充电装置及其充电控制电路与充电控制方法与流程

本发明涉及一种充电装置，特别是指一种具有多阶段定电流充电的充电装置。本发明也涉及用于充电装置中的充电控制电路以及充电控制方法。

背景技术：

图1显示一种现有技术充电方法的波形示意图，其以多阶段的恒定电流对一电池充电，在每次电池电压(vbat0)上升到一恒定电压时，将充电电流(icharge)调小一个档位，并以该调小过后的电流重新进入恒定电流充电，如此重复，直到充电电流调至一预设的最小档位为止。

图2显示一种对应于图1现有技术的充电方法的的充电装置(充电装置1)方块图，其具有一充电电路、一电池以及一负载，其中充电电路的输出电流idc同时供应电池的充电电流ibat以及负载电流iload，亦即，ibat＝idc-iload。图3显示对应于图1现有技术的波形示意图。如图3所示，当例如但不限于负载电流iload相对而言较高时，电池所得到的充电电流ibat与充电电路的输出电流idc之间具有一定的落差，而造成实际的充电电流ibat变小，而使电池电压vbat0造成一额外的压降(drop)，如图3的t1时点。图1中所示的现有技术的缺点在于，其充电电流仅单向地向下调整，在例如但不限于上述情况所造成的额外的压降下，本现有技术充电时间因而延长了。

本发明相较于图1的现有技术，具有可适应性调整的多阶段恒定充电电流，可于恒定电流充电下，当电池电压过低时，适应性地调整恒定电流位准，可较佳地缩短充电时间。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺陷，提出一种充电装置及其充电控制电路与充电控制方法，具有可适应性调整的多阶段恒定充电电流，可于恒定电流充电下，当电池电压过低时，适应性地调整恒定电流位准，可较佳地缩短充电时间。

为达上述目的，就其中一个观点言，本发明提供了一种充电装置，用以对一电池充电，该充电装置包含：一电源转换电路，用以转换一输入电源而产生一直流输出电源，用以对该电池充电，其中该直流输出电源包括一直流输出电压以及一直流输出电流，且该电池具有一电压；以及一充电控制电路，包括：一第一比较电路，将该直流输出电压或该电池电压与一第一参考电压阈值相比较而产生第一比较结果；一第二比较电路，将该直流输出电压或该电池电压与一第二参考电压阈值相比较而产生第二比较结果；以及一转换控制电路，产生一转换控制讯号，用以控制该电源转换电路，以该直流输出电流对该电池进行充电；其中该转换控制电路根据该第一比较结果，当该电池电压或该直流输出电压上升至第一参考电压阈值时，控制该电源转换电路将该直流输出电流调降一电流下调级距而产生一调降后电流位准，以该调降后电流位准对该电池进行定电流充电；其中该转换控制电路根据该第二比较结果，当该电池电压或该直流输出电压下降至该第二参考电压阈值时，控制该电源转换电路将该直流输出电流调升一电流上调级距而产生一调升后电流位准，以该调升后电流位准对该电池进行定电流充电。

在一较佳实施例中，该充电控制电路还包含一第三比较器，将该直流输出电流与一参考电流阈值相比较而产生第三比较结果；其中该转换控制电路根据第三比较结果，当该电池电压或该直流输出电流调降至小于该参考电流阈值时，控制该电源转换电路使其以一固定的目标电压对该电池进行定电压充电。

在一较佳实施例中，该充电控制电路还包含一电流级距决定电路，根据该直流输出电压低于该第二参考电压阈值的差值而决定该电流上调级距。

在一较佳实施例中，该充电控制电路还包含一电流级距决定电路，根据一负载电流而决定该电流上调级距。

在一较佳实施例中，该充电控制电路还包含一电流级距决定电路，根据该电池电流而决定该电流上调级距。

在一较佳实施例中，该电流上调级距不大于该电流下调级距。

在一较佳实施例中，充电装置还包括：一缆线，耦接于该电源转换电路，其中该直流输出电源耦接于该缆线的一电源线；以及一第一连接器，用以耦接该电池于该电源线。

在一较佳实施例中，充电装置还包括：一第二连接器，用以耦接该直流输出电源于该电源线。

在一较佳实施例中，充电装置还包括：一开关，用以控制该直流输出电源与该电源线的连接；其中该充电控制电路还包括一开关控制电路，于一直接充电模式时，控制使该开关导通，使该直流输出电源对该电池充电。

在一较佳实施例中，该开关控制电路根据该电池电压或该直流输出电压而决定是否进入该直接充电模式。

在一较佳实施例中，该缆线为通用串行总线或通用串行总线供电缆线(usborusbpdcable)；该电源线提供通用串行总线或通用串行总线供电电压(vbusofusborusbpd)；且该第一连接器与第二连接器为通用串行总线或通用串行总线供电连接器(usborusbpdconnector)。

为达上述目的，就另一个观点言，本发明提供了一种用以控制一充电装置对一电池充电的充电控制电路，其中该充电装置包含：一电源转换电路，用以转换一输入电源而产生一直流输出电源，以对该电池充电，其中该直流输出电源包括一直流输出电压以及一直流输出电流，且该电池具有一电压；该充电控制电路包括：一第一比较电路，将该直流输出电压或该电池电压与一第一参考电压阈值相比较而产生第一比较结果；一第二比较电路，将该直流输出电压或该电池电压与一第二参考电压阈值相比较而产生第二比较结果；以及一转换控制电路，产生一转换控制讯号，用以控制该电源转换电路，以该直流输出电流对该电池进行充电；其中该转换控制电路根据该第一比较结果，当该电池电压或该直流输出电压上升至第一参考电压阈值时，控制该电源转换电路将该直流输出电流调降一电流下调级距而产生一调降后电流位准，以该调降后电流位准对该电池进行定电流充电；其中该转换控制电路根据该第二比较结果，当该电池电压或该直流输出电压下降至该第二参考电压阈值时，控制该电源转换电路将该直流输出电流调升一电流上调级距而产生一调升后电流位准，以该调升后电流位准对该电池进行定电流充电。

为达上述目的，就另一个观点言，本发明提供了一种充电控制方法，包含：步骤s1：控制一电源转换电路，以提供一直流输出电流对一电池进行充电；步骤s2：侦测该电源转换电路的输出电压或该电池电压，当该输出电压或该电池电压上升至第一参考电压阈值时，控制将该直流输出电流调降一电流下调级距而产生一调降后电流位准，以该调降后电流位准对该电池进行定电流充电；以及步骤s3：当该输出电压或该电池电压下降至第二参考电压阈值时，控制将该直流输出电流调升一电流上调级距而产生一调升后电流位准，以该调升后电流位准对该电池进行定电流充电。

在一较佳实施例中，该充电控制方法还包含：重复步骤s2及/或步骤s3，直到该直流输出电流调降至小于一参考电流阈值为止。

在一较佳实施例中，该充电控制方法还包含：当该直流输出电流调降至小于该参考电流阈值后，控制该电源转换电路使其以一固定的目标电压对该电池进行定电压充电。

在一较佳实施例中，步骤s3还包含：根据该输出电压或该电池电压低于该第二参考电压阈值的差值，而决定该电流上调级距。

在一较佳实施例中，该电流上调级距不大于该电流下调级距。

以下通过具体实施例详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。

附图说明

图1显示一种现有技术充电方法的波形示意图；

图2显示一种对应于图1现有技术的充电方法的充电装置方块图；

图3显示一种现有技术充电方法的波形示意图；

图4a显示本发明的充电装置的一实施例方块图；

图4b、4c显示电流级距决定电路的另两个实施例；

图5显示对应于图4a本发明充电装置的充电波形示意图；

图6显示本发明的充电装置的一实施例方块图；

图7显示本发明的充电装置的一实施例方块图；

图8显示本发明的充电装置的一实施例方块图。

图中符号说明

1,2,3,4,5充电装置

9受电方

20电池

201储能核心

30电源转换电路

40负载

50充电控制电路

51,52,55比较电路

53转换控制电路

54级距决定电路

56开关控制电路

60缆线

61电源线

62资料线

70连接器

80连接器

90开关

cp1,cp2,cp3比较结果

ctrl转换控制讯号

ibat电池电流

icharge充电电流

idc直流输出电流

idc1-idc5电流位准

iload负载电流

istp1电流上调级距

istp2电流下调级距

ith参考电流阈值

rc充电寄生电阻

ri电池内阻

t0-t6时点

vbat电池内电压

vbats电池电压

vbat0电池电压

vbus直流输出电压

vc开关控制讯号

vin输入电源

vth1,vth2参考电压阈值

具体实施方式

图4a显示本发明的充电装置的一实施例方块图(充电装置2)，充电装置2包含：电源转换电路30以及充电控制电路50，用以对电池20充电，其中电池20例如但不限于可为一独立的电池、或一电池组(batterypack)，电池20包括储能核心201以及可视为等效还包含一电池内阻ri(此电子内阻ri例如但不限于对应于独立电池的本身内电阻，或电池组的本身内电阻，或再加上电流感测电阻的阻值等)。充电时，电池20具有一电池电流ibat、一对外端电压(下称电池电压)vbats、且其储能核心201具有一跨压(下称电池内电压vbat)；此外，图4a中也显示：介于直流输出电压vbus与电池电压vbats间有一充电寄生电阻rc，此充电寄生电阻rc例如但不限于可等效表示充电路径上如导线、连接器或开关等造成的寄生电阻。

电源转换电路30用以转换一输入电源vin(可为一直流电源或一交流电源)而产生一直流输出电源，用以对电池20充电，其中直流输出电源包括一直流输出电压vbus以及一直流输出电流idc。充电控制电路50包括：第一比较电路51、第二比较电路52以及转换控制电路53；其中第一比较电路51，将电池电压vbats与第一参考电压阈值vth1相比较而产生第一比较结果cp1；第二比较电路52，将电池电压vbats与第二参考电压阈值vth2相比较而产生第二比较结果cp2；转换控制电路53，根据电池电压vbats产生转换控制讯号ctrl，用以控制电源转换电路30，以直流输出电流idc对该电池20进行多阶段定电流充电。转换控制讯号ctrl，例如但不限于可决定直流输出电压vbus、电池电压vbats、电池内电压vbat、直流输出电流idc及/或电池电流ibat的目标值。

详言之，转换控制电路53根据该第一比较结果cp1，当电池电压vbats上升至第一参考电压阈值vth1时，控制电源转换电路30将直流输出电流idc调降一电流下调级距istp1而产生一调降后电流位准，以该调降后电流位准对电池20进行定电流充电；又，转换控制电路53根据第二比较结果cp2，当电池电压vbats下降至低于第二参考电压阈值vth2时，将直流输出电流idc调升一电流上调级距istp2而产生一调升后电流位准，以该调升后电流位准对电池20进行定电流充电。(容后参阅图5做更详细的说明)

在一实施例中，充电装置2仅对电池20充电而未与其他用电装置电连接，在此情况下，直流输出电流idc大致上等于电池电流ibat。在另一实施例中，电池20与一负载40互相耦接(参阅图4a)，在此情况下，直流输出电流idc等于电池电流ibat加上负载电流iload，亦即，ibat＝idc-iload。当发生负载40耗电量较大，使得负载电流iload相对而言较大的情形下，电池20所得到的充电电流ibat与充电电路30的直流输出电流idc之间会有一定的落差，而造成实际的充电电流ibat比idc小，并使电池电压vbats造成一额外的压降，因此将延长充电的时间。而本发明的充电装置，可以通过侦测电池电压vbats，适应性地调升直流输出电流idc，藉以补偿例如但不限于负载电流iload上升而造成电池电压vbats下降等效应，因而可有效地缩短充电时间。

图5显示对应于图4a本发明充电装置的充电波形示意图。时点t0起至时点t1之前，电源转换电路30以idc1的位准对电池20进行定电流充电；于时点t1时，电池电压vbats上升至第一参考电压阈值vth1，直流输出电流idc调降一电流下调级距istp1而产生一调降后电流位准idc2，于时点t1起至时点t2之前，以idc2的位准对电池20进行定电流充电；于时点t2时，电池电压vbats经过idc2定电流充电后，再度上升至第一参考电压阈值vth1，直流输出电流idc再度调降一电流下调级距istp1而产生一调降后电流位准idc3，于时点t2起至时点t3之前，以idc3的位准对电池20进行定电流充电；于时点t3时，由于例如但不限于负载电流iload大幅上升的原因，而造成电池电压vbats下降至低于第二参考电压阈值vth2，于是直流输出电流idc调升一电流上调级距istp2而产生一调升后电流位准idc4，于时点t4起至时点t5之前，以idc4的位准对电池20进行定电流充电。

图5中，根据时点t3至t4的电压上升斜率，可得出一延伸虚线箭号，这表示如果持续以idc3的位准对电池20进行定电流充电，将需要相当长的时间才会使电池电压vbats上升至第一参考电压阈值vth1，但本发明将直流输出电流idc调升一电流上调级距istp2，而根据调升后的电流位准idc4对电池20进行定电流充电，可大幅缩短充电时间。

需说明的是：在以上实施例中，是根据电池电压vbats来进行判断，但在可以忽略、或是可以得知充电路径上或是电池本身的寄生电阻(亦即，图4a中的rc或ri)的情况下，电池电压vbats、直流输出电压vbus与电池内电压vbat三者大致上相等或是具有已知的关系，因此，本发明的充电装置亦可通过侦测直流输出电压vbus或电池内电压vbat而决定调升直流输出电流idc，下同；举例而言，图4a中，电路51、52、54亦可以、或可视为耦接于寄生电阻rc的左端而非右端。亦即，电池电压无论是根据电池电压vbats、直流输出电压vbus或是根据电池内电压vbat，都可以达成本发明的控制目的，因此在大多数情况下，以上三者应视为等效，下同。

需说明的是，前述的电流下调级距istp1，可为一固定值，或为一可调整的可变动值，例如由idc1调降至idc2时的电流下调级距istp1，与由idc2调降至idc3时的电流下调级距istp1可为不同的位准。

前述的电流上调级距istp2，可为一固定值，或为一可调整的可变动值；请继续参阅图4a，在一实施例中，该充电控制电路50还包含一电流级距决定电路54，根据该电池电压vbats(或该直流输出电压vbus)低于该第二参考电压阈值vth2的差值而决定该电流上调级距istp2。在一实施例中，该级距决定电路54，可根据该电池电流ibat而决定该电流上调级距istp2(参阅图4b)。在一实施例中，该级距决定电路54，可根据该负载电流iload而决定该电流上调级距istp2(参阅图4c)。此外，为了避免电池电压在充电时具有太多的虚高的成分，在一实施例中，电流上调级距istp2较佳宜不大于电流下调级距istp1。

在一实施例中，充电控制电路50还包含一第三比较电路55，将直流输出电流idc与一参考电流阈值ith相比较、或是将直流输出电流idc与参考电流阈值ith加上电流下调级距istp1相比较，而产生第三比较结果cp3。充电控制电路50根据第三比较结果cp3，而决定是否脱离定电流充电模式(即，直接充电模式directchargemode)而改以定电压方式进行充电。在将直流输出电流idc与参考电流阈值ith相比较的实施例中，当直流输出电流idc小于参考电流阈值ith时，或是在将直流输出电流idc与参考电流阈值ith加上电流下调级距istp1相比较的实施例中，当直流输出电流idc经过再一次的调降后会小于参考电流阈值ith时(例如但不限于图5中时点t6前的idc5)，则转换控制电路53根据第三比较结果cp3，可参考或不参考当时的电池电压vbats，而决定一固定的充电电压位准(例如但不限于图5中时点t6时的vth1)，且控制该电源转换电路30使其以该固定的充电电压位准对电池20进行定电压充电。

请参阅图6，在一实施例中，本发明的充电装置(充电装置3)为可分离的装置，例如但不限于一旅行充电器(对应于图6的电源转换电路30)，可与一智能型手机的电池(对应于图6的电池20)或是一独立的电池(对应于图6的电池20)连接充电，如图所示，充电装置3还包含一缆线60(例如但不限于usb或usbpd的缆线，其中所述的usb指universalserialbus，即通用串行总线规范，usbpd指universalserialbuspowerdelivery，即通用串行总线供电规范，下同)以及第一连接器70，其中直流输出电源耦接于缆线60的正负电源线61的第一端，而电源线61的第二端通过第一连接器70耦接于电池20。此外，旅行充电器和受电方9还可以通过缆线60中的数据线62(图中简化为一条，可为多条)来彼此沟通。

请参阅图7，在一实施例中，本发明的充电装置(充电装置4)的缆线为可分离的缆线，本实施例中，充电装置4还包括第二连接器80，用以将电源转换电路30耦接至该缆线60，其中该直流输出电源通过连接器80而耦接于电源线61。

请参阅图8，在一实施例中，本发明的充电装置(充电装置5)还包括一开关90，其中开关90的第一端耦接于电源转换电路30，其第二端通过连接器80耦接于电源线61，开关90根据一开关控制讯号vc的控制，于一直接充电模式时(例如对应于图5的时点t0至t6间的直接充电模式时段)导通，使该直流输出电源对该电池20充电。在一实施例中，本发明充电装置中的充电控制电路(如图8的充电控制电路50)还包括一开关控制电路56，其中开关控制电路56根据电池电压vbats或直流输出电压vbus而决定是否进入该直接充电模式。在一实施例中，本发明充电装置在非直接充电模式下，该开关90为不导通，其中该电源转换电路30可设定为一般电源转换模式，在此情况下，直流输出电压vbus可为例如但不限于输出usb的标准电压如5v或20v，而与电池电压vbats无关；在此情况下，在一实施例中，本发明充电装置可还包括一行动端充电单元(未示出)，其可转换直流输出电压vbus而输出一第二输出电源(未示出)，用以对其他装置充电或供电。

请参阅图4a与5，本发明提供一种用以控制一充电装置(例如但不限于图4a的充电装置2)的充电控制方法，以对一电池20进行充电，其中该充电装置包含一电源转换电路30。在充电过程中，电池20具有一电池电流ibat以及一电池电压vbats。电源转换电路30转换一输入电源vin而产生一直流输出电源，以对电池20充电，其中该直流输出电源包括一直流输出电压vbus以及一直流输出电流idc。所述的充电控制方法的步骤包含：

s1：控制该电源转换电路30，以该直流输出电流idc对该电池20进行定电流充电；步骤s1例如对应于图5中，时点t0起至时点t1，以idc1的位准进行定电流充电；

s2：侦测该直流输出电压vbus或该电池电压vbats，当该直流输出电压vbus或该电池电压vbats上升至第一参考电压阈值vth1时(例如但不限于图5中的时点t1)，控制将该直流输出电流idc调降一电流下调级距istp1而产生一调降后电流位准，以该调降后电流位准对该电池20进行定电流充电(例如但不限于图5中时点t1起至时点t2，直流输出电流idc的位准由idc1调降istp1至idc2)；

s3：侦测该直流输出电压vbus或该电池电压vbats，当该直流输出电压vbus或该电池电压vbats下降至低于第二参考电压阈值vth2时(例如但不限于图5中的时点t3附近)，将该直流输出电流idc调升一电流上调级距istp2而产生一调升后电流位准，以该调升后电流位准对该电池20进行定电流充电(例如但不限于图5中时点t4起至时点t5，直流输出电流idc的位准由idc3调升istp2至idc4)。

视电池20的充电状况而定，充电控制方法可以重复以上步骤s2及/或s3，直到直流输出电流idc调降至小于一参考电流阈值(例如但不限于图4a与图5中的ith、或ith+istp1)为止。之后，可以脱离直接充电模式，而控制电源转换电路30使其以该固定的充电电压位准对电池20进行定电压充电(例如但不限于图5中时点t6之后)。

以上已针对较佳实施例来说明本发明，以上所，仅为使本领域技术人员易于了解本发明的内容，并非用来限定本发明的权利范围。所说明的各个实施例，并不限于单独应用，亦可以组合应用；举其中一例，对电池20以“直接充电模式”充电，和对其他装置充电或供电，可以同时进行。此外，本发明亦不限于在直流输出电流idc调降至小于一参考电流阈值之后，才进行定电压充电，而可在任何时候安排进行定电压充电。在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以思及各种等效变化以及各种组合，举例而言，前述的实施例中，充电控制电路是根据电池电压vbats或直流输出电流idc而产生转换控制讯号ctrl，用以控制电源转换电路的各种操作模式，然其亦可根据直流输出电压vbus或电池电流ibat而产生转换控制讯号ctrl，用以控制电源转换电路。又例如，本发明所称“根据某讯号进行处理或运算或产生某输出结果”，不限于根据该讯号(例如但不限于前述实施例中的直流输出电压vbus、电池电压vbats、直流输出电流idc或电池电流ibat)的本身，亦包含于必要时，将该讯号进行电压电流转换、电流电压转换、及/或比例转换等，之后根据转换后的讯号进行处理或运算产生某输出结果。由此可知，在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以思及各种等效变化以及各种组合，其组合方式甚多，在此不一一列举说明。因此，本发明的范围应涵盖上述及其他所有等效变化。