電池充電器電路的峰值電壓與峰值斜率檢測器的製作方法

2023-10-04 02:34:29 3

專利名稱：電池充電器電路的峰值電壓與峰值斜率檢測器的製作方法
技術領域：
本發明涉及電池充電器電路，特別涉及電池充電器電路的峰值電壓與峰值斜率檢測器電路。
便攜電子設備如CD播放機、蜂窩電話機或電力工具(powertool)是電池供電的。對於經常使用的電子系統而言，採用不可再充電的電池是不經濟實惠的。可再充電電池是普遍流行和經濟實惠的，可替代對多數類型的電子設備供電，目前供應了許多不同類型的可再充電電池，如鹼性的、鎳鎘(NiCd)和鎳金屬氫化物(NiMH)電池。
可再充電電池通常加上電壓和電流一個預定的時間段來充電。不同的電池類型有不同的充電要求，但在不適當地充電時，大多數電池可被損壞或減少壽命。正確的充電過程需要有監視電池電壓和電流的敏感電路。典型的是電池充電器電路，它被設計成在被充電的電池完全充電時能自動地斷路，使該電池輸出的功率最大化和使它們可再充電的次數最大化。
據此，要是提供一種能精確地檢測被充電電池的峰值電壓或峰值斜率的電路以便精確地確定電池的最佳充電和保證電池的性能最佳和壽命最長，這是非常有益的。


圖1示出一種電池充電器的現有技術的峰值電壓檢測器電路；圖2示出一種電池充電器的現有技術的峰值電壓與峰值斜率檢測器電路；圖3示出兩個普通的可再充電電池在一個電池充電工序期間充電輪廓的曲線圖；圖4示出根據本發明的峰值電壓和峰值斜率檢測電路的方框圖；圖5示出根據本發明的圖4中的樣值定時器所提供的輸出信號的定時圖6示出樣值定時器的原理圖，用於產生相應於圖5的輸出信號；圖7示出根據本發明的計數器比較器的原理圖，用於對應於圖4的計數器比較器的峰值電壓檢測；圖8示出根據本發明的計數器比較器原理圖，用於對應於圖4的計數器比較器的峰值斜率檢測。
為了電池壽命最長和功率輸出最大化，充電可再充電電池需要有一種可在一個電池充電工序期間檢測峰值電壓或峰值斜率的電路。一個正充電的電池具有電壓，該電壓一直單調地增加到獲得峰值電壓或最大電壓時為止。在峰值電壓之後，進一步充電實際上使電池的輸出電壓下降。電池充電輪廓曲線中的峰值斜率是一個曲線區，在該區內電池電壓具有最大的電壓變化率。
通常，在一個電池充電工序期間，峰值斜率發生在峰值電壓之前。在選擇一種再充電技術時，應用兩個不同的學術思維。把電池充電到峰值電壓保證了電池向負載輸出最大功率一段最長的時段。在先取樣的電壓大於中間的電池電壓時，檢測峰值電壓，藉此，利用峰值電壓檢測可使電池充電器對該電池稍微過充電。利用這種技術，使可再充電電池的長壽命或電池可再充電的次數減少。
峰值斜率檢測保證了電池不過充電，因它發生在峰值電壓之前。再充電期間，監視電池電壓的變化率並檢測峰值變化率。對峰值斜率檢測優選地用於要求電池壽命最長的輕負載的電池。電池充電器電路的原始設備製造廠(Original Equipment Manufacturers簡寫為OEM)要求提供一個集成電路，它可配置用於峰值電壓或峰值斜率檢測。此外，對於性能而言，峰值電壓或峰值斜率檢測器電路的靈敏度是至關重要的。具有高解析度的用於檢測電壓變化的檢測器電路將提高功率輸出，兩次再充電之間的時間和電池的再充電壽命。設計檢測器電路的另一個因素是費用，一種製造價廉且提供較好性能的檢測器電路對於電池充電器的OEM是很有吸引力的。
圖1示出一種在電池充電器電路中使用的現有技術的「棘輪」(ratchet)數/模變換器(DAC)峰值電壓檢測器電路11的原理圖。峰值電壓檢測器電路11隻限於檢測峰值電壓而不檢波峰值斜率。峰值電壓檢測器電路11包括一個DAC12、一個計數器13、一個比較器14、一個比較器15和邏輯電路16。
一個輸入端Vin耦合到比較器14的非反相輸入端和偏移比較器15的反相輸入端。峰值電壓檢測器電路11的輸入端Vin耦合到被充電的電池或電池組，以便在一個電池充電工序期間檢測電池電壓。邏輯電路16具有一個輸入端，耦合到比較器14的輸出端；一個時鐘輸入端，用於接收時鐘信號；以及一個輸出端。計數器13具有一個輸入端和多個輸出端，該輸入端耦合到邏輯電路16的輸出端。計數器13提供一個數字輸出，利用時鐘信號使DAC12遞增地增加。DAC12具有多個輸入端，耦合到計數器13的多個輸出端；及一個輸出端，耦合到比較器14的反相輸入端和偏移比較器15的非反相輸入端。在偏移比較器15的輸出Vout所提供的邏輯1電平指示出一個峰值電壓被檢測到和阻塞該電池充電工序。
一個電池充電工序使電池電壓一直單調地增加到峰值電壓發生時為止，此後，電池電壓下降。峰值電壓檢測器電路11將該電池電壓與先前取樣的電池電壓(由DAC12提供)相比較。當電池電壓小於DAC12的輸出電壓時，檢測到峰值電壓。例如，在一個電池充電工序計數器13復位為零計數之前。DAC12在來自計數器13的具有零計數數字輸入時輸出0V電壓。比較器14把施加到輸入端Vin的電池電壓與DAC12的輸出電壓相比較。如果電池電壓大於DAC12的輸出電壓，則比較器14輸出邏輯1電平，以允許邏輯電路16向計數器13提供一個時鐘信號，使計數器13遞增，這又使DAC12輸出電壓遞增LSB電壓。比較器14和邏輯電路16繼續允許時鐘脈衝使計數器13遞增，直到DAC12的輸出電壓大於電池電壓時為止。每個時鐘脈衝使DAC12的輸出電壓增加LSB電壓。當DAC12的輸出電壓大於電池電壓時，電池電壓與DAC12的輸出電壓之間的電壓差小於或等於DAC12的LSB電壓。如果電池電壓小於DAC12的輸出電壓，則比較器14輸出邏輯0電平。比較器14輸出的邏輯0電平阻塞邏輯電路16不致把時鐘信號提供給計數器13。DAC12的輸出電壓保持恆定，直到由於該電池充電而使電池電壓增加大於DAC12的輸出電壓時為止。
在該電池充電工序期間，由於電池電壓升高，而使編移比較器15輸出一個邏輯0電平。偏移比較器15具有一個內置電壓偏移，大於DAC12的LSB電壓。當DAC12的輸出電壓大於電池電壓但在電池電壓的LSB電壓範圍內時，偏移電壓允許偏移比較器15保持邏輯0電平輸出。在該電池充電工序期間，電池電壓在某一點上將達到峰值，並且由於電池過充電而使電池電壓開始下降。當DAC12的輸出電壓與電池電壓的電壓差大於偏移比較器15的電壓偏移時，偏移比較器15輸出邏輯1電平。邏輯1電平表明電池充電過程結束。
峰值電壓檢測電路11的精度受DAC12的解析度和比較器15的偏移電壓的限制。在峰值電壓之後，如果比較器15的偏移電壓下降，則利用具有較小LSB電壓的DAC，將減少過充電量。峰值電壓檢測電路11也對耦合到輸入端Vin的噪聲敏感。一個電池充電工序在電池上產生電流和電壓尖峰，這可導致比較器14和偏移比較器15的錯誤觸發。有時在輸入端Vin使用一個濾波器來減少噪聲問題。
圖2示出一種現有技術的用於電池充電器的、基於微處理器或微控制器的、峰值電壓和峰值斜率檢測電路21的原理圖。峰值電壓和峰值斜率檢測電路21包括一個模/數變換器(ADC)22和一個微處理器23。被充電的電池耦合到輸入端Vin，以便檢測電池電壓。DAC22把模擬電壓變換為一個對應的數字號碼，耦合到微處理器23。典型的是，電池電壓按預定的時間間隔取樣。取樣的電壓值存儲在微處理器的存儲器中，以用於分析。微處理器23含有一個軟體程序，用於分析取樣的電池電壓來確定出峰值電壓或峰值斜率。
峰值電壓和峰值斜率檢測電路21的精度由ADC22來限制。典型的是，使用8比特ADC，它具有2伏全標度電壓的約8毫伏的解析度。在與其它電池類型比較時，對於一個可再充電電池例如鎳金屬氫化物電池，8比特ADC的精度是不夠的，因為在充電過程中它產生較小的電壓變化。增加ADC22的解析度將改善峰值電壓和峰值斜率檢測電路21的性能，但是價格較貴。一個10比特的單調(高度線性)ADC將極大地增加峰值電壓和峰值斜率檢測電路21的價格。此外，基於微處理器的峰值電壓和峰值斜率檢測電路因其電路複雜故比其它相應的電路(如圖1所示的電路)貴得多。如圖2所示，在一個電池充電工序期間，峰值電壓和峰值斜率檢測電路21對引入的噪聲敏感。在一個取樣過程期間，在輸入端Vin引入的任何噪聲都施加在ADC22的輸出端上。在ADC22的輸入端典型地使用一個濾波器(未示出)來去除噪聲。
圖3示出在一個電池充電工序期間兩種類型的電池的充電輪廓曲線圖(鎳鎘(NiCd)和鎳金屬氫化物(NiMH)電池)。該曲線表示電池電壓對於百分比充電容量的關係。請注意，一個電池可被充電大於百分之百的容量。電池通常以安培/小時為單位來標定，這是在規定的時段內電池可輸出的電流量。百分之百的容量對應於製造商標明的電池定額。電池容量典型地由製造商低標定，以允許電池被充電大於其定額。換句話說，一個電池充電大於百分之百容量將輸出比製造商的安培/小時定額多些的電流。
NiCd和NiMH兩類電池的曲線形狀相似。NiCd電池充電到比NiMH電池高些的電壓。NiMH電池的問題是發生在峰值電壓和峰值斜率處的變化率較小，需要一種較高解析度的電路來檢測NiMH電池的電壓變化，才能確保正確的充電。使峰值電壓突增可使電池充電基本上大於百分之百的容量，這將在電池內產生過量的功率消耗，從而減少電池壽命(亦即電池可再充電的次數)。例如，NiMH電池的峰值電壓發生在曲線的相當平坦部分，如果峰值電壓和峰值斜率檢測電路不能解決電池電壓變化小的問題，這將產生明顯的過充電。一種類似的情況亦即一個電池充電工序期間電壓變化率小的情況可能進行峰值斜率測量。
這裡敘述了一種峰值電壓和峰值斜率檢測器電路，它具有增加的解析度，以防止電池過充電。在優選的實施例中，取得了兩毫伏的解析度，當與具有小解析度充電NiMH電池的其它系統相比時，這極大地減少了過充電。如有需要，則可利用相同的電路很容易地取得較高的解析度。峰值電壓和峰值斜率檢測器電路通過去掉昂貴的部件如微處理器、DAC或ADC，還降低了製造成本。解析度的增加是通過取消使用數位化的單元例如ADC或DAC和使用電壓-頻率變換器(VFC)電路取得的。VFC接收輸入電壓和產生一個信號，該信號的頻率對應於輸入電壓的幅度。在優選實施例中，電池電壓在預定時段內取樣和計數從VFC來的脈衝的數量，並且與先前取樣的電池電壓相比較。經過這個比較，峰值電壓和峰值斜率得到精確地檢測。解析度通過改變頻率或取樣時段而增加了。
圖4示出電池充電器電路的峰值電壓和峰值斜率檢測器電路41的方框圖，它具有較高的解析度並明顯地降低了製造成本。對於電池例如NiCd或NiMH電池的充電過程單調地增加充電電壓，直到達到峰值電壓時為止，在該點上進一步地充電會降低電池電壓。參見圖3可以看出，電池電壓變化的斜率和變化率在曲線的不同點上是變化的。參見圖4，峰值斜率發生在電池第一次充電時，但這不是由峰值電壓和峰值斜率檢測器電路41檢測的峰值斜率。待檢測的峰值斜率是發生在充電輪廓曲線的峰值電壓之前、具有最大變化率的曲線部分。對於峰值斜率檢測而言，電池充電工序的初始充電時段是忽略不計的。峰值斜率發生電池充電輪廓曲線的在80％和100％充電容量之間的某處。峰值斜率檢測不明顯地對電池過充電，因此延長了電池壽命。
峰值電壓和峰值斜率檢測器41包括一個電壓-頻率變換器(VFC)42、一個「與」門43、一個計數比較器44、一個取樣計時器46和一個計數器比較器47。 VFCA2具有第一輸入端，耦合到輸入端Vin；第二輸入端及一個輸出端。「與」門43具有第一輸入端，耦合到VFC42輸出端；第二輸入端；及一個輸出端。計數器比較器44具有第一輸入端，耦合到「與」門43的輸出端；第二輸入端；一個過壓輸出端；一個峰值電壓輸出端及一個進位輸出端。計數比較器47具有第一輸入端，耦合到計數器比較器44的進位輸出端；第二輸入端；第三輸入端；及一個峰值斜率輸出端。取樣定時器46具有一個斷電輸出端；一個時鐘輸出，耦合到VFCA2的第二輸入端；一個啟動輸出端；及一個預置輸出端。
將一個電池電壓施加到VFCA2的輸入端Vin上，以便取樣該電壓。在取樣電池電壓之前，取樣計時器46在該斷電輸出端提供斷電信號，關斷電池充電電路。電池充電器被關斷，以減少在充電過程期間引入的噪聲，因而得到更精確的電壓樣值。請注意，電池充電工序發生在一段長的時段上。對於蜂窩電話機而言NiMH電池典型地充電一至兩個小時。返回到圖3，電池電壓在一小時的時段內變化約200毫伏，平均得到每分鐘3.33毫伏的變化。在優選實施例中，充電電池的電壓樣值以10秒的時間間隔來提取。
返回到圖4，取樣計時器46在一個電壓取樣工序期間在該預置輸出端上把一個預置脈衝提供給計數器比較器44和47，以便把來自先前電壓樣值的計數下裝到每個計數器比較器內的遞減計數器。計數器比較器44和47將來自先前電壓樣值的數據與立即的電池電壓相比較，確定峰值斜率或峰值電壓。在一個預置脈衝之後，取樣計時器46在該啟動輸出端上提供一個啟動脈衝，以便起始電壓取樣工序。啟動脈衝從斷電脈衝開始被延遲，以保證電池電壓在VFC42的輸入端Vin上是穩定的。
在優選實施例中，VFC42是一個同步的電壓-頻率變換器。取樣計時器46在該時鐘輸出端把時鐘信號提供給VFC42，以便同步峰值電壓和峰值斜率檢測器41內的定時，從而保證計數器比較器44和47精確計數。VFCA2輸出一個VFC信號，該信號的頻率對應於加在輸入端Vin的電池電壓。VFC信號耦合到「與」門43的一個輸入端上，並在來自取樣計時器46的啟動脈衝期間，通過「與」門43來選通。來自取樣計時器46的啟動脈衝的時段應選擇得可使與來自VFC的最大脈衝數相對應的最大電壓是由計數器比較器44可計數的。例如，假定VFC42具有最大輸入電壓為2伏，這對應於最大頻率為52KHz。如果計數器比較器44能夠計數最大值為1024個脈衝(210)，則捕獲最大的輸入電壓需要一個時段約為20毫秒(在啟動輸出端的脈衝寬度)。在一個電壓樣值期間所計數的每個脈衝對應於約為1.953毫伏(2伏/1024個脈衝)的電壓。峰值電壓和峰值斜率檢測器41的精度或解析度是通過增加對應於最大電壓的脈衝數而增加的。
計數器比較器44在一個電壓取樣工序期間計數脈衝數，它對應於在輸入端Vin的電池電壓。該脈衝數與先前的計數相比較。在一個電壓取樣工序期間，可能有三個事件發生。第一，在兩個電壓樣值之間的脈衝數保持相同，這對應於在電池電壓已保持大約相同時的情況。這典型地發生在圖3所示的充電輪廓曲線的平坦部分或緩慢充電區期間；第二，脈衝數在兩個電壓樣值之間增加，這對應於電壓增加時的情況，這發生在充電輪廓曲線具有高變化率的區域；第三，脈衝數在兩個電壓樣值之間減少，這對應於峰值電壓被檢測到和計數器比較器44在峰值電壓輸出端上輸出一個峰值電壓信號以便停止電池充電工序的情況。電壓減少意味著電池的單調增加充電輪廓曲線已停止和過充電已開始。
過壓條件對應於電池電壓超過VFC42的最大輸入電壓。過壓條件標記為計數器比較器44的計數超過預定數的時候。一個過壓信號在計數器比較器44的過壓輸出端輸出，以停止電池充電工序。
計數器比較器47檢測峰值斜率，它通過計數器比較器44的進位輸出端監視電壓的變化率。峰值斜率檢測表明最快的電壓變化率的區域，它發生在電壓峰值之前。在優選實施例中，在峰值斜率檢測中，在一個耗盡的電池首次充電時，由於電壓的變化率高，因此充電輪廓曲線的初始充電時段被忽略不計。初始充電時段在以下幾種方法中是忽略不計的。第一種方法是延遲峰值斜率檢測一個時段，這個時段延長到一個耗盡電池的初始充電時段過去。第二種方法是檢測電池充電輪廓曲線的電壓變化部分的平坦或緩慢的變化率和開始峰值斜率檢測。第三種方法是在電池超過一個預定的電壓之後開始峰值斜率檢測。
峰值斜率利用計數器比較器47以類似於計數器比較器44檢測峰值電壓的方式進行檢測。在電池充電過程期間，電壓變化的斜率或速率應連續增加，直到峰值電壓之前的一點為止。計數器比較器47將電壓增加的速率與先前的電壓增加速率相比較。變化的增加或相同速率應被檢測出來，直到稍微在峰值電壓之前為止。比較器44的進位輸出端的進位信號表明電池電壓增加超過先前的電壓樣值。如前所述，充電電池的電壓變化率小。在優選實施例中，通過使計數器比較器47所作的兩次比較之間的時段增加來產生一個較大的、更可檢測的電壓變化。在優選實施例中，在一個預定的電池電壓樣值數期間計數進位信號的個數並與先前的進位信號計數相比較。在立即的計數中較大量的進位信號數目表明電池電壓變化率增加。與先前進位信號的計數相同的進位信號數表明變化率大致相同。進位信號數比先前的進位信號計數少表明已檢測到峰值斜率。在檢測到電壓變化率減小時，計數器比較器47峰值斜率輸出端輸出一個峰值斜率信號，該信號表明峰值斜率已出現。
圖5示出在圖4的取樣計時器46的預置輸出端、斷電輸出端和啟動輸出端上提供的信號的定時圖。在優選實施例中，在斷電輸出端、預置輸出端和啟動輸出端上信號以10秒間隔出現。實際的峰值電壓和峰值斜率檢測周期只是充電周期的一小部分。峰值電壓和峰值斜率檢測發生在斷電輸出端的脈衝51期間。具體地說，脈衝51阻塞電池充電電路。預置輸出端的脈衝52允許在圖4的計數器比較器44和47中的先前計數在一個電池電壓樣值之前下裝到計數器。立即的電池電壓和先前的電池電壓比較發生在脈衝53期間。脈衝53從脈衝51的上升沿延遲，以允許電池充電電路被關斷和允許電池電壓穩定。脈衝53的時段對於圖4的計數比較器44的計數應該足夠長，以便計數對應於施加在圖4的VFC42的輸入端Vin的最大電壓的脈衝數。
圖6示出取樣計時器61的示意圖。它對應於圖4的取樣計時器46用於產生如圖5所示的定時序列。定時電路是本領域技術人員眾所周知的，顯而易見，可以產生相似的定時且具有不同電路配置的其它定時電路是容易製作的。振蕩器62產生一個恆定頻率的信號。在優選實施例中，振蕩器62在時鐘輸出端提供一個具有104KHz頻率的信號。分頻器電路63和64降低該信號的頻率。在分頻器電路63的輸出端提供具有20毫秒周期的信號。在分頻器電路64的輸出端提供具有10秒周期的信號。電路66產生的信號對應於圖5在預置輸出端、啟動輸出端和斷電輸出端的信號的定時圖。電路66的復位輸入用於使其中包含的D觸發器復位。
圖7示出計數器比較器71的原理圖，它對應於圖4的計數器比較器44、計數比較器71包括一個遞增計數器72、一個遞減計數器73、裝入邏輯74、「與」門75、76和80、一個「或」門77、一個D觸發器78和一個反相器79。計數器比較器71具有一個時鐘輸入端、一個斷電非輸入端、一個預置輸入端、一個峰值電壓輸出、一個過電壓輸出端和一個進位輸出端。
「與」門75具有第一輸入端，耦合到該時鐘輸入端，第二輸入端，及一個輸出端。遞增計數器72具有一個時鐘輸入端，耦合到「與」門75的輸出端；一個輸出端，耦合到溢出輸出端。在優選實施例中，遞增計數器72在電壓取樣周期期間能夠計數預定脈衝數，這對應於最大的輸入電壓。一個附加的過電壓觸發器加在遞增計數器72上，在超過最大輸入電壓時，在該過壓輸出端提供一個過電壓信號，以關斷電池充電電路。
裝入邏輯74是將來自遞增計數器72的計數裝入遞減計數器73的電路。在優選實施例中，遞減計數器73包括置位輸入端和復位輸入端，用於將它置位到一個預定的計數，裝入邏輯74包括邏輯電路，用於置位和復位遞減計數器73的每個輸出為與遞增計數器72的相應輸出端的邏輯狀態。一個預置信號施加在預置輸入端，起動裝入邏輯74，將存儲在遞增計數器72的計數裝入(或設定)到遞減計數器73中。
在優選實施例中，遞增計數器72和遞減計數器73是一串串聯的觸發器，它們各自分別地遞增和遞減計數。遞減計數器73有一個時鐘輸入端(CK)和從每個觸發器來的QB輸出端。「與」門76具有輸入端，耦合到遞減計數器73的每個QB輸出端。及一個輸出端。「或」門77具有一個第一輸入端，耦合到「與」門76的輸出端；一個第二輸入端；及一個輸出端。D觸發器78具有一個D輸入端，耦合到「或」門77的輸出端；一個CK輸入端，耦合到時鐘輸入端；一個R(復位)輸入端，耦合到復位輸入端；以及一個Q輸出端耦合到進位輸出端、「與」門75的第二輸入端和「或」門77的第二輸入端。反相器79具有一個輸入端，耦合到「或」門77輸出端；及一個輸出端。「與」門80具有第一輸入端，耦合到反相器79的輸出端；第二輸入端，耦合到斷電非輸入端；及一個輸出端，耦合到峰值電壓輸出端。
計數器比較器71利用如圖5的定時圖中所示的、由圖4的取樣計時器46產生的定時信號進行操作。斷電非信號耦合到斷電非輸入端上，它與圖5所示的斷電信號的互補。「與」門80被阻塞，不致提供峰值電壓輸出信號，直到電壓取樣工序結束時為止。預置信號施加在預置輸入端上，使來自遞增計數器72的計數下裝到遞減計數器73。該預置信號還復位D觸發器78。在電壓取樣工序之前存儲在遞增計數器72中的計數與先前的取樣電池電壓相對應。唯一的例外是在電池充電過程的初始電壓取樣值上，遞增計數器72被復位為全零(然後全部零下裝到遞增計數器73)。在先前的計數被下裝到遞減計數器73之後，先前的計數是保持在遞增計數器72中。
遞減計數器73利用施加在時鐘輸入端上的電壓-頻率變換器(VFC)信號來遞減。時鐘輸入端從VFC接收相應於當前電池電壓的脈衝。如果遞減計數器73遞減到0計數，則當前電池電壓與先前電池電壓完全相同。在0計數時，遞減計數器73的每個觸發器的QB輸出端輸出邏輯「1」電平，在「與」門76和「或」門77的輸出端產生邏輯「1」電平。遞減計數器73的所有其它計數在QB輸出端上產生至少一個邏輯「0」電平，在「與」門76的輸出端上產生一個邏輯「0」電平。如果正被取樣的電池電壓大於先前的取樣電池電壓，則附加的VFC脈衝施加在時鐘輸入端。在0計數業已發生之後，下一個脈衝施加在時鐘輸入端上，使D觸發器78輸出邏輯「1」電平，它被耦合在進位輸出端和「與」門75的一個輸入端上。然後，「與」門75利用施加在時鐘輸入端上的脈衝啟動遞增計數器72。在0計數之後的每個脈衝使該遞增計數器72遞增，藉此，更新遞增計數器72為相應於正被取樣的電池電壓的脈衝計數。D觸發器78的Q輸出反饋到「或」門77，以在電壓取樣工序期間在Q輸出端上保持邏輯「1」電平。如果當前的電池電壓大於或與先前電池電壓相同，則在電壓取樣工序之後，「與」門80輸出一個邏輯「0」電平。
當正被取樣的電池電壓小於先前取樣的電池電壓時，峰值電壓被檢測。在這種情況下，遞減計數器73不遞減到0計數，而進位輸出保持在邏輯「0」電平。在電壓取樣工序之後，「或」門77的輸出為邏輯「0」電平(兩個輸入都是邏輯「0」電平)，而反相器79輸出邏輯「1」電平。斷電非信號和反相器79的輸出都為邏輯「1」電平，在「與」門80輸出端上產生邏輯「1」電平。「與」門80輸出端上的邏輯「1」電平表明檢測到峰值電壓。電壓-頻率變換的高解析度使得峰值電壓以後的電池過充電最小化。計數器比較器精確地確定峰值電壓何時發生，據此，消除了在其它檢測系統中使用的昂貴的微處理器和軟體編程的需要。
圖8是檢測峰值斜率的計數器比較器81的原理圖。計數器比較器81操作和具有與圖7的計數器比較器71相似的電路，只有一些極小的區別。現在詳細描述計數器比較器81與計數器比較器71之間的差別。計數器比較器81將一個預定的時段期上的電壓變化次數(電池電壓)與先前時段上的電壓變化次數相比較。如前所述，在一個電池充電工序期間，電壓變化率可能很小。例如，如果電壓每10秒取樣一次，以檢測峰值電壓，則在兩個樣值之間電壓變化可能小於檢測電路的解析度。在兩個電壓變化的比較之間的時間根據在峰值電壓檢測過程中電壓取樣的速度而遞增，以保證可測量的電壓變化發生。在優選實施例中，電壓變化次數在計數器比較器71的八次電壓取樣周期(eight times voltage sample periods)期間相比較。除法器82(除以8)耦合到計數器比較器81的預置輸入端，以便增加預置信號的周期。該預置信號在除法器82的輸出端上提供，在峰值斜率檢測工序之前，除法器82將來自遞增計數器的計數下裝到遞減計數器。
電池電壓的電壓變化率利用峰值電壓檢測計數器比較器的進位輸出來測量，以遞增和遞減該遞增計數器和遞減計數器。來自峰值電壓檢測計數器比較器的進位信號指示在一個電壓樣值期間檢測到一個較大的電壓。在優選實施例中，8個電壓樣值和比較發生在計數器比較器81的一個峰值斜率檢測工序期間。在初始時，遞增計數器中先前的峰值斜率檢測工序的進位信號數目的先前計數被下裝到遞減計數器。遞減計數器以從峰值電壓檢測計數器比較器接收的每個進位信號來遞減。如果遞減計數器遞減到0計數，則電壓變化率是相同的。如果該計數高於先前的計數，則電壓變化率已遞增。在遞減計數器已遞減到0計數之後，遞增計數器許可在下一個進位信號時遞增該計數。
當進位信號的計數小於進位信號的先前計數時，檢測峰值斜率。進位信號數目的減少表示在預定的時段內電壓變化量減少。在這種條件下，遞減計數器不遞減到0計數，其結果是在計數器比較器81的峰值斜率輸出端上輸出一個邏輯「1」電平，表明峰值斜率已檢測到。
至此，可以理解，現已提供了一種峰值電壓和峰值斜率檢測器電路。該峰值電壓和峰值斜率檢測器電路通過檢測電池電壓較小的變化，來減少電池的過充電，並且通過取消了在其它檢測器系統中使用的昂貴的微處理器、ADC電路和DAC電路，減少了製造的複雜性和費用。
雖然業已示例和描述了本發明的具體實施例，但本領域的技術人員可以作出進一步的修改和改進。可以理解，本發明不限於所示的特定形式，並且意寓所附的權利要求書覆蓋了所有的、不脫離本發明的精神和範圍的修改。
權利要求
1.一種用於電池充電器電路的峰值電壓和峰值斜率檢測器電路(41)，其特徵在於，包括一個電壓-頻率變換器(VFC)(42)，響應電池電壓，用於提供VFC信號；一個第一計數器比較器(41)，響應所述VFC(42)，用於在一個預定的時段期間產生所述VFC信號的脈衝計數，其中，所述的脈衝計數對應於所述的電池電壓的幅度，和其中所述的脈衝計數與先前的脈衝計數相比較，以確定峰值電壓何時發生；和一個計時器電路(46)，用於在所述的預定時段選通所述VFC信號傳送給所述第一計數比較器(44)。
2.根據權利要求1的峰值電壓和峰值斜率檢測器電路(41)，其特徵在於，所述的第一比較器包括一個遞增計數器(72)，用於計數所述VFC信號的脈衝；一個遞減計數器(73)；和一個裝入邏輯電路(74)，用於將所述的遞增計數器(72)耦合到所述遞減計數器(73)。
3.根據權利要求2的峰值電壓和峰值斜率檢測器電路(41)，其特徵在於，進一步包括第二計數比較器(47)，用於在預定的電池電壓取樣工序個數期間對所述的進位信號計數。
4.根據權利要求3的峰值電壓和峰值斜率檢測器電路(41)，其特徵在於，所述第二計數比較器(47)將對應於所述的電壓變化率的所述脈衝計數與對應於先前的電壓變化率的先前脈衝計數相比較，和其中峰值斜率信號被提供，表明在所述脈衝計數小於所述第二計數器比較器的先前脈衝計數時峰值斜率已經發生。
5.一種用於電池充電器電路的峰值電壓和峰值斜率檢測器電路(41)，其特徵在於，包括一個電壓-頻率變換器(VFC)(42)，具有第一輸入端，耦合到被充電電池上，及一個輸出端；一個邏輯電路(43)，具有一個第一輸入端耦合到所述VFC(42)；一個第二輸入端；及一個輸出端；第一計數比較器(44)，具有一個第一輸入端，耦合到所述邏輯電路(43)的所述輸出端；一個第二輸入端；一個峰值電壓輸出端；一個過壓輸出端；及一個進位輸出端；和一個計時器電路(46)，具有一個第一輸出端，耦合到所述的邏輯電路(43)的所述第二輸入端；一個第二輸出端，耦合到所述的第一計數比較器(44)的所述第二輸入端；及一個斷電輸出端，在一個電池電壓取樣工序之前關斷電池充電器電路，其中，所述的計時器電路將一個信號提供給所述的邏輯電路(43)，以在預定時段選通VFC信號送給所述第一計數器比較器(44)，和其中所述的第一計數器比較器(44)在所述的預定時段期間產生所述VFC信號的脈衝計數，所述脈衝計數對應於所述電池電壓幅度，所述第一計數比較器(44)將所述的脈衝計數與先前的脈衝計數相比較，以確定電壓峰值何時發生。
6.根據權利要求5的峰值電壓和峰值斜率檢測器電路(41)，其特徵在於，所述的邏輯電路包括一個「與」門，它具有一個第一輸入端，耦合到所述VFC(42)的所述輸出端；一個第二輸入端，耦合到所述的計時器電路(46)的所述第一輸出端；及一個輸出端，耦合到所述的第一計數比較器(44)的所述第一輸入端。
7.根據權利要求6的峰值電壓和峰值斜率檢測器電路(41)，其特徵在於，所述的第一計數器比較器(44)包括一個遞增計數器(72)，用於計數所述VFC信號的脈衝；一個遞減計數器(73)；和一個裝入邏輯電路(74)，用以將所述遞增計數器與所述的遞減計數器相耦合。
8.根據權利要求7的峰值電壓和峰值斜率檢測器電路(41)，其特徵在於，在所述的電池電壓取樣工序之前，所述的裝入邏輯電路(74)將所述遞增計數器(72)的脈衝計數耦合到所述遞減計數器(73)，以便存儲在其中，所述的遞增計數器(72)的所述脈衝計數對應於所述先前脈衝計數，和其中在所述的電池電壓取樣工序期間所述的遞減計數器(73)響應所述VFC信號，在所述預定時段期間所述遞減計數器(73)以所述VFC信號來遞減。
9.一種用於檢測被充電的電池的峰值電壓和峰值斜率的方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟把一個電池電壓轉換成為一個信號，其中在預定時段內所述的信號的脈衝計數對應於所述的電池電壓的幅度；在所述的預定時段期間產生所述的信號的脈衝計數；用所述信號來遞減對應於一個先前的取樣電池電壓的先前脈衝計數，其中在所述的先前脈衝計數未達到0計數時進行峰值電壓檢測；和當所述的先前脈衝計數被遞減到低於所述0計數時，提供一個進位信號，它表明所述的電池電壓大於所述的先前的取樣的電池電壓。
10.根據權利要求9的方法，其特徵在於，還包括以下步驟為預定數量的取樣電池電壓產生一個進位信號計數，其中所述的進位信號的計數表明所述的電池電壓的變化率；將進位信號的一個先前計數與所述計數相比較，其中當所述的進位信號的所述計數小於所述的進位信號的所述先前計數時，峰值斜率發生。
全文摘要
高解析度的峰值電壓和峰值斜率檢測器電路在一個電池充電工序內檢測電池電壓。取樣電池電壓以消除因噪聲引起的誤差時，電池充電電路被阻塞。電池電壓在取樣計時器確定的預定的時段內按預定間隔取樣。電壓-頻率變換器把一個電池電壓轉換成為一個信號，該信號的頻率對應於該電池電壓的幅度。在預定時段內計數器比較器計數VFC輸出的該脈衝數並與先前計數比較以確定峰值電壓。取樣計數小於先前取樣計數時峰值電壓發生，由第二計數器比較器確定峰值斜率。
文檔編號H02J7/00GK1142614SQ96109359
公開日1997年2月12日 申請日期1996年7月30日 優先權日1995年8月3日
發明者託馬斯·A·薩莫維耶 申請人:摩託羅拉公司