CN101404406B - 一种锂电池保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锂电池保护电路，目的在于提供一种采用低压工艺制造、能够适用于各种充电电压值的锂电池保护电路，其技术方案是：一种锂电池保护电路，由过充电控制管、过放电控制管和保护IC组成，过充电控制管和过放电控制管由保护IC监视电池电压并进行控制，保护IC为CMOS集成电路块，其中包括过充电保护电路，过放电保护电路和过电流保护电路，保护IC中，在输出负极V-和与输出负极V-连接的MOS晶体管的栅极之间设有钳位电路，在输出负极V-的电压在较大范围内变化时，钳位电路承受大部分的负压，使得MOS晶体管的栅极承受电压限制在-2.5V以内，并且不影响所述过充电保护电路，过放电保护电路和过电流保护电路的功能。

Description

一种锂电池保护电路

技术领域

本发明涉及一种半导体集成电路，更具体地说涉及一种锂离子电池的保护电路。

背景技术

一般而言，锂离子电池有三部分构成：1.锂离子电芯2.保护电路(PCM)3.外壳。锂离子电芯的负极为石墨晶体，正极通常为二氧化锂。充电时锂离子由正极向负极运动而嵌入石墨层中。放电时，锂离子从石墨晶体内负极表面脱离移向正极。所以，在该电池充放电过程中锂总是以锂离子形态出现，而不是以金属锂的形态出现。因而这种电池叫做锂离子电池，简称锂电池。锂电池具有：体积小、容量大、重量轻、无污染、单节电压高、自放电率低、电池循环次数多等优点，锂电池的充放电有一定的要求，根据锂电池的结构特性，最高充电终止电压应为4.2V，不能过充，否则会因正极的锂离子拿走太多，而使电池报废。因锂电池的内部结构所致，放电时锂离子不能全部移向正极，必须保留一部分锂离子在负极，以保证在下次充电时锂离子能够畅通地嵌入通道。否则，电池寿命就相应缩短。为了保证石墨层中放电后留有部分锂离子，就要严格限制放电终止最低电压，也就是说锂电池不能过放电。为了达到锂离子电芯的充放电要求，锂电池都配有保护电路，用于控制外部的充放电电流。

如图1所示，现有的锂电池保护电路一般由两个场效应管和保护集成块组成，过充电控制管M1和过放电控制管M2串联于电路，由保护IC监视电池电压并进行控制，保护集成块中包括过充电保护电路，过放电保护电路和过电流保护电路。保护IC检测电池电压，当电池电压上升至电池过充点(假定为4.2V)时，启动过度充电保护，过充电保护管M1截止，停止充电。当电池处于放电状态下，保护IC检测电池电压，电池电压降至其过放电电压检测点(假定为2.55V)时，启动过放电保护，过放电控制管M2截止，停止向负载供电，当锂电池接上充电器，且此时锂电池电压高于过度放电电压时，过度放电保护功能方可解除。过电流保护是在当负载上有较大电流流过时，控制M2使其截止，停止向负载放电，目的是为了保护电池和场效应管。过电流检测是利用场效应管的导通电阻作为检测电阻，监视它的电压降，当电压降超过设定值时就停止放电。

当用不同电压规格的充电器给锂电池充电时，保护IC在VDD-V-端的会加载到不同的电压范围。如果用高压充电器给电池充电，电池充饱后保护IC的V-脚会有较高的负电压，如果保护IC内部的MOSFET晶体管按照低电压(5V及其5V以下)工艺设计，其栅极的耐压值不够。通常的设计是对保护IC内部与V-脚相连接的MOS采用高压管，这样就不能使用普通的5V及其5V以下的CMOS工艺来生产保护IC，而必须采用更高耐压的工艺，增大了成本。即保护IC在VDD-V-端的耐压值限制了锂电池在不同规格的充电器的使用范围，如果按照低电压工艺设计的保护IC在VDD-V-端的耐压能够大于12V或以上高压，其应用范围将扩大，使得锂电池的成本降低。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种锂电池保护电路，该电路采用低电压(5V及其5V以下)工艺制造的CMOS集成电路块，其VDD-V-端具有18V以上耐压，该电路既能在5V耐压中使用又能在高压中使用，使锂电池的制造成本降低。

实现上述发明目的的技术方案是：一种锂电池保护电路，由过充电控制管、过放电控制管和保护IC(即：保护集成块)组成，所述过充电控制管和过放电控制管由保护IC监视电池电压并进行控制，所述保护IC为CMOS集成电路块，其中包括过充电保护电路，过放电保护电路和过电流保护电路，所述保护IC中，在输出负极和与输出负极连接的MOS晶体管的栅极之间设有钳位电路，在输出负极的电压在较大范围内变化时，钳位电路承受大部分的负压，使得MOS晶体管的栅极承受电压限制在-3V以内，并且不影响所述过充电保护电路，过放电保护电路和过电流保护电路的功能。

上述钳位电路的功能可以采用多种结构形式实现。

作为钳位电路的一种具体实现，该电路由控制电路和分压电路组成，控制电路和分压电路串联；控制电路根据输出负极的电压控制钳位电路的开启，分压电路用于承受负压。

本发明通过在保护IC的输出负极和内部MOS晶体管的栅极之间加设钳位电路，MOS晶体管的栅极与钳位电路的电压控制点连接，钳位电路将电压控制点的电压控制在-2.5V以内，使得MOS晶体管的栅极不需要承受高压，解决了保护IC输出负极V-的MOSFET晶体管栅极耐压值不够的问题，这样使用普通的5V及其5V以下的CMOS工艺生产出来的保护IC，就能够用于在锂电池使用不同电压规格的充电器充电时的保护。

附图说明

图1是本发明背景技术电路图

图2是本发明的电路框图

图3是本发明实施例1的电路结构图

图4是本发明实施例2的钳位电路图

图5是本发明实施例1的计算机仿真图

具体实施方式

下面结合附图做进一步说明。

实施例1

一种锂电池保护电路1，由过充电控制管M1和过放电控制管M2和保护IC1组成，过充电控制管M1和过放电控制管M2串联于电路，过充电控制管M1和过放电控制管M2由保护IC1监视电池电压并进行控制。保护IC1为CMOS集成电路块，包括过充电控制电路2、过放电控制电路3、过电流保护电路4和逻辑控制电路5。在输出负极V-和与输出负极V-连接的MOS晶体管的栅极之间设有钳位电路6，在输出负极V-的电压在较大范围内变化时，钳位电路承受了大部分的负压，使得过电流保护电路4中的MOS晶体管的栅极承受电压限制在-3V以内，并且不影响所述保护IC中过充电保护电路，过放电保护电路、过电流保护电路和逻辑控制电路的功能。

如图3所示，在过电流保护电路4中MOS晶体管P3、N2的栅极和输出负极V-之间设有钳位电路6，过电流保护电路4中MOS晶体管P3、N2的栅极与钳位电路6的电压控制点B连接。

钳位电路6由控制电路61和分压电路62组成，控制电路61和分压电路62串联，其中，控制电路61由恒流源I1，第一NMOS管N1、第二NMOS管N3，PNP晶体管Q1，第一PMOS管P1、第二PMOS管P2组成，分压电路62为电阻R1。第一NMOS管N1、第一PMOS管P1、第二PMOS管P2的栅漏短接，PNP晶体管Q1的集电极基极短接，恒流源I1的一端与电源连接，另一端A与N3的栅极和第一NMOS管的栅漏极连接，第一NMOS管的源极与PNP晶体管Q1的发射极连接，PNP晶体管Q1的基极集电极接地，第二NMOS管N3的漏极接电源，第二NMOS管N3的源极与第一PMOS管P1的源极相连，第一PMOS管P1的漏极与P2的源极相连，P2的漏极接电阻R1的一端B，电阻R1的另外一端接输出负极V-端。

钳位电路6的原理是：第一NMOS管是一个二极管接法的NMOS，PNP晶体管Q1是一个二极管接法的PNP晶体管，从电源到A点连接一个恒流源I1，因为电流恒定，A点的电压固定是一个基准电压，约等于1.4V。

VA＝Vbe_Q1+Vgs_N1，VA是A点电压值，Vbe_Q1是Q1的BE结电压，Vgs_N1是第一NMOS管的Vgs电压。

当V-端没有出现负电压时，一般是大于0V的。假设V-＞0V，从电源VDD、N3、P1、P2、R1到V-端，此时是没有电流流过，不形成通路，对原电路的工作不影响。

因为V-＞0V，那么

VA-V-＜1.4V＜|VthP1|+|VthP2|+|VthN3|，

这里VthP1、VthP2、VthN3分别是P1、P2、N3的开启电压。

当V-端出现负电压的时，且VA-V-＞|VthP5|+|VthP6|+|VthN3|，

从电源VDD、N3、P1、P2、R1到V-端的支路会导通，R1两端的压降VR1＝I×R1，由于R1的阻值较大，流过该支路的电流

I＝[VA-(Vgs_N3+Vgs_P1+Vgs_P2)-V-]/R1

(Vgs_N3+Vgs_P1+Vgs_P2)相对于电阻R1两端压降而言VR1是电流的弱函数，换句话说，一旦该支路导通后，即满足条件VA-V-＞|VthP1|+|VthP2|+|VthN3|，V-电压变化大部分都将落在R1的两端，那么B点电压不会因为V-电压变化而有很大变化，被限制在一定负压范围内，解决了过电流保护电路中N2、P3的Vgs不能耐负高压问题。

而且，采用该电路结构，在电源VDD和输出负极V-端接上充电器时，不会出现从VDD→锂电池→GND→V-的电流，可以确保过充电压保护后，不会有充电电流流过电池。

参考图5的计算机仿真结果，X轴为V-端电压，Y轴为图3中B点电压，B点跟内部电路MOSFET的栅极相连。可以看到，当V-电压为-25----0V之间变化时，B点电压只在大约2.5V----0V之间变化。因此内部MOSFET的栅极不会承受负高压。这样就解决5V CMOS工艺中MOSFET栅极不能承受V-端负18V高压的技术问题。

实施例2

本实施例是钳位电路的另一种结构。

如图4所示，在过流保护电路4中的晶体管N2、P3的栅极和输出负极V-之间有钳位电路7。钳位电路7由控制电路71和分压电路72组成，控制电路71和分压电路72串联。控制电路71由第一PNP晶体管至第十PNP晶体管Q0、Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9组成，分压电路72为电阻R1。第一PNP晶体管至第十PNP晶体管Q0-Q9分别将各自的集电极和基极短路，接成二极管形式，然后串接起来，第一PNP晶体管Q0的发射极接电源，第十PNP晶体管Q9的集电极接电阻R1的一端B，B在与在过流保护电路4中的晶体管N2、P3的栅极相连，电阻的另外一端接输出负极V-。

钳位电路7的工作原理是：当V-端没有出现负电压时，一般是大于0V的。假设电源电压＝4.2V，V-＞0V，从电源Q0-Q9，R1到V-端，此时是没有电流流过，不形成通路，对原电路的工作不影响。

当V-端出现负电压时，且VDD-V-＞10×Vbe_Q0时，这里Vbe_Q0是二极管的正向导通电压，从电源Q0-Q9，R1到V-端的支路导通，有电流流过该支路。这样B点的电压被钳制在：

VDD-10×Vbe_Q0＝4.2-10×0.7＝-2.8V，假设Vbe_Q0＝0.7V

所以过流保护电路4中的晶体管N2、P3的栅极最多承受了-2.8V的负压，多余的电压被电阻所承受。该方法同样能解决过流保护电路4中的晶体管N2、P3的耐压问题。

Claims (4)

1.一种锂电池保护电路，由过充电控制管、过放电控制管和保护IC组成，所述过充电控制管和过放电控制管均串联在锂电池的充放电回路中，所述过充电控制管和过放电控制管由保护IC监视电池电压并进行控制，所述保护IC为CMOS集成电路块，其中包括过充电保护电路，过放电保护电路和过电流保护电路，其特征是，所述保护IC中，在输出负极(V-)和与输出负极(V-)连接的MOS晶体管的栅极之间设有钳位电路，所述钳位电路由控制电路和分压电路串联组成；控制电路根据输出负极(V-)的电压控制钳位电路的开启，分压电路用于承受负压；在输出负极(V-)的电压在较大范围内变化时，钳位电路承受大部分的负压，使得MOS晶体管的栅极承受的电压限制在-3V以内，并且不影响所述过充电保护电路、过放电保护电路和过电流保护电路的功能。

2.根据权利要求1所述的锂电池保护电路，其特征是，所述钳位电路设在输出负极(V-)和过电流保护电路内部的MOS晶体管的栅极之间。

3.根据权利要求1所述的锂电池保护电路，其特征是，所述控制电路(61)由恒流源(I1)、第一NMOS管(N1)、第二NMOS管(N3)、PNP晶体管(Q1)、第一PMOS管(P1)和第二PMOS管(P2)组成，分压电路(62)为电阻(R1)；第一NMOS管(N1)、第一PMOS管(P1)和第二PMOS管(P2)的栅漏短接，PNP晶体管(Q1)的集电极基极短接，恒流源(I1)的一端与电源连接，另一端(A)与第二NMOS管(N3)的栅极和第一NMOS管(N1)的栅漏极连接，第一NMOS管(N1)的源极与PNP晶体管(Q1)的发射极连接，PNP晶体管(Q1)的基极集电极接地，第二NMOS管(N3)的漏极接电源，第二NMOS管(N3)的源极与第一PMOS管(P1)的源极相连，第一PMOS管(P1)的漏极与第二PMOS管(P2)的源极相连，第二PMOS管(P2)的漏极接电阻(R1)的一端(B)，电阻(R1)的另外一端接输出负极(V-)。

4.根据权利要求1所述的锂电池保护电路，其特征是，所述控制电路(71)由第一PNP晶体管至第十PNP晶体管(Q0、Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9)组成，分压电路(72)为电阻(R1)；第一PNP晶体管至第十PNP晶体管(Q0、Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9)分别将各自的集电极和基极短路，接成二极管形式，然后串接起来，第一PNP晶体管(Q0)的发射极接电源，第十PNP晶体管(Q9)的集电 极接电阻(R1)的一端(B)，电阻(R1)的另外一端接输出负极(V-)。 

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