专利名称：快速充电的充电器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具高充电速度的电池充电器，特别是涉及一种能自动测量电池内
阻以进行补偿的高速电池充电器。
背景技术：
随着便携式电子产品的发展与盛行，低功率消耗与高效率成为便携式电子产品的首要考虑。而这些利用电池提供电源的电子电路必须工作在低电压与低电流以减少功率消耗，使得电池得以延长工作时间。因此有效率的电源管理已成为电子电路设计的重要因素之一。 为了减少功率消耗，稳压器常被用来降低工作电压，将较高的输入电压转换为较低的电压以供其他的电路使用。电压转换的方式大致分为切换式稳压器、直流-直流电压调整器与线性稳压器三种架构。线性稳压器又以低压降(Low Dropout,LD0)线性稳压器在便携式电子产品蓬勃发展的今日更显重要。低压降线性稳压器的优点在于输出电压对输入电压或负载的变化反应较为迅速、输出电压的涟波与杂讯较低、电路结构较简单、体积较小与价格较为低廉等等。而近年来更因其转换效率的提升，成为主流。 如图1A所示，低压降线性稳压器100包括传输元件110、分压电阻120与130、放大器140。传输元件110可为一晶体管(如图1A所示)，其栅极耦接于放大器140的输出端，其源极耦接于一输入电压Vi，其漏极耦接于分压电阻120的一端，且其漏极的电压为输出电压Vo。分压电阻120的另一端耦接于放大器140的非反相输入端。分压电阻130的一端亦耦接于放大器140的非反相输入端，分压电阻130的另一端接地。放大器140的反相输入端耦接一参考电压Vr。 而当使用低压降线性稳压器于充电器内部时，电池包装(BatteryPack) 150可以模拟成一寄生电阻151与电池152。而电池152在图1A中是用一电容符号表示的，且流经电池装置的充电电流为ICH。而其充电模式的改变可由图1B解释的，低压降线性稳压器100一开始会先以小电流模式(Trickle Mode)将电池包装150充到第一预定电压Vpl，再切换为定电流模式(Constant Current Mode)充电。当电池包装150的电压充到第二预定电压Vp2时，即进入定电压模式(Constant Voltage Mode)，再将电池包装150稳压在第二预定电压Vp2。 然而此种充电方式有一大缺点，即当电池包装150的两端已达到第二预定电压Vp2时(亦即，由电池包装150外部所检测到的电压已达到第二预定电压Vp2时)，电池152的实际电压仍尚未达到第二预定电压Vp2。所以，此时，电池152的真正电压Ve为第二预定电压Vp2减去寄生电阻151上的压降(亦可称为电流电阻电压降(IR Drop))。为了使电池152能准确充至第二预定电压Vp2，在进入定电压模式后，充电器仍会以一逐渐降低的充电电流L来继续进行充电，直到此充电电流L小于一特定值的后才完成充电行为。故而，电流电阻电压降的大小决定了最终充电时间的长短。 为了改善此一缺点，将原本图1A的传统充电电路图改为如图2所示。在图2的充电电路图中，加入了感应电阻160与170。分压电阻120与130的电阻值分别为R12。与R13。，感应电阻160与170的电阻值分别为R16。与R17。，而流经电池包装150的电流为ICH时，则输出电压Vo可如下公式所示
<formula>formula see original document page 5</formula> 此公式(1)符合两个边界条件，在电流I^为零时，Vo等于第二预定电压Vp2 ;在电流L为最大值时，Vo等于第二预定电压Vp2加上所需补偿的电流电阻位降。利用这样的充电模式，当充电器转换到定电压模式时，将会降低电池152的电压与第二预定电压Vp2间的误差。 然而图2所示的充电电路仍有一缺点，即必须先测得电池包装150的寄生电阻151的电阻值，再根据最大充电电流U得到电流电阻电压降。如此，才可利用上述公式(1)求得分压电阻120U30与感应电阻160U70的电阻值R12。、R13。与R16。、R17。。但是，不同的电池包装，其寄生电阻也会不同，所以会造成感应电阻160U70的电阻值R16。、 R17。的不确定性，使得充电的效能无法提升。
发明内容
本发明提供一种充电器，适用于预估电池装置的寄生电阻以进行补偿，如此可以
加快充电的速度，提升充电的效能。 本发明提供一种充电器，此充电器包括低压降线性稳压器、控制器与补偿调整单元。低压降线性稳压器提供充电电流给电池装置。控制器耦接于低压降线性稳压器，用以控制低压降线性稳压器所输出的充电电流。补偿调整单元耦接于低压降线性稳压器与电池装置，补偿调整单元接收第一参考电压。 其中当进入第一操作模式时，补偿调整单元输出第一参考电压至低压降线性稳压器。当进入第二操作模式时，控制器令低压降线性稳压器在一瞬间产生第一充电电流与第二充电电流，回应于第一充电电流与第二充电电流，电池装置的输出电压分别为第一输出电压与第二输出电压，补偿调整单元藉由检测第一输出电压与第二输出电压而预估电池装置的寄生电阻的电阻值，用以对第一参考电压进行补偿。 根据本发明的实施例，补偿调整单元包括电压补偿单元与电压位阶调整单元。电压补偿单元耦接于低压降线性稳压器，电压补偿单元的输出信号有关于第一输出电压与第二输出电压间的差值。电压位阶调整单元接收电压补偿单元的输出信号以补偿第一参考电压。 根据本发明的实施例，电压位阶调整单元包括电压电流转换器、反相传输链、数字电流源与电压累加器。电压电流转换器耦接于电压补偿单元，用以将电压补偿单元的输出信号转换为第一电流。反向传输链耦接于电压电流转换器，用以将第一电流转换为数字码。数字电流源耦接于反向传输链，用以根据数字码决定第二电流。以及，电压累加单元耦接于数字电流源，电压累加单元根据第二电流而输出补偿电压，补偿电压用于补偿第一参考电压。 根据本发明的实施例，其中电压累加单元包括运算放大器与电阻。运算放大器具有第一输入端、第二输入端与输出端。第一输入端耦接于第一参考电压。第二输入端耦接 于输出端。电阻一端接收第二电流而另一端耦接于运算放大器的输出端，补偿电压相关于 电阻上的电压降。 综上所述，由于本发明实施例所提出的充电器，可以计算出电池装置的寄生电阻
的电阻值大小，进而求出寄生电阻的电流电阻位降以进行补偿。所以本发明实施例所提供
的充电器可以准确将电池装置里的电池充至特定电压，以提升充电的效能。且本发明实施
例所提供的充电器可加快电池充至特定电压的速度，以减少充电所需耗费的时间。 为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并结合附图
详细说明如下。
图1A示出了传统充电器的示意图。 图1B示出了充电模式的曲线图。 图2示出了改善传统充电器的示意图。 图3示出了电池装置的等效电路图。 图4A示出了依据本发明实施例所提供的充电器与电池装置的充电示意图。 图4B示出了依据本发明实施例所提供的低压降线性稳压器的电路图。 图4C示出了依据本发明实施例所提供的补偿调整单元的电路图。 图4D示出了依据本发明实施例所提供的电压位阶调整单元的电路方块图。 图4E示出了依据本发明实施例所提供的电压电流转换器与反相传输链的电路图。 图4F示出了依据本发明实施例所提供的数字电流源的电路图。 图4G示出了依据本发明实施例所提供的电压累加单元的电路图。 图5A示出了充电电流的特征曲线图。 图5B示出了电池装置两端电压和电池两端电压的特征曲线图。 图6示出了依据本发明实施例所提供的电压补偿单元的电路图。 附图符号说明 100 :低压降线性稳压器 110:传输元件 120、130:分压电阻 140 :放大器 150:电池包装 151 :寄生电阻 152 :电池 160、170:感应电阻 Vi :输入电压 Vo:输出电压 IcH:充电电流 Vr:参考电压
6
VB :电池两端的电压 Vpl :第一预定电压 Vp2 :第二预定电压
300 310 320 400 500
510
511
512
513
520
521
522
523 530 540
寄生电阻 电池 充电器
低压降线性稳压器 运算放大器 非反相端 反相端
放大器输出端 开关
开关控制端 开关输入端 开关输出端 第一分压电阻 第二分压电阻 Vref :参考电压 Vref':参考电压 I :充电电流
VIN:输入电压
VOUT :输出电压
600 :补偿调整单元
610 :电压补偿单元
620 :电压位阶调整单元
VI :第一次检测出的输出电压
V2:第二次检测出的输出电压
K(V1-V2):第一补偿电压
630 :电压电流转换器
Vinl2 :电压电流转换器的输入端
Ic:第一补偿电流
640 :反向传输链
SW_CTL :数字码 650 :数字电流源 ID :电流
660 :电压累加器
664 :第一运算放大器
665 :第一非反相输入端
666 :第一反相输入端 667 :第一输出端 668:累加电阻 AV:累加电压 II :第一次检测出的充电电流 12 :第二次检测出的充电电流 Vp:特定电压 R『Rp2:电阻 N :常数
具体实施例方式
以下的叙述将结合伴随着实施例的图示来详细对本发明所提出的实施例进行说 明。在各图示中所使用相同或相似的参考标号，是用来叙述相同或相似的部份。
—般电池装置除了电池之外，在电池装置里还会有许多的寄生电阻，如电池内阻、 接点电阻等等。如图3所示，可以把电池装置300等效模拟成寄生电阻310与电池320。在 图3中，电池320用电容符号表示。当有电流对电池装置300充电时，会在寄生电阻310上 形成电流电阻电压降。所以当量测到电池装置300两端的压降为特定电压Vp时，电池320 两端的压降为特定电压Vp扣掉寄生电阻310上的电流电阻电压降。为了确保电池装置300 里的电池320充电到特定电压Vp，必须把电池装置300里的寄生电阻310上的电流电阻电 压降补偿回来。 图4A所示为依据本发明实施例的充电器对电池装置300充电的示意图。充电器 400包括低压降线性稳压器500、补偿调整单元600与控制器700。低压降线性稳压器500 接收输入电压VIN，当充电器400操作时，提供输出电压VOUT给电池装置300，且产生流经 电池装置300的充电电流I。控制器700耦接于低压降线性稳压器500，用以控制充电电流 I的大小以及改变充电模态。 补偿调整单元600接收参考电压Vref。补偿调整单元600用以检测瞬间改变的充 电电流I所造成的输出电压VOUT的变化(即VI、 V2， VI与V2的定义将于底下说明)。补 偿调整单元600藉由所检测到的输出电压VOUT的瞬间变化(由瞬间改变的充电电流I所 造成)，计算出寄生电阻310的电阻值大小。补偿调整单元600根据计算出的寄生电阻310 的电阻值大小，产生另一参考电压Vref'给低压降线性稳压器500，用以补偿寄生电阻310 上的电流电阻电压降。意即，在定电流模式下，当检测出寄生电阻310的电阻值大小时，则 将参考电压Vref'输出给低压降线性稳压器500。如此，可令电池320两端的电压快速达到 特定电压Vp。 图4B所示为依据本发明实施例所提供的低压降线性稳压器500的电路图，此为低 压降线性稳压器的一种实施方式，但并非用以限定本发明。低压降线性稳压器500包括运 算放大器510、开关520、第一分压电阻530与第二分压电阻540。运算放大器510具有非反 相端511、反相端512与放大器输出端513。其中反相端512耦接于补偿调整单元600，用以 接收参考电压Vref'。 开关520具有开关控制端521、开关输入端522与开关输出端523。开关控制端521耦接运算放大器510的放大器输出端513。开关输入端522用以接收输入电压VIN。开 关输出端523用以提供输出电压VOUT给电池装置300，且产生流经电池装置300的充电电 流I。 而开关520可为一晶体管(如图4B所示)。开关520的控制端521为晶体管的栅 极，开关520的输入端522为晶体管的漏极，开关520的输出端523为晶体管的源极，然而 晶体管为开关520的一种实施方式，并非用以限制本发明。第一分压电阻530 —端耦接于 开关输出端523，其另一端耦接于运算放大器510的非反相端511。第二分压电阻540 —端 耦接于运算放大器510的非反相端511，其另一端接地。 图4C所示为依据本发明实施例所提供的补偿调整单元600的电路图。补偿调整 单元600包括电压补偿单元610与电压位阶调整单元620。电压补偿单元610用以检测 瞬间改变的充电电流I所造成的输出电压VOUT的变化。电压补偿单元610藉由所检测到 的输出电压VOUT的瞬间变化(由瞬间改变的充电电流I所造成)，计算出寄生电阻310的 电阻值大小，产生一个可补偿寄生电阻310上的电流电阻位降的第一补偿电压K(V1-V2) (K 为一常数，将于下面解释)。 电压位阶调整单元620耦接于电压补偿单元610与低压降线性稳压器500的间， 用以接收参考电压Vref 。电压位阶调整单元620又从电压补偿单元610接收第一补偿电压 K (Vl-V2)，将第一补偿电压K (Vl-V2)迭加在参考电压Vref上，产生参考电压Vref'给低压 降线性稳压器500，用以补偿寄生电阻310所形成的电流电阻电压降。 图4D所示为本发明实施例所提供的电压位阶调整单元620的电路方块图。电压 位阶调整单元620包括电压电流转换器630、反相传输链640、数字电流源650与电压累加 器660。电压电流转换器630耦接于电压补偿单元610，用以将第一补偿电压K(V1-V2)转 换为第一补偿电流Ic。反相传输链640耦接于电压电流转换器630，用以将第一补偿电流 Ic转换为数字码SW_CTL。 图4E所示为依据本发明实施例所提供的电压电流转换器630与反相传输链640 的一种实施方式，但并非用以限定本发明。由图4E所示可知，第一补偿电压K(V1-V2)由图 4E中的Vinl2输入，而数字码SW_CTL为图4E中的SW_CTL
、SW_CTL[1]等等。而电压电流 转换器630与反相传输链640的其他元件耦接关系如图4E所示，故在此便不多赘述。
虽然每个电池装置300的寄生电阻310的电阻值皆不同，但是电阻值皆会在一定 范围内，所以第一补偿电压K(Vl-V2)、第一补偿电流Ic与数字码SW—CTL也会在一定范围 内。而第一补偿电压K(V1-V2)藉由电压电流转换器630转为第一补偿电流Ic来驱动反相 传输链640。由于第一补偿电流Ic和讯号的传递时间成反比，因而不同的第一补偿电流Ic 造成反相传输链640的延迟差异将可决定出不同的数字码SW_CTL，而得到的数字码SW_CTL 就可以控制所要补偿寄生电阻310所形成的电流电阻电压降。 数字电流源650耦接于反向传输链640，用以根据反向传输链640所产生的数字 码SW_CTL决定电流ID的大小。图4F所示为依据本发明实施例所提供的数字电流源650的 一种实施方式，但并非用以限定本发明。数字电流源650其内部元件的耦接关系如图4F所 示，故在此便不多赘述。 电压累加单元660耦接于数字电流源650与低压降线性稳压器500的间，用以接 收参考电压Vref 。电压累加器660又从数字电流源650接收电流ID，且根据电流ID产生参考电压Vref'给低压降线性稳压器500，用以补偿寄生电阻310所形成的电流电阻电压降。
图4G所示为依据本发明实施例所提供的电压累加单元660的一种实施方式，但并 非用以限定本发明。电压累加单元660包括第一运算放大器664与累加电阻668。第一 运算放大器664具有第一非反相输入端665、第一反相输入端666与第一输出端667。第一 非反相输入端665用以接收参考电压Vref。第一反相输入端666耦接于第一输出端667。
累加电阻668的一端耦接于数字电流源650与低压降线性稳压器500，而累加电阻 668的另一端耦接于第一输出端667。由于累加电阻668耦接于数字电流源650，电流ID流 经累加电阻668，而在累加电阻668两端形成累加电压AV。而累加电阻668又耦接于低压 降线性稳压器500，所以低压降线性稳压器500接收到的电压为累加电压AV加上参考电压 Vref，亦即参考电压Vref'为累加电压A V加上参考电压Vref 。 而补偿调整单元600计算出寄生电阻310的方式可由图5A与图5B解释。请参照
图4A、图5A与图5B，当在定电流模式下(如图5A所示，在定电流模式下的充电电流I的值
为II)，控制器700将充电电流I快速的调降些许，形成如图5A所示的由II调至12。由于
充电电流I是快速的调降，而电池320在充电时的作用与一电容的作用相似，故在这微小的
时间内电池320两端的电压几乎不变而可视为常数Vcons。而当充电电流I为II时的输
出电压VOUT由图5B可知为V1，当充电电流I为12时的输出电压VOUT由图5B可知为V2。
假设寄生电阻310的电阻值为R，可得下列公式VI = II R+Vcons (2)与 V2 = 12 R+Vcons (3) 藉由以上两个公式可推得R的公式如下所示 i = - M、 因此，只要知道V1、V2、11与12，就可以得到寄生电阻310的电阻值R。且寄生电 阻310上的电流电阻电压降I1XR亦可得到。由低压降线性稳压器500的第一分压电阻 530与第二分压电阻540的关系(第一分压电阻530的电阻值为Rl，第二分压电阻的电阻 值为R2)，补偿寄生电阻310上的电流电阻电压降I1XR的第一补偿电压K(V1-V2)如下所
示《(n—r2) = /1 x a x ~-
T1厂l —i 2
=71x-x- 。、
1 i 2 上式中，/lx-X-的值为K。 所以电压补偿单元610可为P补偿器，而将第一补偿电压的值K(V1-V2)计算出 来。图6所示为依据本发明实施例所提供的电压补偿单元610的一种实施方式，其为P补 偿器，但此实施方式并非用以限定本发明。而电压补偿单元610其内部元件的耦接关系如 图6所示，故在此便不多赘述。如图6所示，输出电压VI与V2输入电压补偿单元610，产生如下所示的第一补偿电压K(V1-V2):《(n — F2) 二 - r2) x TV x i f2 (6) 将图6中的^"X 7V"xi^2设计成K，如此则完成寄生电阻3K)的计算，且将可
^尸1
补偿寄生电阻310上的电流电阻电压降的第一补偿电压K(V1-V2)计算出来。 第一补偿电压K(V1-V2)经由电压位阶调整单元620的操作，产生参考电压Vref'
给低压降线性稳压器500。再经由低压降线性稳压器500的操作，充电装置300两端的电压
可充至特定电压Vp加上寄生电阻310所形成的电流电阻电压降，而电池320两端的电压可
充至特定电压Vp。如此，可使得充电器400延后进入定电压模式，而延长定电流模式的充电
时间，减少寄生电阻310所形成的电流电阻电压降的影响，进而加快充电速度。 综上所述，由于本发明实施例所提出的充电器，可以计算出电池装置的寄生电阻
的电阻值大小，进而求出寄生电阻的电流电阻电压降并进行补偿。所以本发明实施例所提
供的充电器可以准确将电池装置里的电池充至特定电压，以提升充电的效能。且本发明实
施例所提供的充电器可加快电池充至特定电压的速度，以减少充电所需耗费的时间。 虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，本领域的技术
人员在不脱离本发明的精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，因此本发明的保护范
围以本发明的权利要求为准。
1权利要求
一种充电器，适用于补偿一电池装置的一寄生电阻，而该电池装置还包括一电池，该充电器包括一稳压器，提供一充电电流给该电池装置；一控制器，耦接于该稳压器，并控制该稳压器所输出的该充电电流；以及一补偿调整单元，耦接于该稳压器与该电池装置，该补偿调整单元接收一第一参考电压；当进入一第一操作模式时，该补偿调整单元输出该第一参考电压至该稳压器；当进入一第二操作模式时，该控制器令该稳压器在产生一第一充电电流与一第二充电电流，回应于该第一充电电流与该第二充电电流，该电池装置的一输出电压分别为一第一输出电压与一第二输出电压，该补偿调整单元藉由检测该第一输出电压与该第二输出电压而预估该电池装置的该寄生电阻的电阻值，用以对该第一参考电压进行补偿。
2. 如权利要求1所述的充电器，其中该补偿调整单元包括一电压补偿单元，耦接于该稳压器，该电压补偿单元的一输出信号相关于该第一输出 电压与该第二输出电压间的一差值；以及一电压位阶调整单元，接收该电压补偿单元的该输出信号以补偿该第一参考电压。
3. 如权利要求2所述的充电器，其中该电压位阶调整单元包括一电压电流转换器，耦接于该电压补偿单元，用以将该电压补偿单元的该输出信号转 换为一第一电流；一反向传输链，耦接于该电压电流转换器，用以将该第一电流转换为一数字码； 一数字电流源，耦接于该反向传输链，用以根据该数字码决定一第二电流；以及 一电压累加单元，耦接于该数字电流源，该电压累加单元根据该第二电流而输出一补 偿电压，该补偿电压用于补偿该第一参考电压。
4. 如权利要求3所述的充电器，其中该电压累加单元包括一运算放大器，具有一第一输入端，耦接于该第一参考电压；一第二输入端；以及一 输出端，耦接于该第二输入端；以及一电阻，一端接收该第二电流而另一端耦接于该运算放大器的该输出端，该补偿电压 相关于该电阻上的电压降。
5. —种充电器，适用于补偿一电池装置的一寄生电阻，而该电池装制还包括一电池，该 充电器包括一稳压器，提供一充电电流给该电池装置，回应于该充电电流，产生一输出电压于该电 池装置；一控制器，耦接于该稳压器，并控制该稳压器所输出的该充电电流；一电压补偿单元，耦接于该稳压器，该电压补偿单元的一输出信号相关于瞬间变化的 该输出电压的一差值；一电压电流转换器，耦接于该电压补偿单元，用以将该电压补偿单元的该输出信号转 换为一第一电流；一反向传输链，耦接于该电压电流转换器，用以将该第一电流转换为一数字码； 一数字电流源，耦接于该反向传输链，用以根据该数字码决定一第二电流；以及 一电压累加单元，耦接于该数字电流源，用以接收一第一参考电压，该电压累加单元根据该第二电流而输出一补偿电压，该补偿电压用于补偿该第一参考电压；当进入一第一操作模式时，该电压累加单元输出该第一参考电压至该稳压器； 当进入一第二操作模式时，该控制器令该稳压器在产生一第一充电电流与一第二充电 电流，回应于该第一充电电流与该第二充电电流，于该电池装置的该输出电压分别为一第 一输出电压与一第二输出电压，该电压补偿单元藉由检测该第一输出电压与该第二输出电 压而预估该电池装置的该寄生电阻的电阻值，用以对该第一参考电压进行补偿。
6.如权利要求5所述的充电器，其中该电压累加单元包括一运算放大器，具有一第一输入端，耦接于该第一参考电压；一第二输入端；以及一 输出端，耦接于该第二输入端；以及一电阻，一端接收该第二电流而另一端耦接于该运算放大器的该输出端，该补偿电压 相关于该电阻上的电压降。
全文摘要
一种可对电池装置快速充电的充电器，其包括稳压器、控制器与补偿调整单元。稳压器提供一充电电流给电池装置。控制器耦接于稳压器，用以控制稳压器所输出的充电电流。补偿调整单元耦接于稳压器与电池装置，用以接收第一参考电压。当进入第一操作模式时，补偿调整单元输出第一参考电压至稳压器。当进入第二操作模式时，控制器令稳压器在一瞬间产生第一、第二充电电流，相对应的电池装置的输出电压分别为第一、第二输出电压，补偿调整单元藉由检测第一、第二输出电压而预估电池装置的寄生电阻的电阻值，用以对第一参考电压进行补偿。
文档编号H02J7/00GK101728840SQ20081016908
公开日2010年6月9日 申请日期2008年10月20日 优先权日2008年10月20日
发明者林家祥, 陈星祎, 陈科宏, 黄宏玮 申请人:智原科技股份有限公司