專利名稱：電池充電器數(shù)字控制電路和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電池領(lǐng)域，更具體地，涉及一種電池充電器數(shù)字控制電路和方法。
背景技術(shù)：
本申請(qǐng)要求于2011年I月31日提交的名為“Battery Charger Digital ControlCircuit and Method”的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)第61/438，067號(hào)的相關(guān)權(quán)益,其全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用結(jié)合在此?？沙潆婋姵匕ǜ鞣N類型，比如鎳鎘(NiCd)電池、鎳金屬氫化物(NiMH)電池、鋰離子電池、聚合物鋰離子電池、鋰空氣電池、磷酸鐵鋰電池等等?？沙潆婋姵赜糜诖鎯?chǔ)電能。另一方面，電池充電器用于在可充電電池耗盡之后將其充電到充電狀態(tài)。不同類型的可充電電池可以使用不同的充電方法。例如，當(dāng)鋰離子電池從耗盡狀態(tài)充電到充滿狀態(tài)時(shí)，根據(jù)聚合物鋰離子電池的充電特性，首先要在預(yù)處理階段用低電流將聚合物鋰離子電池充電。在電池的電壓達(dá)到最小充電電壓閾值之后，電池充電周期進(jìn)入電流調(diào)節(jié)階段，在該階段中，利用恒定電流進(jìn)行充電。在該電流調(diào)節(jié)階段中，電池的電壓保持上升，直到該電壓達(dá)到特定調(diào)節(jié)電壓。隨后，通過(guò)將該電池充電器由恒定電流源改變?yōu)楹愣妷涸?，使得電池充電周期進(jìn)入電壓調(diào)節(jié)階段。在電壓調(diào)節(jié)階段，電池的電壓保持在特定電壓。結(jié)果，充電電流逐漸降低。當(dāng)充電電流小于特定電流值時(shí)，電池充電周期完成。有兩種電池充電器都是公知的并且經(jīng)常使用的。基于電池充電器的線性調(diào)節(jié)器包括有源器件，該有源器件起到了可變電阻器的作用。通過(guò)將有源器件上的電壓拉低，基于電池充電器的線性調(diào)節(jié)器既可以調(diào)節(jié)其輸出電壓，又可以調(diào)節(jié)其輸出電流。相反，基于電池充電器的開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器通過(guò)調(diào)整占空系數(shù)(控制了充電器的開(kāi)關(guān)元件的導(dǎo)通周期)，從而調(diào)節(jié)其輸出電壓或者輸出電流。相比于基于電池充電器的線性調(diào)節(jié)器，基于電池充電器的開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器的充電過(guò)程的效率通常較高。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種數(shù)字控制電路，包括模式選擇器，配置為接收電流感測(cè)信號(hào)和電壓感測(cè)信號(hào)；模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC，連接在模式選擇器和數(shù)字控制器之間；數(shù)字控制器，配置為生成數(shù)字脈沖寬度調(diào)制PWM信號(hào)。其中，模式選擇器選擇輸入信號(hào)，并且將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到ADC。其中，ADC包括E AADC和差分放大器。該數(shù)字控制電路進(jìn)一步包括抽取濾波器，連接在ADC和數(shù)字濾波器之間；數(shù)字濾波器，配置為增加多個(gè)極點(diǎn)和多個(gè)零點(diǎn)，以增大功率轉(zhuǎn)換器的相位裕度；以及數(shù)字PWM發(fā)生器，接收來(lái)自數(shù)字濾波器的數(shù)字信號(hào)，并且將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為PWM信號(hào)。其中，數(shù)字濾波器增加多個(gè)極點(diǎn)和多個(gè)零點(diǎn)，以增大功率轉(zhuǎn)換器的相位裕度。其中，數(shù)字濾波器被配置為使得當(dāng)選擇電流感測(cè)信號(hào)時(shí)，啟用第一組系數(shù)；以及當(dāng)選擇電壓感測(cè)信號(hào)時(shí)，啟用第二組系數(shù)。
其中，ADC配置為接收參考電壓和來(lái)自模式選擇器的反饋信號(hào)。 此外，還提供了一種系統(tǒng)，包括功率轉(zhuǎn)換器，帶有輸出端，輸出端連接到可充電電池；電流傳感器，配置為檢測(cè)流過(guò)可充電電池的電流；電壓傳感器，配置為檢測(cè)可充電電池兩端的電壓；以及數(shù)字控制電路，包括模式選擇器，配置為接收來(lái)自電流傳感器的電流感測(cè)信號(hào)和來(lái)自電壓傳感器的電壓感測(cè)信號(hào)；模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC，連接在模式選擇器和數(shù)字控制器之間；以及數(shù)字控制器，配置為生成數(shù)字脈沖寬度調(diào)制PWM信號(hào)。該系統(tǒng)，進(jìn)一步包括感測(cè)電阻器，與可充電電池串聯(lián)連接；電流感測(cè)放大器，在感測(cè)電阻器兩端具有兩個(gè)輸入端；以及驅(qū)動(dòng)器，連接在數(shù)字控制器和功率轉(zhuǎn)換器之間。其中，功率轉(zhuǎn)換器選自包含以下器件的組降壓開(kāi)關(guān)模式轉(zhuǎn)換器、升壓開(kāi)關(guān)模式轉(zhuǎn)換器、降壓-升壓開(kāi)關(guān)模式轉(zhuǎn)換器、線性調(diào)節(jié)器、正向轉(zhuǎn)換器、全橋轉(zhuǎn)換器以及半橋轉(zhuǎn)換器。其中，電流傳感器和電壓傳感器被配置為使得來(lái)自電流傳感器的電流感測(cè)信號(hào)和來(lái)自電壓傳感器的電壓感測(cè)信號(hào)共享參考電壓。其中，數(shù)字控制器被配置為接收外部信號(hào)，通過(guò)外部信號(hào)，用戶動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)字控制器。該系統(tǒng)進(jìn)一步包括抽取濾波器，連接在ADC和數(shù)字濾波器之間；數(shù)字濾波器，配置為增加多個(gè)極點(diǎn)和多個(gè)零點(diǎn)，以增大功率轉(zhuǎn)換器的相位裕度；以及數(shù)字PWM發(fā)生器，接收來(lái)自數(shù)字濾波器的數(shù)字信號(hào)，并且將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為PWM信號(hào)。其中，電流傳感器選自包含以下器件的組感測(cè)電阻器、霍耳效應(yīng)器件、磁阻傳感器、電流感測(cè)集成電路。此外，本發(fā)明提供了一種方法，包括檢測(cè)流過(guò)可充電電池的電流，并且將電流轉(zhuǎn)換為電流感測(cè)信號(hào)；檢測(cè)可充電電池兩端的電壓，并且將電壓轉(zhuǎn)換為電壓感測(cè)信號(hào)；確定從電流感測(cè)信號(hào)和電壓感測(cè)信號(hào)中選擇出的信號(hào)，并且將所選擇出的信號(hào)發(fā)送到數(shù)字控制器；生成數(shù)字脈沖寬度調(diào)制PWM信號(hào)；以及將PWM信號(hào)發(fā)送到功率轉(zhuǎn)換器，其中，功率轉(zhuǎn)換器連接到可充電電池。該方法進(jìn)一步包括將所選擇出的信號(hào)與參考電壓相比較，并且利用模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC將所選擇出的信號(hào)和參考電壓之間的誤差轉(zhuǎn)換為數(shù)字碼；通過(guò)數(shù)字濾波器增加多個(gè)極點(diǎn)和多個(gè)零點(diǎn)，從而補(bǔ)償數(shù)字控制回路。該方法進(jìn)一步包括利用連接在ADC和數(shù)字濾波器之間的抽取濾波器減小信號(hào)尺寸。該進(jìn)一步包括將PWM信號(hào)發(fā)送到驅(qū)動(dòng)器，從而控制功率轉(zhuǎn)換器。該進(jìn)一步包括利用來(lái)自用戶或者系統(tǒng)管理單元的外部信號(hào)來(lái)調(diào)整數(shù)字控制器。該進(jìn)一步包括接收來(lái)自功率轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行參數(shù)；接收外部信號(hào)；以及根據(jù)運(yùn)行參數(shù)和外部信號(hào)生成PWM信號(hào)。其中，運(yùn)行參數(shù)選自包含以下參數(shù)的組連接到功率轉(zhuǎn)換器的輸入電壓、功率轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行溫度、功率轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)元件兩端的電壓、功率轉(zhuǎn)換器的輸入電流、功率轉(zhuǎn)換器的輸出電流、功率轉(zhuǎn)換器的輸出電壓、流過(guò)功率轉(zhuǎn)換器的電感器的電流、功率轉(zhuǎn)換器的輸入紋波電壓、功率轉(zhuǎn)換器的輸出紋波電壓、功率轉(zhuǎn)換器的輸入電壓變化以及功率轉(zhuǎn)換器的輸出電壓變化。其中，外部信號(hào)包括電池參數(shù)，電池參數(shù)包括斷路電壓；充電電流限制；以及等效負(fù)載電阻器。


為了全面理解本公開(kāi)及其優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在結(jié)合附圖進(jìn)行以下描述作為參考，其中圖I示出了根據(jù)實(shí)施例的數(shù) 字控制電池充電器；圖2示出了數(shù)字控制電池充電器的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖；圖3示出了根據(jù)另一實(shí)施例的數(shù)字控制電池充電器的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖；圖4示出了根據(jù)又一實(shí)施例的數(shù)字控制電池充電器的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖；以及圖5示出了用在電池充電器中的電流檢測(cè)器的一個(gè)實(shí)施例的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖。除非另有說(shuō)明，否則在不同的附圖中，對(duì)應(yīng)數(shù)字和符號(hào)通常指對(duì)應(yīng)部分。繪制附圖，從而清晰地示出各個(gè)實(shí)施例的相關(guān)方面，并且，沒(méi)有必要將這些附圖按比例繪制。
具體實(shí)施例方式下面，詳細(xì)討論本發(fā)明各實(shí)施例的制造和使用。然而，應(yīng)該理解，本發(fā)明提供了許多可以在各種具體環(huán)境中實(shí)現(xiàn)的可應(yīng)用的概念。所討論的具體實(shí)施例僅僅示出了制造和使用本發(fā)明的具體方式，而不用于限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明將針對(duì)特定語(yǔ)境(即基于電池充電器的降壓開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器)中的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行描述。然而，本發(fā)明還可以應(yīng)用到具有不同電源拓?fù)涞母鞣N電池充電器。首先參考圖I，根據(jù)實(shí)施例示出了數(shù)字控制電池充電器。數(shù)字控制電池充電器包括功率變換器104、電壓傳感器106、電流傳感器108、模式選擇器100和數(shù)字控制器102。功率變換器104接收來(lái)自數(shù)字控制器102的控制信號(hào)。電壓傳感器106和電流傳感器108連接到功率變換器104的輸出端，其中，該電壓傳感器106感測(cè)可充電電池110兩端的電壓，該電流傳感器108感測(cè)流過(guò)可充電電池110的電流，該可充電電池110連接到功率變換器的輸出端。電流傳感器108的輸出和電壓傳感器106的輸出都發(fā)送到模式選擇器100，在該模式選擇器100中，基于來(lái)自數(shù)字控制器102的控制信號(hào)，模式選擇器100的邏輯控制單元(未不出)在兩個(gè)輸入信號(hào)中選出一個(gè)，并將選擇出的輸入信號(hào)發(fā)送到數(shù)字控制器102。如圖I所示，數(shù)字控制器102配置為，在第一輸入端接收來(lái)自外部寄存器120的外部信號(hào)，在第二輸入端接收來(lái)自模式選擇器100的控制信號(hào)，并且在第三輸入端接收來(lái)自功率轉(zhuǎn)換器104的運(yùn)行參數(shù)。根據(jù)上述三個(gè)輸入信號(hào)，數(shù)字控制器102生成了脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)，從而控制功率轉(zhuǎn)換器104。功率轉(zhuǎn)換器104將輸入電壓(未在圖I中示出，但是在圖2中示出)轉(zhuǎn)換為經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)的輸出電壓，用于將可充電電池110充電。響應(yīng)于數(shù)字控制器102所生成的PWM信號(hào)，功率轉(zhuǎn)換器104調(diào)整其輸出電壓。如本領(lǐng)域所公知，功率轉(zhuǎn)換器104的運(yùn)行方式為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所公知，因此，將不再詳細(xì)描述功率轉(zhuǎn)換器104的運(yùn)行方式。應(yīng)該注意，盡管功率轉(zhuǎn)換器104的優(yōu)選實(shí)施例為降壓(buck)開(kāi)關(guān)模式轉(zhuǎn)換器，但是本發(fā)明還可以應(yīng)用于其他功率拓?fù)?，比如升?boost)開(kāi)關(guān)模式轉(zhuǎn)換器、降壓-升壓開(kāi)關(guān)模式轉(zhuǎn)換器、線性調(diào)節(jié)器等等。應(yīng)該進(jìn)一步注意，本發(fā)明還可以用于如上所述的功率拓?fù)涞母鞣N派生物。例如，因?yàn)橥ㄟ^(guò)降壓開(kāi)關(guān)模式轉(zhuǎn)換器獲得了正向隔離轉(zhuǎn)換器，所以本發(fā)明可以擴(kuò)展到正向隔離轉(zhuǎn)換器。在充電周期的恒定電流階段中，流過(guò)可充電電池110的電流用作反饋，從而控制電池充電器的運(yùn)行。電流傳感器108用于通過(guò)各種電流感測(cè)技術(shù)來(lái)生成電流感測(cè)信號(hào)，該電流感測(cè)信號(hào)與流過(guò)可充電電池110的電流成正比。電流傳感器108可以通過(guò)將感測(cè)電阻器與可充電電池110串聯(lián)連接而實(shí)現(xiàn)。而且，如果電流感測(cè)信號(hào)的振幅過(guò)小，則感測(cè)電阻器可以連接在運(yùn)算放大器(未在圖I中示出，但是在圖2中示出)的輸入端之間，從而使得運(yùn)算放大器可以將電流感測(cè)信號(hào)以正比于隨后的電路的可接受級(jí)別的方式而進(jìn)行放大。同樣，可以利用霍爾效應(yīng)器件、磁阻傳感器、電流感測(cè)集成電路等等來(lái)檢測(cè)流過(guò)可充電電池110的電流。在充電周期的恒定電壓階段中，可充電電池110兩端的電壓用作反饋，從而控制電池充電器的運(yùn)行。利用電壓傳感器106來(lái)檢測(cè)可充電電池110兩端的電壓，并且將該電壓以與隨后的電路的可接受信號(hào)成正比的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。盡管電壓傳感器106的優(yōu)選實(shí)施例是連接在可充電電池110兩端之間的電阻分壓器，但是，通過(guò)各種晶體管、電壓感測(cè)集成電路等等形成的諸如電容分壓器、電壓分配器的其他電壓感測(cè)技術(shù)均處于本發(fā)明的范圍內(nèi)。在充電周期中，電池充電器首先提供了恒定電流，在可充電電池110到達(dá)閾值電壓之后，該電池充電器提供了恒定電壓。利用模式選擇器100來(lái)選擇輸入信號(hào)(例如，來(lái)自電壓傳感器106的感測(cè)電壓)，并且將選擇出的信號(hào)發(fā)送到數(shù)字控制器102。應(yīng)該注意，盡管圖I中示出的模式選擇器是獨(dú)立器件，但是，該模式選擇器可以是數(shù)字控制器102的一個(gè)集成部分。應(yīng)該進(jìn)一步注意，可以利用硬件、軟件、或者上述的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)選擇過(guò)程。然而，在優(yōu)選實(shí)施例中，可以通過(guò)以下方式來(lái)實(shí)現(xiàn)上述功能根據(jù)代碼(比如，計(jì)算機(jī)程序代碼)或者軟件，在數(shù)字信號(hào)處理器或者中央處理器上執(zhí)行計(jì)算機(jī)程序。數(shù)字控制器102可以接收來(lái)自外部寄存器120的外部信號(hào)。根據(jù)實(shí)施例，外部寄存器可以包括一系列寄存器，該一系列寄存器通過(guò)數(shù)字接口(例如，I2C、SPI或者UART)與數(shù)字控制器相通信?？蛇x地，外部信號(hào)可以是來(lái)自用戶或者系統(tǒng)管理單元的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)配置調(diào)整信號(hào)。外部信號(hào)可以用于編程數(shù)字控制器102的各個(gè)參數(shù)。另外，數(shù)字控制器102可以取回功率轉(zhuǎn)換器104的運(yùn)行參數(shù)，并且接收來(lái)自模式選擇器100的反饋。根據(jù)這三個(gè)信號(hào)，數(shù)字控制器102生成數(shù)字PWM信號(hào)，用于控制功率轉(zhuǎn)換器104。數(shù)字控制器102的運(yùn)行方式將參考圖2進(jìn)行詳細(xì)描述。數(shù)字控制器102的優(yōu)點(diǎn)是，數(shù)字控制器102可以配置為，當(dāng)電池充電器進(jìn)入不同充電階段時(shí)，動(dòng)態(tài)調(diào)整控制回路補(bǔ)償參數(shù)。而且，通過(guò)數(shù)字控制回路的動(dòng)態(tài)調(diào)整能夠針對(duì)處理過(guò)程變化而進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。而且，這種動(dòng)態(tài)調(diào)整降低了電池充電器的硬件成本，這是因?yàn)?，在這種動(dòng)態(tài)調(diào)整中，利用單個(gè)控制器(例如，數(shù)字控制器102)就可以控制恒定電流充電和恒定電壓充電。圖2示出了根據(jù)實(shí)施例的數(shù)字控制電池充電器的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖。根據(jù)實(shí)施例，功率轉(zhuǎn)換器104是降壓開(kāi)關(guān)模式轉(zhuǎn)換器，包括與N-FET Q2串聯(lián)連接的P-FET Ql0 P-FET Ql和N-FET Q2之間的接點(diǎn)通過(guò)由輸出電感器Lo和輸出電容器Co形成的濾波器連接到可充電電池110。P-FET Ql和N-FET Q2的柵極連接到驅(qū)動(dòng)器210，該驅(qū)動(dòng)器210接收來(lái)自數(shù)字控制器102的數(shù)字PWM信號(hào)，并且將該數(shù)字PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換為兩個(gè)帶有最小停滯期(dead time)的互補(bǔ)門(mén)控信號(hào)。如本領(lǐng)域所公知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器 導(dǎo)通或者關(guān)斷功率轉(zhuǎn)換器104的開(kāi)關(guān)元件時(shí)，驅(qū)動(dòng)器210不僅根據(jù)其接收到的PWM信號(hào)生成兩個(gè)互補(bǔ)門(mén)控信號(hào)，還提供了足夠的電流來(lái)提高吸收能力和源極能力。Ql和Q2可以通過(guò)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所公知的其他類型的器件實(shí)現(xiàn)，比如J-FET、HEX-FET、雙極晶體管。
在本示例中，利用感測(cè)電阻器Rs來(lái)檢測(cè)流過(guò)可充電電池110的電流。Rs串聯(lián)連接到可充電電池110。運(yùn)算放大器212的兩個(gè)輸入端連接到Rs的兩端。運(yùn)算放大器212的增益設(shè)置為使得運(yùn)算放大器212的輸出電壓降低到與電壓傳感器106的輸出端相同的范圍內(nèi)。因此，當(dāng)模式選擇器選擇出一個(gè)信號(hào)并將選擇出的信號(hào)發(fā)送到數(shù)字控制器102時(shí)，來(lái)自電壓傳感器106的反饋信號(hào)和來(lái)自電流傳感器108的反饋信號(hào)可以共享參考電壓，其中，選擇出的信號(hào)將與參考電壓相比較?？沙潆婋姵氐某潆娭芷诎ㄖ辽賰蓚€(gè)階段，即，恒定電流階段和恒定電壓階段。模式選擇器100用于在上述兩個(gè)充電階段期間選擇適當(dāng)反饋信號(hào)?？梢岳糜布蛘哕浖?lái)實(shí)現(xiàn)上述功能。例如，ORING電路可以確保帶有高振幅的反饋信號(hào)通過(guò)模式選擇器100，而阻止帶有低振幅的反饋信號(hào)到達(dá)信號(hào)控制器102?？蛇x地，可以將模式選擇功能集成到數(shù)字控制器102中，利用該功能，計(jì)算機(jī)程序可以比較兩個(gè)輸入信 號(hào)，并且選擇出帶有高振幅的信號(hào)。數(shù)字控制器102包括Σ Λ模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)202、抽取濾波器(decimator)204、數(shù)字濾波器206和數(shù)字PWM發(fā)生器208。Σ AADC 202考慮到采樣開(kāi)關(guān)電容器設(shè)計(jì)，從而提供輸入信號(hào)的共模(common mode)的反射，而仍提供了轉(zhuǎn)換到數(shù)字域所必要的差分增益。根據(jù)實(shí)施例，Σ AADC 202接收來(lái)自模式選擇器100的反饋信號(hào)，并且將該反饋信號(hào)與參考電壓VREF相比較。而且，Σ AADC 202將參考電壓VREF和反饋信號(hào)之間的差轉(zhuǎn)換為數(shù)字碼。應(yīng)該注意，盡管在圖2中Σ AADC 202包括差分放大器，但是該Σ AADC202可以替換為兩個(gè)獨(dú)立器件，即，差分放大器件和ADC。抽取濾波器204配置為實(shí)現(xiàn)兩種功能。第一，抽取濾波器204用于降低來(lái)自Σ AADC 202的數(shù)字信號(hào)的采樣率。利用這種技術(shù)，抽取濾波器204的輸出端上的信號(hào)的尺寸的信號(hào)率降低，而仍遵循了香農(nóng)-奈斯奎特(Shannon-Nyquist)采樣定理標(biāo)準(zhǔn)。另外，抽取濾波器204提供了反混疊濾波器，其中，降低了量化噪聲，因此，改進(jìn)了抽取濾波器204的輸出端上的信號(hào)的分辨率?？梢岳貌蓸訑?shù)字計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)抽取濾波器204，該采樣數(shù)字計(jì)數(shù)器計(jì)算出了之前周期期間的來(lái)自Σ AADC 202的邏輯單位的數(shù)量，并且基于邏輯單位的數(shù)量生成了新的數(shù)字碼。數(shù)字濾波器206用于放置補(bǔ)償極點(diǎn)和補(bǔ)償零點(diǎn)，從而使得電池充電器的恒定電流控制和恒定電壓控制的回路響應(yīng)可以得到控制。換言之，在通過(guò)數(shù)字濾波器206增加了附加的極點(diǎn)和零點(diǎn)之后，電池充電器的控制回路具有的相位裕度(phase margin)大于60度。如本領(lǐng)域所公知，當(dāng)電池充電器處于恒定電流充電相位時(shí)，電池充電器的傳遞函數(shù)為二階系統(tǒng)。更具體地來(lái)說(shuō)，傳遞函數(shù)包括兩個(gè)共軛的極點(diǎn)和零點(diǎn)。如本領(lǐng)域所公知，為了確保二階系統(tǒng)的相位裕度大于60度，在模擬電池充電器中，電阻器和電容器配置為通過(guò)誤差放大器提供了三個(gè)極點(diǎn)和兩個(gè)零點(diǎn)。與模擬濾波器類似，數(shù)字濾波器206可以提供三個(gè)極點(diǎn)和兩個(gè)零點(diǎn)，從而使得電池充電器的環(huán)路響應(yīng)的相位裕度大于60度。根據(jù)實(shí)施例，數(shù)字濾波器206在轉(zhuǎn)移函數(shù)的兩個(gè)共軛極點(diǎn)的頻率上提供了兩個(gè)零點(diǎn)，從而減輕了由于兩個(gè)共軛極點(diǎn)所產(chǎn)生的相位滯后。極點(diǎn)的頻率可以超過(guò)交叉頻率,從而可以將較高的頻率噪聲降低。另一方面，當(dāng)電池電壓達(dá)到閾值電壓時(shí)，電池充電器進(jìn)入恒定電壓階段。恒定電壓階段下的電池充電器示出，轉(zhuǎn)移函數(shù)類似于以上關(guān)于恒定電流階段所描述的二階系統(tǒng)?？傊M管極點(diǎn)和零點(diǎn)的頻率可以不同，但是，恒定電流充電階段和恒定電壓充電階段共享類似的轉(zhuǎn)移函數(shù)。這種固有特征表明兩個(gè)充電階段可以共享數(shù)字濾波器，比如遞歸濾波器。當(dāng)電池充電器進(jìn)入不同充電階段時(shí)，數(shù)字濾波器206能夠通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整其系數(shù)來(lái)補(bǔ)償控制回路，從而可以調(diào)整補(bǔ) 償零點(diǎn)和補(bǔ)償極點(diǎn)。數(shù)字濾波器206的優(yōu)點(diǎn)為，電池充電器的兩個(gè)充電階段可以共享同一濾波器配置。另外，通過(guò)響應(yīng)外部信號(hào)或者電池充電器的運(yùn)行狀態(tài)的變化，可以調(diào)整控制回路，從而使得控制回路可以提供穩(wěn)定的系統(tǒng)以及快速瞬態(tài)響應(yīng)。數(shù)字PWM發(fā)生器208接收來(lái)自數(shù)字濾波器206的數(shù)字碼，并且生成恒定頻率PWM信號(hào)?？梢岳脭?shù)字計(jì)數(shù)器(未示出)來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)PWM發(fā)生器208。這種數(shù)字計(jì)數(shù)器使得數(shù)字PWM生成器208能夠輸出邏輯高狀態(tài)，直到數(shù)字計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值達(dá)到來(lái)自數(shù)字濾波器206的數(shù)字碼。在這之后，在下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期之前，數(shù)字PWM發(fā)生器208的輸出端保持在邏輯低狀態(tài)。數(shù)字PWM發(fā)生器208的輸出端連接到驅(qū)動(dòng)器210，該驅(qū)動(dòng)器210生成兩個(gè)門(mén)脈沖，從而驅(qū)動(dòng)圖2中所示出的降壓轉(zhuǎn)換器。通過(guò)PWM控制對(duì)降壓轉(zhuǎn)換器的控制的運(yùn)行方式為本領(lǐng)域所公知，因此沒(méi)有在本文中描述。圖3示出了根據(jù)另一實(shí)施例的數(shù)字控制電池充電器的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖。圖3中示出的電池充電器類似于圖2中的實(shí)施例，但是只包括了單個(gè)電壓反饋回路。圖4示出了根據(jù)又一實(shí)施例的數(shù)字控制電池充電器的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖。圖4中示出的電池充電器包括單個(gè)電流反饋回路。圖4中示出的電池充電器包括單個(gè)電流反饋回路。電壓模式電池充電器或者電流模式電池充電器的運(yùn)行方式為本領(lǐng)域所公知，因此不在本文中進(jìn)行描述。圖3和圖4示出了能夠用于雙回路電池充電器和單回路電池充電器的本發(fā)明的范圍。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以作出許多改變，替換和更改。圖5示出了圖4中示出的電流傳感器108的示意圖。根據(jù)實(shí)施例，電流傳感器108包括感測(cè)電阻器Rs、運(yùn)算放大器502、電阻器R1、電流感測(cè)電壓設(shè)置電阻器Rset和晶體管504。感測(cè)電阻器Rs與可充電電池110串聯(lián)連接。電阻器R1、晶體管504和電流感測(cè)電壓設(shè)置電阻器Rset串聯(lián)連接。運(yùn)算放大器502的正輸入連接到電阻器Rl和晶體管504之間的接點(diǎn)，負(fù)輸入連接到電流感測(cè)電阻器Rs和可充電電池110之間的接點(diǎn)，并且輸出端連接到晶體管504的柵極。如本領(lǐng)域所公知，感測(cè)電阻器Rs兩端的電壓等于電阻器Rl兩端的電壓。如圖5所示，流過(guò)電阻器Rl的電流基本上等于流過(guò)電流感測(cè)電壓設(shè)置電阻器Rset的電流。因此，電阻器Rl兩端的電壓可以表示為Kn = ·《I( 1 )其中，Vset是電流感測(cè)電壓設(shè)置電阻器Rset兩端的電壓。類似地，感測(cè)電阻器Rs兩端的電壓可以表示為Ves — Isns · Rs(2)其中，Isns是流過(guò)感測(cè)電阻器Rs的電流。因?yàn)楦袦y(cè)電阻器Rs兩端的電壓等于電阻器Rl兩端的電壓，所以Vset可以表示為
RVset = Isns · f · Rset (3)從上述等式可以看出，Vset與感測(cè)電阻器Rs兩端的電流感測(cè)電壓成正比。另外，Vset的范圍可以通過(guò)改變Rset的值進(jìn)行調(diào)整。圖5中所示出的電流傳感器110的優(yōu)點(diǎn)為，電流傳感器Iio所生成的電流感測(cè)信號(hào)(例如，Vset)可以與電壓反饋信號(hào)同一順序。這種特點(diǎn)保證了電流反饋回路和電壓反饋回路可以共享ADC (例如，圖2中所示出的Σ AADC202)和參考電壓。盡管已經(jīng)詳細(xì)地描述了本發(fā)明及其優(yōu)勢(shì)，但應(yīng)該理解，可以在不背離所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明主旨和范圍的情況下，做各種不同的改變，替換和更改。而且，本申請(qǐng)的范圍并不僅限于本說(shuō)明書(shū)中描述的工藝、機(jī)器、制造、材料組分、裝置、方法和步驟的特定實(shí)施例。作為本領(lǐng)域普 通技術(shù)人員應(yīng)理解，通過(guò)本發(fā)明，現(xiàn)有的或今后開(kāi)發(fā)的用于執(zhí)行與根據(jù)本發(fā)明所采用的所述相應(yīng)實(shí)施例基本相同的功能或獲得基本相同結(jié)果的工藝、機(jī)器、制造，材料組分、裝置、方法或步驟根據(jù)本發(fā)明可以被使用。因此，所附權(quán)利要求應(yīng)該包括在這樣的工藝、機(jī)器、制造、材料組分、裝置、方法或步驟的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)字控制電路，包括 模式選擇器，配置為接收電流感測(cè)信號(hào)和電壓感測(cè)信號(hào)； 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC，連接在所述模式選擇器和數(shù)字控制器之間； 所述數(shù)字控制器，配置為生成數(shù)字脈沖寬度調(diào)制PWM信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的數(shù)字控制電路，其中，所述模式選擇器選擇輸入信號(hào)，并且將所述輸入信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到所述ADC。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的數(shù)字控制電路，其中，所述ADC包括EAADC和差分放大器。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的數(shù)字控制電路，進(jìn)一步包括 抽取濾波器，連接在所述ADC和數(shù)字濾波器之間； 所述數(shù)字濾波器，配置為增加多個(gè)極點(diǎn)和多個(gè)零點(diǎn)，以增大功率轉(zhuǎn)換器的相位裕度；以及 數(shù)字PWM發(fā)生器，接收來(lái)自所述數(shù)字濾波器的數(shù)字信號(hào)，并且將所述數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為所述PWM信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的數(shù)字控制電路，其中，所述數(shù)字濾波器增加多個(gè)極點(diǎn)和多個(gè)零點(diǎn)，以增大所述功率轉(zhuǎn)換器的相位裕度。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的數(shù)字控制電路，其中，數(shù)字濾波器被配置為使得 當(dāng)選擇所述電流感測(cè)信號(hào)時(shí)，啟用第一組系數(shù)；以及 當(dāng)選擇所述電壓感測(cè)信號(hào)時(shí)，啟用第二組系數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的數(shù)字控制電路，其中，所述ADC配置為接收參考電壓和來(lái)自所述模式選擇器的反饋信號(hào)。
8.一種系統(tǒng),包括 功率轉(zhuǎn)換器，帶有輸出端，所述輸出端連接到可充電電池； 電流傳感器，配置為檢測(cè)流過(guò)所述可充電電池的電流； 電壓傳感器，配置為檢測(cè)所述可充電電池兩端的電壓；以及 數(shù)字控制電路，包括 模式選擇器，配置為接收來(lái)自所述電流傳感器的電流感測(cè)信號(hào)和來(lái)自所述電壓傳感器的電壓感測(cè)信號(hào)； 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC，連接在所述模式選擇器和數(shù)字控制器之間；以及 所述數(shù)字控制器，配置為生成數(shù)字脈沖寬度調(diào)制PWM信號(hào)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括 感測(cè)電阻器，與所述可充電電池串聯(lián)連接； 電流感測(cè)放大器，在所述感測(cè)電阻器兩端具有兩個(gè)輸入端；以及 驅(qū)動(dòng)器，連接在所述數(shù)字控制器和所述功率轉(zhuǎn)換器之間。
10.一種方法，包括 檢測(cè)流過(guò)可充電電池的電流，并且將所述電流轉(zhuǎn)換為電流感測(cè)信號(hào)； 檢測(cè)所述可充電電池兩端的電壓，并且將所述電壓轉(zhuǎn)換為電壓感測(cè)信號(hào)； 確定從所述電流感測(cè)信號(hào)和所述電壓感測(cè)信號(hào)中選擇出的信號(hào)，并且將所選擇出的信號(hào)發(fā)送到數(shù)字控制器； 生成數(shù)字脈沖寬度調(diào)制PWM信號(hào)；以及將所述PWM信號(hào)發(fā)送到功率轉(zhuǎn)換器，其中，所述功率轉(zhuǎn)換器連接到所述可充電電池
全文摘要
一種數(shù)字控制電池充電器包括功率轉(zhuǎn)換器、電壓傳感器、電流傳感器、模式選擇器以及數(shù)字控制器。電壓傳感器和電流傳感器分別檢測(cè)可充電電池的電壓和流過(guò)可充電電池的電流。模式選擇器選擇來(lái)自電壓傳感器的輸出端的信號(hào)或者來(lái)自電流傳感器的輸出端的信號(hào)作為反饋信號(hào)。信號(hào)控制器接收選擇出的反饋信號(hào)，并且為功率轉(zhuǎn)換器生成脈沖寬度調(diào)制信號(hào)。另外，數(shù)字控制器能夠動(dòng)態(tài)地調(diào)整其系數(shù)，從而使得當(dāng)電池充電器運(yùn)行在不同的電池充電階段時(shí)，控制回路可以保持穩(wěn)定的系統(tǒng)。
文檔編號(hào)H02J7/00GK102624042SQ20121002020
公開(kāi)日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月31日
發(fā)明者石碩, 索南·艾瑞克, 羅許·艾倫 申請(qǐng)人:臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司