具有反向升压模式的降压升压充电器配置的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请是于2019年6月25日提交的美国非临时专利申请号16/452,414的部分继续申请，该申请要求于8月21日提交的美国临时专利申请号67/720,650的优先权。本申请还要求于2019年4月23日提交的美国临时专利申请号62/837,649的优先权，所有这些申请的整体内容通过引用并入本文。

本实施例大体上涉及移动和计算设备，更具体地涉及用于这种设备的电池充电器应用，其在仅电池模式期间管理和/或推迟系统停机条件，以便优化系统性能。

背景技术：

电池充电器，特别是用于移动计算设备的电池充电器，负责执行或支持各种操作条件和应用。例如，诸如膝上型计算机或笔记本计算机之类的传统移动计算设备包括用于电源适配器的插入端口。当适配器插入该端口时，电池充电器负责使用由移动计算设备制造商指定的适配器电压为电池充电。同样，当没有适配器插入专用端口时，电池充电器负责允许移动计算设备使用电池中存储的能量进行操作，并且当电池水平太低时，还支持关机条件或接近关机条件。尽管可以接受一些传统方法来支持这些关机条件，但仍有更多的改进机会。

技术实现要素：

在一个或多个实施例中，当电池被放电到低于电池容量的阈值水平时，方法和装置允许仅电池操作模式从理想二极管模式转换为反向升压模式。除其他方面外，这还可以防止系统停机问题并且延长最大cpu性能周期。

附图说明

对于本领域普通技术人员而言，结合附图，在查阅以下对特定实施例的描述时，本实施例的这些和其他方面以及特征变得显而易见。

图1是图示了本实施例可能适用的示例设备或系统的框图。

图2是图示了标准电池充电器应用中的一些问题的图。

图3是图示了根据本实施例的反向升压模式的示例方面的图。

图4是图示了本实施例的在包括集成电路的电池充电器体系架构中的示例实现方式的示意图。

图5是图示了根据实施例的示例方法的流程图。

具体实施方式

现在，参考附图，对本实施例进行详细描述，这些附图被提供作为实施例的说明性示例，以使得本领域技术人员能够实施对于本领域技术人员而言显而易见的实施例和备选方式。值得注意的是，以下附图和示例并不意味着将本实施例的范围限制为单个实施例，而是可以通过互换所描述或图示的元件中的一些或全部元件来实现其他实施例。而且，在可以使用已知部件部分或完全实现本实施例的某些元件的情况下，仅对理解本实施例所必需的这些已知部件的那些部分进行描述，并且省略了对这些已知部件的其他部分的详细描述，以免使本实施例晦涩难懂。如对于本领域技术人员而言显而易见的，除非本文另外指明，否则被描述为以软件实现的实施例不限于此，而是可以包括以硬件或软件和硬件的组合实现的实施例，反之亦然。在本说明书中，示出了单个部件的实施例不应被认为具有限制性；相反，除非本文另外明确指出，否则本公开旨在涵盖包括多个相同部件的其他实施例，反之亦然。而且，除非明确提出，否则申请人不希望说明书或权利要求书中的任何术语具有不常见或特殊的含义。进一步地，本实施例涵盖本文中通过说明提及的已知部件的当前和将来的已知等同物。

如上文所陈述的，根据某些方面，本实施例涉及方法和装置，其用于在具有某些系统负载要求、电池配置和外部设备电源支持的计算系统中操作电池充电器。根据其他方面，本实施例提供了方法和装置，其用于当电池充电器正在从电池提供系统电力时，诸如当未连接适配器时，提供反向升压操作模式。根据实施例的反向升压操作模式提供经调节的输出电压，从而即使当电池已经被放电到低于阈值放电水平时，也允许诸如cpu之类的负载以最大性能操作。

图1是图示了并入了本实施例的示例系统100的各方面的框图。系统100可以是计算设备，诸如笔记本计算机(例如，macbook、ultrabook等)、膝上型计算机、手写板或输入板计算机(ipad、surface等)等、移动电源、通用串行总线类型c(usb-c)接口平台、或使用对电源轨敏感的电池的任何系统。在这些和其他实施例中，系统100包括负载116，其可以包括运行诸如windows、android或appleios之类的传统操作系统的cpu124，并且可以是来自intel、amd或其他制造商的x86处理器，以及freescale、qualcomm制造的其他处理器，dsp，gpu等。负载116还可以包括核电压调节器122，其用于从充电器102的输出vsys/vout向cpu124供应经调节的电压。应当显而易见的是，系统100可以包括许多未示出的其他部件，诸如固态驱动器和其他磁盘驱动器、存储器、外围设备、显示器、用户界面部件等。根据某些方面，其中本实施例可以找到特别有用的应用的系统100具有可能超过诸如usb-a之类的技术的功率极限(例如，超过60瓦)的操作功率需求。然而，本实施例不限于这种系统中的应用。

如所示出的，系统100包括电池104和电池充电器102。在实施例中，充电器102是升压降压窄输出电压dc(nvdc)充电器(即，dc-dc转换器)。根据某些一般方面，在系统100的正常运行期间，当电源适配器插入端口106时，电池充电器102被配置为对电池104充电。优选地，除了为电池104充电之外，电池充电器102还适于将来自适配器的功率转换为适合于向系统100的部件(包括负载116)供应的电压(例如，在如本领域中已知的降压模式、升压模式或降压-升压模式下)。根据某些其他一般方面，当电源适配器未插入端口106时，电池充电器102被配置为管理从电池104向负载116和/或连接到端口106的外围设备的功率供应(例如，在降压模式、升压模式或降压-升压模式下)。下文提供根据本实施例的电池充电器102的更多细节。

在笔记本计算机(例如，ultrabook)和系统100的其他实施方式中，电池104可以是可再充电1s/2s/3s/4s(即，1电池堆、2电池堆、3电池堆或4电池堆)锂离子(li-ion)电池。在这些和其他实施例中，端口106可以是usb端口，诸如usbc型(usb-c)端口或usb功率递送(usbpd)端口。尽管未在图1中示出，但是还可以提供端口106与充电器102之间的开关，以将来自连接到端口106的适配器的功率可控地耦合到充电器102，或者可替换地，向充电器102和/或端口106提供系统功率。这样的开关也可以包括有源设备，诸如背对背fet(未示出)，或由其实现。

如进一步所示出的，其中本实施例可以找到特别有用的应用的示例系统100包括嵌入式控制器(ec)112。ec112包括用于控制充电器102的某些操作的功能，并且通常负责管理系统100的功率配置(例如，取决于功率适配器是否连接到端口106，如耦合到端口106的端口控制器(未示出)检测并报告的)，从燃料计(fuelgauge)114接收电池104的状态，并且向充电器102和cpu124传达电池充电水平和其他操作控制信息(例如，经由smbus或i2c接口)，如从下文的描述中变得更加显而易见。

根据某些方面，本申请人认识到困扰诸如图1所示的电池充电器之类的传统电池充电器和/或包含稳压器或转换器的适配器的各种问题。

例如，参考图1，充电器102可以被配置为在标准电池充电器应用中以“仅电池”模式操作，例如，当适配器未插入端口106时。在这个时间期间，充电器102通过使得电流从电池104汲取(例如，使用本领域技术人员已知的“理想二极管”模式)将电池电压提供给vsys/vout。同样，在这个时间期间，燃料计114连续监测电池电压，并且将电池充电信息发送到ec112。

图2提供了两个曲线图，其图示了在这种“仅电池”模式下的系统操作。顶部曲线图202图示了作为时间的函数的电池电压(由曲线222所示)，而底部曲线图204图示了作为同一时间的函数的电池放电电流(由曲线224所示)。可以看出，基于负载116的操作要求，电池放电电流(由曲线224所示)随时间变化，但是从不超过最大放电电流水平226(例如，受cpu124或核vr122的限制)。同时，充电器102负责将来自电池104的功率(例如，使用本领域技术人员已知的“理想二极管”模式)提供给输出节点vout/vsys。同时，在这种传统情况下，核vr122操作以从节点vout/vsys向cpu124提供经调节的电压。

同时，参考图1，由曲线222所示的电池电压由燃料计114连续监测，并且该信息被提供给ec112。在一些实现方式中，ec112基于用于实施电池102的电池单元的数目来确定电池102的最大容量和最小容量。例如，在两单元(例如，2s)电池的情况下，最大电池电压为2×4.2v＝8.4v，最小电池电压为2×3v＝6v。在这样的示例中，充电30％的电池水平略高于6v。

如在时间206所示，当电池被放电至电池容量的约30％时(如燃料计114所监测)时，该信息被提供给ec112并且传达给cpu124。这时，cpu124必须限制系统负载电流从最大水平226降低到减小水平228，以防止即将来临的系统停机。如图2进一步所示，如果电池在没有从适配器或其他地方补充功率的情况下继续放电，则在随后时间208，电池电压将达到最小充电水平(例如，如上所述的2s示例中，约为5v)，此时，cpu124和/或ec112别无选择，只能使系统停机(例如，经由上电复位(por))。

根据某些方面，本申请人应当认识到，如上文所描述的，在时间206和208之间的时段期间，推迟或消除cpu124的性能降低将是有利的。例如，在游戏笔记本电脑和其他应用中，如果cpu性能受到约束，则这些系统可能难以以低电池水平运行游戏，这对于游戏者/用户而言是不可接受的。类似问题也适用于web内容开发人员和/或视频编辑人员。而且，即使在时间206和208之间的时段期间，当以传统“理想二极管”模式操作时，负载116也仅接收曲线222所指示的越来越低的电池电压。如此，负载116容易受到“负载插入”(例如，当除了cpu124以外的其他设备连接到系统100时)或可能使得电池放电电流出现峰值的其他事件的影响。这种事件可能使得负载116所看到的系统电压下降到低于指定的最小电池电压(例如，由于理想二极管的增加的漏极源极电流和漏极源极电阻而引起的电压降)。

根据这些和其他方面，实施例通过提供反向升压模式(与传统“理想二极管”模式相反)以允许cpu124继续以全性能并且在对电压进行了调节的情况下操作，即使电池水平已经下降到低于规定充电水平，从而解决了这些和其他问题。尽管根据实施例的反向升压模式的操作可能需要以比传统方法更快地完全使系统停机，但是在诸如上文所描述的那些情况之类的许多情况下，这种折衷是理想的。

图3图示了根据本实施例的反向升压模式的示例方面。与图2类似，顶部曲线图302图示了作为时间的函数的电池电压(由曲线322所示)，而底部曲线图304图示了作为同一时间的函数的电池放电电流(由曲线324所示)。可以看出，基于负载116的操作要求，电池放电电流(由曲线324所示)随时间变化，但是从未超过最大放电电流水平326(例如，如上文所描述的，受cpu124或核vr122的限制)。与图2所示的传统操作不同，可以从图3看出，当电池在时间306处被放电到低于电池容量的约30％时，启用根据实施例的反向升压模式。结果，可以在延长的时段内直到时间308，在没有任何cpu性能限制并且对电压进行了调节的情况(与仅电池电压相反)下防止系统停机，尽管以比传统方法更快地将电池放电到最小水平的代价，如曲线322的段322-a所示。如下文所更详细描述的，在根据实施例的反向升压模式的一个示例中，以某个方式对一个或多个电池控制晶体管(例如，fet)和旁路晶体管(fet)对进行控制，以将系统电压调节为任何值并且在没有对cpu性能进行限制的情况下防止系统停机。

图4是图示了本实施例在使用集成电路402的诸如图1所示的电池充电器体系架构之类的电池充电器体系架构中的详细实现方式的一个示例的示意框图。尽管要在下文进行更详细描述的所说明的示例充电器102是降压升压充电器，但是本实施例不限于该示例，并且可以包括其他类型的充电器，诸如降压充电器和/或升压充电器。

这些实施例中的示例充电器102包括功率开关晶体管，该功率开关晶体管包括场效应晶体管(fet)q1402，其漏极耦合到节点404并且其源极耦合到中间节点406。另一fetq2的漏极耦合到节点406而其源极耦合至参考(例如，gnd)。示例充电器102还包括fetq4407，其漏极耦合到节点412而其源极耦合到中间节点405；以及fetq5408，其漏极耦合到节点405而其源极耦合到gnd。本领域技术人员应当领会，fetq1402，q2403，q4407和q5408以降压升压配置耦合，更具体地，以h桥降压升压配置耦合。在其他实施例中，还可以使用本领域中的任何其他类型的降压升压配置。

附加地，充电器102包括fetq6416，其漏极耦合到节点404而其源极耦合到中间节点420；以及fetq7418，其源极耦合到节点420而其漏极耦合到输出节点410。如上文所提及的，fetq6416和q7418可以实现背对背旁路fet，其提供附加控制，用于允许将功率从适配器传送到负载。其他示例还可以包括单个旁路fet。旁路fet的这种布置导致具有公共源415(也称为旁路源)的配置。fetq6416的栅极和fetq7418的栅极也耦合在一起，并且可以称为旁路门417。旁路源415和旁路门417都耦合到ic402，以允许ic402以控制旁路fet的操作。充电器102包括电感器l1，其耦合在节点406和节点405之间。如所示出的，输出节点410向诸如cpu(未示出)之类的系统负载416提供系统电压vsys。

在该示例中，充电器102还包括电池控制晶体管fetq3414(例如，ngate)和fetq8426(例如，bgate)对。ngatefetq3414的漏极耦合到节点410而其源极耦合到节点412。bgatefetq8426的漏极耦合到节点412而其源极经由电阻器r2427耦合到电池104。如上文所提及的，fetq3414和q8426可以实现一个或多个电池控制晶体管。fetq3414和q8426的栅极耦合到ic402，用于控制可再充电电池104的充电和放电。例如，当未连接电源适配器时，可以接通fetq3414和q8426，以允许来自电池104的功率将经由节点410被提供给系统负载。如本领域技术人员已知的，当连接电源适配器时，可以接通fetq3414并且可以线性方式控制fetq8426以控制可再充电电池104的充电。

fetq1402，q2403，q4407，q5408，q3414，q6416，q7418和q8426被示为使用n沟道mosfet实现，尽管可以设想其他类型的开关设备，诸如p沟道设备，其他类似形式(例如，fet、mos设备等)，双极结型晶体管(bjt)等，绝缘栅双极型晶体管(igbts)等。

如所示出的，根据本实施例的ic402包括正常模式模块422和反向升压模式模块424，其在正常模式和反向升压模式期间经由与其栅极的输出连接分别控制晶体管q1402，q2403，q4407，q5408，q3414，q6416和q7418的操作。为了便于说明，分别示出了模块422和424，但是该模块422和424可以包括公共电路，该公共电路包括也由用于由ic202控制系统100的其他操作的模块共享的电路。附加地并且相关地，尽管本描述着重于在仅电池模式下(诸如当适配器未连接到端口106时)操作的ic402，但是应当显而易见的是，ic402可以包括用于在其他模式下(诸如当电源适配器连接到端口106并且电池104正在充电时)操作的其他模块和/或功能。为了使本实施例清楚，本文中省略了这种附加功能和/或电路的细节。

正常模式模块422以降压模式或升压模式或降压升压模式操作fetq1402，q2403，q4407，q5408和q3414，以将输出电压vsys调节到窄dc范围以稳定系统总线电压。在该模式下，关断旁路fetq6416和q7418，并且将其维持处于off状态，而接通ngatefetq3414。当从适配器、电池或二者的组合提供系统功率时(例如，其中仅连接电池104、适配器仅连接到端口106、或两者的组合)，模块422可以操作。如此，在实施例中，模块422被配置为在多种功率和负载条件(诸如2单元锂离子电池、3单元锂离子电池或4单元锂离子电池的电池104配置，输入电压的范围为3.2v至23.4v并且系统输出电压vsys范围为2.4v至18.304v)下操作。

更具体地，在仅电池模式(例如，如通过ec112传达到ic402的)下，模块422首先操作以关断fetq1402，q2403，q4407，q5408，关断旁路fetq6416和q7418，并且接通ngatefetq3414和bgatefetq8426，以实现传统“理想二极管”模式，其中来自电池104的功率被直接提供给节点410。可以使用各种已知技术来实现执行该“理想二极管”模式操作(例如，将ngatefetq3414和bgatefetq8426维持处于基本on状态)的模块422，因此，本文中为了本发明的清晰起见，省略其进一步细节。在该模式期间，模块422不提供任何电压调节，因此来自电池104的电压被提供给节点410。然而，应当显而易见的是，通过从电池104汲取的电流乘以电阻r2427和ngatefetq3414和bgatefetq9426的漏极源极电阻可以减小该电压。而且如图2和图3所示，随着电池放电，该电池电压将随着时间减小。

然而，根据本实施例的各个方面，当通过ic402(例如，从ec112，当预先定义的电池充电水平(诸如最大电池充电的30％时，如由燃料表114所检测到的)被打破时)接收到“反向升压使能”信号时，禁用正常模式模块422并且激活反向升压模式模块424。在该模式期间，模块424关断ngatefetq3414(例如，将ngatefet维持处于off状态)，接通旁路fetq6416和q7418，并且在反向升压开关模式下操作fetq1402，q2403，q4407和q5408，以便经由输出节点410向负载提供经调节的电压。本领域技术人员应当理解如何使用诸如q1402，q2403，q4407，q5408和q5408之类的开关晶体管以及诸如脉宽调制(pwm)信号之类的控制信号以实现升压操作模式，因此本文中为了清楚起见，省略了其进一步细节。

图5是图示了根据实施例的可以由诸如图4中所示的充电器之类的充电器102实现的示例反向升压模式方法的流程图。

为了说明，图5在框502中示出了充电器102在仅正常电池模式下操作。例如，这可以响应于ic402从ec112接收到(例如，经由i2c、smbus等)适配器未连接至端口106的指示。在图4的示例中，仅正常电池模式可以包括正常模式模块422，其关断fetq1402，q2403，q4407和q5408，关断旁路fetq6416和q7418，以及接通fetq3414和q8426以启用“理想二极管”模式，以便将来自电池104的电压提供给输出节点410。

框504指示ec112持续监测来自燃料计114的信息。在框中，ec112比较来自燃料计114的信息以例如基于实现电池104的单元的数目来确定电池104是否已放电到预先确定的水平，诸如最大电池充电的30％。

如果ec112确定已经达到阈值放电水平，则在框506中，ec112可以通过发信号通知启用反向升压，请求充电器102从仅正常电池模式转换到反向升压模式。ec112可以通过经由smbus将某些值(例如，充电器102的一个或多个控制寄存器的一个或多个位)写入寄存器来这样做。ec112还可以执行某些操作来指导充电器102将vsys调节到某个目标电压(例如，经由smbus)。在其他实施例中，充电器102独立确定目标电压(例如，通过使用与适配器电压电平有关的信息)。

响应于在框506中请求反向升压模式的指示，在框508中开始充电器102的充电器102反向升压模式操作。该框包括：禁用正常模式模块422的操作并且启用反向升压模块424的操作。在该模式期间，模块424关断fetq3414，接通旁路fetq6416和q7418，并且在反向升压开关模式下操作fetq1402，q2403，q4407和q5408，以便经由输出节点410向负载提供与目标电压相对应并且高于电池电压的经调节的电压。为了执行该电压调节，模块424可以使用反馈电路(未示出)监测输出节点410处的电压，并且使用本领域技术人员已知的技术向q1402，q2403，q4407，q5408生成pwm开关信号。

应当指出，本实施例的反向升压模式可以由客户即发即弃，因此无需用于监测和保护系统或电池的开销处理。

尽管已经参考本发明的优选实施例对本发明的实施例进行了具体描述，但是对于本领域普通技术人员而言，应当显而易见的是，在不背离本公开的精神和范围的情况下，可以对形式和细节进行改变和修改。所附权利要求旨在涵盖这些改变和修改。