CN101002372A - 电池保护方法及其结构 - Google Patents

Abstract

在一个实施例中，电路被形成为在充电电压大于零伏且小于第一电压值时的至少部分时间内，连接电池到该充电电压。这个电路还被形成为近似在该充电电压大于第一电压时并且近似在该充电电压不大于零伏时，从这个充电电压上断开电池。

Description

电池保护方法及其结构

技术领域

本发明一般涉及电子学，特别涉及构成半导体装置和结构的方法。

背景技术

过去，电子学工业利用不同的方法和电路来保护电池，例如锂离子(Li-Ion)电池，以防止由电池充电控制器施加给电池的不可预知的电压。通常，可以调节电池充电控制器的输出，但是，如果控制器连接错误，就会给电池施加过高的电压。Sunnyvale CA的MaximIntegrated Products制造的Max4840就是这种电池充电控制器的一个例子。Max4840使用N通道MOS晶体管，如果电池充电电压超过大约六伏，这个晶体管就截止。以前的控制器的一个问题是不能保护电池免受反向的或负的电压损害。这种负的电压会对电池产生不利影响，而且也可能破坏充电控制器。

因此，需要有电池保护电路，其保护电池以防止正的过压和负的欠压。

附图说明

图1示意性地说明了依据本发明的一部分电池保护系统的实施例；

图2示意性地说明了另一个电池保护系统的部分实施例，这个电池保护系统是依据本发明的图1电池保护系统的替换实施例；和

图3示意性地说明了一个半导体装置的放大的平面图，其包括依据本发明的图1电池保护系统的一部分。

为了说明的简单和清楚，图中的元件没有必要按比例绘制，并且不同图示中的相同标号代表相同的元件。此外，为了简化本说明，省略了对公知的步骤和元件的说明和细节。这里使用的载流电极表示运载通过装置的电流的该装置的元件，例如MOS晶体管的源极或者漏极或者双极晶体管的发射极或集电极，以及控制电极表示控制通过装置的电流的该装置的一个元件，例如MOS晶体管的栅极或者双极晶体管的基极。

具体实施方式

图1示意性地说明了部分实施例电池保护系统10，其保护电池11以防受到过压和欠压状况损害。电池11用于为负载19提供工作电压和工作电流，例如移动电话、电子组织器(electronic organizer)或者膝上型计算机。电池11通过由终端适配器(TA)13提供的充电电压和充电电流进行充电。终端适配器13通常从例如家用电源等外部电路(没有显示出)接收功率，并将这个功率转化成适合于运转负载19和为电池11充电的充电电压。

这个充电电压通常是一个低值的直流电压，例如大约4到15伏的半正矢直流电压。适配器13通常将这个充电电压施加到系统10的电压输入端15。在某些实施例中，TA负载12，例如一个电阻器，可以被连接到输入端15以便利于适配器13的工作。如在下文中将进一步了解到的，保护电路17被设计为在充电电压的值近似大于0伏(0V)但小于第一电压值的大多数时间里，将这个充电电压从输入端15连接到电池11。本领域的技术人员应当认识到，这样的连接和断开不能瞬间发生，而是近似在所描述的状况出现时开始发生。通常，电池充电电路或功率管理单元14被用于监控用于为电池11充电的电池充电电流34的值。功率管理单元14在检测输入端39和40接收代表电流34值的检测信号，并使用这个检测信号的值来控制施加到电池11的充电电流34的值。单元14同样使用这个检测信号在单元14的控制输出端42上施加一个控制信号，其帮助电路17运转。在这个优选实施例中，电流34流过电阻器18以形成代表电流34的这个检测信号。单元14同样在单元14的电压输入端41处接收一个工作电压，通常作为Vdd。单元14通常设置有一个内部电压传感器电路，其检测这个Vdd电压值在正常工作范围之内并且小于这个第一电压值，这个第一电压值近似是用于运转单元14的正常工作电压的最大上限。这个内部电压传感器的电压值可以是可调整的并由外部连接到单元14的部件建立，或可以在单元14内部设置。

通常，这个第一电压的最大值比电池11被充电的最大值要小。例如，电池11可以被设计为提供近似四伏(4V)的额定电压，并被充电到不超过大约六伏(6V)的电压。对于这个例子，第一电压值近似是六伏(6V)，并且大约在这个充电电压值近似大于零伏(0V)但小于近似六伏(6V)的第一电压值时，电路17连接电池11到这个充电电压。以与功率管理单元14类似的方式工作的功率管理单元是本领域的技术人员所公知的。由Sunnyvale CA的Maxim IntegratedProducts制造的部件号为Max1736是这样的功率管理单元的例子。

电路17包括多个P通道MOS晶体管，其包括第一晶体管21、第二晶体管23和第三晶体管25，这些晶体管具有在公共节点28处共同连接在一起的源极。电路17的N通道晶体管26被连接到这些多个P通道晶体管，以辅助提供电路17的保护功能。电路17还包括箝位电路31，例如齐纳二极管，其功能是箝住施加到输入端41的Vdd值在第二电压值或箝位电压上。这个第二电压值通常选择为不超过单元14可以承受的最大电压值。例如，由于制造单元14所采用的方法的原因，施加到单元14的Vdd的最大值可以被限制在十二伏(12V)，因此，这个第二电压选择为不超过大约十二伏。此外，电路17包括热敏电阻29，其辅助限制系统10的功率消耗。

大约在输入端15上的充电电压的值近似比零伏(0V)大但比第一电压值小的时间内，充电电压值被施加到单元14的输入端41。本领域的技术人员可以了解，一些时间被用于检测电压值并相应地激活或者截止晶体管，因此电池11并不是在这个全部时间内被连接。当Vdd值近似比零伏大并近似比第一值小时，单元14调节电流34的值到为电池11充电所期望的值。这个期望值通过电阻器18的值和单元14的内部电路而被设定，例如参考电压和比较器。单元14控制晶体管38以施加一个控制电压到控制输出端42，进而到晶体管26的源极，其调节电流34的值。由于晶体管26的栅极处于Vdd，而且源极处于比这个栅极小的一个电压，晶体管26被激活而近似地将输出端42的控制电压施加到晶体管21和23的栅极，从而使得晶体管21和23导通。晶体管21和23将电池连接到输入端15处的充电电压，并且晶体管21和23的栅极电压值由单元14控制以调节电流34的值。由于电池11的电压不大于并且通常小于这个充电电压，晶体管25的栅极处于等于或者大于晶体管25的源极的电压，因此，晶体管25被截止并且对电池11不起作用。

如果在输入端15处的充电电压值增加，电路17继续连接电池11到充电电压，直到这个充电电压值超过近似等于这个第一值的值。

近似地当这个充电电压值大于这个第一值但小于由这个箝位电压建立的第二电压值时，电路17开始将电池11从充电电压上断开。单元14检测出Vdd电压值比这个第一电压值大并且停止单元14的运转和截止晶体管38。单元14通常设置有电压增益电阻器36，其被连接在输入端41和输出端42之间。在单元14的正常运转过程中，电阻器36通常被用于设定调节电流34的值的控制回路的电压增益。在某些功率管理单元中，电阻器36可以是带有由这个功率管理单元控制的栅极的P通道MOS晶体管。在另一些实施例中，电阻器36可以在功率管理单元的外部。由于单元14被停止，电阻器36拉起晶体管26的源极到基本上等于Vdd或充电电压的电压。由于晶体管26的栅极和源极近似相等，晶体管26变得截止。在晶体管26的源极上的电压正向偏置于晶体管26的体二极管27，并施加Vdd电压到晶体管25的漏极和晶体管21和23的栅极。晶体管21的漏极也处于近似等于这个充电电压的电压，其正向偏置于晶体管21的体二极管22，并施加这个充电电压到节点28以及晶体管21、23和25的源极。由于晶体管21、23和25的栅极都处于近似等于这个充电电压的电压并且源极都处于近似相等的电压，晶体管21、23和25都截止或断开。因此，至少近似地当这个充电电压变得比这个第一电压值大时，电路17开始将电池11从这个充电电压上断开，以保护电池11。

近似当这个充电电压在这个电压范围内时，电路17继续从充电电压上断开电池11。因此，至少在这个充电电压高于第一电压值的一部分时间内，电路17从充电电压上断开电池11。

如果充电电压增长到比箝位电路31的箝位电压值高的电压，电路1 7继续从充电电压上断开电池11。如果充电电压高于这个箝位电压，电流31的齐纳二极管箝住Vdd电压，并且将施加到晶体管25和26的栅极的电压箝位在该箝位电压上。由于单元14被停止并且晶体管38关断，电阻器36同样施加这个箝位电压到晶体管26的源极，因此晶体管26保持截止，并且二极管27施加这个箝位电压到晶体管25的漏极和晶体管21和23的栅极。晶体管21的体二极管22施加这个充电电压到节点28，从而施加到晶体管21、23和25的源极。由于充电电压高于箝位电压，晶体管25被激活并且关断用于确保电池11与充电电压保持断开的晶体管23。同样，由于充电电压高于箝位电压，晶体管21被激活。如果充电电压至少不超过箝位电压体二极管22的压降值加上晶体管25的门限电压值，则晶体管25保持截止并防止电流从二极管22流到箝位电路31，因此降低功率消耗。如果充电电压至少超过箝位电压体二极管22的压降值加上晶体管25的门限电压值，则晶体管25被激活并施加这个充电电压到晶体管21和23的栅极。

由于晶体管21和23的源极和栅极处于近似相等的电压，晶体管21和23被截止并且电池11保持与充电电压断开。晶体管25还施加充电电压到二极管27，其使二极管27截止，因此限制功率消耗。

如果充电电压值近似为零伏(0V)或更小，电路17同样将电池11与充电电压断开，以保护电池11和单元14免受反向电压损害。这种反向电压可以破坏单元14或电池11。电路17同样保护电池11免受流向单元14或负载12的反向电流损害。例如，终端适配器13可以与输入端15断开连接，因此，充电电压将近似为零伏，或者终端适配器13可能被错误地连接到输入端15并施加一个负的充电电压到输入端15，进而施加到单元14的输入端41。Vdd的值近似是零伏或更小，因此，单元14和晶体管38被截止。然而，电阻器36施加Vdd值到晶体管26的源极。因此，晶体管26的栅极和源极处于基本上相等的电压，并且晶体管26截止。电阻器18将电池电压从电池11连接到晶体管23的漏极。这个电池电压正向偏置于晶体管23的体二极管24以使得晶体管21、23和25的源极接收一个基本上等于这个电池电压值的电压。由于晶体管25的栅极处于一个不大于近似零伏的电压，晶体管25被激活，这样就将电池电压值连接到晶体管21和23的栅极，因此使晶体管21和23截止并将电池11与输入端15上的充电电压断开。

由于晶体管21和23都截止，并因为体二极管22和24背对背连接，因此保护电池11免受反向或放电电流的损害。可以看到，由于晶体管26被截止，反向电流不能从电池11流到单元14，因此保护了电池11免受这样的反向电流的损害。

此外，来自充电电压的负电压通过热敏电阻29基本上被除去。一个大电流开始从电热调节器29和电路31流过。这个电流流动增加了热敏电阻29的温度和电阻，这反过来减弱了通过热敏电阻29的电流。因此，热敏电阻29限制了由系统10消耗掉的充电电流值。

应该注意到，即使形成晶体管23以使其对称地运转，也就是源极和漏极是电学可互换的，晶体管21仍然被关断或者截止并且使电池11与输入端15上的充电电压断开连接。同样也应该注意到，近似在这个负电压被施加到输入端15期间，晶体管26保持关断，因此，没有电流通过晶体管25流到单元14以及进而流到在输入端15处的充电电压上，因此进一步限制了系统10的功率消耗。

为了简化对于图1的运转的描述，热敏电阻29的第一端被连接以接收充电电压，并且第二端被共同连接到箝位电路31的第一端、晶体管25和26的栅极和单元14的输入端41。箝位电路31的第二端被连接到一个电压公共端。晶体管26的源极被连接到单元14的输出端42，并且晶体管26的漏极被共同连接到晶体管25的漏极和晶体管21和23的栅极。晶体管21的漏极被连接以接收充电电压。晶体管23的漏极被连接以接收来自电池11的电池电压。晶体管21、23和25的源极在节点28处被共同连接在一起。

图2示意性地说明了实施例电池保护系统50的一部分，其是图1所说明的系统10的可替换实施例。系统50包括一个电池保护电路51，其是图1的描述中所说明的电路17的可替换实施例。电路51包括一个限流电阻器52，其替代电路17的晶体管26。电阻器52被连接在单元14的输出端42和晶体管21和23的栅极以及晶体管25的漏极之间。电阻器52连接来自输出端42的电压到晶体管21和23的栅极以及晶体管25的漏极，以使得电路51与电路17类似地工作。然而，在充电电压近似为零伏或更小并且晶体管25被激活的情况下，放电电流可以通过晶体管23和25、通过电阻器52、通过单元14的电阻器36并通过热敏电阻29，从电池11流到充电电压。可以选择电阻器52和热敏电阻29的值以最小化这个放电电流的值。

图3示意性地说明了实施例半导体装置70的一部分的放大平面图，其形成在半导体晶片71上。电路17在晶片71上形成。晶片71同样可以包括为了简化附图而在图3中未显示的其他电路。电路17和装置70是通过本领域技术人员公知的半导体制造技术被形成在晶片71上的。

在上面所有的视图中，很明显，公开了一种新颖的装置和方法。在其他特征中，

包括配置多个晶体管，以便近似当充电电压大于零伏且小于第一电压时连接电池到充电电压，而近似当充电电压大于第一电压或近似当充电电压是零伏或小于零伏时从充电电压上断开电池。这个电路的运转保护了电池和充电控制器或者功率管理单元免受过压状况、欠压状况和反向电流流动的损害。此外，这个电路的运转降低了系统的功率消耗。

虽然本发明采用了具体的优选实施例进行了描述，但很明显，很多替换方式和变化对于半导体领域的技术人员是很明显的。此外，为了说明的简洁在全文贯穿使用词语“连接(connect)”，然而，该词语“连接(connect)”与词语“连接(couple)”具有相同的含义。因此，“连接”可以被解释为既包括直接连接又包括间接连接。

Claims (20)

1.一种电池保护方法，包括：

提供电池和配置成提供充电电压的电压源；

在所述充电电压大于零伏并且小于第一电压时的第一时间的至少部分时间内，连接所述电池到所述充电电压上；

在所述充电电压不大于零伏时的第二时间的至少部分时间内，从所述充电电压上断开所述电池；和

在所述充电电压不小于所述第一电压时的第三时间的至少部分时间内，从所述充电电压上断开所述电池。

2.如权利要求1所述的方法，进一步包括：将第一晶体管、第二晶体管和第三晶体管的第一载流电极共同连接在一起，连接所述第一晶体管的第二载流电极以接收所述充电电压，连接所述第二晶体管的第二载流电极以接收来自电池的电池电压，并且激活所述第一晶体管和所述第二晶体管以连接所述电池到所述充电电压上。

3.如权利要求2所述的方法，其中从所述充电电压上断开所述电池包括：在所述充电电压不小于所述第一电压时的第四时间的至少部分时间内，使所述第一晶体管和所述第二晶体管截止。

4.如权利要求2所述的方法，其中从所述充电电压上断开所述电池包括：近似当所述充电电压小于零时，使所述第一晶体管和所述第二晶体管截止。

5.如权利要求2所述的方法，其中从所述充电电压上断开所述电池包括：在所述充电电压大于所述第一电压且小于一个大于所述第一电压的第二电压时的第四时间的至少部分时间内，使所述第二晶体管和所述第三晶体管截止。

6.如权利要求2所述的方法，其中连接所述电池到所述充电电压上包括使所述第三晶体管截止。

7.如权利要求2所述的方法，其中在所述充电电压大于零伏并且小于第一电压时的第一时间的至少部分时间内连接所述电池到所述充电电压上包括：激活第四晶体管以连接一个电压到所述第一和第二晶体管的控制电极，并激活所述第一和第二晶体管。

8.一种电池保护电路，包括：

第一导电类型的多个晶体管，具有控制电极、具有共同连接在一起的第一载流电极、且具有第二载流电极，其中所述多个晶体管中至少一个晶体管的所述第二载流电极被配置成接收来自电池的电压，并且所述多个晶体管中另一个晶体管的第二载流电极被配置成接收给所述电池的充电电压。

9.如权利要求8所述的电池保护电路，其中所述多个晶体管中第一晶体管的所述控制电极被连接到所述多个晶体管中第二晶体管的所述第二载流电极。

10.如权利要求9所述的电池保护电路，其中所述多个晶体管中第三晶体管的所述控制电极被连接到所述第一晶体管的所述控制电极，并且所述多个晶体管中所述第二晶体管的所述控制电极被连接以接收被限制在第二电压值的电压，所述第二电压值大于所述电池的最大电压。

11.如权利要求10所述的电池保护电路，进一步包括：第二导电类型的第一晶体管，具有被连接到所述多个晶体管中第三晶体管的所述控制电极的第一载流电极。

12.如权利要求8所述的电池保护电路，其中所述第一导电类型的所述多个晶体管是P通道MOS晶体管。

13.如权利要求8所述电池保护电路，进一步包括：第二导电类型的第一晶体管，具有被连接到所述多个晶体管中第一晶体管的所述控制电极和所述多个晶体管中第二晶体管的所述第二载流电极上的第一载流电极、被连接到所述多个晶体管中第二晶体管的所述控制电极上的控制电极、以及第二载流电极。

14.如权利要求13所述的电池保护电路，其中所述多个晶体管中第三晶体管的所述控制电极被连接到所述第二导电类型的第一晶体管的所述第一载流电极。

15.如权利要求11所述的电池保护电路，其中所述第二导电类型的第一晶体管是N通道MOS晶体管。

16.形成一个电池保护电路的方法，包括：

配置第一导电类型的多个晶体管，以便接收来自电压源的充电电压，并且在所述充电电压大于近似零伏且小于第一电压时的第一时间的至少部分时间内，相应地连接电池到所述充电电压上；

配置所述多个晶体管，以便在所述充电电压小于近似零伏时的第二时间的至少部分时间内，相应地从所述充电电压上断开所述电池；和

配置所述多个晶体管，以便在所述充电电压不小于所述第一电压时的第三时间的至少部分时间内，相应地从所述充电电压上断开所述电池。

17.如权利要求16所述的方法，其中，配置所述第一导电类型的所述多个晶体管以便接收来自所述电压源的所述充电电压以及相应地连接所述电池到所述充电电压包括：配置所述多个晶体管，具有共同连接在一起的第一载流电极，具有第二载流电极，并具有控制电极，其中所述多个晶体管中第一晶体管的所述第二载流电极被配置为接收来自所述电池的电压，并且所述多个晶体管中第二晶体管的所述第二载流电极被配置为接收所述充电电压。

18.如权利要求17所述的方法，进一步包括：连接所述多个晶体管中第三晶体管的所述第二载流电极到所述多个晶体管中第一晶体管的所述控制电极。

19.如权利要求18所述的方法，进一步包括：连接所述多个晶体管中第三晶体管的所述第二载流电极到所述多个晶体管中第二晶体管的所述控制电极。

20.如权利要求16所述的方法，进一步包括：连接第二导电类型的第一晶体管的第一载流电极到所述多个晶体管中至少第一晶体管的控制电极以及所述多个晶体管中第二晶体管的第二载流电极，连接所述第二导电类型的第一晶体管的控制电极到所述多个晶体管中第二晶体管的所述控制电极。

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