充电电路及充电控制方法与流程

1.本发明涉及充电电路，特别涉及通过适应性调整电压参考位准而缩短充电时间的充电电路及充电控制方法。


背景技术：

2.请参阅图1a，其显示一已知的充电电路的示意图。此已知的充电电路10包括控制电路11、功率级电路12以及反馈电路13。功率级电路12用以根据操作信号ug及lg，而对应操作其中的功率开关qa及qb，以控制电感l的导通状态，而将输入电源vin转换为充电电源vch，以对电池19充电。充电电源vch对应为充电电压vbat及充电电流ibat。控制电路11与功率级电路12耦接，用以根据反馈信号fb，而产生操作信号ug、lg。
3.反馈电路13用以根据充电电流ibat与充电电压vbat，而产生反馈信号fb。功率级电路12包括功率开关qa及qb与电感l。功率开关qa耦接于输入电源vin与电感l的第一端lx1之间，而功率开关qb耦接于接地电位gnd与电感l的第一端lx1之间。操作信号ug及lg分别用以控制功率开关qa及功率开关qb，以切换电感l的第一端lx1于输入电源vin与接地电位gnd。充电电源vch耦接电感l的第二端lx2，由此将输入电源vin转换为充电电源vch，以对电池19充电。
4.图1b是显示已知的充电电路的充电电压vbat(如图1b中粗黑实线所示意)及充电电流ibat(如图1b中粗黑虚线所示意)与时间的关系特征曲线示意图。如图1b所示，此已知的充电电路10自时间点t0开始到时间点t1的前段期间，充电电流ibat调节于固定电流ict，以对电池19进行充电；于时间点t1开始至时间点t2的后段期间，将充电电压vbat调节于固定电压vct，以对电池19进行充电。
5.于后段期间，也就是将充电电压vbat调节于的固定电压vct的充电期间，充电电流ibat仍会持续对电池19内部的电池芯191充电，因为充电电压vbat调节于固定电压vct，而随着电池芯191电压逐渐升高，充电电流ibat流经电池19内中，包含化学性电阻的电阻rpr，其所产生的电压降将逐渐降低，而使得充电电流ibat逐渐降低。当充电电流ibat降低至接近零电流的充电电流ibf，示意电池19充电完成，在这段时间点t1开始至时间点t2的后段期间，因充电电流ibat的逐渐降低，而使充电的效率较低，这段充电效率较低的后段期间越长，导致充电时间越长。
6.有鉴于此，本发明即针对上述现有技术的不足，提出一种可缩短充电时间的充电电路及充电控制方法。


技术实现要素：

7.于一观点中，本发明提供一种充电电路，其包括：一功率级电路，用以根据一操作信号，而操作其中的至少一功率开关，以将一输入电源转换为一充电电源，以对一电池充电，其中该充电电源包括一充电电压与一充电电流；一控制电路，与该功率级电路耦接，用以根据一电流反馈信号与一电压反馈信号，而产生该操作信号；一电流反馈电路，用以比较
相关于该充电电流的一电流感测信号与一电流参考位准，而产生该电流反馈信号；一电压反馈电路，用以比较相关于该充电电压的一电压感测信号与一电压参考位准，而产生该电压反馈信号；一电池芯压降感测电路，与该电池的一电池芯耦接，以感测该电池芯的一电池芯压降，而产生一芯压降感测信号；以及一调整电路，与该电池芯压降感测电路耦接，用以根据该芯压降感测信号，产生一调整信号，以适应性调整该电压参考位准。
8.于另一观点中，本发明提供一种充电控制方法，用以将一输入电源转换为一充电电源，以对一电池充电，该充电控制方法包括：根据一操作信号，而操作至少一功率开关，以将该输入电源转换为该充电电源，其中该充电电源包括一充电电压与一充电电流；根据一电流反馈信号与一电压反馈信号，而产生该操作信号；比较相关于该充电电流的一电流感测信号与一电流参考位准，而产生该电流反馈信号；比较相关于该充电电压的一电压感测信号与一电压参考位准，而产生该电压反馈信号；以及一参考位准调整步骤，包括：感测该电池内部的一电池芯压降，而产生一芯压降感测信号；以及根据该芯压降感测信号，产生一调整信号，以适应性调整该电压参考位准。
9.于一实施例中，该调整电路根据该芯压降感测信号超过一预设阈值时，适应性调降该电压参考位准。
10.于一实施例中，该调整电路包括一步阶下降电路，用以于该芯压降感测信号超过该预设阈值时，将一步阶信号调整为一使能位准，以示意该芯压降感测信号超过该预设阈值，而将该电压参考位准调降一预设差值。
11.于一实施例中，该充电电路还包括一计时电路，与该调整电路耦接，并根据该步阶信号于一禁止位准，示意该芯压降感测信号不超过该预设阈值时，计时一段逾时期间，该计时电路于该逾时期间的一结束时点，且该步阶信号于该禁止位准时，产生一结束调整信号，以结束适应性调整该电压参考位准。
12.于一实施例中，该控制电路于该电压参考位准不高于一预设底限位准，产生一结束调整信号，以结束适应性调整该电压参考位准。
13.于一实施例中，该电池芯压降感测电路包括一模拟数字转换电路，用以将具有模拟形式的该电池芯压降，转换为具有数字形式的该芯压降感测信号。
14.于一实施例中，该功率级电路包括一切换电感式功率级电路、一切换电容式功率级电路、一低压差线性稳压器或一交直流转换电路。
15.于一实施例中，该充电控制方法还包括：将一启动信号设为使能位准，以启动该参考位准调整步骤。
16.于一实施例中，该充电控制方法还包括：于一保护信号为禁止位准时，将该电压参考位准设定为该预设底限位准，以结束该参考位准调整步骤。
17.于一实施例中，根据该芯压降感测信号超过该预设阈值时，适应性调降该电压参考位准的步骤还包括：于该电压参考位准调降该预设差值后，维持该电压参考位准一段预设期间。
18.本发明的优点为本发明可通过调降电压参考位准而缩短充电时间。
19.以下通过具体实施例详加说明，会更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所实现的效果。
附图说明
20.图1a是显示一已知的充电电路的示意图。
21.图1b是显示已知的充电电路的充电电压及充电电流与时间的关系图。
22.图2a是根据本发明的一实施例显示一充电电路的电路方块示意图。
23.图2b是根据本发明的一实施例与现有技术的充电电路的充电电压电池芯压降及充电电流与时间的关系示意图。
24.图2c是根据本发明的一实施例与现有技术的充电电路的电池芯压降及充电电流与时间的关系示意图。
25.图3a-图3f是根据本发明的实施例显示充电控制方法的步骤流程示意图。
26.图4是根据本发明的一实施例显示充电控制方法的步骤流程示意图。
27.图5是根据本发明的另一实施例显示充电控制方法的步骤流程示意图。
28.图6是根据本发明的再一实施例显示充电控制方法的步骤流程示意图。
29.图7a-图7k显示切换电感式功率级电路的同步或异步的降压型、升压型、反压型、升降压型、升反压型、及返驰型功率级电路。
30.图8显示一种切换电容式功率级电路的实施例。
31.图9显示一种低压差线性稳压器的实施例。
32.图10显示一种交直流转换电路的实施例。
33.图中符号说明
34.10,20：充电电路
35.11,21：控制电路
36.12,22：功率级电路
37.13,23：电流反馈电路
38.14,24：电压反馈电路
39.19,29：电池
40.25：电池芯压降感测电路
41.26：调整电路
42.261：步阶下降电路
43.27：计时电路
44.291：电池芯
45.30,40,50,60：充电控制方法
46.301～308,401～413,501～518,601～619,3051,3061,30611,30612,30613a,30613b：步骤
47.gnd：接地电位
48.ibat：充电电流
49.ict：固定电流
50.ibf：最终充电电流
51.l：电感
52.lg,ug：操作信号
53.lx1：第一端
54.lx2：第二端
55.oif：电流反馈信号
56.ovf：电压反馈信号
57.qa,qb：功率开关
58.rpr：电阻
59.sa：调整信号
60.sf1,sf2：结束调整信号
61.t0,t1,t1’,t2,t2’：时间点
62.vbat：充电电压
63.vbc：电池芯压降
64.vch：充电电源
65.vct：固定电压
66.vibat：电流感测信号
67.vin：输入电源
68.vrefcc：电流参考位准
69.vrefcv：电压参考位准
70.vth：预设阈值
71.vvbat：电压感测信号
72.vvbc：芯压降感测信号
具体实施方式
73.发明中的附图均属示意，主要意在表示各电路间的耦接关系，以及各信号波形之间的关系，至于电路、信号波形与频率则并未依照比例绘制。
74.图2a是根据本发明的一实施例显示一充电电路的电路方块示意图。如图2a所示，本发明的充电电路20包括控制电路21、功率级电路22、电流反馈电路23、电压反馈电路24、电池芯压降感测电路25、调整电路26及计时电路27。功率级电路22用以根据操作信号ug及lg，而对应操作其中的功率开关qa及qb，以将输入电源vin转换为充电电源vch，以对电池29充电。充电电源vch对应为充电电压vbat及/或充电电流ibat。控制电路21与功率级电路22耦接，用以根据电流反馈信号oif与电压反馈信号ovf，而产生操作信号ug、lg。
75.图2a所示的功率级电路22，是切换电感式功率级电路中的降压型功率级电路，根据本发明，功率级电路22不限于为切换电感式功率级电路，也可以为切换电容式功率级电路、低压差线性稳压器或交直流转换电路。切换电感式功率级电路例如可以为同步或异步的降压型、升压型、反压型、升降压型、升反压型、或返驰型功率级电路，如图7a-图7k所示。另外，图8显示一种切换电容式功率级电路的实施例；图9显示一种低压差线性稳压器的实施例；图10显示一种交直流转换电路的实施例。
76.电流反馈电路23用以比较相关于充电电流ibat的电流感测信号vibat与电流参考位准vrefcc，而产生电流反馈信号oif。电压反馈电路24用以比较相关于充电电压vbat的电压感测信号vvbat与电压参考位准vrefcv，而产生电压反馈信号ovf。电池芯压降感测电路25与电池29的电池芯291耦接，以感测电池芯291的电池芯压降vbc，而产生芯压降感测信号
vvbc。于一实施例中，电池芯压降感测电路25包括模拟数字转换电路(adc，analog-to-digital converter)，用以将具有模拟形式的电池芯压降vbc，转换为具有数字形式的芯压降感测信号vvbc。
77.调整电路26与电池芯压降感测电路25耦接，用以根据芯压降感测信号vvbc，产生调整信号sa，以适应性调整电压参考位准vrefcv。于一实施例中，调整电路26根据芯压降感测信号vvbc超过预设阈值vth时，适应性调降电压参考位准vrefcv。于一实施例中，前述预设阈值vth例如但不限于4.2v、4.4v。如图2a所示，于一实施例中，调整电路26包括步阶下降电路261，用以于芯压降感测信号vvbc超过预设阈值vth时，将步阶信号调整为使能位准，以示意芯压降感测信号vvbc超过预设阈值vth，而将电压参考位准vrefcv调降预设差值。于一实施例中，前述预设差值例如但不限于10mv。于一实施例中，调整电路26于调降电压参考位准vrefcv预设差值后，维持调降后的电压参考位准vrefcv一段预设时间。于一实施例中，前述预设时间例如但不限于32微秒(ms)、64ms、128ms或256ms。
78.计时电路27与调整电路26耦接，并根据步阶信号于禁止位准，示意芯压降感测信号vvbc不超过预设阈值vth时，计时一段逾时期间。计时电路27于逾时期间的结束时点，且步阶信号仍于禁止位准时，产生结束调整信号sf1，以结束适应性调整电压参考位准vrefcv。于一实施例中，前述逾时时间例如但不限于0.5s、1s。控制电路21于电压参考位准vrefcv不高于预设底限位准时，产生结束调整信号sf2，以结束适应性调整电压参考位准vrefcv。
79.功率级电路22包括功率开关qa及qb与电感l。功率开关qa耦接于输入电源vin与电感l的第一端lx1之间，而功率开关qb耦接于接地电位gnd与电感l的第一端lx1之间。操作信号ug及lg分别用以控制功率开关qa及功率开关qb，以切换电感l的第一端lx1于输入电源vin与接地电位gnd。充电电源vch耦接电感l的第二端lx2，由此将输入电源vin转换为充电电源vch，以对电池29充电。
80.图2b是根据本发明的一实施例与现有技术的充电电路的充电电压vbat电池芯压降及充电电流ibat与时间的关系示意图。图2c是根据本发明的一实施例与现有技术的充电电路的电池芯压降vbc及充电电流ibat与时间的关系示意图。在图2b与2c中，灰阶的线条为现有技术的特征曲线示意图，黑色线条为本发明的特征曲线示意图。如图2b及2c所示，本发明的充电电路对电池进行充电所需的时间明显比图1a的现有技术进行充电所需时间较短。
81.如图2b所示，就现有技术而言，如前述，在这段时间点t1开始至时间点t2的后段期间，因充电电流ibat的逐渐降低，而使充电的效率较低，这段充电效率较低的后段期间越长，直接导致充电时间越长。
82.请继续参阅图2b，根据本发明的充电电路的充电电压vbat(如图2b中粗黑实线所示意)及充电电流ibat(如图2b中粗黑虚线所示意)与时间的关系特征曲线示意图，自时间点t0开始到时间点t1’的前段期间，由电流反馈电路23主导反馈控制，而将充电电流ibat调节于固定电流ict，以对电池19进行充电。于时间点t1’开始至时间点t2’的后段期间，由电压反馈电路14主导反馈控制，且在此后段期间，以步阶下降的方式，每次调降一预设差值，而适应性调降电压参考位准vrefcv，而使充电电压vbat逐渐下降，直到电压参考位准vrefcv不高于预设底限位准时，控制电路21产生结束调整信号sf2，以结束适应性调整电压参考位准vrefcv，而将充电电压vbat调节于固定电压vct。
83.比较根据本发明与现有技术特征曲线，在时间点t1与t1’之间，根据本发明，电压参考位准vrefcv设定于电压vct’，高于电压vct，因此，在此段期间，根据本发明的充电电路与现有技术相比，仍以较高的固定电流ict对电池19进行充电，因此可以缩短充电时间。
84.如图2c所示，图2c是根据本发明的一实施例与现有技术的充电电路的电池芯压降vbc及充电电流ibat与时间的关系示意图。如前所述，根据本发明的充电电路与现有技术相比，充电时间较短。当相关于电池芯压降vbc的芯压降感测信号vvbc超过预设阈值vth，调降电压参考位准vrefcv一预设差值，并例如维持调降后的电压参考位准vrefcv一段预设时间，由于持续的充电，当芯压降感测信号vvbc再超过预设阈值vth，则再调降电压参考位准vrefcv一预设差值，并再维持调降后的电压参考位准vrefcv一段预设时间，直到电压参考位准vrefcv不高于预设底限位准，则结束参考位准调整步骤，此即为适应性的步阶调降电压参考位准vrefcv的步骤。
85.图3a-图3f是根据本发明的实施例显示充电控制方法的步骤流程示意图。如图3a所示，本发明的充电控制方法30包括于步骤301，根据操作信号，而操作至少一功率开关，以控制电感的导通状态，而将输入电源转换为充电电源，其中充电电源包括充电电压与充电电流。接着，于步骤302，根据电流反馈信号与电压反馈信号，而产生操作信号。之后，于步骤303，比较相关于充电电流的电流感测信号与电流参考位准，而产生电流反馈信号。接续，于步骤304，比较相关于充电电压的电压感测信号与电压参考位准，而产生电压反馈信号。之后，进行参考位准调整步骤，其包括于步骤305，感测电池内部的电池芯压降，而产生芯压降感测信号。接着，于步骤306，根据芯压降感测信号，产生调整信号，以适应性调整电压参考位准。
86.如图3b所示，于一实施例中，步骤306可包括步骤3061，根据芯压降感测信号超过预设阈值时，适应性调降电压参考位准。如图3c所示，于一实施例中，步骤3061可包括步骤30611，于芯压降感测信号超过预设阈值时，将步阶信号调整为使能位准，以示意芯压降感测信号超过预设阈值，而将电压参考位准调降预设差值。接续，于步骤30612，维持该电压参考位准一段预设期间。之后，可继续到步骤30613a，根据步阶信号于禁止位准，示意芯压降感测信号不超过预设阈值时，计时一段逾时期间，于逾时期间的结束时点，且步阶信号于禁止位准时，产生结束调整信号，以结束参考位准调整步骤。于另一实施例中，可继续到步骤30613b，于电压参考位准不高于预设底限位准，产生结束调整信号，以结束参考位准调整步骤。
87.如图3d所示，步骤305可包括步骤3051，将具有模拟形式的电池芯压降，转换为具有数字形式的芯压降感测信号。如图3e所示，本发明的充电控制方法30可还包括步骤307，将启动信号设为使能位准，以启动参考位准调整步骤。如图3f所示，本发明的充电控制方法30可还包括步骤308，于保护信号为禁止位准时，将电压参考位准设定为预设底限位准，以结束参考位准调整步骤。
88.图4是根据本发明的一实施例显示充电控制方法的步骤流程示意图。如图4所示，本发明的充电控制方法40可包括步骤401，由软件设定保护信号于使能位准，以启动保护机制。接着，于步骤402，由硬件确认模拟数字转换电路(adc)有无开启及相关于adc中用以侦测电池芯压降的通道的启动信号是否于使能位准。若是，则进行至步骤403；若否，则进行至步骤410。于步骤403，由硬件确认电池芯压降是否大于预设阈值。若是，则进行至步骤404；
若否，则回到步骤402。于一实施例中，上述预设阈值例如但不限于4.2v或4.4v。
89.于步骤404，由硬件发送信号至系统，通知已超过预设阈值。接着，于步骤405，由硬件确认步阶信号是否于使能位准，以启动参考位准调整程序。若是，则进行至步骤406；若否，则进行至步骤409。于步骤406，由硬件将电压参考位准调降一预设差值。于一实施例中，前述预设差值例如但不限于10mv。接着，于步骤407，确认电压参考位准是否小于或等于预设底限位准。若是，则进行至步骤410；若否，则进行至步骤408。于步骤408，维持电压参考位准一段预设时间。于一实施例中，前述预设时间例如但不限于32ms、64ms、128ms、256ms。步骤408结束后，接着回到步骤402。
90.于步骤409，由硬件计时并判断是否超过逾时时间。若是，则进行至步骤410；若否，则回到步骤402。于一实施例中，前述逾时时间例如但不限于0.5s、1s。于步骤410，由硬件配置电压参考位准为预设底限位准并发送信号至系统，通知结束程序。接续，于步骤411，由硬件确认保护信号是否于使能位准。若是，则回到步骤402；若否，则进行至步骤413。于另一实施例中，于步骤412，当保护信号被设定于禁止位准时，设定电压参考位准为预设底限位准。之后，于步骤413，结束所有程序。
91.图5是根据本发明的另一实施例显示充电控制方法的步骤流程示意图。本实施例采用硬件来实施充电控制方法。本实施例与图4的实施例的不同在于，本实施例的充电控制方法50包括步骤501，外部电源插入。接续，于步骤502，由软件登录初始设定。于一实施例中，前述初始设定例如但不限于预设底限位准、预设阈值、步阶信号、预设时间、电压参考位准等的初始设定。于一实施例中，步阶信号的初始设定为设为使能位准。之后，于步骤503，由软件设定adc相关参数及将相关于adc中用以侦测电池芯压降的通道的启动信号设定于使能位准(持续模式量测电池芯压降)。接续，于步骤504，由软件确认电池芯压降是否小于电池外部电压最大值及电池是否存在。若是，则进行至步骤505；若否，则回到步骤503。于步骤505，由软件设定保护信号于使能位准，以启动保护机制。接着，于步骤506，由软件设定电压参考位准为电池外部电压最大值。于一实施例中，前述电池外部电压最大值例如但不限于4.7v。步骤506结束后则进行至步骤507～518。步骤507～518类似于图4的步骤402～413，故省略其详细叙述。本实施例与图4的实施例的另一不同处在于，于步骤515结束之后，软件接收到信号会将启动信号设定为禁止位准、将保护信号设定为禁止位准且将电压参考位准设定为电池外部电压最大值。
92.图6是根据本发明的再一实施例显示充电控制方法的步骤流程示意图。本实施例采用软件通过沟通接口对硬件下达指令来实施充电控制方法。步骤601～609、611～619类似于图5的步骤501～518，故省略其详细叙述。本实施例与图5的实施例的不同在于，步骤609结束之后进行至步骤610，软件接收到硬件所发送的信号后，于预设时间内读取缓存器并对硬件下达执行参考位准调整程序的指令，并重置预设时间的定时器。于一实施例中，前述预设时间例如但不限于0.5s。
93.本发明如上所述提供了一种充电电路及其控制方法，其通过调降电压参考位准可缩短充电时间。
94.以上已针对较佳实施例来说明本发明，但以上所述，仅为使本领域技术人员易于了解本发明的内容，并非用来限定本发明的最广的权利范围。所说明的各个实施例，并不限于单独应用，也可以组合应用，举例而言，两个或以上的实施例可以组合运用，而一实施例
中的部分组成也可用以取代另一实施例中对应的组成部件。此外，在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以想到各种等效变化以及各种组合，举例而言，本发明所称“根据某信号进行处理或运算或产生某输出结果”，不限于根据该信号的本身，也包含于必要时，将该信号进行电压电流转换、电流电压转换、及/或比例转换等，之后根据转换后的信号进行处理或运算产生某输出结果。由此可知，在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以想到各种等效变化以及各种组合，其组合方式甚多，在此不一一列举说明。因此，本发明的范围应涵盖上述及其他所有等效变化。