CN1751426B - 对充电电池进行充电并向便携式设备供电的电路和方法 - Google Patents

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Abstract

一种电池充电电路，包括：电池充电控制器，其被配置为向便携式设备和可再充电电池提供输出功率，其中所述输出功率是从外部电源接收的；半导体开关，其输出与可再充电电池相连，并且向所述可再充电电池的供电是通过所述半导体开关完成的；所述电池充电控制器还被配置为向便携式设备和半导体开关的输入提供输出功率，所述电池充电控制器的电流输出可控；和电压传感电路，其被配置为测量所述电池充电控制器两端的压降，所述电压传感电路包括运算放大器，用于接收来自所述电池充电控制器输出的电压信号和参考电压信号，并且当所接收到的来自电池充电控制器输出的电压信号小于参考电压信号时，减小流过所述半导体开关的电流，来减少提供给所述可再充电电池的电流量，来对所述电池充电控制器两端的所述压降做出响应，从而使所述便携式设备接收操作所需的功率，而所述可再充电电池仅在剩余的容量可用时接收功率。

Description

对充电电池进行充电并向便携式设备供电的电路和方法
技术领域
本发明一般地涉及电池充电器，更具体地，涉及一种用于从多种电源对便携式设备中的电池进行充电的方法和装置，这些电源包括有限容量的源，例如计算机数据总线的集成功率节点。一种这样的计算机数据总线是USB(通用串行总线)端口。
背景技术
随着当今的计算和信息革命，诸如蜂窝电话、个人数字助理(PDA)、数字寻呼机以及无线电子邮件设备之类的便携式电子设备越来越普遍。这些便携式设备通常是由内部电池供电，这些内部电池必须使用电池充电器来定期地由外部电源再充电。电池充电器通常从标准AC电源插座接收功率，并且将AC功率转换为低DC电压，用于对电池再充电。
这些便携式设备的电池充电器通常还应用“电池充电控制器”来管理电池的充电。这些电池充电控制器提供例如如下的功能：
·调节去往可再充电电池的电压和电流水平；
·向便携式设备的主处理器提供状态信号，或者操作一个或多个状态LED(发光二极管)；
·提供诸如过流、欠压、极性相反和过热保护之类的保护电路；
·当充电源被移走时，切断其自身，以最小化电池消耗。
例如，锂离子电池组必须根据相对严格的算法来充电，从而它们可以被完全充电，可以被多次充电以及再充电，并且可以被安全操作。这种充电算法通常如下进行：
1.在第一阶段，处理任何严重的欠压或深度放电条件。在这一预充电阶段期间，使电池电压缓缓地从非常低或无电状态上升，通常是以正常充电电流的1/10的速率；
2.接着，以恒定的电流水平对电池充电，直至电池两端电压达到其设置电平(例如，4.2VDC)。此时，电池将只有全部容量的40％至70％；然后
3.以恒定的电压电平(例如，4.2VDC)对电池继续充电，直至其被完全充满。在这种模式中，由电池抽取的电流将随时间下降。当充电电流下降到初始充电率的10％或者由电池制造商确定的某些其他限制时，停止充电。
必须在此时停止充电，因为连续补充充电不适用于锂电池；过充电将会损坏电池，这可能使锂金属溢出表面，并且变得有害。
因此，锂电池几乎总是与针对它们的特定充电参数而设计的电池充电控制器一起使用。
不幸的是，大多数电池充电控制器被设计为从具有稳定电压的高容量电源抽取电流，电源电压在其电流需求下不会略微下降。诸如USB(通用串行总线)总线之类的一些计算机数据总线可以被用来向外部设备提供功率，但是尽管这种电源非常方便，然而它们具有有限容量。
大多数当今可用的个人计算机(PC)和膝上型计算机具有一个或多个USB端口作为标准部件。USB端口被设计为支持12兆位以及1.5兆位每秒速度的数据通信，支持PnP(即插即用)安装软件，并且支持热插拔(即，可以在PC正在运行时连接及断开设备)。这样，USB端口被经常用作接口，以将键盘、鼠标、游戏控制器、打印机和扫描仪连接到PC。
另外，USB端口可操作来向连接的外部设备提供有限的功率。标准USB规范要求“高功率”USB端口可操作来提供4.75～5.25VDC的供电电压以及至少500mA(通常被称作“5个单位”)的供电电流。“低功率”USB端口的规范要求4.40～5.25VDC的供电电压以及100mA(称为“1个单位”)的电流。
由于多种原因，USB端口看起来是便携式设备电源的非常合理的选择。为此，USB端口提供低DC供电电压，该电压常常非常接近或刚好超过电池被充电的电压(许多便携式设备的电池电压范围是2.5～4.5VDC)。同样，许多便携式设备可以操作来向/从个人计算机或膝上型计算机上载以及下载数据或软件(常常被称作“同步”)。这样，许多便携式设备是由底座(docking cradle)供电，如图1的系统图所示。这是非常简单的系统，因为底座10通过简单的USB电缆和连接器16连接到个人计算机(PC)14的USB端口12。便携式设备18只需要被放在底座10中，就实现了与PC 14的电连接。
如果USB端口12具有足够的功率，则使用USB端口12来向便携式设备18提供充电功率要比使用单独的AC充电器更有意义。例如：
1.USB电源比AC充电器的电噪声更小，除非AC充电器包括大的DC电容器或电感器；
2.AC充电器需要笨重的变压器或昂贵的开关电源，而使用USB电源则不需要这些；
3.在USB电源实施方式中，用来将底座10连接到PC14的电缆和连接器16可以用来传送功率和数据，所以根本不需要额外的物理部件。相反，必须向AC电源提供与USB数据电缆分离的物理部件；以及
4.对于AC电源没有通用标准；特定的AC电源可能需要120VAC或240VAC作为输入，并且可能提供3、4.5、6、7.5或9VDC输出，并且具有大量不同的可能连接器和极性之一。旅行者如果将其AC电源忘在了家，他可能就不能够找到合适的替代物。
相反，USB标准被广泛接受，因而如果旅行者的移动设备装配了USB连接器，那么他找到充电源的机会将大的多。
于是，显然希望使用USB电源来对便携式设备充电。然而不幸的是，如上所述，USB端口只能提供有限的功率。当考虑图2的方框图时，问题变得清楚起来。在这种情形中，便携式设备18和电池充电控制器20并联连接到USB端口12，因为在充电条件下，控制开关22被触发，从而便携式设备18从USB端口12抽取功率。当电池24被电池充电控制器20完全充满并且USB端口12的功率被移走时，然后控制开关22被触发，从而便携式设备18从电池24抽取功率。这种类型的电路在一些环境中可以工作，但是在电源具有有限容量的环境中不能接受。
如果试图从USB卡12同时对便携式设备18和电池充电控制器20供电，极有可能在USB卡12上加上了太大的负载。USB卡12上过多的负载可能导致欠压或低电流条件，这会导致许多不希望的问题，例如：电池24没有被适当地充电，或者被永久损坏，或者便携式设备18不稳定地工作或者被损坏。
作为一种替代实施方式，电池24和便携式设备18可以如图3所示布置，从而它们都由电池充电控制器20供电。虽然这种设计会减小由便携式设备18和电池24的组合所抽取的总功率，但是还有很多其他问题：
1.最重要的是，对于从USB端口12抽取的总功率还是没有控制；
2.便携式设备18所抽取的功率可能扰乱电池充电控制器26的精心设计的保护和充电机制；
3.便携式设备18和电池24为了可用的功率而任意地竞争，所以它们可能不利地影响彼此的操作。如果可用电压降得太低，或者不能获得足够的电流，那么任一个设备都可能不稳定地工作，或者两者都停止工作；
4.如果在电源打开时电池24处于深度放电状态，则施加在便携式设备18上的电压将被下拉到深度放电的电池的电平。通常，在这样低的电压电平下，便携式设备18将不可操作；以及
5.必须向电池24和便携式设备18提供的电流必须被电池充电控制器20或外部半导体以某种方式耗散掉。被耗散的功率越大，则电池充电控制器20(或由电池充电控制器20驱动的外部半导体)就必须越大。一般来说，半导体耗散功率的能力随其表面面积变化，这样，如果功率耗散加倍，则半导体的表面面积必须增加四倍。
可以开发被设计为与USB电源和便携式设备18一起工作的新型专用电池充电控制器，但是这是一种昂贵且复杂的解决方案。每个电池充电控制器必须被设计为适合便携式设备18和电池24的特定配对，因为必须考虑这两个部件的功耗需求。
因此，需要这样一种方法和装置，它们允许诸如USB端口之类的标准计算机数据总线同时向便携式设备18及其相关的电池充电电路20供电，而不必设计非常专用的新型电池充电控制器。这种设计必须考虑电池充电电路的严格的操作参数、便携式设备的有限的物理板面积以及设计的可靠性和复杂度。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种新颖的方法和装置，其允许从标准计算机数据端口和其他电源对标准电池充电控制器供电，这消除或减轻了现有技术的至少一个缺点。
根据本发明的第一方面，提出了一种电池充电电路，包括：电池充电控制器，其被配置为向便携式设备和可再充电电池提供输出功率，其中所述输出功率是从外部电源接收的；半导体开关，其输出与可再充电电池相连，并且向所述可再充电电池的供电是通过所述半导体开关完成的；所述电池充电控制器还被配置为向便携式设备和半导体开关的输入提供输出功率，所述电池充电控制器的电流输出可控；和电压传感电路，其被配置为测量所述电池充电控制器两端的压降，所述电压传感电路包括运算放大器，用于接收来自所述电池充电控制器输出的电压信号和参考电压信号，并且当所接收到的来自电池充电控制器输出的电压信号小于参考电压信号时，减小流过所述半导体开关的电流，来减少提供给所述可再充电电池的电流量，来对所述电池充电控制器两端的所述压降做出响应，从而使所述便携式设备接收操作所需的功率，而所述可再充电电池仅在剩余的容量可用时接收功率；其中所述电池充电控制器还包括由所述电池充电控制器控制的外部驱动半导体，用于向所述便携式设备和所述半导体开关运送供电电流，所述便携式设备中的低功率、关键部件从所述电池充电控制器供电，而所述便携式设备中的高功率、非关键部件从可再充电电池供电。
根据本发明的第二方面，提出了一种用于使用具有电流限制的外部电源所提供的功率来对便携式设备的可再充电电池进行充电并向所述便携式设备提供功率的方法，包括：将电池充电控制器的输出分别与所述便携式设备和半导体开关的输入串联连接，所述便携式设备和半导体开关的输入并联连接；
将半导体开关的输出连接到可再充电电池；
控制所述电池充电控制器的电流输出；
测量所述电池充电控制器两端的压降；以及
通过调制所述半导体开关以在所述压降太大使得可再充电电池或者便携设备不稳定地工作或停止工作时减小提供给所述可再充电电池的电流量，来对所述电池充电控制器两端的所述压降做出响应；由此控制了所述电池充电控制器耗散的总功率，所述便携式设备接收其操作所需的功率，而所述可再充电电池接收额外的可用功率。
附图说明
参考附图，从下面的描述中，将更清楚本发明的这些以及其他特征，附图中：
图1示出了以本领域公知的方式与便携式电子设备连接的个人计算机的物理布局；
图2示出了被并行供电的电池充电电路和便携式设备的电路框图；
图3示出了由电池充电控制器供电的电池和便携式设备的电路框图；
图4示出了本发明概括实施例中的电池充电电路的电路示意图；
图5示出了本发明实施例中的用于对锂离子电池进行充电的电压、电流和功率曲线的时序图；
图6示出了本发明简单实施例中的电池充电电路的电路示意图；
图7A、7B和7C示出了本发明详尽实施例中的电池充电电路的电路示意图；
图8示出了本发明实施例中的操作电池充电电路的方法的流程图。
具体实施方式
如上所述，目前没有能够从有限容量的电源向便携式设备18和可再充电电池24两者供电的有效设计。
一种克服本领域多个问题的电路被表示为图4中的方框图。该附图表示了在标准电池充电控制器20周围建立的电池充电电路。在本发明的该实施例中，电池充电控制器20从外部源(VBUS)接收功率，并且并行地向便携式设备18和可再充电电池或多个电池24供电，但是向电池24的供电是通过半导体开关Q1完成的。流过半导体开关Q1的电流的控制被电压传感电路30调制，其中电压传感电路30测量电池充电控制器20两端的压降，并且当压降太大时减小通过半导体开关Q1流向电池24的电流。
电压传感电路30能够推断电路的总功耗，因为电池充电控制器20的电流输出是可控的，并且功率是压降和电流的乘积。本领域已知的大多数电池充电控制器20具有某种类型的最大电流控制。例如，在后文描述的示例性实施例中，通过外部电阻器R1来容易地设置电池充电控制器20的最大电流输出，当然，也可以按照许多其他方式来控制电流输出(例如，可编程、专用或通过某种形式的模拟或数字输入信号来设置)。
同样在后文所述的实施例中，通过运算放大器来提供电压传感电路30本身。这样，通过比较电池充电控制器20的输入和输出处的电压，可以容易地测量电池充电控制器20两端的压降，如图4所示。或者，运算放大器的一个输入可以从电池充电控制器20的输出引出，而另一输入可以是某一参考电压VREF；该参考电压VREF或者仿效电池充电控制器20的VBUS输入，或者以某种方式成比例。
这样，通过监视电池充电控制器20两端的压降并且知道其可以提供的最大电流，知道了总功率。通过使用这一信息来调制去往电池24的功率，可以控制电池充电控制器20所耗散的总功率。
同样，因为该电路调制可用于电池24的功率，所以该电路可被设计为保证便携式设备18接收其操作所需要的功率，而可再充电电池24只在剩余的容量可用时接收功率。
因此，可以将消耗的总功率调制为保持在从USB端口12可获得的功率的限制内，并且保持在电池充电控制器20能够耗散的功率范围内。这使得电池充电控制器20能够“非定制地”使用，而不必设计能够耗散足够的功率以向便携式设备18和电池24两者供电的新的且更大的电池充电控制器20。还使得电池充电控制器20或外部驱动元件能够保持物理上的小型化。
利用这种功率调制机制，在便携式设备18和电池24之间不再有功率竞争。电池24只在存在比便携式设备18所需更多的功率可用时才接收功率。这可能看起来与诸如锂电池之类的电池的充电需求不一致，但是可以容易地设计电路的参数来容纳这些电池。
如上所述，电池充电控制器通常被设计为适合特定的电池或电池族。例如，锂电池在三个阶段中充电：
1.解决深度放电条件；
2.恒流充电，直至电池达到特定的电压电平；然后
3.恒压充电，直至充电电流下降到特定点。
在初始的深度放电条件处理期间，向电池提供相对小的电流(通常是充电电流的1/10)。因此，设计本发明的电路，从而很少拒绝电池的这种非常适度的功率需求。
恒流充电阶段抽取最大量的功率，但是如果在这一阶段中充电电流被调制或循环，锂电池不会遭受损害。这样，本发明的电路对这一阶段改变得最大。如果便携式设备18在这一阶段期间被大量使用，则惟一的负面影响是电池24的充电将花费更长的时间。
在恒压充电阶段期间，最大电流小于恒流阶段的最大电流，并且随着电池24变为完全充满，连续下降。更为重要的是，在这一阶段中，电池24的电压保持恒定且最大的电平，因此在恒压阶段期间电池充电控制器20所耗散的总功率小于恒流阶段期间所耗散的总功率。
如后文将更详细地描述的那样，电压传感电路30被设计为在达到完全充电电压电平时使半导体开关Q1饱和(即，半导体开关Q1在此时根本不限制电流)。
图5示出了功率耗散随时间的变化。在该附图中示出了四条曲线：电池24的电压(被标记为VBAT)、充电电流(被标记为ICHARGE)、电池充电控制器20两端的压降(被标记为VDROP)、以及所耗散的总功率(被标记为PBCC)。注意，VDROP与VBAT相反地变化，并且电池充电控制器20所耗散的功率是ICHARGE和VDROP的乘积。
显然，在条件准备阶段期间，电池电压VBAT低，所以VDROP高。然而，在该阶段期间ICHARGE也低(大约为最大充电电流IMAXCHARGE的1/10)，所以所耗散的总功率不多。
在恒流阶段期间，充电电流上升到IMAXCHARGE，但是电池的电压VBAT在电池被充电时下降，所以电池充电控制器20所耗散的功率在这一阶段的过程中下降。
当恒压阶段开始时，电池电压达到其完全充电电平VFULLCHARGE，因此VDROP最小。当ICHARGE在这一阶段的过程中下降时，所耗散的功率还继续下降(再次注意，所耗散的功率是ICHARGE和VDROP的乘积)。
显然，在恒流阶段期间抽取最大的功率水平。如上所述，在这一阶段期间电池24的充电可以安全地循环，因此在这一阶段期间对流向电池24的电流的限制是允许的。
该电路还允许用户快速启动其便携式设备18，因为其将电池24与便携式设备18隔离。如果电池充电控制器20在试图为深度放电电池24做准备时电池24和便携式设备18连接在一起，那么便携式设备18的电压将被拉低到深度放电电池24的电平。通常，这对于便携式设备18的适当操作来说太低了。利用本发明的电路，电池24和便携式设备18被Q1隔离。即使电池24处于深度放电状态，便携式设备18仍将看到高到足以适当操作的电压。
因此，便携式设备18的启动时间仅仅受限于电池充电控制器20本身的使能时间。这种提升的典型数值是1mS～4mS，但是该值可以在不同的电池充电控制器201之间改变。
这样，图4中的电路的使用允许有限容量的计算机数据总线及类似电源向便携式设备和放电的电池同时供电。
现在将描述本发明的多个不同实施例。每个实施例使用非常少量的简单、可靠的部件。这样，总体上，本发明提供了一种廉价、可靠且消耗便携式设备中最少的板空间的有效解决方案。
图6表示了充电电路的示意电路图，该电路应用了四个主要部件：NCP1800电池充电控制器50、用作电池充电控制器50的外部驱动元件的半导体Q2、运算放大器52、以及控制流向可再充电电池24的电流的MOSFET(金属氧化物硅场效应晶体管)Q3。
NCP1800电池充电控制器50是本领域公知的标准单体锂离子电池充电控制器。这种器件提供的最大电流由管脚ISEL和地之间的电阻调节。这种情形中，三个电阻器R2、R3和R4被用来设置不同操作条件下的最大电流水平。默认条件是只有100mA可用(低功率USB)，由此建立电阻器R2的值。如果检测到设备被插入到高功率USB源，则向MOSFET Q4的栅极加电，并且ISEL和地之间的电阻将由并联连接的R2和R3的电阻设定。
类似地，如果检测到电路的功率源具有更高的可用功率(例如，AC插座或车载适配器)，则向MOSFET Q5加电，从而ISEL和地之间的电阻将由并联连接的R2和R4的电阻设定。图6的电路通常包括在便携式设备18本身中，或者包括在底座10中，这样，在这种更大容量的电源下，其还可操作。
从NCP1800电池充电控制器50的制造商处可获得应用说明书，这将帮助设计者建立电阻器R2、R3和R4以及驱动晶体管Q2的特定参数和数值。
该电路的电压传感部分是由运算放大器52与电阻器R5和R6以及电容器C1一起提供的。该电路监视Q2的集电极上的电压(通过分压器R5和R6)，并且将其与参考电平(这种情形中，VREF＝+3.3V)比较。如果Q2的集电极侧的电压下降，则Q2上的压降上升，并且其必须耗散的功率上升。为了减小必须被耗散的功率，运算放大器52通过增加Q3的漏极源极电阻，限制通过Q3的电流。
注意，VREF可以简单地从VBUS和提供稳压器。VREF而不是VBUS被用作运算放大器52的输入，这是因为稳压器将提供恒定的输出电压，而VBUS具有宽的范围，这使设计变得更困难。电阻器R5和R6的值是由将VBUS值按比例变为VREF值的需要简单地建立的。
还要注意，电容器C1包括在电路中，以平滑波动，并防止振荡。
如上所述，该电路允许便携式设备18通过Q2抽取功率，而不会使便携式设备18和电池24的组合消耗超过Q2的功率容量。当便携式设备18抽取功率时，Q2集电极侧的电压下降，并且以线性模式节制通过Q3的电流。
必须针对最坏情形来设计功率耗散。例如，如果最大设计参数如下：
·直至0.85A可用；
·输入电压可用高到6V；以及
·电池24的预充电在3.0V处完成(这是向电池传送的充电电流最高的地方，如图5所示)；
那么，(6V-3V)×0.85A＝2.55W的功率将由外部驱动元件Q2耗散(注意，在不使用这种元件的电路中，这一功率全部由电池充电控制器50耗散)。
该外部驱动元件Q2必须散发掉由流经它的电流所生成的热量。耗散的功率越多，该通行元件的物理尺寸就必须越大；一般来说，器件需要的表面面积随要耗散的功率的平方上升。也就是说，如果功率加倍，则需要具有四倍表面面积的晶体管。晶体管的尺寸是标准化的，所以该电路的优选实施例被设计为应用SOT-23(或superSOT-6)封装，这能够耗散直至1.6W的功率。下一尺寸是SOT-223，这要大得多，具有两倍的功率耗散。
如上所述，对提供给电池24的功率进行节制，从而电流总是满足便携式设备18的需要，并且任何剩下的电流(输入电流与流向便携式设备18的电流之差)被传送到电池24。例如，假设电路连接到高功率USB端口(500mA可用)和诸如便携式BlackberryTM手持设备之类的便携式设备18。当Blackberry进入休眠时，其可能只需要0.3mA～0.7mA，因此可用电流的余额(499.3mA～499.7mA)可用提供给电池24。一旦Blackberry唤醒(其周期性地唤醒以执行管家(housekeeping)工作)，取决于所做的事情，其抽取例如30mA～70mA。此时，电池24接收430mA～470mA。当Blackberry要接收或发送某些数据或执行某些其他任务时，进行分析。在每种情形中，提供给电池24的功率被动态地自动调整。
当有限的功率可用时，还希望切断高功耗部件，只保留处理器的功率。通过如图6所示，只将便携式设备18的处理器和存储器连接到Q2，而将其他高功耗器件连接到Q3的电池侧，可以容易地实现这一功能。结果，如果使用有限电流源(例如，100mA的低功率USB)操作并且诸如振动器(通常是120mA)或背光(通常是150mA)之类的过大电流部件被打开，从Q2输出的电压将开始下降，导致Q3增加其Rds电阻，并且保护了处理器所需的电流。
图7A至7C所示的设计使用了与图6相同的基本电路系统，但是加入了数个提供其他优点的元件。这些优点包括如下这些：
·可以利用刚好超过电池电平的输入电压来对电池充电；
·当电池无电或不存在时，便携式设备18的启动与图6不同；
·改进了对来自外部电源的输入脉冲干扰的处理；以及
·与该实施方式中所使用的电池充电控制器的制造商的用法说明相反，VCC和IN管脚被分别供电，以避免电池充电控制器中的逆电压泄漏和潜在的闭锁问题。
本发明该实施例的具体设计参数概括如下：
1.恒流、恒压充电能力(按对锂离子电池充电需要)；
2.100mA、500mA和750mA电源的电流选择；
3.当可再充电电池24是低、无电或不存在时，便携式设备18的操作；
4.如果电池24不存在或无电时，在小于100mS的时间内便携式设备18的启动和操作；
5.服从操作的USB挂起模式(系统应该抽取小于500uA的电流)；
6.超过5.8V直至最小10V的过压保护；
7.针对电池连接器上短路的保护；
8.允许以与便携式设备18的安全操作所需的电压一样低的输入电压来充电；
9.3.3V～3.6V范围中的电压用于D+线上的上拉电阻器；
10.提供将电压与D+线上的上拉电阻器连接及断开的装置；
11.电池存在指示；以及
12.提供电池充电控制器的状态。
本发明的详尽实施方式的全面描述如下：
图7A～7C的电路集中在德州仪器bq24020锂离子电池充电控制器(在图7C中被标记为U909)周围。该电池充电控制器提供对锂离子电池充电所需的恒流和恒压模式，并且支持外部可编程电流限制。其UVLO(欠压锁定阈值)由带参考的PFI/PFO(U908)比较器(德州仪器TPS3103E15)提供，并且其阈值由VBUS输入的电阻器分压器设置。这提供了列举何时以低压/无电电池或没有电池来操作的装置。过压保护(OVP)由被设置为～5.8V的U912提供。充电状态由电池充电控制器U909提供，其指示控制器是否在向系统传送电流。D+上拉电阻器的电压由U901(低压差稳压器，Toko TK71733SCL)及其开关能力通过Q907提供。相同的电压还被用来对只在外部电源通过VBUS可用时使用的部件供电(U906、U905等)。
比较器U905(LMC7111A)和MOSFET Q908被用来在以低压/无电电池或没有电池操作时提升系统电压。该闭合环路还“节制”在无电池以及低压电池条件下流向系统的电流。出现这一情况的原因是在L_BAT电压下降(由于系统负载)时U905动作以关闭Q908，这使更多的电流进入系统(离开电池)。
比较器U907提供电池存在状态指示符。
电池连接器短路保护是带有充电器使能功能的NAND(U906)，这样在出现短路时自动禁用电池充电控制器U909。如果电池电压落到内部阈值以下，则电池充电控制器U909自动重新开始充电，并且在移走VCC电源时自动进入休眠模式。
注意，图7A～7C中电路的输入和输出可用概括如下：
Figure GSB00000746402900131
VBUS(输入电压)通过Q904a被提供给电池充电控制器U909的USB输入管脚。Q904用作OVP，并且由U912(3.0V欠压检测器，NationalSemiconductor LMS33460)控制，U912的输入电压是通过电阻器分压器R937和R925+R926提供的。Q904的开路漏极输出使其在VBUS/(R937+R925+R926)×(R925+R926)＜3.0V时处于饱和，这向OVP提供高于约5.8V的电压。
当电池充电控制器U909的USB输入存在时，可以通过CHRG_B(CHRG_B＝低，提供100mA；并且CHRG_B＝高，提供500mA)选择100mA和500mA电流限制。电阻器R941设置U909的ISET2输入的默认低逻辑电平，这样允许100mA默认电流限制。这是重要的，因为这使系统在以低压/无电电池或没有电池操作时服从USB规范。USB设备被限制为100mA操作，直至设备列举出(enumerate to)500mA(如果主机USB支持这种情况的话)。
电阻器R940向Q905a的栅极提供默认低输入，这使其在复位模式中保持在饱和状态之外(切断)，并且因此将Q904b的栅极电压设置为其源极电平(VBUS电压的电平)，这不允许VBUS出现在电池充电控制器U909控制器的AC输入处。电阻器R932和R936是Q904的上拉电阻器。
通过设置CHRG_A＝高，可以选择750mA的充电电流(用于非USB电源)，这使Q905a处于饱和(接通)并且也使Q904b处于饱和(接通)，这样使VBUS电压出现在电池充电控制器U909的AC输入处。因为U909的AC输入提供了对USB输入的覆盖(如果AC输入上的电压超过1.5V，则充电输入——输出路径被默认到AC输入)，所以充电电流现在由R939电阻器的值编程。
电容器C925被用来防止Q904b在VBUS电压的快速瞬态响应期间由于其栅极到漏极的寄生电容(栅极到漏极的电容将对栅极充电，如果在RC时间时栅极电压被上拉到其源极电压)而导通，并且允许栅极以VBUS电平快速充电，这使Q904b保持饱和。电阻器R935被用来限制C925的放电电流，从而Q905a不会超过其规定限制。R933是下拉电阻器，其防止电池充电控制器U909的AC输入漂移。C926和C927是输入旁路电容器。保持总输入电容小于10uF以服从USB涌入电流规范是重要的。
在挂起模式时，系统从VBUS抽取的总电流不应超过500uA。这主要是由处于关闭操作模式的电池充电控制器U909的低操作电流(通常＜100uA)实现的。Q905b被用来在电池充电控制器U909没有向电池24和/或便携式设备18传送任何电流时禁止LBAT升压器。通过短路U905的正输入，这使其输出驱动Q908进入饱和(接通)，从而实现这一功能。
U906b被用作CHRG_FLG标记的反相器，只是使其服从系统其余部分的软件和硬件。R931是CHRG_FLG开路漏极输出的上拉电阻器。
处理器管理器U908具有双重功能。其PFI(功率故障输入)输入电平由电阻器分压器R937+R925和R926设置，从而在VBUS下降到3.3V(或者是在以低压/无电电池或没有电池操作时由U905和Q908设置的LBAT电压的值)时其与U908内部参考匹配，这使其开路漏极输出(功率故障输出——PFO)变为GND。这将强迫U905的正输入节点变为GND，并且使Q908处于饱和(接通)。这组电路创建了L_BAT升压电路的欠压锁定(UVLO)阈值。这是重要的，因为U909可以在低至2.5V时操作，这使其状态标记即使在其没有向系统传送电流时也指示在向系统传送电流(电池24在低于2.5V时内部断开)。这种条件将使系统复位(因为电池电压电平低于预置的最小LBAT值)，因为U905/Q908将通过断开电池24并认为电池充电控制器U909正在传送足够的电流，来试图使LBAT电压保持在预置值。
U908的第二功能是在U909的CE输入管脚上的启动覆盖，这在最少100mS的时间内向系统提供功率，以在USB总线上启动并适当地列举。这通过在VBUS达到2.5V之前以及在100mS之后保持其RESET开路漏极输出为GND来完成。这使电池充电控制器U909在这一段时间内保持使能。
U906a提供CHRG_EN与电池连接器上短路存在的NAND功能。被短路的电池在硬件中禁止电池充电控制器U909。通过在VBAT上的具有电压，CHRG_EN控制线能够使能或禁止电池充电控制器U909(CHRG_EN＝高通过将U908的MR输入管脚拉低，将使能电池充电控制器U909)。R921提供电池与U906a的输入的隔离，从而电流泄漏被限制在最大42uA，即使U906在其VCC处没有出现功率时建立了HIZ(高阻抗)输入和输出。
R924在主机处理器复位期间向U906a提供默认低输入电平。R920是CHRG_FLG的上拉电阻器，使其只有在电池充电控制器U909被使能期间才有效。
U907通过监视来自电池组的BAT_ID输入，产生电池存在指示符。只要BAT_ID电阻器存在，其输出就是高逻辑电平，并且其上拉由BAT_CHK信号提供。
低压差稳压器U901(TOKO TK71733SCL)向USB数据现上拉电阻器提供稳压后的3.3V电源，并且向充电器电路中的各种部件提供3.3V电源，以及连接有外部源的指示符(EXT_PWR_CD)。U901具有反向偏置和过流保护、内置热切断和短路保护。
U901向U906、U908和U905提供功率，并向上拉电阻器提供3.3V电压。其还被用来向系统提供VBUS存在的指示(EXT_PWR_CD)。R904被用来限制流入系统输入管脚的电流。C915是输入旁路电容器，并且C922是输出滤波电容器。C910被用来对来自RF电路的FR噪声进行滤波，并且C912是内部参考的旁路电容器。
Q907被用来切换USB_VPU电压，并且允许USB总线上的软列举。R909向P-FET提供默认切断条件，并且R905提供USB_SFTCN控制线的快速放电(在RST或者没有电池存在的挂起开始期间)。
U904向USB收发器芯片(其是本领域公知的标准稳压器)提供供电电压。当VBUS存在时其被使能，并且在VBUS切断时字段关闭。C921和C913是输出滤波电容器。可以随意去除U904，以节省成本；然后应该增加R942，以向USB收发器芯片供电。U904只在收发器芯片不满足USB挂起电流需求时才需要(并且我们的设备通过仅查看D+/D-线响应，可以从挂起状态唤醒)。
U905和U908主要用来在VBUS不存在时维持L_BAT＝VBAT，并且在VBUS存在(同时充电器正在向系统传送电流)并且电池电压不低于3.6V时使L_ BAT保持为至少3.6V。其还被用来将总功率耗散分为两部分(在电池充电控制器的主旁路元件和Q908之间)，以在所有电池电压电平下允许更高的充电电流。
该电路的另一重要功能是：通过允许系统在电池不存在或无电时在15mS内唤醒，允许在电池是低压/无电或不存在时进行适当的USB列举。一旦U909传送全部的编程电流，U905/Q908通过改变Q908的漏极至源极电阻，将最小编程电压维持在L_BAT(在这种情形下是3.5V)。
U905的正输入被用作参考，并且由R934和R913设置。C924允许LBAT的慢倾斜提升，从而电池充电控制器U909能够传送全部的编程电流，直至Q908请求L_BAT上的电压增加(如果需要的话)。电阻器分压器R916和R915被用来设置L_BAT处的“最小电压”，而R914提供Q908的栅极的下拉电阻器。
U907向系统提供电池存在的指示。R927和R929被用来设置参考，并且R928是U907的开路漏极输出的上拉电阻器。BAT_ID然后被送到其负输入，并且相应地设置NO_BAT_N。
该电路中部件的优选值如图7A～7C所示。这些值当然可以随应用和设计参数而改变。
不是仅仅使用上述电子硬件，也可以使用硬件和软件部件的组合来实现本发明，这种硬件和软件部件的组合包括可编程器件，例如数字信号处理器(DSP)、微控制器、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)等。可以如图8的流程图所示来实现这种实施例。
与前述实施例一样，该方法可以用来对便携式和类似电子设备中的任意可再充电电池充电。可以使用任意的外部电源，但是本发明对于具有有限容量的电源最有用。
如图8所示，本发明的方法开始于步骤90，其中将电池充电控制器20的输入连接到外部电源，优选地是通过USB电缆和连接器16以及容纳便携式设备18的底座10连接。在步骤92，电池充电控制器20的输出与便携式设备18以及半导体开关Q1的输入并联连接，并且在步骤94，所述半导体开关Q1的输出连接到可再充电电池24。
接着，在步骤96，以某种方式控制电池充电控制器20的电流输出。如上所述，这可以按照许多方式实现，例如，微控制器的DAC(数模转换器)输出可以被用来向电池充电控制器20的电流控制输入发送适当的信号。
然后在步骤98测量电池充电控制器20两端的压降。这一任务也可以以多种方式来执行。例如，可以使用具有积分ADC(模数转换器)的许多微控制器来执行该功能。
因为在步骤96控制电流，并且在步骤98测量电池充电控制器20两端的压降，所以该方法能够推断出电池充电控制器20的功率耗散如何。因此，本发明的方法通过在步骤100响应于电池充电控制器20两端的压降来调制半导体开关Q1，在压降太大时减小提供给可再充电电池24的电流量，从而能够控制功率耗散。
以这种方式，控制了电池充电控制器20所耗散的总功率；便携式设备18接收其操作所需的功率，而可再充电电池24接收任何额外的可用功率。
执行该算法所需的软件代码的均衡对本领域的技术人员来说是明显的。
本发明的方法的步骤可以是以多种格式存储(例如，结果代码和源代码)的可执行机器代码集的实施例，它们与其他程序的代码集成在一起，被实现为子程序，由外部程序或本领域公知的其他技术调用。
本发明的硬件实施例甚至可以被编码为软件形式，例如硬件开发语言(HDL代码)，用来制造集成电路。这种HDL或类似代码可以存储在任何电子存储装置中，例如计算机磁盘、CD-ROM、随机访问存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。同样，代表这种软件代码的电子信号也可以通过通信网络传输。
虽然已经示出并描述了本发明的具体实施例，但是在不脱离本发明的真正范围和精神的前提下，无疑可以对这些实施例做出改变和修改。例如：
1.本发明的电路可以用于任何形式的电源，包括：传统的AC电源(经常被称为“砖块”)、诸如USB端口之类的计算机数据总线、外部电池组、膝上型电源、以及汽车和飞机上的DC插座；
2.可以用这种电路来对任何形式的电器充电，这些电器包括：便携的膝上型计算机、个人数字助理(PDA)、蜂窝电话、无线电子邮件和寻呼设备；以及
3.可以使用任何形式的可再充电电池，包括单个或多个锂离子电池、镍镉电池或其他类型的电池。
同样，本领域的技术人员从这里的教导中，能清楚看到这些实施方式，并且这些实施方式不脱离本发明。
本发明提供了用于从多种电源对便携式通信设备中的电池进行充电的方法和装置。

Claims (14)

1.一种电池充电电路，包括：
电池充电控制器，其被配置为向便携式设备和可再充电电池提供输出功率，其中所述输出功率是从外部电源接收的；
半导体开关，其输出与可再充电电池相连，并且向所述可再充电电池的供电是通过所述半导体开关完成的；
所述电池充电控制器还被配置为向便携式设备和半导体开关的输入提供输出功率，所述电池充电控制器的电流输出可控；和
电压传感电路，其被配置为测量所述电池充电控制器两端的压降，所述电压传感电路包括运算放大器，用于接收来自所述电池充电控制器输出的电压信号和参考电压信号，并且当所接收到的来自电池充电控制器输出的电压信号小于参考电压信号时，减小流过所述半导体开关的电流，来减少提供给所述可再充电电池的电流量，来对所述电池充电控制器两端的所述压降做出响应，从而使所述便携式设备接收操作所需的功率，而所述可再充电电池仅在剩余的容量可用时接收功率；
其中所述电池充电控制器还包括由所述电池充电控制器控制的外部驱动半导体，用于向所述便携式设备和所述半导体开关运送供电电流，所述便携式设备中的低功率、关键部件从所述电池充电控制器供电，而所述便携式设备中的高功率、非关键部件从可再充电电池供电。
2.根据权利要求1所述的电池充电电路，其特征在于所述电压传感电路包括运算放大器，用于比较所述外部驱动半导体输出的电压与参考电压。
3.根据权利要求1所述的电池充电电路，其特征在于所述低功率、关键部件包括存储器和微处理器中的至少一个。
4.根据权利要求1所述的电池充电电路，其特征在于所述高功率、非关键部件包括背光系统和振动器中的至少一个。
5.根据权利要求1所述的电池充电电路，其特征在于所述外部驱动半导体包括晶体管。
6.根据权利要求1所述的电池充电电路，其特征在于所述电压传感电路还包括分压器电路，用于按比例减小所述外部驱动半导体输出的电压信号。
7.根据权利要求1所述的电池充电电路，其特征在于经由所述电池充电控制器从所述外部电源抽取的预定最大电流受限于外部接地电阻。
8.根据权利要求1所述的电池充电电路，其特征在于所述电池充电控制器被配置为基于所述外部电源的电流限制来设置经由所述电池充电控制器从所述外部电源抽取的预定最大电流。
9.根据权利要求8所述的电池充电电路，其特征在于所述外部电源是USB端口外部电源，当所述外部电源是低功率USB端口外部电源时，将从USB端口外部电源可获得的所述预定最大电流设置为100mA，而当所述外部电源是高功率USB端口外部电源时，将从USB端口外部电源可获得的所述预定最大电流设置为500mA。
10.根据权利要求1所述的电池充电电路，其特征在于所述电池充电控制器被配置为从多个外部电源之一接收功率，所述多个外部电源分别具有彼此不同的多个电流限制。
11.根据权利要求10所述的电池充电电路，其特征在于所述电池充电控制器被配置为基于所述电池充电控制器从其中接收功率的外部电源的电流限制，来设置经由电池充电控制器从所述外部电源抽取的预定最大电流。
12.根据权利要求10所述的电池充电电路，其特征在于所述电池充电控制器从其中接收功率的外部电源是AC插入式适配器。
13.根据权利要求10所述的电池充电电路，其特征在于所述电池充电控制器从其中接收功率的外部电源是与汽车一起使用的DC/DC适配器。
14.一种用于使用具有电流限制的外部电源所提供的功率来对便携式设备的可再充电电池进行充电并向所述便携式设备提供功率的方法，包括：
将电池充电控制器的输出分别与所述便携式设备和半导体开关的输入串联连接，所述便携式设备和半导体开关的输入并联连接；
将半导体开关的输出连接到可再充电电池；
控制所述电池充电控制器的电流输出；
测量所述电池充电控制器两端的压降；以及
通过调制所述半导体开关以在所述压降太大使得可再充电电池或者便携设备不稳定地工作或停止工作时减小提供给所述可再充电电池的电流量，来对所述电池充电控制器两端的所述压降做出响应；由此控制了所述电池充电控制器耗散的总功率，所述便携式设备接收其操作所需的功率，而所述可再充电电池接收额外的可用功率。
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