TWI796951B

TWI796951B - 線性充電器

Info

Publication number: TWI796951B
Application number: TW111105217A
Authority: TW
Inventors: 楊曜瑋
Original assignee: 晶豪科技股份有限公司
Priority date: 2022-02-14
Filing date: 2022-02-14
Publication date: 2023-03-21
Also published as: TW202333016A

Abstract

一種線性充電器包含有一恆定電流充電電路以及一熱調控電路。恆定電流充電電路係用以產生一充電電流，並且包含有一第一跨導放大器，其中第一跨導放大器具有一正端、一負端以及一輸出端。熱調控電路係耦接於第一跨導放大器的輸出端以及負端，並且係用以利用溫度來產生以及調變一熱調控電流與一放大器參考電壓，以及分別將熱調控電流以及放大器參考電壓傳送至第一跨導放大器的輸出端以及負端。

Description

線性充電器

本發明係有關於線性充電器，且尤指有著熱調控電路(thermal regulation circuit)的線性充電器。

線性充電器可包含有一恆定電流充電電路以及一恆定電壓充電電路，並且可藉由恆定電流充電電路來在恆定電流模式中對電池充電，以及藉由恆定電壓充電電路來在恆定電壓模式中對電池充電。當為電池充電的充電電流變得較大時，線性充電器之晶片的環境溫度會增加，其可能會對線性充電器之晶片造成損害，因此，熱調控電路可耦接於恆定電流充電電路以控制晶片的溫度。

典型的熱調控電路通常僅藉由線性充電器的零溫度係數參考電壓(zero-temperature coefficient reference voltage)以及溫度感測電壓(temperature sensing voltage)來調變在放大器之正端的電壓或放大器之負端的電壓的其中一個，其中用以設置充電電流的一設置電阻係耦接於放大器的正端。然而，一些問題可能會發生。如果僅利用溫度來調變放大器之正端的電壓的話，線性充電器的關機溫度(shutdown temperature)可能會隨著設置電阻的不同數值而有所變化；如果僅利用溫度來調變放大器之負端的電壓的話，由於在恆定電流模式中的偏移電壓(offset voltage)，線性充電器的電源供給級(power stage)可能會在高溫時無法被關閉。此外，利用溫度之放大器之負端的電壓調變係非線性的，其使得在不同溫度時估測充電電流大小變得相當困難，因此，極需一種新穎的有著熱調控機制之線性充電器，以解決上述問題。

因此，本發明的目的之一在於提供一種有著一熱調控電路的線性充電器，以解決上述問題。

根據本發明之一實施例，提供了一種線性充電器。該線性充電器可包含有一恆定電流充電電路以及一熱調控電路，恆定電流充電電路可用以產生一充電電流，並且可包含有一第一跨導放大器，其中第一跨導放大器具有一正端、一負端以及一輸出端。熱調控電路可耦接於第一跨導放大器的輸出端以及負端，並且可用以利用溫度來產生以及調變一熱調控電流與一放大器參考電壓，以及分別將熱調控電流以及放大器參考電壓傳送至第一跨導放大器的輸出端以及負端。

本發明的好處之一是，對於用以設置充電電流的設置電阻之不同數值來說，本發明的線性充電器之關機溫度係不變的，其中設置電阻係耦接於在線性充電器之恆定電流充電電路中的跨導放大器之正端。藉由利用溫度來調變熱調控電流，利用溫度的在線性充電器之恆定電流充電電路中的跨導放大器之正端的設置電壓調變可以變得線性，其使得在不同溫度估測充電電流大小變得更容易，並且利用溫度的充電電流調變係線性的，此外，對於對應於不同電流值的充電電流來說，線性充電器之關機溫度係不變的，以及線性充電器之電源供給級在高溫時可保證被關閉。

10,30:線性充電器

100,300:恆定電流充電電路

101,301:電池

102,200,302:熱調控電路

104,202,208,304,308,314:跨導放大器

106,306:運算放大器

V_{SEN_T}:溫度感測電壓

V_{TEMP_REF}:溫度參考電壓

V_REF:放大器參考電壓

V_IN:輸入電壓

V_G:閘極電壓

GND:接地電壓

I₁:充電電流

I₂:熱調控電流

R_ISET:設置電阻

P1,P2,P3:P型電晶體

204,310:放大器參考電壓產生電路

206,312:電壓源

R₁,R₂:電阻

V_ISET:設置電壓

第1圖為依據本發明一實施例之線性充電器的示意圖。

第2圖為依據本發明一實施例之熱調控電路的示意圖。

第3圖為依據本發明一實施例之有著第2圖所示之熱調控電路的線性充電器的示意圖。

第4圖為依據本發明一實施例之偏移電壓與利用溫度的第3圖所示之線性充電器的設置電壓以及放大器參考電壓的調變之間的關係示意圖。

第5圖為依據本發明一實施例之利用溫度的第3圖所示之線性充電器的相關電流與電壓之調變的示意圖。

第1圖為依據本發明一實施例之線性充電器10的示意圖。如第1圖所示，線性充電器10可包含有恆定電流充電電路100以及熱調控電路102，實際上，線性充電器10可另包含有恆定電壓充電電路(未顯示)，由於本發明的重點在於用於恆定電流充電電路的熱調控設計，因此，為簡潔起見，在此不描述關於恆定電壓充電電路的內容。

恆定電流充電電路100可包含有複數個P型電晶體P1、P2以及P3、跨導放大器104、運算放大器106以及設置電阻R_ISET。P型電晶體P1具有耦接於第一參考電壓(例如輸入電壓V_IN)的一源端，P型電晶體P2具有耦接於第一參考電壓(例如輸入電壓V_IN)的一源端以及耦接於P型電晶體P1之閘端的一閘端，其中閘極電壓V_G係在P型電晶體P1之閘端以及P型電晶體P2之閘端之間的一節點的電壓，以及充電電流I₁係由P型電晶體P2的一汲端所輸出。P型電晶體P3具有耦接於P型電晶體P1之汲端的一源端。

跨導放大器104具有耦接於P型電晶體P3之汲端的一正端(+)、耦接於放大器參考電壓V_REF的一負端(-)以及耦接於P型電晶體P1之閘端的一輸出端。運算放大器106具有耦接於P型電晶體P3之源端的一正端(+)、耦接於P型電晶體P2之汲端以及電池101的一負端(-)以及耦接於P型電晶體P3之閘端的一輸出端。設置電阻R_ISET具有耦接於跨導放大器104之正端的一第一端以及耦接於第二參考電壓(例如接地電壓GND)的一第二端，並且可用以設置電池101的充電電流I₁。

熱調控電路102可耦接於跨導放大器104的輸出端以及負端，並且可用以利用溫度來產生以及調變熱調控電流I₂與放大器參考電壓V_REF，以及將熱調控電流I₂與放大器參考電壓V_RE分別傳送至跨導放大器104的輸出端以及負端，此外，熱調控電路102可接收溫度感測電壓V_{SEN_T}以及溫度參考電壓V_{TEMP_REF}，並且根據溫度感測電壓V_{SEN_T}以及溫度參考電壓V_{TEMP_REF}來調變熱調控電流I₂以及放大器參考電壓V_REF，其中溫度參考電壓V_{TEMP_REF}係接近於零溫度係數參考電壓(zero-temperature coefficient reference voltage)，以及溫度感測電壓V_{SEN_T}係與溫度相關的電壓。舉例來說，溫度感測電壓V_{SEN_T}隨著溫度上升而增加，並且隨著溫度下降而減少。

第2圖為依據本發明一實施例之熱調控電路200的示意圖。舉例來說，第1圖所示之熱調控電路102可以由第2圖所示之熱調控電路200來實現，但是本發明不限於此。如第2圖所示，熱調控電路200可包含有跨導放大器202以及放大器參考電壓產生電路204，跨導放大器202可用以根據溫度感測電壓V_{SEN_T}以及溫度參考電壓V_{TEMP_REF}來利用溫度產生以及調變熱調控電流I₂，此外，跨導放大器202具有耦接於溫度感測電壓V_{SEN_T}的一正端(+)以及耦接於溫度參考電壓V_{TEMP_REF}的一負端(-)，因此，利用溫度之熱調控電流I₂的調變可由以下方程式來表示：I₂=Max[0,(V_{SEN_T}-V_{TEMP_REF})G₂]其中G₂係跨導放大器202的跨導值。

放大器參考電壓產生電路204可用以根據溫度感測電壓V_{SEN_T}以及溫度參考電壓V_{TEMP_REF}來利用溫度產生以及調變放大器參考電壓V_REF，並且可包含有電壓源206、跨導放大器208以及複數個電阻R₁與R₂。電壓源206具有耦接於第二參考電壓(例如接地電壓GND)的一第一端，並且係用以提供電壓V_CC。電阻R₁具有耦接於電壓源206之一第二端的一第一端，其中放大器參考電壓V_REF係由電阻R₁的一第二端所輸出。電阻R₂具有耦接於電阻R₁之第二端的一第一端以及耦接於第二參考電壓(例如接地電壓GND)的一第二端。跨導放大器208具有耦接於參考電壓V_{TEMP_REF}的一正端(+)、耦接於溫度感測電壓V_{SEN_T}的一負端(-)以及耦接於電阻R₁之第二端的一輸出端，並且可用以根據溫度感測電壓V_{SEN_T}以及溫度參考電壓V_{TEMP_REF}來利用溫度產生以及調變放大器參考電壓V_REF，利用溫度之放大器參考電壓V_REF的調變可由以下方程式來表示：

其中G₃係跨導放大器208的跨導值，R1係電阻R₁的電阻值，以及R2係電阻R₂的電阻值。

第3圖為依據本發明一實施例之有著第2圖所示之熱調控電路200的線性充電器30的示意圖。如第3圖所示，線性充電器30可包含有恆定電流充電電路300以及熱調控電路302，其中恆定電流充電電路300以及熱調控電路302可分別由第1圖所示之恆定電流充電電路100以及第2圖所示之熱調控電路200來實現。恆定電流充電電路300可包含有複數個P型電晶體P1、P2以及P3、跨導放大器304、運算放大器306以及設置電阻R_ISET，為簡潔起見，在此不再詳細重複對此實施例的類似描述。熱調控電路302可包含有跨導放大器308以及放大器參考電壓產生電路310，其中跨導放大器308的輸出端可耦接於P型電晶體P1的閘端(亦即耦接於跨導放大器304的輸出端)。放大器參考電壓產生電路310可包含有電壓源312、跨導放大器314以及複數個電阻R₁與R₂，其中在電阻R₁以及電阻R₂之間的一節點可耦接於跨導放大器314的輸出端以及跨導放大器304的負端，為簡潔起見，在此不再詳細重複對此實施例的類似描述。

考量熱調控電路302被修改而僅包含有放大器參考電壓產生電路310的一案例(亦即熱調控電路302僅利用溫度來產生以及調變放大器參考電壓V_REF，並且將放大器參考電壓V_REF傳送至跨導放大器304之負端的案例)，利用溫度在跨導放大器304之正端的設置電壓V_ISET的調變係非線性的，其中設置電壓V_ISET的調變係被放大器參考電壓V_REF的調變所控制。為了解決此問題，可配置熱調控電路302以同時具有跨導放大器308以及放大器參考電壓產生電路310，並且可在利用溫度之放大器參考電壓V_REF的調變變得非線性之前，藉由熱調控電流I₂來對跨導放大器304施予一偏移電壓△V，以使得利用溫度之設置電壓V_ISET的調變變得線性，其中偏移電壓△V的電壓值係等於在同一溫度下放大器參考電壓V_REF減去設置電壓V_ISET所產生的電壓值(亦即△V=V_REF-V_ISET)。

第4圖為依據本發明一實施例之偏移電壓△V與利用溫度的第3圖所示之線性充電器的設置電壓以及放大器參考電壓的調變之間的關係示意圖。如第4圖所示，虛線A係利用溫度之放大器參考電壓V_REF的調變，以及實線B係利用溫度之設置電壓V_ISET的調變，藉由利用溫度來調變熱調控電流I₂，在利用溫度之放大器參考電壓V_REF的調變變得非線性之前(例如在線性充電器30的溫度達到第4圖所示之溫度T0之前)，可以對跨導放大器304施予偏移電壓△V，並且在溫度T0時，設置電壓V_ISET係等於0。偏移電壓△V可由以下方程式來計算：

其中(V_{SEN_T}-V_{TEMP_REF})

0，G₁係跨導放大器304的跨導值，以及G₂係跨導放大器308的跨導值。

第5圖為依據本發明一實施例之利用溫度的第3圖所示之線性充電器30的相關電流與電壓之調變的示意圖。假設耦接於P型電晶體P1之源端以及P型電晶體P2之源端的輸入電壓V_IN係等於5V，如第5圖所示，藉由利用溫度來調變熱調控電流I₂，利用溫度之設置電壓V_ISET的調變可變得線性，其使得在不同溫度估測充電電流I₁之大小變得更加容易，並且利用溫度之充電電流I₁的調變係線性的，此外，對於對應於不同電流值之充電電流I₁(例如500毫安培(mA)、200毫安培、100毫安培以及50毫安培)來說，線性充電器30之關機溫度(shutdown temperature)係不變的，亦即，對於設置電阻R_ISET的不同數值來說，線性充電器30之關機溫度係不變的。對於對應於充電電流I₁之不同電流值(例如500毫安培、200毫安培、100毫安培以及50毫安培)的閘極電壓V_G來說，線性充電器30的電源供給級(power stage)在高溫時可以保證被關閉(例如在高溫時，閘極電壓V_G係等於輸入電壓V_IN)。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100:恆定電流充電電路

101:電池

102:熱調控電路

104:跨導放大器

106:運算放大器