專利名稱:使用升壓時鐘的單功率晶體管電池充電電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及電池充電器,特別涉及使用晶體管的充電和放電調(diào)
節(jié)電路。
背景技術(shù):
各種小型便攜式電子裝置都依賴電池供電。調(diào)節(jié)器電路 (regulator circuit)可以被用來控制電池的充電和放電。調(diào)節(jié)器電路可以允 許外部充電器對電池進(jìn)行脈沖充電而不是持續(xù)地充電,從而能夠減少熱量 并贏得時間給電池在充電脈沖之間冷卻。充電脈沖的脈沖率和脈寬可以被 調(diào)整以控制溫度。當(dāng)電池供電給便攜式電子裝置時,調(diào)節(jié)器電路也可以被用來調(diào) 節(jié)電池放電。調(diào)節(jié)器電路可以有一個功率晶體管,其被打開和關(guān)閉以調(diào)節(jié) 供電電壓。被調(diào)節(jié)的供電電壓可以與一個基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較,并被反饋到 調(diào)節(jié)器電路以控制功率晶體管。例如,當(dāng)被調(diào)節(jié)的供電電壓太低時,功率 晶體管被打開,而當(dāng)被調(diào)節(jié)的供電電壓位于或高于目標(biāo)電壓時,功率晶體 管被關(guān)閉。圖1顯示一個現(xiàn)有技術(shù)的電池充電系統(tǒng)。電池208被功率晶體 管210保護(hù),其具有由充電/放電調(diào)節(jié)器206控制的柵極。電池208可以驅(qū) 動負(fù)載204,其可以是一個便攜式電子電路或裝置。當(dāng)連接到充電器202 時,充電器202可以驅(qū)動負(fù)載204,并驅(qū)動充電電流穿過功率晶體管210 同時對電池208進(jìn)行充電。功率晶體管210可以是一個具有寄生二極管212的p-通道晶體 管,例如從P+漏極到N-阱基板。二極管212可以保護(hù)電池208免受因疏 忽引起的放電。當(dāng)便攜式電子裝置放在用戶口袋內(nèi),并且其充電端子恰好 被口袋里的金屬鑰匙短路時,就會發(fā)生"鑰匙鏈問題(key-chainproblem)"。 圖1充電/放電調(diào)節(jié)器206左邊的兩個端子的短路可導(dǎo)致電池208迅速地放電,除非二極管212能夠阻斷這么大的放電電流。因此,二極管212能夠 提供一些保護(hù)預(yù)防鑰匙鏈問題。但是,二極管212不能保護(hù)免受其它方向上的強(qiáng)電流。如果錯 誤地連接到錯誤型號的充電器202,強(qiáng)電流會流經(jīng)二極管212到電池208, 即使是在功率晶體管210被關(guān)閉的時候。這種強(qiáng)電流可能會損壞電池208。圖2顯示一個具有兩個串聯(lián)的功率晶體管的現(xiàn)有技術(shù)的電池 充電系統(tǒng)。第二功率晶體管216與功率晶體管210串聯(lián)在一起。充電/放電 調(diào)節(jié)器206控制兩個功率晶體管210、 216。第二寄生二極管214與功率晶 體管216—起。第二寄生二極管214可以是從P+源極到N-阱,而寄生二 極管212是從P+漏極到N-阱。由于第二寄生二極管214與寄生二極管212的方向相反,當(dāng)通 過充電/放電調(diào)節(jié)器206關(guān)閉功率晶體管210、 216時,任何一個方向上的 電流都被阻斷。保護(hù)電池208免受由于鑰匙鏈短路引起的快速放電和由于 充電器202引起的快速充電電流。充電器202可能不是一個智能充電器, 所以可能會提供過強(qiáng)的充電電流。雖然使用時比較有效,但并不希望具有兩個串聯(lián)的功率晶體管 210、 216,因為增加了有效ON-阻抗,而且需要一個更大的晶體管尺寸。 由于調(diào)節(jié)器功率晶體管210、216的較大阻抗降低了提供給負(fù)載204的供電 電壓,并增加了功率損失和發(fā)熱,所以電池充電器越發(fā)低效。期望有一個電池調(diào)節(jié)器系統(tǒng),其僅使用單個功率晶體管。期望 有一個單功率晶體管充電調(diào)節(jié)器,其仍然能夠提供保護(hù)免受由鑰匙鏈問題 引起的疏忽短路,以及避免強(qiáng)充電電流對電池造成的損壞。 一個不會出現(xiàn) 閂鎖問題(latch-upproblem)的充電調(diào)節(jié)器同樣也是令人期待的。
圖1顯示一個現(xiàn)有技術(shù)的電池充電系統(tǒng);
0012]圖2顯示一個具有兩個串聯(lián)的功率晶體管的現(xiàn)有技術(shù)的電池充電系統(tǒng);圖3是一個單向升壓的電池充電調(diào)節(jié)器的示意圖;
圖4是一個雙向升壓的電池充電調(diào)節(jié)器的示意圖;
圖5是一個傳遞升壓時鐘的開關(guān)的結(jié)構(gòu)圖;
圖6是一個傳遞升壓時鐘的雙向保護(hù)開關(guān)的結(jié)構(gòu)圖;
圖7是一個升壓器的結(jié)構(gòu)圖;
圖8是圖3升壓電池充電調(diào)節(jié)器的運作波形。 發(fā)明詳述本發(fā)明涉及改善的電池充電調(diào)節(jié)器。以下描述使本領(lǐng)域技術(shù)人 員能夠制作并使用在具體應(yīng)用及其要求的上下文里提供的本發(fā)明。對優(yōu)選 實施例的各種改進(jìn),對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的,在此所定義的 一般原理也可以實施到其它實施例。所以,本發(fā)明并不受限于在此所示和 所述的特定實施例,而是屬于與在此披露的原理和新穎特征一致的最大范 圍內(nèi)。圖3是一個單向升壓電池充電調(diào)節(jié)器的示意圖。圖3電路能夠 替換圖1的功率晶體管210和充電/放電調(diào)節(jié)器206,并運行保護(hù)連接到節(jié) 點B的電池,其由節(jié)點A上的充電器進(jìn)行充電,或驅(qū)動節(jié)點A上的一個 負(fù)載電路。功率晶體管250是一個n-通道晶體管,其調(diào)節(jié)節(jié)點A、 B之間 的電流。寄生二極管可以與功率晶體管250—起,只是圖中未顯示,如N十 源極/漏極到P-型阱或基板二極管(substrate diode)。晶體管250、 252、 254、 255、 259的襯底極(bulkterminal)都接地。
時鐘CLK驅(qū)動升壓器240,其使用一個電荷泵(chargepump) 或其它升壓電路來產(chǎn)生一個升壓的時鐘HCK。例如,HCK可以有一個較 高電平,其是晶體管閾值,高于VDD或VDD + Vtn。當(dāng)EN高且ENB低 時,此升壓時鐘HCK通過開關(guān)234而施加到功率晶體管250的柵極,而 當(dāng)ENB高而EN低時,通過開關(guān)232而施加到柵耦合晶體管(gate-coupling transistor) 252的柵極。 HCK升壓驅(qū)動功率晶體管250或柵耦合晶體管252的柵極到一 個大約VDD + Vtn的升壓。這樣會過壓驅(qū)動?xùn)艠O,增高柵源電壓 (gate-to-source voltage),從而增強(qiáng)流經(jīng)晶體管的電流。有效ON阻抗通過 過壓驅(qū)動?xùn)艠O也得以降低。因此,可以使用較小的晶體管尺寸來降低面積 和成本。在節(jié)點A、 B之間有單個功率晶體管250而不是有兩個串聯(lián)晶 體管同樣有助于降低面積、成本和ON阻抗。使用功率晶體管250的n-通 道而不是p-通道也有助于降低面積、成本和ON阻抗,因為在n-通道晶體 管內(nèi)電子遷移率大約是p-通道晶體管內(nèi)空穴遷移率的兩倍。節(jié)點A、 B的電壓由比較器226進(jìn)行比較,比較器可以是一個 運算放大器(op amp)或其它差分比較器(differential comparator)。當(dāng)節(jié) 點A的電壓大于節(jié)點B的電壓時,比較器226驅(qū)動AGB至高,其是到觸 發(fā)器(flip-flop) 228的D輸入。觸發(fā)器228是由時鐘CLK進(jìn)行時鐘控制, 并在AGB狀態(tài)時鎖存而驅(qū)動其Q、 QB輸出。高AGB驅(qū)動EN至高和ENB至低。高EN打開開關(guān)234,開 關(guān)234連接HCK到柵極節(jié)點NG1 ,NG1是功率晶體管250的柵極。低ENB 關(guān)閉開關(guān)232,從而HCK不被驅(qū)動到節(jié)點NG2。相反,高EN被施加到接 地晶體管254的柵極,接地晶體管254打開以驅(qū)動節(jié)點NG2到地。由于柵 耦合晶體管252的柵極NG2很低,柵耦合晶體管252關(guān)閉。充電電流從節(jié) 點A流經(jīng)功率晶體管250到節(jié)點B。沒有寄生二極管正向偏壓傳遞一個不 需要的強(qiáng)電流。當(dāng)使用一個N-阱過程時,寄生二極管的一個端口被接地。
ii
當(dāng)比較器226確定節(jié)點A的電壓比節(jié)點B低時,AGB為低。 低AGB驅(qū)動ENB至高和EN至低。高ENB打開開關(guān)232,開關(guān)232連接 HCK到第二柵極節(jié)點NG2, NG2是柵耦合晶體管252的柵極。
低EN關(guān)閉開關(guān)234,從而HCK不被驅(qū)動到節(jié)點NG1 。開關(guān) 234是在一個高阻抗(Hi-Z)輸出狀態(tài)。低EN也被施加到接地晶體管254 的柵極,其關(guān)閉,允許第二柵極節(jié)點NG2由穿過開關(guān)232的HCK驅(qū)動, 開關(guān)232是由高ENB打開。
由于柵耦合晶體管252的柵極NG2,是由穿過開關(guān)232的HCK 驅(qū)動至高,當(dāng)HCK脈沖高時,柵耦合晶體管252被打開,連接節(jié)點A(當(dāng) A〈B時為源極)的較低電壓到柵極節(jié)點NG1。因此,功率晶體管250的柵 極和源極被一起短路,電流不會從節(jié)點B流到節(jié)點A。通過功率晶體管250, 節(jié)點B與節(jié)點A被有效地隔離。
當(dāng)開關(guān)234被打開時,當(dāng)HCK脈沖高至VDD + Vtn時,功率 晶體管250在高HCK脈沖上被強(qiáng)行打開,但在低HCK脈沖時被關(guān)閉。在 HCK的這些低脈沖期間,節(jié)點NG1被驅(qū)動至低,關(guān)閉功率晶體管250。 HCK的周期和脈寬或工作周期(duty cycle)可以被調(diào)整以提供期望的充電 特性,例如降低過熱,但仍然能夠保持目標(biāo)穩(wěn)定供電電壓。
同樣,當(dāng)開關(guān)232被打開時,當(dāng)HCK脈沖高至VDD + Vtn時, 柵耦合晶體管252在高HCK脈沖上被強(qiáng)行打開,但在低HCK脈沖時關(guān)閉。 節(jié)點NG1在HCK的這些低脈沖期間被隔離。由于滲漏通常較小,節(jié)點 NG1在HCK的低脈沖期間仍然靠近源極電壓。
當(dāng)節(jié)點B的電壓比節(jié)點A更高時,在節(jié)點B上的電池供電到 節(jié)點A上的一個便攜式電路,同時放電電流被功率晶體管250阻斷,功率 晶體管250關(guān)閉并被偏壓以隔離節(jié)點B和節(jié)點A。這樣可以避免由于鑰匙 鏈短路引起的強(qiáng)電流。 一個小的偏移可以引入到比較器226以允許功率晶 體管250保持開啟狀態(tài),當(dāng)節(jié)點B上的電池正在驅(qū)動節(jié)點A上的電子負(fù)載 時,當(dāng)節(jié)點B和A之間的電壓差小于此偏移時。
或者,可以提供多個調(diào)節(jié)電路(圖3):節(jié)點A上的充電器和 節(jié)點B上的電池之間的一個功率晶體管250及其圖3的電路,以及節(jié)點A 上的電池和節(jié)點B上的電子裝置負(fù)載之間的另一個功率晶體管250及其圖 3的電路。電流僅從節(jié)點A流到節(jié)點B。
圖4是一個雙向升壓電池充電調(diào)節(jié)器的示意圖。圖4的電路可 以替換圖1的功率晶體管210和充電/放電調(diào)節(jié)器206,并運行保護(hù)連接到 節(jié)點A的電池,節(jié)點A的電池由節(jié)點B上的一個充電器進(jìn)行充電,或驅(qū) 動節(jié)點B上的一個負(fù)載電路。
功率晶體管250是一個n-通道晶體管,其調(diào)節(jié)節(jié)點A、 B之間 的電流。開關(guān)232、 234和升壓器240如圖3之前所述運行。但是,圖4 內(nèi)柵極節(jié)點NG1也被保護(hù)以避免逆向電流(reverse current)。
—個方向輸入SAB被施加到雙向感應(yīng)和控制電路230,其比較 節(jié)點A、 B的電壓。例如,雙向感應(yīng)和控制電路230可以有如圖3所示的 比較器和觸發(fā)器,以及額外的邏輯門來產(chǎn)生三個允許操作(enable): EN、 EN1、 EN2。
當(dāng)SAB為高時,預(yù)期的電流從節(jié)點A流到節(jié)點B。當(dāng)節(jié)點A 的電壓大于節(jié)點B的電壓時,通過雙向感應(yīng)和控制電路230, EN被驅(qū)動至 高,且EN1、 EN2被驅(qū)動至低。EN打開開關(guān)234以驅(qū)動HCK到柵極節(jié)點 NG1,打開功率晶體管250。由于柵極節(jié)點NG1有一個脈沖升壓,電流驅(qū) 動比如果使用VDD時來得更高。脈沖提供了時間給功率晶體管250在HCK 的低脈沖期間冷卻。電流可以從節(jié)點A流到節(jié)點B,如從節(jié)點A上的充電 器到節(jié)點B上的電池。次柵極節(jié)點NG2、NG3通過n-通道接地晶體管254、 258被接地,晶體管254、 258在其柵極上接收EN。這樣能夠關(guān)閉柵耦合 晶體管252、 256,允許開關(guān)234驅(qū)動?xùn)艠O節(jié)點NG1。
當(dāng)SAB為高,但節(jié)點A的電壓低于節(jié)點B的電壓時,電流將以非預(yù)期(逆向)的方向流動。為了避免逆向電流流動,功率晶體管250 被偏壓隔離。通過雙向感應(yīng)和控制電路230, EN和EN2被驅(qū)動至低,EN1 被驅(qū)動至高。低EN導(dǎo)致開關(guān)234進(jìn)入一個高阻抗的輸出狀態(tài),不驅(qū)動?xùn)?極節(jié)點NG1。低EN也關(guān)閉n-通道接地晶體管254、 258。
高EN1打開開關(guān)232,驅(qū)動HCK到次節(jié)點NG2。這樣打開柵 耦合晶體管252,其短路節(jié)點A到柵極節(jié)點NG1 。由于功率晶體管250的 源極和柵極通過柵耦合晶體管252而一起短路,電流被阻斷。節(jié)點B上的 電池不會被意外放電,諸如由于在節(jié)點A上的鑰匙鏈短路。
當(dāng)選擇A-到-B (SAB)被激活時,n-通道選擇接地晶體管259 被用來將節(jié)點NG3接地。不同于在其柵極使用SAB, n-通道選擇接地晶體 管259可以在其柵極有EN1。不同于使用n-通道選擇接地晶體管259,在 驅(qū)動接地晶體管258的柵極之前, 一個邏輯門如OR門也可以合并EN和 EN1 (或SAB)。那么就不需要n-通道選擇接地晶體管259。
當(dāng)SAB為低時,期望的電流從節(jié)點B流到節(jié)點A。當(dāng)節(jié)點B 的電壓大于節(jié)點A的電壓時,通過雙向感應(yīng)和控制電路230, EN被驅(qū)動 至高,EN1、 EN2被驅(qū)動至低。EN啟動開關(guān)234以驅(qū)動HCK到柵極節(jié)點 NG1,在HCK的高脈沖期間打開功率晶體管250。電流可以從節(jié)點B流到 節(jié)點A,如從節(jié)點B上的電池到節(jié)點A上的電子裝置負(fù)載。次柵極節(jié)點 NG2、 NG3通過n-通道接地晶體管254、 258被接地,n-通道接地晶體管 254、 258在其柵極接收EN。這樣就關(guān)閉了柵耦合晶體管252、 256,允許 開關(guān)234驅(qū)動?xùn)艠O節(jié)點NG1 。
當(dāng)SAB為低,但節(jié)點B的電壓小于節(jié)點A的電壓時,電流將 以非選擇的方向(A到B)流動。為了避免逆向電流流動,功率晶體管250 被偏壓隔離。通過雙向感應(yīng)和控制電路230, EN和EN1被驅(qū)動至低,EN2 被驅(qū)動至高。低EN導(dǎo)致開關(guān)234進(jìn)入一個高阻抗的輸出狀態(tài),不驅(qū)動?xùn)?極節(jié)點NG1。低EN也關(guān)閉n-通道接地晶體管254、 258。
高EN2打開開關(guān)236,驅(qū)動HCK到次節(jié)點NG3。從而打開n-通道柵耦合晶體管256,其短路節(jié)點B到柵極節(jié)點NG1。由于功率晶體管 250的源極和柵極通過柵耦合晶體管256被一起短路,電流被阻斷。節(jié)點 B上的電池不會被意外地過量充電,例如由于節(jié)點A上的充電器或靜電放 電(ESD)。
當(dāng)選擇A-到-B (SAB)是非激活時,n-通道選擇接地晶體管255 被用來將節(jié)點NG2接地。不同于在其柵極上使用逆SAB (SBA), n-通道 選擇接地晶體管255可以在其柵極上有EN2。不同于使用n-通道選擇接地 晶體管255,在驅(qū)動接地晶體管254的柵極之前, 一個邏輯門如OR門也 可以合并EN和EN2(或SBA)。那么就不需要n-通道選擇接地晶體管255。
當(dāng)開關(guān)236被打開時,HCK脈沖高至VDD + Vtn,柵耦合晶體 管256在這些高HCK脈沖上強(qiáng)行打開,但在低HCK脈沖時關(guān)閉。節(jié)點 NG1在HCK的這些低脈沖期間被隔離。由于滲漏通常很小,節(jié)點NG1在 HCK的低脈沖期間仍然接近源極電壓。
同樣,當(dāng)開關(guān)232被打開時,當(dāng)HCK脈沖高至VDD + Vtn時, 柵耦合晶體管252在這些高HCK脈沖上強(qiáng)行打開,但在低HCK脈沖時關(guān) 閉。節(jié)點NG1在HCK的這些低脈沖期間被隔離。由于滲漏通常很小,節(jié) 點NG1在HCK的低脈沖期間仍然接近源極電壓。
當(dāng)開關(guān)234被打開時,當(dāng)HCK脈沖高至VDD + Vtn時,功率 晶體管250在這些高HCK脈沖上強(qiáng)行打開,但在低HCK脈沖時關(guān)閉。節(jié) 點NG1在HCK的這些低脈沖期間被驅(qū)動至低,關(guān)閉功率晶體管250。HCK 的周期和脈寬或工作循環(huán)可以被調(diào)整以提供期望的充電特性,如降低過熱, 但仍然保持目標(biāo)穩(wěn)定的供電電壓。
圖5是一個傳遞升壓時鐘的開關(guān)的結(jié)構(gòu)圖。開關(guān)232可以是圖 4內(nèi)的任一開關(guān)232、 236。升壓時鐘HCK是由輸入IN接收,柵極節(jié)點 NG2或NG3是由OUT驅(qū)動。ENA驅(qū)動n-通道接地晶體管16的柵極和p-通 去能晶體管14 (disabling transistor)的柵極,當(dāng)ENA為高時,使p-通道傳輸(pass)晶體管10的柵極被晶體管16驅(qū)動接地,或當(dāng)ENA為低時被去能晶體管14由IN驅(qū)動。
n-通道傳輸晶體管12與p-通道傳輸晶體管10在IN和OUT之 間的并行,形成一個傳輸門。當(dāng)ENA為高時,這兩個傳輸晶體管10、 12 打開。當(dāng)ENA為低時,這兩個傳輸晶體管IO、 12關(guān)閉。
p-通道傳輸晶體管10和p-通道去能晶體管14的襯底極或阱端 口被連接到IN。由于IN是升壓時鐘HCK, IN可以比VDD更高。因此, 晶體管10、 14的基極和源極端被連接到最高電壓。由于p-通道去能晶體 管14短路柵極到p-通道傳輸晶體管10的源極,柵極-到-源極的電壓為零, 當(dāng)ENA為低時關(guān)閉p-通道傳輸晶體管10。
圖6時一個傳遞升壓時鐘的雙向保護(hù)開關(guān)的結(jié)構(gòu)圖。在圖4, 開關(guān)234驅(qū)動?xùn)艠O節(jié)點NG1。由于當(dāng)功率晶體管250被隔離時柵極節(jié)點 NG1可以被連接到一個外部電壓,外部電壓可以有較大的尖峰信號或者高 于VDD,開關(guān)234可以在OUT端口和IN端口得到保護(hù)以避免高電壓,IN 接收升壓時鐘HCK。
n-通道傳輸晶體管12平行于在IN和OUT之間的p-通道傳輸晶 體管IO、 20,形成一個傳輸門。當(dāng)ENA為高時,所有傳輸晶體管IO、 12、 20是打開的。當(dāng)ENA為低時,所有傳輸晶體管IO、 12、 20是關(guān)閉的。在 IN和OUT之間有串聯(lián)的p-通道傳輸晶體管10、 12,能夠在這兩個方向上 提供保護(hù)以避免高電壓。
當(dāng)ENA為高時,反相器(inverter) 24在晶體管20、 22的柵 極上驅(qū)動至低,打開p-通道傳輸晶體管20并關(guān)閉n-通道接地晶體管22。 信號ENA也驅(qū)動n-通道接地晶體管16的柵極和p-通道去能晶體管14的 柵極。當(dāng)ENA為高時,ENA使p-通道傳輸晶體管10的柵極被晶體管16 驅(qū)動接地。因此,當(dāng)ENA為高時,這兩個傳輸晶體管10、 20被打開。
當(dāng)ENA為低時,反相器24在晶體管20、 22上驅(qū)動至高,關(guān) 閉p-通道傳輸晶體管20并打開n-通道接地晶體管22,其將傳輸晶體管10、20之間的節(jié)點接地。低ENA也關(guān)閉n-通道接地晶體管16并打開p-通道去 能晶體管14。由于p-通道去能晶體管14短路柵極到p-通道傳輸晶體管10 的源極,柵極-到-源極的電壓為零,關(guān)閉p-通道傳輸晶體管10。因此,當(dāng) ENA為低時,這兩個傳輸晶體管IO、 20被關(guān)閉。
p-通道傳輸晶體管20的襯底極或阱端被連接到OUT。因此, 在OUT上的任何高電壓也被施加到p-通道傳輸晶體管20的襯底極節(jié)點。 p-通道傳輸晶體管10和p-通道去能晶體管14的襯底極或阱端被連接到IN。 由于IN是升壓時鐘HCK, IN可以高于VDD。因此,晶體管10、 14、 20 的基極和源極端各自被連接到其源極/漏極上的最高電壓,因為其它源極/ 漏極被接地晶體管22或接地晶體管16接地。
圖7是一個升壓器的結(jié)構(gòu)圖。升壓器240 (如圖3-4)接收一個 時鐘CLK,其在接地和供電電壓VDD之間擺動,并產(chǎn)生一個升壓時鐘 HCK,其在接地和升壓VDD+Vtn之間。
反相器30確保電容器36、 38通過時鐘被驅(qū)動至相反狀態(tài)。時 鐘電壓的擺動通過電容器36、 38而將n-通道雙穩(wěn)態(tài)晶體管32、 34的雙穩(wěn) 態(tài)切換到相反狀態(tài)。n-通道雙穩(wěn)態(tài)晶體管32、 34的柵極和漏極是交互連接 的。n-通道雙穩(wěn)態(tài)晶體管32、 34的漏極將電容器36、 38的頂板再充電到 VDD —Vtn。
當(dāng)電容器38通過反相器38從接地而被驅(qū)動到VDD時,電容 器38的另一側(cè)從VDD - Vtn被驅(qū)動到2VDD-Vtn,除去諸如由電容器耦合 比率和滲漏引起的任何損失。當(dāng)時鐘CLK為低時,p-通道泵晶體管42打 開,驅(qū)動電容器38上的升壓到HCK。當(dāng)CLK為高時,p-通道泵晶體管42 關(guān)閉,而n-通道晶體管40打開以驅(qū)動HCK至低。
p-通道泵晶體管42的襯底極節(jié)點(bulk node)是由反相器44、 n-通道雙穩(wěn)態(tài)晶體管52、 54和電容器56、 58的第二泵驅(qū)動。當(dāng)CLK為高 時,p-通道泵晶體管42的襯底極(bulk)和源極都由升壓驅(qū)動。
圖8是圖3升壓電池充電調(diào)節(jié)器的運行波形。當(dāng)節(jié)點A的電壓高于節(jié)點B時,AGB為高,直到時間T2,節(jié)點A跌到低于節(jié)點B, AGB走低。在時間T2之前,高AGB允許EN走高且ENB走低。開關(guān)234是打開的,而開關(guān)232是關(guān)閉的(圖3),允許升壓時鐘被驅(qū)動到柵極節(jié)點NG1上,而第二柵極節(jié)點NG2仍然接地。節(jié)點A上的更高電壓允許電流流經(jīng)功率晶體管250到節(jié)點B。因此,節(jié)點B從時間0到時間Tl跟隨更高電壓的節(jié)點A,盡管由于NG1脈沖在節(jié)點B上看到有階梯狀。當(dāng)節(jié)點A的電壓小于節(jié)點B時,AGB為低,在時間T2之后,低AGB驅(qū)動ENB至高,以及在時間T2之后驅(qū)動EN為低。開關(guān)234是關(guān)閉的,而開掛232是打開的(圖3),允許升壓時鐘被驅(qū)動到第二柵極節(jié)點NG2,而柵極節(jié)點NG1在幾個時鐘周期內(nèi)被放電至接地。盡管在節(jié)點B上的電壓較高,柵極節(jié)點NG1上的低電壓關(guān)閉功率晶體管250,避免電流流到節(jié)點A。節(jié)點B與節(jié)點A隔離。
備選實施例本發(fā)明還考慮了一些其它實施例。例如,開關(guān)、比較器、升壓器等,可以以各種方式實施。雖然己經(jīng)描述了脈沖充電,使用升壓時鐘HCK來驅(qū)動功率晶體管250的柵極打開和關(guān)閉,但是也可以設(shè)計一個線性充電器。不同于脈沖HCK,當(dāng)CLK走低時HCK仍然為高。功率晶體管250的柵極電壓可以被設(shè)計成使功率晶體管250在飽和區(qū)或線性區(qū)上運行。對于節(jié)點A、 B上典型電壓,脈沖充電器可以在飽和區(qū)輸送脈沖HCK和偏壓功率晶體管250,但是線性充電器在線性區(qū)不會輸送脈沖HCK和偏壓功率晶體管250。雖然已經(jīng)描述了節(jié)點A、 B的電壓是"A大于B"或"A小于B",但是相等或接近相等的電壓也可以產(chǎn)生"A大于B"或"A小于B"的結(jié)果,取決于準(zhǔn)確的偏壓和偏移,故意的和寄生的。準(zhǔn)確的電壓可能隨過程、溫度和供電電壓條件的不同而變化。選擇A^B信號,SAB,可以由一個感應(yīng)電路驅(qū)動,其確定充電器何時被物理地或電插入到便攜式裝置內(nèi)。例如,到充電器的電纜插銷可以物理地移動一個小型感應(yīng)器開關(guān)或插針,其產(chǎn)生SAB信號。當(dāng)充電器被連接時,SAB可以被驅(qū)動至高,允許電流從節(jié)點A上的充電器流到節(jié)點B上的電池。當(dāng)充電器未被連接時,SAB可以被驅(qū)動至低,允許電流從節(jié)點B上的電池流到節(jié)點A上的便攜式電子裝置負(fù)載。在這兩種情況下可以保護(hù)電池免受在未選擇方向上的電流流動??梢栽黾与娙萜?、電阻器和其它濾波元件。也可以增加開關(guān),如n-通道晶體管、p-通道晶體管、或具有平行n-通道和p-通道晶體管的傳輸門。電路可以被倒轉(zhuǎn),可以使用n-通道而不是p-通道晶體管,可以使用p-通道而不是n-通道晶體管。晶體管的阱或基極可以被連接到一個公共偏壓電壓,或者每個晶體管可以將其源極和阱連接在一起??梢允褂酶鞣N組合方式。+、-輸入可以交換而顛倒比較器輸出,或交換其它內(nèi)部連接。其它觸發(fā)器和比較電路可以被替換,如使用一個J-K觸發(fā)器、一個設(shè)置-重置鎖存器、 一個切換觸發(fā)器、或一個具有D-輸入接地的D-型觸發(fā)器的時鐘和重置輸入。其它類型的雙穩(wěn)態(tài)元件也可以被替換。可以添加標(biāo)準(zhǔn)反相器和緩沖器或邏輯門以產(chǎn)生期望的延遲和時鐘。盡管觸發(fā)器或鎖存器已經(jīng)被用來鎖存比較器輸出,但是這種鎖存可以被去除,并解鎖由控制電路使用的比較結(jié)果以產(chǎn)生選通信號。 —些元件可以不出現(xiàn)在實際電路里,但在結(jié)構(gòu)里是理想化的元件。例如,負(fù)載204可以代表一個實際裝置的一個負(fù)載,其可能有復(fù)雜配置的幾千個晶體管,而不是單個晶體管接地。元件可以被去除或應(yīng)用作為其它電路的一部分。在不同節(jié)點上可以添加額外的元件,如電阻器、電容器、感應(yīng)器、晶體管等,或者也可以出現(xiàn)寄生元件。啟動和停用電路可以與額外晶體管或以其它方式實現(xiàn)??梢蕴砑觽鬏旈T(pass-gate)晶體管或傳輸門用于隔離。可以添加反相或額外緩沖。在電路仿真或現(xiàn)場測試之后,可以選擇晶體管或電容器的最終尺寸。金屬掩膜選擇或其他可編程元件可被用來選擇最終的電容器、電阻器或晶體管的尺寸。雖然已經(jīng)描述了互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)晶體管,其它晶體管技術(shù)和變種可以替代,可以使用不同于硅的材料,如砷化鎵(GaAs)和其它變種。雖然已經(jīng)描述了正向電流,但是電流可以是正的或者負(fù)的,因為在一些案例里電子或空穴可以考慮為載流子。當(dāng)參照相反極性的載流子時,充電和放電可以是互換的術(shù)語。電流可以相反方向流動。時鐘可以在高狀態(tài)時激活或在低狀態(tài)時激活,并且可以被反相、緩沖或使用其它信號如邏輯門來鑒定。晶體管的源極和漏極節(jié)點是可互換的,取決于當(dāng)前施加到晶體管的偏壓。因此,某個偏壓條件下漏極可以充當(dāng)源極或其它偏壓條件下的漏極。同樣,當(dāng)使用源極這個詞語時時,可以理解此源極有時可以充當(dāng)一個漏極,其它時候可以充當(dāng)一個源極。源極和漏極可以交換使用,則使用更準(zhǔn)確的詞語"源極/漏極"。充電/放電調(diào)節(jié)器206和其它電路可以使用由電池、充電器或可切換電源、或其它電源供電的電壓。雖然已經(jīng)描述了一個升壓VDD+Vtn,但升壓值可以有其他高于VDD的值,并且由于電容耦合比率、滲漏等的損耗,也可以不同于理論值。理論升壓可以是2n^DD,但一些損耗可能降低實際升壓到一個接近VDD+Vtn的水平。本發(fā)明背景部分可能包含有關(guān)本發(fā)明問題或環(huán)境的背景信息,而不是由其他人描述的現(xiàn)有技術(shù)。因此,在背景部分包含的材料并不是申請者接納的現(xiàn)有技術(shù)。在此所述的任何方法或過程是機(jī)器執(zhí)行的或計算機(jī)執(zhí)行的,并意在通過機(jī)器、計算機(jī)或其它裝置執(zhí)行,而不是意在只通過人類而不需要機(jī)器協(xié)助執(zhí)行。產(chǎn)生的有形結(jié)果可能包括報告或其它機(jī)器產(chǎn)生的展示,顯示在顯示器設(shè)備上如計算機(jī)監(jiān)控器、投影儀裝置、聲音產(chǎn)生裝置以及相關(guān)的媒體裝置,并可能包括同樣是機(jī)器產(chǎn)生的硬拷貝打印輸出。其它機(jī)器的計算機(jī)控制是另一個有形結(jié)果。披露的任何優(yōu)勢和好處可能不適用于本發(fā)明的所有實施例。詞語"裝置"是以一個權(quán)利要求要素進(jìn)行敘述。經(jīng)常有一個或多個詞語在"裝置"之前。先于"裝置"的詞語是一個容易參照權(quán)利要求元素的標(biāo)記,其不是意在傳達(dá)一個結(jié)構(gòu)限制。這種裝置-加-功能的權(quán)利要求不僅包括在此所述的用來執(zhí)行功能及其結(jié)構(gòu)等價物的結(jié)構(gòu),而且包括同等的結(jié)構(gòu)。例如,盡管釘和螺絲有不同的結(jié)構(gòu),但它們是同等結(jié)構(gòu),因為它們都執(zhí)行固定的功能。前面已經(jīng)陳述的本發(fā)明的實施例是為了描述和說明。這不是意在限制本發(fā)明為在此披露的格式。在以上的敘述里,可以進(jìn)行許多改進(jìn)和變化。本發(fā)明的范圍并不受制于此詳述,但受制于所附的權(quán)利要求。
權(quán)利要求
1.一個電池保護(hù)電路,包括一個電池節(jié)點,用來連接到一個電池端口;一個充電器節(jié)點,用來連接到一個對電池充電的充電器端口;一個功率晶體管,其有一個通道連接在電池節(jié)點和充電器節(jié)點之間,以及有一個控制所述通道的柵極,所述柵極被連接到第一柵極節(jié)點;一個比較器,其有被連接到電池節(jié)點和充電器節(jié)點的輸入,用來從電池節(jié)點和充電器節(jié)點之間的電壓差而產(chǎn)生一個比較輸出;一個控制電路,其從比較器的接收比較輸出,并產(chǎn)生第一選通信號和第二選通信號;一個升壓器,其接收一個時鐘,用來產(chǎn)生一個升壓時鐘,所述升壓時鐘的電壓高于所述時鐘的電壓;第一開關(guān),從升壓器接收升壓時鐘,施加所述升壓到第一柵極節(jié)點以回應(yīng)第一選通信號;一個柵耦合晶體管,其有一個通道連接在充電器節(jié)點和第一柵極節(jié)點之間,以及有一個控制所述通道的柵極,所述柵極被連接到第二柵極節(jié)點;第二開關(guān),從升壓器接收升壓時鐘,施加所述升壓時鐘到第二柵極節(jié)點以回應(yīng)第二選通信號;和一個接地晶體管,當(dāng)?shù)诙_關(guān)沒有施加升壓時鐘到第二柵極節(jié)點時,其連接第二柵極節(jié)點到接地;當(dāng)?shù)诙x通信號被激活并且第一選通信號未激活時,所述功率晶體管被柵耦合晶體管偏壓而關(guān)閉并隔離電池節(jié)點和充電器節(jié)點。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池保護(hù)電路,其中當(dāng)?shù)谝贿x通信號未激活時通過提供一個高阻抗輸出到第一柵極節(jié)點,第一開關(guān)隔離第一柵極節(jié)點和升壓時鐘;其中當(dāng)?shù)诙x通信號未激活時通過提供一個高阻抗輸出到第二柵極節(jié)點,第二開關(guān)隔離第二柵極節(jié)點和升壓時鐘;由此當(dāng)未激活時,高阻抗輸出是由第一開關(guān)和第二開關(guān)提供。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電池保護(hù)電路,其中功率晶體管是一個n-通 道晶體管。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電池保護(hù)電路,其中柵耦合晶體管和接地晶 體管是n-通道晶體管。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的電池保護(hù)電路,其中充電器節(jié)點也連接到一 個便攜式電子裝置的一個供電輸入,當(dāng)功率晶體管被激活時便攜式電子裝 置是由電池供電。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池保護(hù)電路,其中控制電路還包括 一個鎖存器,用來存儲比較器的比較輸出,鎖存器產(chǎn)生第一選通信號和第二選通信號。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的電池保護(hù)電路,其中鎖存器是一個由時鐘控 制的觸發(fā)器。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池保護(hù)電路,其中控制電路還產(chǎn)生第三選 通信號;其中在一個連接第一狀態(tài)期間,控制電路激活第一選通信號并使第二 選通信號和第三選通信號未激活;其中在一個隔離第二狀態(tài)期間,控制電路激活第二選通信號并使第一 選通信號和第三選通信號未激活;其中在一個隔離第三狀態(tài)期間,控制電路激活第三選通信號并使第一 選通信號和第二選通信號未激活。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的電池保護(hù)電路,其中控制電路還包括一個方向控制輸入,其指示流經(jīng)功率晶體管的通道里一個預(yù)期電流流 動的方向;其中當(dāng)方向控制輸入指示一個正向方向時,當(dāng)比較輸出處于"真(True)"狀態(tài)時,控制電路激活連接第一狀態(tài),而當(dāng)比較輸出處于"偽 (False)"狀態(tài)時,控制電路激活隔離第二狀態(tài);其中當(dāng)方向控制輸入指示一個反向方向時,當(dāng)比較輸出處于"偽 (False)"狀態(tài)時,控制電路激活連接第一狀態(tài),而當(dāng)比較輸出處于"真 (True)"狀態(tài)時,控制電路激活隔離第三狀態(tài);由此隔離第二狀態(tài)被激活用于正向方向,而隔離第三狀態(tài)被激活用于 反向方向。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的電池保護(hù)電路,還包括 一個逆柵耦合晶體管(reverse gate-coupling transistor),有一個通道連接在電池節(jié)點和第一柵極節(jié)點之間連接,以及有一個控制該通道的柵極, 柵極被連接到第三柵極節(jié)點;第三開關(guān),從升壓器接收升壓時鐘,并施加該升壓時鐘到第三柵極節(jié) 點以回應(yīng)第三選通信號;和一個逆接地晶體管,當(dāng)?shù)谌_關(guān)沒有施加升壓時鐘到第三柵極節(jié)點時, 其連接第三柵極節(jié)點到接地;由此功率晶體管被逆柵耦合晶體管偏壓,以在第三選通信號被激活時 而關(guān)閉。
11. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的電池保護(hù)電路,其中逆柵耦合晶體管和逆 接地晶體管是n-通道晶體管。
12. —個放電保護(hù)器,包括 一個外部節(jié)點; 一個保護(hù)節(jié)點;一個n-通道功率晶體管,其有一個柵極被連接到第一柵極節(jié)點、 一個 漏極被連接到該外部節(jié)點、以及一個源極被連接到該保護(hù)節(jié)點;一個柵耦合晶體管,有一個柵極被連接到第二柵極節(jié)點、 一個漏極被 連接到外部節(jié)點、以及一個源極被連接到第一柵極節(jié)點;一個接地晶體管,其有一個柵極至少部分地是由第一選通信號控制、 一個漏極被連接到第二柵極節(jié)點、以及一個源極被連接到接地節(jié)點;一個控制電路,其產(chǎn)生第一選通信號和第二選通信號;一個升壓器,其接收一個時鐘并產(chǎn)生一個升壓時鐘,該升壓時鐘有一 個升壓,其高于供電電壓;第一開關(guān),當(dāng)?shù)谝贿x通信號激活時,其連接升壓時鐘到第一柵極節(jié)點, 而當(dāng)?shù)谝贿x通信號未激活時,其隔離第一柵極節(jié)點和升壓時鐘;和第二開關(guān),當(dāng)?shù)诙x通信號激活時,其連接升壓時鐘到第二柵極節(jié)點, 而當(dāng)?shù)诙x通信號未激活時,其隔離第二柵極節(jié)點和升壓時鐘。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的放電保護(hù)器,其中控制電路還包括 一個比較器,其比較外部節(jié)點和保護(hù)節(jié)點的電壓以產(chǎn)生一個比較輸出。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的放電保護(hù)器,還包括一個逆柵耦合晶體管,其有一個柵極被連接到第三柵極節(jié)點、 一個漏 極被連接到保護(hù)節(jié)點、以及一個源極被連接到第一柵極節(jié)點;一個逆接地晶體管,其有一個柵極至少部分是由第一選通信號控制、 一個漏極被連接到第三柵極節(jié)點、以及一個源極被連接到接地節(jié)點;第三開關(guān),當(dāng)?shù)谌x通信號激活時,其連接升壓時鐘到第三柵極節(jié)點, 而當(dāng)?shù)谌x通信號未激活時,其隔離第三柵極節(jié)點和升壓時鐘;其中控制電路也產(chǎn)生第三選通信號。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的放電保護(hù)器,其中柵耦合晶體管、逆柵耦 合晶體管、接地晶體管、和逆接地晶體管各自包括一個n-通道晶體管。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的放電保護(hù)器,其中第一開關(guān)包括 第一p-通道串聯(lián)傳輸晶體管,其有一個柵極被連接到第一p-柵極節(jié)點、一個漏極被連接到中間節(jié)點、以及一個源極被連接到升壓時鐘、以及一個 襯底極(bulk)被連接到升壓時鐘;第二 p-通道串聯(lián)傳輸晶體管,其有一個柵極被連接到第一選通信號的 逆相、 一個漏極被連接到第一柵極節(jié)點、以及一個源極被連接到中間節(jié)點、和一個襯底極被連接到第一柵極節(jié)點;第一n-通道傳輸晶體管,其有一個柵極被連接到第一選通信號、 一個 源極被連接到第一柵極節(jié)點、以及一個漏極被連接到升壓時鐘;第一p-通道短路晶體管,其有一個柵極被連接到第一選通信號、 一個 源極被連接到升壓時鐘、以及一個漏極被連接到第一p-柵極節(jié)點、和一個 襯底極被連接到升壓時鐘;和第一 n-通道開關(guān)接地晶體管,其有一個柵極被連接到第一選通信號、 一個漏極被連接到第一 p-柵極節(jié)點、以及一個源極被連接到接地節(jié)點;一個中間n-通道開關(guān)接地晶體管,其有一個柵極被連接到第一選通信 號的逆相、 一個漏極被連接到中間節(jié)點、以及一個源極被連接到接地節(jié)點。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的放電保護(hù)器,其中第二開關(guān)包括第二p-通道傳輸晶體管,其有一個柵極被連接到第二p-柵極節(jié)點、一 個漏極被連接到第二柵極節(jié)點、以及一個源極被連接到升壓時鐘;第二n-通道傳輸晶體管,其有一個柵極被連接到第二選通信號、 一個 源極被連接到第二柵極節(jié)點、以及一個漏極被連接到升壓時鐘;第二p-通道短路晶體管,其有一個柵極被連接到第二選通信號、 一個 源極被連接到升壓時鐘、以及一個漏極被連接到第二p-柵極節(jié)點、和一個 襯底極被連接到升壓時鐘;和第二 n-通道開關(guān)接地晶體管,其有一個柵極被連接到第二選通信號、 一個漏極被連接到第二 p-柵極節(jié)點、以及一個源極被連接到接地節(jié)點。
18. —個集成的脈沖電池充電器,包括 第一端口,用來連接到一個充電器; 第二端口,用來連接到一個電池;傳輸晶體管裝置,用來在第一端口和第二端口之間傳導(dǎo)電流以回應(yīng)第 一柵極節(jié)點;比較裝置,用來比較第一端口和第二端口的電壓以產(chǎn)生一個比較輸出; 控制電路裝置,接收比較輸出,用來產(chǎn)生第一選通信號和第二選通信號;柵耦合晶體管裝置,用來在第一端口和第一柵極節(jié)點之間傳導(dǎo)電流以 回應(yīng)第二柵極節(jié)點;接地晶體管裝置,用來在第二柵極節(jié)點和接地節(jié)點之間傳導(dǎo)電流以回 應(yīng)一個至少部分由第一選通信號控制的柵極;升壓裝置,接收一個時鐘,用來產(chǎn)生一個升壓時鐘,其有一個高電壓 超過供電電壓;第一開關(guān)裝置,用來驅(qū)動升壓時鐘到第一柵極節(jié)點上以回應(yīng)第一選通 信號;和第二開關(guān)裝置,用來驅(qū)動升壓時鐘到第二柵極節(jié)點上以回應(yīng)第二選通 信號;由此電池是在升壓時鐘的高脈沖期間由充電器進(jìn)行充電。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的集成脈沖電池充電器,其中功率晶體管裝 置、柵耦合晶體管裝置、以及接地晶體管裝置各自包括一個n-通道晶體管。
20. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的集成脈沖電池充電器,還包括第二柵耦合晶體掛裝置,用來在第二端口和第一柵極節(jié)點之間傳導(dǎo)電 流以回應(yīng)第三柵極節(jié)點;第二接地晶體管裝置,用來在第三柵極節(jié)點和接地節(jié)點之間傳導(dǎo)電流 以回應(yīng)一個至少部分是由第一選通信號控制的柵極;第三開關(guān)裝置,用來驅(qū)動升壓時鐘到第三柵極節(jié)點以回應(yīng)第三選通信號;其中控制電路裝置還用來產(chǎn)生第三選通信號。
全文摘要
充電/放電保護(hù)電路保護(hù)電池免受在充電器節(jié)點上發(fā)生的疏忽短路,充電器節(jié)點可能連接到一個充電器或連接到一個便攜式電子裝置的供電電源。單個n-通道功率晶體管有一個柵極,其控制電池和充電器節(jié)點之間的一個通道。該柵極通過一個柵耦合晶體管被連接到充電器節(jié)點以關(guān)閉功率晶體管,并提供電池隔離。該柵極通過一個開關(guān)由一個升壓時鐘驅(qū)動,該開關(guān)由一個選通信號激活。選通信號同樣激活一個接地晶體管以將柵耦合晶體管的一個柵極接地。一個比較器比較充電器和電池節(jié)點的電壓,并且比較結(jié)果被鎖存以產(chǎn)生選通信號。一個逆選通信號激活第二開關(guān),第二開關(guān)驅(qū)動升壓時鐘到柵耦合晶體管的柵極以關(guān)閉該功率晶體管。
文檔編號H02H7/18GK101630834SQ20091016526
公開日2010年1月20日 申請日期2009年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月16日
發(fā)明者吳植偉, 溫皓明, 王一濤, 鄺國權(quán) 申請人:香港應(yīng)用科技研究院有限公司