用於充電系統的切換模式充電器的製造方法

2023-08-02 12:25:31

用於充電系統的切換模式充電器的製造方法
【專利摘要】一種切換模式充電器，能夠執行模式切換以調整和輸出用於電池的充電電流或用於外電路元件的驅動電流，包含輸入端、輸出端、降壓-升壓轉換器以及控制器。切換模式充電器根據輸出端的電壓在輸入端生成電壓或根據輸入端的電壓在輸出端生成電壓。控制器根據與降壓-升壓轉換器關聯的電壓改變和電流改變的至少一個動態地從多個操作模式中選擇操作模式作為降壓-升壓轉換器的操作模式，其中降壓-升壓轉換器根據由控制器選擇的操作模式動態地執行模式切換，以便調整和輸出充電電流或驅動電流。
【專利說明】用於充電系統的切換模式充電器
[0001] 奪叉參考相關引用
[0002] 本申請要求在2013年4月22申請的編號為61/814,601的美國專利申請的優先 權。其全部內容通過參考併入與此。

【技術領域】
[0003] 本發明涉及充電方案，且更特別地涉及切換模式充電器和應用於切換模式充電器 的方法。

【背景技術】
[0004] 隨著時間和技術的發展，為了滿足用戶方便，需要在可攜式裝置（例如，智慧型電話 裝置或平板電腦裝置）內配置具有大容量的電池。具有大容量的電池通常意味著其消耗更 長的充電時間尤其是當使用小充電電流（例如1A)時。因此，大充電電流通常由現有的充 電器/適配器裝置採用以便儘可能的減少較長的充電時間。然而，在線纜線損耗存在或大 電壓變化引入到輸入電壓的一些情況中，即使現有的充電器/適配器裝置最初設計為提供 最大的額定大電流用於電池充電，現有的充電器/適配器裝置仍然輸出/提供小充電電流 且不能提供額定大電流用於電池。因此，提供新穎的充電器裝置，即使此充電器裝置是在上 述的情況中，也仍然能夠輸出大用於電池的充電電流以有效地減少較長的充電時間是非常 重要的。


【發明內容】

[0005] 本發明的一個目的是提供切換模式充電器，能夠響應於電壓改變或電流改變執行 模式切換以調整和輸出用於電池的充電電流或用於外電路元件的驅動電流，以及應用於此 切換模式充電器的對應方法，以解決上述的問題。
[0006] 根據本發明的實施例，揭露一種切換模式充電器，能夠響應於電壓改變或電流改 變執行模式切換以調整和輸出用於電池的充電電流或用於外電路元件的驅動電流。切換模 式充電器包含輸入端、輸出端、降壓_升壓轉換器和控制器。降壓-升壓轉換器用於根據輸 出端的電壓在輸入端生成電壓或根據輸入端的電壓在輸出端生成電壓。控制器耦合到降 壓-升壓轉換器、輸入端、和輸出端。控制器用於根據與降壓-升壓轉換器關聯的電壓改變 和電流改變的至少一個動態地從多個操作模式中選擇操作模式作為降壓-升壓轉換器的 操作模式，其中降壓-升壓轉換器設置為根據由控制器選擇的操作模式動態地執行模式切 換，以便調整和輸出充電電流或驅動電流。
[0007] 根據本發明的實施例，揭露應用於切換模式充電器的方法，能夠響應於電壓改變 或電流改變執行模式切換以調整和輸出用於電池的充電電流或用於外電路元件的驅動電 流。方法包含使用降壓-升壓轉換器以根據輸出端的電壓在輸入端生成電壓或根據輸入端 的電壓在輸出端生成電壓；根據與降壓-升壓轉換器關聯的電壓改變和電流改變的至少一 個動態地從多個操作模式中選擇操作模式作為降壓-升壓轉換器的操作模式；以及根據選 擇的操作模式動態地執行模式切換，以便調整和輸出充電電流或驅動電流。
[0008] 在上述的實施例中，切換模式充電器整合降壓和升壓模式的操作。而且，切換模式 充電器使用降壓-升壓轉換器的開關電晶體作為電流感測元件或使用電力路徑塊作為電 流感測元件。因此，此實現了低成本和高效率的要求。切換模式充電器的結構可以用於各 種不同類型的輸入電源，例如，各種AC到DC適配器、標準USB主埠、USB充電埠、汽車 適配器和無線充電器。此外，切換模式充電器可支持包含不同輸入電壓的充電器。
[0009] 本發明的這些和其它目的，對本領域的普通技術人員而言，在閱讀圖示於各種圖 和附圖的下文的優選實施例的詳細描述後，將毫無疑問地變得明顯。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010] 圖1是根據本發明的實施例的切換模式充電器的示意圖。
[0011] 圖2A-2C是圖示通過圖1的降壓-升壓轉換器的電晶體的電流和當降壓-升壓轉 換器操作於不同的操作模式下時電晶體的開/關狀態的示意圖。

【具體實施方式】
[0012] 請參考圖1，其是根據本發明的實施例的切換模式充電器100的示意圖。切換模式 充電器100能夠響應於電壓改變和/或電流改變，執行模式切換以調整和輸出用於電池的 充電電流或用於連接切換模式充電器100的輸入端的外電路元件的驅動電流。電壓改變可 指不在一時間段中輸入電壓與系統電壓和電池電壓的一個之間的電壓差的改變。電流改變 可指不在一時間段中通過切換模式充電器100、輸入到切換模式充電器100或由切換模式 充電器100輸出的電流的改變。切換模式充電器100包含輸入端、輸出端、轉換器105 (例 如，降壓-升壓轉換器）、控制器110以及電力路徑塊115。切換模式充電器100用於為包 含一個單元或者更多單元的電池提供高效電壓充電，且也可以設置為反向使用電池的電力 以驅動連接到切換模式充電器100的輸入端的外電路元件（例如，USB驅動或USB滑鼠/ 鍵盤）；電池連接到切換模式充電器100的輸出端。即，切換模式充電器100能夠根據輸 入端的電壓（即，輸入充電器電壓Vchg)和輸出端的電壓（S卩，系統電壓Vsys和/或電池 電壓Vbat)的不同的條件供應對應充電/輸出電流用於對電池充電；此外，切換模式充電 器100可以通過使用電池的電力從電池反向地輸出驅動電流來驅動上述的外電路元件，以 支持USB規格的On-The-Go(OTG)功能。應該注意到，即使電池電壓Vbat和輸入充電器電 壓Vchg之間的差別變得更小，切換模式充電器100通過執行模式切換仍然可提供額定電流 (或目標大電流），來對電池快速充電。操作將在下文的段落中詳細說明。
[0013] 降壓-升壓轉換器105用於根據當切換模式充電器100為電池輸出充電電流時輸 入端的電壓在輸出端生成電壓，和/或根據當切換模式充電器100為連接到輸入端的外電 路元件輸出驅動電流時輸出端的電壓在輸入端生成電壓。降壓-升壓轉換器105包含晶體 管Q1-Q4,其中電晶體Q1-Q4的開/關狀態分別由控制器110輸出的四個不同的脈衝-寬 度-調製（Pulse-Width-Modulation，簡稱PWM)信號PWM1-PWM4控制。H橋式結構由電晶體 Q1-Q4形成。降壓-升壓轉換器105至少包含三個操作模式，降壓模式、升壓模式和降壓-升 壓模式。降壓-升壓轉換器105操作於哪個模式是依據電晶體Q1-Q4的開/關狀態。晶 體管Q1-Q4的開/關狀態由控制器110控制。控制器110生成並使用PWM信號PWM1-PWM4 以分別控制電晶體Q1-Q4的狀態，以及根據電晶體Q1-Q4的開/關狀態降壓-升壓轉換器 105可從另一模式進入操作模式或在上述操作模式之間切換。由控制器110輸出的PWM信 號PWM1-PWM4的生成依據通過切換模式充電器100的電流，其中電流可用於對電池充電或 相反地驅動連接到輸入端的外電路元件。
[0014] 控制器110連接到降壓-升壓轉換器105、輸入端以及輸出端，且用於依據與降 壓-升壓轉換器105關聯的電壓改變和電流改變的至少一個以動態地從操作模式中選擇操 作作為降壓-升壓轉換器105的操作模式；降壓-升壓轉換器105設置為根據由控制器110 選擇的操作模式動態地執行模式切換以便調整和輸出充電電流或驅動電流。在實踐中，控 制器110包含電壓感測電路1101、電流感測電路1102和控制電路1103。電壓感測電路1101 連接到輸入端、輸出端和電池。電壓感測電路1101用於感測/檢測輸入端的電壓Vchg(即， 降壓-升壓轉換器105的輸入的電壓）和系統電壓Vsys以及電池的電池電壓Vbat的至少 一個。電壓感測的結果從電壓感測電路1101輸出到控制電路1103。因此，基於這些結果， 控制電路1103可確定降壓-升壓轉換器105應該操作於哪個操作模式下且可對應地生成 PWM信號PWM1-PWM4到降壓-升壓轉換器105。控制電路1103可通過將所選擇的所檢測的 電壓Vchg與系統電壓Vsys和電池電壓Vbat的至少一個相比，從這些操作模式中選擇一個 操作模式來確定此操作模式作為降壓-升壓轉換器105的一個。
[0015] 電流感測電路1102連接到輸入端、跨過電晶體Q4的兩個節點，以及可選地連接到 跨過電晶體Q5的兩個節點。電流感測電路1102用於通過檢測輸入到降壓-升壓轉換器 105的電流來感測輸入到切換模式充電器100的電流，以及通過檢測通過電晶體Q4的電流 或通過電晶體Q5的電流來感測輸出和提供用於對電池充電的電流。電流感測電路1102設 置為檢測通過降壓-升壓轉換器105的電流。電流感測的結果從電流感測電路1102輸出 到控制電路1103。基於這些結果，控制電路1103可確定是否從另一模式切換到特定操作 模式或在兩個操作模式之間切換，以便實現供應/提供額定電流（即，目標大電流）用於對 電池或連接到切換模式充電器100的輸入端的電路元件充電的目的，即實現快速充電的目 的。控制電路1103可通過將所檢測的電流與額定電流（S卩，目標大電流）比較，動態地從 這些操作模式中選擇一個操作模式來確定此操作模式為降壓-升壓轉換器105的一個操作 模式。
[0016] 應該注意到在本實施例中控制器110包含電壓感測電路1101和電流感測電路 1102。在另一實施例中，控制器110可包含電壓感測電路1101和電流感測電路1102中的 一個。控制器110可以設置為根據電壓改變或電流改變，從這些操作模式選擇一個操作模 式來確定操作模式作為降壓-升壓轉換器105的一個操作模式。此修改也落入本發明的範 圍。
[0017] 控制電路1103還設置為生成PWM信號PWM5以使能或失能電力路徑塊115的操作。 在本實施例中，電力路徑塊115包含電晶體Q5,電晶體Q5由PWM信號PWM5控制。電力路 徑塊115用作電力路徑以及高精度電流感測框。即，電力路徑塊115可用於斷開系統電壓 Vsys和電池電壓Vbat，以便即使電池沒有連接到切換模式充電器100,切換模式充電器100 仍然可提供系統電壓Vsys和對應驅動電流用於驅動系統；在此情況中，電晶體Q5關閉。而 且，當電晶體Q5由控制電路1103打開時電晶體Q5可用作電流感測電阻器。此外，電力路 徑塊115是可選的。即，在其它實施例中，切換模式充電器100可排除電力路徑塊115。切 換模式充電器100仍然可通過檢測通過電晶體Q4的電流以感測輸出和提供用於對電池充 電的電流來實現快速充電。
[0018] 在下文中，表T1顯示對應於與如圖1所示的電晶體Q1-Q5的開/關狀態關聯的不 同的場景的不同的操作模式：

【權利要求】
1. 一種切換模式充電器，能夠響應於電壓改變或電流改變執行模式切換以調整和輸出 用於電池的用於電池的充電電流或用於外電路元件的用於外電路元件的驅動電流，其特徵 在於包含： 輸入端； 輸出端； 降壓-升壓轉換器，用於根據所述輸出端的電壓在所述輸入端生成電壓或根據所述輸 入端的電壓在所述輸出端生成電壓；以及 控制器，耦合到所述降壓-升壓轉換器、所述輸入端以及所述輸出端，用於根據與所述 降壓-升壓轉換器關聯的電壓改變和電流改變的至少一個，動態地從多個操作模式中選擇 操作模式作為所述降壓-升壓轉換器的操作模式，其中所述降壓-升壓轉換器設置為根據 由所述控制器選擇的所述操作模式，動態地執行模式切換，以便調整和輸出所述充電電流 或所述驅動電流。
2. 如權利要求1所述的切換模式充電器，其特徵在於，所述控制器包含電流感測電路 和控制電路；所述電流感測電路用於檢測通過所述降壓-升壓轉換器的電流；以及所述控 制電路耦合到所述電流感測電路，並用於通過將所述檢測的電流與目標電流比較，動態地 從所述多個操作模式中選擇所述操作模式作為所述降壓-升壓轉換器的所述操作模式。
3. 如權利要求2所述的切換模式充電器，其特徵在於，所述降壓-升壓轉換器包含降壓 模式和升壓模式，且所述降壓-升壓轉換器設置為當操作於所述降壓模式時提供第一電壓 電平作為輸出電壓；以及當所述檢測的電流小於所述目標電流時，所述控制器設置為從所 述多個操作模式中選擇所述升壓模式作為所述降壓-升壓轉換器的所述操作模式，以便控 制所述切換模式充電器從所述降壓模式切換以進入所述升壓模式，並導致所述切換模式充 電器提供第二電壓電平作為輸出電壓，並調整/輸出基本等於所述目標電流的所述充電電 流，所述第二電壓電平高於所述第一電壓電平。
4. 如權利要求2所述的切換模式充電器，其特徵在於，所述降壓-升壓轉換器至少包含 降壓-升壓模式；以及當所述檢測的電流接近所述目標電流時，所述控制器設置為從所述 多個操作模式中選擇所述降壓-升壓模式作為所述降壓-升壓轉換器的所述操作模式，以 便所述切換模式充電器能夠精細地調整由所述切換模式充電器在所述輸出端提供的輸出 電壓。
5. 如權利要求2所述的切換模式充電器，其特徵在於，所述降壓-升壓轉換器包含降壓 模式和升壓模式；以及當所述檢測的電流接近所述目標電流時，所述控制器設置為動態地 選擇所述降壓模式和所述升壓模式的一個作為所述降壓-升壓轉換器的所述操作模式，以 控制所述降壓-升壓轉換器在所述降壓模式和所述升壓模式之間切換，以便所述切換模式 充電器能夠精細地調整由所述切換模式充電器在所述輸出端提供的輸出電壓。
6. 如權利要求2所述的切換模式充電器，其特徵在於，所述電流感測電路設置為感測 通過包含於所述降壓-升壓轉換器的開關電晶體的電流和/或感測通過位於所述輸出端和 降壓-升壓轉換器之間的所述電力路徑塊的電流，以便檢測通過所述降壓-升壓轉換器的 電流。
7. 如權利要求1所述的切換模式充電器，其特徵在於，所述控制器包含電壓感測電路 和控制電路；所述電壓感測電路用於檢測所述降壓-升壓轉換器的輸入的電壓和電池電壓 和系統電壓的至少一個；以及所述控制電路耦合到所述電壓感測電路，並用於通過將所述 檢測的電壓與所述電池電壓和所述系統電壓的所述至少一個比較以從所述多個操作模式 選擇一個操作模式作為所述降壓-升壓轉換器的所述操作模式。
8. 如權利要求7所述的切換模式充電器，其特徵在於，所述降壓-升壓轉換器包含降壓 模式和升壓模式；當所述切換模式充電器為所述電池提供所述充電電流以及所述檢測的電 壓高於所述電池電壓和所述系統電壓的所述至少一個時，所述控制器確定所述降壓-升壓 轉換器操作於所述降壓模式；以及當所述切換模式充電器為所述電池提供所述充電電流且 所述檢測的電壓低於所述電池電壓和所述系統電壓的所述至少一個時，所述控制器確定所 述降壓-升壓轉換器操作於升壓模式。
9. 如權利要求7所述的切換模式充電器，其特徵在於，所述降壓-升壓轉換器包含降壓 模式和升壓模式；當所述切換模式充電器為連接到所述輸入端的所述外電路元件提供所述 驅動電流，且所述檢測的電壓高於所述電池電壓和所述系統電壓的所述至少一個時，所述 控制器確定所述降壓-升壓轉換器操作於所述升壓模式；以及當所述切換模式充電器為連 接到所述輸入端的所述外電路元件提供所述驅動電流，且所述檢測的電壓低於所述電池電 壓和所述系統電壓的所述至少一個時，所述控制器確定所述降壓-升壓轉換器操作於所述 降壓模式。
10. 如權利要求7所述的切換模式充電器，其特徵在於，所述降壓-升壓轉換器至少包 含降壓-升壓模式；以及當所述檢測的電壓接近所述電池電壓和所述系統電壓的至少一個 時，所述控制器設置為從所述多個操作模式選擇所述降壓-升壓模式作為所述降壓-升壓 轉換器的所述操作模式，以便所述切換模式充電器能夠精細地調整由切換模式充電器在所 述輸出端提供的輸出電壓。
11. 如權利要求7所述的切換模式充電器，其特徵在於，所述降壓-升壓轉換器包含降 壓模式和升壓模式；以及當所述檢測的電壓接近於所述電池電壓和所述系統電壓的所述至 少一個時，所述控制器設置為動態地選擇所述降壓模式和所述升壓模式的一個作為所述降 壓-升壓轉換器的所述操作模式，以控制所述降壓-升壓轉換器以在所述降壓模式和所述 升壓模式之間切換，以便所述切換模式充電器能夠精細地調整由所述切換模式充電器在所 述輸出端提供的輸出電壓。
12. -種應用於切換模式充電器的方法，能夠響應於電壓改變或電流改變執行模式切 換以調整和輸出用於電池的充電電流的充電電流或用於外電路元件的驅動電流的驅動電 流，其特徵在於，包含 ： 使用降壓-升壓轉換器以根據輸出端的電壓在輸入端生成電壓或根據所述輸入端的 電壓在所述輸出端生成電壓； 根據與所述降壓-升壓轉換器關聯的電壓改變和電流改變的至少一個，動態地從多個 操作模式中選擇操作模式作為所述降壓-升壓轉換器的操作模式；以及 根據所述選擇的操作模式動態地執行模式切換，以便調整和輸出所述充電電流或所述 驅動電流。
13. 如權利要求12所述的方法，其特徵在於，還包含： 檢測通過所述降壓-升壓轉換器的電流；以及 從多個操作模式中動態地選擇操作模式的步驟包含： 通過將所述檢測的電流與目標電流比較動態地從所述多個操作模式中選擇所述操作 模式作為所述降壓-升壓轉換器的所述操作模式。
14. 如權利要求13所述的方法，其特徵在於，所述降壓-升壓轉換器包含降壓模式和升 壓模式，以及所述方法還包含： 使用所述降壓-升壓轉換器以當操作於所述降壓模式時提供第一電壓電平作為輸出 電壓；以及 當所述檢測的電流小於所述目標電流時，從所述多個操作模式中選擇所述升壓模式作 為所述降壓-升壓轉換器的所述操作模式，以便控制所述切換模式充電器從所述降壓模式 切換以進入所述升壓模式，並導致所述切換模式充電器提供第二電壓電平作為輸出電壓並 調整/輸出基本等於所述目標電流的所述充電電流，所述第二電壓電平高於所述第一電壓 電平。
15. 如權利要求13所述的方法，其特徵在於，所述降壓-升壓轉換器至少包含降壓-升 壓模式，以及所述方法還包含： 當所述檢測的電流接近所述目標電流時，從所述多個操作模式中選擇所述降壓-升壓 模式作為所述降壓-升壓轉換器的所述操作模式，以便所述切換模式充電器能夠精細地調 整由所述切換模式充電器在所述輸出端提供的輸出電壓。
16. 如權利要求13所述的方法，其特徵在於，所述降壓-升壓轉換器包含降壓模式和升 壓模式，且所述方法還包括： 當所述檢測的電流接近所述目標電流時，動態地選擇所述降壓模式和所述升壓模式的 一個作為所述降壓-升壓轉換器的所述操作模式，以控制所述降壓-升壓轉換器在所述降 壓模式和所述升壓模式之間切換，以便所述切換模式充電器能夠精細地調整由所述切換模 式充電器在所述輸出端提供的輸出電壓。
17. 如權利要求13所述的方法，其特徵在於，檢測通過所述降壓-升壓轉換器的電流的 步驟包含： 感測通過包含於所述降壓-升壓轉換器的開關電晶體的電流和/或感測通過位於所述 輸出端和降壓-升壓轉換器之間的所述電力路徑塊的電流，以便檢測通過所述降壓-升壓 轉換器的電流。
18. 如權利要求12所述的方法，其特徵在於，還包含： 檢測所述降壓-升壓轉換器的輸入的電壓和電池電壓和系統電壓的至少一個； 從多個操作模式中動態地選擇操作模式的步驟包含： 通過將所述檢測的電壓與所述電池電壓和所述系統電壓的至少一個比較，從所述多個 操作模式選擇一個操作模式作為所述降壓-升壓轉換器的所述操作模式。
19. 如權利要求18所述的方法，其特徵在於，所述降壓-升壓轉換器包含降壓模式和升 壓模式，且所述方法還包含： 當所述切換模式充電器為所述電池提供所述充電電流以及所述檢測的電壓高於所述 電池電壓和所述系統電壓的至少一個時，確定所述降壓-升壓轉換器操作於所述降壓模 式；以及 當所述切換模式充電器為所述電池提供所述充電電流且所述檢測的電壓低於所述電 池電壓和所述系統電壓的至少一個時，確定所述降壓-升壓轉換器操作於升壓模式。
20. 如權利要求18所述的方法，其特徵在於，所述降壓-升壓轉換器包含降壓模式和升 壓模式，以及所述方法還包含： 當所述切換模式充電器為連接到所述輸入端的所述外電路元件提供所述驅動電流且 所述檢測的電壓高於所述電池電壓和所述系統電壓的至少一個時，確定所述降壓-升壓轉 換器操作於所述升壓模式；以及 當所述切換模式充電器為連接到所述輸入端的所述外電路元件提供所述驅動電流且 所述檢測的電壓低於所述電池電壓和所述系統電壓的至少一個時，確定所述降壓-升壓轉 換器操作於所述降壓模式。
21. 如權利要求18所述的方法，其特徵在於，所述降壓-升壓轉換器至少包含降壓-升 壓模式，以及所述方法還包括： 當所述檢測的電壓接近所述電池電壓和所述系統電壓的至少一個時，從所述多個操作 模式選擇所述降壓-升壓模式作為所述降壓-升壓轉換器的所述操作模式，以便所述切換 模式充電器能夠精細地調整由切換模式充電器在所述輸出端提供的輸出電壓。
22. 如權利要求18所述的方法，其特徵在於，所述降壓-升壓轉換器包含降壓模式和升 壓模式，以及所述還包含： 當所述檢測的電壓接近於所述電池電壓和所述系統電壓的至少一個時，動態地選擇所 述降壓模式和所述升壓模式的一個作為所述降壓-升壓轉換器的所述操作模式，以控制所 述降壓-升壓轉換器以在所述降壓模式和所述升壓模式之間切換，以便所述切換模式充電 器能夠精細地調整由所述切換模式充電器在所述輸出端提供的輸出電壓。
【文檔編號】H02M3/158GK104321960SQ201480001206
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年4月22日 優先權日:2013年4月22日
【發明者】徐志源 申請人:聯發科技股份有限公司