備用電池的充電電路的製作方法
2023-06-01 13:14:31
專利名稱：備用電池的充電電路的製作方法
技術領域：
本發明通常涉及可再充電的備用電池的充電電路，具體涉及一種能夠快速充電並且避免頻帶中噪聲產生的備用電池的充電電路，其中頻帶中的噪聲對使用充電電路的裝置，例如行動電話會產生負面影響。
背景技術：
作為一種鋰離子電池的充電方法，當籠統劃分的話，使用恆流/恆壓充電方法和脈衝充電方法。在恆流/恆壓充電方法中，可以通過對鋰離子電池增加充電電流以及使施加到鋰離子電池的充電恆壓略高於所述電池的滿電壓來縮短充電時間。但是，當鋰離子電池被過量充電時，有可能降低電池的性能。另一方面，由於在對鋰離子電池充電期間採用了無功周期，所以，脈衝充電方法對電池有很小的損害，。
作為上述脈衝充電方法，有如下三種方法。
如日本未決專利申請號6一113474所描述的第一種方法是，當無功周期中的電壓達到預定電壓時完成充電。
第二方法是，為啟動充電和中止充電製造條件，並且在該條件下重複充電的開始和終止。當充電中止周期持續時間等於或大於一個預定時間時，或當充電周期與充電中止周期的比值超過一個預定值時，結束充電。例如，在充電期間，當電池的電壓達到第一電壓時，中止充電；而當電壓降到第二電壓時，重新開始充電。
如日本公開專利申請號7-336908所描述的第三種方法是，以高電平電壓和低電平電壓交替地重複充電，並且當低電平電壓的充電電流等於或小於一個預定電流值時，結束充電。
然而，在上述的第一種方法中，有一個問題是充電時間變得比恆流/恆壓方法的充電時間長。另外，在上述的第二種方法中，與恆流/恆壓方法比較，其充電時間被縮短到某種程度。然而，由於充電期間和充電中止期間的每一個在充電開始和剛剛在充電結束之前之間激烈地變化，所以充電期間和充電中止期間的切換頻率在一個較寬的範圍內變化。因此，存在一個在一個寬頻帶上產生噪聲的問題。
另外，在上述的第三種方法中，由於需要用於檢測低電平電壓的充電電流的電流檢測裝置，因此，要在充電電路中串聯插入電流檢測元件。從而，存在電能損失的問題。而且，必須使電流檢測電阻值足夠大，才能檢測什麼時候所述充電電流為零。因此，存在的另一個問題是，電能的損失變大，同時需要更複雜的電路。
而且，在諸如行動電話的移動無線通信裝置中，通常將備用電池用作電源。特別是，鋰離子電池的每個單位面積和每個單位質量都具有很高的能量密度。因此，有可能使包括鋰離子電池的裝置又小又輕。當對鋰離子電池充電時，利用了維持電池電壓恆定的恆壓充電方法以及在恆流充電之後執行恆壓充電的恆流/恆壓充電方法。在充電電路中，不論使用什麼方法，都是通過檢測恆壓充電期間充電電流等於或小於預定滿充電電流來結束充電。
下面，將描述一種備用電池的傳統充電電路。圖4示出了備用電池的傳統充電電路。在圖4中，充電電路包括AC適配器110；適配器檢測電路112，用於檢測AC適配器110是否已經被連接；電池電壓檢測電路116，用於檢測將被充電的備用電池114的電壓；恆壓電路118，用於執行備用電池113的恆壓充電；充電電流檢測電路122，用於檢測流入備用電池114的充電電流；電阻R1，用於使通過的充電電流產生電壓降；二極體D1，用於阻止電流從備用電池114流入AC適配器110；以及充電控制電路124，用於執行恆壓電路118的驅動控制。AC適配器110連接到端130。恆壓電路118包括產生基準電壓BE1的恆壓產生電路140、控制電晶體M1、以及運算放大器A1。此外，充電電流檢測電路122包括產生基準電壓BE2的恆壓產生電路142以及運算放大器A2。此外，適配器檢測電路112包括產生基準電壓BE3的恆壓產生電路144和運算放大器A3。電阻R1連接於AC適配器110與控制電晶體M1之間。二極體D1連接於控制電晶體M1與備用電池114之間。
下面，將描述該充電電路的操作。當AC適配器110經由端130連接到充電電路時，並且當AC適配器110的電壓等於或大於一個預定值時，適配器檢測電路112將一個預定信號sg1輸出給充電控制電路124。另外，電池電壓檢測電路116備用電池114的電池電壓，並且輸出一個電池電壓信號Sg2。當從適配器檢測電路112輸入信號Sg1時，充電控制電路124開始工作，並且將一個預定充電控制信號Sg5輸出給恆壓電路118。當輸入充電控制信號Sg5時，恆壓電路118開始備用電池114的恆壓充電。充電時，二極體D1阻止電流從備用電池114途經控制電晶體M1和電阻R1流回AC適配器110。充電電流流經電阻R1產生電壓降，並且所產生的電壓被施加到充電電流檢測電路122。當充電電流檢測電路122根據輸入電壓檢測到充電電流小於一個預定值時，充電電流檢測電路122將預定充電結束信號Sg6傳送到充電控制電路124。當充電結束信號Sg6被輸入到充電控制電路124時，充電控制電路124輸出充電控制信號Sg5，並且停止恆壓電路118的工作。
如上所述，為了檢測充電電流，傳統的充電電路使用電阻R1。然而，在充電開始時，充電電流比較高，並且產生一個明顯的電壓降。因此，電阻R1的發熱變得很高。此外，由於發熱引起的能量損失也很大。為了減少這種發熱和能量的浪費，可以設法使電阻R1的電阻值很小。然而，通過執行恆壓充電，檢測到的充電結束時的電流很小，並且由於電阻R1兩端的電壓降很低，所以，用於檢測所產生電壓的運算放大器A1的輸入偏置電壓不能被忽略。換句話說，存在這樣一個問題，即檢測充電電流的精度變低。而且，還存在這樣一個問題，即由於具有小配置電壓的運算放大器比較貴，所以當使用它們時製造成本增加。
而且，在備用電池處於過放電狀態情況下，當在充電開始處對備用電池提供大電流時，會出現一個問題。因此，對於這種充電電路，不可能對處於過放電狀態下的備用電池充電。
發明內容
本發明的一般目的是提供一種用於備用電池的經過改進的、有用的並且能夠解決上述問題的充電電路。
本發明的更具體的目的是提供一種用於備用電池的簡單充電電路，它能夠縮短充電時間，同時能夠避免產生頻帶中的噪聲，所述噪聲會對使用該充電電路的裝置產生負面影響。
本發明的另一方面是提供一種充電電路，能夠精確地檢測備用電池的滿充電狀態，同時發熱少和損耗小。
本發明的另一個和更具體的目的是提供一種能夠減小製造成本的充電電路。
本發明的再一目的是提供一種也能夠對處於過放電狀態的備用電池進行充電的充電電路。
為了達到上述目的，根據本發明的一方面，提供一種備用電池的充電電路，包括恆壓電路部分，用於響應一個輸入控制信號，選擇和輸出多個預定恆壓中的一個恆壓，並且通過向其提供所選擇的恆壓來給備用電池充電；檢測電路部分，用於檢測備用電池的電池電壓；以及控制電路部分，用於響應來自所述檢測電路部分的所檢測的電池電壓，控制由所述恆壓電路部分施加的恆壓的選擇，當備用電池的電池電壓等於或小於第一恆壓時，所述控制電路部分通過向其提供預定第一恆壓來使所述恆壓電路部分對備用電池充電，並且當備用電池的電池電壓超過第一恆壓時，通過交替地向其提供預定第二恆壓和預定第三恆壓來對備用電池充電，在恆定周期中所述第三恆壓低於第二恆壓。
根據本發明的上述方面，由於在脈衝充電之前執行恆壓充電，所以能夠以大電流向備用電池充電。另外，即使在脈衝充電開始之後，也可以通過在恆定周期(切換周期)從/到高電平恆壓切換到/從低電平恆壓來執行充電。因此，由於充電電流持續，所以可以縮短充電時間。同時，也能夠將切換周期設定為一個不對使用充電電路的裝置產生負面影響的頻率。
此外，根據本發明的另一方面，當備用電池的電池電壓超過預定充電結束電壓時，控制電路部分檢測備用電池充電的結束，並且執行一個預定的充電結束操作，同時使恆壓電路部分向備用電池提供第三常壓。
根據本發明的上述方面，可以有效地避免過充電。
另外，根據本發明的另一方面，第二恆壓可以等於第一恆壓。
根據本發明的上述方面，可以簡化電路並對備用電池充電，而不損壞備用電池。
另外，根據本發明的另一方面，第二恆壓可以大於第一恆壓。
根據本發明的上述方面，可以通過使脈衝充電期間的高電平電壓稍微大於滿充電電壓來縮短充電時間，而不損壞備用電池。
另外，根據本發明的另一方面，充電電路可以進一步包括負載電路部分，用於根據從恆壓電路部分輸出的第三恆壓，將一個負載與備用電池並聯。
根據本發明的上述方面，能夠穩定在脈衝充電期間以第三恆壓充電的備用電池的電池電壓。因此，可以減少充電結束的檢測錯誤。另外，可以增加脈衝充電周期的靈活性。而且，可以設置該周期為一個對使用充電電路的裝置不產生負面影響的頻率。
根據本發明的另一方面，恆壓電路部分可以包括恆壓產生電路，用於產生和輸出第一恆壓、第二恆壓和第三恆壓；電壓切換電路，用於根據來自控制電路部分的控制信號，選擇和輸出從所述恆壓產生電路輸出的第一恆壓、第二恆壓和第三恆壓中的一個；電壓比較器，用於比較從數據電壓切換電路輸出的恆壓與備用電池的電池電壓，並且根據比較結果輸出比較信號；控制電晶體，用於根據所述比較信號，將一個電流從一個預定直流電源傳輸給所述備用電池；以及一個二極體，用於阻止電流經由所述控制電晶體從備用電池流入預定直流電源。
根據本發明的上述方面，可以通過從恆壓充電切換到脈衝充電以及一個簡單的電路結構來對備用電池充電。
另外，根據本發明的另一方面，提供一種對備用電池充電的充電電路；該充電電路包括恆流電路部分，串聯於外部直流電源和備用電池之間，並且響應一個輸入控制信號，向備用電池輸出第一和第二恆流中的一個；恆壓電路部分，與所述恆流電路部分並聯連接，並且通過向其提供預定恆壓對備用電池充電；電池電壓檢測電路部分，用於檢測和輸出備用電池的電池電壓；充電電流檢測電路部分，當所述恆壓電路部分停止輸出電流時，輸出一個預定充電結束信號；以及充電控制電路部分，當充電結束信號輸入時，停止所述恆流電路部分和所述恆壓電路部分的操作，其中，當備用電池的電池電壓小於預定電壓時，所述充電控制電路部分向所述恆流電路部分輸出一個控制信號，以便使所述恆流電路部分輸出第一恆流，並且當備用電池的電池電壓等於或大於預定電壓時，所述充電控制電路部分向所述恆流電路部分輸出一個控制信號，以便使恆流電路部分輸出第二恆流，該第二恆流大於第一恆流。
此外，根據本發明的另一方面，提供一種對備用電池充電的充電電路，該充電電路包括恆壓電路部分，連接於外部直流電源與備用電池之間，並且通過向其提供一個預定恆壓來對備用電池充電；電池電壓檢測電路部分，用於檢測和輸出備用電池的電池電壓；充電電流檢測電路部分，用於當從所述恆壓電路部分輸出的電流變成預定值時，輸出一個預定充電結束信號；以及充電控制電路部分，用於當預定充電結束信號輸入時，停止所述恆壓電路部分的操作，所述恆壓電路部分包括恆壓產生電路，用於產生和輸出預定恆壓；電壓比較器，用於比較備用電池的電池電壓與預定恆壓，並且輸出一個指示比較結果的比較信號；以及控制電晶體，用於根據指示比較結果的比較信號，將電流從外部直流電源傳輸到備用電池，以及所述充電電流檢測電路部分，用於檢測從所述電壓比較器輸出的比較信號，並且通過根據所檢測的比較信號來確定所述控制電晶體通過的電流是一個預定值來輸出預定充電結束信號。
根據本發明的上述方面，通過不用電阻檢測從恆壓電路輸出的充電電流來結束充電。因此，由於沒有電阻而沒有發熱以及能量損失。相應地，能夠高精度地檢測備用電池的滿充電狀態。
另外，根據本發明的上述方面，在備用電池的電池電壓低於預定電壓的情況下，可以用適於這種情況的電流量來對備用電池充電。因此，能夠對過放電狀態下的備用電池充電。另外，可以在限制電路尺寸增加的同時實現上述充電電路。因此，能夠降低製造成本。
當結合附圖來閱讀下列詳細描述時，本發明的其它方面、特徵及優點將變得更加明顯。
圖1示出了根據本發明第一實施例的備用電池的充電電路的結構圖；圖2示出了圖1中的充電電路1的操作的時序圖；圖3示出了解釋圖1中的充電控制電路6的操作的流程圖；圖4示出了常規充電電路的圖；圖5示出了根據本發明第二實施例的充電電路；圖6A示出了用圖5所示電路的充電時間的備用電池的電壓的變化圖；圖6B示出了用圖5所示電路的充電時間的備用電池的充電電流的變化圖；圖6C示出了用圖5所示電路的充電時間的pMOS電晶體的柵極電壓的變化圖；圖7示出了可選的雙向電晶體圖；
圖8示出了根據本發明第三實施例的充電電路；圖9A示出了用圖8所示電路的充電時間的備用電池的電池電壓的變化圖；圖9B示出了用圖8所示電路的充電時間的充電電流的變化圖；圖9C示出了用圖8所示電路的充電時間的pMOS電晶體的柵極電壓的變化圖；以及圖10示出了根據本發明的第三實施例的另一放電電流。
具體實施例方式
接下來，將參考附圖給出本發明第一實施例的詳細描述。
(第一實施例)圖1示出了根據本發明第一實施例的備用電池的充電電路的結構圖。需要注意的是，圖1示出了用於行動電話的鋰離子電池的充電電路的示例。
在圖1中，備用電池的充電電路1包括適配器檢測電路2，用於當來自作為直流電源的AC適配器10的電源電壓等於或大於預定值時輸出一個預定信號；電池電壓檢測電路3，用於檢測和輸出一個用做備用電池的鋰離子電池11的正電壓Vb(下文稱作「電池電壓」)Vb；以及恆壓電路4，用於以一個恆壓對鋰離子電池11充電。
此外，充電電路1包括恆流電路5，用於以一個預定恆流對鋰離子電池11預先充電；充電控制電路6，用於響應來自適配器檢測電路2的信號和來自電池電壓檢測電路3的所檢測的電壓，使恆壓電路4執行對鋰離子電池11的脈衝充電方法的充電，並且使恆流電路5執行預先充電；以及負載電路7，並聯於鋰離子電池11。
另外，恆壓電路4包括恆壓產生電路21、電壓切換電路22、運算放大器23、控制電晶體24、二極體25以及柵極控制電路26。恆壓產生電路21產生並輸出三個預定恆壓E1到E3。電壓切換電路22根據來自充電控制電路6的控制信號，從恆壓產生電路21選擇一個恆壓E1到E3，並且輸出所選擇的電壓作為基準電壓Vr。運算放大器23作為一個電壓比較器來工作，和，是PMOS電晶體的控制電晶體24對施加到所述鋰離子電池11上的來自AC適配器10的充電電流進行控制。柵極控制電路26根據來自運算放大器23的輸出信號對控制電晶體24的操作進行控制。此外，充電控制電路6作為一個控制電路來工作。恆壓E1對應於第一恆壓，恆壓E2對應於第二恆壓，恆壓E3對應於第三恆壓。
控制電晶體24、二極體25以及鋰離子電池11串聯於電源端31與地之間，因此，充電電流被提供到鋰離子電池11。使用AC適配器10來給電源端31供電。在電源端31的電壓低於鋰離子電池11的電池電壓Vb的情況下，二極體25阻止電流從鋰離子電池11流回AC適配器10。
電壓切換電路22根據來自充電控制電路6的電壓切換信號Ss，選擇恆壓E1到E3中的一個恆壓，並且將所選擇的恆壓輸出到運算放大器23的反相輸入端。鋰離子電池11的電池電壓Vb被提供到運算放大器23的非反相輸入端。運算放大器23的輸入端經柵極控制電路26連接到控制電晶體24的柵極。另外，運算放大器23的驅動由來自充電控制電路6的控制信號控制。
另一方面，負載電路7是一個串聯電路，包括電阻35和NMOS電晶體36。電阻35和NMOS電晶體36串聯於正電極和地之間。NMOS電晶體根據由電壓切換電路22選擇的恆壓工作。當NMOS電晶體36導通時，電阻35充當恆壓電路4的控制電晶體24的負載。恆壓E1到E3之間的關係滿足條件E2＝E1＞E3。當電壓切換電路22響應電壓切換信號Ss選擇恆壓E3作為基準電壓Vr時，NMOS電晶體36導通。當恆壓E1或E2被選擇為基準電壓Vr，則NMOS電晶體36截止並且假定處於切斷狀態。
圖2示出了圖1所示的充電電路1的操作的時序圖；將參考圖2來給出圖1中各個部分的操作示例的描述。
首先，當AC適配器10提供電源並且一個預定信號從適配器檢測電路2輸入時，充電控制電路6被激活。電池電壓檢測電路3檢測鋰離子電池11的電池電壓Vb，並且將所檢測的電壓值輸出到充電控制電路6。
在鋰離子電池11的電池電壓Vb等於或小於預定值V1的情況下，充電控制電路6激活恆流電路5，從而開始以一個預充的充電電流對鋰離子電池11預充電。另外，此時，充電控制電路6停止運算放大器23的操作，從而避免電流經由控制電晶體24流入鋰離子電池11。
例如，當鋰離子電池11是4.2V的鋰離子電池時，上述的預定值V1可被設置為約2.5V。這是因為當鋰離子電池11處於過放電狀態情況下被大電流突然充電時可能發生一個問題。執行鋰離子電池11的預充電，從而當開始充電時充電電流減小。預充電電流Ip是用於預充電的電流，並且通常被設置為大約幾毫安到幾十毫安。
當鋰離子電池11的電池電壓Vb增加到預定值V1時，充電控制電路6確定鋰離子電池11是一個正常的電池，結束由恆流電路5進行的預充電，並且輸出電壓切換信號Ss，從而將充電從預充電切換到由恆壓電路4的恆壓充電。而且，當預充電時，恆壓電路4的操作被停止，並且二極體25阻止電流從鋰離子電池11流入AC適配器10。
當預充電結束時，充電控制電路6使電壓切換電路22通過電壓切換信號Ss來選擇恆壓E1。所選擇的恆壓E1被輸出到運算放大器23的反相輸入端作為基準電壓Vr。恆壓電路4的輸出電壓變成恆壓E1，並且用恆壓E1對鋰離子電池11充電。圖2示出了當用恆壓E1對鋰離子電池11充電時的充電電流。被AC適配器10或控制電晶體24的電流容量限制的恆流從恆壓電路4輸出作為充電電流Ic。
當鋰離子電池11的電池電壓Vb逐漸增加並且達到與恆壓電路4的輸出電壓相同的電壓E1時，充電控制電路6執行對恆壓電路4的操作控制，從而通過脈衝充電方法對鋰離子電池11充電。另外，恆壓E1可被設置為4.2V，該電壓是鋰離子電池的滿充電電壓。
脈衝充電方法是一種將恆壓電路4的輸出電壓從/到恆壓E2以預定周期重複切換到/從恆壓E3來對鋰離子電池11充電的方法。當鋰離子電池11的電壓達到電壓E1時，充電控制電路6將電壓切換信號Ss輸出到電壓切換電路22，從而電壓切換電路22選擇恆壓E3，並且設置恆壓電路4的輸出電壓為恆壓E3。恆壓E3低於恆壓E1。然而，恆壓E3的電壓設置應使得在充電方法被切換成脈衝充電方法之後，有足夠的充電電流Ic可被輸出到鋰離子電池11。例如，在所述鋰離子電池的情況下，恆壓E3可被設置為4.0V到4.1V。
接下來，在預定時間T1過後，由於充電控制電路6將電壓控制信號Ss輸出到電壓切換電路22，從而電壓切換電路22選擇恆壓E3，充電控制電路6將電壓切換信號Ss輸出到電壓切換電路22，從而電壓切換電路22選擇恆壓E2。電壓切換電路22選擇並輸出恆壓E2，從而恆壓電路4的輸出電壓變成恆壓E2。恆壓E2可以被設置成與恆壓E1具有相同的電壓，或者被設置成稍略大於恆壓E1例如大約0.1V的電壓。另外，應當說明的是圖2示出了例如恆壓E2大於恆壓E1的情況。
在恆壓E2被設置為與恆壓E1的電壓相同的情況下，不可能將過電壓提供給鋰離子電池11。因此，不存在對離子電池11產生損害的危險。而且，由於恆壓E2被設置為與恆壓E1相同的電壓，因此電路被簡化。然而，有個缺陷是充電時間變得長了一點。在恆壓E2被設置為略大於恆壓E1的情況下，就可以縮短充電時間。同時，由於採用了脈衝充電方法，也可以減小損壞鋰離子電池的可能性。
接著，在預定時間T1過後，由於充電控制電路6將電壓切換信號Ss輸出到電壓切換電路22，從而電壓切換電路22選擇恆壓E2。充電控制電路6將電壓切換信號Ss輸出到電壓切換電路22，從而電壓切換電路22再次選擇恆壓E3。電壓切換電路22再次選擇和輸出恆壓E3，從而恆壓電路4的輸出電壓變成恆壓E3。利用這種方式，充電控制電路6使恆壓電路4以一恆定周期交替地輸出恆壓E2和E3，直到鋰離子電池11的充電完成。
從圖2可以看出，在充電方法剛剛切換成脈衝充電方法後，由於充電電流Ic是由AC適配器10或控制電晶體24的電流容量限制的電流，所以，不管恆壓電路4的輸出電壓是恆壓E3還是恆壓E2，充電電流Ic都近似恆定。然而，當鋰離子電池11被充電時，在用恆壓E3充電期間內的充電電流Ic逐漸降低。另外，當鋰離子電池11充電時鋰離子電池11的電池電壓Vb變成等於或大於恆壓E3時，當用恆壓E3充電時充電電流Ic不流動。這種方法類似於重複充電和中止充電的常規脈衝充電方法。在這種充電方法中，可以避免對鋰離子電池的損害，並且能夠延長鋰離子電池11的使用壽命。
當鋰離子電池進一步充電時，並且當用恆壓E3充電的鋰離子電池11的電池電壓Vb超過預定充電結束電壓Ve時，充電控制電路6確定鋰離子電池11被完全充電，停止運算放大器23的操作，從而停止恆壓電路4的操作，並且停止向鋰離子電池11的充電操作。
當電壓切換電路22選擇恆壓E3時，負載電路7的NMOS電晶體36導通。當NMOS電晶體36導通時，電阻35充當恆壓電路4的負載。然而，當恆壓電路4的輸出電壓從恆壓E2切換到恆壓E3時，可以縮短鋰離子電池的電池電壓Vb達到穩定電壓所需的時間。另外，也可以縮短與由充電控制電路6執行的充電結束電壓Ve進行比較所需要的時間。因此，能夠將用恆壓E3對鋰離子電池11充電的時間設置更短。從而，能夠增加將脈衝充電的充電周期設置為一個不會對使用充電電路的裝置產生影響的頻率的靈活性。
圖3示出了解釋圖1中的充電控制電路6的操作的流程圖。參考圖3，將給出充電控制電路6的操作流程的描述。應當注意到，每個步驟的處理由充電控制電路6來執行，除非另外描述。
在圖3中，首先，步驟S1根據從適配器檢測電路2輸入的信號來檢測電源端31的電壓是否等於或大於預定電壓。如果不能檢測出電源端31的電壓等於或大於預定電壓(步驟S1中的否)，則重複步驟S1。如果檢測出電源端31的電壓等於或大於預定電壓(步驟S1中的是)，則步驟S2確定由電池電壓檢測電路3所檢測的鋰離子電池11的電池電壓Vb是否超過預定值V1。
在步驟S2中，如果鋰離子電池11的電池電壓Vb等於或小於預定值V1(步驟S2中的否)，則步驟S3激活恆流電路5，從而對鋰離子電池預充電，並且處理返回到步驟S2。相反，在步驟S2，如果鋰離子電池11的電池電壓Vb超過預定值V1(步驟S2中的是)，則步驟S4激活運算放大器23，並且同時使電壓切換電路22選擇恆壓E1，以及以恆壓E1執行鋰離子電池11的恆壓充電。
之後，步驟S5確定鋰離子電池11的電池電壓Vb是否超過恆壓E1。如果鋰離子電池11的電池電壓Vb等於或小於恆壓E1(步驟S5中的否)，則重複步驟S5。相反，在步驟S5中，如果鋰離子電池11的電池電壓Vb超過恆壓E1(步驟S5中的是)，則步驟S6使電壓切換電路22選擇恆壓E3，並且使恆壓電路4用恆壓E3對鋰離子電池11充電。
接下來，由於已經開始了利用恆壓E3充電，步驟S7確定預定時間T1是否已過。如果預定時間T1未過(步驟S7中的否)，繼續用恆壓E3充電，直到預定時間T1已過。另外，在步驟S7，如果預定時間T1已過(步驟S7中的是)，則處理繼續到步驟S8。步驟S8確定電池電壓Vb是否等於或大於預定充電結束電壓Ve。如果電池電壓Vb等於或大於充電結束電壓Ve(步驟S8中的是)，則鋰離子電池11的充電結束，並且處理也結束。
此外，在步驟S8中，如果電池電壓Vb小於充電結束電壓Ve(步驟S8中的否)，則處理繼續到步驟S9。步驟S9使電壓切換電路22選擇恆壓E2，並且使恆壓4用恆壓E2對鋰離子電池11充電。接下來，由於已經開始了用恆壓E2的充電，步驟S10確定時間T1是否已過。如果預定時間T1未過(步驟S10中的否)，繼續用恆壓E2充電，直到預定時間T1已過。另外，在步驟S10，如果預定時間T1已過(步驟S10中的是)，則處理繼續到步驟S6。
如上所述，當電池電壓Vb等於或小於預定值V1時，根據本發明第一實施例的充電電路用來自恆流電路5的預充電電流Ip對鋰離子電池11預充電。當電池電壓Vb超過預定值V1時，充電電路執行用來自恆壓電路4的恆壓E1的恆壓充電。當電池電壓Vb等於恆壓E1時，充電電路對電壓切換電路22執行恆壓切換控制以便執行脈衝充電，從而使恆壓E2和E3被以一恆定的周期交替地從恆壓電路4中輸出。因此，通過增加一個簡單的電路，當對鋰離子電池充電時，可以縮短充電時間，並且也可以避免在一個使用充電電路的裝置產生影響的頻帶中產生噪聲。
下面，將參考附圖給出本發明的第二實施例的描述。
(第二實施例)圖5示出了根據本發明第二實施例的充電電路。在圖5中，充電電路包括AC適配器B10，用於提供充電電流；適配器檢測電路12，用於檢測AC適配器B10的連接；電池電壓檢測電路16，用於檢測備用電池14的電壓；恆壓電路18，用於執行備用電池14上的恆壓充電；恆流電路20，用於向備用電池14提供恆流；柵極電壓檢測電路B22，用於檢測控制電晶體M1的控制端的電壓；二極體D1，用於阻止電流從備用電池B24流入AC適配器B10；以及充電控制電路B24，用於執行恆壓電路18和恆流電路20的驅動控制。AC適配器B10連接到端30。恆壓電路18包括用於產生基準電壓BE1的恆壓產生電流40、控制電晶體M1、以及運算放大器A1。柵極電壓檢測電路B22包括用於產生基準電壓BE2的恆壓產生電路42和運算放大器A2。適配器檢測電路12包括用於產生基準電壓BE3的恆壓產生電路44以及運算放大器A3。另外，二極體D1連接於控制電晶體M1和備用電池14之間。二極體D1阻止電流從備用電池14經由控制電晶體M1流入AC適配器B10。而且，在圖5中，控制電晶體M1被表示為一個P-溝道金屬氧化物半導體場效應電晶體(下文稱作「pMOS電晶體」)。
下面，將給出根據第二實施例的充電電路的操作。當作為充電電路的電源的AC適配器B10經端30連接到充電電路、並且連接到端30的運算放大器A3的輸入端的電壓等於或大於預定基準電壓BE3時，適配器檢測電路12將預定信號Sg1發送到充電控制電路B24。另外，電池電壓檢測電路16檢測備用電池14的電池電壓，產生電池電壓信號Sg1，並且將該信號輸出到充電控制電路B24。當輸入信號Sg1時，充電控制電路B24被激活。當電池電壓信號Sg2被輸入時，充電控制電路B24將恆流控制信號Sg3輸出到恆流電路20。當恆流控制信號Sg3被輸入時，恆流電路20被激活。恆流電路20包括兩個內部電源，並且能夠輸出圖5中用IB所示方向的兩個電流中的一個。當充電控制電路B24根據輸入的電池電壓信號Sg2檢測到備用電池14的電池電壓低於預定電壓BV1時，充電控制電路B24將恆流值切換信號Sg4和恆流控制信號Sg3輸出給恆流電路20。由於在備用電池14的電池電壓低於BV1、即備用電池14處於過放電狀態的情況下，用大電流突然對備用電池14充電時會出現問題，所以，這樣做是為了降低充電電流，。然而，當恆流值切換信號Sg4被輸入到恆流電路20時，恆流電路20輸出一個電流值為BI1的電流。在鋰離子電池的情況下，電壓BV1被設置為大約2.5V，並且通常，電流值BI1的範圍是幾毫安到幾十毫安。如上所述，當恆流控制信號Sg2被輸出到恆流電路20時，開始備用電池14的充電。
充電控制電路B24確定備用電池是正常的電池，並且當用電流值為BI1的電流對備用電池14充電時，將恆流值切換信號Sg4輸出到恆流電路20，而且充電控制電路B24根據從電池電壓檢測電路16提供的電池電壓信號Sg2檢測到備用電池14的電池電壓達到預定電壓BV1。因此，恆流電路20向備用電池14輸出一個大於電流值BI1的電流值BI2。電流值BI2等於當恆壓充電結束時流入備用電池14的滿充電電流。而且，充電控制電路B24向恆壓電路18輸出充電控制信號Sg5，從而激活恆壓電路18。恆壓電路18以圖5所示方向BIC向備用電池14輸出充電電流。隨後，備用電池14被由恆壓電路18和恆流電路20輸出的電流充電。
之後，當備用電池14的電池電壓進一步增加並且達到近似等於恆壓電路18的基準電壓BE1的電壓BV2時，備用電池14的電池電壓不再增加，保持恆定，並且僅充電電流逐漸減小。這時，運算放大器A1將備用電池14的電池電壓與基準電壓BE1進行比較，並且運算放大器A1根據差值向pMOS電晶體M1的柵極(控制端)提供正柵極電壓(控制電壓)。備用電池14的電池電壓越高，則所提供的柵極電壓變得越高。因此，漏極電流被逐漸限制。即，施加到備用電池14的充電電流逐漸減小。在鋰離子電池的情況下，電壓BV2被設置為近似4.2V。當電壓進一步增加時，由於金屬鋰在備用電池14內是分離的所以會出現問題。即使在傳統的恆流恆壓充電電路中，當備用電池14的充電電壓達到電壓BV2時，恆流充電也被切換成恆壓充電。而且，理想地，當備用電池14的電池電壓達到電壓BV2時，總的充電電流開始同時降低。但是，根據電池內的化學反映進度存在一些時間差。
圖6A、6B、6C示出了上述操作的圖。圖6A示出了伴隨充電時間的備用電池的電池電壓的變化。圖6B示出了伴隨充電時間的充電電流的變化。另外，圖6C示出了伴隨充電時間的pMOS電晶體M1的柵極電壓的變化。圖6B示出了由恆流電路20輸出的電流A(用粗線表示)的變化、從恆壓電路18輸出的充電電流B的變化、以及通過將從恆流電路20輸出的電流加到從恆壓電路18輸出的電流所得到的總充電電流C。參考圖6A和6B，備用電池14被具有從恆流電路20輸出的電流值BI1的電流充電，直到電壓達到BV1(直到充電時間t1)。當備用電池14的電池電壓達到BV1時，恆流電路20輸出電流值為BI2的充電電流，並且恆壓電路18也開始輸出一個充電電流。從恆壓電路18輸出的充電電流是這樣一種的電流，即，在開始都受到AC適配器B10的電流容量或pMOS電晶體M1的電流容量的限制，所以，它們的電流容量都比較小。圖6B示出了例如在AC適配器B10的電流容量比較小情況下的充電電流。備用電池14被由恆壓電路18和恆流電路20輸出的電流充電，因此，備用電池14的電池電壓增加，並且達到預定電壓BV2。
當在備用電池14的電池電壓達到預定值BV2之後過去某段時間時，pMOS電晶體M1的柵極電壓開始逐漸增加，並且響應這種增加，從恆壓電路18輸出的電流開始逐漸減小。然而，如圖6C所示，在充電時間t2，pMOS電晶體M1的柵極電壓增加到接近於AC適配器電壓。這時，恆壓電路18的pMOS電晶體截止，並且從恆壓電路18輸出的充電電流停止。換句話說，總充電電流僅是具有從恆流電路20輸出的電流值BI2的電流。
在根據該實施例的充電電路中，由於電流值BI2被設置為等於滿充電電流值，所以能夠認為當恆壓電路18的pMOS電晶體M1截止時充電結束，並且僅具有從恆流電路20輸出的電流值BI2的電流流入備用電池14。
因此，如果設置柵極電壓檢測電路B22的基準電壓BE2以使得從AC適配器B10的電壓下降了基準電壓BE2所獲得的一個較低電壓等於pMOS電晶體M1截止時的柵極電壓，那麼，當控制電晶體M1截止時，即當輸入給運算放大器A2的一個輸入端的PMOS電晶體M1的柵極電壓等於AC適配器B10的電壓下降了基準電壓BE2的一個電壓時，柵極電壓檢測電路B22向充電控制電路B24輸出充電結束信號Sg6。如上所述，柵極電壓檢測電路B22通過檢測pMOS電晶體M1的柵極電壓檢測到預定電流流入備用電池14。因此，柵極電壓檢測電路B22可被稱作充電電流檢測電路。當充電結束信號Sg6被輸入到充電控制電路B24時，充電控制電路B24分別向恆壓電路18和恆流電路20輸出充電控制信號Sg5和恆流控制信號Sg3，並且停止這兩種電路的操作。
在根據這個實施例的充電電路中，不需要用於檢測充電電流的電阻。由此，沒有電阻引起的發熱或能量損耗。因此，可以精確地檢測滿充電狀態。此外，能夠從不同的電流值當中選擇從恆流電路20輸出的電流的電流值。因此，能夠對即使是過放電的電池等進行充電，而不需要增加一個新的電路。
另外，在根據該實施例的充電電路中，柵極電壓檢測電路B22使用產生基準電壓BE2的恆壓產生電路42將從AC適配器B10的電壓下降了基準電壓BE2的電壓設置成等於pMOS電晶體M1截止時的柵極電壓。然而，這與通過使用產生充電結束電壓的恆壓產生電路42來設置充電結束電壓等於pMOS電晶體M1截止時的柵極電壓是相同的事情。
此外，應當注意，pMOS電晶體M1在圖5中被用作控制電晶體M1，然而，即使使用如圖7所示的雙基極PNP電晶體時，也可以獲得類似的效果。在這種情況下，可以將柵極電壓檢測電路B22的基準電壓BE2設置為使從AC適配器B10的電壓下降了基準電壓BE2的電壓等於雙基極PNP電晶體截止時的基極電壓。
(第三實施例)圖8示出了根據本發明第三實施例的備用電池14的充電電路圖。在圖8中，與圖5中那些對應部分相同的部件用相同的參考標記表示，並且忽略對其的描述。根據第三實施例的充電電路除了圖5所示的充電電路以外還包括電流控制電路50，用於控制從pMOS電晶體M1輸出的充電電流；以及負載電阻R2。另外，二極體D3連接在恆壓電路18的運算放大器A1與pMOS電晶體M1之間。電流控制電路50包括恆壓產生電路46、運算放大器A4以及二極體D2。負載電阻R2的一端接地，另一端連接到pMOS電晶體M1的柵極端。
圖9A、9B和9B分別示出了伴隨充電時間的備用電池14的電池電壓的變化、充電電流的變化以及pMOS電晶體M1的柵極電壓的變化。圖9B示出了從恆流電路20輸出的電流A(用粗線表示)、從恆壓電路18輸出的充電電流B以及通過將恆流電路20輸出的電流加到從恆壓電路18輸出的電流上獲得的總充電電流。在備用電池14的電池電壓達到預定電壓BV1之前(在充電時間變成t1之前)，根據第三實施例的充電電路與根據第二實施例的充電電路操作相似。當根據從電池電壓檢測電路16輸出的電池電壓信號Sg2檢測到備用電池14的電池電壓達到預定值BV1時，充電控制電路B24將恆流值切換信號Sg4輸出到恆流電路20。由此，恆流電路20將大於電流值BI1的電流值BI2輸出到備用電池14。此外，充電控制電路B24將充電控制信號Sg5輸出到恆壓電路18和電流控制電路50，以便分別激活恆壓電路18和電流控制電路50。
首先，由於備用電池的電池電壓仍然很低，所以恆壓電路18的運算放大器A1的輸出近似為0V。另一方面，電流控制電路50的運算放大器A4將pMOS電晶體M1的柵極電壓與從AC適配器B10的電壓(端30的電壓)下降了基準電壓BE4的電壓進行比較，並且輸出該電壓，因此pMOS電晶體M1的柵極電壓被維持恆定並且等於從AC適配器B10的電壓下降了基準電壓BE4的電壓。這時，恆壓電路18的二極體D3阻止電流從pMOS電晶體M1的柵極端流入運算放大器A1。歸根到底，pMOS電晶體M1的柵極電壓維持恆定，並且pMOS電晶體M1的漏極電流，即從恆壓電路18輸出的充電電流恆定為電流值BI3。
然而，由於pMOS電晶體M1的性能，存在這樣一種情況，即，即使施加了預定柵極電壓，也不會產生預定漏極電流。因此，如圖8所示，通過配置負載電阻R2，執行柵極電壓的精確調整，從而產生預定的漏極電流。如上所述，備用電池14被電流值為BI2的恆流及電流值為BI3的漏極電流充電。
當備用電池14的電池電壓增加並且達到預定電壓BV2時，恆壓電路18的運算放大器A1的輸出電壓增加，並且電流開始從運算放大器A1經由二極體D3流到pMOS電晶體M1的柵極端。因此，pMOS電晶體M1的柵極電壓增加。但是，恆流控制電路50的運算放大器A4的輸出降至近似為0V。因此，電流停止從運算放大器A4經由二極體D2流到pMOS電晶體M1的柵極。當pMOS電晶體M1的柵極電壓增加時，從pMOS電晶體M1輸出的漏極電流降低。當備用電池14進一步充電時，pMOS電晶體M1的柵極電壓進一步增加，並且pMOS電晶體M1截止。這時，流入備用電池14的電流具有等於滿充電電流的電流值BI2，該滿充電電流在恆壓充電結束時流入備用電池14。
當設置柵極電壓檢測電路B22的基準電壓BE2以使得從AC適配器B10的電壓下降了基準電壓BE2的電壓等於pMOS電晶體M1截止時的柵極電壓時，當控制電晶體M1截止時，柵極電壓檢測電路B22將充電結束信號Sg6輸出到充電控制電路B24。當充電控制信號Sg6輸入到充電控制電路B24時，充電控制電路B24將充電控制信號Sg5和恆流控制信號Sg3分別輸出到恆壓電路18和恆流電路20，並且停止這兩種電路的操作。
在根據該實施例的充電電路中，即使在剛剛驅動恆壓電路18後，也能夠將預定柵極電壓施加到pMOS電晶體M1。因此，能夠給備用電池14提供預定恆流，該預定恆流不取決於AC適配器B10的電流容量或pMOS電晶體M1的電流容量。因此，即使在恆壓電路18剛剛被驅動之後，也能夠給備用電池14提供具有合適電流值的充電電流，該合適電流值不損害備用電池14。
另外，在根據該實施例的充電電路中，不需要用於檢測充電電流的電阻。因此，就沒有由電阻引起的發熱或能量損耗。由此，能夠精確地檢測備用電池的滿充電狀態。另外，可以從不同的電流值中選擇從恆流電路20輸出的電流的電流值。因此，能夠對即使是過放電的電池等充電，而不用增加一個新的電路。
此外，在根據第三實施例的充電電路中，通過使用產生基準電壓BE2的恆壓產生電路42，柵極電壓檢測電路B22將從AC適配器B10的電壓下降了基準電壓BE2的電壓設置成等於pMOS電晶體M1截止時的基極電壓。這與通過使用產生充電結束電壓的恆壓產生電路來設置充電結束電壓等於pMOS電晶體M1截止時的柵極電壓是相同的事情。另外，通過使用產生基準電壓BE4的恆壓產生電路46，電流控制電路設置從AC適配器B10的電壓下降了基準電壓BE4的電壓等於輸出預定恆流時的pMOS電晶體M1的柵極電壓。然而，這與通過使用產生某一控制電壓的恆壓產生電路將所述控制電壓設置成等於輸出預定恆流的pMOS電晶體M1的柵極電壓是相同的事情。
另外，在圖8中，控制電晶體M1是一個pMOS電晶體。然而，使用如圖7所示的雙基極PNP電晶體也可以獲得相似的效果。在這種情況下，可以設置柵極電壓檢測電路B22的基準電壓BE2以使得從AC適配器B10的電壓下降了基準電壓BE2的電壓等於雙基極PNP電晶體截止時的基極電壓。另外，可以設置恆壓產生電路的基準電壓46的基準電壓BE4以使得從AC適配器B10的電壓下降了基準電壓BE4的電壓等於輸出預定恆流的雙基極PNP電晶體基極電壓。
另外，在根據該實施例的充電電路中，電流控制電路50將pMOS電晶體M1的柵極電壓維持為恆定，並且經由pMOS電晶體M1使預定恆流流到備用電池14。然而，只要能夠經由pMOS電晶體M1使預定恆流流到備用電池14也可以使用另一種結構。即使是在這樣的情況下也可以獲得類似的效果。然而，當如圖8和10所示配置負載電阻R2時，就能夠很容易調整施加到pMOS電晶體M1的柵極電壓值。例如，即使在pMOS電晶體M1被不同製造商的另一個pMOS電晶體M1代替的情況下，也能夠根據pMOS電晶體M1的性能簡單調整柵極電壓。因此，可以不管pMOS電晶體M1的性能如何來使預定恆流流到備用電池14。
另外，在圖8的充電電路中，恆流電路20可以是一種僅輸出電流值BI1的恆流電路。圖10示出了上述情況下的充電電路圖。恆流電路20具有單一電流源，用於輸出電流值為BI1的電流，並且，恆流電路20受從充電控制電路B24輸出的恆流控制信號Sg3的控制。
在備用電池14的電池電壓低於預定電壓BV1的情況下，由於充電控制電路B24輸入恆流控制信號Sg3，所以恆流電路20被激活，並且僅用電流值為BI1的電流對備用電池14充電。當充電控制電路根據由電池電壓檢測電路16輸出的電池電壓信號Sg2檢測備用電池14的電池電壓達到預定電壓BV1時，充電控制電路B24向恆流電路20發送恆流控制信號Sg3，從而停止恆流電路20的操作。而且，充電控制電路B24輸出充電控制信號Sg5來激活恆壓電路18和電流控制電路50。電流控制電路50和恆壓電路18的操作與圖8中的那些相應部分的作業系統。
在圖10的充電電路中，柵極第一檢測電路B22的基準電壓BE5與圖4和8中的充電電路的基準電壓BE2不同。設定該基準電壓BE5以使從AC適配器110的電壓下降了基準電壓BE5的電壓與施加到pMOS電晶體M1的柵極端的電壓相同，從而，pMOS電晶體M1的漏極電流等於電流值I2。由此，充電是從恆流充電向恆壓充電的充電。當pMOS電晶體M1的柵極電壓增加並且達到比AC適配器B10的電壓減小了基準電壓BE5的電壓時，柵極電壓檢測電路B22向充電控制電路B24輸出充電結束信號Sg6。當輸入充電結束信號Sg6時，充電控制電路B24向恆壓電路18和恆流控制電路50輸出充電控制信號Sg5，從而停止它們的操作。
在圖10所示的充電電路中，恆流電路20可以包括單個電流源。從而減小了電路大小。結果降低了製造成本。
本發明不限於具體公開的實施例，並且在不背離本發明的範圍的情況下，可以做出變化和修改。
本申請基於2001年9月14日申請的日本優先權申請號2001-279823以及2001年9月20日申請的申請號2001-287039，在此全文引用作為參考。
權利要求
1.一種對備用電池充電的充電電路，包括恆流電路部分，串聯於外部直流電源和備用電池之間，並且響應一個輸入控制信號，向備用電池輸出第一和第二恆流中的一個；恆壓電路部分，與所述恆流電路部分並聯連接，並且通過向備用電池提供預定恆壓而對其充電；電池電壓檢測電路部分，用於檢測和輸出備用電池的電池電壓；充電電流檢測電路部分，當預定電流流入所述備用電池時，輸出一個預定充電結束信號；以及充電控制電路部分，當充電結束信號輸入時，停止所述恆流電路部分和所述恆壓電路部分的操作，其中，當備用電池的電池電壓小於預定電壓時，所述充電控制電路部分向所述恆流電路部分輸出控制信號，以便使所述恆流電路部分輸出第一恆流，並且當備用電池的電池電壓等於或大於預定電壓時，所述充電控制電路部分向所述恆流電路部分輸出控制信號，以便使恆流電路部分輸出第二恆流，該第二恆流大於第一恆流。
2.一種對備用電池充電的充電電路，包括恆流電路部分，串聯於外部直流電源和備用電池之間，並且響應一個輸入控制信號，向備用電池輸出第一和第二恆流中的一個；恆壓電路部分，與所述恆流電路部分並聯連接，並且通過向備用電池提供預定恆壓而對其充電；電池電壓檢測電路部分，用於檢測和輸出備用電池的電池電壓；確定充電結束的電路部分，以輸出一個預定充電結束信號；以及充電控制電路部分，當充電結束信號輸入時，停止所述恆流電路部分和所述恆壓電路部分的操作，其中，當備用電池的電池電壓小於預定電壓時，所述充電控制電路部分向所述恆流電路部分輸出控制信號，以便使所述恆流電路部分輸出第一恆流，並且當備用電池的電池電壓等於或大於預定電壓時，所述充電控制電路部分向所述恆流電路部分輸出控制信號，以便使恆流電路部分輸出第二恆流，該第二恆流大於第一恆流。
全文摘要
一種備用電池的充電電路，包括恆壓電路部分，用於輸出多個預定恆壓中的一個，並且通過向其提供恆壓來給備用電池充電；檢測電路部分，用於檢測備用電池的電池電壓；以及控制電路部分，用於響應所檢測的電池電壓控制恆壓的選擇。另一種充電電路包括恆流電路部分，用於向備用電池輸出兩個預定恆流中的一個；恆壓電路部分，通過向其提供預定恆壓來向備用電池充電；電池第一檢測電路部分，用於檢測備用電池的電池電壓；充電電流檢測電路部分，用於輸出預定充電結束信號；以及充電控制電路部分，用於當接收充電結束信號時，停止恆流電路部分和恆壓電路部分的操作。
文檔編號H01M10/44GK1988318SQ20061016319
公開日2007年6月27日 申請日期2002年9月12日 優先權日2001年9月14日
發明者西田淳二, 真鍋晉也 申請人:株式會社理光