CN101055999B - 充电/放电保护电路和供电装置 - Google Patents

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Abstract

提供了一种充电/放电保护电路，其具有使用双掷半导体开关器件的简单电路配置，并能够恢复禁止充电/放电的状态，其中双掷半导体开关器件断开。充电/放电保护电路包含充电/放电控制电路，该充电/放电控制电路设置有用于检测充电器和负载中的哪一个连接到外部端子的第二端子。第一电阻器和第一开关串联在第二端子与电源之间，并且第二电阻器和第二开关串联在第二端子与地之间。

Description

充电/放电保护电路和供电装置
技术领域
本发明涉及用于控制二次电池充电/放电的充电/放电保护电路。
背景技术
近些年，随着小尺寸便携式电子设备的发展，二次电池已经得到广泛使用。一种使用最广泛的二次电池包含锂二次电池。然而，关于锂二次电池已经指出了许多问题，因为过度充电或过度放电导致电池中的损坏、退化等，由此缩短了电池的使用寿命。
为了解决那些问题，已经开发了各种充电/放电保护电路。那些充电/放电保护电路中的大多数都具有这样的电路配置：其中提供两个串联的MOSFET作为充电/放电通路中的充电/放电控制开关器件，其中使用电池电压作为电源的控制电路控制两个MOSFET的栅极电压，由此禁止充电或放电。
图5示出具有上述配置的传统充电/放电保护电路(见JP 2872365B)。具体地说，充电/放电控制电路5在检测到二次电池12的电池电压增大到等于或大于预置电压时，通过充电控制端子23断开充电控制MOSFET 18，由此切断充电电流。在充电电流切断期间，放电电流流过充电控制MOSFET 18的寄生二极管。
类似地，充电/放电控制电路5在检测到二次电池12的电池电压降低到等于或小于预置电压时，通过放电控制端子24断开放电控制MOSFET 19，由此切断放电电流。在放电电流切断期间，充电电流流过放电控制MOSFET 19的寄生二极管。
根据上述电路配置，有必要在外部提供两个MOSFET给充电/放电控制电路5，这增大了充电/放电保护电路的尺寸。因此，上述电路配置在成本以及便携式设备中所需的覆盖区中的空间节省方面存在问题。
此外，还存在另一个问题，即设备本身容易退化，因为电路具有这样的模式：充电/放电电流流过MOSFET的寄生二极管。
为了解决那些问题，已经提议了另一种充电/放电保护电路，其中只采用了单个充电/放电控制开关器件，并且充电/放电电流不流过寄生二极管。
图6示出了充电/放电保护电路的传统实例，其中向充电/放电通路提供了双掷半导体开关器件。双掷半导体开关器件是没有寄生二极管的单个器件，并具有双掷特性(见JP 2001-251772A)。
具体地说，双掷半导体开关器件1的漏极连接到二次电池12，源极连接到负载/充电器4，并且栅极连接到充电/放电控制电路5。充电/放电控制电路5按照二次电池12的端子电压接通和断开双掷半导体开关器件1。
上述电路仅仅包含双掷半导体开关器件1作为充电/放电开关器件，由此实现了更简单的电路配置。另外，双掷半导体开关器件1在断开时切断了双向电流，并因此电路没有电流流过寄生二极管的模式，这不太可能引起设备本身中的退化。
然而，根据使用双掷半导体开关器件的传统充电/放电保护电路，充电/放电控制电路5不能检测到负载和充电器中的哪一个连接到充电/放电保护电路。因此，存在一个问题：一旦双掷半导体开关器件断开以便切断充电电流，就不可能使放电电流流动，甚至在通过替换已经从充电/放电保护电路去除的充电器而连接负载时也如此。还存在一个类似问题：一旦双掷半导体开关器件断开以便切断放电电流，就不可能启动充电，甚至在充电器连接到充电/放电保护电路时也如此。
另外，根据上述传统实例，在可能导致双掷半导体开关器件击穿的过量充电电流或过量放电电流流过充电/放电通路的情况下，充电/放电控制电路不具有检测电流和切断过量电流的功能。因此，该电路在可靠性方面有问题。
此外，根据上述传统实例，假定双掷半导体开关器件提供为具有正常导通特性的场效应晶体管。根据正常导通特性，开关保持导通，甚至在没有电压施加到其栅极时也如此。由于该特性，在控制电路和半导体开关器件栅极之间的连接由于意外事件被断开的情况下，允许充电或放电，造成连续充电或放电，这可导致二次电池的破坏或退化。因此，该电路在二次电池的保护方面有问题。
发明内容
鉴于上述情形，本发明的目的是提供一种低成本、高可靠性的易于使用的简单电路配置的充电/放电保护电路。
为了实现上述目的，本发明提供的充电/放电电路包含：双掷半导体开关器件，其是提供给充电/放电通路的单个开关，并具有双掷特性；以及充电/放电控制电路，用于执行双掷半导体开关器件的通/断控制，其中充电/放电控制电路包含用于控制双掷半导体开关器件的第一端子和用于检测充电器和负载中的哪一个连接到外部端子的第二端子。
同样，在根据本发明的充电/放电保护电路中，充电/放电控制电路还包含第三端子，第三端子连接到用于通过电阻器断开双掷半导体开关器件的电位，第三端子连接到双掷半导体开关器件的栅极。
根据本发明的充电/放电控制电路，有可能提供一种低成本、高可靠性的易于使用的、使用单个开关器件的简单电路配置的充电/放电保护电路。
附图说明
在附图中：
图1是根据本发明第一实施例的充电/放电保护电路的框图；
图2是根据本发明第一实施例的充电/放电保护电路的框图；
图3是根据本发明第一实施例的充电/放电保护电路的框图；
图4是根据本发明第二实施例的充电/放电保护电路的框图；
图5是根据传统实例的充电/放电保护电路的框图；以及
图6是根据另一传统实例的充电/放电保护电路的框图。
具体实施方式
(实施例1)
图1示出根据本发明第一实施例的充电/放电保护电路。充电/放电控制电路5包含：VDD端子8，连接到二次电池12的正电极；VSS端子7，连接到二次电池12的负电极；第一端子2；以及第二端子3。充电/放电控制电路5能够检测VDD端子8和VSS端子7上的电压以及第二端子3和VSS端子7上的电压。双掷半导体开关器件1的漏极连接到二次电池12的正电极和充电/放电控制电路5的VDD端子8，源极连接到充电/放电控制电路5的第二端子3和负载/充电器4，并且栅极连接到充电/放电控制电路5的第一端子2。
首先，给出充电器连接在负载/充电器4位置的情况的说明。在此情况下，充电电流流过充电/放电通路。当二次电池12的电压由于充电电流而增大，以便将充电/放电控制电路5的VDD端子8和VSS端子7上的电压增大到等于或大于应禁止充电的预置电压时，充电/放电控制电路5通过第一端子2控制双掷半导体开关器件1的栅极来切断充电电流。在充电电流切断后，充电/放电控制电路5的第二端子3和VSS端子7上的电压变为等于充电器的电压。
之后，充电器从充电/放电通路去掉，并且负载连接在负载/充电器4的地方。此时，充电/放电控制电路5的第二端子3和VSS端子7上的电压降到等于0，因为没有电力供给负载。因此，充电/放电控制电路5检测到连接了负载，并通过第一端子2接通双掷半导体开关器件1。
接下来，给出负载连接在负载/充电器4位置的情况的说明。在此情况下，放电电流流过充电/放电通路。当二次电池12的电压由于放电电流而减小，以便将充电/放电控制电路5的VDD端子8和VSS端子7上的电压减小到等于或小于应禁止放电的预置电压时，充电/放电控制电路5通过第一端子2控制双掷半导体开关器件1的栅极来切断放电电流。在放电电流切断后，充电/放电控制电路5的第二端子3和VSS端子7上的电压变为等于0。
之后，负载从充电/放电通路去掉，并且充电器连接在负载/充电器4的地方。此时，充电/放电控制电路5的第二端子3和VSS端子7上的电压增大到等于充电器的电压。因此，充电/放电控制电路5检测到连接了充电器，并通过第一端子2接通双掷半导体开关器件1。
图2示出根据本发明第一实施例的充电/放电保护电路的具体实例。在充电/放电控制电路5中，上拉电阻器14和上拉开关13串联在第二端子3和VDD端子8之间，并且下拉电阻器16和下拉开关15串联在第二端子3和VSS端子7之间。
在正常充电/放电状态，充电/放电控制电路5执行控制以接通双掷半导体开关器件1并断开上拉开关13和下拉开关15。
首先，给出过量放电电流流过充电/放电通路的情况的说明。当正常放电电流流过充电/放电通路时，充电/放电控制电路5的VDD端子8和VSS端子7上的电压基本上与充电/放电控制电路5的第二端子3和VSS端子7上的电压相同。例如，当二次电池12的电压为3V，连接在负载/充电器4位置的负载为1kΩ，并且双掷半导体开关器件1的导通电阻为20mΩ时，放电电流获得为3mA。因此，由双掷半导体开关器件1的导通电阻和放电电流引起的电压降通过将20mΩ乘以3mA(20mΩ×3mA＝0.06mV)获得为0.06mV。因此，充电/放电控制电路5的VDD端子8和VSS端子7上的电压为3V，且第二端子3和VSS端子7上的电压通过从3V减去0.06mV(3V-0.06mV＝2.99994V≈3V)获得为2.99994V，这接近于3V。
在此情况下，当负载减小到1Ω时，近似3A的过量放电电流流过充电/放电通路。当双掷半导体开关器件1不能承受3A的电流时，双掷半导体开关器件1可能被放电电流破坏。为了保护双掷半导体开关器件1，充电/放电控制电路5有必要控制第一端子2，以便断开双掷半导体开关器件1，由此切断放电电流。
由双掷半导体开关器件1的导通电阻和3A的放电电流引起的电压降通过将20mΩ乘以3A(20mΩ×3A＝60mV)获得为60mV。因此，充电/放电控制电路5的VDD端子8和VSS端子7上的电压为3V，且第二端子3和VSS端子7上的电压通过从3V减去0.06V(3V-0.06V＝2.94V)获得为2.94V。这个电压差随放电电流变大而增大。
当通过从VDD端子8和VSS端子7上的电压值减去第二端子3和VSS端子7上的电压值获得的电压差增大到等于或大于预置值时，充电/放电控制电路5确定过量放电电流流过充电/放电通路，并通过第一端子2断开双掷半导体开关器件1，由此切断放电电流。此外，充电/放电控制电路5控制在其中设置的上拉开关13，以便接通上拉开关13。当上拉开关13接通时，充电/放电控制电路5的VDD端子8和第二端子3在控制电路内通过上拉电阻器14彼此连接。此时，当二次电池12的电压为3V，连接在负载/充电器4位置的负载为1Ω，且上拉电阻器14的电阻值为100kΩ时，充电/放电控制电路5的第二端子3和VSS端子7上的电压通过将1Ω的电阻除以100kΩ并将结果乘以3V((1Ω/100kΩ)×3V＝0.03mV≈0V)获得为0.03mV，这接近等于0V。
之后，当1Ω的负载去掉时，没有电流流过上拉电阻器14。因此充电/放电控制电路5的第二端子3和VSS端子7上的电压变为等于二次电池12的电压。充电/放电控制电路5检测到电压改变，并通过第一端子2接通双掷半导体开关器件1。与此同时，上拉开关13控制为断开。
接下来，给出过量充电电流流过充电/放电通路的情况的说明。当正常充电电流流过充电/放电通路时，充电/放电控制电路5的VDD端子8和VSS端子7上的电压基本上与充电/放电控制电路5的第二端子3和VSS端子7上的电压相同。例如，当二次电池12的电压为3V，流过连接在负载/充电器4位置的充电器的电流为1A，且双掷半导体开关器件1的导通电阻为20mΩ时，由双掷半导体开关器件1的导通电阻和充电电流引起的电压降通过将20mΩ乘以1A(20mΩ×1A＝20mV)获得为20mV。因此，充电/放电控制电路5的VDD端子8和VSS端子7上的电压通过将20mV加上3V(3V+20mV＝3.02V)而获得为3.02V，且第二端子3和VSS端子7上的电压获得为3V。
当充电电流例如增大到3A时，如果双掷半导体开关器件1不能承受3A的电流，则双掷半导体开关器件1可能被充电电流破坏。为了保护双掷半导体开关器件1，充电/放电控制电路5有必要控制第一端子2，以便断开双掷半导体开关器件1，由此切断充电电流。
由双掷半导体开关器件1的导通电阻和3A的充电电流引起的电压降通过将20mΩ乘以3A(20mΩ×3A＝60mV)获得为60mV。因此，充电/放电控制电路5的VDD端子8和VSS端子7上的电压通过将60mV加上3V(3V+60mV＝3.06V)而获得为3.06V，且第二端子3和VSS端子7上的电压获得为3V。这个电压差随充电电流变大而增大。
当通过从第二端子3和VSS端子7上的电压值减去VDD端子8和VSS端子7上的电压值而获得的电压差增大到等于或大于预置值时，充电/放电控制电路5确定过量充电电流流过充电/放电通路，并通过第一端子2断开双掷半导体开关器件1，由此切断充电电流。此外，充电/放电控制电路5控制在其中设置的下拉开关15，以便接通下拉开关15。当下拉开关15接通时，充电/放电控制电路5的VSS端子7和第二端子3在控制电路内通过下拉电阻器16彼此连接。此时，当连接在负载/充电器4位置的充电器具有5V时，充电/放电控制电路5的第二端子3和VSS端子7上的电压获得为5V。
之后，当充电器去掉时，充电/放电控制电路5的第二端子3的电位变为等于VSS端子7的电位。因此，第二端子3和VSS端子7上的电压减小到0V。充电/放电控制电路5检测到电压改变，并通过第一端子2接通双掷半导体开关器件1。与此同时，下拉开关15控制为断开。
如上所述，第二端子3提供给充电/放电控制电路5，以便检测负载或充电器的电压。因此，有可能通过自动检测负载或充电器的连接来控制充电/放电，甚至当二次电池和负载或充电器通过双掷半导体开关器件1彼此断开连接时也如此。因此，有可能提供一种低成本、高可靠性的易于使用的充电/放电保护电路。
同样，如图3所示，在串联了多个二次电池的供电单元中，充电/放电控制电路5能够通过检测两个二次电池的中点电位来检测多个二次电池的每个状态。因此，有可能获得与上述相似的效果。
(实施例2)
图4示出根据本发明第二实施例的充电/放电保护电路，其不同于图2的电路之处在于：该充电/放电控制电路5包含连接到双掷半导体开关器件1栅极的第三端子11。第三端子11通过下拉电阻器17连接到VSS端子7。
双掷半导体开关器件1具有正常导通特性，即当其栅极电位不定时，双掷半导体开关器件1接通。为了断开双掷半导体开关器件1，有必要给栅极施加低于源极电位的电位。甚至在第一端子2和双掷半导体开关器件1栅极之间的连接由于某些原因断开时，双掷半导体开关器件1的栅极也通过下拉电阻器17而控制为断开，下拉电阻器17切断充电和放电。因此，有可能保护二次电池2和双掷半导体开关器件1不受退化或击穿。
如上所述，已经给出了双掷半导体开关器件1用作高端开关的本发明实施例的说明。还有可能构建一种双掷半导体开关器件1用作低端开关的充电/放电保护电路。

Claims (8)

1.一种充电/放电保护电路，包括：
双掷半导体开关器件，设置在外部端子和二次电池之间；以及
充电/放电控制电路，用于通过监控所述二次电池的电压并接通和断开所述双掷半导体开关器件来控制所述二次电池的充电/放电，其中：
所述充电/放电控制电路包括：
第一端子，用于控制所述双掷半导体开关器件；以及
第二端子，用于检测充电器和负载中的哪一个连接到外部端子；
并且其中第一电阻器和第一开关串联在所述充电/放电控制电路的第二端子与所述二次电池的正极之间。
2.如权利要求1所述的充电/放电保护电路，其中第二电阻器和第二开关串联在所述充电/放电控制电路的第二端子与地之间。
3.如权利要求2所述的充电/放电保护电路，其中当所述二次电池在充电状态充满电时，所述充电/放电控制电路通过第一端子的输出断开所述双掷半导体开关器件并接通第一开关，来监控第二端子的电压。
4.如权利要求2所述的充电/放电保护电路，其中当所述二次电池在放电状态过度放电时，所述充电/放电控制电路通过第一端子的输出断开所述双掷半导体开关器件并接通第二开关，来监控第二端子的电压。
5.如权利要求2所述的充电/放电保护电路，其中所述充电/放电控制电路当基于在充电状态第二端子的电压而在所述外部端子检测到过电流时，通过第一端子的输出断开所述双掷半导体开关器件并接通第一开关，来监控第二端子的电压。
6.如权利要求2所述的充电/放电保护电路，其中所述充电/放电控制电路当基于在放电状态第二端子的电压而在所述外部端子检测到过电流时，通过第一端子的输出断开所述双掷半导体开关器件并接通第二开关，来监控第二端子的电压。
7.如权利要求1所述的充电/放电保护电路，其中所述充电/放电控制电路包括第三端子，第三端子通过第三电阻器连接到所述二次电池的负极，所述第三端子连接到所述双掷半导体开关器件的栅极。
8.一种供电装置，包括：
二次电池；以及
如权利要求1所述的充电/放电保护电路。
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