切换式充电器

摘要

切换式充电器用以接收一输入电压以及对应地提供一输出电压。该切换式充电器包含有一切换电路、一电感器、一控制电路以及一检测电路。该切换电路耦接于该输入电压；该电感器用以自该切换电路接收该输入电压，并提供该输出电压至一负载；该控制电路用以根据该切换电路的输出电流以及来自该输出电压的一反馈信号，来产生一责任周期信号，并依据该责任周期信号来控制该切换电路；该检测电路用以根据该责任周期信号以及该切换电路的输出电流的大小，来动态控制该切换电路于一完整脉冲宽度调制周期结束之前进入一提前关闭模式。

权利要求

1.一种切换式充电器，用以接收一输入电压，以及

对应地提供一输出电压，该切换式充电器包含有：

一切换电路，耦接于该输入电压；

一电感器，耦接于该切换电路，用以自该切换电路接收该输入电压，并提供该输出电压至一负载；

一控制电路，用以根据该切换电路的输出电流以及来自该输出电压的一反馈信号，来产生一责任周期信号，其中，该责任周期信号为方波信号，并依据该责任周期信号来控制该切换电路；以及一检测电路，用以根据该责任周期信号以及该切换电路的输出电流的大小，来动态控制该切换电路于一完整脉冲宽度调制周期结束之前进入一提前关闭模式。

2.如权利要求1所述的切换式充电器，其中当该责任周期信号指示该切换电路的操作时间于一目前完整脉冲宽度调制周期中已达到一预定时间点，以及该切换电路的输出电流的峰值小于一第一预定电流峰值时，该检测电路控制该切换电路于该目前完整脉冲宽度调制周期中的该预定时间点进入该提前关闭模式。

3.如权利要求2所述的切换式充电器，其中该目前完整脉冲宽度调制周期的开始时间点至该预定时间点的时间长度为该完整脉冲宽度调制周期的90％。

4.如权利要求2所述的切换式充电器，其中该第一预定电流峰值为300mA。

5.如权利要求2所述的切换式充电器，其中于该切换电路进入该提前关闭模式后，该检测电路于下一完整脉冲宽度调制周期中检测该切换电路的输出电流的峰值是否不同于该第一预定电流峰值的一第二预定电流峰值。

6.如权利要求5所述的切换式充电器，其中该第二预定电流峰值大于该第一预定电流峰值。

7.如权利要求6所述的切换式充电器，其中该第二预定电流峰值为330mA。

8.如权利要求5所述的切换式充电器，其中当该责任周期信号指示该切换电路的操作时间于该下一完整脉冲宽度调制周期中已达到一预定时间点，以及该切换电路的输出电流的峰值小于该第二预定电流峰值时，该检测电路控制该切换电路于该下一完整脉冲宽度调制周期中的该预定时间点进入该提前关闭模式。

9.如权利要求1所述的切换式充电器，其中该控制电路根据该责任周期信号产生一第一责任周期信号以及一第二责任周期信号，以及该切换电路包含：一第一开关，具有一第一端，耦接于该输入电压，一控制端，用以接收该第一责任周期信号，以及一第二端；以及一第二开关，具有一第一端，耦接于该第一开关的第二端，一控制端，用以接收该第二责任周期信号；

其中该检测电路所感测的该切换电路的输出电流为该切换电路于该第一开关导通时的输出电流，以及该检测电路关闭该第二开关来让该切换电路进入该提前关闭模式。

10.如权利要求1所述的切换式充电器，其为一降压转换器。

说明书

切换式充电器

技术领域

[0001] 本发明有关一种切换式充电器，尤指一种能够防止负载端发生漏电流(leakage current)效应的切换式充电器。

背景技术

[0002] 传统的手机电池充电方式通常是采用线性充电器(linear charger)来充电，充电器的输入电流会恒等于输出电流，由于电源转接器是5伏特(V)输出，而手机电池电压是在3V到4.2V之间，当电池的电压比较低的时候，则会产生功率损耗的问题，也即供电的功率就会损耗在充电器电路上。此外，上述功率损耗还会造成装置在充电过程中的发热现象，且难以进一步提高充电电流。

[0003] 基于线性充电器具有以上缺点，切换式充电器(switching charger)已逐渐取代线性充电器。举例而言，当采用切换式充电器时，若电池电压较低，则提供给电池的电流实际上会高于输入电流，因此会有较低的电路功率损耗。然而，现有的切换式充电器存在有漏电流的问题。举例来说，当电池的电压低于3V时，切换式充电器会输出小电流来对电池进行充电；当电池的电压超过3V时，切换式充电器的输出电流会逐渐变大，接着切换式充电器会进入定电流(constant current)模式；当电池的电压趋近于4.2V时，也即接近充电饱和状态时，切换式充电器会进入定电压模式，切换式充电器的输出电流会骤降到0安培(A)，由于此时切换式充电器的切换电路中工作于责任周期(duty cycle)的第二导通周期的开关仍为导通状态，造成负载有负电流经由此开关回流，造成电池对切换式充电器放电，此即为漏电流效应，而这会使充电效率大幅降低。因此，有需要提供一种新的切换式充电器来解决上述问题。

发明内容

[0004] 本发明的一实施例提供了一种切换式充电器，用以接收一输入电压，以及对应地提供一输出电压。该切换式充电器包含有一切换电路、一电感器、一控制电路以及一检测电路。该切换电路耦接于该输入电压；该电感器耦接于该切换电路，用以自该切换电路接收该输入电压，并提供该输出电压至一负载；该控制电路用以根据该切换电路的输出电流以及来自该输出电压的一反馈信号，来产生一责任周期信号，并依据该责任周期信号来控制该切换电路；该检测电路用以根据该责任周期信号以及该切换电路的输出电流的大小，来动态控制该切换电路于一完整脉冲宽度调制周期结束之前进入一提前关闭模式。

[0005] 本发明的实施例所提供的切换式充电器可检测负载端是否接近充电饱和状态，以选择性地执行一提前关闭模式来防止负载端的漏电流效应，进而降低功率损耗并且提升充电效能。

附图说明

[0006] 图1为本发明切换式充电器的的一实施例的示意图。

[0007] 图2为根据本发明的一实施例的有执行提前关闭模式的责任周期的波形图。

[0008] 图3为根据本发明的一实施例的未执行提前关闭模式的责任周期的波形图。

[0009] 符号说明

[0010] 100         切换式充电器

[0011] 20          切换电路

[0012] 30          电感器

[0013] 40          检测电路

[0014] 50          控制电路

[0015] 52          误差放大器

[0016] 54          比较器

[0017] 56          控制逻辑电路

[0018] 60          分压电路

[0019] Vin         输入电压

[0020] VO          输出电压

[0021] RO                    负载

[0022] VFB                   反馈信号

[0023] DU                    责任周期信号

[0024] IL                    输出电流

[0025] R1、R2                 电阻

[0026] VREF                   参考电压

[0027] VC                    控制信号

[0028] VCS                   感测电压

[0029] VS                    斜率补偿信号

[0030] CO                    电容

[0031] RC                    电阻组件

[0032] RL                    电阻组件

[0033] iCS                   感测电流

[0034] PreZCD                第一预定电流峰值

[0035] PreZCD’               第二预定电流峰值

[0036] Q1                    第一开关

[0037] Q2                    第二开关

[0038] t0～t3                时间点

具体实施方式

[0039] 在说明书及所附的权利要求范围当中使用了某些词汇来指称特定的组件。所属领域中普通技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同样的组件。本说明书及所附的权利要求范围并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及所附的权利要求当中所提及的“包含”为一开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。另外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表该第一装置可直接电气连接于该第二装置，或通过其它装置或连接手段间接地电气连接至该第二装置。

[0040] 图1为本发明切换式充电器(switching charger)的一实施例的示意图。本实施例中，切换式充电器100用以接收一输入电压Vin，以及对应地提供一输出电压VO。切换式充电器100包含有一切换电路20、一电感器30、一检测电路40、一控制电路50以及一分压电路60。请注意，切换式充电器100可用作为一降压(buck)充电器，但不以此为限，此外，本实施例中，切换电路20以及控制电路50的内部组成组件仅用以举例，并不用以限定本发明的范畴。
切换电路20耦接于输入电压Vin；电感器30耦接于切换电路20，用以自切换电路20接收输入电压Vin，并提供输出电压VO至一负载RO；控制电路50用以根据切换电路20的输出电流iL以及来自输出电压VO的一反馈信号VFB，以产生责任周期信号DU，并依据责任周期信号DU来控制切换电路20的开关导通时序。检测电路40用以根据责任周期信号DU以及切换电路20的输出电流iL的大小，来动态控制切换电路20于一完整脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)周期结束之前进入一提前关闭模式。普通技术人员可了解“完整脉冲宽度调制周期”包含了一第一导通周期(也即切换电路20中的第一开关Q1的开启时段)以及一第二导通周期(也即切换电路20中第二开关Q2的开启时段)。此外，在本发明中，所述“提前关闭模式”指缩短切换电路20的第二导通周期的长度，也即缩短切换电路20中第二开关Q2的开启时段，使得第二开关Q2于完整脉冲宽度调制周期结束之前便提早关闭。

[0041] 举例来说，控制电路50会根据责任周期信号DU产生用来开启(也即导通)第一开关Q1的第一责任周期信号SP(即第一导通周期信号)以及用来开启(也即导通)第二开关Q2的第二责任周期信号SN(即第二导通周期信号)，其中第一开关Q1，具有一第一端，耦接于输入电压Vin，一控制端，用以接收第一责任周期信号SP，以及一第二端；第二开关Q2具有一第一端，耦接于第一开关Q1的第二端，一控制端，用以接收第二责任周期信号SN，其中检测电路40会感测切换电路20于第一开关Q1导通时的输出电流iL(即感测电流iCS)，且检测电路40会通过关闭第二开关Q2来让切换电路20进入提前关闭模式。第一开关Q1以及第二开关Q2可例如是晶体管，但不以此为限，只要可实现实质上相同的开关功能，也可采用其它组件来代替。

[0042] 第一开关Q1的导通时间TON(Q1)与完整脉冲宽度调制周期T的比值(也即 )即为第一开关Q1的责任周期D(Q1)，而第二开关Q2的导通时间TON(Q2)与该脉冲宽度调制周期T的比值(也即 )即为第二开关Q2的责任周期D(Q2)，此外，若提前关闭模式并未启动，则D(Q1)+D(Q2)＝1，也即第一开关Q1的责任周期与第二开关Q2的责任周期的总和为全部的(100％)责任周期(也即第一开关Q1的开启时段加上第二开关Q2的开启时段会等于完整脉冲宽度调制周期T的时间长度)，然而，若提前关闭模式被启动，则D(Q1)+D(Q2)<1，也即第一开关Q1的责任周期与第二开关Q2的责任周期的总和会小于全部的(100％)责任周期(也即第一开关Q1的开启时段加上第二开关Q2的开启时段会小于完整脉冲宽度调制周期T的时间长度)。

[0043] 分压电路60用以根据输出电压VO来产生反馈电压VFB，其中分压电路60可利用图标的二电阻R1、R2来实现，但本发明不以此为限。此外，控制电路50包含有一误差放大器52、一比较器54以及一控制逻辑电路56。误差放大器52用以接收反馈信号VFB，并将反馈信号VFB与一参考电压VREF进行比较，以产生一控制信号VC。比较器54可例如是为一脉冲宽度调制(pulse-width modulation,PWM)比较器，用以接收控制信号VC、对应切换电路20的输出端的一感测电压VCS以及一斜率补偿信号VS，并且根据控制信号VC、感测电压VCS以及斜率补偿信号VS来产生一比较结果以作为责任周期信号DU。举例来说，该比较结果可以是一方波，且比较器54可对感测电压VCS以及斜率补偿信号VS进行加总，并将加总后的输入信号与控制信号VC进行比较来输出该方波。控制逻辑电路56会根据比较结果(即该方波)来决定切换电路20中各个开关(即第一开关Q1以及第二开关Q2)的责任周期。由于误差放大器52、比较器54以及控制逻辑电路56的操作原理为本领域普通技术人员所熟知，故更详细的操作在此便不另赘述。

[0044] 在切换电路20的一完整脉冲宽度调制周期的第一导通周期中(请注意，于不同的脉冲宽度调制周期中，第一导通周期的时间长度可动态调整)，控制逻辑电路56会开启切换电路20中的第一开关Q1以及关闭切换电路20中的第二开关Q2，以将能量自输入电压Vin经由电感器30而传送至电容CO。在此状态下，输入电压Vin可通过电感器30向负载RO提供电流。此外，在切换电路20的该完整脉冲宽度调制周期的第二导通周期中(请注意，于不同的脉冲宽度调制周期中，第二导通周期的时间长度也可动态调整)，控制逻辑电路56会关闭切换电路20中的第一开关Q1以及开启切换电路20中的第二开关Q2，以将在电容CO之内的能量传送至负载RO，电感器30会藉由逆反其电压以继续向负载RO提供电流。电容CO与地端电位(或是低逻辑电位)之间可耦接一电阻组件RC，且电感器30与负载RO之间可耦接一电阻组件RL，但本发明不以此为限。

[0045] 请一并参考第1～3图，其中图2系为根据本发明的一实施例的有执行提前关闭模式的责任周期的波形图，图3系为根据本发明的一实施例的未执行提前关闭模式的责任周期的波形图。检测电路40会一并检测比较器54的输入端的感测电流iCS以及比较器54输出的责任周期信号DU，以根据感测电流iCS以及责任周期信号DU来决定是否执行提前关闭模式。详细来说，当责任周期信号DU指示切换电路20的操作时间于一目前完整脉冲宽度调制周期中已达到一预定时间点，以及感测电流iCS的峰值(peak current value)小于一第一预定电流峰值PreZCD时，检测电路20会控制切换电路20于目前的完整脉冲宽度调制周期(可视为
100％责任周期)中的预定时间点进入提前关闭模式，其中第一预定电流峰值PreZCD可设定为300mA，其可视为一阈值(threshold)。

[0046] 举例而言，在图2中，一完整的脉冲宽度调制周期的开始时间点(即t0)至预定时间点(即t2)的时间长度可设为完整脉冲宽度调制周期的90％，其中时间点t3为完整脉冲宽度调制周期的结束时间点，时间点t0～t1之间的时段代表完整脉冲宽度调制周期中的第一导通周期(也即第一开关Q1的开启时段)，时间点t1～t2之间的时段代表完整脉冲宽度调制周期中的第二导通周期(也即第二开关Q2的开启时段)，且PON用以指示脉冲宽度调制周期操作在第一导通周期，NON用以指示脉冲宽度调制周期操作在第二导通周期。在图3中，一完整的脉冲宽度调制周期的开始时间点与结束时间点分别为t0与t3，其中时间点t0～t1的时段代表完整脉冲宽度调制周期中的第一导通周期(也即第一开关Q1的开启时段)，以及时间点t1～t3之间的时段代表完整脉冲宽度调制周期中的第二导通周期(也即第二开关Q2的开启时段)。由于图2～3可知，当提前关闭模式被执行时，脉冲宽度调制周期的第二导通周期(也即第二开关Q2的开启时段)会于完整脉冲宽度调制周期结束之前便提早结束。

[0047] 本实施例中，检测感测电流iCS在实际操作上通过检测感测电压VCS来实现，因为感测电压VCS的值即为感测电流iCS的值乘上电阻组件Ri的阻值，若电阻组件Ri的阻值为定值，则感测电压VCS与感测电流iCS会具有一固定比例，因此，经由感测电压VCS的大小便能得知感测电流iCS的大小。然而，任何可检测切换电路20的输出电流大小的机制均可被采用，这些设计上的变化均属本发明的范畴。

[0048] 如图2的示例所示，当检测到感测电流iCS的峰值(感测电流iCS于第一导通周期中的最大值)不够大(例如小于300mA)，且完整的脉冲宽度调制周期已经运行至预定时间点(例如90％的责任周期)时，控制电路50的控制逻辑电路56会立即关闭第二开关Q2，以防止电池端(即负载RO端)有漏电流。此外，如图3的示例所示，当检测到感测电流iCS的峰值(感测电流iCS于第一导通周期中的最大值)已经够大(例如大于300mA)，此时不论完整的脉冲宽度调制周期是否已经运行至预定时间点，控制电路50将不执行提前关闭模式的操作，也即第二导通周期不会提早结束。本发明的精神在于，利用检测电路40来检测感测电流iCS的峰值的大小以及责任周期是否已经运行至预定时间点，故可得知负载RO(即电池)是否处于一个接近充电饱和的状态，因为当感测电流iCS的峰值小于第一预定电流峰值PreZCD(例如300mA)，可知切换电路20的输出电流iL的变化已经趋近缓和，再加上责任周期已经运行至预定时间点(例如90％的责任周期)，故可得知电池即将充电饱和，因此控制逻辑电路56可据以在漏电流可能产生之前就先关闭第二开关Q2(因为漏电流是从负载RO流经第二开关Q2到地端)，故可有效避免现有技术中切换式充电器有漏电流的问题。

[0049] 请注意，在图2的示例中，当满足执行提前关闭模式的条件时，较佳的是，第二开关Q2能够实质上在预定时间点被关闭，也即在时间点t2或稍晚于时间点t2被关闭，然而本发明并不以此为限，只要第二开关Q2能够在时间点t3之前被关闭即可有效抑制漏电流现象。换言之，凡是依据切换式充电器的输出电流的大小以及反馈路径上的责任周期信号来缩短一脉冲宽度调制周期中的第二导通周期的时间(也即缩短第二开关Q2的开启时段)，皆属于本发明的范畴。

[0050] 除了通过设定第一预定电流峰值PreZCD来决定是否执行提前关闭模式，以调整目前的完整脉冲宽度调制周期中的第二导通周期的时间长短，本发明也对应地提供了以下防止不当操作的方法来结合上述控制提前关闭模式的执行的操作，然而以下方法并不用以限定本发明的范畴。

[0051] 举例来说，在切换电路20的目前的完整脉冲宽度调制周期操作在提前关闭模式的前提之下，检测电路40可对下一完整脉冲宽度调制周期设定不同于第一预定电流峰值PreZCD的一第二预定电流峰值PreZCD’，例如第二预定电流峰值PreZCD’可设为330mA，而第一预定电流峰值PreZCD为300mA。也就是说，若切换电路20于第一个完整脉冲宽度调制周期有进入提前关闭模式，在第二个完整脉冲宽度调制周期(也即紧接第一个完整脉冲宽度调制周期之后的另一完整脉冲宽度调制周期)的电流峰值必须超过更高的门坎值，才不会再进入提前关闭模式。此外，若切换电路20在第二个完整脉冲宽度调制周期中未进入提前关闭模式，则检测电路40会将第三个完整脉冲宽度调制周期(也即紧接第二个完整脉冲宽度调制周期之后的另一完整脉冲宽度调制周期)的门坎值重新设为300mA，以此类推。

[0052] 如此一来，可避免切换电路20的操作模式因为输入电流iL的微幅的峰值震荡而不断改变。因为当切换电路20于目前完整脉冲宽度调制周期中进入提前关闭模式而使得检测电路40将下一完整脉冲宽度调制周期中所采用的预定电流峰值提高到330mA，如果切换电路20的输出电流iL于该下一完整脉冲宽度调制周期中保持在小于330mA(即便输出电流iL有大于300mA)，且责任周期信号DU指示切换电路20的操作时间于该下一完整脉冲宽度调制周期中已达到预定时间点(例如90％的责任周期)，检测电路40就会控制切换电路20于该下一完整脉冲宽度调制周期中的预定时间点(例如90％的责任周期)进入提前关闭模式。检测电路40将会持续使用第二预定电流峰值PreZCD’(例如330mA)，直到于某一完整脉冲宽度调制周期中，切换电路20的输出电流iL超过330mA，且责任周期信号DU指示切换电路20的操作时间于此一完整脉冲宽度调制周期中已达到预定时间点(例如90％的责任周期)，检测电路40则不会控制切换电路20于此一完整脉冲宽度调制周期中的预定时间点(例如90％的责任周期)进入提前关闭模式，并且将下一完整脉冲宽度调制周期中所要使用的预定电流峰值重新设为第一预定电流峰值PreZCD(例如300mA)。

[0053] 综上所述，本发明的切换式充电器可检测负载端是否接近充电饱和状态，以选择性地执行一提前关闭模式来防止负载端的漏电流效应，以降低功率损耗并且提升充电效能。

[0054] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请权利要求范围所做的等价变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。