电池充电器系统和控制方法技术方案

本发明专利技术实施例公开了一种单级电池充电器系统与控制方法，该单级电池充电器系统包括耦合在输入电源和负载之间的开关式电容转换器、耦合在开关式电容转换器的中点和负载之间的电感、以及耦合在中点和负载之间的隔离开关，其中隔离开关配置成，当隔离开关关断时，单级电池充电器系统充当多电平开关充电器，并且当隔离开关接通时，单级电池充电器系统充当开关式电容充电器。式电容充电器。式电容充电器。

【技术实现步骤摘要】
电池充电器系统和控制方法
[0001]优先权主张和交叉引用
[0002]本申请主张2020年11月11日提交的题为“电池充电器系统和控制方法”的美国临时申请号63/112,449的权益，该申请由此以引用的方式并入到本文。


[0003]本专利技术涉及电池充电器系统，并且在特定实施例中，涉及单级电池充电器系统。

技术介绍

[0004]随着技术进一步发展，诸如移动电话、平板PC、数码相机、MP3播放器和/或类似装置的各种便携式装置变得普及。每个便携式装置可采用多个可充电电池单元。所述多个可充电电池单元可串联或并联连接，以便形成用于存储电能的可充电电池组。
[0005]采用电池充电器来使所述多个可充电电池单元恢复能量。对电池充电器进行控制，以便向所述多个可充电电池单元提供电压(例如，恒压充电模式)和电流(例如，恒流充电模式)，从而使电池恢复能量。
[0006]随着功耗变得越来越重要，可能需要缩短给电池充电的时间长度。快速充电一跃成为满足消费者不断变化的需求的一种切实可行的解决方案。在快速充电系统中，采用开关式电容转换器来将高电流递送到电池，同时使输入电流(例如，USB电缆电流)保持较低。开关式电容转换器具有诸如无需外接电感单片集成转换器、功率转换效率高等的各种优点。开关式电容转换器能够实现大容量电池的安全、快速充电。
[0007]图1示出双级电池充电器系统。该双级电池充电器系统包括两个并联连接的功率级。第一功率级是开关式电容充电器100。第二功率级是开关充电器200。在恒流充电模式期间，优先使用开关式电容充电器100来给电池103供电，而在恒压充电模式期间，更普遍使用开关充电器200来给电池103供电以完成充电。
[0008]开关式电容充电器100作为双相开关式电容转换器实现。第一相包括串联连接在输入电压总线150和地之间的开关121、122、123和124。第一飞跨电容125连接在开关121和122的公共节点与开关123和124的公共节点之间。开关122和123的公共节点127连接到输出电压总线550，输出电压总线550连接到电池103和输出电容136。电池103和输出电容136并联连接。
[0009]第二相包括串联连接在输入电压总线150和地之间的开关131、132、133和134。第二飞跨电容135连接在开关131和132的公共节点与开关133和134的公共节点之间。开关132和133的公共节点137连接到输出电压总线550。如图1所示，输出电压总线550连接到电池103和输出电容136。
[0010]双相电荷泵控制器120配置成为开关121
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124和131
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134生成栅极驱动信号。输入电容102耦合在输入电压总线150和地之间。输入电压总线150通过隔离开关耦合到输入电压源VIN。如图1所示，隔离开关由两个背对背连接的开关111和112形成。电池反向阻断控制器110配置成为开关111和112生成栅极驱动信号。
[0011]开关式电容充电器100的开关作为金属氧化物硅场效应晶体管(MOSFET)实现。如图1所示，开关式电容充电器100包括十个MOSFET(111、112、121
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124和131
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134)。开关111作为高压MOSFET实现。开关111可耐受高达28V。开关112、121
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124和131
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134是低压MOSFET。开关112、121
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124和131
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134可耐受高达6V。
[0012]开关充电器200作为降压型功率转换器实现。开关充电器200包括串联连接在输入电压总线250和地之间的开关222和223。电感224连接在开关222和223的公共节点(节点227)与输出电压总线226之间。输出电容225连接在输出电压总线226和地之间。开关充电器控制器220配置成为开关222和223生成栅极驱动信号。
[0013]输入电容221耦合在输入电压总线250和地之间。输入电压总线250通过开关211耦合到输入电压源VIN。电池反向阻断控制器210配置成为开关211生成栅极驱动信号。采用开关211来将开关充电器200连接到输入电源VIN或将开关充电器200与输入电源VIN断开连接。
[0014]输出电压总线226通过开关231耦合到电池103。开关231作为隔离开关实现。特别地，开关231在负载(例如，电池103)和输出电压总线226之间提供隔离。如图1所示，开关231的体端子没有连接到开关231的源极。开关231包括两个二极管。第一个二极管位于体端子和源极之间。第二个二极管位于体端子和漏极之间。这两个二极管背对背连接。由于具有背对背连接的二极管，所以开关231充当隔离开关。功率路径控制器230配置成为开关231生成栅极驱动信号。采用开关231来将电池103连接到开关充电器200或将电池103从开关充电器200断开连接。
[0015]开关充电器200的开关作为MOSFET实现。如图1所示，开关充电器200包括四个MOSFET(211、222、223和231)。开关222和223作为高压MOSFET实现。开关222和223可耐受高达14V。开关211和231是低压MOSFET。开关211和231可耐受高达6V。
[0016]如图1所示的电池充电器系统包括14个MOSFET，包括一个28V MOSFET、两个14V MOSFET和11个低压MOSFET(例如，额定电压为约6V)。
[0017]在工作中，当在恒流模式下对电池103进行充电时，启用开关式电容充电器100，并禁用开关充电器200。开关式电容充电器100为电池103供电。当电池电压增加到超过某个阈值(例如，4.2V)时，电池进入到恒压模式，在恒压模式期间，可使用开关式电容充电器100或开关充电器200来给电池103充电。在恒压充电模式开始时，使用开关式电容充电器100来为电池103供电。随着电池电压的升高，充电电流减小。当充电电流降至某个阈值(例如，2A)以下时，接着使用开关充电器200来为电池103提供恒定电压，以便完成电池充电过程。
[0018]图2示出另一种双级电池充电器系统。该双级电池充电器系统包括两个功率级。第一个功率级是开关式电容充电器100。第二个功率级是三电平开关充电器300。开关式电容充电器100主要用于在恒流充电模式期间给电池103供电。三电平开关充电器300用于给电池103供电以完成恒压充电模式。开关式电容充电器100已在上文关于图1进行了详细描述，并且因此这里不再论述。
[0019]三电平开关充电器300包括串联连接在输入电压总线350和地之间的开关321、322、323和324。第三飞跨电容325连接在开关321和322的公共节点与开关323和324的公共节点之间。开关322和323的公共节点(节点327)通过电感326连接到输出电压总线328。三电平开关充电器控制器320配置本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单级电池充电器系统，其特征在于，包括：耦合在输入电源和负载之间的开关式电容转换器；耦合在所述开关式电容转换器的中点和所述负载之间的电感；以及，耦合在所述中点和所述负载之间的隔离开关，其中所述隔离开关配置成：当所述隔离开关关断时，所述单级电池充电器系统充当多电平开关充电器；并且当所述隔离开关接通时，所述单级电池充电器系统充当开关式电容充电器。2.根据权利要求1所述的单级电池充电器系统，其特征在于，所述开关式电容转换器式双相开关式电容转换器，所述单级电池充电器系统包括：串联连接在输入电压总线和地之间的第一开关、第二开关、第三开关和第四开关的第一支路；连接在所述第一开关和所述第二开关的公共节点与所述第三开关和所述第四开关的公共节点之间的第一飞跨电容；串联连接在所述输入电压总线和地之间的第五开关、第六开关、第七开关和第八开关的第二支路，其中，所述开关式电容转换器的中点是所述第六开关和所述第七开关的公共节点；以及连接在所述第五开关和所述第六开关的公共节点与所述第七开关和所述第八开关的公共节点之间的第二飞跨电容。3.根据权利要求2所述的单级电池充电器系统，其特征在于，所述电感连接到所述第六开关和所述第七开关的公共节点；并且，所述第六开关和所述第七开关的公共节点通过所述隔离开关连接到所述第二开关和所述第三开关的公共节点。4.根据权利要求2所述的单级电池充电器系统，其特征在于，所述电感连接到所述第六开关和所述第七开关的公共节点；所述第二开关和所述第三开关的公共节点连接到所述负载；并且，所述隔离开关和所述电感并联连接。5.根据权利要求2所述的单级电池充电器系统，其特征在于，所述电感通过开关连接到所述负载和输出电容。6.根据权利要求2所述的单级电池充电器系统，其特征在于，当所述隔离开关关断并且所述第一支路的开关关断时，将所述双相开关式电容转换器和所述电感配置为三电平开关充电器，其中，所述三电平开关充电器的输出电压高于所述负载的电压。7.根据权利要求2所述的单级电池充电器系统，其特征在于，当所述隔离开关关断并且所述第二支路的所述开关关断时，将所述双相开关式电容转换器配置为单相开关式电容充电器。8.根据权利要求2所述的单级电池充电器系统，其特征在于，当所述隔离开关关断时，将所述双相开关式电容转换器和所述电感配置为单相开关式电容充电器和三电平开关充电器，其中，所述三电平开关充电器的输出电压和所述单相开关式电容充电器的输出电压彼此独立。9.根据权利要求2所述的单级电池充电器系统，其特征在于，
所述负载是配置为电源的电池；并且，所述双相开关式电容转换器的所述第二支路和所述电感形成升压转换器，所述升压转换器配置成将所述电池的电压转换为更高的电压。10.根据权利要求1所述的单级电池充电器系统，其特征在于，所述开关式电容转换器式单相开关式...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘锐，
申请(专利权)人：希荻微电子国际有限公司，
类型：发明
国别省市：