专利名称：用于电池供电的系统的功率管理电路及方法
技术领域：
本公开一般地涉及电池供电的系统中的功率管理，输入电流在这些系统中被提供用来既对负载供电又对电池充电，尤其涉及在这样的系统中提供输入电流来既对负载供电又对电池充电，输入电流在这些系统中受到比如来自USB端口的约束。
背景技术：
在电池供电的系统中，比如膝上型计算机、PDA、MP3播放器等等，输入电流源提供电流以对其应用供电，同时对电池充电。接收比如可能从墙壁插座(“壁式(wall wart)”)获得的无限制输入电流源的功率管理系统一般实施充电定时器，该充电定时器被编程到规定的固定时间量，该时间量由设计者根据充电电流和电池容量来设定。此设计在无限制的电流源系统中一直是合适的，因为充电电流量值在整个充电周期中维持恒定，直至充电器在电池接近完全充电时进入电压模式充电为止。
然而，在从电流受约束的源接收功率的充电器中，比如同时对应用负载供电的USB端口，可用于对电池充电的电流量值可能与编程不一样。在此情况下，电池充电电流将小于编程的量值，从而该负载接收足够电流用于对负载供电，而在不超过USB端口的电流容量。当电池未接收其完全充电电流时，固定期间定时器将趋向于在电池被完全充电之前超时。
理想的是实施可变定时(timing)，以便在充电电流有减小时增加电池充电的期间，从而确保电池将实现完全充电。然而，当电池处在其恒定电压充电模式时，应当维持固定期间充电。
发明内容
在包括电池供电的应用的功率管理系统中，其中输入电压被作为电流源(其可以是电流受约束的源，比如USB端口)提供给电池用于对电池充电以及还提供给负载用于对应用供电，可用于对电池充电的电流量值依据负载所需的电流量而变化。按照本公开的一个方面，电池充电电流是在基于电池充电电流量值的期间期间被提供到电池。例如，较小量值的充电电流在较长的时间期间被施加到电池以确保完全充电。
电池充电电流的量值是通过监视取决于电池类型和特性的编程电池充电电流与由负载使用的电流量值之差来确定。
按照本公开的另一方面，当充电电流随着电池接近完全充电而开始回落时，由于电压模式充电造成的电池充电电流的任何变化被检测，以及响应地，充电期间被设为取决于电池类型的规定充电期间。
在本公开的一个实施例中，该系统包括输入电流源，用于向电池和负载提供输入电流；负载电流监视器电路，用于确定负载电流量值；以及可变期间定时器。耦合于定时器的充电电路在由定时器确定的充电期间对电流提供给电流进行控制，响应于负载电流量值的控制电路控制定时器期间。
充电电路可耦合于负载电流监视器电路，配置为按照(a)取决于电池类型和特性的编程量值的充电电流与(b)负载电流之差来控制电池电流的量值。
该系统可包括充电模式检测器电路，耦合于电池和参考电压源，用于检测电池的电压模式充电。响应地，检测器将定时器的充电期间设为规定的固定充电期间。
对于本领域的技术人员，从以下的详细描述中，本公开的附加方面和优点将容易地变得明显，其中简单地通过为实施本公开而构思的最佳模式的说明，仅示出和描述了本公开的示范实施例。如将认识到的，本公开可有其他和不同实施例，其若干细节可在各种明显的方面进行修改，它们都未脱离本公开。因此附图和描述应当视为在本质上是说明性的而非限制性的。
图1是示出了这里所公开的系统进行操作时的环境的框图。
图2是示出了按照本公开的功率管理系统的概括框图。
图3是示出了本系统的示范实施的更详细的电路图。
具体实施例方式
参照图1，绘出了功率管理系统10，其中USB端口(Iin)和电池B协同地对应用负载(Iout)供电。当电池被至少部分地放电时，USB端口对负载也给电池提供电流。功率管理系统10在电池与负载之间策略地分摊USB电流，从而不超过端口的最大电流容量。USB端口是电流受约束的源，其具有由一个或多个相关通用串行总线标准规定的最大电流输送能力，例如通用串行总线修订版2.0规范(Universal Serial Bus Revision 2.0Specification)。按照此公开，功率管理系统10还控制电池充电的时间期间。也就是，当负载电流增加以及电池充电电流的数量减小，以将USB电流限制为其规定的最大电流时，电池被充电更长期间，以确保电池达到完全充电，而不是处于恒定电流充电模式中。
在图2中，可看到功率管理电路10包括四个功能块电池充电器电路12、充电电流程序电路14、负载电流监视器16和自适应定时器电路18。电池充电器电路12是恒定电流、恒定电压锂离子电池充电器，其最初以编程的恒定电流ICHG对电池B充电，其量值由电池充电电流程序电路14按照电池的定额(rating)来控制。当电池变为完全充电或接近完全充电时，充电器12操作于减小电流的恒定电压模式中，以维持该电池为完全充电。
处于恒定电流模式中的充电器电路12对电池施加电流的时间期间是由自适应定时器18控制。如前所述，在无限制的电流供应系统中，定时器18常规地已被设于固定时间期间，通常通过以预定的固定速率来运行定时器，其取决于电池特性。然而按照此公开，由于电流的提供受到约束，该定时器期间在恒定电流模式充电期间是变化的，以解决由于负载对电流的要求而减小提供到电池的电流，从而充电时间被相当地增加。现在将参照图3更具体地描述该系统。
在图3中，所示电池充电器电路12包括晶体管对15，其制作为(size)分别导通比率1/1000的电流(对于此例)。晶体管15b的输出(漏)被耦合到电池B用于对电池充电，以及耦合到放大器23的非反相输入。向放大器23的反相输入施加与电池B的完全充电端子电压相对应的参考电压REF。锂离子电池具有4.2伏的完全充电端子电压。经过二极管D4，晶体管15b与放大器23一起作用，以便在电池B处维持恒定电压。
晶体管15a的输出(漏)被耦合到放大器22的非反相输入，以及经过电阻器19接地。放大器22的反相输入经过电阻器20接地，以及从充电电流程序电路14接收充电电流，其量值等于编程电流ICHG减去负载电流，如以随后所述方式由电路14和16所确定的。
负载电流监视器16包括晶体管对38，其制作为分别导通比率1/1000的电流，晶体管38a的漏极连接到放大器36的反相输入和晶体管40的源极，晶体管38b的漏极连接到放大器的非反相输入和输出节点OUT。晶体管40的栅极由放大器36的输出来控制；晶体管的漏极经过电阻器42接地。晶体管40与放大器36一起作用，以传送与晶体管38a相同的电流以及在晶体管38a和38b上维持相等的漏极电压。
经过晶体管38b的负载电流由放大器36镜像到晶体管38a和40中，以在电阻器42上产生与负载电流对应的电压。此电压经过放大器30传递到充电电流程序电路14，控制电流经过晶体管32的传导，从而以与负载电流IL对应的数量来汇集(sink)来自线路27的电流。
在充电电流程序电路14内是电流镜26，其由如图所示互连的且在具有参考电流源ICHG的电路中的晶体管26a、26b和26c构成。由镜晶体管26b提供到线路27的ICHG在二极管D2的正极处被分流，从而对应于负载电流的电流IL由晶体管32从ICHG中减去，如前所述，并且余数(ICHG-IL)被施加到电阻器20。对应电压被施加到电池充电器电路12的放大器22。此对应电压与电池充电电流成比例，还施加到自适应定时器18，用以控制在电流模式充电期间对电池B充电的定时器期间。
在充电器12的输入节点处施加的来自USB端口的电流被作为充电电流经由晶体管15b提供到电池B，且经过晶体管38b提供到负载电流监视器16的输出节点38c处的附着负载用于操作该应用。对电池B施加充电电流的时间是由耦合到电池充电器12和充电电流程序电路14的自适应定时器18控制。如上所述，电池B可以是但不限于锂离子电池。
功率管理电路10操作如下。电池充电器12在两种模式中交替地起作用电流充电模式和电压充电模式。当电池B被放电时，操作于电流模式中的充电器12向电池提供量值由充电电流程序电路14确定的充电电流。当电池B接近完全充电时，充电器12开始操作于电压模式中，以向电池提供较小量值的电流，以便将电池保持在与完全充电状态对应的恒定端子电压。
充电器12在电流充电模式中提供给电池的充电电流的量值是由设计者编程和取决于电池的类型、大小和其它特性。当负载不消耗电流时，充电电流程序电路14将编程的充电电流的全部提供给电池。然而，由于输入电流的数量受到限制，电池充电电流必须被减少由负载消耗的任意电流。因此，负载电流监视器16监视由负载消耗的电流，使编程的充电电流减少由负载正在占用的数量电流，以便将从电流源吸取的总电流量限制于规定量(例如USB端口电流)。定时器18响应于电池充电电流，以取决于充电电流的量值来改变电池充电的时间期间。也就是，当充电电流量值减小时(由于增加的负载电流)，由定时器18设定的时间期间被相应地增加。
自适应定时器18包括计数器56，其由滞后比较器54的输出进行钟控，该滞后比较器是由相对于REF的电容器上的电压量值触发。电容器52是由上和下电流镜48a和48b驱动，它们又是经过缓冲器46选择性地通过线路49上与电池充电电流量值即编程和负载电流之差相对应的电压来控制(在恒定电流充电模式中)，或者通过滞后比较器44来控制至编程的固定时间期间(在恒定电压模式充电中)。
功率管理系统10的电路操作如下。在低电池电压时，放大器23由于施加到放大器非反相输入的电压量值是小于施加到非反相输入端的参考电压量值而失去调节，该放大器的输出为低(地)。放大器23的输出现在是通过二极管D4而从电流镜15隔离，允许放大器22调节经过晶体管15a进入电阻器19中的电流，以便与由充电电流程序电路14呈现于电阻器20的电压相匹配。如上所述，施加到电阻器20的编程电流采用了与编程电流源24和负载电流之差相等的量值。因此，电池B被充电器12以与编程充电电流减去瞬间负载电流相等的电流来充电。
电池在电流模式充电期间被充电的时间期间在这时是由自适应定时器18控制。定时器18包括开关45，其具有与恒定电流充电模式对应的上极以及与恒定电压充电模式对应的下极。开关45被象征性地表示为机械开关；实际上它是电子的。
在电流模式充电期间，当开关处于上面的位置时，如图所示，放大器46接收与电池充电电流(编程电流与负载电流之差)对应的输入电压，其输出则被施加到电流镜电路。电流镜48的输出被施加到电容器52和滞后比较器54的反相输入，该滞后比较器的非反相输入则连接到参考电压源REF。
当开关45处于(上面的)电流充电位置时，如图所示，缓冲器放大器46驱动晶体管51，从而电阻器47中的电流被驱动为等于电阻器20中的电流。电阻器47中的电流是通过引用的顶侧和底侧电流镜48a和48b分别地镜像至电容器52和地。
假设初始时电容器52电压为零，来自比较器54的时钟输出CLK为高，其使晶体管55使能和关断底侧电流镜48b。顶侧电流镜48a对应地将其电流供应给电容器52，使电容器电压斜升，直至达到比较器的上阈值REF为止。此比较器的输出现在切换至其低状态，使晶体管55禁止，其使底侧镜48b使能。由于镜像比从底到顶是2∶1，该镜将汇集所有来自顶侧镜的电流加上来自现在放电的电容器52的一个附加单位电流。此循环以取决于电池充电电流量值的频率来重复。在恒定电流模式中，计数器的频率因而与进入电容器中的电流成比例，后者又与电池充电电流成比例。
充电器此后进入电压模式，其中不再需要令振荡器频率跟踪电池充电电流。电压模式是通过监视电池充电器放大器23的输出来检测的，其实施了对放大器23的输出与参考电压REF进行比较的滞后比较器44。当放大器23的输出开始增加，其指示电池接近完全充电，并且达到与电压模式对应的参考电压REF时，比较器44被激活，将开关46驱动至其电压模式位置(较低位置)，仅基于恒定电流源24而不是基于电流模式充电期间的可变电池电流——测量为恒定电流源电流与负载电流之差，来控制定时定时。定时器56操作为以常规方式来控制电池充电器12的剩余充电期间。
已经描述了实施例，应该注意本领域技术人员可依据上述教导来进行改型和变形。因此应该理解，可在所公开的具体实施例中进行变化，其落于由所附权利要求和等效所限定的本公开的范围和精神之内。例如，电池电流可被减小以便减少电路发热，而不是响应于电压模式充电而减小，在此情况下可改变定时器的定时期间以保证电池变成完全充电。作为另一例，电流监视器可设置为监视电池的放电，以使定时器振荡器以递减计数器的模式来运作，而不是像在充电模式期间所完成的那样递增计数器。而且，尽管在USB供电电池充电器的背景中在这里描述了该系统，其打算供单个单元的锂离子电池或多个单元的锂离子电池系统使用，但是由本公开教导的原理并不限于此方面。
权利要求
1.一种用于电池供电应用的功率管理方法，包括步骤在对电池充电的充电期间向电池提供电流；以及按照电流量值来控制充电期间。
2.根据权利要求1的方法，其中充电期间是与电流量值相反地来控制。
3.根据权利要求1的方法，包括步骤用于检测何时由于电压模式充电造成电流变化，以及响应地将充电期间设为规定的充电期间。
4.根据权利要求3的方法，其中规定的充电期间取决于电池类型。
5.根据权利要求1的方法，其中输入电流被提供给(1)电池用于对电池充电以及(2)负载，包括用于确定充电电流量值的附加步骤，其中用于提供电流给电池的步骤是按照(a)取决于电池类型的规定电流与(b)负载电流量值之差来控制。
6.根据权利要求5的方法，其中输入电流是从USB端口获得。
7.一种用于在电池供电的应用中实施的功率管理系统，包括输入电流节点，对其施加有电流源，用于向电池和负载提供输入电流；第一电路，耦合于输入电流节点，配置为用于在充电期间向电池提供充电电流；第二电路，配置为用于确定由第一电路提供给电池的电流的量值；以及第三电路，耦合于第一电路，响应于充电电流的量值，用于控制充电期间。
8.根据权利要求7的系统，包括第四电路，用于监视负载电流；其中第三电路配置为用于按照(a)取决于电池类型的规定量值电流与(b)由第四电路监视的负载电流量值之差来向电池提供电流。
9.根据权利要求8的系统，包括第五电路，配置为用于检测何时由于电压模式充电造成充电电流的变化，以及响应地将充电期间设为规定的充电期间。
10.根据权利要求9的系统，其中规定的充电期间取决于电池类型。
11.根据权利要求8的系统，其中输入电流源是USB端口。
12.一种用于在电池供电的应用中实施的功率管理系统，包括输入电流源，用于向电池和负载提供输入电流；负载电流监视器电路，用于确定负载电流量值；可变期间定时器；充电电路，耦合于定时器，用于在由定时器确定的充电期间对电流提供给电流进行控制；以及控制电路，响应于负载电流量值，用于控制定时器期间。
13.根据权利要求12述的系统，包括充电模式检测器电路，耦合于电池和参考电压源，用于检测电池的电压模式充电，以及响应地将定时器的充电期间设为规定的充电期间。
14.根据权利要求13的系统，其中规定的充电期间取决于电池类型。
15.根据权利要求12的系统，其中充电电路耦合于负载电流监视器电路，配置为按照(a)取决于电池类型的规定量值电流与(b)负载电流来控制电池电流的量值。
16.根据权利要求12的系统，其中输入电流源是USB端口。
17.根据权利要求15的系统，其中电池电流的量值是按照规定电流与负载电流之差来控制。
18.一种用于在电池供电的应用中实施的功率管理系统，包括输入电流源，用于将输入电流提供给(1)电池以对电池充电以及(2)负载；第一装置，用于确定电池电流量值；可变期间定时器；第二装置，用于在由定时器确定的充电期间对电流提供给电池进行控制；以及第三装置，按照电池电流的量值来控制定时器期间。
19.根据权利要求17的系统，包括用于监视负载电流的第四装置，其中第一装置按照(a)取决于电池类型的规定电流与(b)负载电流之差来确定电池电流量值。
20.根据权利要求18的系统，包括第五装置，用于检测何时由于电压模式充电造成电池电流的变化，以及响应地将充电期间设为规定的充电期间。
全文摘要
一种功率管理系统，包括电池供电的应用，其中输入电流是由可以是电流受约束的源比如USB端口的电流源提供给电池用于对电池充电以及提供给应用负载。电池充电电流是在基于电池充电电流量值的时间期间被提供到电池，从而较少量值的充电电流在较大的时间期间被施加到电池。按照一个实施，电池充电电流是通过监视取决于电池类型的编程充电电流与由负载使用的电流量值之差来确定的。当充电电流随着电池接近完全充电而开始回落时，由于电压模式充电造成的电池充电电流的变化被检测，以及响应地，充电期间被设为基于电池的固定充电期间。
文档编号H01M10/44GK1805238SQ20051013015
公开日2006年7月19日 申请日期2005年12月12日 优先权日2004年12月30日
发明者罗杰·A·泽姆克, 大卫·B·贝尔 申请人:凌特公司