定时器126输出变为高电平时，或非门162的输出为低电平，开关150被启动。当定时器126输出为低电平，开关150被禁止或断开。充电电流被关闭，适配器102上的电压则不被加到电池104。同时，电池电压下降并低于充电终止电压，如4.2伏。接着，比较器136输出变为低电平，D锁存器输出也变为低电平。脉冲期间，电池104由适配器102限制的短时电流重复地充电。
随着脉冲给电池充电，电池104的电压上升得越来越高，脉冲之间或当开关150断开时，电池电压下降得越来越少，如图2f所示。一定时间后，当开关150被断开时，电池电压下降到一定值。换言之，一定时间后，在定时器126输出的下一个上升沿，电池电压高于充电终止电压，4.2伏，如图2a-2f中的T2时刻。如图2d所示，D锁存器120的输出在定时器126输出脉冲的上升沿变为高电平，从而断开或禁止开关150。适配器102的电压不被加到电池104，充电电流基本为零。
在D锁存器120输出为高电平期间，电池104的电压逐渐下降。一定数量脉冲之后，如图2a-2f中T 3时刻，电池104的电压将低于充电终止电压，如4.2伏，比较器136输出变为低电平。D锁存器120输出仍保持高电平，如图2d所示，直到定时器126变为高电平。接着，D锁存器120输出变为低电平，开关150被启动。电池104由电流脉冲充电从而响应定时器126的输出信号，直到D锁存器120输出再次变为高电平。
或门160连接D锁存器120和或非门162，因此当D锁存器120的输出或者或非门162的输出为高电平时，或门160的输出变为高电平从而断开开关150，如图2e所示。
充电系统100的逻辑单元170中计数器用来测量多少时间或多少脉冲期间D锁存器120的输出为高电平。当D锁存器120在定时器126的预定个数的脉冲期间保持高电平，如在预定时间期间，则电池104视为充分充电，停止充电信号被启动以停止对电池充电。
充电状态由充电系统100中逻辑单元170监控。逻辑单元170的输入连接到定时器126的输出和D锁存器120的输出。通过当前脉冲信号和D锁存器120输出逻辑值，逻辑单元170会输出下列状态AC-DC适配器不存在时为高电平，充电期间高低电平切换，充电结束时为低电平，仅用一个输出管脚来表示三种不同充电状态。
另外，本实用新型实施例中充电系统100包括一个连接到逻辑单元170的双向开关172。当AC-DC适配器102从充电系统100的充电输入端106移开，将一个外部电池驱动设备连接到充电输入端106，充电系统100可将电池104的电能提供给外部电池驱动设备。由于逻辑单元170能够指示充电状态，逻辑单元170还能启动双向开关172，将电池的电能提供给外部电池驱动设备。双向开关设备已在第6,507,173B1号美国专利中公开，该专利转让给与本申请相同的受让人并在此引作参考。
根据本实用新型一个实施例，充电系统100中定时器126的脉冲频率非常低，如1Hz，以避免产生噪声并且除去所需的额外过滤。脉冲的占空比，Ton(脉冲持续时间)/T(脉冲总周期)大约在60％至80％。另外，比较器136无需任何磁滞电压。比较器136产生的任何噪声将由D锁存器120消除，从而避免在便携式装置中产生噪声。
适配器102可提供连续的电压输出。适配器102的连续电压在恒定电流充电阶段或阶段I期间持续地加到电池104，在脉冲充电阶段或阶段II期间间断地加到电池104以响应定时器126的输出脉冲。根据本实用新型实施例，具有间断电压的适配器102还可以通过充电系统100给电池104充电。例如，适配器102提供一个频率在120Hz的半正弦波形输出电压。该间断电压在阶段I期间仍然持续地加到电池104，在阶段II期间间断地加到电池104以响应定时器126的输出脉冲。应当注意，根据本实用新型实施例，具有恒定连续电压或任何其他波形电压(如半正弦波电压、方波电压或三角波电压)都可以用来给电池104充电。
另外，本实用新型实施例中充电系统100与具有脉冲输出电压的AC-DC适配器和具有连续输出电压的AC-DC适配器均可一同工作。即使AC-DC适配器的输出电压为脉冲，如频率高于50Hz的脉冲，充电系统100也指示存在AC-DC适配器。平均充电电流可用下式表示IAVE(平均充电电流)＝Ton/T(占空比)×Imax(最大充电电流)，若Ton/T＝0.8，IAVE＝0.8Imax。同样的，例如，若电池容量为650mAh，在额定电流(1C)下充电(IMAX＝650mA)，每个脉冲给电池充电0.144mAh(0.022％C)避免当Ton/T＝0.8时过度充电。
另外，本实用新型实施例中充电系统100可在管脚有限的集成电路(IC)芯片或组件中制成。该IC组件尺寸较小适合放置在便携式电子设备中，例如数码相机、便携式电话和个人数字助理。
图3示出了本实用新型实施例中给电池充电的方法200。在步骤210，准备一个需要充电的电池。在步骤212，测量电池电压。若测出的电池电压低于一个下限阈值电压，如2.5伏，则执行步骤220。若测出的电池电压高于一个过度充电电压，如4.5伏，则执行步骤240以便停止给电池充电。在步骤220，电池被预充电。以相对较小电流给电池充电，接着执行步骤212。若测出的电池电压高于下限阈值电压并且低于过度充电电压，则执行步骤214。
在步骤214，测出的电池电压与一个预定电压或一个充电终止电压相比较，如锂离子电池适用的4.2伏。若测出的电池电压高于充电终止电压，则执行步骤218。若测出的电池电压低于充电终止电压，则执行步骤216。在步骤216，电池将在阶段I充电，且被充电到一个预定电压，如4.2伏。即，以恒定电流给电池充电直到测出的电池电压高于充电终止电压。该步骤期间，当存在充电电流时测量电池电压。当测出的电池电压高于充电终止电压，则执行步骤218。
在步骤218，电池在阶段II被充电，并且一个脉冲电流被加到电池。图4示出了本实用新型实施例中步骤218的流程图。在步骤218中的步骤310，测出的电池电压与充电终止电压相比较，步骤312将被执行。根据本实用新型一个实施例，在步骤310产生一个周期信号。计算周期信号周期的数值(在下文中描述)被归零。在步骤312，发出一个电压脉冲给电池充电。根据本实用新型一个实施例，可以闭合一个开关将电压加到电池，接着断开开关停止给电池充电，这样就发出一个电压脉冲给电池充电。
在步骤314，电压脉冲过后，如断开开关之后，测量电池电压。应当认识到，当充电电流基本为零时测量电池电压。若测出的电池电压低于充电终止电压，则再执行步骤312，例如发出另一个电压脉冲给电池充电。重复执行步骤312和步骤314直到测出的电池电压高于充电终止电压。接着在步骤316，在一定时间段(如2秒)后，测量电池电压。若测出的电池电压低于充电终止电压，则再执行步骤312。若测出的电池电压高于充电终止电压，则执行步骤318。根据本实用新型一个实施例，在步骤316，等周期信号经过一个周期后，测量电池电压。若测出电压高于充电终止电压，计算周期信号周期的数值加一。若测出电压低于充电终止电压，计算周期信号周期的数值归零。
在步骤318，测出的高于充电终止电压的电池电压的长度或时间被测量。若测出的时间长度比预定的时间周期(如20秒)短，则再执行步骤316。若测出的时间长度比预定的时间周期(如20秒)长，则认为电池已完全充电，步骤318执行完毕，并执行步骤240停止给电池充电。根据本实用新型实施例，在步骤318，计算周期信号周期的数值与一个预定数值(如10)相比较。若计数小于预定数值，再执行步骤316。若计数大于预定数值，则执行步骤240停止给电池充电。应理解，计算周期信号周期的数值表示测出的电池电压高出充电终止电压的时间。
虽然之前的描述以及附图说明了本实用新型的优选实施例，但应认识到，还存在并不脱离本实用新型精神范围本质的各种添加、修改及代替，如附属权利要求的定义。本领域技术人员应理解，许多形式、结构、排列、比例、材料、元件、组件或其他方面经修改也可用于本实用新型，尤其适用在特定环境下和特定操作需要时实施本实用新型，这些都不脱离本实用新型的实质。因此，这里揭示的实施例应作为本实用新型范围所有方面的说明，而不是限制性的，本实用新型由附属的权利要求及其合法的等效物表示，并不局限于之前的描述。
权利要求1.一种给电池充电的系统，其特征在于，包括一个判定电池的电压是否低于一个第一预定电压的第一比较器；将一个外部电源连接到电池的开关；和一个发出具有多个脉冲信号的定时器；所述开关被启动直到电池电压高于所述第一预定电压，接着开关响应所述脉冲信号而被启动。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述脉冲占空比约为60％至80％。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述脉冲信号是周期性的。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括一个判定电池电压是否低于一个第二预定电压的第二比较器；和一个当电池电压低于第二预定电压时给电池充电的预充电器。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括一个判定电池电压是否高于一个第三预定电压的第三比较器；和一个当电池电压高于第三预定电压时断开所述开关以防止电池过度充电的停止设备。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括一个进一步闭合和断开开关以控制电池放电的放电逻辑单元。
7.根据权利要求1所述的系统，进一步包括一个表明电池电压是否超过预定电压的设备。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括一个在一定时间周期存储脉冲间电池电压的存储设备。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，进一步包括一个连接到所述定时器和所述存储设备表明系统状态的状态设备。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括一个当外部电源从开关移出且一个外部电池驱动设备连接到开关时启动开关的双向控制器。
专利摘要本实用新型公开了一种给电池充电的系统，该系统包括一个判定电池的电压是否低于一个第一预定电压的第一比较器；将一个外部电源连接到电池的开关；和一个发出具有多个脉冲信号的定时器。
文档编号H02H7/18GK2891441SQ200520142280
公开日2007年4月18日 申请日期2005年12月1日 优先权日2005年4月25日
发明者康斯坦丁·史匹登 申请人:美国凹凸微系有限公司