具有整體開關模式電源控制器的微控制器的製作方法
2023-09-23 03:21:20 2
專利名稱：具有整體開關模式電源控制器的微控制器的製作方法
技術領域：
本發明涉及微控制器，特別涉及一種具有用來控制電池充電器的充電電路的整體開關模式電源控制器的微控制器。
可重複充電電池在它的使用壽命期間需要周期性地進行充電。電池有很多不同的類型、尺寸和容量。每一種類型、尺寸和/或容量的可重複充電電池需要不同的充電算法。適合的充電算法可由電池製造廠家來確定。這些電池算法可由一智能電池充電器來實施。該智能電池充電器可包括一微控制器、一開關模式電源(SMPS)控制器、一功率轉換電路和一用於電池電壓/或電流(取決於電池類型和設計要求)的反饋電路。
該微控制器起充電器的智能的作用。通過該微控制器所執行的一些功能是定時、測試一電池的存在、啟動和控制該SMPS控制器的設置點、執行該電池設計者專有的充電算法等。
該SMPS控制器通常使用一般用途的SMPS控制器集成電路(IC)來實施。該SMPS控制器IC被設計成對負載產生恆定電壓或恆定電流。在很多低成本電池充電器中，設計者可選擇使用電壓比較器來實現該SMPS控制器功能。該SMPS控制器模塊(或者是一般用途SMPS控制器IC或者是簡單的電壓比較器實現)可以要求輸入去啟動/禁止該模塊輸出，和改變輸出電壓/電流的設置點。該SMPS控制器模塊具有檢測表示負載(電池)電壓和電流的信號的電路，並且產生一輸出信號以驅動該功率轉換電路。這種驅動信號通常為一接通/關閉信號的形式，它可使用下述技術中的一種脈衝寬度調製、脈衝位置調製、脈衝跳轉調製等。SMPS控制器接收來自微控制器的控制信號，產生適當的信號/脈衝去驅動該功率轉換電路，並且試圖控制該反饋電壓(表示該電池的負載電壓和/或電流)。
該功率轉換電路通常包括有分立的功率半導體器件以便處理提供給負載(電池)的高電壓和/或電流，並且如需要電隔離則還包括有一變壓器。
智能電池充電器的設計和實施需要用於微處理器、SMPS控制器、模-數轉換器(ADC)和模擬輸入多路轉換器的多個集成電路(IC)。多個集成電路和其它的分立元件必然使得智能電池充電器的成本、複雜性和不可靠性增加。因而需要設計和實施用於智能電池充電器電路的更為經濟、簡單和可靠的系統、方法和裝置。
本發明欲通過將包括微控制器、轉換模式電源(SMPS)控制器、模-數變換器(ADC)和模擬輸入多路轉換器的電池充電器邏輯和控制封裝在一單個的集成電路中來克服上述問題和其它缺點以及現有技術中存在的缺陷。該微控制器、SMPS控制器、ADC和模擬輸入多路轉換器可以組裝在單個的集成電路晶片中，或者該微控制器可裝在一集成電路晶片中，而上述其餘電路裝在第二個集成電路晶片中。實施本發明的一個或二個集成電路晶片可包括在一個集成電路管殼之中。這種封裝從經濟角度來看是一種低成本集成電路部件而且其高可靠性封裝可滿足軍事標準。
對於使用較低功率電池的情況，功率轉換器可包括在單晶片或雙晶片實施例中。通常對於雙晶片實施例來說，該功率轉換器被包含在作為該SMPS控制器的同一晶片上。本發明的另一個實施例包括一包含用於該功率轉換器的大功率電晶體的第三晶片。這裡所述的單晶片或雙晶片實施例可與該功率電晶體晶片一起封裝在一大功率混合集成電路管殼中。
在本發明的單晶片或雙晶片實施例中，該微控制器讀取一電池的充電條件值。該條件值由模-數轉換器所檢測，或者如果需要的條件值多於一個，則可將模擬輸入多路轉換器與該模-數轉換器一起使用。該模-數轉換器將電池的模擬條件值轉換成該微控制器使用的數字表示的電池條件值。
該SMPS控制器具有至少一個適於接受來自功率轉換器的參量信號的模擬輸入端。參量信號可以是電池電流和/或電壓，並且取決於充電算法，其中的任何一個或兩個參量信號可由SMPS控制器使用。設置點(setpoint)信號從微控制器傳送到SMPS控制器。該設置點信號可以按照該電池的充電算法根據該電池的已充電時間、溫度、電流和/或電壓而改變。該設置點信號可以是電流和/或電壓，並且依據該充電算法，其中的任何一個或二個可從微處理器傳送到SMPS控制器。SMPS控制器具有一可以用來驅動功率轉換器的功率電晶體電路的重複的通/斷脈衝的輸出。這些通/斷脈衝例如可以是脈衝寬度、脈衝位置或脈衝跳躍調製，但並不限於此。
通常，該功率轉換器由分立半導體功率器件構成，以適應電池所需的相當大的電壓和電流要求。該功率轉換器可包括一線性或開關電源，如有必要還包括一隔離變壓器，以及在電池的充電周期期間控制加到該電池的電壓和/或電流量的功率電晶體。另外，所期待並是本發明範圍的是該功率轉換器可被置於如上所述的同一集成電路管殼中。
SMPS控制器與功率轉換器一起根據電池充電算法來控制電池的充電曲線(profile)。SMPS控制器接收來自該功率轉換器的參量信號(電池電流和/或電壓)，並且試圖將該參量信號與來自微控制器的有關設置點相匹配。例如在一閉環充電器系統中，如果該參量信號表示由充電電池所汲取的電流，那麼當電池充電電流小於所希望的電流設置點值時，來自微控制器的所希望的電流設置點將使得SMPS控制器增加它的脈衝輸出佔空因數，或者當電池充電電流大於所希望的電流設置點值時，則減小該脈衝輸出佔空因數。該充電電池的電壓可以同樣的方式控制。因此，SMPS控制器可具有恆定電壓(CV)模式、恆定電流(CC)模式、或依從電流的恆定電壓(CVCC)模式。
微控制器連同模-數變換器(ADC)和模擬輸入多路轉換器(如果需要多於一個的模擬輸入時)一起還可以檢測來自被充電電池的條件值。這些條件可以是充電電壓和電流、電池溫度等。該微控制器連同編程的充電算法一起使用這些條件值來確定微控制器傳送給SMPS控制器的設置點。
本發明的實施例可包括(但不限於此)(1)單個電池充電器邏輯和控制，它包括微控制器，模-數變換器和適用於連接到功率轉換器和充電電池的SMPS控制器。(2)具有至少二個電池的順序或交替充電的多個電池充電器邏輯和控制，包括微控制器，模-數變換器，模擬多路轉換器和至少二個適用於連接到功率轉換器、功率轉移開關和二個充電電池的SMPS控制器。(3)具有至少二個電池同時充電的多個電池充電器邏輯和控制，包括微控制器，模-數轉換器，模擬多路轉換器和至少二個適用於連接到至少二個功率轉換器和至少二個充電電池的SMPS控制器。上述實施例(1)-(3)中的任何一個還可以或者是包括在與SMPS控制器同一晶片上或者是包含在混合功率集成電路管殼中的分離功率電晶體晶片上的功率轉換器。
對多個具有不同容量、電壓和/或化學類型的電池充電的充電邏輯和控制是所期待並是在本發明範圍內。根據本發明這些電池可以順序地、交替地和/或同時地被充電。每一電池的充電條件可以與其它電池充電條件無關，並且每一電池可以單獨地達到它的滿充電條件。
本發明還可以計算用於充電的功率量並且可將在充電期間所汲取的最大功率限定於一預定的值。本發明在電源、不間斷電源(UPS)、CO檢測器和其它涉及可編程微控制器的智能應用場合的電源中使用中的許多優點是所期望的。
從下面結合附圖對本發明的最佳實施例的說明、用於披露目的的事實可使得其它和進一步的特性和優點變得更為清楚。
圖1是根據本發明一實施例的具有集成電路封裝充電器邏輯和控制的單個電池充電器的示意性框圖；圖2是圖1的充電器邏輯和控制實施例的示意性框圖；圖3是根據本發明的另一實施例的具有集成電路封裝充電器邏輯和控制的雙電池充電器的示意性框圖；圖4是圖3的充電器邏輯和控制實施例的示意性框圖；圖5是根據本發明的又一實施例的具有一集成電路封裝充電器邏輯和控制的雙電池充電器的示意性框圖；圖6是圖5的充電器邏輯和控制實施例的示意性框圖；圖7是根據本發明的一實施例的單晶片集成電路封裝的平面示意圖；和圖8是根據本發明的一實施例的雙晶片集成電路封裝的平面示意圖。
本發明是將包括微控制器、開關模式電源(SMPS)控制器、模-數變換器(ADC)和模擬輸入多路轉換器的電池充電器邏輯和控制製造在一集成電路晶片上，該集成電路晶片被包含在單個集成電路封建裝中。包括的上述功能的另一個實施例的電池充電器邏輯和控制被製造在一單個集成電路管殼中互連的二個集成電路晶片上。包括上述實施例的再一個實施例包括有在第三功率電晶體晶片上或在與SMPS控制器同一晶片上的一功率轉換器，它們均被連接在一個集成電路管殼之中。本發明連同該功率轉換器一起用來對一個電池或多個電池充電。本發明的特殊優點是易於實施電池充電器的設計並且減少了其部件數。
現在參見附圖詳細說明本發明的最佳實施例。圖中相同的元件用相同的標號表示，並且相似的元件由帶有不同下標字母的相同標號來表示。
參見圖1，圖1示出了根據本發明一實施例的具有一集成電路封裝充電器邏輯和控制的單個電池充電器的示意性框圖。該集成電路封裝充電器邏輯和控制通常由標號100表示，並且包括有一微控制器102、一開關模式電源(SMPS)控制器104、一模-數變換器(ADC)106和一模擬輸入多路轉換器108。功率轉換器110將諸如AC電源之類的電源(未示出)或諸如在一汽車中使用較大的電池系統轉換為適於用來對電池112充電的電壓和電流。在其充電期間充電器邏輯和控制100的SMPS控制器104控制功率轉換器110並且監視電池112電流和/或電壓。
SMPS控制器104具有一輸出114，該輸出114可具有用來驅動功率轉換器110的功率電晶體電路(未示出)的一系列重複的通/斷脈衝，SMPS控制器104還有一監控提供給電池112的電流和電壓的輸入116。在輸出114中的通/斷脈衝串例如可以是(但不限於此)脈衝寬度、脈衝位置或脈衝跳轉調製。
來自電池112的模擬輸入118由模擬輸入多路轉換器108接收，模擬輸入多路轉換器108將輸入118的每一信號多路轉換到ADC 106的輸入。ADC 106將在輸入118上的每一模擬信號轉換成由微控制器102使用的數字形式。模擬輸入118是來自被充電的電池112的條件值，例如(但不限於此)包括電池112的充電電壓和電流、溫度等。另外，所期望和在本發明範圍之內的是微控制器102還可以讀取一數字的電池識別值120，從而可以選擇用於被充電的各個電池112的一合適的充電算法。這個電池識別值可以根據電池112的情況而被編碼，並且當這種情況被連接到圖1所示的電池充電器中時，該電池類型碼也被連接到微控制器102。另外所期望和在本發明範圍之內的是數字電池條件輸入，即，可表示電池112的高溫、高壓力、低電解等的轉換輸入。
現在參見圖2，圖2示出了圖1的充電器邏輯和控制實施例的示意性框圖。對於可在電池充電器中被充電的電池112的每一類型，微控制器102用一充電算法編程。微控制器102的程序使得一電壓設置點和/或一電流設置點被傳送給SMPS控制器104。當比較來自功率轉換器110的電流和電壓輸入116(參量信號)時，SMPS控制器104使用該設置點作為目標參考。SMPS控制器104具有一驅動在功率轉換器110中的功率電晶體的脈動輸出114。對於一閉環充電器系統來說，當電流和/或電壓輸入116小於來自微控制器102的設置點時，SMPS控制器104提高在輸出114上的脈衝重複速率和/或佔空因數，從而導致功率轉換器110相應地提高提供給被充電電池112的相關電壓和/或電流。另一方面，當電流和/或電壓輸入116大於來自微控制器102的設置點時，SMPS控制器104減小在輸出114上的脈衝重複速率和/或佔空因數，從而導致功率轉換器110相應地減小提供給被充電電池112的相關電壓和/或電流。因此當SMPS控制器104起閉環控制器作用時，它試圖將電池112的充電電壓和/或電流維持在由微控制器112所產生的電壓和/或電流設置點的最接近的範圍之內。
當SMPS控制器104最好起模擬閉環控制器的作用，以根據該設置點來維持提供給電池112的電壓和/或電流充電速率的同時，微控制器102還監視被充電的充電器112的條件值。這些條件值在該邏輯輸入118處被接收並且例如可以是例如(但不限於此)充電電壓和電流、溫度等。數字值(高/低邏輯電平、開關觸點等)可在微控制器102所使用的輸入120處被接收。通常在輸入120處的數字值可以是電池識別碼、被充電的電池的存在、高溫、低水或電解液級別和高壓力等。
參見圖3，圖3示出了根據本發明另一實施例的具有一集成電路封裝充電器邏輯和控制的雙電池充電器的示意框圖。通常該集成電路封裝雙充電器邏輯和控制由標號300表示並且包括有一微控制器102、一開關模式電源(SMPS)控制器104、一模-數變換器(ADC)106和一模擬輸入多路轉換器108。功率轉換器110將諸如AC電源之類的電源(未示出)或諸如在汽車中使用的較大電池系統轉換成適合於充電電池312a和312b的電壓和電流。功率轉移開關322用來將功率轉換器110的輸出轉換到被充電的兩個電池312a和312b中的一個。功率轉移開關322通過輸出324由微控制器102控制。
充電器邏輯和控制300的SMPS控制器104控制功率轉換器110並且在充電期間監視所選擇的電池電流和/或電壓。因為功率轉換器110的輸出通過功率轉移開關322在電池312a和312b之間轉換，所以被監視的電流和/或電壓也發生變化。通過微控制器102可控制每個電池312a和312b的充電優先次序和持續時間。
SMPS控制器104具有一可給出用來驅動功率轉換器110的功率電晶體電路(未示出)的重複的通/斷脈衝的輸出114，還具有一監視加到所選擇的電池312A或312b的電流和電壓的輸入116。在輸出114上的信號是例如(但不限於此)脈衝寬度、脈衝位置或脈衝跳轉調製的通/斷脈衝串。
分別來自電池312a和312b的模擬輸入318a和318b由模擬輸入多路轉換器108接收，多路轉換器108將輸入318上的每一信號多路轉換到ADC 106的輸入。ADC 106將在輸入318上的每一模擬信號轉換成微控制器102所使用的數字表示形式。模擬輸入318a和318b是分別來自電池312a和312b的條件值，例如它包括(但不限於此)充電電壓和電流、被充電電壓、溫度等。另外，所期望並在本發明範圍內的是該微控制器102還可讀取數字電池識別值320a和320b，從而可以選擇各被充電電池312a和312b的合適的充電算法。電池312a和312b不要求具有相同的容量、電壓或化學類型。這些電池識別值可被編碼為電池312a和312b的情況，並且當這些情況被連接到圖3所示的電池充電器時，該電池類型碼還被連接到微控制器102。另外所期望和在本發明範圍內的是數字電池條件輸入，例如，所轉換的輸入可表示電池312a和312b的高溫、高壓力、低電解液等。
參見圖4，圖4示出了圖3的充電器邏輯和控制實施例的框圖。微控制器102由一用於可在該電池充電器中充電的電池312的每種類型的充電算法來編程。微控制器102的程序使得電壓設置點和/或電流設置點被傳送給SMPS控制器104。當比較來自功率轉換器110的電流和電壓輸入116(參量信號)時，SMPS控制器104使用該設置點作為目標參考。SMPS控制器104具有驅動在功率轉換器110中的功率電晶體的脈動輸出114。對於一閉環充電器系統，當電流和/或電壓輸入116小於來自微控制器102的設置點時，SMPS控制器104增加在輸出114處的脈衝重複速率和/或佔空因數，使得功率轉換器110相應地增加到達被充電電池312的相關電壓或電流。另一方面，當電流和/或電壓輸入116大於來自微控制器102的設置點時，SMPS控制器104減小在輸出114處的脈衝重複速率和/或佔空因數，使得功率轉換器110相應地減小到達被充電電池312的相關電壓或電流。因此當SMPS控制器104起閉環控制器作用時，它試圖將電池312的充電電壓和/或電流保持在最接近於由微控制器102所產生的電壓和/或電流設置點的範圍內。
當根據該設置點SMPS控制器104最好起模擬閉環控制器的作用而保持對所選擇的電池312的電壓和/或電流充電速率的同時，微控制器102還可監視電池312a和312b的條件值。這些條件值在模擬輸入318處被接收並且例如可以是(但不限於此)充電電壓和電流、溫度等。在輸入320處可接收由微控制器102所使用的數字值(高/低邏輯電平、開關觸點等)。通常在輸入320a和320b處的數字值可以是電池識別碼、被充電電池的存在、高溫、低水份或電解液程度、高壓力等。
參見圖5，圖5示出了根據本發明另一實施例的具有一集成電路封裝充電器邏輯和控制的同時雙電池充電器的框圖。該集成電路封裝同時雙充電器邏輯和控制通常由標號500表示並且包括有一微控制器102、二個開關模式電源(SMPS)控制器504a和504b、一模-數轉換器(ADC)106和一模擬輸入多路轉換器108。二個功率轉換器510a和510b將諸如AC電源之類的電源(未示出)或諸如在汽車中使用的較大電池系統轉換成適於同時對電池512a和512b充電的電壓和電流。對二個以上電池充電也是所期望的並是在本發明的精神和目的之內。用於每一電池的單獨的SMPS和功率轉換器是所期望的並且是在本發明的範圍內。
SMPS控制器504a和504b分別控制功率轉換器510a和510b，並且在其充電期間監視電池電流和/或電壓。SMPS控制器504a和504b分別具有輸出514a和514b，每一輸出具有分別驅動功率轉換器510a和510b的功率電晶體電路(未示出)的重複的通/斷脈衝，並且具有分別監視加到電池512a和512b的電流和電壓的輸入516a和516b。在輸出514a和514b上的信號是一序列的通/斷脈衝，它們例如可以是(但不限於此)脈衝寬度、脈衝位置或脈衝跳轉調製。
分別來自電池512a和512b的邏輯輸入518a和518b由模擬輸入多路轉換器108接收，該多路轉換器108將在輸入518上的每一信號多路轉換到ADC 106的輸入。ADC 106將在輸入518上的每一模擬信號轉換為微控制器102所使用的數字形式。模擬輸入518a和518b是分別來自電池512a和512b的條件值，並且例如包括(但不限於此)充電電壓和電流、被充電電壓、溫度等。另外，本發明所期望並且在本發明範圍之內的是微控制器102還可讀取數字電池識別值520a和520b(圖6)，從而可選擇用於各個被充電電池512a和512b的合適的充電算法。電池512a和512b不需要具有相同的容量、電壓或化學類型。這些電池識別值可被編碼成電池512a和512b的情況，並且當這些情況與圖5所示的電池充電器相關時，該電池類型代碼還與微控制器102相關。所期望並且是在本發明範圍之內的是數字電池條件輸入，即，被轉換的輸入可以表示電池512a和512b的高溫、高壓力、低電解液等。
現在參見圖6，圖6示出了圖5的充電器邏輯和控制實施例的框圖。微控制器102由用於可在該電池充電器中被充電的電池512的每一類型的充電算法來編程。微控制器102的程序使得電壓設置點和/或電流設置點被傳送到SMPS控制器504a和504b。當比較來自功率轉換器510a和510b的電流和電壓輸入516a和516b(參量信號)時，SMPS控制器504a和504b使用該設置點作為目標參考。SMPS控制器504a和504b分別具有驅動在功率轉換器510a和510b中的功率電晶體的脈動輸出514a和514b。該SMPS控制器502a和502b最好起模擬閉環控制器的作用，以根據各個設置點保持對各個電池512a和512b的電壓和/或電流充電速率。
微控制器102還可監視電池512a和512b的條件值。這些條件值是在模擬輸入518a和518b處被接收，並且例如可以是(但不限於此)充電電壓和電流、溫度等。在輸入520a和520b處可接收由微處理器102所使用的數字值(高/低邏輯值、開關觸點等)。在輸入520a和520b處的典型數字值可以是電池識別代碼、被充電的電池的存在、高溫、低水份或電解液程度、高壓力等。
所期望並且在圖1-6所示的上述實施例的本發明的範圍之內的是該功率轉換器可與SMPS控制器一起被集成或該功率轉換器可被製造在它自己的半導體晶片上並且連接在一單個的集成電路封裝中。
對於上述本發明的實施例，通常ADC 106與具有多個模擬輸入的模擬輸入多路轉換器108相結合，並且最好是產生10位(比特)的模-數變換分辨力。可設置START位(圖2的模擬轉換器)以開始ADC 106的變換。微控制器102還控制多路轉換器108的輸入選擇。在模-數變換期間，微控制器102程序可以查詢ADC 106以確定何時它完成了對該模擬信號的變換。當進行變換時，ADC 106將清除該START位。還被期望並且在本發明範圍內的是一旦進行了變換，該ADC 106可被設定以產生一中斷。用於ADC 106的參考電壓可從一內部參考電壓模塊或從一外部參考電壓(未示出)中選擇。
所期望並且在本發明範圍內的是可製造在一集成電路上的任何類型的ADC都可用於ADC 106。但是，在多數應用中，所測量的模擬信號範圍沒有必要與ADC 106輸入範圍相匹配。在許多的這種應用中，一運算放大器(op-amp)電路需要偏置該信號並且引入必要的增益，從而ADC 106可使用在它的最大輸入範圍內。最好是，本發明的ADC 106通過允許設計者將ADC電壓測量窗口和所測量模擬信號的範圍相匹配而滿足這種需要，這可以通過對所感興趣的ADC通路的元件選擇來實現，而不需任何外部的運算放大器。作為一個例子，為了確定是否已達到了最大限度充電條件，一鎳鎘電池充電器需要檢測和測量很小的反向電池電壓斜率(-dv/dT)。同樣，在一鋰離子電池充電器中，檢測和測量何時該電池充電電流降到低於它的最大限度充電條件(即，25ma)而確定一最大限度電池充電條件。
SMPS控制器104適應於驅動功率轉換器110，該功率轉換器110最好可以是一外部開關模式電源電路。依據所選擇的控制模式，SMPS控制器104使用一個或二個反饋輸入。這二個反饋輸入是電流反饋和/或電壓反饋。SMPS控制器104最好維持三種模式(1)恆定電壓(CV)，(2)恆定電流(CC)，和(3)具有電流依從的恆定電壓(CVCC)。
在該CV模式中，該SMPS控制器104僅需要在輸入116處的一用於控制的電壓反饋(VFB)。輸出114將產生驅動該功率轉換器110的脈衝，從而在輸入116處維持一恆定電壓表示。電壓設置點值可通過在微控制器102中的該程序或固件來選擇。
在CC模式中，SMPS控制器104僅需要在輸入116處的一用於控制的電流反饋(IFB)。輸出114將產生驅動功率轉換器110的脈衝，從而在輸入116處維持一恆定電流表示(在與電池充電電流相串接的一小電阻兩端產生一電壓)。電流設置點值可通過在微控制器102中的該程序或固件來選擇。
在CVCC模式中，SMPS控制器104需要在輸入116處用於控制的電壓反饋(VFB)和電流反饋(IFB)。只要該電流不超過該電流設置點則SMPS控制器104將以CV模式控制。如果該電流到達該電流設置點，則將以CC模式取代CV模式。電壓和電流設置點被內部地提供，並且可通過在微控制器102中的該程序或固件而單獨被設置。
當使用一外部離線轉換開關時，所構成的SMPS控制器104的輸出114可驅動具有buck或boost拓樸結構的功率轉換器110，或者閉合該控制環。
SMPS控制器104輸出產生適於驅動功率轉換器110的脈衝，從而使所控制的電池電壓或電流與來自微控制器102的設置點相匹配。該輸出的轉換頻率可從微控制器102的主振蕩器中得到。使用一4MHz內部振蕩器模式，可設置例如(但不限於此)62.5KHz、125KHz或250KHz的轉換頻率。這種輸出波形的佔空因數最好在25％、50％、75％和93％之間選擇。但是，任何被使用的佔空因數都取決於該應用。最佳的頻率和佔空因數可通過功率轉換開關的功率器件尺寸、損耗和成本來確定。
當所構成的輸出114用於一外部離線轉換開關模式時，該輸出114起一控制誤差指示器的作用。當該電池電壓或電流達到相應的設置點時，輸出114將為低。這種輸出114信號隨後可用於外部離線轉換開關以減緩功率轉換。隨後，該閉環系統根據所選擇的控制模式作為CV、CC或CVCC調節器而工作。
參考電壓模塊(未示出)可使用其可對充電器邏輯和控制100供電的電源電壓或使用外部參考電壓源。ADC 106最好使用一用於其操作的參考電壓模式輸出。
本發明的這些例子特別適合於涉及電壓和(或)電流調節器以及用於監視和控制用途的解析度測量的應用場合。這些應用中的某些應用是電池充電器、不問斷電源(UPS)、電源、CO檢測器等。在多個電池的充電期間輸入功率的功率管理是所期望和在本發明的範圍之內的。一充分地放電的電池可汲取一很高的充電電流，並且對多個放電電池進行充電可在主電源上形成一重的瞬時(起動)和連續負載。本發明可以通過控制加到被充電的電池中的充電電壓和/或電流來調節主電源相對該電源的下降量。
根據本發明電池充電器應用的例子如下所述對於Nicad和NiMH電池，在新式充電器中，根據電池的化學性能，需要電流源或電壓源對該電池充電。對於Nicad和NiMH電池，充電器通常提供一恆定電流。當充電開始時，充電器向電池提供大電流。在這期間，充電器監視電池電壓或/和電池溫度作為臨界參量以確定何時電池達到最大限度充電條件。一旦檢測到該最大限度充電條件，充電器將充電電流降低為很小的值，稱之為滴(trickle)電流。這種滴電流連續地提供給電池至電池充電完全結束，使電池保持在最大限度充電條件，直至電池從充電器中取出或直至充電器電源被關閉為止。這個例子僅是通常使用的許多方法中的一種方法。在工業應用中還有許多其它的充電算法的方案。充電器設計者通常遵循由電池製造商所規定的用於被充電電池的充電算法。
所期望和在本發明範圍之內的是，SMPS控制器110可用一電流反饋來控制一外部buck或boost功率電路。一內部放大器(未示出)可直接放大該外部電流檢測電阻電壓，因而不需要一外部運算放大器電路去檢測充電電流。一旦該充電電流被轉換成電壓，則它被控制以跟蹤該內部可編程電流設置點參考。微控制器102的固件僅需將該控制模式設置為CC(恆定電流)，並且設置該設置點以選擇該充電和滴電流值。這樣就使充電電流源電路的設計非常容易並且使用的外部部件的數量最少。
在許多電池充電器設計中，為了效率原因可以使用離線轉換開關，或者滿足通用的輸入電壓要求。在這種類型設計中，可以構成SMPS控制器104以產生一用作反饋至外部離線轉換電源控制器的輸出。在這種模式中，如果電池電壓或電流達到所期望的設置點，則SMPS控制器104輸出將產生一低信號。在許多設計中，次級電路必須與AC電源電隔離，最好使用光耦合器來保持電路隔離。在適當的位置有一限流電阻的情況中，SMPS控制器104輸出可直接驅動該光耦合器的LED。
在Nicad電池的情況中，充電器控制電路必須能夠測量在該電池電壓中的一很小電壓降以檢測一最大限度充電條件。在某些充電器設計中，必須在7.2V電池電壓上測量出小至30mv的電壓降。首先，這個電壓很可能超出了市場上可買到的A/D轉換器的輸入範圍(即，0至5V)。其次，如果該ADC的輸入範圍是7.2V，則30mv變化僅超過上述8位ADC的最小有效位變化。因此，在市場上的大多數可使用的低價A/D轉換器將需要使用一運算放大器(op-amp)以引入一偏置和增益從而使所感興趣的電池電壓處於ADC的測量範圍和分辨力之中。
本發明的ADC 106能夠很容易進行高分辨力的測量。最好是，ADC 106可以對分辨力的整個10位定標它的輸入範圍，因此對於Nicad電池，該ADC106輸入範圍可被設置為6至9伏範圍。這就使該微控制器102有2.9mv的測量分辨力。這種ADC 106輸入範圍的定標最好是通過適當選擇電阻值來進行。
在HiMH電池的情況中，最大限度充電條件是由電池溫度快速增長表明的。ADC 106是通過測量一熱敏電阻的電阻值而用於測量電池的溫度的。該測量範圍是依據該熱敏電阻值通過選擇合適的電阻值來規定的。
鋰離子電池除了Nicad或NiMH電池的充電要求之外還有不同的充電要求。當充電開始時，充電器必須向該電池提供一恆定電流。在中間時間，電池電壓朝著它的最大電壓增長(即，根據鋰離子類型，對於由生產廠家所規定一單個鋰離子單元為4.1V或4.2V)。一旦該電池電壓達到它的最大電壓，充電器必須將該充電模式變為恆壓源模式。在電池繼續充電的時間內該充電電流將減小。最後，該電流將到達一小的閾值，即25ma(通常由電池製造廠家規定)，在這一點該電池最大限度地被充電。在某些情況中，某些電池製造廠家可以在到達這個電流閾值之後，在一附加的固定時間裡繼續以恆定電壓模式充電至電池充電完全結束。一旦該電池被最大限度地充電，充電器必須完全關斷該充電電流。
由於鋰離子化學的易失性性質，必須準確地遵循由電池製造廠家所規定的充電算法。一旦充電模式從恆定電流轉換為恆定電壓，對於鋰離子電池來說該充電電壓的精度是一非常關鍵的參量。每一鋰離子電池部件具有一內置的保護電路。如果該電壓超過電池的最大充電電壓(由電池部件製造廠家規定)，則保護電路接通，以防止對該電池的任何損壞。如果該電池保護電路被採用，則它將電池與充電器完全斷開直至電池完全從那裡完全斷開為止，因而防止了充電器進一步對電池充電。為了防止在充電期間的這種損壞條件，許多鋰離子電池充電器的設計最好包括精確的參考電壓、或一校準步驟以確信該充電電壓是在該電池製造廠家的技術規格之內。
在恆定電壓或恆定電流模式中，SMPS控制器104使用CVCC(具有電流依從的恆定電壓)模式來控制。鋰離子電池充電開始時，恆定電流模式有效。一旦電池電壓達到它的最大電壓時，恆定電流模式將自動由恆定電壓模式所取代，允許充電電流減小。因為SMPS控制器104自動處理在該鋰離子電池充電過程中的最關鍵步驟，所以這個特徵簡化了充電器的固件算法。
該恆定電壓模式需要一來自該電池的電壓反饋。一種簡單的分壓電阻電路可用來提供這種電壓反饋。為了實現所需的電壓控制精度，需要一穩定和精確的電源或一外部參考電壓。依靠該電源或參考電壓的精度，可以不需要校準步驟。但是可利用高精度參考電壓或可在該分壓電路中設置一小的微調電位器以便在該校準階段期間調整該參考電壓。
有各種可用來對一鉛酸性電池充電的充電算法。這些算法需要一恆定電壓、一恆定電流或帶有電流限制充電的恆定電壓。在每種情況中，SMPS控制器104可被構成以適合於該充電算法的要求。通過恰當地選擇用於所需電壓測量窗口的正確電阻值，ADC 106可用來讀取該電池電壓(即12V，24V等)。
參見圖7，圖7示出了本發明一實施例的單晶片集成電路管殼的平面視圖。由標號700所表示的集成電路管殼包括一單晶片704和管腳引線702。通過線搭接、帶自動搭接、C4等晶片704可與封裝在其內或與不封裝在其內的一印刷線板(PWB)或襯底(未示出)的引線702相連。通常的集成電路管殼例如是(但不限於此)雙列直插式塑料封裝(PDIP)、小外型(SO)、縮小外型封裝(SSOP)、薄小外型封裝(TSSOP)、雙列直插式窗口陶瓷封裝(CERDIP)、無引線式晶片封裝(LCC)、塑料無引線式晶片封裝(PLCC)、塑料四方扁平封裝(PQFP)、薄四方扁平封裝(TQFP)、柵格陣列管腳封裝(PGA)、球柵陣列管腳封裝(BGA)、TO-220、TO-247和TO-263(電源表面安置管殼)，或該晶片可保持在未用塑料封裝的一帶膜引線框結構上、或作為一未封裝的「倒裝式晶片」。
參見圖8，圖8示出了本發明的一實施例的雙晶片集成電路的平面示意圖。第一晶片804和第二晶片806可以通過線焊接、球撞擊焊接、倒裝式晶片、C4等被共同連接在一集成電路管殼800中。輸入/輸出(I/O)連接可通過一引線框結構、集成電路管殼引線(PGA)或焊料球連接(BGA)而提供。
因此，本發明非常適合於用來實現所述目的並且能夠達到所提到的目標和優點。這裡對本發明做了描述和說明，並且參照特定的最佳實施例對發明做了解釋，這種解釋並不意味著對本發明的限制，並且也不意味著能推斷出這種限制。相關技術領域的普通技術人員在形式和功能上可考慮對本發明進行修改、改變和等效。本發明最佳實施例的描述和說明僅是舉例而已，並沒有詳盡地描述本發明的範圍。因此，本發明僅由所附的權利要求的精神和範圍來限制，所附的權利要求充分地給出了各方面的等效。
權利要求
1．一種用於電池充電器邏輯和控制的裝置，所述裝置包括一微控制器；一開關模式電源控制器；一連接到所述微控制器的模-數變換器；和一連接到所述模-數變換器的模擬輸入多路轉換器，所述模擬輸入多路轉換器具有多個適於接收來自一電池的多個條件值的模擬輸入，其中，所述微控制器、所述開關模式電源控制器、所述模-數變換器和所述模擬輸入多路轉換器被製造在一單個集成電路晶片上；所述開關模式電源控制器具有至少一個模擬輸入、至少一個設置點輸入和一個適於用來控制對該電池充電的功率轉換器的輸出；所述開關模式電源控制器的至少一個設置點輸入接收來自所述微控制器的至少一個設置點；和所述開關模式電源控制器的至少一個模擬輸入適於接收來自功率轉換器的至少一個參量信號。
2．如權利要求1的裝置，其中來自該功率轉換器的至少一個參量信號是正比於由該電池汲取的電流量的信號。
3．如權利要求1的裝置，其中來自該功率轉換器的至少一個參量信號是正比於提供給該電池的電壓量的信號。
4．如權利要求1的裝置，其中來自該功率轉換器參量信號是一正比於加給該電池的電壓量的信號和另一個正比於由該電池汲取的電流量的信號。
5．如權利要求1的裝置，其中所述開關模式電源控制器的輸出是一被轉換的信號。
6．如權利要求5的裝置，其中來自所述開關模式電源控制器輸出的被轉換信號包括脈衝寬度調製。
7．如權利要求5的裝置，其中來自所述開關模式電源控制器輸出的被轉換信號包括脈衝位置調製。
8．如權利要求5的裝置，其中來自所述開關模式電源控制器輸出的被轉換信號包括脈衝跳轉調製。
9．如權利要求1的裝置，其中所述開關模式電源控制器使用一恆定電壓模式，以維持在該電池中的恆定電壓。
10．如權利要求1的裝置，其中所述開關模式電源控制器使用一恆定電流模式以維持在該電池中的恆定電流。
11．如權利要求1的裝置，其中除非來自該功率轉換器的電流參量信號超過來自所述微控制器的電流設置點，所述開關模式功率電源控制器使用具有電流依從模式的恆定電壓，以在該電池中維持一恆定電壓，而後該電池維持一恆定電流，以便不超過該電流設置點。
12．如權利要求1的裝置，還包括有一適用於控制連接在功率轉換器、電池和至少一個另外的電池之間的功率轉移開關的輸出。
13．如權利要求1的裝置，還包括一封裝所述集成電路晶片的集成電路管殼。
14．如權利要求13的裝置，其中該集成電路管殼是從包括雙列直插式塑料封裝(PDIP)、小外型(SO)、縮小外型封裝(SSOP)、薄小外型封裝(TSSOP)、雙列直插式窗口陶瓷封裝(CERDIP)、無引線式晶片封裝(LCC)、塑料無引線式晶片封裝(PLCC)、塑料四方扁平封裝(PQFP)、薄四方扁平封裝(TQFP)、柵格陣列管腳封裝(PGA)、球柵陣列管腳封裝(BGA)、TO-220、TO-247和TO-263的一組封裝中所選擇的。
15．如權利要求1的裝置，其中該功率轉換器被製造在所述單個集成電路晶片中。
16．如權利要求1的裝置，其中所述開關模式電源控制器是多個開關模式電源控制器。
17．如權利要求13的裝置，其中該功率轉換器被封裝在所述集成電路管殼中。
18．一種用於電池充電器邏輯和控制的裝置，所述裝置包括一微控制器；至少一個開關模式電源控制器；一連接到所述微控制器的模-數變換器；和一連接到所述模-數變換器的模擬輸入多路轉換器，所述模擬輸入多路轉換器具有適用於接收來自至少一電池的多個條件值的多個模擬輸入，其中所述微控制器、所述至少一個開關模式電源控制器、所述模-數變換器和所述模擬輸入多路轉換器被製造在單個集成電路晶片上；所述至少一個開關模式電源控制器具有至少一個模擬輸入、至少一個設置點輸入和至少一個適用於控制對至少一個電池充電的至少一個功率轉換器的輸出；所述至少一個開關模式功率轉換器的所述至少一個設置點輸入接收來自所述微控制器的至少一個設置點；和所述至少一個開關模式電源控制器的至少一個模擬輸入適於接收來自至少一個功率轉換器的至少一個參量信號。
19．如權利要求18的裝置，其中至少一個功率轉換器被製造在所述單個集成電路晶片上。
20．一種用於電池充電器邏輯和控制的裝置，所述裝置包括一微控制器；多個開關模式功率控制器；一連接到所述微控制器的模-數變換器；和一連接到所述模-數變換器的模擬輸入多路轉換器，所述模擬輸入多路轉換器具有適於接收來自多個電池的多個條件值的多個模擬輸入，其中所述微控制器被製造在第一集成電路晶片上，並且所述多個開關模式電源控制器、所述模擬-數字轉換器和所述模擬輸入多路轉換器被製造在第二集成電路晶片上；所述多個開關模式電源控制器具有多個模擬輸入、多個設置點輸入和適於控制對多個電池充電的多個功率轉換器的多個輸出；所述多個開關模式電源控制器的多個設置點輸入接收來自所述微控制器的多個設置點；所述多個開關模式電源控制器的多個模擬輸入適於接收來自多個功率轉換器的多個參量信號；和所述第一和第二集成電路晶片具有在第一和第二集成電路晶片之間並被封裝在一集成電路管殼中的連線。
21．如權利要求20的裝置，其中多個功率轉換器被製造在所述第二集成電路晶片中。
22．一種用於D對至少一電池充電的系統，所述系統包括一微控制器；至少一個開關模式電源控制器；一連接到所述微控制器的模-數轉換器；一連接到所述模-數變換器的模擬輸入多路轉換器，所述模擬輸入多路轉換器具有適於接收來自至少一個電池的多個條件值的多個模擬輸入，和適於用來連接到至少一個電池的至少一個功率轉換器；其中所述微控制器、所述至少一個開關模式電源控制器、所述模-數變換器和所述模擬輸入多路轉換器被製造在一單個集成電路晶片上；所述至少一個開關模式電源控制器具有至少一個模擬輸入、至少一個設置點輸入、和用來控制對至少一個電池充電的至少一個功率控制器的至少一個輸出；所述至少一個開關模式電源控制器的至少一個設置點輸入接收來自所述微控制器的至少一個設置點；和所述至少一個開關模式電源控制器的至少一個模擬輸入接收來自至少一個功率轉換器的至少一個參量信號。
23．如權利要求22的系統，其中至少一個功率轉換器被製造在所述單個集成電路晶片上。
24．如權利要求22的系統，還包括有封裝所述單個集成電路晶片的一集成電路管殼。
25．如權利要求22的系統，還包括有封裝所述單個集成電路晶片和至少一個功率轉換器的集成電路管殼。
26．如權利要求23的系統，還包括有封裝所述單個集成電路晶片的集成電路管殼。
27．一種用來對多個電池充電的系統，所述系統包括一微控制器；多個開關模式電源控制器；一連接到所述微控制器的模-數轉換器；和一連接到所述模-數變換器的模擬輸入多路轉換器，所述模擬輸入多路轉換器具有多個適用於接收來自多個電池的多個條件值的模擬輸入；和多個適於連接到多個電池的功率轉換器；其中所述微控制器被製造在第一集成電路晶片上，而所述多個開關模式電源控制器、所述模-數變換器和所述模擬輸入多路轉換器被製造在第二集成電路晶片上；所述多個開關模式電源控制器具有多個模擬輸入、多個設置點輸入和用來控制對多個電池充電的多個功率控制器的多個輸出；所述多個開關模式電源控制器的多個設置點輸入接收來自所述微控制器的多個設置點；所述多個開關模式電源控制器的多個模擬輸入接收來自多個功率轉換器的多個參量信號；和所述第一和第二集成電路晶片具有連接在第一和第二集成電路晶片之間並封裝在一集成電路管殼中的連線。
28．如權利要求27的系統，其中多個功率轉換器被製造在所述第二集成電路晶片上。
29．如權利要求27的系統，還包括有多個被封裝在所述集成電路管殼中的功率轉換器。
全文摘要
一種用於控制電池充電器充電電路的單個集成電路封裝組件。單個集成電路封裝組件包括可製造在單個集成電路晶片上的微控制器(102)、開關模式電源控制器(104)、模—數變換器(106)和模擬輸入多路轉換器(108),或者控制器可安置在一集成電路晶片上而其餘的上述電路可安置在第二集成電路晶片上。該開關模式電源控制器適用於連接到用來控制被充電電池的電壓和/或電流的功率轉換器。
文檔編號H02J7/00GK1297599SQ00800426
公開日2001年5月30日 申請日期2000年2月15日 優先權日1999年2月16日
發明者哈託諾·達馬瓦斯基塔 申請人:密克羅奇普技術公司