專利名稱：復合電源的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及便攜式電子設備的供電。
通常，便攜式電子設備是由原電池或者可充電電池來供電的。但便攜式電子設備市場的發(fā)展，以及使用方式的變革為整合原電源和可充電電源來為電子設備供電提供了前景。雖然原電池具備更大的能量密度，但其內阻卻很大，因此原電池不適于高耗電(＞0.2C的放電率)的電子設備?？沙潆婋姵乜梢灾С州^大負載，但是在許多應用領域中卻顯得容量不足。
根據本發(fā)明的一個方面，一種復合電源包含一個開關型DC/DC增壓轉換器，用于從一個原電池接收能量并安排將所接收的能量輸送到一個可充電電池中，并設置上述轉換器提供一個小于可充電電池滿負荷電壓的一個固定的輸出電壓。
根據本發(fā)明的另一個方面，一種復合電源包含一個開關型DC/DC增壓轉換器，用于從一個原電池接收能量并安排將所接收的能量輸送到一個可充電電池，以及一個控制該開關型DC/DC轉換器的控制電路。所述電路包含一個耦合于上述轉換器反饋輸入上的電阻分壓器，被選擇用于提供小于該可充電電池滿負荷電壓的一個固定的輸出電壓。
根據本發(fā)明的另一個方面，一種操作復合電源的方法包括通過一個開關型DC/DC增壓轉換器將能量從一個原電池以小于可充電電池滿負荷電壓的一個固定電壓輸送到一個可充電電池。
本發(fā)明的一個或更多的方面將帶來如下一個或更多的優(yōu)點。
所述電路可以利用鋰離子或鋰聚合物可充電電池的充電電壓的特性。例如，鋰離子電池的充電電壓通常在很寬的幅度內與其充電狀態(tài)有關。這就允許電路以相應于所需的充電狀態(tài)的電平由DC/DC轉換器12產生一個輸出電壓。電路并不將可充電電池充滿，犧牲了一定比例的設備最大連續(xù)運行時間。然而，非飽和充電的方案具備如下的優(yōu)點。電路能夠提供更高能量效率的可充電電池。在為可充電電池充電的最后階段將會產生熱損失。通過避免滿負荷充電，這樣的熱損失能被避免。同時，可充電電池自身也有一個較低的自放電比率(由于較低的充電電壓)。另外，對于電池的長期保存而言也只有最小限度的損害。如果可充電電池被充滿電保存，鋰離子電池的部分容量將永遠地喪失。同時所述電路簡化對了充電控制器和保護電路的需要。
此外，該電路也放寬了對DC/DC轉換器電路精確性的要求。鋰離子充電器在輸出電壓上一般具有高于0.5％的精確度。通常這就要求在DC/DC轉換器后再附加一個第二充電設備。不滿負荷對鋰離子電池充電允許有+/-電壓容差，使得使用簡單和廉價的DC/DC轉換器成為可能。電路可以為設備電源終端提供窄電壓范圍(這使得設備內部電壓的調節(jié)更有效)。電路將自動補償可充電電池所消耗的能量并且提供一個具有非常低的靜態(tài)電流特征的電路。該電路有效的利用了原電池的能量，具備低EMI水平并且可被整合到現有的鋰離子供電的設備上。
本發(fā)明的一個或更多的具體實施例細節(jié)將結合附圖在下文進行描述。本發(fā)明的其它特征，目的以及有益效果將在下文的描述、附圖，以及權利要求中顯現出來。


圖1為一個復合電源的方框圖。
圖2為一個復合DC電源的控制電路的原理圖。
圖3為復合DC電源的一個可替換控制電路的原理圖。
參考圖1，一個復合電源10包含一個開關型DC/DC增壓轉換器12，它接收來自原電池14的能量并將能量傳送至二次例如可充電電池16。所述可充電電池16在需要的時候將電能傳送至設備20。設備20可以是任何類型的電子設備，特別是便攜設備，例如蜂窩式移動電話、個人數字助理、數碼相機等無線設備。開關型DC/DC增壓轉換器12被配置用于提供小于所述可充電電池16充電電壓的一個固定的輸出電壓，且電流被限于可充電電池的一部分充電電流之內。在此配置下，開關型DC/DC增壓轉換器12同時充當二次電池的充電器?？沙潆婋姵?6可以是可充電鋰離子型。優(yōu)選實施方式包含鋰離子或鋰聚合物可充電電池。這些可充電電池可以為設備18提供比其它潛在的可充電電池相對更長時間的電能，并且對于長時間的連續(xù)使用也非常有效。原電源14可以為堿性，鋅-空氣或是燃料電池，但也不僅限于此。
通過使用鋰離子或鋰聚合物可充電電池，電路10可以利用這些電池的充電電壓特性。例如，可方便地使鋰離子電池的充電電壓在很大幅度內與其充電狀態(tài)有關。這就允許電路10以相應于所需的充電狀態(tài)的電平由DC/DC轉換器12產生一個輸出電壓。舉例來說，在約4V的電壓時，電平是充電電壓的約90％。電路10并不將可充電電池16充滿電，這犧牲了設備20的10％的最大連續(xù)運行時間。但是非飽和充電的方案提供了如下的優(yōu)點。電路10能夠提供更高能量效率的可充電電池16。在為可充電電池16充電的最后階段將會產生熱損失。通過避免滿負荷充電，這樣的熱損失能被避免。同時，可充電電池16也有一個較低的自放電比率(由于較低的充電電壓)。另外，對于電池的長期保存而言也只有最小限度的損害。如果可充電電池16被充滿電保存，鋰離子電池的部分容量將永遠地喪失。同時電路10還簡化對了充電控制器和保護電路的需要。
此外，電路10也放寬了對DC/DC轉換器電路12精確性的要求。鋰離子充電器在輸出電壓上一般具有高于0.5％的精確度。通常這就要求在DC/DC轉換器后再附加一個第二充電設備。不滿負荷對鋰離子電池充電允許有+/-2.5％的電壓容差，從3.9V至4.1V，這是典型的簡單和廉價的DC/DC轉換器的輸出電壓精確度。電路12消除了鋰離子電池過充電的可能，導致保護電路(未示出)的簡化。電路10也可以為設備電源終端提供窄電壓范圍(這使得設備內部電壓的調節(jié)更有效)。電路10自動補償可充電電池所消耗的能量并且提供一個具有非常低的靜態(tài)電流特征的電路。電路10有效的利用了原電池的能量，具備低EMI水平并且可被整合到現有的鋰離子供電的設備上。
鋰離子電池的充電要求是要限制充電電流。轉換器自身可以限制充電電流。這樣，這個逐步增壓的轉換器同時作為鋰電池的充電器和恒定電流電源直到可充電電池的電壓達到轉換器的輸出電壓為止，并在此后作為一個恒壓電源。當達到輸出電壓后，電流會在幾個小時內指數降低至實際上為零。系統(tǒng)在此狀態(tài)下只消耗可以忽略不計的低靜態(tài)電流(數十μA)。
通常的轉換器控制二次(充電)電流并且將充電電流保持在一個恒定水平上；而其它的轉換器不提供電流控制。二次側的恒定電流導致原電池電流的變化，并且隨著原電池電壓的降低而升高。這是一種功率恒定型的放電，而這對于原電池而言是最不利的。為了避免這些情況，電路包含一個原電池電流控制器，它檢測原電池電流并參與DC/DC轉換器的閉合反饋環(huán)路，以保證在原電池一端低恒流放電，顯著提高原電池的效率。
存在的缺陷是為鋰離子電池充電到足以驅動用電設備之前的初始延遲，特別是在原電池被更換之后。一個好的解決方案是在設備端監(jiān)控原電池的電壓(通過一個燃料標尺，低電量時警告和切斷)以阻止二次電池更多的放電。這樣，當原電池的電量耗完而可充電電池仍然保持在幾乎滿負載狀態(tài)時，設備就提示用戶并最終斷電，在更換了原電池后設備就可以立即使用了。可充電電池可以是與設備一體化的而不必單獨提供給用戶。
參考圖2，電路30用于控制逐步增壓的(boost)DC/DC轉換器12來實現最佳效果。電路30包含用于DC/DC轉換器12的偏壓控制電路32，一個原電流檢測放大器和一個電源開關34以及一個充電切斷開關36。另外，還包含一個保險絲38。
逐步壓型(boost)DC/DC轉換器12例如可以是LinearTechnology的LTC3400(U1)。當然，許多其它的設備都可被利用，比如，Maxim的MAX1765。LTC3400(U1)在低電流水平上具有非常高的效率(＞90％)，而大多數其它設備僅有80％或更低。轉換器12的偏壓電路32包括一個跨接于轉換器12的電感L1(例如6.8μh)，它被優(yōu)化以提高轉換的效率。在本實施例中，逐步增壓型(boost)DC/DC轉換器12的輸入電壓幅度在0.7至5.5V之間。輸出電壓可通過兩個外部電阻R1和R2來調節(jié)。當輸出端(Vout)的輸出電壓為4V時，在轉換器12的反饋輸入端(FB)將輸出電壓調節(jié)到等于內部參考電壓(比如1.25V)。為使轉換器12正常運行，輸出電壓應該始終比輸入電壓高。這樣，將輸出電壓限制在4V的水平上就限制了輸入電壓的范圍，在本實施例中就是0.7-3.3V，這可以使用一個或兩個串連的原電池(堿性或鋅-空氣)，或者一個鋰原電池。輸入電壓一旦高出輸出電壓超過0.7V，DC/DC轉換器芯片內的二極管元件將會正向導通并且電流將由原電池端向二次電池端流動，僅受兩端電池的內部電阻和兩系統(tǒng)間的電壓差的限制，將會導致高的涌流。
該轉換器的內部輸出電流限制為600mA。為進一步提高效率并減小體積和造價，在10-100mA間的一個更低的電流值是所希望的。在理想情況下，電路10可以是一個專用途集成電路(ASIC)，該ASIC包含絕大部分外部組件(但可以不包含可用于為特定用途而對原電流進行外部編程的電感L1和電流檢測電阻)。電容器C1，C2和C3用于轉換器12輸入、輸出端的開關脈沖濾波并防止波動。C4被用作轉換器的“軟啟動”并能提高穩(wěn)定性。
電路30包含一個具備電源關斷部分34的原電流傳感器/放大器，包括運算放大器U2，該運算放大器U2具有電阻器R4和R5，用于提供原電流的檢測電阻。為保證在R5兩端的壓降或稱(IR損失)的最小化，R4和R5的電阻值應為非常小的值(如100mA時為0.25ohm)。通過增益由R2/R3的比率設置的運算放大器U2，上述很低的IR壓降(平均25mV)將被放大50倍，以在連接到轉換器12的反饋輸入FB上的二極管D1的輸出端達到1.25V。這樣，R1兩端的電壓信號，以及通過二極管D1的輸入電流信號沒有任何中間干擾地，在“取最大值”基礎上在轉換器的反饋輸入端進行相加，并與內部參考電壓相比較。系統(tǒng)將響應最先達到1.25V的信號并關閉轉換器的開關，以減少輸出電壓。這樣就提供了一個同時恒定輸出電壓/恒定輸入電流型的電池充電器。
輸出電壓限制為4V，并且輸出電流也被限制為Iout＝Iin*Vin/Vout，這將電壓轉換器變?yōu)橐粋€鋰離子充電器，其中CV/CC(恒定電壓/恒定電流)輸出是必須的。通常鋰離子的化學性質要求V＝4.1V或4.2V，并且I＜1C比率。在電路10中，V＝4V且I＜＜1C比率，這更加安全并且不需要額外的保護電路。如果預計有非常規(guī)的條件，就必須有冗余的保護了(例如，在原電池終端施加高電壓對上述的系統(tǒng)可能就會不安全)。
由于運算放大器U2消耗幾十微安，當接電時，為了減少系統(tǒng)的靜態(tài)電流，利用運算放大器U2的關閉管腳實現一個節(jié)電關閉機制。當轉換器12激活和開關時，流過二極管D2的脈沖將使運算放大器U2的關閉管腳處的電壓下降到足以觸發(fā)運算放大器U2，當在空閑狀態(tài)時，流過負載電阻R8的電流將為電容C5充電并切斷運算放大器U2的電源。
電路30還包括一個開關電路36。鋰離子電池通過MOSFET(金屬氧化半導體場效應晶體管)開關Q1連接到DC/DC轉換器12的輸出上。當原電池在放電過程中在DC/DC轉換器的輸入側上達到切斷電壓時，開關電路36阻止鋰離子電池通過DC/DC轉換器12放電(幾毫安)。開關電路36還可用于將系統(tǒng)的原切斷電壓調整為具有所選擇的可充電電池化學原理的一個電池或兩個串連電池組所需要的電平。充電開關電路36在達到轉換器12的輸入切斷電壓時切斷電路。在本例所示出的為單堿性電池的實施例。MOSFET Q1通過雙極晶體管Q2的發(fā)射極-集電極結來加偏壓，并且雙極晶體管Q2的基極-發(fā)射極結通過來自原電池的電阻R7來加偏壓。當原電壓下降到0.7V時，Q2關閉，Q1也隨之關閉，充電停止。電阻R6吸收斷路時通過Q2的漏電，以防止它對Q2的高阻抗的柵加偏壓。由于關閉充電消除了轉換器輸出Vout的負載從而也就消除了原電池的負載，原電池的電壓升高充電重新開始，而后電路36再次被觸發(fā)，這樣轉換直至對于所選切斷電壓原電池的所有可用能量均被輸送到可充電電池16中。這一方法與其它方法完全不同，通常一個設備在其電源第一次達到切斷電壓時就被關閉，而一些能量存留在原電池中沒有使用。而使用本發(fā)明所述的方法，可以使原電池在終止前輸送出其全部能量。
為確保安全，鋰離子電池還具有一個包含保險絲(F1)的保險電路38，該保險絲與充電電路和輸出均串連連接，以在發(fā)生短路時永久地斷開電路。
在設計本復合電源系統(tǒng)時，還有一些需優(yōu)化的參數。例如，優(yōu)化原電池14的能量以支持設備所需的總體運行時間。優(yōu)化可充電電池16的能量以支持設備一個運行周期所需的持續(xù)時間。選擇可充電電池的功率以足夠支持設備最大功率，并且優(yōu)化充電速率以使原電池的幾乎全部的使用價值滿足設備所需的間歇運行。
這一最優(yōu)方案是在效率、充電時間、體積大小及造價與性能之間的一個折衷。為了加速充電，當可充電電池接近無電狀態(tài)時，一個與電壓相關的充電速率可以在轉換器的設計中被應用，如Maxim的MAX1765 EV電路板那樣。當鋰電池充電電壓很快升高到3V-3.7V范圍時，高速率充電將只持續(xù)很短的時間并且對原電池不產生大的影響。
在剛剛使用完最大連續(xù)運行時間后需緊急使用設備這種不太可能發(fā)生的情況下，可將原電池14的全部功率提供給可充電電池16，但這是以效率為代價的。
在許多設備20中，比原始規(guī)定的體積更小的鋰離子電池可以支持所需的峰值功率，并且由于永久充電，因此可足以滿足滿意的持續(xù)使用的要求。
參考圖3，示出了控制逐步增壓(boost)DC/DC轉換器12的操作的另一電路。該電路包括DC-DC轉換器12的偏壓控制電路，一個原電流檢測比較器64以及一個充電切斷比較器66，被連接到電源關閉電路62上。另外，還包含一個保險絲68。
逐步增壓(boost)DC/DC轉換器12例如可以是LinearTechnology的LTC3400(U1)。許多其它的設備都可被利用，比如，上文提到的Maxim的MAX1765。轉換器12的外部組件包括一個跨接于轉換器12的電感L11(例如6.8μh)，它被優(yōu)化以提高轉換的效率。在本實施例中，逐步增壓(boost)DC/DC轉換器12的輸入電壓幅度在0.7至5.5V之間。輸出電壓可通過兩個外部電阻R1和R2來調節(jié)。當輸出端(Vout)的輸出電壓為4V時，在轉換器12的反饋輸入端(FB)將輸出電壓調節(jié)到等于內部參考電壓(比如1.25V)。為使轉換器12正常運行，輸出電壓應該始終比輸入電壓高。這樣，將輸出電壓限制在4V的水平上就限制了輸入電壓的范圍，在本實施例中就是0.7-3.3V，這可以使用一個或兩個串連的原電池(堿性或鋅-空氣)，或者一個鋰原電池。輸入電壓一旦高出輸出電壓，電流將由原電池端向二次電池端流動，僅受兩端電池的內部電阻和兩系統(tǒng)間的電壓差的限制，將會導致高的涌流。
如前所述，為進一步提高效率并減小體積和造價，在10-100mA間的一個更低的電流值是所希望的。它可以是一個專用途集成電路(ASIC)，該ASIC包含絕大部分外部組件(但可以不包含可用于為特定用途而對原電流進行外部編程的電感L1和電流檢測電阻)。電容器C11，C12和C13對轉換器12輸入、輸出端的開關脈沖濾波并防止波動。C18被用作轉換器的“軟啟動”。電路64包含一個原電流傳感器/比較器，一個電源關斷部分62，包含有一個運算放大器U5-A(雙重組裝的運放對中的一個運算放大器)，該運算放大器U5-A具有電阻器R14和R15，用于提供原電流的檢測電阻。為保證在R15兩端的壓降或稱(IR損失)的最小化，R14和R15應為非常小的值(如100mA時為0.25ohm)。上述很低的IR壓降(平均25mV)通過運算放大器U2與參考電壓相比較(由參考電壓源D2和分壓器R19/R13產生)，當原電流超過預定的限度時，U2的輸出將上升并切斷轉換器。連接到運算放大器U5-A的負反饋環(huán)路上的電阻器R20和電容器C16形成一個積分器，來引入一個延遲并由此穩(wěn)定比較器的響應。二極管D1防止電壓控制和電流控制電路之間的干擾。這樣，來自R11的輸出電壓信號，以及來自二極管D1的輸入電流信號沒有任何中間干擾地，在“取最大值”基礎上在轉換器的反饋輸入端進行相加，并與內部參考電壓相比較。系統(tǒng)將響應最先達到1.25V的信號并關閉轉換器的開關，以減少輸出電壓。
鋰離子電池通過MOSFET(金屬氧化半導體場效應晶體管)開關Q11連接到DC/DC轉換器12的輸出上。當原電池在放電過程中在DC/DC轉換器的輸入側上達到切斷電壓時(本例中對兩節(jié)串連堿性電池而言是1.4V)，關斷控制電路66阻止鋰離子電池通過DC/DC轉換器12放電(幾毫安)。關斷控制電路66還可用于將系統(tǒng)的原切斷電壓調整為具有所選擇的可充電電池化學原理的一個電池或兩個串連電池組所需要的電平。通過Q11關斷控制電路66在達到轉換器輸入端切斷電壓時切斷電路。當DC-DC轉換器12的輸入電壓小于某一確定閾值時，通過作為經由電阻R24檢測的比較器的運算放大器U5-B來為MOSFET Q11加偏壓。該電壓閾值由電阻器R17，R23以及齊納二極管D2決定。在本實施例中，在U5-B的負反饋環(huán)路中使用R18會產生遲滯現象。如果電壓為1.4V或更小，由晶體管Q12構成的反向電路62就會關閉轉換器，并且通過Q11充電被關閉，防止了鋰離子電池通過轉換器的輸出被放電。如果電壓等于或大于1.45V，DC/DC轉換器開啟且電路進行充電。當輸入電壓小于1.4V時產生一個“更換原電池”的信號，該信號被用于驅動Q11和Q12。當原電壓降到1.4V以下時，Q2關閉，U11也隨之關閉，充電停止。電阻R16吸收斷路時通過Q11的漏電，以防止它對Q11的高阻抗的柵加偏壓。關閉充電消除了轉換器輸出Vout的負載從而也就消除了原電池的負載，原電池的電壓升高充電重新開始。如上所述，這樣轉換和充電將在一個衰減的負載周期上繼續(xù)直到在所選切斷電壓原電池的所有可用能量均被轉化。
為確保安全，鋰離子電池還具有一個包含保險絲(F1)的保險電路68，該保險絲與充電電路和輸出均串連連接，以在發(fā)生短路時永久地斷開電路。
以上揭示了本發(fā)明的一些具體的實施方式，其它的實施方式均在附隨的權利要求書所限定的范圍之內。
權利要求
1.一種復合電源，包括開關型DC/DC增壓轉換器，它從原電池接收能量并安排將所接收的能量輸送到可充電電池中，并設置上述轉換器提供一個小于可充電電池滿負荷電壓的一個固定的輸出電壓。
2.根據權利要求1所述的復合電源，還包括一個電路，該電路包含原電池電流控制器，用于檢測原電池電流并部分控制所述轉換器的操作，使得該復合電源的原電池一側提供恒定電流的放電。
3.根據權利要求1所述的復合電源，其中所述電路還包括原電流檢測放大器/比較器以及電源關斷電路，所述電源關斷電路用于關閉原電流檢測放大器/比較器。
4.根據權利要求1所述的復合電源，其中所述控制電路還包括一對外部電阻，所述電阻耦合于轉換器反饋輸入上，用于將所述固定輸出電壓調節(jié)為小于可充電電池滿負荷電壓。
5.根據權利要求1所述的復合電源，其中所述原電池為堿性電池，鋅-空氣電池，燃料電池，太陽能電池，或者其它電流受限電源。
6.根據權利要求1所述的復合電源，其中所述可充電電池為鋰離子或鋰聚合物可充電電池。
7.根據權利要求1所述的復合電源，其中所述原電池控制器包括運算放大器，該放大器具有一原電池電流檢測電阻，用于提供原電池電流控制，該放大器的輸出耦合于所述轉換器的閉合反饋環(huán)路上。
8.根據權利要求9所述的復合電源，其中所述轉換器的閉合反饋環(huán)路還包括一個電阻器，該電阻器耦合于轉換器的輸出和反饋端之間。
9.根據權利要求1所述的復合電源，其中所述電路提供相應于可充電電池約90％的負荷量的輸出電壓。
10.一種復合電池，包括開關型DC/DC增壓轉換器，它從原電池接收能量并安排將所接收的能量輸送到可充電電池中，一個電路，用于控制該開關型DC/DC轉換器，該電路包括電阻分壓器，該分壓器耦合于所述轉換器的反饋輸入上，被選擇用于提供小于該可充電電池滿負荷電壓的一個固定的輸出電壓。
11. 根據權利要求1所述的復合電源，還包括原電池電流傳感器/比較器，包含于所述DC/DC轉換器的反饋控制環(huán)路之中，用于部分控制所述轉換器的操作，使得該復合電源的原電池一側提供恒定電流的放電。
12.根據權利要求12所述的復合電源，其中所述原電池為堿性電池，鋅-空氣電池，燃料電池，太陽能電池，或者其它電流受限電源。
13.根據權利要求12所述的復合電源，其中所述可充電電池為鋰離子或鋰聚合物可充電電池。
14.根據權利要求15所述的復合電源，其中所述電路提供相應于可充電電池約90％的負荷量的輸出電壓。
15.一種操作復合型電源的方法，包括通過開關型DC/DC增壓轉換器將能量從原電池以小于可充電電池滿負荷電壓的固定電壓輸送到可充電電池。
16.根據權利要求15所述的方法，還包括控制電路，該電路檢測原電池電流，并且部分控制所述轉換器的操作，使得該復合電源的原電池一側提供恒定電流的放電。
17.根據權利要求15所述的方法，其中所述原電池為堿性電池，鋅-空氣電池，燃料電池，太陽能電池，或者其它電流受限電源。
18.根據權利要求15所述的方法，其中所述可充電電池為鋰離子或鋰聚合物可充電電池。
19.根據權利要求15所述的方法，其中所述電路提供相應于可充電電池約90％的負荷量的輸出電壓。
全文摘要
一種復合電源包括一開關型DC/DC增壓轉換器，它從原電池接收能量并安排將所接收的能量輸送到可充電電池中，并設置上述轉換器提供一個小于可充電電池滿負荷電壓的一個固定的輸出電壓。該復合電源包括一個電路，該電路包含原電池電流控制器，它檢測原電池電流并部分控制所述轉換器的操作來為該復合電源的原電池一側提供恒定電流的放電。
文檔編號H01M10/44GK1633739SQ03803851
公開日2005年6月29日 申請日期2003年2月11日 優(yōu)先權日2002年2月15日
發(fā)明者喬丹·T·鮑瑞庫夫, 戴維·N·克萊恩, 約翰·羅騰杜 申請人:吉萊特公司