TW201342768A - 快充式充電裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明係關於一種快充式充電裝置，係包括一微控制單元與一脈寬產生單元，其中，該脈寬產生單元係由至少一具有瞬間儲能功能的電晶體所組成；如此，利用該瞬間儲能功能，脈寬產生單元可放大外部電源所輸入之直流電流並輸出一脈寬調變電流，以對一充電電池進行脈寬調變式之快速充電。此外，藉由達靈頓對之高電流放大以及脈寬調變電流具有週期(頻率)可調變之特性，更使得本發明之快充式充電裝置可高效率地對該充電電池進行充電程序。
Description
本發明係關於一種充電裝置，尤指一種快充式充電裝置。
隨著時代的進步，隨身電子裝置愈來愈多，例如：行動電話、筆記型電腦、GPS裝置、數位相機與平板電腦等，該些隨身電子裝置係大大地增進人類生活的豐富性與便利性。然而，對於該些隨身電子裝置而言，其最重要的便是電力供給之問題，因此，電池便成為供給隨身電子裝置電力之主要來源。
然而，電池因其結構之故，例如：鋰電池，係具有一正極材料與一負極材料，其中，正極材料由鋰之活性化合物所組成，負極材料則為特殊分子架構的碳。如此，當鋰電池充電之時，加在電池兩極的電勢迫使正極的化合物釋出鋰離子，嵌入負極分子排列呈片層架構的碳中；因此，鋰離子的移動產生了電流。此外，由於先進的隨身電子裝置之功能越趨複雜，使得其耗電量大增，因此，為了增加電池的容量，電池的結構體亦隨之被改變，然而，此舉卻也增加了電池結構之複雜度及其充電時間。
請參閱第一圖，係習用之一種直流充電電路的電路架構圖。如第一圖所示，一交流電(市電)2’經一整流電路10’與一濾波電路20’之整流濾波之後即成為一直流電，且該直流電經一穩壓電路30’其電壓穩定在一定範圍內。接著，一充電管理單元40’，例如：一MCU，即控制一充電電池80’之充電程序。所述直流充電電路之中，還包括有一充電控制單元50’、一切換開關70’、一電壓檢測電路90’、一電壓比較電路100’、一指示燈電路110’及一按鈕開關60’，其中，切換開關70’係置於充電電池80’、電壓檢測電路90’充電控制單元50’之間。
上述直流充電電路可充分管理與控制充電電池80’之充電程序，然而，由於鋰電池具有「充電能量轉換效率低落」之缺點；因此，當輸入100單位的電能，卻只有約68至85單位的電能儲存到鋰電池中，其餘能量則以「熱」的形式消耗掉。基於這項原因，當上述直流充電電路應用於管理與控制鋰電池之充電程序，鋰電池之充電效率低落不僅會增加充電時間，也造成能量的浪費，並不符合環保的要求。另一方面，若為了縮短充電時間而提高輸入之電能，亦可能造成鋰電池之傷害而縮短鋰電池之使用壽命。舉例而言，3.7V的鋰電池通常被過充至4.2V再使其壓降至3.7V，類似此方式之直流充電常被使用於直流充電電路之中，以提升充電效能。
有鑑於此，電池充電裝置之相關廠商係提出脈衝式充電裝置及反射式充電裝置。就脈衝式充電裝置而言，其係透過一脈衝充電電流對充電電池(鋰電池)進行充電，且，脈衝充電電流充電時係提供一小段時間讓鋰電池之鋰離子可進行擴散與中和之程序，因此可減少過電壓充電之現象發生；如此，使用脈衝式充電裝置對充電電池(鋰電池)進行充電，不僅可增加充電效能，亦同時保護延長電池壽命。
請參閱第二圖，係習用之一種反射式充電裝置之電路架構圖。如第二圖所示，該反射式充電裝置主要由一電流供應單元11’、一脈波調變控制單元12’與一反射式電路單元13’所組成。其中，該反射式電路單元13’係包括：一第一二極體D1’、一第二二極體D2’、一電感LS’、一第一電容CS1’、一第二電容CS2’以及一第三二極體D3’。於反射式充電裝置之中，該脈波調變控制單元12’用以控制該電流供應單元11’輸出一脈波式電流至反射式電路單元13’，藉此方式，充電電池B’則可由「雙向非對稱」之脈波式電流所充電，充電效率非常的高。
因此，經由上述，吾人可以得知，脈衝式充電裝置與反射式充電裝置皆可高效能地執行充電電池(鋰電池)之充電程序，故，目前隨身電子裝置之電池充電裝置的類型大都屬於這兩種；然而，脈衝式充電裝置與反射式充電裝置卻仍具有下列之缺點與不足：
1.脈衝式充電裝置及反射式充電裝置必須具有一脈波調變控制單元或一脈波調變產生單元以產生脈波式電流；通常，脈波調變控制(產生)單元具有至少一個運算放大器(operation amplifier,OPA)，因此，受到運算放大器之限制，至今脈衝式充電裝置及反射式充電裝置之整體電路面積無法有效地被縮減。
2.脈衝式充電裝置及反射式充電裝置具有至少一個儲能電容；通常，儲能電容之儲能容量越大，則電容之體積亦隨之增加，因此，大體積的儲能電容亦成為脈衝式充電裝置及反射式充電裝置之整體電路面積無法有效地被縮減的主因。
3.承上述第2點，大體積的儲能電容具有充放電上的時間差，導致脈衝式充電裝置及反射式充電裝置無法達到類似直流充電電路之快速充電效果。
因此，經由上述，吾人可以得知習用的脈衝式充電裝置與反射式充電裝置仍具有明顯的缺點與不足，有鑑於此，本案之發明人係極力地研究創作，而終於研發出一種快充式充電裝置，且本案之發明人期望以該快充式充電裝置取代習用的電池充電裝置。
本發明之第一目的，在於提供一種快充式充電裝置，係利用由至少一具有瞬間儲能功能的電晶體組成一脈寬產生單元，以利用該脈寬產生單元之瞬間儲能功能放大外部電源所輸入之直流電流，並輸出一脈寬調變電流，以對一充電電池進行脈寬調變式之快速充電。
本發明之第二目的，在於提供一種快充式充電裝置，係利用由至少一具有瞬間儲能功能的電晶體組成一脈寬產生單元，以藉由該電晶體之高電流放大以及脈寬調變電流具有週期(頻率)可調變之特性，使得本發明之快充式充電裝置可高效率地對一充電電池進行充電程序。
本發明之第三目的，在於提供一種快充式充電裝置，係利用由至少一具有瞬間儲能功能的電晶體組成一脈寬產生單元，其中，由於該脈寬產生單元僅由電晶體組成，因此可有效地縮減本發明之快充式充電裝置的有效電路面積。
因此，為了達成本發明之主要目的，本案之發明人係提出一種快充式充電裝置，係包括：一微控制單元，係耦接至一外部電源；以及一脈寬產生單元，係耦接於該微控制單元與該外部電源，其中，該脈寬產生單元係由至少一具有瞬間儲能功能的電晶體；其中，當該外部電源輸入一直流電流至該脈寬產生單元時，由該至少一具有瞬間儲能功能的電晶體所組成之脈寬產生單元會執行一瞬間儲能功能；其中，該瞬間儲能功能可放大外部電源所輸入至該直流電流，並輸出一脈寬調變電流，以對一充電電池進行脈寬調變式之快速充電。
為了能夠更清楚地描述本發明所提出之一種快充式充電裝置，以下將配合圖式，詳盡說明本發明之實施例。
請參閱第三圖，係本發明之一種快充式充電裝置的電路架構圖。如第三圖所示，本發明之快充式充電裝置1係由一微控制單元11與一脈寬產生單元12所組成，其中，該微控制單元11係耦接至一外部電源2，並由該外部電源2所驅動。脈寬產生單元12係同時耦接微控制單元11與外部電源2，特別地，於本發明之中，脈寬產生單元12可為單顆雙載子接面電晶體、達靈頓對、西客對或者三顆雙載子接面電晶體的組合。上述單顆雙載子接面電晶體、達靈頓對、西客對與三顆雙載子接面電晶體的組合皆具有瞬間儲能功能。
請參閱第四圖，係由達靈頓對組成的脈寬產生單元之電路架構圖。如第四圖所示，脈寬產生單元12係由一第一NPN雙載子接面電晶體(Bipolar Junction Transistor,BJT)Q1與一第二NPN雙載子接面電晶體Q2串接而成，該第一NPN雙載子接面電晶體Q1與該第二NPN雙載子接面電晶體Q2係組成一達靈頓對，並具有一驅動偏壓VCC與一負載電阻RL。如第三圖與第四圖所示，當該外部電源2(具有輸入電壓Vin)輸入一直流電流Iin至該脈寬產生單元12時，由該達靈頓對所組成之脈寬產生單元12會執行一瞬間儲能功能；且，達靈頓對之該瞬間儲能功能可放大外部電源2所輸入之該直流電流Iin，並輸出一脈寬調變電流Iout(具有輸出電壓VOUT)，以對一充電電池3進行脈寬調變式之快速充電。
一般熟知的是，達靈頓對具有高輸入阻抗與高電流放大之特性，本發明之快充式充電裝置即有效地利用達靈頓對之高輸入阻抗特性，如此，於調整外部電源2所輸入之直流電流Iin之電流值時，便可不必擔心輸入電流過大導致電流接收端之元件燒毀之情事；同時，達靈頓對之高電流放大特性，亦可有效率地放大直流電流Iin，進而獲得較佳的脈寬調變電流Iout，以對充電電池3進行脈寬調變式之快速充電。
為了證明快充式充電裝置之可行性，以下將透過呈現各種實驗數據之方式，加以證明之。請參閱第五A圖與第五B圖，係脈寬產生單元所輸出的脈寬調變電流之波形影像圖。如第五A圖所示，當輸入直流電流Iin至由達靈頓對所組成之脈寬產生單元12之後，明顯地，達靈頓對展現出瞬間儲能功能，並且，該瞬間儲能功能係對該直流電流Iin造成4倍~5.5倍的電流放大作用。此外，經過放大的直流電流Iin係成為該脈寬調變電流Iout，該脈寬調變電流Iout具有週期(頻率)可調變之特性，如第五B圖所示，當調整脈寬調變電流Iout之週期至兩倍週期後，可發現脈寬調變電流Iout的電流值並不會因此改變，這樣的結果亦顯示了達靈頓對可作為脈寬產生單元12之證明。
接著，使用本發明之快充式充電裝置1對一充電電池(二次電池)3實際進行充電。於此，取用市售14500鋰電池作為該充電電池3，其中，該市售14500鋰電池之最高電壓為3.7V、容量為800nAh。必須特別說明的是，本發明之快充式充電裝置1可用以對鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰電池等充電電池進行充電，並不限於鋰電池。
請參閱第六圖，係市售14500鋰電池之充電直流電流與其充電時間之曲線圖。如第六圖所示，透過本發明之快充式充電裝置1以不同的直流電流Iin對市售14500鋰電池進行充電之後，其中，由圖示結果可發現，以70mA~100mA之直流電流Iin作為充電直流電流時，市售14500鋰電池之充電時間明顯地減少。基於上述之實驗資料，吾人可將直流電流Iin之最佳值範圍介定於60mA~120mA之間。繼續地，分別以70mA之直流電流Iin以及100mA之直流電流Iin對市售14500鋰電池進行充電，並限定充電電壓之範圍於3.35V~3.55V區間，藉此方式計算市售14500鋰電池之充電時間。
請參閱第七圖，係市售14500鋰電池之充電時間總表。於第七圖之中，T1表示為利用定電流(Constant Current,CC)對市售14500鋰電池進行充電所得之充電時間、T2表示為利用習用之脈衝式充電裝置對市售14500鋰電池進行充電所得之充電時間、T3表示為利用本發明之快充式充電裝置1對市售14500鋰電池進行充電所得之充電時間。如第七圖之充電時間總表所示，以70mA之直流電流Iin作為比較基準，T3之985秒雖略高於T1之947秒，但T3之985秒卻遠低於T2之1136秒；並且，以100mA之直流電流Iin作為比較基準，T3之675秒雖略高於T1之668秒，但T3之675秒卻遠低於T2之802秒。因此，經由上述，吾人可以得知，以達靈頓對作為脈寬產生單元12之快充式充電裝置1確定可取代習用之脈衝式充電裝置，以作為高效率之隨身電子裝置之電池充電裝置。
並且，眾所周知的是，達靈頓對的另一種型式為西客對(Sziklai Pair)，其中，西客對係由兩個PNP雙載子接面電晶體串接而成；因此，西客對同樣可組成快充式充電裝置1之脈寬產生單元12，且使用西客對的時候可於西客對之輸出端耦接一反向器，以將該脈寬調變電流反向。
請參閱第八A圖與第八B圖，係脈寬產生單元所輸出的脈寬調變電流之波形影像圖。由於單顆雙載子接面電晶體以及三顆雙載子接面電晶體的組合也都具有儲能功能，因此單顆雙載子接面電晶體與三顆雙載子接面電晶體的組合也可作為該脈寬產生單元12。如第八A圖所示，當輸入直流電流Iin至由單顆雙載子接面電晶體所組成之脈寬產生單元12之後，明顯地，單顆雙載子接面電晶體展現出瞬間儲能功能，並且，該瞬間儲能功能係對該直流電流Iin造成一定的電流放大作用。如第八B圖所示，當輸入直流電流Iin至由三顆雙載子接面電晶體的組合所組成之脈寬產生單元12之後，明顯地，三顆雙載子接面電晶體的組合同樣地展現出瞬間儲能功能，並且，該瞬間儲能功能係對該直流電流Iin造成7倍~8倍的電流放大作用。因此，第八A圖與第八B圖的波形圖證明了單顆雙載子接面電晶體以及三顆雙載子接面電晶體的組合都可以被作為本發明之快充式充電裝置1的脈寬產生單元12。
如此，藉由上述之說明，本發明之快充式充電裝置係已經完整且清楚地被揭露，並且，經由上述，吾人可得知本發明係具有下列之優點：
1.本發明係利用由單顆雙載子接面電晶體、達靈頓對、西客對或者三顆雙載子接面電晶體的組合組成一脈寬產生單元12，以脈寬產生單元12的瞬間儲能功能放大外部電源2所輸入之直流電流Iin，並輸出一脈寬調變電流Iout，以對一充電電池3進行脈寬調變式之快速充電。
2.承上述第1點，由於脈寬產生單元12僅由電晶體組成，因此本發明之快充式充電裝置之電路面積是非常的小，並具有高電流放大以及脈寬調變電流Iout具有週期(頻率)可調變之特性。
3.承上述第2點，藉由高電流放大以及脈寬調變電流Iout具有週期(頻率)可調變之特性，使得本發明之快充式充電裝置可高效率地對一充電電池3進行充電程序。
4.本發明中所使用之脈寬產生單元12僅由電晶體組成，因此，透過半導體製程技術，可將由電晶體組成的該脈寬產生單元12與該微控制單元11整合地製造成一積體電路晶片；如此，更可使得本發明之快充式充電裝置具有積體電路整合特性。
此外，本發明之快充式充電裝置更包括一第二實施例，請參閱第九圖，係本發明之快充式充電裝置之第二實施例的電路架構圖。如第九圖所示，本發明之快充式充電裝置1的第二實施例係包括：一微控制單元11、一脈寬產生單元12、一電壓偵測電路13、以及一顯示單元14；其中，第二實施例之微控制單元11與脈寬產生單元12係相同於第一實施例之微控制單元11與脈寬產生單元12，故不再對其功能與連接關係多加敘述。
請繼續參閱第九圖，於快充式充電裝置1的第二實施例之中，該電壓偵測電路13係耦接該充電電池3與該微控制單元11，如此設置，電壓偵測電路13即可用以偵測該充電電池3之電壓。另外，該顯示單元14可為LCD顯示器、LED顯示器、OLED顯示器或LED燈，其係耦接該微控制單元11，用以顯示充電電池3之充電狀況。其中，當電壓偵測電路13之偵測充電電池3之電壓值係接近電池之滿充狀態時，則電壓偵測電路13會通知微控制單元11停止繼續對充電電池3進行脈寬調變式之快速充電；同時，微控制單元11會控制顯示單元14顯示充電電池3為滿充狀態，藉此方式通知使用者充電電池3已滿充。
如此，藉由上述之說明，本發明之快充式充電裝置的所有實施例皆已完整且清楚地被揭露；必須強調的是，上述之詳細說明係針對本發明可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。
1．．．快充式充電裝置
11．．．微控制單元
12．．．脈寬產生單元
13．．．電壓偵測電路
14．．．顯示單元
2．．．外部電源
3．．．充電電池
Q1．．．第一NPN雙載子接面電晶體
Q2．．．第二NPN雙載子接面電晶體
VCC．．．驅動偏壓
Vin．．．輸入電壓
Vout．．．輸出電壓
RL．．．負載電阻
Iin．．．直流電流
Iout．．．脈寬調變電流
10’．．．整流電路
100’．．．電壓比較電路
110’．．．指示燈電路
2’．．．交流電
20’．．．濾波電路
30’．．．穩壓電路
40’．．．充電管理單元
50’．．．充電控制單元
60’．．．按鈕開關
70’．．．切換開關
80’．．．充電電池
90’．．．電壓檢測電路
11’．．．電流供應單元
12’．．．脈波調變控制單元
13’．．．反射式電路單元
D1’．．．第一二極體
D2’．．．第二二極體
D3’．．．第三二極體
LS’．．．電感
CS1’．．．第一電容
CS2’．．．第二電容
B’．．．充電電池
第一圖係習用之一種直流充電電路的電路架構圖；
第二圖係習用之一種反射式充電裝置之電路架構圖；
第三圖係本發明之一種快充式充電裝置的電路架構圖；
第四圖係由一達靈頓對組成的一脈寬產生單元之電路架構圖；
第五A圖與第五B圖係脈寬產生單元所輸出的一脈寬調變電流之波形影像圖；
第六圖係市售14500鋰電池之充電直流電流與其充電時間之曲線圖；
第七圖係市售14500鋰電池之充電時間總表；
第八A圖與第八B圖係脈寬產生單元所輸出的一脈寬調變電流之波形影像圖；以及
第九圖係本發明之快充式充電裝置之第二實施例的電路架構圖。
1．．．快充式充電裝置
11．．．微控制單元
12．．．脈寬產生單元
2．．．外部電源
3．．．充電電池
Claims (8)
- 一種快充式充電裝置，係包括：一微控制單元，係耦接至一外部電源；以及一脈寬產生單元，係耦接於該微控制單元與該外部電源，其中，該脈寬產生單元係由至少一具有瞬間儲能功能的電晶體所組成；其中，當該外部電源輸入一直流電流至該脈寬產生單元時，由該至少一具有瞬間儲能功能的電晶體所組成之脈寬產生單元會執行一瞬間儲能功能；其中，該瞬間儲能功能可放大外部電源所輸入至該直流電流，並輸出一脈寬調變電流，以對一充電電池進行脈寬調變式之快速充電。
- 如申請專利範圍第1項所述之快充式充電裝置，更包括：一電壓偵測電路，係耦接該充電電池與該微控制單元，其中，該電壓偵測電路係用以偵測該充電電池之電壓；以及一顯示單元，係耦接該微控制單元，用以顯示充電電池之充電狀況。
- 如申請專利範圍第1項所述之快充式充電裝置，其中，該充電電池可為下列任一種：鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰電池。
- 如申請專利範圍第1項所述之快充式充電裝置，其中，該脈寬產生單元可為下列任一種：單顆雙載子接面電晶體、達靈頓對、西客對、以及三顆雙載子接面電晶體的組合。
- 如申請專利範圍第4項所述之快充式充電裝置，更包括一反向器，係耦接至所述用以作為該脈寬產生單元的西客對之輸出端，以將該脈寬調變電流反向。
- 如申請專利範圍第1項所述之快充式充電裝置，其中，透過半導體製程技術，可將由該達靈頓對所組成的該脈寬產生單元與該微控制單元整合地製造成一積體電路晶片。
- 如申請專利範圍第5項所述之快充式充電裝置，其中，透過半導體製程技術，可將由該西客對所組成的該脈寬產生單元與該微控制單元整合地製造成一積體電路晶片。
- 如申請專利範圍第2項所述之快充式充電裝置，其中，該顯示單元可為下列任一種：LCD顯示器、LED顯示器、OLED顯示器或LED燈。
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| TW101112865A TW201342768A (zh) | 2012-04-11 | 2012-04-11 | 快充式充電裝置 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TW201342768A true TW201342768A (zh) | 2013-10-16 |
Family
ID=49771592
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW101112865A TW201342768A (zh) | 2012-04-11 | 2012-04-11 | 快充式充電裝置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| TW (1) | TW201342768A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9753512B2 (en) | 2014-06-11 | 2017-09-05 | Asustek Computer Inc. | Electronic device and method for recognizing output power of power supply thereof |
| TWI740615B (zh) * | 2020-08-19 | 2021-09-21 | 僑威科技股份有限公司 | 行動電子裝置之快充式充電裝置 |
-
2012
- 2012-04-11 TW TW101112865A patent/TW201342768A/zh unknown
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|---|---|---|---|---|
| US9753512B2 (en) | 2014-06-11 | 2017-09-05 | Asustek Computer Inc. | Electronic device and method for recognizing output power of power supply thereof |
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