具有数字充电减小环路的电池充电器装置的制作方法

专利名称：具有数字充电减小环路的电池充电器装置的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及电池充电器，更具体而言提供了具有数字充电减小
环路(digital charge reduction loop)的电池充电器装置。
背景技术：
近年来，通用串行总线(USB)已经成为最广泛使用的用来互连电子 设备的技术之一。USB本来是用于互连计算机和标准外围设备(例如，打 印机、盘驱动器等等)的，但已经发展为支持很多种便携式USB设备(例 如，蜂窝电话、个人数字助理、相机、个人音乐播放器，等等)。
USB设备经由USB端口连接到USB主机(例如，PC、膝上型电脑、 平板PC，等等)。 一般来说， 一个USB主机可以支持最多七个USB设 备。在需要多于七个USB设备的情况下，可使用USB集线器。每个USB 集线器可与其自己的那组七个USB设备(或者集线器，如果需要的话)相 连。USB主机、USB集线器和USB设备之间的USB连接使得诸如名称、 电话号码、日历、照片、音乐等等之类的数据可在USB主机和USB设备 之间流动。
一般来说，USB连接具有通常称为VBus的DC电源线、地线、以及通 常称为D+和D-的双绞数据线对。根据USB 2.0标准，有效的USB主机应 当提供5伏特并且提供不大于500毫安的电流。另外，USB端口还应当提 供电流极限保护，该电流极限最高可被设置为5.0安培，最低可被设置为100毫安。但是，并非所有USB端口都遵守USB标准。另外，USB主机 具有不同类型的端口，包括AC供电的端口 (例如，在主机PC和被供电 的集线器中)、未被供电的端口 (例如，在利用电池电力工作的笔记本计 算机中)、无源端口 (例如，在无源集线器中)，等等。每种端口类型具 有一种不同的电力输送能力。例如，AC供电的端口可供应5伏特和500 毫安的电流或者更多。未被供电的(由电池供电的)端口可供应5伏特， 但可与USB主机上的其他USB端口共享500毫安的电流。因此，未被供 电的端口通常供应小于500毫安的电流。无源端口可供应5伏特和仅100 毫安电流。
典型的USB设备具有用于供应工作电力的可再充电的锂离子/聚合物 电池，以及用于对电池再充电的控制系统。根据USB标准，USB设备可 从USB端口的电力线取得电力，以操作其系统核心并且为其电池再充电。 具有电池充电器的USB设备通常包括一个装置，用于调控充电电流，以防 止充电过程汲取过量电流而使得USB设备的其余部分缺乏电流。充电电流 调控通常是通过利用两个电流感测电阻器监视去往电池的充电电流和去往 系统核心的负载电流来实现的。虽然该机制有效，但却是有缺陷的。缺陷 之一在于，电池充电器仅能从两种充电电流之一中作出选择，即500毫安 或100毫安。在100毫安下，对于800毫安电池，电池充电可能要花费8-10小时。用户可能恼怒并将USB设备和/或USB充电器作为故障品退回。 另外，当USB主机或集线器能够提供大于IOO毫安但小于500毫安的电流 时，传统的充电电流调控就好像不存在额外能力一样工作。因此，传统的 充电电流调控不必要地减慢了充电过程。
需要一种系统和方法，用于促进对用来为电池供电的USB设备充电的 USB潜能的更有效使用。
对于典型的AC适配器电源也存在类似的问题。使用可再充电电池的 电子设备通常具有设定为支持该电子设备的充电电流需求的AC电源适配 器。但是， 一些电子设备未被提供有电源适配器，并且在许多情况下，使 用第三方电源适配器。在电子设备上使用未经认可的电源适配器存在这样 的危险即，因为汲取过量充电电流而使设备的系统核心缺乏电流。因此，当结合电池充电器工作时，USB端口和AC电源适配器能力必须确保
电池充电过程不会使系统操作缺乏电流。

发明内容
根据一个实施例，本发明提供了一种用于为电池充电的电池充电器装
置，包括充电电流控制电路，用于接收充电电流控制信号，该充电电流
控制信号用于控制从输入源(例如，USB端口或线路适配器)汲取的充电 电流的量；模拟控制电路，用于生成表示用于为电池充电的充电电流的最 大量的模拟控制信号；数字充电减小环路，包括用于基于输入源的源电压 来确定充电电流调节信号的电路，用于基于充电电流调节信号来生成数字 计数值的计数器，以及用于基于计数器的数字计数值来生成DAC控制信 号的模数转换器(DAC) ， DAC控制信号表示将用于为电池充电的充电 电流的减小了的量；以及切换机构，用于基于源电压来选择模拟控制信号 或DAC控制信号之一，所选择的控制信号被用作去往充电电流控制电路 的充电电流控制信号。
充电电流控制电路可将充电电流限制到电池能够处理的最大充电电 流。用于确定充电电流调节信号的电路可包括第一比较器，用于将基于 源电压的第一电压与基准电压相比较以生成第一比较器输出信号，该第一 比较器输出信号用于控制计数器；以及第二比较器，用于将基于源电压的 第二电压与基准电压相比较以生成第二比较器输出信号，该第二比较器输 出信号用于控制切换机构。计数器可在第一比较器输出信号为逻辑高值时 上行计数。计数器可在第一比较器输出信号为逻辑低值时下行计数。当第 二比较器输出信号为逻辑低值时，切换机构可选择DAC控制信号作为充 电电流控制信号并且计数器可重置到预定的数字值。切换机构可在计数器 的数字计数值为预定数字值时选择模拟控制信号。数字充电减小环路还可 包括用于生成时钟信号的时钟振荡器，并且计数器可与时钟信号协调地修 改数字计数值。用于确定充电电流调节信号的电路可包括比较器，用于将 基于源电压的第一电压与基准电压相比较以生成比较器控制信号，该比较 器控制信号用于控制计数器和切换机构。计数器可在比较器控制信号为逻辑高值时上行计数。计数器可在比较器控制信号为逻辑低值时下行计数。 当比较器输出信号为逻辑低值并且数字计数值为预定数字值时，切换机构
可选择DAC控制信号作为充电电流控制信号并且计数器可重置。切换机 构可在数字计数值为预定数字值时选择模拟控制信号作为充电电流控制信
号。切换机构可包括RS触发器，用于在源电压低于跳脱电压阈值时接
收重置信号，并且用于在数字计数值为预定数字值时接收置位信号，RS 触发器生成RS输出信号；以及复用器，用于基于RS输出信号来选择模拟 控制信号或DAC控制信号之一。
根据另一个实施例，本发明提供了一种为电池充电的方法，包括生
成表示用于为电池充电的充电电流的最大量的第一模拟控制信号；基于输 入源(例如，USB端口或线路适配器)的源电压来确定充电电流调节信 号；基于充电电流调节信号来生成数字计数值；基于计数器的数字计数值 来生成第二模拟控制信号，第二模拟控制信号表示将用于为电池充电的充 电电流的减小了的量；以及基于源电压来选择第一模拟控制信号或第二模 拟控制信号之一 以用作去往充电电流控制电路的充电电流控制信号。
该方法还可包括将充电电流限制到电池能够处理的最大充电电流。确 定充电电流调节信号的步骤可包括将基于源电压的第一 电压与基准电压 相比较以生成第一比较器输出信号，该第一比较器输出信号用于控制生成 数字计数值的步骤；以及将基于源电压的第二电压与基准电压相比较以生 成第二比较器输出信号，该第二比较器输出信号用于控制选择步骤。生成 数字计数值的步骤可包括在第一比较器输出信号为逻辑高值时增大数字计 数值。生成数字计数值的步骤可包括在第一比较器输出信号为逻辑低值时 减小数字计数值。当第二比较器输出信号为逻辑低值时，选择步骤可包括 选择DAC控制信号作为充电电流控制信号并且该方法还可包括将数字计 数值重置到预定的数字值。选择步骤可包括在计数器的数字计数值为预定 数字值时选择模拟控制信号。该方法还可包括生成时钟信号，并且选择步 骤可包括与时钟信号协调地修改数字计数值。确定充电电流调节信号的步 骤可包括将基于源电压的第一 电压与基准电压相比较以生成比较器控制信 号，该比较器控制信号用于控制生成数字计数值的步骤和选择步骤。生成数字计数值的步骤可包括在比较器控制信号为逻辑高值时上行计数。生成 数字计数值的步骤包括在比较器控制信号为逻辑低值时下行计数。当比较 器输出信号为逻辑低值并且数字计数值为预定数字值时，选择步骤可包括
选择DAC控制信号作为充电电流控制信号并且该方法还可包括重置数字
计数值。选择步骤可包括在数字计数值为预定数字值时选择模拟控制信号
作为充电电流控制信号。该方法还可包括在源电压低于跳脱电压阈值时
接收重置信号；在数字计数值为预定数字值时接收置位信号；以及基于接 收到的信号生成RS输出信号；其中，选择步骤包括基于RS输出信号来选 择模拟控制信号或DAC控制信号之一。
根据另一个实施例，本发明提供了一种电池充电器中的数字充电减小 环路，包括用于基于输入源的源电压来确定充电电流调节信号的电路； 计数器，用于基于充电电流调节信号来生成数字计数值；以及模数转换器 (DAC)，用于基于计数器的数字计数值来生成DAC控制信号，该DAC 控制信号表示将用于为电池充电的充电电流的量。
根据另一个实施例，本发明提供了一种电池充电器中的数字充电减小 环路，包括用于基于输入源的源电压来确定充电电流调节信号的装置； 用于基于充电电流调节信号来生成数字计数值的装置；以及用于基于数字 计数值来生成DAC控制信号的装置，该DAC控制信号表示将用于为电池 充电的充电电流的量。


图1是根据本发明实施例的USB主机和USB设备的电池充电系统的 电路图。
图2是示出根据本发明实施例的具有数字充电减小环路的电池充电器 的细节的电路图。
图3示出了根据本发明实施例的图2的电池充电器在工作中的电压/时 间图。
图4A-D示出了根据本发明实施例的图2的电池充电器在工作中的电 压/时间和电流/时间图。图5示出了根据本发明实施例的具有数字充电减小环路的电池充电器 的细节的电路图。
图6A-D示出了管理来自线路适配器的充电电流的数字充电减小环路 的电压/时间和电流/时间图，该线路适配器能够供应比典型USB端口更大 量的电流。
具体实施例方式
提供以下描述是为了使本领域的技术人员能够作出和使用本发明，并 且这些描述是在特定应用及其要求的上下文中给出的。本领域的技术人员 可对实施例进行各种修改，并且这里限定的一般原理可被应用到这些和其 他实施例和应用，而不脱离本发明的精神和范围。因此，本发明并不限于 所示出的实施例，而是应当具有与这里公开的原理、特征和教导相符的最 宽范围。
这里通过引用并入发明人为K. Shum、申请日为2004年8月11日、 题为"USB Battery Charger"、申请号为11/916,339 、公开号为 2006/0033474的美国申请公开。
图1是根据本发明实施例的具有USB主机105和电池供电的USB设 备110的电池充电系统的电路图。USB主机105可直接或经由USB线缆 115耦合到USB设备110。当USB主机105和USB设备110互连时， USB主机105和USB设备110可交换数据，并且/或者USB主机105可为 USB设备110的电池充电。
USB主机105可包括桌面计算机、笔记体计算机、平板PC，等等。 USB主机105包括电源165。当USB主机105是桌面计算机时，电源165 可包括AC电源120 (以及相应的电路)。当USB主机105是笔记本电 脑、平板PC或其他便携式计算机系统时，电源165可包括AC电源120 和电池125两者(以及相应的电路)，从而在USB主机105连接到AC插 座(未示出)时AC电源120为USB主机105供电，而在USB主机105 未连接到AC插座时电池125为USB主机105供电。USB主机105还包括 一个或多个USB端口 130 (未示出)，其中每一个能够直接地或者经由USB线缆150连接到USB设备110。电源165为USB端口 130供电。
USB设备IIO可包括蜂窝电话、个人数字助理(PDA)、个人音乐播 放器、相机，等等。USB设备IIO包括可再充电的电池135 (例如，锂离 子电池)和耦合到电池135的电池充电器140 (具有数字充电减小环 路)。USB设备IIO包括USB端口 145，该USB端口 145耦合到电池充 电器140和USB设备IIO的系统核心170。系统核心170包括(一个或多 个)微处理器、电路、存储器、存储设备等等，用于操作USB设备110 (例如，蜂窝电话、PDA、个人音乐播放器、相机，等等)的核心功能。 当USB设备110未连接到USB主机105时，USB设备110的系统核 心170由其内部电池135供电。但是，当USB设备110连接到USB主机 105时，系统核心170可完全或部分地由从USB主机105经由USB端口 145的电力线提供来的电力来供电。另外，电池充电器140可从USB端口 145的电力线汲取电力，以为电池135充电。在一个实施例中，电池充电 器140可操作以用于在不使系统核心170缺乏电流的情况下仅从USB端口 145取得尽可能多的电流。如果系统核心170非活动，则电池充电器140 取得USB端口 145能够供应的和/或电池充电器140在不损坏的情况下能 够接受的最大可能充电电流，例如500毫安。如果系统核心170活动并且 正在汲取负载电流，则电池充电器140使用可用电流的剩余部分和/或电池 充电器140能够接受的电流。例如，如果系统核心170需要200毫安的负 载电流，则电池充电器140取得最多能够提供500毫安电流的USB端口 130的剩余300毫安。具有数字充电减小环路的第一示例性电池充电器 140'在图2中示出。具有数字充电减小环路的第二示例性电池充电器140" 在图5中示出。
一般来说，电池充电器140利用以下事实，即电路取走的电流大于从 输入源可得到的电流时，源电压下降。根据USB2.0标准，USB端口可能 下降到低至4.4伏特，从而USB设备110必须能够在小至4.4伏特的输入 电压下工作。根据一个实施例，电池充电器140最初汲取最大充电电流。 如果USB端口 130的电压下降到低于跳脱电压(trip voltage)阈值，例如 4.4伏特，则电池充电器140只汲取最小充电电流，直到源电压返回到高于安全电压阈值例如4.5伏特为止。然后，电池充电器140逐步增大它从 USB端口 145汲取的充电电流(例如，按预定安培值的步长)，并且监视 USB端口 145的源电压，直到源电压下降到低于安全电压阈值为止。当源 电压下降到低于安全电压阈值时，电池充电器140逐步减小其汲取的充电 电流，直到源电压上升到高于安全电压阈值(或者达到最大充电电流)为 止。电池充电器140继续监视源电压，并且重复对充电电流的逐步增大和 逐步减小，从而使得充电电流在给定时刻可能的最大充电电流左右振荡。 如果在任何时刻负载电流变化，电池充电器140则遵循以上协议。
例如，假定USB端口 130能够供应最大500毫安的电流。如果系统核 心170不汲取负载电流，则电池充电器140汲取所有的500毫安来作为给 电池135充电的充电电流。如果系统核心170汲取200毫安的负载电流， 则电池充电器140注意到USB端口 145处的电压下降到低于跳脱电压阈 值。电池充电器140作为响应下降到最小充电电流，直到源电压返回到高 于安全电压阈值为止。电池充电器140逐步增大充电电流，直到源电压下 降到低于安全电压阈值为止。然后，电池充电器140逐步减小充电电流， 并且源电压上升到高于安全电压阈值。因此，源电压稳定在安全电压阈值 上(在安全电压阈值左右振荡)，并且充电电流稳定在可能的最大充电电 流上(在可能的最大充电电流左右振荡)。如果USB端口 130能够供应 500毫安并且负载电流约为200毫安，则充电电流将稳定在300毫安(在 300毫安左右振荡)。
图2是示出根据本发明实施例的具有数字充电减小环路200的电池充 电器140'的细节的电路图。电池充电器140'是图1的电池充电器140的示 例性实施例。电池充电器140'包括耦合到输入源245 (例如，USB端口 145的VBUS)的数字充电减小环路200、模拟充电电流控制电路240、耦 合到数字充电减小环路200和模拟充电电流控制电路240的复用器225、 以及耦合到输入源245和复用器225的充电电流限制/控制电路230。
一般来说，模拟充电电流控制电路240在可从输入源245得到最大充 电电流的正常模式期间工作。模拟充电电流控制电路240可包括预定电压 信号、可修改电压信号或其他模拟控制信号生成电路。数字充电减小环路200在可从输入源245得到的电流小于最大充电电流的充电电流减小模式 期间工作。复用器225进行操作以选择模拟充电电流控制电路240或数字 充电减小环路200之一来作为控制充电电流限制/控制电路230的充电电流 控制电路。充电电流限制/控制电路230进行操作以基于它从复用器225接 收的控制信号从输入源245汲取充电电流到电池135，但是该充电电流限 于电池135在没有损坏危险的情况下能够接受的最大充电电流，例如 1A。充电电流限制/控制电路230可包括门控MOS，例如PMOS或NMOS 电路。
数字充电减小环路200包括耦合到输入源245的源电压分析电路 202、耦合到源电压分析电路205的上行/下行计数器210 (例如，移位 器)、耦合到上行/下行计数器210和复用器225的数模转换器(DAC) 220、耦合到源电压分析电路205、上行/下行计数器210和复用器225的 RS触发器215、以及耦合到上行/下行计数器210的时钟振荡器235。
源电压分析电路205监视输入源245的源电压。如果输入源245上的 电流需求导致源电压下降到低于跳脱电压阈值，则复用器225选择数字充 电减小环路200来控制充电电流。实质上，当源电压下降到低于跳脱电压 阈值时，源电压分析电路205重置RS触发器215，这使得复用器225选择 数字充电减小环路200来控制充电电流限制腔制电路230。
在被选为充电电流控制电路后，数字充电减小环路200将充电电流减 小到预定的最小值，从而使得输入源245处的源电压可以恢复到高于安全 电压阈值的点(在此情况下是在节点VI处测量的，但也可在任何节点处 测量)。 一旦恢复了，数字充电减小环路200就逐步增大充电电流，直到 源电压下降到低于安全电压阈值为止。此时，数字充电减小环路200逐步 减小充电电流，从而使得源电压可以再次上升。以重复的方式，数字充电 减小环路200识别"稳态"充电电流，在该"稳态"充电电流下，输入源 245没有过载，并且电池135被用可得到的最大充电电流来充电。
如果输入源245的能力增大或者负载电流需求减小，上行/下行计数器 210可能最终达到最大计数(bn)。当达到最大计数时，上行/下行计数器 210发送END信号来使RS触发器215置位，这使得复用器225将充电电流的控制返回给模拟控制电路240。
在此实施例中，源电压分析电路205包括分别串联耦合在输入源245 和地之间的三个电阻器&、 R2、 R3。第一比较器A耦合到电阻器Ri和R2 之间的节点VI，并且耦合到基准电压VREF，例如2.0V (或其他电 压)。第二比较器B耦合到电阻器&和&之间的节点V0并且耦合到基 准电压VREF。三个电阻器R4、 112和R3以及基准电压VREF设置了电压 阈值，即跳脱电压阈值和安全电压阈值。在节点Vo处测量的跳脱电压阈 值(数字充电减小环路200使能)被设置为1.98V，重置上行/下行计数器 210，并且使得复用器225选择数字充电减小环路200。在节点V,处测量 的安全电压阈值(数字充电减小环路200控制)被设置在2.02V，并且控 制数字计数器210的上行/下行计数，数字计数器210进而又控制DAC 220，而DAC 220进而又控制了充电电流限制/控制电路230。
在一个特定实施例中，当输入源245大于4.5V时，Vo大于1.98V。因 此，模拟控制电路240控制去往电池135的充电电流。如果输入源245不 能提供充电电流或者如果负载电流和充电电流超过输入源245的电流能 力，输入源245处的源电压将下降到低于4.5V。 Vo和^随后将基于电阻 器Rt、 &和R3的值按线性比例下降。当Vo降低到低于跳脱电压阈值(例 如1.98V)时，比较器A将会重置RS触发器215，从而使得复用器225将 对充电电流的控制从模拟控制电路240转移到数字充电减小环路200。另 外，比较器A将把上行/下行计数器210重置到其最低水平，将DAC 220 设置到预定的最小值，这进而又会将充电电流减小到预定的最小值。这恢 复了输入源245的完整性并且防止了输入源245或系统核心170的停工或 潜在损坏。
比较器B比较节点VI处的电压和基准电压VREF，并且作为响应生 成控制信号。如果节点VI处的电压大于安全电压阈值(在VI处测量的)
(例如，2.02V)，则比较器B生成逻辑高控制信号。否则，比较器B生 成逻辑低控制信号。在一个时钟周期之后上行/下行计数器210对来自比较 器B的控制信号采样。如果比较器B所看到的电压是逻辑高(正如在负载 电流减小的情况下所期望的)，则逻辑高控制信号使得上行/下行计数器210上行计数1 ，从而使b0比特置位并且将DAC 220的输出电压增大一个 预定步长。这样，DAC 220将充电电流增大了一个预定的步长。随着充电 电流逐步增大，充电电流增大了施加于输入源245的电流需求，从而导致 源电压降低。当源电压下降到低于安全电压阈值时，控制信号转变到逻辑 低状态，从而使得上行/下行计数器210进行下行计数。下行计数使得 DAC 220的输出电压逐步降低，从而使得充电电流逐步减小。在若干个时 钟周期之后，数字充电减小环路200稳定在输入源245所支持的最大充电 电流上(例如，在该最大充电电流左右振荡)。当源故障终止或者负载电流减小时，数字充电减小环路200逐步增大 充电电流。当上行/下行计数器210达到最大水平即bn水平时，上行/下行 计数器210发送END信号以使RS触发器215置位，这控制了复用器225 将控制转移回模拟控制电路240。将会认识到，上行/下行计数器210可按任何分辨率移位，例如32步 或者64步，这取决于要使得电压/电流步长多么粗略或精细。更粗略的分 辨率可提供更快的响应。另外，更大的分辨率可能要求更长的移位器。还 将认识到，可以仅利用数字充电减小环路200来实现实施例，而没有模拟 控制电路240。图3示出了根据本发明实施例的图2的电池充电器140'的电压/时间图 300。如图中所示，术语"数字充电减小环路"可被简写为"DCHR"。图 300示出了数字充电减小环路200的四(4)个阶段。在阶段305期间，当 模拟控制电路240控制充电电流时，数字充电减小环路200测量输入源 245的源电压。如图所示，在阶段305期间发生输入源245的过载，从而 导致源电压下降。阶段310开始于数字充电减小环路200认识到源电压下 降到了跳脱电压阈值之时，从而导致充电电流控制从模拟控制电路240转 移到数字充电减小环路200。数字充电减小环路200将充电电流减小到预 定的最小值，从而使得源电压可以恢复回到高于安全电压阈值的点(在此 情况下，回到约4.6V)。阶段315开始于源电压恢复到高于安全电压阈值 的点时，此时数字充电减小环路200开始在每个时钟周期逐步增大充电电 流。响应于充电电流的逐步增大，阶段315示出了源电压逐步下降，直到它达到安全电压阈值为止。阶段320开始于源电压达到安全电压阈值时，此时数字充电减小环路200开始逐步减小充电电流，从而导致源电压上升 到高于安全电压阈值。在上升到高于安全电压阈值后，数字充电减小环路 200逐步增大充电电流，从而导致源电压下降到低于安全电压阈值。因 此，在阶段320期间，随着源电压稳定在安全电压阈值(例如在安全电压 阈值左右振荡)，数字充电减小环路200导致了稳态充电电流。图4A-D示出了根据本发明实施例的图2的电池充电器140'的电压/时 间和电流/时间图400。图400(A)示出了 12毫秒(ms)的时间段上的负载电流。如图所示， 从t=0 ms到t=l ms， USB设备110的系统核心170不汲取电流。从大约 t=l ms到大约t=5 ms，系统核心170汲取大约300mA的电流。从大约t=5 ms到大约t=10 ms，系统核心170汲取大约230mA的电流。在大约t=10ms之后，系统核心no不汲取电流。图400(B)示出了在同一时间段上输入源245的源电压。如图所示，从 t-Oms直到大约t^ ms (在此期间系统核心170不汲取负载电流)，源电 压稳定在大约4.6V。在大约t=l ms，当系统核心170开始汲取300mA的 负载电流时，源电压下降到低于大约4.4V的跳脱电压阈值。在此之后(当数字充电减小环路200取得充电电流控制时)，源电压立即返回到大 约4.5V的安全电压阈值，并且稳定在大约4.45V。在大约t:5ms，当系统 核心170将其负载电流从大约300mA减小到大约230mA时，源电压略微 上升。从大约t=5 ms到大约t=5.5 ms (当数字充电减小环路200逐步增大 充电电流时)，源电压再次降低到安全电压阈值。从大约t=5.5 ms到大约 t=10 ms，源电压保持稳定在安全电压阈值。在大约t=10 ms (在系统核心 170停止汲取任何负载电流之后)，源电压向上上升。在大约t=10.5 ms(当模拟控制电路240取得充电电流控制时)，源电压平衡在大约4.6 V。图400(C)示出了同一时间段上的环路激活/解除激活。如图所示，数字 充电减小环路200在tims被解除激活，在大约t-lms (当源电压下降到 低于跳脱电压阈值时)被激活，并且在大约t=10.5 ms (在充电电流上升到高于数字充电减小环路200所控制的最大充电电流时)被解除激活。图400(D)示出了同一时间段上的充电电流。如图所示，从tims到大 约t-l ms (当系统核心170不汲取充电电流并且模拟控制电路240进行控 制时)，充电电流稳定在大约420mA。在大约t^ ms (在检测到源电压下 降到低于跳脱电压阈值时，在负载电流增大到300mA之后，以及在数字 充电减小环路200从模拟控制电路240取得对充电电流的控制之后)，充 电电流从420mA下降到大约170mA的预定最小值。然后，在大约t=l ms 之后一点(在源电压已恢复时)，数字充电减小环路200逐步增大充电电 流，直到源电压在大约t=2 ms达到大约4.5V的安全电压阈值为止。在大 约t=2 ms，充电电流稳定在大约270mA (例如，在270mA左右振荡)。 然后，在大约t=5 ms (当数字充电减小环路200认识到由于负载电流从 300mA减小到大约230mA而使得源电压略微增大时)，充电电流开始逐 步增大。在大约t=5.5ms (当源电压稳定在安全电压阈值时)，充电电流 稳定在大约350mA。在大约t=10 ms (当数字充电减小环路200认识到由 于系统核心170不汲取负载电流而使得源电压增大时)，数字充电减小环 路200逐步增大充电电流。在大约t40.5 ms (当模拟控制电路240从数字 充电减小环路200取得对充电电流的控制时)，充电电流再次平衡在大约 420mA。图5是示出根据本发明另一个实施例的具有数字充电减小环路500的 电池充电器140"的细节的电路图。电池充电器140"是图2的电池充电器 140的第二示例性实施例。与电池充电器140"—样，电池充电器140"包 括耦合到输入源245 (例如，USB端口 145的Vbus)的数字充电减小环路 500、模拟充电电流控制电路240、耦合到数字充电减小环路500和模拟充 电电流控制电路240的复用器225、以及耦合到输入源245和复用器225 的充电电流限制/控制电路230。如图所示，利用仅一个比较器，即比较器C，数字充电减小环路500 可被实现以低范围滞后作用。在此情况下，跳脱电压阈值和安全电压阈值 可被滞后级别所分隔。当输入源245的源电压达到最大(从而使得上行/下 行计数器510处于其最大计数)时，输入源245使得模拟控制电路240控制充电电流。当源电压降低到低于跳脱电压阈值(比较器C高到低阈值)时，数字充电减小环路500被激活。当RS触发器215处于"SET"阶段 (Q输出逻辑高)时比较器C的输出信号变为低，从而使得上行/下行计数 器510重置，使上行/下行计数器510的数字计数值减小到预定的最小值。 重置上行/下行计数器510还使得上行/下行计数器510重置RS触发器 215，这使得复用器225将充电电流控制从模拟控制电路240转移到数字 充电减小环路500。数字充电减小环路500将充电电流减小到预定的最小值，从而使得源 电压恢复到安全/跳脱电压阈值之上。在比较器C的输出信号为高的每个时 钟周期，上行/下行计数器510逐步增大其到DAC 220的输出计数(bO-bn) ， DAC220控制充电电流限制/控制电路230，充电电流限帝J/控制电路 230进而又控制充电电流。对于比较器C的输出信号为低的每个时钟周期 (在此期间上行/下行计数器510不在其最大计数上)，上行/下行计数器 510下行计数。源电压稳定在跳脱/安全电压阈值(在跳脱/安全电压阈值左 右振荡)，从而使得充电电流稳定在可得到的最大电流上。当上行/下行计 数器510达到其最大计数时，上行/下行计数器510向RS触发器215发送 END信号，RS触发器215控制复用器225将对充电电流的控制返回给模 拟充电电流控制电路240。数字充电减小环路的实施例可提供若干个优于模拟/线性充电减小环路 的优点。例如，可以更容易调节跳脱和安全电压阈值，可以添加滞后来增 大充电减小环路对于电源的线路和负载瞬变效应的稳定性。数字充电减小 环路200/500可提供对数字充电减小环路启动和响应时间的更容易的调 节。可针对给定应用的定时需要来调节时钟振荡器235的响应、上行/下行 计数器210/510速度以及DAC 220。数字充电减小环路可以不那么容易发 生通常与DC-DC开关充电电流调控系统相关联的不利噪声问题，从而数 字充电减小环路可更宜于实现在DC-DC开关电池充电器的集成电路中。 另外，对于电池充电集成电路(IC)应用，数字充电减小环路可节省空间 和成本，因为该电路能够与IC内的其他无关控制电路(例如温度控制) 共享元件(例如系统时钟和计数器)。共享电路元件使得IC管芯大小可以减小，从而减小了空间需求和制造成本。将会认识到，数字充电减小环路200/500可以应用到不涉及用USB端 口作为输入源245的电池充电的场景。例如，可利用通常称为"线路适配 器"的高电流外部电源来执行电池充电。如上所述，设计者可向线路适配 器提供被设定为满足或超过系统和电池充电操作的电流要求的规格。但 是，当未经许可的输入源245被用于电流处理能力不足的设备110时，数 字充电减小环路200/500可将充电电流减小到安全水平，这可能好于USB 端口的极限。图6A-D示出了管理来自线路适配器的充电电流的数字充电减小环路 的电压/时间和电流/时间图600，该线路适配器能够供应比典型USB端口 更大的电流量。图600(A)示出了 12 ms的时间段上的负载电流。如图所示，从t=0 ms 到t^ms， USB设备IIO的系统核心170不汲取电流。从大约t-lms到大 约t=5 ms，系统核心170汲取大约1A的电流。从大约t=5 ms到大约t=10 ms,系统核心170汲取大约700mA的电流。在大约t^Oms之后，系统核 心170不汲取电流。图600(B)示出了在同一时间段上输入源245的源电压。如图所示，从 t二Oms直到大约t-l ms (在此期间系统核心170不汲取负载电流)，源电 压稳定在大约4.6V。在大约t=l ms (当系统核心170开始汲取1A的负载 电流时)，源电压下降到低于大约4.3V的跳脱电压阈值。在此之后(当 数字充电减小环路200/500取得充电电流控制时)，源电压立即迅速返回 到大约4.4V的安全电压阈值，并且变得稳定在大约4.4V。在大约t=5 ms (当系统核心170将其负载电流从大约1A减小到大约700mA时)，源电 压略微上升到大约4.5V。从大约t=5 ms到大约t=5.5 ms (当数字充电减小 环路200/500逐步增大充电电流时)，源电压再次降低到安全电压阈值。 从大约t=5.5 ms到大约t=10 ms，源电压保持稳定在安全电压阈值。在大 约t=10 ms (在系统核心170停止汲取任何负载电流之后)，源电压迅速 向上上升。在大约t=10.5 ms (当模拟控制电路240从数字充电减小环路 200/500取得充电电流控制时)，源电压平衡在大约4.5 V。图600(C)示出了同一时间段上的环路激活/解除激活。如图所示，数字充电减小环路200/500在t=0 ms被解除激活，在大约t-lms被激活，并且 在大约t=10.5 ms被解除激活。图600(D)示出了同一时间段上的充电电流。如图所示，从t-Oms到大 约t=l ms (当系统核心170不汲取充电电流并且模拟控制电路240进行控 制时)，充电电流稳定在大约1.25A。在大约t=l ms (在检测到源电压下 降到低于跳脱电压阈值时，在负载电流增大到1A之后，以及在数字充电 减小环路200/500从模拟控制电路240取得对充电电流的控制之后)，充 电电流从1.25A下降到大约500mA的预定最小值。然后，数字充电减小环 路200/500逐步增大充电电流，直到源电压达到大约4.4V的安全电压阈值 为止。在大约t=1.2ms，充电电流稳定在大约650mA (例如，在650mA 左右振荡)。然后，在大约t-5ms (当数字充电减小环路200认识到由于 负载电流从1A减小到大约700mA而使得源电压略微增大时)，数字充电 减小环路200/500开始逐步增大充电电流。在大约t=5.5 ms (当源电压稳 定在安全电压阈值时)，充电电流稳定在大约950rnA。在大约t=10 ms (当数字充电减小环路200认识到由于系统核心170不汲取负载电流而使 得源电压增大时)，数字充电减小环路200/500逐步增大充电电流。在大 约t=10.5 ms (当模拟控制电路240从数字充电减小环路200/500取得对充 电电流的控制时)，充电电流再次平衡在大约1.25A。通过使可能的充电电流达到最大限度，电池充电器140完全利用了可 从特定输入源245得到的电力，大大縮短了充电时间。在一些实施例中， 电池充电器MO不需要被配置为将最大充电电流限制到500毫安，并且可 依赖于数字充电减小来将充电电流降低到适当的水平。另外，如果具有 USB控制器(未示出)的USB设备IIO连接到USB主机105，则USB控 制器应当识别出它被插入到计算机系统的USB端口 130中，并且将会区分 A类(500毫安)端口和B类(100毫安)端口。但是，如果没有USB控 制器的USB设备110被连接到USB主机105，则USB设备110将无法识 别出它被插入到USB端口中。(例如，蓝牙耳机不具有USB控制器，因 为蓝牙耳机不被用于交换数据)。利用数字充电减小，没有USB控制器的USB设备110可被USB端口充电。利用数字充电减小环路，USB设备110 将自动逐步减小所汲取的电流。不需要外部控制。以上对本发明的优选实施例的描述只是示例性的，根据以上教导，可 对上述实施例和方法进行其他改变和修改。可利用编程的通用数字计算 机、利用专用集成电路、或者利用互连的传统组件和电路的网络来实现组 件。这里描述的实施例不是穷尽性的或者限制性的。本发明仅由权利要求 所限定。
权利要求
1.一种用于为电池充电的电池充电器，包括充电电流控制电路，用于接收充电电流控制信号，该充电电流控制信号用于控制从输入源汲取的充电电流的量；模拟控制电路，用于生成表示用于为电池充电的充电电流的最大量的模拟控制信号；数字充电减小环路，包括用于基于所述输入源的源电压来确定充电电流调节信号的电路，计数器，用于基于所述充电电流调节信号来生成数字计数值，以及模数转换器(DAC)，用于基于所述计数器的数字计数值来生成DAC控制信号，所述DAC控制信号表示将用于为所述电池充电的充电电流的减小了的量；以及切换机构，用于基于所述源电压来选择所述模拟控制信号或所述DAC控制信号之一，所选择的控制信号被用作去往所述充电电流控制电路的充电电流控制信号。
2. 如权利要求1所述的电池充电器，其中，所述充电电流控制电路可 操作以用于将所述充电电流限制到所述电池能够处理的最大充电电流。
3. 如权利要求1所述的电池充电器，其中，用于确定所述充电电流调 节信号的电路包括第一比较器，用于将基于所述源电压的第一电压与基准电压相比较以 生成第一比较器输出信号，该第一比较器输出信号用于控制所述计数器； 以及第二比较器，用于将基于所述源电压的第二电压与所述基准电压相比 较以生成第二比较器输出信号，该第二比较器输出信号用于控制所述切换 机构。
4. 如权利要求3所述的电池充电器，其中，所述计数器可操作以用于 在所述第一比较器输出信号为逻辑高值时上行计数。
5. 如权利要求4所述的电池充电器，其中，所述计数器可操作以用于 在所述第一比较器输出信号为逻辑低值时下行计数。
6. 如权利要求3所述的电池充电器，其中，当所述第二比较器输出信 号为逻辑低值时，所述切换机构可操作以用于选择所述DAC控制信号作 为所述充电电流控制信号并且所述计数器可操作以用于重置到预定的数字 值。
7. 如权利要求1所述的电池充电器，其中，所述切换机构可操作以用 于在所述计数器的数字计数值为预定数字值时选择所述模拟控制信号。
8. 如权利要求1所述的电池充电器，其中，所述数字充电减小环路还 包括用于生成时钟信号的时钟振荡器，其中，所述计数器可操作以用于与 所述时钟信号协调地修改所述数字计数值。
9. 如权利要求1所述的电池充电器，其中，用于确定所述充电电流调 节信号的电路包括比较器，用于将基于所述源电压的第一电压与基准电压 相比较以生成比较器控制信号，该比较器控制信号用于控制所述计数器和 所述切换机构。
10. 如权利要求9所述的电池充电器，其中，所述计数器可操作以用 于在所述比较器控制信号为逻辑高值时上行计数。
11. 如权利要求IO所述的电池充电器，其中，所述计数器可操作以用 于在所述比较器控制'言号为逻辑低值时下行计数。
12. 如权利要求9所述的电池充电器，其中，当所述比较器输出信号 为逻辑低值并且所述数字计数值为预定数字值时，所述切换机构可操作以 用于选择所述DAC控制信号作为所述充电电流控制信号并且所述计数器 可操作以用于重置。
13. 如权利要求9所述的电池充电器，其中，所述切换机构可操作以 用于在所述数字计数值为预定数字值时选择所述模拟控制信号作为所述充 电电流控制信号。
14. 如权利要求1所述的电池充电器，其中，所述切换机构包括RS触发器，用于在所述源电压低于跳脱电压阈值时接收重置信号， 并且用于在所述数字计数值为预定数字值时接收置位信号，所述RS触发器可操作以用于生成RS输出信号；以及复用器，用于基于所述RS输出信号来选择所述模拟控制信号或所述DAC控制信号之一。
15. 如权利要求1所述的电池充电器，其中，所述输入源是USB端tn。
16. 如权利要求1所述的电池充电器，其中，所述输入源是线路适配祖 益°
17. —种为电池充电的方法，包括生成表示用于为电池充电的充电电流的最大量的第一模拟控制信号； 基于输入源的源电压来确定充电电流调节信号； 基于所述充电电流调节信号来生成数字计数值；基于所述计数器的数字计数值来生成第二模拟控制信号，所述第二模 拟控制信号表示将用于为所述电池充电的充电电流的减小了的量；以及基于所述源电压来选择所述第一模拟控制信号或所述第二模拟控制信 号之一 以用作去往充电电流控制电路的充电电流控制信号。
18. 如权利要求17所述的方法，还包括将所述充电电流限制到所述电 池能够处理的最大充电电流。
19. 如权利要求17所述的方法，其中，确定所述充电电流调节信号的 步骤包括将基于所述源电压的第一电压与基准电压相比较以生成第一比较器输 出信号，该第一比较器输出信号用于控制生成所述数字计数值的步骤；以 及将基于所述源电压的第二电压与所述基准电压相比较以生成第二比较 器输出信号，该第二比较器输出信号用于控制所述选择步骤。
20. 如权利要求19所述的方法，其中，生成所述数字计数值的步骤包 括在所述第一比较器输出信号为逻辑高值时增大所述数字计数值。
21. 如权利要求20所述的方法，其中，生成所述数字计数值的步骤包 括在所述第一比较器输出信号为逻辑低值时减小所述数字计数值。
22. 如权利要求19所述的方法，其中，当所述第二比较器输出信号为逻辑低值时，所述选择步骤包括选择所述DAC控制信号作为所述充电电 流控制信号，并且所述方法还包括将所述数字计数值重置到预定的数字 值。
23. 如权利要求17所述的方法，其中，所述选择步骤包括在所述计数 器的数字计数值为预定数字值时选择所述模拟控制信号。
24. 如权利要求17所述的方法，还包括生成时钟信号，并且其中，所 述选择步骤包括与所述时钟信号协调地修改所述数字计数值。
25. 如权利要求17所述的方法，其中，确定所述充电电流调节信号的 步骤包括将基于所述源电压的第一 电压与基准电压相比较以生成比较器控 制信号，该比较器控制信号用于控制生成所述数字计数值的步骤和所述选 择步骤。
26. 如权利要求25所述的方法，其中，生成所述数字计数值的步骤包 括在所述比较器控制信号为逻辑高值时上行计数。
27. 如权利要求26所述的方法，其中，生成所述数字计数值的步骤包 括在所述比较器控制信号为逻辑低值时下行计数。
28. 如权利要求25所述的方法，其中，当所述比较器输出信号为逻辑 低值并且所述数字计数值为预定数字值时，所述选择步骤包括选择所述 DAC控制信号作为所述充电电流控制信号，并且所述方法还包括重置所述 数字计数值。
29. 如权利要求25所述的方法，其中，所述选择步骤包括在所述数字 计数值为预定数字值时选择所述模拟控制信号作为所述充电电流控制信 号。
30. 如权利要求17所述的方法，还包括 在所述源电压低于跳脱电压阈值时接收重置信号； 在所述数字计数值为预定数字值时接收置位信号；以及 基于接收到的信号生成RS输出信号；其中，所述选择步骤包括基于所述RS输出信号来选择所述模拟控制 信号或所述DAC控制信号之一。
31. 如权利要求17所述的方法，其中，所述输入源是USB端口。
32. 如权利要求17所述的方法，其中，所述输入源是线路适配器。
33. —种电池充电器中的数字充电减小环路，包括用于基于输入源的源电压来确定充电电流调节信号的电路；计数器，用于基于所述充电电流调节信号来生成数字计数值；以及 模数转换器(DAC)，用于基于所述计数器的数字计数值来生成 DAC控制信号，所述DAC控制信号表示将用于为电池充电的充电电流的
34. —种电池充电器中的数字充电减小环路，包括 用于基于输入源的源电压来确定充电电流调节信号的装置； 用于基于所述充电电流调节信号来生成数字计数值的装置；以及 用于基于所述数字计数值来生成DAC控制信号的装置，所述DAC控制信号表示将用于为电池充电的充电电流的量。
全文摘要
一种用于为电池充电的电池充电器装置，包括充电电流控制电路，用于接收充电电流控制信号，该充电电流控制信号用于控制从输入源汲取的充电电流的量；模拟控制电路，用于生成表示用于为电池充电的充电电流的最大量的模拟控制信号；数字充电减小环路，包括基于输入源的源电压来确定充电电流调节信号的电路，基于充电电流调节信号来生成数字计数值的计数器，以及基于计数器的数字计数值来生成控制信号的模数转换器，该控制信号表示将用于为电池充电的充电电流的减小了的量；以及切换机构，其基于源电压来选择模拟控制信号或该控制信号之一，所选择的控制信号被用作去往充电电流控制电路的充电电流控制信号。
文档编号H02J7/00GK101578748SQ200780042337
公开日2009年11月11日 申请日期2007年10月16日 优先权日2006年11月14日
发明者大卫·艾伦·布朗, 约翰·荪浩·苏 申请人:先进模拟科技公司