专利名称：电池充电设备的制作方法
描述本发明涉及电池充电设备。
电池充电器在技术方面通常是众所周知的，例如蜂窝电话电池为锂离子(Litio.Ion)类型的电池。
这些电池的充电按照已知的恒定电流(CC)和恒定电压(CV)过程来发生。在电池充电阶段期间，充电器按照电流调整过程进行工作，即将恒定电流提供给电池。同时电池上的电压增加直到其达到其稳态充电值；在这个值附近，充电电流开始减小直到使自己为零并且充电器进入电压调整阶段，即电池被提供恒定电压。
通常在这个过程中，要求调整电流以及调整电压的高度精确。所要求的该值通常为充电电流的10％并且为调整电压的1％。而且，需要控制设备的温度不超过发热极限，也取决于所使用的充电器设备。
图1中示出了在各种类型的电池充电器设备中通常使用的一种电池充电器设备。
该设备包括适合于调整电池LOAD的电流的装置CA、D2，适合于调整电压的装置VA、D1，以及适合于调整功率的装置PA、D3。
该设备包括一对PMOS晶体管M1和M2，其源极端子连接到输入电压Vin；晶体管M2的漏极端子连接到电池LOAD，电池LOAD另外端子连接到地并且晶体管M1的漏极端子连接到晶体管M3的源极端子。后者的漏极端子连接到电阻R，电阻R另外的端子连接到地。晶体管M3的栅极端子由运算放大器1驱动，运算放大器1的反相和非反相(non-inverting)输入端子分别连接到晶体管M1和M2的漏极端子。
电流发生器I1和二极管D1-D3的阴极连接到晶体管M1和M2的栅极端子，其中二极管D1-D3阳极连接到相应运算误差放大器VA、CA和PA。放大器VA的反相端子上的输入是参考电压Vref并且非反相端子上的输入为电池LOAD的端子上的电压Vout，放大器CA的反相端子上的输入是参考电压V1并且非反相端子是电压Vout，并且放大器PA的反相端子上的输入是充电器设备的温度Tdie并且非反相端子上的输入是参考温度Tref。
在电池LOAD的充电阶段期间，存在电流调整阶段；PMOS晶体管M1和M2的控制由误差放大器CA来执行，因为误差放大器VA是非平衡的，电压Vout小于电压Vref。当电压Vout达到电压Vref时，晶体管M1和M2的控制转到放大器VA，放大器VA提供所需的全部电流来直接偏置二极管D1，同时二极管D2被截止。
如果充电器设备的温度高于参考温度Tref，则控制转到放大器PA，放大器PA直接偏置二极管D3。
为了充电上的调整电流十分精确，MOS晶体管M1和M2的漏极和源极之间的电压必须彼此相等。由于两个MOS晶体管具有相同的栅极端子和源极端子之间的电压，充电电流等于参考电流V1/R乘以MOS晶体管M1、M2的面积之比。为此，放大器1被引入来维持晶体管M1和M2的漏极端子为相同电势。
鉴于技术方面，本发明的目的是提供电池充电设备，其具有比已知充电器更简单的电路并且具有更高的精度。
根据本发明，这个目的通过适合于充电电池的设备来实现，该设备包括至少一个第一和第二晶体管，所述晶体管连接到输入电压并且具有输出端子，所述第一晶体管的输出端子连接到所述电池，所述设备包括所述晶体管的驱动电路，所述驱动电路包括适合于在所述电池的充电阶段期间调整所述电池中的电流的第一装置，特征在于所述第一装置适合于在所述电池的充电阶段期间保持所述晶体管的输出端子上的电压相同。
由于本发明，电池充电设备可以被制造得具有更少量的部件并且在其中该设备被集成的芯片上具有更小的占用面积。使用该设备，在调整电池中的电流和电压的阶段我们还拥有高度的精度。
本发明的特征和优势将从其实施例的下面具体描述中变得显而易见，所述实施例作为非限制性例子在附图中加以示出，其中图1示出了根据现有技术的电池充电器；图2示出了根据本发明的电池充电器的示意图；图3示出了图2的电池充电器的电路实现；
图4示出了在不执行温度调整的情况下在使用图3的设备获得的电池的充电阶段中电压Vout、输出电流Iout和温度Tp的时间图；图5是图4的电流Iout的时间图的一部分的放大图；图6示出了在执行温度调整的情况下在使用图3的设备获得的电池的充电阶段中电压Vout、输出电流Iout和温度Tp的时间图。
参照图2，示出了根据本发明的电池充电设备的示意图。该设备包括一对PMOS晶体管M10和M20，其源极端子连接到输入电压Vin。晶体管M10的漏极端子连接到电池LOAD，电池LOAD另外端子连接到地。充电设备包括适合于驱动晶体管M10和M20的栅极端子的电路100。晶体管M20的漏极端子也连接到电路100；更精确地说，所述端子连接到晶体管M30的漏极端子，晶体管M30是电流反射镜M30-M31的一部分。所述电流反射镜适合于在晶体管M10上反射电流I30，电流I30与来自同名(homonymous)电流发生器的电流Iref成比例。后者由运算放大器PA1来控制，运算放大器PA1在反相端子上的输入为参考电压Vref2并且在非反相端子上的输入是与设备的温度成比例的电压V(T)；电压V(T)由设备2产生，设备2对温度敏感。当该设备的温度增加并且电压V(T)变得与电压Vref2相同时，放大器PA1起到命令电流Iref减小的作用。因此电流I30和流入晶体管M10的充电电流也减小。因此在晶体管M10中消耗的功率减小并且这也使得该设备的温度降低；放大器PA1发生干预直到该设备的温度和产生这个温度的晶体管M10中的电流之间达到平衡。
晶体管M10和M20的漏极端子连接到属于驱动电路100的运算误差放大器CA1的非反相和反相输入端子。该放大器CA1的输出与运算误差放大器VA1的输出会聚在电路块CVA上，CVA的输出信号适合于驱动晶体管M10和M20。放大器VA1在反相端子上的输入为参考电压Vref1并且在非反相端子上的输入为在电池LOAD的端子上的电压Vout。放大器CA1的非反相输入连接到该端子进行调整，该端子即晶体管M10的漏极端子以这样的方式由放大器CA1、电路块CVA和处于平衡的晶体管M10和M20组成的回路保持晶体管M10和M20的漏极端子上的电压在整个时间上为同样的值，其中电压Vout向着其稳定状态值Vref增长，而不需要提供另外的放大级。调整的电流因此与参考电流Iref乘以晶体管MOS M10和M20的面积的比值恰好相同。电路块CVA相当于加法器节点，其输出信号与来自放大器CA1的输出信号一致或者来自与放大器VA1的输出信号一致，当它们中的一个或另一个有效时。放大器CA1具有偏置电流Ipol，该电流由放大器VA1的输出信号控制。
在电流调整期间，电压Vout增加直到其达到参考值Vref1。当这发生时，系统逐渐减小这个级CA1的偏置电流Ipol到零，使得有源调整回路变成由放大器VA1、块CVA和MOS晶体管M10和M20组成的电压的回路。
在图3中示出了图2的设备的电路实现。当电池LOAD放电时，电Vout小于参考电Vref，放大器VA1不平衡并且误差放大器CA1通过由PMOS晶体管M41-M42和NMOS晶体管M43-M44构成的反射镜由电流Ipol进行偏置。这个电流还在NMOS晶体管M49中在级CVA的输出上通过NMOS晶体管反射镜M44-M45、PMOS晶体管反射镜M46-M47以及NMOS晶体管反射镜M48-M49被反射。
放大器CA1的差分级由其栅极端子连接到晶体管M20和M10的漏极端子的PMOS晶体管M51-M52组成，该差分级负责通过晶体管反射镜M53-M54调整电池LOAD中的充电电流，晶体管反射镜M53-M54发送信号到输出级CVA，差分级在晶体管M55中通过电流反射镜M60-M55产生平衡晶体管M49的电流的电流；以这样的方式获得电流平衡。在二极管连接中，晶体管M51的漏极端子连接到晶体管M61，晶体管M61又连接到地。
放大器VA1包括具有PMOS晶体管M62-M63的差分级；在所述晶体管的栅极端子上分别有由 给定的电压Vout和参考电压Vref1的一部分。晶体管M62和M63的源极端子连接到偏置电流Ipol的发生器并且漏极端子分别连接到晶体管M44和M56的漏极端子。
应当看到，在电流调整中，放大器VA1没有作用，因为其不平衡防止由NMOS晶体管M56-M57组成的电流反射镜中的电流的通过。
放大器PA1包括具有PMOS晶体管M64和M65以及NMOS晶体管M66-M67的电流反射镜的差分级。晶体管M64和M65的源极端子连接到偏置电流Ipol2的发生器并且漏极端子分别连接到晶体管M66和M67的漏极端子。晶体管M64和M65的栅极端子连接到参考电压Vref2和连接到电压V(T)并且晶体管M64的漏极端子连接到晶体管M58的栅极端子。
如果系统的温度使得信号V(T)＝K×T小于Vref2，那么放大器PA1不平衡并且截止晶体管M58。这样参考电流Iref在晶体管M20中被完全反射并且在电池的整个充电阶段期间，被调整的电流正好是电流Iref的倍数，因为放大器CA1负责使晶体管M10和M20的漏极-源极电压相等。
如果系统的温度使得V(T)达到Vref2，那么级PA1趋向减去反射镜M30-M31上电流Iref的一部分。结果，充电电流小于其额定值并且它将自己确定在根据下列等式平衡设备的温度Tj的值上Tj＝Tamb+(Vin-Vout)×Iout×θ其中Tamb是系统外部的温度，Iout是充电电流并且θ是设备的封装(package)的热电阻。
温度回路由于封装的反应时间而动态变慢，该回路差不多在起点上具有主电极(dominating pole)并且没有必要补偿。
当电压Vout达到参考电压Vref1时，放大器VA1平衡自身并且NMOS反射镜晶体管M56-M59趋于减去放大器CA1的偏置电流Ipol，该放大器CA1然后被截止。以这种方式，极VA执行输出的电压调整。
调整回路电流/电压的补偿已经通过连接在晶体管M20的栅极端子和漏极端子之间的Miller(米勒)电容器来执行。
图4示出了在电池的充电阶段中电压Vout、输出电流Iout和温度Tp的时间图，输入电压Vin＝5V并且外部温度为25℃。充电电流被编程设为0.5A。由规范设置的最大结温度是Tj＝120℃。在这种情况下，可以看出系统的温度较低并且因此充电电流等于那个编程设置的电流。在电压调整中，充电电流减小直到它耗尽自己并且电池上的调整电压按照规范是4.1V。
图5示出了在电流调整期间电池的充电电流Iout的放大。突出显示了0.2％的极好精度。
图6示出了当Vin＝12V并且外部温度为25℃时在电池的充电阶段中电压Vout、输出电流Iout和温度Tp的时间图。如前所述，该电流被编程设为0.5A。在这种情况下，设备的温度被调整为120℃，减小充电电流到约0.24A。
权利要求
1.一种适合于充电电池的设备，该设备包括至少一个第一晶体管(M10)和第二晶体管(M20)，所述晶体管(M10，M20)连接到输入电压(Vin)并且具有输出端子，所述第一晶体管(M10)的输出端子连接到所述电池(LOAD)，所述设备包括用于驱动所述晶体管(M10，M20)的电路(100)，所述驱动电路(100)包括适合于在所述电池(LOAD)的充电阶段期间调整所述电池中的电流(Iout)的第一装置(CA1)，其特征在于所述第一装置(CA1)适合于在所述电池(LOAD)的充电阶段期间保持所述晶体管(M10，M20)的输出端子上的电压相同。
2.根据权利要求1的设备，其特征在于所述第一装置(CA1)包括具有连接到所述晶体管(M10，M20)的输出端子的反相和非反相输入端子的运算放大器，所述运算放大器适合于驱动所述晶体管(M10，M20)来提供恒定电流给所述电池(LOAD)。
3.根据以上任一权利要求的设备，其特征在于所述驱动电路(100)包括适合于当所述电池的电压达到参考电压(Vref)时调整所述电池的电压(Vout)的另一装置(VA1)。
4.根据以上任一权利要求的设备，其特征在于所述另一装置(VA1)适合于当电池的电压(Vout)达到所述参考电压(Vref)时截止所述第一装置(CA1)。
5.根据以上任一权利要求的设备，其特征在于所述驱动电路(100)包括连接到所述第二晶体管(M20)的输出端子并且适合于设置流过所述第二开关装置的电流的第二装置(M30-M31，Iref，PA1)。
6.根据权利要求5的设备，其特征在于所述第二装置(M30-M31，Iref，PA1)包括适合于改变在设备温度函数中在所述第二晶体管(M20)上的电流(I30)的装置(PA1)。
7.根据权利要求6的设备，其特征在于所述第二装置(M30-M31，Iref，PA1)包括电流发生器(Iref)、对温度敏感并且适合于产生设备温度函数中的电压(V(T))的装置(2)、以及适合于比较由所述敏感装置产生的电压(V(T))与另一参考电压(Vref2)并且改变在所述比较函数中在所述第二晶体管(M20)上的电流(I30)的装置(PA1)。
全文摘要
本发明描述了一种适合于充电电池的设备，该设备包括至少一个第一晶体管(M10)和第二晶体管(M20)。所述晶体管(M10，M20)连接到输入电压(Vin)并且具有输出端子，所述第一晶体管(M10)的输出端子连接到所述电池(LOAD)。所述设备包括用于驱动所述晶体管(M10，M20)的电路(100)，并且所述驱动电路(100)包括适合于在所述电池(LOAD)的充电阶段期间调整所述电池中的电流(Iout)的第一装置(CA1)。所述第一装置(CA1)适合于在所述电池(LOAD)的充电阶段期间保持所述晶体管(M10，M20)的输出端子上的电压相同。
文档编号H02J7/00GK101052932SQ200580037255
公开日2007年10月10日 申请日期2005年10月18日 优先权日2004年10月28日
发明者A·德阿里戈, F·马里诺 申请人:意法半导体股份有限公司