CN101431295B - 线性充电器及控制充电电流的方法 - Google Patents

Abstract

一种以NMOSFET为基础的线性充电器，其感测NMOSFET的源极耦接至充电NMOSFET的源极，或所述充电NMOSFET的源极虚短路至所述感测NMOSFET的源极，使所述二NMOSFET具有相同的闸源极压差，因而所述感测NMOSFET产生的汲源极电流反应所述充电NMOSFET的汲源极电流，再从所述感测NMOSFET的汲源极电流产生电流感测信号，用以控制所述充电NMOSFET的闸极电压。由于使用NMOSFET作为充电MOSFET，所述充电MOSFET的芯片面积可以大幅缩减。

Description

线性充电器及控制充电电流的方法

技术领域

本发明涉及一种线性充电器，尤其涉及一种以NMOSFET为基础的线性充电器及控制充电电流的方法。

背景技术

如美国专利第6,522,118号、第6,700,364号及第6,407,532号所揭示的，已知的线性充电器是由以PMOSFET为基础的电流源所构成。参考图1，一个线性充电器100包括共闸极的充电PMOSFET 106与感测PMOSFET 108作为电流源。充电PMOSFET 106的源极耦接电源输入端102，汲极耦接电源输出端104，用以供应充电电流Ic。感测PMOSFET 108的源极耦接电源输入端102，因此充电PMOSFET 106与感测PMOSFET 108具有相同的闸源极压差，二者的源汲极电流Ic与Is具有大致固定的比例关系。如果电流设定/传感器112将充电PMOSFET 106的汲极虚短路至感测PMOSFET 108的汲极，则感测PMOSFET 108的源汲极电流Is将更精准地反应出充电电流Ic。电阻114耦接在电流设定/传感器112与接地端GND之间，感测PMOSFET108的源汲极电流Is流过电阻114产生电压VS，用来表示充电电流Ic的大小。回路控制器110根据输出电压VOUT与电压VS控制充电PMOSFET 106的闸极电压VG，以控制充电电流Ic。

使用线性充电器100连接较低的输入电压VIN对电池充电时，充电PMOSFET 106必须具有较低的压降，以减少能量的损耗。因为充电PMOSFET 106的压降等于其导通电阻和电流的乘积，因此可藉降低充电PMOSFET 106的导通电阻或充电电流Ic来降低能量的损耗。然而，充电电流Ic的大小决定充电的速率，降低充电电流Ic将增加电池充电所需的时间。另一方面，充电PMOSFET 106的导通电阻取决于其通道的大小，降低其导通电阻需要增加其芯片面积，因而增加制造成本且不利于微型化。由于这些原因，线性充电器100无法在不增加能量损耗及充电时间的情况下，进一步缩减芯片的面积以降低制造成本。

由于NMOSFET比PMOSFET具有较高的移动率，在相同的芯片面积下，NMOSFET的导通电阻小于PMOSFET的导通电阻。若以NMOSFET取代PMOSFET作为线性充电器的电流源，则可有效缩减芯片的面积却不会增加能量的损耗及充电时间。然而，NMOSFET与PMOSFET的驱动方式不同，例如，在闸极不施加电压时，PMOSFET是开启(on)的，但是NMOSFET却是关闭(off)的。对充电PMOSFET 106而言，只要闸极电压VG低于输入电压VIN，便可以供应充电电流Ic。若是充电PMOSFET 106被换成NMOSFET，则其闸极电压VG必须高于源极电压VOUT，才能供应充电电流Ic，于是在某些情况下，会因为闸极电压VG低于输出电压VOUT，而无法激活NMOSFET，导致线性充电器无法运作。因此，若将PMOSFET 106及108直接以NMOSFET取代，则控制器和驱动器将因为电流感测的准确度与电源电压的大小等因素而变得复杂。

发明内容

本发明的一个目的，在于提出一种由以NMOSFET为基础的电流源所构成的线性充电器。

本发明的另一个目的，在于提出一种缩减芯片面积的线性充电器。

本发明的又一个目的，在于提出一种高充电电流的线性充电器。

本发明的再一个目的，在于提出一种低能量损耗的线性充电器。

本发明的还有一个目的，在于提出一种控制充电电流的方法。

根据本发明，一种线性充电器包括共闸极的充电NMOSFET与感测NMOSFET。所述充电NMOSFET用来产生充电电流，所述感测NMOSFET用来产生反应所述充电电流大小的汲源极电流。一回路控制器用来产生一控制信号，一驱动器根据所述控制信号提供一驱动电压施加于所述充电NMOSFET的闸极。所述感测NMOSFET的汲源极电流用来产生一电流感测信号给所述回路控制器，据以决定所述控制信号。

在一实施例中，所述充电NMOSFET的源极虚短路至所述感测NMOSFET的源极，使得二者具有相同的闸源极压差。

在另一实施例中，所述感测NMOSFET的源极耦接所述充电NMOSFET的源极，使得二者具有相同的闸源极压差。在一实施例中，更进一步虚短路所述充电NMOSFET的汲极至所述感测NMOSFET的汲极，使得二者具有相同的闸汲极压差，因而更精准地反射所述充电电流至所述感测NMOSFET上。

在一实施例中，所述线性充电器更包括一电压产生器，用来提供一固定或可变电压给所述驱动器，使得所述驱动器产生高于所述充电NMOSFET源极电压的驱动电压。

根据本发明，一种控制充电电流的方法包括产生一控制信号，根据所述控制信号提供一驱动电压，施加所述驱动电压到一充电NMOSFET的闸极，使所述充电NMOSFET产生所述充电电流，使一与所述充电NMOSFET共闸极的感测NMOSFET与所述充电NMOSFET具有一相同的闸源极压差，因而所述感测NMOSFET产生一汲源极电流反应所述充电电流的大小，根据所述感测NMOSFET的汲源极电流的大小提供一电流感测信号，用以决定所述控制信号。

在一实施例中，所述感测NMOSFET的源极与所述充电NMOSFET的源极耦接在一起。在一实施例中，更进一步虚短路所述充电NMOSFET的汲极至所述感测NMOSFET的汲极，使得二者具有相同的闸汲极压差，因而所述感测NMOSFET的汲源极电流更精准地反应所述充电电流。

本发明的线性充电器使用充电NMOSFET作为电流源，因此缩减芯片的面积及降低能量损耗，也可以供应较大的充电电流。

附图说明

图1是现有的线性充电器；

图2是根据本发明的第一实施例；

图3是根据本发明的第二实施例；

图4是图3的一个范例；

图5是根据本发明的第三实施例；

图6是根据本发明的第四实施例；

图7是图6的一个范例；

图8是根据本发明的第五实施例：

图9是根据本发明的第六实施例；以及

图10是图9的一个范例。

具体实施方式

图2是根据本发明的一个实施例，线性充电器200包括共闸极的充电NMOSFET 206与感测NMOSFET 208。充电NMOSFET 206的汲极耦接电源输入端202，源极耦接电源输出端204，用以供应充电电流Ic。感测NMOSFET 208的汲极耦接电源输入端202，电流设定/传感器212耦接在感测NMOSFET 208的源极与电源输出端204之间，利用负回授原理，使感测NMOSFET 208与充电NMOSFET 206具有相同的源极电压VOUT。由于充电NMOSFET 206与感测NMOSFET208具有相同的闸汲极压差与相同的闸源极压差，因此感测NMOSFET208的汲源极电流Is精准地反应出充电电流Ic。简单地说起来，Ic对Is的比等于充电NMOSFET 206对感测NMOSFET 208的尺寸比。电阻214耦接在电流设定/传感器212及接地端GND之间，电流设定/传感器212根据电流Is与电阻214的大小产生电流感测电压VS。回路控制器210根据输出电压VOUT与电流感测电压VS产生控制信号VC，驱动器216根据控制信号VC施加闸极电压VG给充电NMOSFET206与感测NMOSFET 208。驱动器216提供的闸极电压VG可以高于输出电压VOUT，以确保充电NMOSFET 206被激活。

图3是一个变化的实施例，线性充电器300的运作和图2的线性充电器200相同，但是增加一个电压产生器218提供高于输出电压VOUT的电压VX给驱动器216，以确保驱动器216提供的闸极电压VG一定可以开启充电NMOSFET 206。在一实施例中，驱动器216从电压VX产生的闸极电压VG，其最大值比源极电压VOUT高出至少一个NMOSFET的临限电压，如此可以避免在输出电压VOUT接近输入电压VIN时无法激活充电NMOSFET 206的可能性。电压产生器218提供的电压VX可以是固定的，或随输出电压VOUT变动的。

如图4所示，在一实施例中，电流设定/传感器212包括运算放大器220，其二输入端分别耦接电源输出端204及感测NMOSFET 208的源极，以及NMOSFET 222耦接在感测NMOSFET 208的源极与电阻214之间，其闸极耦接运算放大器220的输出。藉运算放大器220将电源输出端204虚短路至感测NMOSFET 208的源极，使得充电NMOSFET 206与感测NMOSFET 208具有相同的源极电压。感测NMOSFET 208的汲源极电流Is流经电阻214产生电流感测电压VS。

在图4的线性充电器中，由于是藉运算放大器220虚短路电源输出端204至感测NMOSFET 208的源极，在某些情况下可能发生错误。例如在刚开始对电池充电时，如果电池的电压为零，即输出电压VOUT为零，电流感测电压VS可能是不正确的，因而造成充电电流Ic过大而损坏电池，或没有产生充电电流Ic而无法充电。在刚开始对电池充电时，回路控制器210可以信令驱动器216先略微开启充电NMOSFET206，以产生小的充电电流Ic，进而反射到感测NMOSFET 208上，使电流感测电压VS正确地反应充电电流Ic的大小，如此可确保启动充电NMOSFET 206，也可以避免瞬间产生过大的充电电流Ic。

在图5的实施例中，线性充电器400的充电NMOSFET 206与感测NMOSFET 208二者的源极皆耦接至电源输出端204，因此充电NMOSFET 206与感测NMOSFET 208具有相同的闸源极压差，故二者的汲源极电流Ic及Is具有大致固定的比例关是，此比例等于二者的尺寸比。电流设定/传感器212耦接在电源输入端202与感测NMOSFET 208的汲极之间，电阻214耦接在电流设定/传感器212及接地端GND之间，电流设定/传感器212根据感测NMOSFET 208的汲源极电流Is及电阻214的阻值大小提供电流感测电压VS给回路控制器210，后者根据输出电压VOUT与电流感测电压VS产生控制信号VC，驱动器216根据控制信号VC提供闸极电压VG控制充电NMOSFET 206与感测NMOSFET 208，进而控制充电电流Ic。驱动器216提供的闸极电压VG高于输出电压VOUT，以确保充电NMOSFET206能被激活。在一实施例中，电流设定/传感器212使感测NMOSFET208的汲极电压等于输入电压VIN，因此充电NMOSFET 206与感测NMOSFET 208具有相同的闸汲极压差与相同的闸源极压差，感测NMOSFET 208的汲源极电流Is因而更精准地反应出充电NMOSFET206的汲源极电流Ic。

如图6的线性充电器500所示，在一个变化的实施例中，更包括电压产生器218提供高于输出电压VOUT的电压VX给驱动器216，以确保充电NMOSFET 206的闸极电压VG高于源极电压VOUT至少一个NMOSFET的临限电压，因此在有需要时，驱动器216一定可以开启充电NMOSFET 206。电压VX也可以变化地提供给电流设定/传感器212当作后者的电源。电压产生器218提供的电压VX可以是固定的，或随输出电压VOUT变动的。

在一实施例中，如图7所示，电流设定/传感器212包括运算放大器220将电源输入端202虚短路至感测NMOSFET 208的汲极，因此充电NMOSFET 206与感测NMOSFET 208具有相同的闸汲极压差与相同的闸源极压差，感测NMOSFET 208的汲源极电流Is因而更精准地反应出充电电流Ic。运算放大器220的输出耦接NMOSFET 222的闸极，NMOSFET 222的源极耦接感测NMOSFET 208的汲极，由PMOSFET 226与228组成的电流镜224耦接在电压产生器218与NMOSFET 222的汲极之间，镜射感测NMOSFET 208的汲源极电流Is流过电阻214，因而产生电流感测电压VS。由于共闸极的充电NMOSFET 206与感测NMOSFET 208的源极也耦接在一起，无论输出电压VOUT(或被充电电池的电压)为零或其它值，感测NMOSFET 208的汲源极电流Is皆可精准地反应充电NMOSFET 206汲源极电流Ic，不会有充电电流过大或无法充电的情形。驱动器216提供的闸极电压VG，最大值比输出电压VOUT高，以确保在有需要时，可以开启充电NMOSFET 206。

在图8的线性充电器600中，不藉助外挂电阻，电流设定/传感器212从感测NMOSFET 208的汲源极电流Is产生表示充电电流Ic大小的电流感测电压VS给回路控制器210。不同的是在图9的线性充电器700中由电压产生器218提供电压VX作为电流设定/传感器212及驱动器216的电源。电压产生器218提供的电压VX比输出电压VOUT高出至少一个NMOSFET的临限电压，以确保在有需要时，闸极电压VG一定可以开启充电NMOSFET 206，因此，即使在输入电压VIN与输出电压VOUT二者接近时，驱动器216还是有能力驱动充电NMOSFET 206。

图10提供一个图9的实施例。在电流设定/传感器212中，电阻203耦接在电压产生器218与感测NMOSFET 208的汲极之间，电流感测电压VS从感测NMOSFET 208的汲极引出。在此实施例中，电流感测电压VS与充电电流Ic之间的关是是Ic＝(VX-VS)/R，R是电阻230的阻值。

主要组件符号说明

100线性充电器

102电源输入端

104电源输出端

106PMOSFET

108PMOSFET

110回路控制器

112电流设定/传感器

114电阻

200线性充电器

202电源输入端

204电源输出端

206NMOSFET

208NMOSFET

210回路控制器

212电流设定/传感器

214电阻

216驱动器

218电压产生器

220运算放大器

222NMOSFET

224电流镜

226PMOSFET

228PMOSFET

230电阻

300线性充电器

400线性充电器

500线性充电器

600线性充电器

700线性充电器

Claims (23)

1.一种线性充电器，包括：

一电源输入端，用以接受一输入电压；

一电源输出端，其上具有一输出电压；

一回路控制器，用以产生一控制信号；

一驱动器，根据所述控制信号提供一高于所述输出电压的驱动电压；

一充电NMOSFET，具有一汲极耦接所述电源输入端，一源极耦接所述电源输出端，以及一闸极接受所述驱动电压，以受控产生一充电电流；

一感测NMOSFET，与所述充电NMOSFET共闸极；以及

一电流设定/传感器，耦接在所述电源输出端与所述感测NMOSFET的源极之间，用以虚短路所述电源输出端至所述感测NMOSFET的源极，使得所述充电NMOSFET及所述感测NMOSFET具有一相同的闸源极压差，因而所述感测NMOSFET产生一汲源极电流反射所述充电电流的大小，进而根据所述汲源极电流的大小提供一电流感测信号给所述回路控制器，据以决定所述控制信号。

2.如权利要求1所述的线性充电器，其特征在于所述的感测NMOSFET具有一汲极耦接所述电源输入端。

3.如权利要求1所述的线性充电器，其特征在于更包括一电压产生器耦接所述驱动器，用以供应一高于所述输出电压的电压给所述驱动器。

4.如权利要求3所述的线性充电器，其特征在于所述的电压产生器供应的电压是固定的。

5.如权利要求3所述的线性充电器，其特征在于所述的电压产生器耦接所述电源输出端，其供应的电压是随所述输出电压变动的。

6.如权利要求1所述的线性充电器，其特征在于所述的电流设 定/传感器包括一运算放大器，具有二输入端分别耦接所述电源输出端及所述感测NMOSFET的源极，藉以虚短路所述电源输出端到所述感测NMOSFET的源极。

7.一种线性充电器，包括：

一电源输入端，用以接受一输入电压；

一电源输出端，其上具有一输出电压；

一回路控制器，用以产生一控制信号；

一驱动器，根据所述控制信号提供一高于所述输出电压的驱动电压；

一充电NMOSFET，具有一汲极耦接所述电源输入端，一源极耦接所述电源输出端，以及一闸极接受所述驱动电压，以受控产生一充电电流；

一感测NMOSFET，与所述充电NMOSFET共闸极，且具有一源极耦接所述电源输出端，使得所述充电NMOSFET及所述感测NMOSFET具有一相同的闸源极压差，因而所述感测NMOSFET产生一汲源极电流反射所述充电电流的大小；以及

一电流设定/传感器，耦接所述感测NMOSFET的汲极，用以根据所述感测NMOSFET的汲源极电流的大小提供一电流感测信号给所述回路控制器，据以决定所述控制信号。

8.如权利要求7所述的线性充电器，其特征在于更包括一电压产生器耦接所述驱动器，用以供应一高于所述输出电压的电压给所述驱动器。

9.如权利要求8所述的线性充电器，其特征在于所述的电压产生器供应的电压是固定的。

10.如权利要求8的线性充电器，其特征在于所述的电压产生器耦接所述电源输出端，其供应的电压是随所述输出电压变动的。

11.如权利要求7所述的线性充电器，其特征在于所述的电流设定/传感器包括一运算放大器，具有二输入端分别耦接所述电源输入端及所述感测NMOSFET的汲极，藉以虚短路所述电源输入端到所述感 测NMOSFET的汲极。

12.如权利要求7所述的线性充电器，其特征在于所述的电流设定/传感器包括一电流镜，用以镜射所述感测NMOSFET的汲源极电流，流过一电阻而产生所述电流感测信号。

13.如权利要求7所述的线性充电器，其特征在于所述的电流设定/传感器包括一电阻耦接所述感测NMOSFET的汲极，所述感测NMOSFET的汲源极电流流过所述电阻产生所述电流感测信号。

14.一种控制充电电流的方法，包括下列步骤：

(1)耦接一充电NMOSFET的汲极与源极分别到一电源输入端与一电源输出端，所述电源输出端上具有一输出电压；

(2)在所述电源输入端上施加一输入电压；

(3)产生一控制信号；

(4)根据所述控制信号提供一高于所述输出电压的驱动电压；

(5)施加所述驱动电压到所述充电NMOSFET的闸极，使所述充电NMOSFET产生所述充电电流；

(6)虚短路所述电源输出端至一与所述充电NMOSFET共闸极的感测NMOSFET的源极，使得所述充电NMOSFET及所述感测NMOSFET具有一相同的闸源极压差，因而所述感测NMOSFET产生一汲源极电流反射所述充电电流的大小；以及

(7)根据所述感测NMOSFET的汲源极电流的大小提供一电流感测信号，用以决定所述控制信号。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于更包括耦接所述感测NMOSFET的汲极到所述电源输入端。

16.如权利要求14所述的方法，其特征在于更包括产生一高于所述输出电压的电压，用以产生所述驱动电压。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于更包括让所述高于所述输出电压的电压随着所述输出电压变动。

18.一种控制充电电流的方法，包括下列步骤：

(1)耦接一充电NMOSFET的汲极与源极分别到一电源输入端与一电源输出端，所述电源输出端上具有一输出电压；

(2)在所述电源输入端上施加一输入电压；

(3)产生一控制信号；

(4)根据所述控制信号提供一高于所述输出电压的驱动电压；

(5)施加所述驱动电压到所述充电NMOSFET的闸极，使所述充电NMOSFET产生所述充电电流；

(6)感测一与所述充电NMOSFET共闸极、共源极的感测NMOSFET的汲源极电流；

(7)根据所述感测NMOSFET的汲源极电流的大小提供一电流感测信号，用以决定所述控制信号。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于更包括虚短路所述电源输入端到所述感测NMOSFET的汲极。

20.如权利要求18所述的方法，其特征在于更包括产生一高于所述输出电压的电压，用以产生所述驱动电压。

21.如权利要求20所述的方法，其特征在于更包括让所述高于所述输出电压的电压随着所述输出电压变动。

22.如权利要求18所述的方法，其特征在于更包括下列步骤：

镜射所述感测NMOSFET的汲源极电流；以及

从所述镜射出的电流流过一电阻而产生的电压产生所述电流感测信号。

23.如权利要求18所述的方法，其特征在于的更包括下列步骤：

将一电阻串联至所述感测NMOSFET的汲极；以及从所述感测NMOSFET的汲源极电流流过所述电阻产生的电压产生所述电流感测信号。 

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