快速充电和高效率切换充电器具有连续内置电阻检测和自动能量输送控制用于便携式电子产品
摘要:连续内置电阻检测（CBIRD）是基于开关的充电器系统中实现快速充电提出的. 对应于内置电阻（BIR）变化的锂离子电池和输入的充电电流限制能量，CBIRD动态调整转换电压在恒定电流（CC）模式。结果，转型可以从CC模式到恒定电压（CV）模式的定时推迟。额定大充电电流和延长时间CC模式有效减少充电时间。此外，建议自动能量输送控制（AEDC）技术考虑同时加载系统和电池状态进行管理根据装载系统的要求进行充电并为高效率充电输入供电能量。所提出的基于开关的充电器系统以0.25mu;m制造CMOS工艺占用3mm面积的硅片。 充电器系统可节省高达40％的充电时间。 充电器系统达到峰值功率效率的87％，当前是规定额定1A充电.
1.介绍
便携式设备已经变得流行和普及。电池供电的智能手机和平板电脑便携式设备需要多个DC-DC转换器供电许多不同的芯片组和功能。快速高效的电池充电对于满足复杂性而言变得非常重要电源要求。因此，嵌入式电源管理系统（PMS）[1]在便携式设备中经常被要求以满足不同的功率要求. PMS中的能量传递控制器用于安排功率路径，以最佳地分配能量到每个块。之后，多个DC-DC转换器可以转换不同的电源各种功能块。 充电器电路管理电池充电程序。 结果，稳定和持续的能量从电源和电池支持多个DC-DC转换器为不同的功能块提供足够和分配的功率。考虑到充电器的设计系统，低压降（LDO）调节器通常使用基于调节器的结构. 基于LDO的充电器具有以下优点：无纹波，尺寸紧凑，精度高，但受损大,由于大的掉电电压[2] - [8]，效率较低。相反，基于开关的充电器可以保证高电平在宽输入和输出电压范围内的效率[9] - [14]具有额外的外部组件的缺点。在便携式电器中，锂离子（Li-ion）电池是最常见的选择是由于其体积小，容量大充电能力[15]。 由于锂离子的特性,电池组，整个锂离子电池充电系统本身具有几个寄生电阻，包括接触电阻，保险丝电阻，PCB线迹电阻和电池串联电阻，如图所示。所有寄生电阻可以集中称为内置电阻（BIR）。 在锂离子电池中充电器系统可根据不同类型的锂离子电池和PCB布局从100米到500米不等。此外，BIR对收费过程有一定的影响。 一个大的充电电流将导致很大的电压降BIR。 因此，这种影响被称为BIR效应与BIR值和充电电流有关，如图所示. 一般来说，标准收费程序锂离子电池包括涓流（TC）模式，恒流（CC）模式和恒压（CV）模式[2][6]。 CC模式是主要的充电程序由于大额定充电电流。 以往的过渡不同的充电模式取决于电池电压。 达到电压时，即为
转换电压接近电池的全电压充电器将充电模式从CC模式更改为CV模式。在CV模式下,充电电流会减少来缓慢达到充电全电压,防止电池过冲. 充电曲线包括典型的CC和CV模式BIR效果。 在充电过程中，电池电压是BIR之间的电压之和和正好代表能量的电压储存在电池中。 但是，只能使用电池电压在感觉上。 由于BIR效应，早期转换时间从CC模式发生到CV模式。 太早期转型将导致CC模式缩短期限延长充电时间。 这是由于充电电流在CV模式下比CC模式小得多。 其他如果持续时间在CC中，则可以实现快速充电模式. 为了确定适当的转换点，命名为Vfull在本文中，为了快速充电，有很多以前的作品提出通过扩展来取消BIR效果CC充电时间[6] - [8]，[16]。 如果可以估计带有充电电流信息的BIR值，则压降横跨BIR可以确定。 因此，一个适当的过渡从CC模式到CV模式的点可以精确导出，延长CC模式的周期以获得大的能量和快速充电。通过产生补偿电压而不是常规转换电压，CC模式周期为如图1所示。图2（b）。在[6]和[8]中，BIR补偿方法是为一个基于LDO的充电器充电器调节充电电流对BIR检测采样时间。根据充电电流与电池输出的关系电压，可以获得BIR信息。用于减轻BIR效应的现有技术简单地通过充电程序中的一次BIR检测来完成。不幸的是，BIR效应是温度，电压和环境依赖的。如如图1所示。如图3（a）所示，锂离子电池在下方变化不同的环境条件，特别是不同的温度。在充电过程中，电流大进入电池并使电池升温。是温度依赖的，因此一次性检测可能导致错误的补偿值。减轻BIR效应并不明显。更严重的是，不正确补偿BIR效应可能导致过度收费，甚至是永久性的电池损坏或爆炸。换句话说，一次性在充电过程中检测不能处理这种不确定的环境变化。自适应补偿跟踪温度的变化并实现精确的补偿，如图1所示。图3（b）。因此，需要BIR的实时检测来准确地减轻BIR,效果[9]。在本文中，提出了一种基于开关的充电器系统，提出了自动能量输送控制（AEDC）
用于快速充电和高效率。 AEDC设计以控制输入能量之间的能量传输，多个DC-DC转换器和充电器系统。建议充电器系统自动感应加载系统能量消耗。AEDC提供输入电源,首先加载系统，并给出剩余的可用功率为电池充电。 提出的连续BIR检测器（CBIRD）动态监控BIR值以确定适当的过渡点，在整个充电过程中，CBIRD将实时调整转换点在BIR的任何小变化的情况下实现快速和安全充电.
2. 具有AEDC的充电系统的结构
基于交换的架构[13] - [15]，[17]充电器系统包括AEDC和充电器电路.AEDC中的传送路径组成的电源开关。 便携式系统可以由电池或外部电源（适配器，通用串行总线（USB）等）。 根据不同的力量条件，AEDC必须决定合适的供电通过功率级平衡输入能量和系统加载。 如果外部电源有足够的能量驱动装载系统，同时电池充电可以进行额定充电。 另一方面，如果能量源不足以满足充电和负载要求，充电过程因系统而异加载。 拟议的BIR效应应得到缓解CBIRD在充电器电路中自适应。为了满足所有的电力条件，有四个操作
状态.这四个操作状态是纯电荷状态，直接供应状态，关闭状态，充电和供应（CAS）状态。 图5显示了每个状态下的电源路径。 每状态对应于不同的输入和输出关系。 在一般来说，输入电源具有最大功率限制。 因此，充电系统的首要任务是保持后续系统正常工作。 根据约束的输入功率和系统负载信息，AEDC中的能量传递控制电路将产生门控制信号以通知功率级和充电器系统以执行适当的功率状态。 充电器电路将协作与AEDC电路同时调节充电
电池充电电流。 各操作状态的详细说明如下。
a.纯电荷状态
当装载系统关闭或断开时充电器系统，唯一的负载是电池。来自的能量输入电源完全传送到电池和构成纯粹的充电状态。 在此期间，收费电流受电池额定充电电流的限制。
b.直接供应状态
当输入电源连接到充电器系统时，即使电池正常，装载系统也能正常工作除去。 也就是说，输入电源可以提供能量直接到系统。 当这种情况也可能发生电池充满电。 充电器系统会持续监控电池状态。 如果电池连接到充电器系统再次或电池需要能量，充电状态将会快速切换到CAS状态.
c.关闭状态
便携式系统将电池作为电源一旦输入电源断开。 因此，充电器系统需要提供从电池到装载系统的电力输送路径。 此外，电池应该是一旦电池电压断开装载系统达到其下限以保护电池不被存在过度放电。
d.充电和供应状态
充电功能和正常系统供电操作可以同时工作，如果能量提供的能量输入电源大于装载所需的电源系统。这里，由输入功率提供的最大功率来源定义为Pin功耗加载系统是Psystem，并且电池充电电源是Pcharge，这种状态可以分为两种情况Pin和Psystem和Pcharge之间的关系。首先，如果PIN大于PSTSYEM和PCHARGE的和。输入电源可以承受由装载系统消耗的总功率给电池充电。相反，如果总功耗超过最大功率，即pin小于psystem和pcharge的和，系统的功耗将优先于充电功能。建议的CAS状态可以减少电池充电电流，以满足电力需求。用于维护装载系统的运行。因此，输入电源可以通过调节电池充电电力来避免过载。那是，。换句话说，电池充电电流由表示的CAS状态。如图6所示，CAS状态表明充电电流相应地受到限制。也就是说，充电器系统无法以额定电流对电池充电。充电电流将是分布式结果。仔细控制充电电流以提取剩余电量。不影响装载系统的要求，AEDC不低于其最大值。
在图1所示的充电器电路中。有三个并行循环：CC循环，CV循环和CAS循环。这三个循环
将对应不同的充电操作模式。在里面CC模式下，电池应以恒定电流充电。因此，由电流传感器和作为EA_CC的误差放大器（EA）组成的CC环路按预定的当前设定值进行调整。 CV循环感知信息反馈电阻和。通常代表一个分裂电池的全电压如（3）所示，充电器电路进入CV模式。
但是，根据BIR效应补偿，将会由CBIRD电路修改。 CBIRD感觉到计算适合消除充电器系统中的BIR效应。 CAS循环从供电电流传感器获得供电电流限制充电电流。 参考电压
代表最大值。 当装载系统的电流上升并达到CAS的上限时循环将开始操作并通过调整控制。总计充电电流。 在充电器的操作系统中，只有一个循环将一次激活。因此，平滑过渡循环选择器（STLS）可以改变在三个环路之间的过渡期间平滑循环[10]。无论哪个循环占主导地位，只有一个具有片上补偿器的共享EA确保了稳定性所有环路都使得额外的部件减少。 最后，由EA生成的反馈信号被发送到比较器确定职责。逻辑电路和驱动器模块产生用于功率MOSFET的驱动信号，以避免直通电流。
在CAS状态下，随装载系统而变化是不可预测的。这种变化可能导致BIR效应的补偿更加复杂。在充电过程中。为了补偿BIR效应，充电系统也应考虑充电电流信息。常规一次性检测方法，如图1所示。 7（a），会导致错误当充电器工作在CAS状态[6] - [8]，[16]。它导致过充电，甚至电池的永久性损坏。CAS模式下的充电电流变化不同环境条件下的BIR变化
需要自适应调整补偿电压。该建议CBIRD收集信息的近期充电电流并持续监控BIR值产生准确和自适应补偿。如图7（b）所示充电电流的变化。最佳值可以是实现了准确补偿BIR效应并缩短锂离子电池的充电时间。
3.理想CBIRD的具体实现电路
a. CBIRD操作
从基于开关转换器的特性来看，如图1所示。输出电压由组成两部分组成，直流电压和交流纹波。纹波由电感电流产生通过电池。由于电池的等效电容器足够大，所以电压波纹可以忽略。 输出电压纹波电池大概可以看作（5）中由电感电流下的BIR决定的。为了补偿BIR效应，应首先推导出来补偿。可以连续生成补偿。 提出的检测和补偿方法与现有技术相比，不会中断充电过程[6] - [8]。所提出的CBIRD方法来自于交流纹波不会影响充电过程。 连续检测可以实现自适应补偿。基于开关的充电器类似于连续工作.导通模式降压转换器[17]。两个电感电流充电和放电阶段的斜坡构成交流电压波纹，可用于披露信息的BIR。通过区分，直流部分将被消除，并且BIR上的电压纹波的斜率可以被导出为（6）其中，其表示两个级联功率开关上的输入电压之后的电压值并且如图1所示。 Vrise和Vfall是充电中的电感电流斜率和放电阶段。是由微分电路引起的系数。 Vrise和Vfall之间的区别包括（7）所示的信息：此外，充电电流可以通过图1中的电流检测电路派生。传感比是在这个工作中设计的。因此，可以通过（8）通过产品的电流检测信号和。由于到k，VR和L的常数值，可以通过k，VR和L的估计精确计算。添加比例因子，精确的转换点被导出为（9）。
提出的CBIRD电路设计为实现的方程。图9描绘了实现电路的流程CBIRD功能。 它包括微分器，采样保持（S / H）减法器，模拟乘法单元（AMDU）和电压加法器。 首先，使用微分器以获得和（6）之后的交流纹波滤除直流电压。 S / H减法器采样并在（7）中保持差值。 然后，通过AMDU电路，乘法函数相乘与分割功能得到（8）。 通过电压加法器，将按比例缩小分压比然后加上来完成在（9）中。 最后，作为参考图。.实施CBIRD电路。图。 拟议的微分电路。电压动态调整模式转换点，以补偿BIR效应。
b.CBIRD电路实现
1.微分器：图1中的微分器。 10使用耦合电容以阻断直流分量获取AC信息。 EA和晶体管在输入节点维持一个直流电平。因此，只有交流电压信息被转换成电流信号电压控制电流源（VCCS）电路。上升和下降电压纹波信息，并可以得到了节点。对应充电和放电阶段，微分器输出，分别。并遵循（6）中的等式。因为差异化者需要建立时间才能确保在它之间变它的价值。S / H减法器的定时应该匹配微分器得到正确和精确。该共模电平可能因工艺，电压而异和温度（PVT）变化。但是，共同的水平不会影响分化结果，因为只有差异之间和将被采样和计算为BIR信息。
2.采样保持（S / H）减法器： 11，
S / H减法器电路对微分器的输出进行采样充放电阶段。通过选择采样充电和放电阶段的路径，减法（7）中的功能可以同时实现。如图所示图。 12，采样时钟，OS1和OS2控制MOSFET进行采样。在充电阶段，并打开并存储在。在里面放电阶段，并打开和商店的值，等于根据
到基尔霍夫电压定律（KVL）。
3.模拟乘法器单元（AMDU）：图13（a）显示了由两个V-to-I转换器（V转换器和V转换器），一个比较器和一个比较器组成的AMDU电路的基本结构和概念。开关V转换器转换为（10）充电斜坡充电。同样，V转换器转换为充电（10）中的充电斜率：分别是V-to和V-toconverter的系数。一旦电压存储接近到比较器的输出值变低，关闭开关。所以可以得到充电时间，与（11）所述的实现除法功能有关。因此，充电时间可以由v转换器决定。最后，AMDU可以通过（12）计算完成功能。 AMDU的时序图如图
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