CN101281216A - 一种采用扫描模式的电压检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用扫描模式的电压检测电路，其特征在于包括使能控制电路和使能信号端，其中：所述使能信号端向所述使能控制电路发出时钟周期信号；当所述电压检测电路处于扫描模式的截止周期时，所述使能控制电路根据所述时钟周期信号断开所述电压检测电路的各个支路，同时保持所述电压检测电路内关键结点的电压。本发明通过采用截断电流通路的方法，让电压检测电路在退出扫描模式的截止周期时，其内部的关键结点能够快速恢复到平衡状态下的工作点电压，实现了精确的电压检测阈值。

Description

一种采用扫描模式的电压检测电路

技术领域

本发明涉及一种电压检测电路，尤其涉及一种采用扫描模式的高精度电压检测电路。

背景技术

近年来，由于锂离子电池具有体积小、能量密度高、无记忆效应、循环寿命高、电池电压高和自放电率低等优点，在移动电话和PDA等为代表的便携式电子产品中都得到了广泛的应用。但是当锂电池处于过电压状态时有可能发生爆炸，所以每块锂电池都需要一个电池保护芯片。因此，设计高精度的过电压保护电路非常重要。

电池保护芯片的功耗非常小，只有几个微安。通常每个电池保护芯片中要包含三个电压检测电路，短路检测电路，基准电压源，振荡器和逻辑控制电路。通常的系统实现方法是电路工作在连续模式，其工作原理可用图1中电池保护芯片中的过充电电压检测电路和相关控制电路示意图加以说明。如图1所示，分压电阻R3，R4对电池电压进行分压，电压比较器和基准电压源一直工作，当分压电阻对电池分压得到输出电压大于基准电压时，电压比较器输出低电平，使振荡器和内部的控制电路开始工作，计时一定周期后产生控制信号禁止对电池进行充电。由于工作电流很小，这就要求电压比较器和基准电压源的功耗非常小，每个支路只有大约几十到上百纳安，晶体管工作在亚阈值区。以电流镜单元为例，输出电流和晶体管的栅源电压成指数关系，这就对工艺模型的准确度要求非常高。所以电路工作在亚阈值区非常敏感并且缺乏可靠性，通常会受工艺变化和噪声的干扰。

为了解决上述问题，可以让电路以扫描模式工作，其实现原理是振荡器一直工作，系统按顺序分别检测各种不同的异常工作状态(过充电状态，过放电状态，过电流状态)。但是由于工作在扫描模式，电压检测电路内部的结点电压是不连续的，当处于扫描模式的截止周期时，要关闭电压检测电路以节省功耗，这就需要让所有的电流支路都截止，通常的作法是将P沟道晶体管的栅极拉高到电源，将N沟道晶体管的栅极拉低到地，这样就可以使原来工作在饱和区的晶体管处于截止状态，从而不消耗电流。但是这样还存在一个问题，即当扫描模式处于工作周期时，由于晶体管要从截止状态恢复到饱和区，这需要一定的建立时间，从而减小了电路的正常工作时间。由于这样的缺陷，电压检测电路的瞬态保护阈值和直流保护阈值之间存在一个偏差。而且因为电路的延时时间受到工艺和温度的影响，这会影响过压保护阈值的精度。

发明内容

本发明提供了一种能解决以上问题的用于扫描模式的电压检测电路。

本发明提供了一种采用扫描模式的电压检测电路，其特征在于包括使能控制电路和使能信号端，其中：所述使能信号端向所述使能控制电路发出时钟周期信号；当所述电压检测电路处于扫描模式的截止周期时，所述使能控制电路根据所述时钟周期信号断开所述电压检测电路的各个支路，同时保持所述电压检测电路内关键结点的电压。

在本发明的一个实施例中，所述一条支路是带隙基准比较器，用于判断与被检测电压有关的输出电压是否超过电压检测阈值。

在本发明的另一个实施例中，所述电压检测电路还包括迟滞控制单元，用于在检测到过压状态时降低所述电压检测阈值。

在本发明的又一个实施例中，所述一条支路是放大级与整形电路，用于增大所述带隙基准比较器的增益并且对其输出信号进行整形，并输出检测结果。

在本发明的还一个实施例中，所述一条支路是分压网络，用于对可充电电池的终端电压进行分压。

本发明通过采用截断电流通路的方法，让电压检测电路在退出扫描模式的截止周期时，其内部的关键结点能够快速恢复到平衡状态下的工作点电压，实现了精确的电压检测阈值。本发明还通过用迟滞控制单元在检测到过压状态时降低电压检测阈值，从而避免了系统应用中的控制信号在保护阈值附近振荡。

附图说明

下面将参照附图对本发明的具体实施方案进行更详细的说明，在附图中：

图1是电池保护芯片的应用电路及传统的过充电电压检测电路和相关控制电路的示意图；

图2是根据本发明的电压检测电路的结构化电路图；以及

图3是根据本发明的电压检测电路的具体实施电路图。

具体实施方式

本发明提出了图2所示的电压检测电路。本电路应用于扫描模式的系统实现方法。该实现方法的原理是振荡器一直工作，系统按顺序分别检测各种不同的异常工作状态(过充电状态，过放电状态，过电流状态)。其中，电压检测电路每隔若干时钟周期工作一次，工作时间很短，可以设定为时钟周期的十分之一，而电压检测电路在其他时间截止以节省功耗。我们知道，系统的功耗是一个平均值，所以电压检测电路的电流可以设计到比较大的值(大约十几微安)，同时又能保证系统的平均功耗比较低。这种情况下晶体管可以工作在饱和区，从而降低对工艺模型的要求，同时使电路更加强壮不易受噪声干扰。

图2是根据本发明的电压检测电路的结构化电路图，虚线框图中为电压检测电路，用于检测可充电电池的电压，并且依据电池电压的高低输出不同的检测结果Q，对其它电路进行开关控制。

该电压检测电路包含：

分压网络，用于分开可充电电池的终端电压；

带隙基准比较器，用于判断分压网络对电池分压得到的输出电压是否过高；

放大级与整形电路，用于增大比较器的增益和对输出信号进行整形，输出检测结果Q；

使能控制电路，用于当处于扫描模式的截止周期时将电压检测电路的各个支路断开，从而使电压检测电路不消耗电流，同时又能够保持内部电路关键结点的电压。

图3是根据本发明的电压检测电路的具体实施电路，虚线框图中为电压检测电路，用于检测可充电电池的电压，并且依据电池电压的高低输出不同的检测结果Q，对其它电路进行开关控制。

下面对图3的电压检测电路做一个详细的描述。

优选地，由电阻R1和R2构成图2中所述的分压网络，用于分开可充电电池的终端电压。

优选地，由P沟道晶体管PMOS1，PMOS2，双极晶体管NPN1和NPN2，电阻R3和R4构成图2中所述的带隙基准比较器。

优选地，由P沟道晶体管PMOS3，N沟道晶体管NMOS1和NMOS2，偏置电流源IBIAS构成所述放大级。当N沟道晶体管ENNM2导通的时候，N沟道晶体管NMOS1和NMOS2构成一个电流镜单元。偏置电流源IBIAS和N沟道电流镜单元为PMOS3提供偏置电流，所述放大级用于提高电压比较器的增益，从而可以提高电压检测精度。

优选地，由反相器INV2构成所述整形电路，用于对输出信号进行整形。

优选地，由反相器INV1，P沟道晶体管ENPM1、ENPM2、ENPM3、N沟道晶体管ENNM1，ENNM2构成图2中所述的使能控制电路，用于当处于扫描模式的截止周期时将电压检测电路的各个支路断开，从而使电压检测电路不消耗电流，同时能够保持内部关键结点(图中为N1、N2、N6)的电压。

还有一个问题，如果芯片在过电压状态下的功耗大于正常状态，系统输出充电控制端COUT将会在过压保护阈值附近发生振荡现象。发生振荡的原因可以通过图1来说明，在图1中，电阻R1和电容C1用于滤除电池电压的噪声。当电池电压缓慢上升到过压保护阈值，系统进入过压保护状态，COUT从高电平变为低电平。如果芯片在过压状态下的功耗大于正常状态，电阻R1上的压降会变大，这时芯片检测到的电压将会变小，电压检测电路将会检测到电池没有处于过压状态，从而恢复到正常状态，COUT变为高电平，功耗同时也恢复到正常状态，电阻R1上的压降变小，这时芯片检测到的电压又会变大，进入过压状态，COUT又变为高电平，如此反复就会在过压保护阈值附近产生振荡。即使过电压状态下的功耗变化不大，COUT也会由于噪声的影响而产生振荡。

为了解决上述振荡问题，优选地，此电路还包括一个迟滞控制单元，它由P沟道晶体管HYSPM1，HYSPM2构成，HYSPM2的栅极由状态信号STATE控制。所述状态信号STATE来自于电压检测电路输出信号Q经过控制电路后的系统状态输出控制信号COUT(图1所示)。迟滞控制单元的采用可以避免系统应用中的振荡问题。其工作原理为：当电压检测电路检测到过压状态时，状态信号STATE变为低电平，从而使晶体管HYSPM2导通，HYSPM1和PMOS1并联，这时的电压检测阈值相比于正常状态下的检测阈值偏低，从而实现了迟滞电压。这样可以避免系统应用中控制信号在保护阈值附近振荡的问题。

该电压检测电路的基本原理描述如下：

使用带隙基准比较器，可以将通常所需要电压基准生成电路和电压比较电路合二为一，从而可以简化电路结构，节省电流消耗。双极晶体管NPN1，NPN2组成带隙基准比较器的输入放大级，通常NPN1的发射极面积比NPN2的发射极面积大，它们和电阻R3，R4形成带隙基准生成电路。PMOS1和PMOS2组成电流镜负载，镜像流经NPN1的电流

当结点N3的电压大于 $V_{\mathrm{REF}}=V_{\mathrm{be}}+\frac{2\·R4}{R3}\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{be}}$ 时(V_be为双极晶体管的基极-发射极电压，ΔV_be为两个双极晶体管的基极-发射极电压差)，流过NPN2的电流大于PMOS2的电流

从而使N2电压变低，合理的设计R3，R4和ΔV_be可以对电压V_REF的温度系数进行补偿；

当电池电压过高时，分压电阻R1和R2对电池电压进行分压获得的输出电压大于带隙基准电压 $V_{\mathrm{REF}}=V_{\mathrm{be}}+\frac{2\·R4}{R3}\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{be}}$ 时，结点N2电压变低，N2作为放大级的输入，经过放大后输出信号N4变为高电平，N4再经过反相器整形后输出低电平信号Q，表示电池电压处于过压状态，从而可以得到电池的过压保护电压 $V_{\mathrm{OC}}=\frac{R1+R2}{R2}(V_{\mathrm{be}}+\frac{2\·R4}{R3}\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{be}}).$

相反地，当电池电压小于过压保护电压 $V_{\mathrm{OC}}=\frac{R1+R2}{R2}(V_{\mathrm{be}}+\frac{2\·R4}{R3}\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{be}})$ 时，分压电阻R1和R2对电池电压进行分压获得的输出电压N3小于带隙基准电压 $V_{\mathrm{REF}}=V_{\mathrm{be}}+\frac{2\·R4}{R3}\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{be}},$ 这时流过NPN2的电流会小于PMOS2的电流从而使N2电压变高，N2作为放大级的输入，经过放大后输出信号N4变为低电平，N4再经过反相器整形后输出高电平信号Q。

使能控制电路的作用在本发明中很重要，它既可以保证在扫描模式的截止周期电压检测电路没有电流消耗，又可以通过截断电流通路的方法，保持住电路中关键结点的电压。其工作原理如下：

首先说明一下，使能信号EN来自于电池保护芯片系统中检测电压状态的时钟周期信号，它间歇的控制电压检测电路进行开启和关闭。

当处于扫描模式的工作周期时，使能信号EN为低电平，晶体管ENPM1、ENPM2、ENPM3、ENNM2导通，晶体管ENNM1截止，电压检测电路正常工作，检测电池的电压状态。ENPM1导通电阻相对于分压电阻非常小，在此忽略不计，因此它导通时可以使分压电阻对电池电压进行分压，ENPM2、ENPM3、ENNM2导通可以使带隙基准比较器和放大级正常工作，ENNM1截止可以释放结点N4，使其可以正常反映电压检测电路的输出结果。

当处于扫描模式的截止周期时，使能信号EN为高电平，晶体管ENPM1、ENPM2、ENPM3、ENNM2截止，晶体管ENNM1导通。ENPM1用来关断分压电阻的电流通路；ENPM2用来关断带隙基准比较器和放大级的电流通路；ENPM3用来关断偏置电流源的电流通路；ENNM1用来确定反相器的输入状态，避免其处于中间状态；ENNM2用来关断NMOS1和NMOS2的栅极电压的泄放通路。ENPM2的加入一方面可以截断带隙比较器和放大级到电源的电流通路，另外结点N3的电压通过电阻R2泄放到地，这样就使双级晶体管NPN1和NPN2截止，截断了结点N1，N2到地的电流通路，通过截断结点N1，N2到电源和地的电流通路的方法使结点N1，N2的电压保持在正常工作周期的电压附近，ENNM2的加入可以关断结点N6到地的电流通路，从而可以将结点N6的电压保持在正常工作周期的电压附近。

最终，通过这种方法可以将电路中的关键结点N1，N2，N6的电压保持在正常工作周期时的电压附近。这样在重新进入扫描模式的工作周期时，这些结点的电压可以快速恢复到正常的工作状态下的电压。这样在电压检测电路的工作周期很短的情况下，可以提高电路反应速度，增大正常工作的时间，从而可以保证电压检测阈值达到高精度。

显而易见，在不偏离本发明的真实精神和范围的前提下，在此描述的本发明可以有许多变化。因此，所有对于本领域技术人员来说显而易见的改变，都应包括在本权利要求书所涵盖的范围之内。本发明所要求保护的范围仅由所述的权利要求书进行限定。

Claims (18)

1.一种采用扫描模式的电压检测电路，其特征在于包括使能控制电路和使能信号端，其中：

所述使能信号端向所述使能控制电路发出时钟周期信号；

当所述电压检测电路处于扫描模式的截止周期时，所述使能控制电路根据所述时钟周期信号断开所述电压检测电路的各个支路，同时保持所述电压检测电路内关键结点的电压。

2.根据权利要求1的电压检测电路，其中，所述一条支路是带隙基准比较器，用于判断与被检测电压有关的输出电压是否超过电压检测阈值。

3.根据权利要求2的电压检测电路，其中

所述使能控制电路包括第二使能P沟道晶体管(ENPM2)；

所述带隙基准比较器包括电流镜负载、第一双极晶体管(NPN1)和第二双极晶体管(NPN2)，以及第三电阻(R3)和第四电阻(R4)；

所述第二使能P沟道晶体管(ENPM2)的栅极连接到所述使能信号端，其源极连接到电池正极；

所述第三电阻(R3)和所述第四电阻(R4)串联连接在第一双极晶体管(NPN1)的发射极和电池负极之间；

所述电流镜负载的输入支路连接在所述第二使能P沟道晶体管(ENPM2)的漏极和所述第一双极晶体管(NPN1)的集电极之间，其输出支路连接在所述第二使能P沟道晶体管(ENPM2)的漏极和所述第二双极晶体管(NPN2)的集电极之间；

所述第一双极晶体管(NPN1)的基极和第二双极晶体管(NPN2)的基极相连并用于接收所述与被检测电压有关的输出电压，所述第二双极晶体管(NPN2)的发射极连接到所述第三电阻(R3)和所述第四电阻(R4)之间。

4.根据权利要求3的电压检测电路，其中：

所述电流镜负载包括第一P沟道晶体管(PMOS1)和第二P沟道晶体管(PMOS2)；

所述第一P沟道晶体管(PMOS1)的栅极和所述第二P沟道晶体管(PMOS2)的栅极连接到第一结点，所述第二P沟道晶体管(PMOS2)的漏极连接到第二结点，所述第一结点和所述第二结点是关键结点。

5.根据权利要求3的电压检测电路，还包括：

迟滞控制单元，用于在检测到过压状态时降低所述电压检测阈值。

6.根据权利要求5的电压检测电路，其中：

所述迟滞控制单元包括第一迟滞P沟道晶体管(HYSPM1)、第二迟滞P沟道晶体管(HYSPM2)和状态信号端(STATE)；

所述第一迟滞P沟道晶体管(HYSPM1)的栅极与所述第二迟滞P沟道晶体管(HYSPM2)的漏极相连并连接到所述第一双极晶体管(NPN1)的集电极，其源极连接到所述第二使能P沟道晶体管(ENPM2)的漏极；

所述第二迟滞P沟道晶体管(HYSPM2)的栅极连接到所述状态信号端(STATE)。

7.根据权利要求1的电压检测电路，其中，所述一条支路是放大级与整形电路，用于增大所述带隙基准比较器的增益并且对其输出信号进行整形，并输出检测结果。

8.根据权利要求7的电压检测电路，其中：

所述使能控制电路包括第一反相器(INV1)、第三使能P沟道晶体管(ENPM3)、第一使能N沟道晶体管(ENNM1)、第二使能N沟道晶体管(ENNM2)；

所述放大级与整形电路包括第三P沟道晶体管(PMOS3)、第一N沟道晶体管(NMOS1)、第二N沟道晶体管(NMOS2)、偏置电流源(IBIAS)和第二反相器(INV2)；

所述使能信号端连接到所述第一反相器(INV1)的输入端、第三使能P沟道晶体管(ENPM3)的栅极和第一使能N沟道晶体管(ENNM1)的栅极；

所述第一反相器(INV1)的输出端连接到所述第二使能N沟道晶体管(ENNM2)的栅极；

所述第二使能N沟道晶体管(ENNM2)用其源极和漏极将所述第一N沟道晶体管(NMOS1)的栅极和漏极连接起来；

所述偏置电流源(IBIAS)的正端连接到电池正极，其负端连接到所述第三使能P沟道晶体管(ENPM3)的源极；

所述第三使能P沟道晶体管(ENPM3)的漏极连接到所述第一N沟道晶体管(NMOS1)的漏极；

所述第三P沟道晶体管(PMOS3)的漏极连接到所述第二N沟道晶体管(NMOS2)的漏极；

所述第一N沟道晶体管(NMOS1)的栅极和所述第二N沟道晶体管(NMOS2)的栅极相连并连接到第三结点，它们的源极都连接到电池负极，所述第三结点是关键结点；

所述第一使能N沟道晶体管(ENNM1)的漏极连接到所述第二反相器(INV2)的输入端，其源极连接到电池负极；

所述第二反相器(INV2)用于整形输出控制信号。

9.根据权利要求1的电压检测电路，其中，所述一条支路是分压网络，用于对可充电电池的终端电压进行分压。

10.根据权利要求9的电压检测电路，其中：

所述使能控制电路包括第一使能P沟道晶体管(ENPM1)；

所述分压网络包括第一电阻(R1)和第二电阻(R2)；

所述第一使能P沟道晶体管(ENPM1)的栅极连接到所述使能信号端，其源极连接到电池正极；

所述第一电阻(R1)和第二电阻(R2)串联连接在所述第一使能P沟道晶体管(ENPM1)的漏极和电池负极之间。

11.一种锂电池保护电路，包括权利要求1所述的电压检测电路。

12.一种电压检测电路，其特征在于，其包括：

第一、二晶体管，所述第一、二晶体管的栅极相互连接、源极相互连接，所述第一晶体管的栅极与其漏极相连；

第一开关电路，其连接在所述第一、二晶体管的源极与电源阳极之间，用于根据使能信号开启或关断所述第一、二晶体管的源极与电源阳极之间的通路；

第一、二双极晶体管，所述第一、二双极晶体管的基极相互连接，所述第一双极晶体管的集电极与所述第一晶体管的漏极相连，所述第二双极晶体管的集电极与所述第二晶体管的漏极相连；

第一、二电阻，串联于电源阴极与第一双极晶体管的射极之间，所述第二双极晶体管的射极连接至所述第一、二电阻之间的中间节点；其中

所述第一、二双极晶体管的基极作为检测电压输入端，所述第二双极晶体管的集电极作为检测结果输出端。

13.根据权利要求12的电压检测电路，其特征在于，其还包括连接于电源阳极和电源阴极之间的分压电路，所述分压电路提供分压电压给检测电压输入端，其中在分压电路与电源阳极之间还包括有第二开关电路，用于根据使能信号开启或关断所述分压电路与电源阳极之间的通路。

14.根据权利要求13的电压检测电路，其特征在于，其还包括有放大级电路，其包括第三晶体管、第四晶体管、放大晶体管、偏置电流源，其中

所述第三、四晶体管的栅极互相连接、源极分别与电源阴极相连，所述第三晶体管的栅极通过第三开关电路与所述第三晶体管的漏极相连，所述第三开关电路用于根据使能信号开启或关断所述第三晶体漏极和栅极之间的通路；

所述偏置电流源的输入端与电源阳极相连，所述偏置电流源的输出端通过第三开关电路与所述第三晶体管的漏极相连，所述第四开关电路用于根据使能信号开启或关断所述偏置电流源与第三晶体管之间的通路；

所述放大晶体管的源极与第一晶体管的源极相连，所述放大晶体管的栅极用于与所述检测结果输出端相连，所述放大晶体管的漏极与第四晶体管的漏极相连；其中

所述放大晶体管的漏极作为放大检测结果输出端。

15.根据权利要求14的电压检测电路，其特征在于，其还包括用作整形电路的反相器，所述反相器的输入端与所述放大检测结果输出端相连，所述反相器的输出端输出最终检测结果；其中

所述反相器的输入端经过第五开关电路与电源阴极相连，所述第五开关电路用于根据使能信号开启或关断所述反相器的输入端与电源阴极之间的通路。

16.根据权利要求14的电压检测电路，其特征在于，所述第一、二晶体管和所述放大晶体管是PMOS晶体管，所述第三、四晶体管是NMOS晶体管。

17.根据权利要求15的电压检测电路，其特征在于，所述第一、二、四开关电路是PMOS晶体管，所述第三、五开关电路是NMOS晶体管，其中

所述第一、二、四、五开关电路的栅极与使能控制端相连，所述第三开关电路的栅极通过以反相器与使能控制端相连。

18.根据权利要求12的电压检测电路，其特征在于，其还包括有迟滞控制单元，所述迟滞控制单元包括第一迟滞晶体管、第二迟滞晶体管；

所述第一迟滞晶体管的栅极与所述第一晶体管的栅极相连，所述第一迟滞晶体管的源极与所述第一晶体管的源极相连；

所述第二迟滞晶体管的源极与所述第一迟滞晶体管的漏极相连，所述第二迟滞晶体管的漏极与所述第一晶体管的漏极相连，所述第二迟滞晶体管的栅极接受状态控制信号，所述状态控制信号是根据所述检测结果输出端输出的结果获得。

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