可動態調整充電功率的充電裝置的製作方法
2023-05-20 16:59:26
專利名稱：可動態調整充電功率的充電裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種充電裝置，特別是涉及一種適用於可攜式裝置的電池充電裝置。
背景技術：
科技的發展日新月異，數字電子產品的問世，帶給人類更便利的生活。而各種可攜式數字裝置，例如行動電話、筆記本電腦或個人數字助理(Personal Digital Assistance)……等等的快速發展，更大大地提高人類生活的便利以及工作的效率。對筆記本電腦而言，由於筆記本電腦具有可攜性，在不外接電源的情況之下，整臺筆記本電腦就靠其所安裝的專用電池來提供電力，所以維持電池電源持續而穩定的電力供應，對整個筆記本電腦系統的運作非常重要。而電池充電功能的好壞與充電時間的長短往往也被列為評估筆記本電腦功能的重要參考依據之一。
請參照圖1，其所繪示的是傳統筆記本電腦的系統裝置100的電路方塊圖。傳統系統裝置100與外接電源102耦接。其中包括充電裝置103以及主功能裝置104。傳統充電裝置103利用外接電源102所提供的電力為充電電池106進行充電。傳統充電裝置103具有一電量檢測裝置108，用以檢測饋入充電電池106的充電電流的大小，並且依據充電電流的大小輸出充電電流信號。請參照圖2，其所繪示的是傳統充電裝置中電量檢測裝置200的電路方塊圖。電量檢測裝置200由電流檢測電阻202以及電流對電壓轉換電路(current to voltage convert circuit)204所組成，其耦接關係如圖2所示。當傳統充電裝置103開始進行充電時，充電電流流經電流檢測電阻202，並在電流檢測電阻202上產生電壓。當充電電流越大時，其在電流檢測電阻202所產生的電壓會越大。因此，電流對電壓轉換電路204通過檢測電流檢測電阻202上的電壓得知充電電流的大小。並且依據充電電流的大小輸出適當的電壓值，該電壓值定義為一充電電流信號，其所代表的是傳統充電裝置103中充電電流的大小。
請再參照圖1，電量檢測裝置108所輸出的充電電流信號會饋入至電流誤差放大器(error amplifier)110中。電流誤差放大器110與電量檢測裝置108耦接，分別接收來自電量檢測裝置108的充電電流信號以及傳統充電裝置103預設的設定充電電流信號Cs。電流誤差放大器110會比較這兩個信號值產生充電電流調節信號，用以設定並調整傳統充電裝置103的充電狀況。直流對直流轉換器功率轉換級(DC-DC Converter Power Stage)112與電流誤差放大器110耦接，依據充電調節信號去調整饋入電量檢測裝置108的充電電流的大小，用以調整傳統充電裝置103的充電狀況。此外，充電電池106的電壓也會回授至電壓誤差放大器114中。電壓誤差放大器114會分別接收充電電池的充電電壓信號以及傳統充電裝置103預設的設定充電電壓信號Vs，依據這兩個信號產生充電電壓調節信號，饋入直流對直流轉換器功率轉換級112中。直流對直流轉換器功率轉換級112依據分別來自電流誤差放大器110以及電壓誤差放大器114的充電調節信號來調整輸出的充電電量的大小。換言之，傳統充電裝置103可分別依據輸入充電電池106的充電電池以及充電電池106本身的充電電壓來調整與決定充電期間的充電狀況。
請參照圖3A～圖3C，其所繪示的是當傳統充電裝置103設定滿載電流進行充電時，充電電壓與充電電流隨充電時間而改變的時序圖。假設充電電池106的初始電壓為Vi，其值小於充電電池106的滿載電壓Vs。其中，傳統充電裝置103通過預先設定輸入電壓誤差放大器114的設定充電電壓信號的大小，來決定充電電池106的滿載電壓Vs的大小。當開始進行充電時，電流誤差放大器110所輸出的充電電流調節信號與電壓誤差放大器114所輸出的充電電壓調節信號都同時饋入至直流對直流轉換器功率轉換級112中。需注意的是，此兩種信號都以電壓值的大小來代表信號的大小。由此充電電池106的電壓Vi小於其滿載電壓Vs，故電壓誤差放大器114所輸出的充電電壓調節信號其電壓小於電流誤差放大器110所輸出的充電電流調節信號。故直流對直流轉換器功率調整級112會依據所接收的充電電流調節信號來調整充電狀況。傳統充電裝置103就會以一滿載電流Is，對充電電池106進行充電。其中，傳統充電裝置103通過預先設定輸入電流誤差放大器110的設定充電電流信號的大小，來決定輸入充電電池106的滿載電流Is的大小。例如如圖3A所示，設定輸入充電電池106的滿載電流信號為Is1。
請再參照圖3A，隨著充電時間的增加，充電電池106的電壓逐漸升高。此時，電壓誤差放大器114所輸出的充電電壓調節信號其電壓也會隨充電電池106的電壓的增加而升高，但仍小於電流誤差放大器110所輸出的充電電流調節信號的信號強度。故直流對直流轉換器功率調整級112會依據所接收的充電電流調節信號來調整充電狀況。其充電電流的大小一直維持的是充電裝置103預先設定的滿載電流Is1。
以圖3A為例，當充電進行到時間t3時，充電電池106的充電電壓值等於預先設定的充電電池106的滿載電壓Vs。之後，電壓誤差放大器114所輸出的充電電壓調節信號其電壓值會大於電流誤差放大器110所輸出的充電電流調節信號。故直流對直流轉換器功率調整級112會變成依據所接收的充電電壓調節信號來調整充電狀況。此時，充電電池106的充電電流大小將隨時間的增加而減少。且充電電池106的電壓大小將維持為滿載電壓值Vs。
由前文所述，輸入充電電池106的滿載電流Is的大小是由傳統充電裝置103預先的設定來決定。其所設定滿載電流Is的大小，可決定充電效率的好壞，即充電過程所需花費的時間長短。請參照圖3B，當設定輸入充電電池106的滿載電流為Is2時，在充電過程中，充電電池106的充電電壓隨時增加的情形如圖3B所示。請同時參照圖3C與圖3B，由於其所設定輸入充電電池106的滿載電流Is2其值大於滿載電流Is1，故以滿載電流Is2進行充電所需花費的時間t2要比以滿載電流Is1進行充電所需花費的時間t1要少。同理，請同時參照圖3A、圖3B以及圖3C，當設定以比滿載電流Is1、Is2其值還要大的滿載電流Is3對充電電池106進行充電時，其所需的時間t3也會比以滿載電流Is2進行充電所需花費的時間t2，以及以滿載電流Is1進行充電所需花費的時間t1都要小。換言之，當預先設定滿載電流Is其值越大，則充電裝置103的充電效率越佳，即充電過程所需花費的時間越短。
綜上所述，傳統充電裝置103是以預先設定充電電流信號以及充電電壓信號的方式，來決定充電時的滿載電流Is與滿載電壓Vs的大小，故傳統充電裝置103在進行充電的過程中，滿載電流Is與滿載電壓Vs的值都是固定的。換言之，傳統充電裝置103進行充電時，其最大功率損耗可視為一固定值。
在傳統充電裝置103進行充電的同時，外接電源102也供應部分電力給筆記本電腦的主功能裝置104。其中，電源混合電路(power source mixcircuit)116分別與外接電源102以及充電電池106耦接，用以提供筆記本電腦的主功能裝置104的電源供應，以維持其主功能裝置104的正常運作。
由前文所述可知，傳統充電裝置與外接電源耦接。外接電源除了必須隨時供應筆記本電腦的主功能裝置工作所需的能量(稱之為工作功率)之外，也要隨時供應傳統充電裝置充電時所需的能量(稱之為充電功率)。外接電源所能提供的電源功率大小是固定的，故筆記本電腦在進行工作時，必須對電源功率作適當的分配，一方面可以維持主功能裝置的正常運作，另一方面又可以有效率地進行充電電池的充電動作。傳統充電裝置是以預先設定充電電流以及充電電壓的方式，來決定充電時的滿載電流與滿載電壓的大小。換言之，預先分配與保留給傳統充電裝置對充電電池進行充電的功率是固定的。但是，筆記本電腦的主功能裝置在運作時所消耗的功率大小是隨著執行動作的不同而隨時變動的，並沒有一固定的值。故必須適當地設定傳統充電裝置的滿載電流與滿載電壓的大小，以避免充電時損耗的充電功率加上主功能裝置運作時損耗的工作功率之和大於外接電源的輸出功率，也就是過負載(overloading)的情況發生。一般傳統作法是依據筆記本電腦的主功能裝置工作時的最大工作功率，來決定傳統充電裝置所設定的充電功率的大小。也就是說，把可利用的外接電源輸出功率減去主功能裝置工作時的最大工作功率，所得之差即為傳統充電裝置所能使用的最大充電功率大小。如此，即使筆記本電腦以最大工作功率進行工作，外接電源也不會有過負載的情形發生。
傳統充電裝置會遭遇到的問題是傳統充電裝置是依據筆記本電腦工作時的最大工作功率大小來設定其充電功率的大小。請參照圖4，其所繪示的是外接電源的輸出功率分配給充電裝置的充電功率、主功能裝置的工作功率以及無效功率的時序圖。外接電源的可利用輸出功率分配給傳統充電裝置的充電功率以及主功能裝置的工作功率的時序圖。橫軸代表時間，縱軸代表當外接電源的輸出功率大小設定為100％的情況下，傳統充電裝置所花費的充電功率以及主功能裝置的工作功率所佔外接電源的輸出功率的百分比。需注意的是，外接電源的輸出功率並不會百分之百地提供給主功能裝置或充電裝置，而會有少部分的功率損耗。故傳統充電裝置所花費的充電功率以及主功能裝置的工作功率之和，小於外接電源的輸出功率的大小，如圖4所示。由於筆記本電腦在工作時，其工作功率並不會時常處於最大功率的狀態。因此，若固定傳統充電裝置的充電功率，則當筆記本電腦不以其最大工作功率進行工作時，就會有部分外接電源的輸出功率，如圖4中的斜線陰影的部分，未被系統利用而白白浪費掉，稱之為無效功率。換言之，外接電源的可利用輸出功率並沒有被完全地利用。如此，就傳統充電裝置而言，其充電電池就需要較長的時間進行充電，故充電效率也變得較差。
綜上所述，傳統充電裝置會有以下的問題1.外接電源的輸出功率並沒有完全被利用。
2.充電時間較長，充電效率較差。
發明內容
本發明的目的在於提供一種可動態調整充電功率的充電裝置，以達到提高外接電源輸出功率的利用率、縮短充電時間、提高充電效率的目的。
本發明的目的是這樣實現的，即提供一種可動態調整充電功率的充電裝置，位於可攜式系統的一系統裝置中，其中，該系統裝置是由該充電裝置及一主功能裝置所構成，且該系統裝置與一外接電源耦接，其中，該外接電源用以提供該主功能裝置運作所需的一工作電流，並且為該充電裝置中的一充電電池進行充電，該充電裝置包括一直流對直流轉換器功率轉換級，與該外接電源耦接，用以供應該充電電池充電所需的一充電電流；一電流誤差放大器，與該直流對直流轉換器功率轉換級耦接，用以依據一充電電流信號以及一工作電流運算信號設定一電流充電調整信號，並將該電流充電調整信號饋入該直流對直流轉換器功率轉換級，以調整該充電電流的大小；
一第一電量檢測裝置，分別與該直流對直流轉換器功率轉換級、該誤差放大器以及該充電電池耦接，用以依據該充電電流輸出該充電電流信號，並且將該充電電流饋入該充電電池，用以對該充電電池進行充電；以及一電量檢測運算裝置，與該外接電源及該誤差放大器耦接，用以依據該工作電流以及一設定工作電流信號輸出該工作電流運算信號。
進一步說，該第一電量檢測裝置，分別與直流對直流轉換器功率轉換級、誤差放大器以及充電電池耦接，用以檢測充電電流大小並轉換成充電電流信號，並將充電電流信號饋入電流誤差放大器。此外，第一電量檢測裝置也可將充電電流饋入充電電池，用以對充電電池充電。電量檢測運算裝置，與外接電源及誤差放大器耦接，用以依據將工作電流以及設定工作電流信號作比較與運算，並將工作電流運算信號輸出，耦接到電流誤差放大器。
圖1為筆記本電腦的傳統系統裝置的電路方塊圖；圖2為傳統充電裝置中電量檢測裝置的電路方塊圖；圖3A為當傳統充電裝置設定滿載電流為IS1來進行充電時，充電電壓與充電電流隨充電時間而改變的時序圖；圖3B為當傳統充電裝置設定滿載電流為IS2來進行充電時，充電電壓與充電電流隨充電時間而改變的時序圖；圖3C為當傳統充電裝置設定滿載電流為IS3來進行充電時，充電電壓與充電電流隨充電時間而改變的時序圖；圖4為外接電源的輸出功率分配給充電裝置的充電功率、主功能裝置的工作功率以及無效功率的時序圖；圖5為本發明提出的可動態調整充電功率的系統裝置的電路方塊圖。
具體實施例方式
本發明所提出的可動態調整充電功率的充電裝置，其精神在於在外接電源的輸出功率固定的情況下，可視筆記本電腦的工作功率動態地調整充電裝置的充電功率，使得外接電源的輸出功率能夠更有效率地被利用。同時，也可縮短充電電池的充電時間以及提高充電效率。
請參照圖5，其所繪示的是本發明所提的一種可動態調整充電功率的系統裝置500的電路方塊圖。本發明的系統裝置500與外接電源502耦接。其中包括本發明的充電裝置503以及主功能裝置504。本發明的充電裝置503用以利用外接電源502所提供的電力為充電電池506充電。本發明的充電裝置503中各電路元件的耦接關係如圖5所示。請同時參照圖1及圖5，本發明與傳統充電裝置不同之處在於，本發明的充電裝置503增加了電量檢測運算裝置507。其中，電量檢測運算裝置507包括有電量檢測裝置508以及電量運算裝置512。此外，本發明的充電裝置503具有電量檢測裝置508以及電量檢測裝置510兩個電量檢測裝置，如圖5所示。
電量檢測裝置508與外接電源502耦接，外接電源502會輸出一工作電流至電量檢測裝置508。該工作電流將會輸入筆記本電腦的主功能裝置504，用以維持主功能裝置504的正常運作。電量檢測裝置508其電路元件的操作原理與傳統充電裝置103的電量檢測裝置108相同，詳細內容請參照圖2及前文的說明。電量檢測裝置508用以檢測輸入筆記本電腦的主功能裝置504的工作電流的大小，即主功能裝置504的工作功率的大小，並依據工作電流的大小輸出一工作電流信號。
電量運算裝置512與電量檢測裝置508耦接，自電量檢測裝置508輸出的工作電流信號會饋入電量運算裝置512中。電量運算裝置512分別接收來自電量檢測裝置508的工作電流信號以及本發明的充電裝置503預設的設定工作電流信號Ct。由前文所述，主功能裝置504的工作功率會隨著工作狀態的不同而有所變化，故電量檢測裝置508所檢測到的工作電流、輸出的工作電流信號其信號大小都會隨之改變。電量運算裝置512以系統預先設定的設定工作電流信號Ct為基準，與工作電流信號作比較與運算，用以得知當時主功能裝置504的工作功率的大小。電量運算裝置512依據這二個信號輸出一工作電流運算信號到電流誤差放大器514。
電流誤差放大器514與電量運算裝置512耦接，除了接收工作電流運算信號以外。電量檢測裝置510也輸出一充電電流信號至電流誤差放大器514中。其中，電量檢測裝置510的電路元件運作原理與傳統充電裝置103的電量檢測裝置108相同，都用以檢測流經電量檢測裝置510的充電電流大小，在此不再贅述。電量檢測裝置510輸出的充電電流信號值代表充電裝置503充電功率的大小，而電量運算裝置512輸出的工作電流運算信號代表筆記本電離的主功能裝置504工作功率的大小。電流誤差放大器514用以決定在目前主功能裝置504工作功率的條件下，充電裝置503進行充電工作時充電功率的大小。在已知外接電源502的輸出功率固定的情況下，電流誤差放大器514可依據主功能裝置504的工作功率動態地決定充電裝置503充電功率的大小。由前文所述，在外接電源502的輸出功率固定的情況下，若主功能裝置504的工作功率可以隨時被檢測到，且充電裝置503可動態地調整對充電電池506充電的充電功率大小的話，則充電裝置503可隨時依據主功能裝置504工作功率的不同來調整充電電池506充電功率的大小。為使外接電源502的輸出功率得到最有效的利用，將功率浪費降至最低，充電裝置503可設定輸入充電電池506的充電功率為外接電源502的可利用輸出功率與主功能裝置504的工作功率之差。如此，外接電源502的可利用輸出功率即可百分之百地被利用，而不會因為充電裝置503的充電功率固定，若主功能裝置504的工作功率降低，則會造成部分外接電源的輸出功率的功率損失。
電流誤差放大器514對這兩個信號進行運算比較後，輸出一電流充電調整信號至直流對直流轉換器功率轉換級516，以調整充電電流的大小。
直流對直流轉換器功率轉換級516分別接收電流誤差放大器514饋入的電流充電調整信號、電壓誤差放大器518饋入的電壓充電調整信號，並且與外接電源502耦接。直流對直流轉換器功率轉換級516可選擇依據電流充電調整信號或電壓充電調整信號來調整自外接電源502經直流對直流轉換器功率轉換級516輸出的充電電流的大小。輸出直流轉換器功率轉換級516的充電電流會經由電量檢測裝置510對充電電池506進行充電。由於本發明的充電裝置503可將扣除主功能裝置504的工作功率後，其餘外接電源502的可利用輸出功率都拿來作充電電池506充電之用。故此時充電電流應比傳統系統裝置100的充電電流要大。如此，也使得充電電池506所需的充電時間比傳統充電裝置103所需的充電時間要短。需注意的是，本發明的充電裝置503中，電壓誤差放大器518、直流對直流轉換器功率轉換級516以及電源混合電路502的工作原理及用途都與傳統充電裝置103的電壓誤差放大器114與直流對直流轉換器功率轉換級112以及電源混合電路116相同，請自行參照前文的說明，在此處不再贅述。
電量檢測運算裝置508更與主功能裝置504耦接，當電量檢測運算裝置508檢測(偵測)到自外接電源502輸出的工作電流有異常時，電量檢測運算裝置508會輸出一警告信號至主功能裝置504，用以通知主功能裝置504有一異常電流輸入。主功能裝置504可另外設置保護裝置，以防止異常工作電流輸入，對主功能裝置504的電路元件造成損害，影響其正常工作。
本發明的充電裝置503除了適用於筆記本電腦以外，其他可攜式裝置，包括行動電話、個人數字助理器(Personal Digital Assistance，PDA)都可適用。
本發明上述實施例所揭露的一種可動態調整充電功率的充電裝置，其優點及效果在於1.提高外接電源輸出功率的利用率本發明的充電裝置可動態地調整輸入充電電池的充電功率，故可在外接電源的輸出功率固定，且主功能裝置的工作功率可以隨時被檢測到的情況下，隨時依據主功能裝置工作功率的不同來調整充電電池充電功率的大小。為使外接電源的輸出功率得到最有效的利用，將功率浪費降至最低，充電裝置可設定輸入充電電池的充電功率為外接電源的可利用輸出功率與主功能裝置的工作功率之差。如此，外接電源的可利用輸出功率即可百分之百地被利用，而不會因為充電裝置的充電功率固定，若主功能裝置的工作功率降低，則會造成部分外接電源的輸出功率的功率損失。
2.縮短充電時間，提高充電效率本發明的充電裝置可動態地調整充電裝置的充電功率，在外接電源的可利用輸出功率固定的情況下，可視主功能裝置的工作功率動態地調整充電裝置的充電功率，使得外接電源的可利用輸出功率能夠更有效率地被利用。本發明的充電裝置可將扣除主功能裝置的工作功率後，其餘外接電源的可利用輸出功率都拿來作充電電池充電之用。故此時充電電流會比傳統充電裝置的充電電流要大。如此，也使得充電電池所需的充電時間比傳統充電裝置所需的充電時間要短。充電效率也較高。
3.避免異常工作電流輸入主功能裝置本發明的充電裝置，其電量檢測運算裝置更與主功能裝置耦接，當電量檢測運算裝置檢測到自外接電源輸出的工作電流有異常時，電量檢測運算裝置會輸出一警告信號至主功能裝置，用以通知主功能裝置有異常電流輸入。主功能裝置可另外設置保護措施，防止異常工作電流輸入，對主功能裝置的電路元件造成損害，影響其正常工作。
綜上所述，雖然結合以上一較佳實施例揭露了本發明，然而其並非用以限定本發明，任何本領域技術人員在不脫離本發明的精神和範圍內，可作各種的更動與潤飾，因此本發明的保護範圍應以權利要求所界定的為準。
權利要求
1.一種可動態調整充電功率的充電裝置，位於可攜式系統的一系統裝置中，其中，該系統裝置是由該充電裝置及一主功能裝置所構成，且該系統裝置與一外接電源耦接，其中，該外接電源用以提供該主功能裝置運作所需的一工作電流，並且為該充電裝置中的一充電電池進行充電，該充電裝置包括一直流對直流轉換器功率轉換級，與該外接電源耦接，用以供應該充電電池充電所需的一充電電流；一電流誤差放大器，與該直流對直流轉換器功率轉換級耦接，用以依據一充電電流信號以及一工作電流運算信號設定一電流充電調整信號，並將該電流充電調整信號饋入該直流對直流轉換器功率轉換級，以調整該充電電流的大小；一第一電量檢測裝置，分別與該直流對直流轉換器功率轉換級、該誤差放大器以及該充電電池耦接，用以依據該充電電流輸出該充電電流信號，並且將該充電電流饋入該充電電池，用以對該充電電池進行充電；以及一電量檢測運算裝置，與該外接電源及該誤差放大器耦接，用以依據該工作電流以及一設定工作電流信號輸出該工作電流運算信號。
2.如權利要求1所述的充電裝置，其中該電量檢測運算裝置還包括一第二電量檢測裝置，與該外接電源耦接，依據該工作電流輸出一工作電流信號，用以檢測輸入該可攜式裝置的該工作電流；以及一電量運算裝置，與該第二電量檢測裝置耦接，用以依據該工作電流信號以及該設定工作電流信號設定該工作電流運算信號，並將該工作電流運算信號輸出。
3.如權利要求1所述的充電裝置，其中，該電量檢測運算裝置還與該主功能裝置耦接，當該電量檢測運算裝置檢測到一異常工作電流時，該電量檢測運算裝置輸出一警告信號至該可攜式設備的該主功能裝置，用以通知該主功能裝置有一異常工作電流輸入。
4.如權利要求1所述的充電裝置，其中，該可攜式裝置為一筆記本電腦。
5.如權利要求1所述的充電裝置，其中，該可攜式裝置為一行動電話。
6.如權利要求1所述的充電裝置，其中，該可攜式裝置為一個人數字助理器(Personal Digital Assistance，PDA)。
全文摘要
一種可動態調整充電功率的充電裝置，包括直流對直流轉換器功率轉換級用以供應充電電流；電流誤差放大器設定電流充電調整信號，並將之饋入直流對直流轉換器功率轉換級，用以調整充電電流；第一電量檢測裝置設定充電電流信號，並將之饋入電流誤差放大器，同時輸出充電電流至充電電池；電量檢測運算裝置，設定並輸出工作電流運算信號。該充電裝置通過動態調整充電功率，以提高外接電源輸出功率的使用效率，並縮短充電時間。
文檔編號H02J7/04GK1426151SQ0114358
公開日2003年6月25日 申請日期2001年12月13日 優先權日2001年12月13日
發明者廖育信, 沈文君 申請人:廣達電腦股份有限公司