專利名稱：具有內(nèi)置指示器的消費(fèi)電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電池，尤其涉及具有內(nèi)置指示器以傳達(dá)電池充電狀態(tài)的電池。
對(duì)照相關(guān)待批申請(qǐng)的交叉參考該申請(qǐng)涉及以下全部在1998年4月2日提出申請(qǐng)的共同待批公有申請(qǐng)美國(guó)專利序號(hào)09/054,192，Vladimir Gartstein和Dragan D.Nebrigic發(fā)明的題為“PRIMARY BATTERY HAVING A BUILT-IN CONTROLLER TO EXTEND BATTERY RUN TIME”的申請(qǐng)；美國(guó)專利序號(hào)09/054,191，Vladimir Gartstein和Dragan D.Nebrigic發(fā)明的題為“BATTERY HAVING A BUILT-IN CONTROLLER TO EXTEND BATTERY SERVICERUN TIME”的申請(qǐng)；美國(guó)專利序號(hào)09/054,087，Vladimir Gartstein和Dragan D.Nebrigic發(fā)明的題為“BATTERY HAVING A BUILT-IN CONTROLLER”的申請(qǐng)；以及美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)序號(hào)60/080,427，Vladimir Gartstein和Dragan D.Nebrigic發(fā)明的題為“BATTERY HAVING A BUILT-IN CONTRILLER TO EXTEND BATTERY SERVICERUN TIME”的申請(qǐng)。所有上述的申請(qǐng)通過(guò)參照結(jié)合于此。
背景技術(shù)：
用戶在很多應(yīng)用中都使用電池，例如在收音機(jī)、手電筒、時(shí)鐘、CD播放機(jī)、照相機(jī)、蜂窩式電話、電子游戲機(jī)、玩具、尋呼機(jī)和計(jì)算機(jī)裝置等便攜式電子裝置中。這些裝置的操作需要在裝置中有充電充足的電池或可以替換。便宜的電子裝置通常不給出電池剩余壽命的指示。因此，在裝置停止工作之前，消費(fèi)者得不到電池將要失效的警告。
消費(fèi)電池通常用于這種裝置，消費(fèi)電池的特征是具有標(biāo)準(zhǔn)的尺寸和標(biāo)稱接線端電壓，并且它相當(dāng)便宜。消費(fèi)電池實(shí)例所包括的電池通常被指定為AAAA，AAA，AA，C，D，棱柱形9V電池，還可以包括用于車輛中的較大電池。消費(fèi)電池的特征是它們通常被設(shè)計(jì)成用于較寬范圍的裝置，而不是用于某一特定裝置。
一些消費(fèi)電池提供電壓熱色標(biāo)簽用于檢測(cè)電池的充電狀態(tài)。然而，這種內(nèi)置電池檢測(cè)器有多個(gè)缺點(diǎn)。首先，熱色標(biāo)簽在精度方面有限制，有時(shí)差不多百分之二十偏離電池的充電狀態(tài)，這是由于制造的變化性和電池的溫度等因素。其次，熱色標(biāo)簽耗散了大量的能力，而且只在消費(fèi)者按下標(biāo)簽手動(dòng)激活它時(shí)才提供指示。因此，消費(fèi)者不能容易地檢查電池，而是必須忍受將電池從裝配或裝置中拿出并緊緊按住熱色標(biāo)簽一段時(shí)間的麻煩。
用于電池供電電子裝置中的更復(fù)雜電池管理功能得到了發(fā)展。例如便攜式攝像機(jī)和手提電腦通常根據(jù)放電的電池給出即將關(guān)機(jī)的警告，甚至可以估計(jì)電池的剩余時(shí)間。然而，這種指示功能需要昂貴和復(fù)雜的電路，它會(huì)大大地增加電子裝置的成本。例如，一般用于這種電路的低性能微處理器的成本通常是消費(fèi)電池中限制的成本，也包括許多便宜的電池供電裝置。此外，這種電路通常只用于一種電池，它太大了以致于無(wú)法組合入電池本身，并且它要求電子裝置具有關(guān)于電池的指示器。
在一些特殊的應(yīng)用中，例如航空航天器，電池管理功能可以被組合入電池系統(tǒng)或包裝中。雖然，間隔、重量和功耗可能都是這種應(yīng)用所關(guān)心因素，但是，消費(fèi)電池尺寸約束所強(qiáng)加的限制是最苛求的。此外，在特殊應(yīng)用中通常不關(guān)心這種電路的成本。然而，對(duì)于低成本消費(fèi)電池就不支持這種功能性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明用組合入電池外殼中的指示系統(tǒng)，滿足了這些和其它需求，指示系統(tǒng)包括指示器控制器，它響應(yīng)同樣位于電池外殼中伏打電池的內(nèi)部電極電壓。該指示系統(tǒng)還包括一個(gè)由指示器控制器控制的指示器。在一些實(shí)施例中，提供的指示系統(tǒng)包括脈沖指示器，在另一些實(shí)施例中，是如線條圖形的模擬指示器。
本發(fā)明的另一方面，提供了結(jié)合有指示系統(tǒng)的符合標(biāo)準(zhǔn)外部尺寸和標(biāo)準(zhǔn)接線端電壓的消費(fèi)電池，該指示系統(tǒng)讀出伏打電池的電極電壓并控制指示器。因此消費(fèi)電池將這些特征組合入標(biāo)準(zhǔn)尺寸的外殼中。
本發(fā)明的又一方面，提供了指示充電狀態(tài)的方法，它包括用內(nèi)置集成電路檢測(cè)電池外殼中伏打電池的電極電壓，將電極電壓和參考電壓比較，并當(dāng)電極電壓降到低于參考電壓時(shí)指示充電狀態(tài)。尤其，該方法還提供了隨著電極電壓降到低于閾值，升壓電池接線端電壓的方法。
在本發(fā)明的再一方面，提供了一種電池，其中功率讀出電路讀出存儲(chǔ)在電池中的充電量，并產(chǎn)生表示存儲(chǔ)充電量的條件電壓以控制電池外殼表面上所提供的指示器。
此外，還提供了一種電池，其中手動(dòng)激活致動(dòng)器閉合閂鎖，以將伏打電池的內(nèi)部電極電氣耦合到外表面上的電池接線端。
此外，使用帶停步振蕩器的功率狀態(tài)機(jī)，提供了包括功率轉(zhuǎn)換器以升壓電池接線端電壓的電池。
這些特征中的每一個(gè)，分別或以各種組合完成以增強(qiáng)消費(fèi)電池。在以下的描述中本發(fā)明的這些和其它優(yōu)點(diǎn)將更加明顯。
附圖概述結(jié)合并組成說(shuō)明書(shū)一部分的


了本發(fā)明的實(shí)施例，它和以上給出本發(fā)明的一般描述和以下給出實(shí)施例的詳細(xì)描述一起，用于解釋本發(fā)明的原理。
圖1是具有結(jié)合入電池外殼的內(nèi)置指示系統(tǒng)電池的透視圖，它表示一種線條圖形形式的指示，還顯示了檢測(cè)器致動(dòng)器按鈕形式的交互用戶控制。
圖2是圖1電池的剖視圖，它顯示了介于基本與備用伏打電池電極和電池接線端之間的內(nèi)置電池集成電路。
圖3是沒(méi)有外殼的部分拆散電池的分解透視圖，它顯示了與基本伏打電池相連卡配(snap-on)的內(nèi)置電池集成電路，還顯示了另一種脈沖指示器形式的指示器，例如發(fā)光二極管(LED)。
圖4是圖2電池的電框圖，它表示了內(nèi)置電池集成電路以及它和電池其它部件的關(guān)系。
圖5是參考圖4功率轉(zhuǎn)換器的一種實(shí)施。
圖6是圖5中帶有停步振蕩器的功率控制狀態(tài)機(jī)的特殊實(shí)施。
圖7是參考圖4內(nèi)置電池集成電路中指示器控制器的一種實(shí)施，它提供了脈沖型指示器的控制，例如發(fā)光二極管(LED)指示器或液晶二極管(LCD)指示器。
圖8是如圖4中內(nèi)置電池集成電路的主要部件所示，指示器控制器的另一種實(shí)施，它提供了對(duì)線條圖形型指示器的控制，并提供了按下測(cè)試指示。
圖9是圖2和4電池的電壓關(guān)于時(shí)間的曲線圖，其中開(kāi)始電池電壓是基本伏打電池的電壓，之后先降到低于參考電壓，最后低于截止電壓，這時(shí)電池電壓切換到備用伏打電池的電壓。
圖10是圖7和9中內(nèi)置電池集成電路的電壓示意圖，當(dāng)基本伏打電池電壓從參考電壓降到截止電壓時(shí)，它發(fā)出增大頻率脈沖的指示。
圖11是圖8和9中內(nèi)置電池集成電路的電壓示意圖，其中當(dāng)基本伏打電池電壓在參考電壓和截止電壓之間時(shí)，緩沖基本伏打電池電壓轉(zhuǎn)化成符合線條圖形指示器相應(yīng)范圍的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。
本發(fā)明的詳細(xì)描述參考圖1，顯示了帶有組合入外殼12中指示系統(tǒng)11的電池10，特殊地以下將側(cè)壁14稱為“標(biāo)簽”。所顯示的說(shuō)明性實(shí)例是圓柱形消費(fèi)電池10，例如AAAA，AAA，AA，C或D，盡管指示系統(tǒng)11也可被組合入其它類型的電池10，例如棱柱形和其它多單元電池組。
指示系統(tǒng)11第一實(shí)例的外表面可視部分包括模擬指示器13，其形式為兩端標(biāo)有“FULL”和“EMPTY”的基本伏打電池線條圖形13a。顯示的模擬指示器13還包括標(biāo)有“RESERVE”的備用伏打電池線條圖形13b，盡管這種分離的指示可以是基本電源(未圖示)的計(jì)算部分。此外，多個(gè)電源(未圖示)可累加于基本線條圖形13a上，而不用備用線條圖形13b。顯示的標(biāo)簽14包括檢測(cè)器致動(dòng)器按鈕15，它如下所述有利地提供了指示系統(tǒng)11的手動(dòng)控制，盡管可以理解成本發(fā)明的實(shí)施例可能完全自動(dòng)。
參考圖1和2，外殼12還包括在相對(duì)兩端上的頂蓋16和底蓋18，頂蓋16的外部延伸表面形成了正接線端20，底蓋18的外部延伸表面形成了負(fù)接線端22。所示的外殼12中裝入了電池10的其它部分，其它部分被標(biāo)簽14包圍或結(jié)合入標(biāo)簽14中。本領(lǐng)域熟練的技術(shù)人員將理解到其它外殼也可以大體裝入電池的其它部分。例如，無(wú)繩電話可以包括雙單元電池(未圖示)，其中兩個(gè)電池具有其各自的外殼，它們被壓縮包裝在一起，并能看見(jiàn)各自的外殼部分。
參考圖2，它顯示了圖1電池10的剖視圖，說(shuō)明了本發(fā)明的幾個(gè)方面。只是一般顯示了電池10的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如基本伏打電池30，由于指示系統(tǒng)11適用于較廣范圍的電池。基本伏打電池30可以是電化電池，例如鋅碳、鋰、堿性、鎳鎘電池等等。此外，基本伏打電池30可以具有其它的電源存儲(chǔ)裝置或產(chǎn)生裝置，如電動(dòng)器件的、太陽(yáng)能的等等。此外，基本伏打電池30可以包括多個(gè)離散的電源。基本伏打電池30包括基本伏打電池正電極32(負(fù)接線端)和基本伏打電池負(fù)電極34(正接線端)，負(fù)電極34和負(fù)接線端22電氣接地。分隔器28位于正接線端34和負(fù)接線端32之間?；痉螂姵卣姌O32通過(guò)基本絕緣正導(dǎo)線52和內(nèi)置電池集成電路50電氣耦合。圖2的電池10只是說(shuō)明性的，對(duì)于本領(lǐng)域熟練的技術(shù)人員很明顯的是它可以被改變成各種能量源。例如可以要求附加的結(jié)構(gòu)，如集電器耦合。
如圖2所示的特定實(shí)施包括在外殼12中的備用伏打電池30’。備用伏打電池30包括備用伏打電池正電極32，它通過(guò)備用絕緣正導(dǎo)線54和內(nèi)置電池集成電路50電氣耦合。備用伏打電池30’還包括備用伏打電池負(fù)電極34’，它電氣接地到負(fù)接線端22上。雖然所示的備用伏打電池30’為較可觀的尺寸，但是要理解備用伏打電池30’可以是較小的尺寸，依照自動(dòng)或手動(dòng)的命令將電池的壽命延長(zhǎng)一小段時(shí)間。手動(dòng)開(kāi)關(guān)有利于迫使用戶意識(shí)到電池10不久將用盡了，尤其在電池10不是很容易被看見(jiàn)以檢查標(biāo)簽14的裝置中。在這種實(shí)施中，標(biāo)簽14可以包括激活裝置，如檢測(cè)器致動(dòng)器按鈕15，雖然以下實(shí)施涉及自動(dòng)開(kāi)關(guān)。預(yù)定小尺寸的備用伏打電池30’允許基本伏打電池30接近于消費(fèi)電池伏打電池的典型大小。
通過(guò)為指示系統(tǒng)11提供空間，電池的壽命不會(huì)大大地降低，由于內(nèi)置電池集成電路50被正接線端20部分包圍，正接線端20比典型電池的頂端寬，并形成了拉長(zhǎng)的空腔51以裝入內(nèi)置電池集成電路50的至少一部分，以此保持基本伏打電池30的高度。以下所述說(shuō)明性電路的操作優(yōu)點(diǎn)也顯示了內(nèi)置電池集成電路50減少功率消耗的特征，以及從電池10中榨取額外功率的功率轉(zhuǎn)換能力以超出電池壽命的期望，尤其在低于1伏特的范圍內(nèi)。因此，內(nèi)置電池集成電路50的自動(dòng)特征通常不會(huì)大大降低壽命。
參考圖3，顯示了部分拆散的電池10，其外殼12被移去以顯示卡配的內(nèi)置電池集成電路50’到基本伏打電池30。注意到電池10的該實(shí)施不包括備用伏打電池30’。該圖建議了一種標(biāo)準(zhǔn)的AA型消費(fèi)電池；然而，這種裝配適于寬范圍的電池類型，例如AAAA，AAA，C，D或棱柱形電池。在一些實(shí)施中，頂蓋16是結(jié)合(在三點(diǎn)處)到電池10上標(biāo)簽14的虛頂蓋。當(dāng)電池10被裝配起來(lái)時(shí)，卡配的內(nèi)置電池集成電路50’和頂蓋16在操作上接觸。在說(shuō)明性的實(shí)施中，通過(guò)使正導(dǎo)體盤(pán)56與基本正電極32接觸，使負(fù)導(dǎo)體盤(pán)58與基本負(fù)電極34接觸，以卡配內(nèi)置電池集成電路50’，其中正和負(fù)導(dǎo)體盤(pán)56、58通過(guò)接地母線60物理耦合，接地母線60可以是標(biāo)簽14的一部分。接地母線60還包括信號(hào)導(dǎo)體62，使得如發(fā)光二級(jí)管(LED)或液晶顯示器的脈沖指示器64可以由內(nèi)置電池集成電路50’供電，脈沖指示器64在接地母線60上通過(guò)接地導(dǎo)體66接地。當(dāng)電池10裝配起來(lái)時(shí)，脈沖指示器64至少一部分可見(jiàn)。
卡配的內(nèi)置電池集成電路50’還包括正導(dǎo)體盤(pán)56和柔性電路板70之間的絕緣層68。接地導(dǎo)體66和正導(dǎo)體盤(pán)56通過(guò)線路72和74分別與柔性電路板70電氣耦合。用本領(lǐng)域熟練的技術(shù)人員所顯而易見(jiàn)的流行的或其它構(gòu)造技術(shù)可以卡配備用伏打電池30’(未圖示)。
通過(guò)以下技術(shù)可以將卡配內(nèi)置電池集成電路與電池10的其它部分持久地連接，這些技術(shù)包括，但不限于(1)熔融；(2)導(dǎo)電膠；(3)夾緊；(4)金屬Velcro-Velcro連接；或(5)電池盒裝配。
柔性電路板70包括與柔性絕緣薄片(或?qū)?6)結(jié)合的一排導(dǎo)體(未圖示)，絕緣層如聚酯或聚酰亞胺例如1mil厚的Kapton，柔性電路板由單層或雙邊柔性電路技術(shù)構(gòu)成，盡管也可以使用附加層。在應(yīng)用中使用柔性電路，電路通常被設(shè)計(jì)并策劃特別適于預(yù)期的應(yīng)用。通過(guò)將部件和連接配置在電路板上，減少了器件連接的數(shù)目，這樣導(dǎo)致了低噪聲并增加了可靠性。此外，柔性電路板方法改良了系統(tǒng)的效率，使得達(dá)到了千兆赫范圍的時(shí)鐘速度。柔性電路板70的集成電路50電子元件最好是可以表面裝配的硅基片結(jié)構(gòu)或注入薄層76中的電路小片，用于保護(hù)以及更經(jīng)濟(jì)的封裝。集成電路容積的減小是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。因此柔性電路提供了高質(zhì)量的封裝密度，動(dòng)態(tài)繞曲，模擬和數(shù)字裝置的連接和接觸點(diǎn)，以及復(fù)雜幾何設(shè)計(jì)的可靠性。柔度和薄度還允許柔性電路板70組合入電池10的其它部分，包括標(biāo)簽14。
參考圖4，顯示了圖1和2中電池10的電框圖。通過(guò)各自負(fù)電極34、34’與接地導(dǎo)體34″(或負(fù)電極)電氣耦合，以及各自的正電極32、32’和備用開(kāi)關(guān)78連接，基本伏打電池30和備用伏打電池30’并聯(lián)。備用開(kāi)關(guān)78默認(rèn)為通過(guò)基本伏打電池正電極32的電壓，在響應(yīng)內(nèi)置電池集成電路50的命令時(shí)，它改變狀態(tài)以通過(guò)備用伏打電池正電極32’的電壓。備用開(kāi)關(guān)78的輸出形成了最終的正電極32″，它和內(nèi)置集成電路50電氣耦合，具體而言它和內(nèi)置電池集成電路50中的閂鎖88和功率轉(zhuǎn)換器90電氣耦合。
包括閂鎖88的優(yōu)點(diǎn)是延長(zhǎng)電池10的存放壽命。在第一次使用之前，閂鎖88原來(lái)是打開(kāi)的，以防止電源啟動(dòng)內(nèi)置電池集成電路50的其它部分，而產(chǎn)生功率損耗。閂鎖88的一個(gè)實(shí)例是單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器。
閂鎖88的優(yōu)點(diǎn)是由檢測(cè)器致動(dòng)器92控制。檢測(cè)器致動(dòng)器92和檢測(cè)導(dǎo)體34″及最終的正電極32″都電氣耦合。作為對(duì)用戶動(dòng)作的響應(yīng)，檢測(cè)器致動(dòng)器92提供一個(gè)輸出到閂鎖88以閉合閂鎖88。因此，閂鎖88保持閉合。檢測(cè)器致動(dòng)器92還提供輸出到指示系統(tǒng)11，如圖4中所反映的通過(guò)所示到指示器控制器100的連接。檢測(cè)器致動(dòng)器92對(duì)指示系統(tǒng)11的手動(dòng)輸入可用于啟動(dòng)或引導(dǎo)沒(méi)有自動(dòng)啟動(dòng)裝置的指示系統(tǒng)11；在指示系統(tǒng)否則就要失敗(例如高充電狀態(tài))的情況下，啟動(dòng)或引導(dǎo)指示系統(tǒng)；或者如這里為圖8所描述的，通過(guò)將信號(hào)直接提供給模擬指示器而旁路內(nèi)置電池集成電路50；或者在對(duì)本領(lǐng)域熟練的技術(shù)人員所顯而易見(jiàn)的其它應(yīng)用中。
一旦閂鎖88閉合，然后最終的正電極32″就和前級(jí)泵102電氣耦合，基于電源的充電泵就試圖將電源提供給內(nèi)置電池集成電路50的其它部件，如指示器控制器100和電壓參考104，例如集成帶隙電壓參考。電壓參考104向指示器控制器100和功率轉(zhuǎn)換器90輸出穩(wěn)定的電壓參考信號(hào)。
指示器100和模擬指示器13電氣耦合，并將正向控制106信號(hào)提供給功率轉(zhuǎn)換器90。功率轉(zhuǎn)換器90與電池10的正接線端20和負(fù)接線端22電氣耦合。此外，在起動(dòng)期間，功率轉(zhuǎn)換器90向前級(jí)泵102提供電涌輸入，如以下將結(jié)合圖6所討論的。
在本發(fā)明的實(shí)施中，內(nèi)置電池集成電路50不包括功率轉(zhuǎn)換器90，它具有斷開(kāi)的閂鎖88以截止前級(jí)泵并截止指示系統(tǒng)11。在圖4-6所示的實(shí)施中，當(dāng)前級(jí)泵102被截止時(shí)，除了指示系統(tǒng)11不能工作外，正接線端20也不接收電池功率。
本領(lǐng)域熟練的技術(shù)人員可以理解內(nèi)置電池集成電路50執(zhí)行電源檢測(cè)電路的功能，在這種情況下是通過(guò)檢測(cè)一些適當(dāng)電化伏打電池的電極電壓。然而，也可以使用其它電源檢測(cè)方法，例如當(dāng)電源以電磁場(chǎng)，大量燃料，或動(dòng)能的形式存儲(chǔ)時(shí)。多種形式的能量源可以是這種指示系統(tǒng)11的候選物，由于指示器13不需要直接被電極電壓驅(qū)動(dòng)，而是由條件電壓驅(qū)動(dòng)。
參考圖5，它詳細(xì)顯示了圖4中功率轉(zhuǎn)換器90的一種實(shí)施，它包括輸入電容器C1，電感器L，MOSFET開(kāi)關(guān)2(“SW2”)，MOSFET開(kāi)關(guān)3(“SW3”)(對(duì)于試圖啟動(dòng)電壓的功率轉(zhuǎn)換器90典型的為Schottiky二極管)，輸出電容器C2，和帶有停步振蕩器的功率控制狀態(tài)機(jī)110。功率轉(zhuǎn)換器90從最終的正負(fù)電極32″和34″接收輸入電壓，輸入電容器C1跨接正負(fù)電極以輸入穩(wěn)態(tài)，尤其在伏打電池30和30’遠(yuǎn)離分離轉(zhuǎn)換器90時(shí)。典型的電容器C1可以是鉭醚結(jié)構(gòu)或是聚合物電容器。功率轉(zhuǎn)換器90將輸出電壓提供給正負(fù)接線端20，22，輸出電容器C2跨接在正負(fù)接線端上，它可以是低ESR型鉭電容器，或聚合物，或是其它類型具有低等效串聯(lián)電阻(ESR)的電容器。可以理解功率轉(zhuǎn)換器90在包裝中形成，它具有電容以提供輸出電容器C2。
電感器L具有與正電極32″連接的第一端，以及與SW2和SW3之漏極連接的第二端。SW2的集電極和襯底連接到負(fù)電極34″。帶有停步振蕩器的功率控制狀態(tài)機(jī)110連接到SW2的柵極和漏極；SW3的柵極；負(fù)電極34″；SW3的漏極、襯底和集電極，并輸入到功率轉(zhuǎn)換器90的外部，包括上述的前級(jí)泵102、電壓參考104、和正向控制106，以下通過(guò)參考圖6將更詳細(xì)的討論。
參考圖6，顯示了圖5中帶有停步振蕩器的功率控制狀態(tài)機(jī)110的實(shí)施，它包括帶有充電泵蓄電池的啟動(dòng)電路112、振蕩器114、誤差放大器116、啟動(dòng)步驟控制邏輯0伏輸出檢測(cè)器118，調(diào)節(jié)器120、SR觸發(fā)器122、和多路復(fù)用器、邏輯轉(zhuǎn)換器&防交叉導(dǎo)電級(jí)124。參照負(fù)電極34″，帶有停步振蕩器的功率控制狀態(tài)機(jī)110的每個(gè)部件都部分偏置。
期望的是即使當(dāng)電池10沒(méi)有完全充電時(shí)，功率轉(zhuǎn)換器90也能控制與電池10相連負(fù)載(未圖示)所要求的電涌，使得通過(guò)電感器L的正電極電壓流向帶有充電泵蓄電池的啟動(dòng)電路112，它依次驅(qū)動(dòng)振蕩器114、啟動(dòng)步驟控制邏輯0伏輸出檢測(cè)器118、和多路復(fù)用器，邏輯轉(zhuǎn)換器&防交叉導(dǎo)電級(jí)。否則，如果該要求使內(nèi)置電池集成電路被不適當(dāng)?shù)仳?qū)動(dòng)，帶有停步振蕩器的功率控制狀態(tài)機(jī)110的運(yùn)作就不可預(yù)知了。
振蕩器114為帶有停步振蕩器的功率控制狀態(tài)機(jī)110的定時(shí)部件提供穩(wěn)定的頻率，具體而言就是啟動(dòng)步驟控制邏輯0伏輸出檢測(cè)器118和調(diào)節(jié)器120。
誤差放大器116將正接線端20的Vout信號(hào)和電壓參考104的參考電壓比較，并將誤差信號(hào)提供給啟動(dòng)步驟控制邏輯0伏輸出檢測(cè)器118。
啟動(dòng)步驟控制邏輯0伏輸出檢測(cè)器118根據(jù)誤差信號(hào)，調(diào)節(jié)發(fā)送到SR觸發(fā)器122的占空比信號(hào)，當(dāng)誤差信號(hào)為正時(shí)占空比增大一級(jí)，當(dāng)誤差信號(hào)為負(fù)時(shí)，占空比減小一級(jí)。此外，啟動(dòng)步驟控制邏輯0伏輸出檢測(cè)器118為了檢測(cè)0伏(也就是電池短路的情況)，接收正接線端20的Vout信號(hào)，使得通過(guò)減小占空比信號(hào)而減小電池輸出。啟動(dòng)步驟控制邏輯停止控制器為輕負(fù)載執(zhí)行長(zhǎng)期不連續(xù)模式，使得該效率不會(huì)產(chǎn)生危害。
通過(guò)使占空比信號(hào)位于S輸入端，和使調(diào)節(jié)器120將時(shí)鐘頻率和振蕩器114相同的調(diào)節(jié)信號(hào)提供給R輸入端，SR觸發(fā)器122產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
多路復(fù)用器，邏輯轉(zhuǎn)換器&防交叉導(dǎo)電級(jí)124接收驅(qū)動(dòng)信號(hào)用于準(zhǔn)備輸出信號(hào)，以充分驅(qū)動(dòng)SW2和SW3的柵極進(jìn)入飽和區(qū)。防交叉導(dǎo)電級(jí)動(dòng)態(tài)地調(diào)整基于正向控制信號(hào)和Vout信號(hào)的柵極間的空載時(shí)間。
參考圖7，顯示了參考圖4中指示器控制器100a的一種實(shí)施，它被構(gòu)造成用于如圖3所示的脈沖指示器。指示器控制器100a包括電壓閾值檢測(cè)器130，它監(jiān)測(cè)電極電壓，并當(dāng)伏打電池降到低于電壓閾值一段預(yù)定時(shí)間時(shí)，輸出閾值信號(hào)。閾值信號(hào)啟動(dòng)或引導(dǎo)指示系統(tǒng)11的其余部分，使得提供脈沖指示。
電壓閾值檢測(cè)器130讀出的電極電壓可以根據(jù)電池10負(fù)載(未圖示)的變化而波動(dòng)。例如，在電涌期間例如大約100ms較大的電流波峰，以及電極電壓中相應(yīng)的下降對(duì)于很多裝置是很典型的，尤其在啟動(dòng)期間。為了防止指示系統(tǒng)11的錯(cuò)誤警告，電壓閾值檢測(cè)器130包括差分輸入滯后Schmitt觸發(fā)器A，它將正電極32″和參考電壓比較，例如電壓參考104為1.4V。從分壓器電阻Ra和Rb中讀出電極電壓，其中電阻Ra的第一端和電阻Rb的第一端都電氣耦合到滯后Schmitt觸發(fā)器A的正向輸入，電阻Ra的第二端電氣耦合到正電極32″，并且電阻Rb的第二端電氣耦合到負(fù)電極34″。電阻Ra和電阻Rb的接合點(diǎn)被確定為是上述正向控制106向功率轉(zhuǎn)換器90提供的源頭。選擇Ra和Rb的值，使得通過(guò)Ra和Rb串聯(lián)組合的功率損耗較小，并使得當(dāng)和參考電壓比較時(shí)，達(dá)到指示系統(tǒng)11的期望導(dǎo)通電壓。
滯后Schmitt觸發(fā)器A的輸出連接到MOSFET開(kāi)關(guān)SW4的柵極，SW4的漏極由前級(jí)泵102驅(qū)動(dòng)。SW4的襯底和集電極電氣耦合，以偏置指示器控制器100a的其余部分，尤其是單輸入反相滯后Schmitt觸發(fā)器B，差分輸入滯后Schmitt觸發(fā)器C和運(yùn)算放大器(Op Amp)D。運(yùn)算放大器D接收來(lái)自正電極32″的輸入，并將緩沖正電極電壓作為輸出提供給差分輸入滯后Schmitt觸發(fā)器C的正向輸入。Schmitt觸發(fā)器C的負(fù)向輸入電氣耦合到反相Schmitt觸發(fā)器B的輸入。電阻R1具有連接在反相Schmitt觸發(fā)器B的輸入和輸出之間的第一端。此外，電容器C3連接在反相Schmitt觸發(fā)器B的輸入和負(fù)電極34″之間。選擇電阻R1和電容器C3的值，使得它們和Schmitt觸發(fā)器B的組合形成一個(gè)低頻振蕩器132，以將脈沖指示器的頻率輸入提供給Schmitt觸發(fā)器C的負(fù)向輸入。由于緩沖正電極電壓在Schmitt觸發(fā)器C的正向輸入處衰減，因此Schmitt觸發(fā)器C的輸出脈沖串具有增大的占空比，它用于控制MOSFET開(kāi)關(guān)5柵極。MOSFET開(kāi)關(guān)5的襯底和集電極連接到負(fù)電極34″，MOSFET開(kāi)關(guān)5的漏極連接到脈沖指示器64。開(kāi)關(guān)SW5是一個(gè)高阻抗開(kāi)關(guān)，使得它可以直接連接到如LED或液晶顯示器(LCD)的脈沖指示器64，而無(wú)需限流電阻。
參考圖8，顯示了用于模擬指示器的第二指示器控制器100b，例如圖1的模擬指示器13。以上圖7中的討論也適用于圖8中的Schmitt觸發(fā)器A，開(kāi)關(guān)4(SW4)，和運(yùn)算放大器D。該結(jié)構(gòu)中沒(méi)有低頻振蕩器132，取而代之的是運(yùn)算放大器D發(fā)出的緩沖正電極電壓電氣耦合到差分輸入滯后Schmitt觸發(fā)器E的正向輸入。差分輸入滯后Schmitt觸發(fā)器的負(fù)向輸入電氣耦合到電壓參考104。差分輸入滯后Schmitt觸發(fā)器E的輸出電氣耦合到模擬指示器13。
圖8中還顯示了參考圖4中檢測(cè)器致動(dòng)器92的另一種實(shí)施。檢測(cè)器致動(dòng)器92在指示器控制器100b的輸出端(也就是運(yùn)算放大器E的輸出)處直接連接到線條圖形指示器13。檢測(cè)器致動(dòng)器按鈕15(圖1)電氣閉合第一觸點(diǎn)136和第二觸點(diǎn)138。第一觸點(diǎn)136將正電極32″和線條圖形指示器13電氣耦合。第二觸點(diǎn)將線條圖形指示器13和電阻Rt的第一端電氣耦合，電阻Rt的第二端電氣耦合到負(fù)電極34″。因此，在電池10不在插槽中或者電池10沒(méi)有外部負(fù)載的情況下，檢測(cè)器致動(dòng)器92就施加一個(gè)適當(dāng)?shù)娜斯へ?fù)載(電阻Rt)，使得電極電壓能反映電池10的充電狀態(tài)。電阻Rt可以印在標(biāo)簽14上，或集成在柔性電路板70中，并被調(diào)整成用于特定線條圖形指示器的適當(dāng)刻度。
參考圖7和8，其優(yōu)點(diǎn)在于，滯后Schmitt觸發(fā)器A的輸出還和備用開(kāi)關(guān)78相連接，使得當(dāng)讀出低電極電壓時(shí)，使用備用伏打電池30’。
參考圖9，該電壓曲線圖說(shuō)明了如圖4中所示內(nèi)置電池集成電路的運(yùn)作。在第一階段中，直接在制造之后，電池10具有完全充電內(nèi)部基本電池的電極電壓(“基本電池”)，它與內(nèi)置電池集成電路50電氣斷開(kāi)，最好也和電池接線端20，22(“接線端”)斷開(kāi)。接線端20，22后來(lái)的隔離不僅減小在延長(zhǎng)閑置時(shí)間內(nèi)漏電的可能性，還提供了安全。例如鋰電池在快速放電期間可能會(huì)發(fā)熱并爆炸，例如如果在存儲(chǔ)中，接線端20和22不小心短路。
在T0時(shí)刻，基本電池電極32，34分別通過(guò)如閂鎖88電氣耦合到接線端20和22，因此也將電源提供給內(nèi)置電池集成電路50的至少一部分，例如前級(jí)泵102、電壓參考104和Schmitt觸發(fā)器A。當(dāng)電極電壓超過(guò)參考電壓時(shí)，接線端電壓隨著第一階段的剩余部分跟蹤基本伏打電池的電壓。
在T1時(shí)刻，第二階段以電極電壓低于參考電壓為起點(diǎn)，從而使功率轉(zhuǎn)換器90和指示系統(tǒng)11被自動(dòng)激活。因此，電極電壓繼續(xù)下跌，同時(shí)功率轉(zhuǎn)換器90使接線端電壓在一較高電壓處保持相對(duì)穩(wěn)定。以下根據(jù)圖10和11討論指示系統(tǒng)11的實(shí)例。
如果沒(méi)有任何備用伏打電池，電極電壓將一直降低到截止電壓如0.7伏，此后內(nèi)置電池集成電路不再具有足夠的電壓以運(yùn)作。根據(jù)該實(shí)施，接線端電壓要么在重新跟蹤電極電壓，要么從電極32，34上電氣斷開(kāi)。
然而，圖9顯示的實(shí)施包括了備用伏打電池30’。在T2時(shí)刻，電極電壓達(dá)到備用觸發(fā)器電壓，該電壓高于截止電壓，備用伏打電池30’開(kāi)始將電源提供給接線端20，22。在第三階段，備用伏打電極電壓以類似于上述基本伏打電池電壓的形式衰減，盡管一般它更快一點(diǎn)，所以功率轉(zhuǎn)換器90和指示系統(tǒng)11可以被再次觸發(fā)。在T3時(shí)刻，備用伏打電池電極電壓達(dá)到截止電壓，因此在第四階段內(nèi)置電池集成電路50就不工作了。
參考圖10，顯示了關(guān)于脈沖指示器64的第二階段，如以上圖8和10中所述，其中脈沖串在T1處開(kāi)始，并不斷增大頻率直到T2時(shí)刻，如LED的脈沖指示器64所產(chǎn)生的閃光警告用戶電池將要失效。
參考圖11，顯示了關(guān)于線條圖形指示器13的第二階段，如以上圖9和10中所述，其中運(yùn)算放大器E將電極電壓(也就是緩沖運(yùn)算放大器E的輸出)轉(zhuǎn)換成線條圖形指示器13的相應(yīng)范圍。這種刻度可以將測(cè)量電極電壓的非線性轉(zhuǎn)換為充電狀態(tài)，并模擬指示器13的可操作輸入范圍。
因此，在更廣的方面本發(fā)明不限于特定的細(xì)節(jié)，表示的裝置和方法，以及所顯示和描述的說(shuō)明性實(shí)例。因此，可以脫離這些細(xì)節(jié)，而不脫離該申請(qǐng)一般發(fā)明概念的精神或范圍。
例如，雖然較佳地描述了功率轉(zhuǎn)換器90作為內(nèi)置電池集成電路50的一部分，指示系統(tǒng)11可以組合入電池10中，在電池中伏打電池電壓直接提供給電池接線端20，22。另一種方案是，功率轉(zhuǎn)換器90可以全時(shí)調(diào)節(jié)接線端的電壓，包括升高和降低通過(guò)電極32，34的電壓。
作為另一個(gè)實(shí)例，雖然說(shuō)明了電化伏打電池30的典型比例和結(jié)構(gòu)，但是內(nèi)置電池集成電路50可以應(yīng)用于較寬范圍的伏打電池30，包括太陽(yáng)能的、混合的、電子機(jī)械的等等。此外，電池10可以具有任何數(shù)量的基本伏打電池30和/或備用伏打電池30’，其中這些電池30，30’串聯(lián)或并聯(lián)組合。
作為又一個(gè)實(shí)例，標(biāo)簽14可以包括各種類型的指示，除了或取代如線條圖形指示器的模擬指示器或脈沖指示器64。例如，充電狀態(tài)信息可以轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字表示，以指示一個(gè)數(shù)字或百分比。此外，充電狀態(tài)信息還可以轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的時(shí)間測(cè)量值，例如到電池10放電的剩余時(shí)間，這種計(jì)算基于平均的、即時(shí)的、或預(yù)定的放電速率。
作為又一個(gè)實(shí)例，這里的描述提供給具有檢測(cè)器致動(dòng)器按鈕15的電池10，它的優(yōu)點(diǎn)是提供多種功能，例如一開(kāi)始起動(dòng)內(nèi)置電池集成電路50以延長(zhǎng)閑置壽命，以及當(dāng)指示系統(tǒng)就要不起作用時(shí)，手動(dòng)激活指示系統(tǒng)11以確定充電狀態(tài)。電池10的其它實(shí)施可以不具有這些接口或只指定較少的功能，例如不具有閂鎖88，那么內(nèi)置電池集成電路50就將被自動(dòng)激活。
作為再一個(gè)實(shí)例，檢測(cè)器致動(dòng)器92可以激活內(nèi)置集成電路50，而無(wú)需將電極電壓連接到線條圖形指示器13，以及在線條圖形指示器和地之間連接一個(gè)校準(zhǔn)電阻Rt。
作為另一個(gè)實(shí)例，取代或除了可見(jiàn)指示外，指示系統(tǒng)11可以包括音頻通信裝置。因此，在頻率或持續(xù)時(shí)間上調(diào)制的聲音可以傳達(dá)電池將要失效的信息。
可以理解的是最初截止內(nèi)置電池集成電路50的閂鎖88可以省略，并允許電池10始終可用。另一種方案是，閂鎖88還可以中斷電氣耦合到功率轉(zhuǎn)換器90的最終正電極32″，以此斷開(kāi)正接線端20。雖然這需要用戶的手動(dòng)步驟以反映電池10的可用，但是如果想要延長(zhǎng)使用壽命，就應(yīng)該允許該不方便。此外，一些例如鋰電池的伏打電池在快速放電時(shí)不安全。正接線端20最初的電氣脫離提供了安全的測(cè)量，避免了不小心的負(fù)載引起的電池短路，例如電池掉進(jìn)了水坑中。
對(duì)于沒(méi)有功率轉(zhuǎn)換器90的本發(fā)明的實(shí)施，那么閂鎖88將直接耦合到正接線端20以獲得同樣的安全加強(qiáng)。
權(quán)利要求
1.一種電池，它包括伏打電池，較佳的為基本伏打電池，包括正電極和負(fù)電極，所述伏打電池存儲(chǔ)電荷，以在所述正電極和所述負(fù)電極的兩端產(chǎn)生電極電壓；外殼，包括正接線端和負(fù)接線端，所述外殼充分包圍所述伏打電池；其特征在于，電池包括以下各項(xiàng)中的一個(gè)或多個(gè)(a)指示系統(tǒng)，它包括指示器和指示器控制器，所述指示器控制器介于所述電極和所述指示器之間，所述指示器控制器響應(yīng)所述電極電壓以控制所述指示器，所述外殼充分包圍所述伏打電池和所述指示系統(tǒng)；(b)功率讀出電路，它在操作上跨接所述正負(fù)電極，以讀出電極電壓，所述電路產(chǎn)生表示存儲(chǔ)電荷的條件電壓；所述外殼充分包圍所述伏打電池和所述功率讀出電路，所述外殼包括在操作上耦合到功率讀出電路的指示器，用于在外殼的外部產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于條件電壓的指示；(c)閂鎖，它將所述電極和所述接線端電氣耦合，位于所述外殼外部可操作耦合到所述閂鎖的致動(dòng)器響應(yīng)用戶的手動(dòng)操作命令所述閂鎖閉合，較佳的是所述閂鎖包含在第一個(gè)動(dòng)作后能保持閉合的單穩(wěn)態(tài)閂鎖；(d)指示系統(tǒng)，它包括脈沖指示器和指示器控制器，所述指示器控制器介于所述電極和所述脈沖指示器之間，所述指示器控制器響應(yīng)所述電極電壓，用表示所述伏打電池充電狀態(tài)的脈沖速率控制所述脈沖指示器，所述外殼充分包圍所述伏打電池和所述指示系統(tǒng)；和(e)功率轉(zhuǎn)換器，它在所述電極和所述接線端之間電氣耦合，用于將電極電壓升壓到跨過(guò)接線端的接線端電壓，功率轉(zhuǎn)換器包括跨過(guò)所述電極電氣耦合的第一開(kāi)關(guān)，與所述正電極和所述正接線端電氣耦合的第二開(kāi)關(guān)，以及帶有停步振蕩器的功率控制狀態(tài)機(jī)，它在操作上耦合到所述第一開(kāi)關(guān)和所述第二開(kāi)關(guān)，所述外殼充分地包圍所述伏打電池和所述功率轉(zhuǎn)換器。
2.如權(quán)利要求1所述的電池，其特征在于，所述指示器控制器包括電氣耦合到所述電極的電壓閾值檢測(cè)器，所述電壓閾值檢測(cè)器根據(jù)所述電極電壓降低電壓閾值，因此所述電壓閾值檢測(cè)器激活所述指示系統(tǒng)，以此激活指示器。
3.如權(quán)利要求2所述的電池，其特征在于，所述指示系統(tǒng)包括電壓參考；所述電壓閾值檢測(cè)器包括以下各項(xiàng)中的一個(gè)或多個(gè)(a)觸發(fā)器，它耦合到所述電極和所述電壓參考；和(b)差分輸入滯后Schmitt觸發(fā)器，它具有第一第二輸入端和觸發(fā)器輸出端，所述第一輸入端與所述電極電壓電氣耦合，所述第二輸入端與所述電壓參考偏置的分壓器電氣耦合，所述分壓器產(chǎn)生預(yù)定的電壓閾值，所述輸出端控制所述指示系統(tǒng)其余部分的電池功率。
4.如權(quán)利要求2和3所述的電池，其特征在于，所述指示器控制器還包括由所述電壓閾值檢測(cè)器電氣起動(dòng)的慢脈沖振蕩器，并控制所述指示器，較佳的是所述指示器包括脈沖指示器，更佳的是所述指示器包括發(fā)光二級(jí)管或液晶顯示器。
5.如以上任何權(quán)利要求所述的電池，其特征在于，還包括由所述外殼充分包圍的備用開(kāi)關(guān)和備用伏打電池，所述備用開(kāi)關(guān)介于所述伏打電池和所述備用伏打電池之間，它由所述指示系統(tǒng)控制以選擇性地增大所述伏打電池的電荷，較佳的是所述備用伏打電池包括正電極和負(fù)電極；所述備用負(fù)電極電氣耦合到所述伏打電池負(fù)電極；所述備用開(kāi)關(guān)可切換地將所述伏打電池正電極和所述備用正電極連接到所述指示系統(tǒng)。
6.如以上任何權(quán)利要求所述的電池，其特征在于，所述指示系統(tǒng)還包括正導(dǎo)體、負(fù)導(dǎo)體、和接地母線；所述指示器控制器包括柔性電路板，所述正導(dǎo)體和所述伏打電池的所述正電極電氣耦合，所述負(fù)導(dǎo)體和所述伏打電池的所述負(fù)電極電氣耦合，所述柔性電路板電氣耦合到所述正導(dǎo)體和所述接地母線，所述接地母線電氣耦合到所述負(fù)導(dǎo)體；所述指示器位于所述外殼的外部，所述柔性電路板電氣耦合到所述正接線端，所述負(fù)接線端電氣耦合到所述負(fù)電極，負(fù)導(dǎo)體和所述接地母線；較佳的是所述正接線端包括一個(gè)其大小和結(jié)構(gòu)能包圍所述柔性電路板一部分的頂蓋。
7.如以上任何權(quán)利要求所述的電池，其特征在于，還包括位于所述外殼外部的檢測(cè)器致動(dòng)器，所述檢測(cè)器致動(dòng)器響應(yīng)手動(dòng)輸入，用于將所述伏打電池的所述電極電氣耦合到檢測(cè)電阻的第一端，檢測(cè)電阻具有電氣耦合到所述負(fù)電極的第二端，所述檢測(cè)器致動(dòng)器還響應(yīng)手動(dòng)輸入，用于激活所述指示器；較佳的是所述檢測(cè)器致動(dòng)器響應(yīng)用于激活所述指示器的手動(dòng)輸入，可切換地將所述正電極耦合到所述指示器。
8.如權(quán)利要求7所述的電池，其特征在于，所述指示器包括以下各項(xiàng)中的一個(gè)或多個(gè)線條圖形指示器、脈沖指示器、發(fā)光二級(jí)管和液晶顯示器。
9.如權(quán)利要求7或8所述的電池，其特征在于，所述正接線端電氣耦合到所述指示系統(tǒng)，所述負(fù)接線端電氣耦合到所述負(fù)電極，所述電池還包括介于所述電極和所述接線端之間，響應(yīng)所述檢測(cè)器致動(dòng)器的閂鎖；較佳的是所述閂鎖包括單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器。
10.如以上任何權(quán)利要求所述的電池，其特征在于，所述指示系統(tǒng)包括功率轉(zhuǎn)換器，它電氣介入所述電極和所述接線端之間，用于將所述電極處的電極電壓轉(zhuǎn)換成所述接線端處的接線端電壓；較佳的是所述功率轉(zhuǎn)換器包括帶有停步振蕩器的功率控制狀態(tài)機(jī)，用于響應(yīng)降低到閾值的電極電壓，選擇性地升高接線端電壓。
11.如以上任何權(quán)利要求所述的電池，其特征在于，該電池是具有標(biāo)準(zhǔn)外部尺寸和標(biāo)準(zhǔn)接線端電壓的消費(fèi)電池，所述外殼確定標(biāo)準(zhǔn)外部尺寸并包括提供標(biāo)準(zhǔn)接線端電壓的正接線端和負(fù)接線端。
12.一種用于指示任何如以上權(quán)利要求所述帶有內(nèi)置集成電路的電池之充電狀態(tài)的方法，其特征在于，該方法包括用所述內(nèi)置集成電路檢測(cè)表示所述伏打電池充電狀態(tài)的所述伏打電池電極電壓；比較所述電極電壓和參考電壓；和響應(yīng)降到低于參考電壓的所述電極電壓，指示所述伏打電池的充電狀態(tài)。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，還包括響應(yīng)檢測(cè)到低于閾值的電極電壓，升壓電極電壓。
全文摘要
消費(fèi)電池(10)中柔性電路板(70)形式的內(nèi)置電池集成電路(50)讀出伏打電池電極(32″,34″)的電壓,當(dāng)電壓指示為低充電狀態(tài)時(shí),它激活指示系統(tǒng)(11),警告用戶電池將失效。此外,檢測(cè)器致動(dòng)器(15)位于電池外殼(12)的外表面上,用于手動(dòng)激活指示系統(tǒng)(11)檢驗(yàn)電池充電量沒(méi)有變得太低,以致于阻止指示系統(tǒng)的工作。有利的是檢測(cè)器致動(dòng)器按鈕(15)還能啟動(dòng)內(nèi)置電池集成電路,因此使所有的內(nèi)部電子設(shè)備都沒(méi)有動(dòng)力直到用戶決定使用該電池(10)。指示系統(tǒng)(11)包括如線條圖形的模擬指示器和/或如LED或LCD的脈沖指示器(64)。
文檔編號(hào)G01R31/36GK1360741SQ00806625
公開(kāi)日2002年7月24日 申請(qǐng)日期2000年4月20日 優(yōu)先權(quán)日1999年4月23日
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