CN101432942B - 过电流及短路保护中的功率浪涌过滤 - Google Patents

过电流及短路保护中的功率浪涌过滤 Download PDF

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Abstract

一种电池组可包括一个或一个以上电池单元、电流阻挡晶体管及电池管理系统。所揭示的实施方案处置从所述电池单元汲取的导致所述电池管理系统操作不稳定的过电流。可在不导致来自所述电池单元的电压输出的不良下降的情况下处置所述过电流。即使所述过电流导致所述电池管理系统供电电压下降到最小操作电压电平以下达某一时间周期,所揭示的实施方案也可处置所述过电流。所揭示的实施方案使用电流阻挡晶体管,所述电流阻挡晶体管可经配置以在从所述电池单元汲取的电流在相当长的时间周期内相当高从而对所述电池单元导致损害的情况下阻挡电流并确保所述电池单元的安全操作。

Description

过电流及短路保护中的功率浪涌过滤
技术领域
[0001] 大体来说,所揭示的实施方案涉及电路。 背景技术
[0002] 许多现代便携式装置(例如,膝上型计算机、移动电话、数码相机、视频摄像机、媒体播放器、个人数字助理(PDA)、游戏台等)包括电池组。电池组通常包括耦合到用于提供电池单元管理及保护并用于进行剩余电荷测量的两个或更多个集成电路(IC)芯片(例如, 微控制器、模拟前端等)的一个或一个以上电池单元。
[0003] 许多电池组通常使用锂离子(Li-ion)电池单元,其实质上是封装到圆筒或棱柱内的挥发性化学反应。位能存储在每一单元中,且如果所述电池单元暴露到其规格以外的条件中,那么所述单元可过热、着火或爆炸。电池组通常包括用于检测不安全状况(例如, 充电或放电过电流、短路等)且用于采取补救行动以防止对电池单元及/或装置造成损害且保护消费者远离爆炸电池及其它危险事件的故障安全电路。
[0004] 当电池组连接到装置时,或当所述装置启用具有高功率消耗的特征(例如,发动机)时,可从所述电池组汲取高电流达一时间周期。这些事件是正常电池操作的部分,且应受到管理,使得电池组及装置能够维持稳定的操作。理想地,电池组应起作用以防止电池单元长时间周期地维持高电流(即,比正常的高电流事件长),因为此类电流对于用户可能危险且对电池单元具破坏性。可通过停止所述高电流来防止此类非正常高电流事件。然而,停止所述电流可导致电池组的输出电压下降到零或接近零,导致电池系统的操作不稳定。因此,重要的是将正常操作所产生的高电流与可能危险及/或具破坏性的高电流区分开来。
[0005] 常规电池组不在正常操作所产生的高电流与可能危险及/或具破坏性的高电流之间进行区分。即使高电流为正常操作所产生,但其经常被当作可能危险及/或具破坏性。
发明内容
[0006] 涉及过电流及短路状况中的功率浪涌过滤的所揭示实施方案克服常规电池保护解决方案的缺点。
[0007] 在某些实施方案中,电池系统包括:电池单元;电池保护电路,其耦合到所述电池单元;及处理器,其耦合到所述电池保护电路以用于确定电池保护事件是否已发生。所述电池系统还包括耦合到所述电池单元及所述处理器的电压调节器电路。所述电压调节器电路可经配置以向所述处理器提供电力。能量存储装置耦合到所述电压调节器且可经配置以在所述电池保护事件期间向所述处理器提供电力。开关耦合在所述能量存储装置与所述电池单元之间,且可经配置以在所述电池保护事件期间选择性地将所述能量存储装置从所述电池单元断开。
[0008] 在某些实施方案中,一种用于电池系统的集成电路包括适于耦合到电池单元的电池保护电路。处理器耦合到所述电池保护电路以用于确定电池保护事件是否已发生。电压调节器电路耦合到所述处理器且可经配置以向所述处理器提供电力。能量存储装置耦合到所述电压调节器且可经配置以在所述电池保护事件期间向所述处理器提供电力。开关耦合在所述能量存储装置与所述电池单元之间且可经配置以在所述电池保护事件期间将所述能量存储装置从所述电池单元断开。
[0009] 在某些实施方案中,一种电池保护方法包括:将电力从电压调节器提供到电池系统中的处理器,其中所述电压调节器耦合到电池单元且调节从所述电池单元接收的电压以向所述电池系统提供电力;接收指示电池保护事件的信号;在所述电池保护事件期间,选择性地将所述电压调节器从所述电池单元断开;及从耦合到所述电池单元的能量存储装置向所述处理器提供电力。
[0010] 在某些实施方案中,一种用于电池系统的集成电路包括适于耦合到电池单元的电池保护电路。处理器耦合到所述电池保护电路且可经配置以从所述电池保护电路接收信号以用于确定电池保护事件是否已发生。电压调节器电路耦合到所述处理器且可经配置以在除电池保护事件以外的时间期间向所述处理器提供电力。能量存储装置耦合到所述电压调节器,且可经配置以在所述电池保护事件期间向所述处理器提供电力。
[0011] 在某些实施方案中,一种电池保护方法包含:接收指示电池保护事件的信号;向所述处理器提供中断信号;及响应于所述中断信号将所述处理器改变为低功率消耗模式。
[0012] 揭示涉及具有下文所说明的各种特征中一者或一者以上的系统、方法及装置的其它实施方案。
附图说明
[0013] 图IA是实例性电池组的框图。
[0014] 图IB是图IA中的电池组的更详细示意图。
[0015] 图2是实例性电池芯片的框图。
[0016] 图3是用于图2中所示的电池芯片中的实例性组合线性及升压电压调节器的框图。
[0017] 图4是用于图3中所示的组合电压调节器中的实例性线性电压调节器的框图。
[0018] 图5是用于图3中所示的组合电压调节器中的实例性升压电压调节器的框图。
[0019] 图6是用于图3中所示的电压调节器中的实例性模式选择逻辑的框图。
[0020] 图7是实例性电池保护过程的框图。
具体实施方式
[0021] 电池系统
[0022] 图IA是用于应用50的实例性电池组100的框图。电池组100可耦合到装置102 或充电器104。当耦合到充电器104时,电池组100的端子(即,正及负及通信端子)通过媒介106耦合到充电器104的对应端子(即,正及负及通信端子)以允许对与电池组100 相关联的电池单元进行充电。媒介106可以是电线、引线、引脚或任何其它电连接构件的形式。在下文中更加详细地论述充电。
[0023] 同样,当耦合到装置102时,电池组100的端子(即,正及负及通信端子)通过导电媒介108耦合到装置102的对应端子(即,正及负及通信端子)以允许装置102的操作。 媒介108可以是电线、引线、引脚或其它电连接构件的形式。在某些实施方案中,电池组100视情况在通信端口 C处耦合到装置102及充电器104。通信端口允许在装置102、充电器 104与电池组100之间转移信息(例如,命令及控制)。可交换的信息的一个实例包括电池充电电平(即,容量)。
[0024] 图IB是电池组100的更详细示意图。在某些实施方案中,电池组100包括一个或一个以上电池单元120、离散晶体管110、112、电流感测电阻器114及电池管理系统130。电池管理系统130可包括一个或一个以上集成电路(即,芯片或芯片集)。可将离散晶体管 110,112及/或电流感测电阻器114实施于同一封装(例如,集成电路)中及/或同一硅中。
[0025] 在某些实施方案中,离散晶体管110、112用于将电池单元120从外部电池组端子 (外部电池组正端子150及负端子140)断开。在所显示的实施方案中,离散晶体管110、112 显示为场效晶体管(FET)装置。虽然可使用其它晶体管技术,但FET呈现工艺、性能(例如,接通电阻)、成本、大小等方面的优点。在所显示的实施方案中,离散晶体管110、112还可分别称作充电及放电晶体管。充电晶体管100用于实现电池单元120的安全充电。放电晶体管112用于实现电池单元120的安全放电。图中显示充电与放电晶体管110、112串联華禹合。
[0026] 在所显示的实施方案中,充电及放电晶体管110、112耦合在高侧配置中(S卩,所述串联晶体管耦合到所述电池单元的高侧,其与所述电池单元的低侧相对)。在所述高侧配置中,充电晶体管110的一个端子(例如,NFET装置的源极端子)耦合到电池单元120-1 的正端子。放电晶体管112的一个端子(例如,NFET装置的源极端子)耦合到外部电池组正端子150。充电及放电晶体管110、112的相应第二端子彼此耦合(例如,当使用NFET装置时形成漏极到漏极节点)。充电晶体管110及放电晶体管112的栅极端子分别在输入OC 及OD处耦合到电池管理系统130。同样,晶体管110、112之间的节点在芯片供电电压输入 (在本文中还称作VfJ处耦合到电池管理系统130。所述芯片供电电压输入向电池管理系统130提供电力。
[0027] 在所显示的实施方案中,晶体管110、112用于在电池单元120与装置102或充电器104之间阻挡两个方向上的电流。如果晶体管110、112为FET,那么其将各自包括寄生二极管(分别标记为110-1及112-1)。因此,具有单个FET将不允许停用两个方向上的电流。 当串联(源极到源极或漏极到漏极)使用两个FET时,可启用及停用进入电池单元120的电流及从电池单元120流出的电流。举例来说,当使用两个晶体管时,可选择性地控制所述晶体管(例如,通过向其栅极端子施加控制电压)以在给定时间允许仅单个方向上的电流 (例如,允许充电,但直到已将充足的电荷置于电池单元中才允许放电)。
[0028] 电池单元120为可再充电电池且可以是锂离子(Li-ion)或锂聚合物 (Li-polymer)的形式。其它电池技术类型也是可能的。当提供多个电池单元时,可串联耦合电池单元120。在所显示的多个单元的实施方案中,电池单元120-1的最顶部正端子耦合到电池管理系统130(例如,以允许检测电池电压电平)且耦合到离散晶体管中的一者 (艮P,充电晶体管110)。所述串联中的最底部电池单元120-2的负端子耦合到电池管理系统130(例如,以允许检测电池电压电平)且耦合到电流感测电阻器114的一个端子。电流感测电阻器114的第二端子耦合到局部接地(电池局部接地)、电池管理系统130(以允许测量穿过电流感测电阻器114的电流)且耦合到电池组100的外部负端子140。电池单
7元120-1的负端子及电池单元120-2的正端子耦合在一起。在一个实施方案中,电池单元 120-1,120-2之间的中心点170耦合到电池管理系统130。
[0029] 虽然图IB显示漏极到漏极连接的两个NFET装置,但其它装置及配置是可能的。举例来说,可通过适当配置来使用PFET装置,例如源极到源极。
[0030] 电池管理系统
[0031] 图2是用于电池组100中的实例性电池管理系统130的框图。电池管理系统130 通常包括处理器202 (例如,基于RISC架构的低功率、CM0S8位微控制器)、电池保护电路 204、电池保护电路/处理器接口 230、电流控制器206、功率监督器210、充电检测器212、 时钟发生器214、端口 216、存储器218、电压参考220及监视计时器222。处理器202、端口 216、电池保护电路204及电压参考220均耦合到数据总线224。
[0032] 电池管理系统130的实际实施方案可包括其它组件及子系统,出于清楚的目的已从图2中移除所述组件及子系统。举例来说,电池管理系统130可包括:用于电池监视的电路(例如,模拟到数字转换器);用于平衡单元电压的单元平衡电路(例如,单元平衡FET); 噪声抑制电路;醒来计时器等。
[0033] 可用可由处理器202执行的指令对存储器218进行编程以执行各种任务,例如单元平衡、电池保护及用于确定电荷剩余的电流测量。
[0034] 在某些实施方案中,电流控制器206具有耦合到外部晶体管装置的若干输出(例如,0C、0D),其可由电流控制器206配置以控制电池单元与装置或充电器之间的电流。电流控制器206包括用于在输出OC及OD处产生电压的各种电路及逻辑(例如,运算放大器、控制及状态寄存器、晶体管、电容器、二极管、变换器、栅极等)。
[0035] 在某些实施方案中,所述OC输出是耦合到充电FETllO的栅极的高压输出以启用或停用充电FETllO以在充电事件期间控制电流。所述OD输出是耦合到放电FET112的栅极的高压输出以完全或部分地启用或停用放电FET112以在放电事件期间控制电流。图IB 显示FET装置的实例性配置,其用于响应于来自电池管理系统130的控制电压而控制电流。
[0036] 电池保护电路
[0037] 电流控制器206 (例如,经由接口 205)耦合到电池保护电路204。电池保护电路 204包括用于监视及检测电池单元电压及与电池保护事件相关联的充电/放电电流的电路 (例如,差分放大器),并起始用以保护电池组100不受损害的动作(例如,停用充电及/或放电FET)。电池保护事件的实例包括但不限于:放电期间的深欠压、放电期间的短路及充电及放电期间的过电流。
[0038] 在某些实施方案中,电流感测电阻器(R)可经耦合跨越电池保护电路204的PPI 及NNI输入,其中PPI是来自电流感测电阻器114的未经过滤的正输入,而NNI是来自电流感测电阻器114的未经过滤的负输入。电流感测电阻器114可耦合到电池管理系统130,如参照图IB所说明。
[0039] 电池保护电路/处理器接口 230提供电池保护电路204与处理器202之间的可编
程接口。
[0040] 检测高电流状况
[0041] 穿过电流感测电阻器114的高电流将导致跨越电流感测电阻器114的电压降,其由电池保护电路204检测。在某些实施方案中,电池保护电路204中的差分运算放大器用适当增益放大所述电压。使用模拟比较器将来自所述差分运算放大器的输出与参考信号 (例如,由精确的可编程芯片上电压参考产生)相比较。如果所测量电流的可编程样本数量^(例如,N1 = 1)高于所规定的限制,那么在处理器202中设定早期预警中断旗标。此给予处理器202以下指示:潜在危险情形在进行中且处理器202可采取适当行动。
[0042] 放电过电流预警及保护
[0043] 如果放电电流的可编程样本数量队高于预定的放电过电流限制达比预定过电流保护反应时间长的时间,那么电池管理系统130启动放电过电流保护措施。在某些实施方案中,当启动所述放电过电流保护措施时,停用外部放电晶体管112以停止电流。在某些实施方案中,用户可将充电器连接到电池组100以重新启用放电晶体管112。在其它实施方案中,在(举例来说)电池保护电路204中开始电流保护计时器。所述电流保护计时器确保在允许重新启用放电晶体管112之前将放电晶体管112停用最小的时间周期(例如,至少1 秒)。存储器218 (例如,EEPROM、RAM、快闪ROM等)中的由处理器202执行的应用软件可用于在所述电流保护计时器已超时之后重新启用正常的操作。举例来说,所述应用软件可启用电流控制器206中的控制及状态寄存器中的控制位,此导致输出OC及OD处的电压改变。在某些实施方案中,如果在电池的荷载仍太大时重新启用放电晶体管112,那么可再次启动放电过电流保护措施。在某些实施方案中,针对放电过电流通过电池保护电路204检查感测电阻器114。如果检测到放电过电流,那么仅在检测到充电器的情况下启用放电晶体管 112。
[0044] 充电过电流预警及保护
[0045] 如果充电电流的可编程样本数量N3高于预定的充电过电流检测电平达比预定过电流反应时间长的时间,那么电池管理系统130启动充电过电流保护措施。在某些实施方案中,当启动所述充电过电流保护措施时,停用外部充电晶体管110且在(举例来说)电池保护电路204中开始电流保护计时器。所述计时器确保将晶体管110停用预定的时间周期 (例如,至少1秒)。存储器218中的由处理器202执行的应用软件可提供电流控制器206 的控制及状态寄存器中的适当控制位以重新启用正常的操作。如果重新启用充电晶体管 110且充电器继续供应过高的电流,那么可再次启动充电过电流保护。
[0046] 短路预警及保护
[0047] 在某些实施方案中,提供第二水平的高电流检测以启用对大放电电流(例如,短路事件中发生的大放电电流)的快速响应时间。所述响应时间由小于M微秒(例如,100微秒)的短路取样间隔确定。如果放电电流的可编程样本数量N4(例如,N4= 1)高于预定的短路检测限制达比预定短路反应时间长的时间周期,那么电池管理系统130启动短路保护措施。在某些实施方案中,当启动短路保护时,可以针对放电过电流保护相同的方式停用放电晶体管112。
[0048] 某些应用需要通常100-500微秒的反应时间。然而,某些应用需要更长的反应时间(通常5毫秒),以在连接到电池组100的装置102从电池组100汲取大电流的情况下允许装置102的更稳定的操作状况。
[0049] 在某些实施方案中,启动电池保护措施可导致电池保护电路204向处理器202发出中断。举例来说,电池保护电路204可经由数据总线224向处理器202发出电池保护中断。可通过处理器202停用所述电池保护中断,使得处理器202不响应于所述电池保护中断。当处理器202接收到所述电池保护中断时,其可执行各种动作,例如改变为低功率消耗模式或向电流控制器206发出控制命令以控制穿过晶体管110、112的电流。
[0050] 一旦检测到可能的短路违例,那么设定短路早期预警中断旗标。如果启用短路中断,那么处理器202可接收中断。在接收所述中断之后,处理器可在执行短路保护措施或移除产生危险的来源之前的时间期间使功率消耗降到最低。使功率降到最低的有效方法可以是使处理器202进入睡眠模式直到可建立安全的操作状况。当电流已回到安全水平时,处理器202可从水平模式醒来。外部能量存储装置可耦合到电池管理系统130 (例如,图3中的能量存储装置308)且适当确定所述外部能量存储装置的大小以在短路保护周期期间向电池管理系统130供应电力。
[0051] 上文所说明的用于监视、检测及响应于电池保护事件的实施方案为实例性,且其它实施方案也是可能的。举例来说,其它电池保护方案是可能的,例如由专用硬件及/或软件(由处理器202执行)实施的过量充电或过量放电保护。
[0052] 功率监督器
[0053] 功率监督器210通过管理电池管理系统130的各种低功率模式(其还称作“睡眠模式”)来帮助降低系统功率消耗。在某些实施方案中,功率监督器210管理四个睡眠模式,从而允许用户如需地调整电池管理系统130的功率消耗。在空闲模式中,处理器202停止,但所有外围功能继续操作。在省电模式中,停止快速振荡器且仅保持电池保护电路204 及慢速振荡器以及电流测量电路(例如,模拟到数字转换器等)及用于维持实时时钟的异步计时器运行。在功率降低模式中,停转时钟发生器214。电池保护电路204、监视计时器 222或外部中断可使电池管理系统130醒来。在功率断开模式中,处理器202指示电压调节器208关闭到处理器202的功率,从而仅剩下电压调节器208及充电器检测电路212操作。所述功率断开模式使功率消耗降到最低以确保在存储所述电池单元很长的时间而不充电的情况下不对其造成损害。
[0054] 在某些实施方案中,当检测到充电器时,电池组100从功率断开睡眠模式醒来且执行通电重设以开始正常的操作。
[0055] 功率监督器210耦合到供电电压(Vrc)。在某些实施方案中,所述供电电压是电压调节器208所提供的经调节电压(VKeg)。功率监督器210还可具有RESET (重设)输入。举例来说,如果低电平在此输入上存在比预定最小脉冲长度长的时间,那么电池管理系统130 将重设,即使时钟发生器214并未正在运行。
[0056] 功率监督器210还耦合到监视计时器222、充电检测器212及电压调节器208。当功率监督器210在功率降低模式中操作时,监视计时器222向功率监督器210提供醒来信号。充电器检测器212耦合到输入(BATT)以检测充电器何时连接并通知功率监督器210 此事件,使得其可进入适当模式以进行充电。电压调节器208向功率监督器210提供经调节的电SVltegt5
[0057] 组合线性/升压电压调节器
[0058] 图3是用于图2中所示的电池管理系统130中的实例性组合线性/升压电压调节器300的框图。电压调节器300接收输入电压Vfet且提供由电池管理系统130及耦合到电池管理系统130的外部电路使用的经调节输出电压VKEe。Vfet是到电池管理系统130的功率输入且由电池单元120或外部充电器104经由晶体管110、112提供。由于现代半导体通常在约2到5伏的范围内的电源上运行,因此供应(举例来说)高达约8.4伏的电池单元不能够直接给电池管理系统130供电。电压调节器300可将所述电池单元电压向下调节到适于芯片上逻辑、低压I/O线及模拟电路的电平(例如,约3. 3伏)。
[0059] 电压调节器300包括升压电压调节器304及线性电压调节器306。在某些实施方案中,一次可仅启用升压电压调节器304及线性电压调节器306中的一者。控制器302将线318、320上的启用信号分别提供到电压调节器306及304。启用信号318、320确定将启用或停用电压调节器306、304中的哪一者,如结合图6所说明。
[0060] 在某些实施方案中,当短路发生时,电压调节器300检测到输入电压(Vfet)已下降到某一阈值电平以下,如结合图6所说明。如果所述电压电平降得过低,那么电压调节器 300将停止提供经调节的电压。电压调节器300的输出耦合到能量存储装置308(例如,大的存储电容器),其用于在正常操作期间移除电压波纹并供应大电流尖峰。然而,在短路事件期间,能量存储装置308中的剩余电荷可用于代替电压调节器300来向电池管理系统130 供应电力(例如,当电压调节器300不再提供经调节的电压时)。可确定能量存储装置308 的大小(例如,I-IOyF)以在能量存储装置308向电池管理系统130供电的周期(例如,在短路事件期间)中满足电池系统的电流供应需求。如果能量存储装置308由于任何原因而不能够供应所需要的电流,那么电池管理系统130可经配置以重设其自身以确保满足安全操作限制。
[0061] 线性电压调节器
[0062] 图4是用于图3中所示的组合电压调节器300中的实例性线性电压调节器306 的框图。在某些实施方案中,线性电压调节器306包括误差放大器402、开关404(Ml)、 405(M3)、406(M4)及408 (M2)、电阻网络410及存储电容器412。误差放大器402的同相输入接收线312上的稳定电压参考(例如,电压参考220)。误差放大器402(例如,差分放大器)将所述稳定的电压参考与由电阻网络410提供的反馈电压Vfb相比较并输出误差电压。 在某些实施方案中,电阻网络410是包括电阻器Rl及R2的分压器,其取开关406 (M4)的输出处的电压的百分数且将其馈入到误差放大器402的反相输入中。
[0063] 将误差放大器402的输出输入到开关404(Ml)(例如,PFET)中,开关404(Ml)耦合到由开关405(M;3)及408(iC)组成的电流镜配置。穿过所述电流镜配置的开关408 (M2)的电流在开关405(M3)中反射。开关406(M4)的输入耦合到输出开关405 (M3)。启用信号318 由(举例来说)模式选择逻辑(图6)提供以启用/停用线性调节器306的输出(例如,启用/停用开关406(M4))。开关406(M4)的输出耦合到存储电容器412及荷载(RLOAD)。
[0064] 通过图4中所示的配置,电压调节器300可通过检测供电电压Vin(Vfet)已下降到预定的阈值电压电平以下来检测短路,如结合图6所说明。所述阈值电压电平对于单个单元及多个单元的操作可不同。当检测到短路时,可停用外部晶体管110、112以便将电压调节器300从输入电压Vin(Vfet)断开。在某些实施方案中,可在一时间延迟(例如,短或长的延迟)之后停用外部晶体管110、112。可基于装置102编程所述时间延迟(例如,对于摄像机对可携式摄像机不同)。在短路状况中,可将电池单元120拉到低电位,且因此所述短路状况将从所有可用电源(包括图3中所示的能量存储装置308)搜寻电力。理想地,开关405(M3)将防止能量存储装置308经由所述低电位Vin(Vfet)输入泄放。然而,如果用常规PFET实施开关405 (M3),那么电流可经由PFET装置内固有的寄生二极管从能量存储装置308泄放。为防止此电流泄漏,开关406 (M4)可用另一 PFET装置实施且与开关405 (M3)反相耦合,使得开关406 (M4)内固有的寄生二极管及开关405 (ΙΟ)内固有的寄生二极管以相反的方向导电。举例来说,可源极到源极地连接开关405 (ΙΟ)及406 (M4),使其相应的寄生二极管彼此背向指向。在某些实施方案中,可在短路状况期间通过由图3中所示的控制器 302提供的信号线318停用开关406 (M4)。
[0065] 在其它实施方案中,可使用不同的工艺技术来制作开关405(M3)以降低寄生二极管的不良的漏电流特性。另一选择为,可切换开关405(M3)的体,以便不需要开关406 (M4) 来确保停用线性调节器306。
[0066] 升压电压调节器
[0067] 图5是用于图3中所示的组合电压调节器300中的实例性升压电压调节器电路 304的框图。升压电压调节器304包括误差放大器502、开关504 (Ml)、506 (IC)及508 (M3)、 电荷泵510、电阻网络512及存储电容器514。升压电压调节器304不同于线性电压调节器 306,在于其可提供高于电压输入的电压输出。此升压电压能力由电荷泵510及如图3中所示的耦合到升压电压调节器304的“飞行”电容器310(例如,220nF)提供。
[0068] 误差放大器502(例如,差分放大器)的同相输入耦合到稳定的参考电压(例如, 图2中所示的电压参考220)。误差放大器502的反相输入耦合到电阻网络512,电阻网络 512提供电荷泵510的输出的百分数。在某些实施方案中,电阻网络512是由电阻器Rl及 R2组成的分压器。电荷泵510的输出(Vlteg)耦合到存储电容器514以使输出电压平滑。误差放大器502基于其同相及反相输入的组合提供误差电压。将所述误差电压提供到开关 504 (Ml)的输入,开关504 (Ml)耦合到由开关506 (M2)及508 (M3)组成的电流镜配置。所述电流镜配置向电荷泵510提供输入电压V。p,其被升压到所需的电压电平且输入到存储电容器514中以提供经调节的电压VKeg。
[0069] 与线性电压调节器306相反,可通过简单地停止线322上的时钟信号来解决开关 508 (M3)中的寄生二极管效应。当停止电荷泵510时,电流不会在输入电压Vin (Vkef)在电池保护事件期间变低时经由电荷泵510从能量存储装置(例如,存储电容器514)泄放。
[0070] 模式选择逻辑
[0071] 图6是用于图3中所示的电压调节器300的控制器302中的实例性模式选择逻辑 600的框图。在某些实施方案中,电压调节器300可以四个模式操作:以线性调节器模式、 以组合模式(即,线性及升压两者)、以升压调节器模式及以短路保护模式。在多单元电池应用的某些实施方案中,选择所述线性电压调节器模式(即,仅使用线性电压调节器306来提供Vlteg)。在单个单元的电池应用的某些实施方案中,选择所述组合模式(S卩,线性电压调节器306及升压电压调节器304两者均可一次一个地调节电压)。其它调节器模式是可能的。
[0072] 多个单元的电池应用
[0073] 在一个多单元的电池应用中,如果Vfet高于比较器602的短路检测电平(例如,约 3. 2-3. 3伏(下降/上升)),那么启用线性电压调节器306且电池管理系统130以线性模式操作。更特定来说,比较器602的输出较高,变换器604的输出较低且变换器606的输出较高,从而启用线性电压调节器306。变换器606的输出是施加到图3中所示的线318的线性启用信号。如果此信号较高,那么启用线性电压调节器400。
12[0074] 如果Vfet降到比较器602的短路检测电平以下,那么短路检测事件已发生。在所述短路保护事件期间,将线性电压调节器306从Vfet断开且耦合到电压调节器300的输出的能量存储装置308向电池管理系统130提供电力,如结合图3所说明。更特定来说,比较器602的输出变低,变换器604的输出变高且变换器606的输出变低,从而停用线性电压调节器306。
[0075] 注意,对于此多单元的应用来说,仅_线性_模式信号3M防止在短路保护模式期间启用升压电压调节器304。更特定来说,在其中仅使用线性模式的此多单元的应用中,则仅_线性_模式信号3M较高且变换器610的输出较低,从而迫使AND栅极612的输出较低且停用升压电压调节器304。注意,AND栅极612的输出是图3中所示的升压_启用信号 320。
[0076] 单个单元的电池应用
[0077] 在一个单个单元的电池应用中,如果Vfet高于比较器602的短路检测电平,那么如先前所说明的那样启用线性电压调节器306。如果Vfet降到比较器602的短路检测电平以下,但停留在比较器608的短路检测电平以上(例如,约1. 7-1. 8伏(下降/上升)),那么停用线性电压调节器306且启用升压电压调节器304。更特定来说,比较器608的输出较高,变换器604的输出较高且变换器610的输出较高。由于到AND栅极612的所有三个输入较高,线320上的升压_启用信号较高,从而导致升压电压调节器304被启用,如图3中所示。注意,线性电压调节器306被停用,因为变换器606的输出较低(即,线性_启用信号318较低)。
[0078] 如果Vfrt继续降到此单个单元电池应用的短路检测电平以下,那么线性电压调节器306保持停用且升压电压调节器304也被停用。线性电压调节器306及升压电压调节器 304两者的停用有效地阻止电压调节器300向芯片202供应经调节的电压。当电压调节器 300不再向电池管理系统130供应经调节的电压时,那么耦合到电压调节器300的输出的能量存储装置308可向电池管理系统130供应电力。
[0079] 电池保护过程
[0080] 图7是实例性电池保护过程700的框图。过程700的步骤不必以任何特定次序发生,且所述步骤中的至少某些可同时发生。
[0081] 过程700通过监视电池电压及电池保护事件的充电/放电电流开始(70¾。此可使用电池保护电路204及电流感测电阻器R实现,如结合图2所说明。过程700检测到电池保护事件(704)且作为响应致使电池单元从电压调节器断开(706)。电池保护事件的实例包括但不限于:放电期间的深欠压、放电期间的短路及充电及放电期间的过电流。注意, 电池检测步骤(704)提供电池保护事件的初步指示。
[0082] 在短路状况期间,多电池单元应用中的每一电池单元可下降到1伏。如果电池系统必须支持单个单元的应用,那么所述电压过低。对于这些保护事件来说,电压调节器可将其自身从电池单元断开以防止能量存储装置经由输入电压线泄放电压,如结合图4-6所说明。在某些实施方案中,当启动电池保护时,电池保护电路向处理器(例如,处理器202)发送电池保护中断以启用低功率操作模式(708)。如果所述电池保护事件在预定的时间周期 (712)(例如,5ms)之后仍活动,那么所述电池单元将被从所述装置或充电器断开且所述处理器将被通知所述电池保护事件(718)。如果所述电池保护事件不再活动或在预定的时间周期(712)过去之前移除,那么将通知所述处理器且正常操作将恢复(71)。 [0083] 所属技术领域中的技术人员应了解,上文所说明的实施方案仅为实例性的,且可在不背离本发明的真实精神及范围的情况下做出许多改动。因此,所附权利要求书既定涵盖归属于本发明的真实精神及范围内的所有此类改动及修改。

Claims (17)

1. 一种电池系统,其包含:可操作以耦合至装置的电池组,其中所述电池组包含: 电池单元;电池保护电路,其耦合到所述电池单元;处理器,其耦合到所述电池保护电路以用于确定电池保护事件是否已发生; 电压调节器电路,其耦合到所述电池单元及所述处理器,所述电压调节器电路可配置以向所述处理器提供电力,所述电压调节器电路包含耦合到升压电压调节器和线性电压调节器的电压调节器控制器电路,所述电压调节器控制器电路可操作以启用和停用所述升压电压调节器和所述线性电压调节器,所述电压调节器控制器电路可操作以将所述电压调节器电路置于线性调节器模式,升压调节器模式,组合模式和短路保护模式中的其中一个;能量存储装置,其耦合到所述电压调节器电路,且可配置以在所述电池保护事件期间向所述处理器提供电力;及开关,其耦合在所述能量存储装置与所述电池单元之间,所述开关可配置以在所述电池保护事件期间选择性地将所述能量存储装置从所述电池单元断开,其中所述开关包含在所述电压调节器电路内。
2.如权利要求1所述的电池系统,其中所述电池保护事件是包括放电期间的短路以及充电和放电期间的过电流在内的多个电池保护事件中的一者。
3.如权利要求1所述的电池系统,其中所述能量存储装置是电容器。
4.如权利要求1所述的电池系统,其中所述开关是场效晶体管(FET)装置。
5. 一种用于电池系统的集成电路,其包含: 电池保护电路,其适于耦合到电池单元;处理器,其耦合到所述电池保护电路以用于确定电池保护事件是否已发生; 电压调节器电路,其耦合到所述处理器且可配置以向所述处理器提供电力,所述电压调节器电路包含耦合到升压电压调节器和线性电压调节器的电压调节器控制器电路,所述电压调节器控制器电路可操作以启用和停用所述升压电压调节器和所述线性电压调节器, 所述电压调节器控制器电路可操作以将所述电压调节器电路置于线性调节器模式,升压调节器模式,组合模式和短路保护模式中的其中一个;能量存储装置,其耦合到所述电压调节器电路,且可配置以在所述电池保护事件期间向所述处理器提供电力;及开关,其耦合在所述能量存储装置与所述电池单元之间,所述开关可配置以在所述电池保护事件期间将所述能量存储装置从所述电池单元断开,其中所述开关包含在所述电压调节器电路内。
6.如权利要求5所述的集成电路,其中所述电池保护事件是包括放电期间的短路、充电和放电期间的过电流以及电池单元电压的骤降在内的多个电池保护事件中的一者。
7.如权利要求5所述的集成电路,其中所述能量存储装置是电容器。
8. —种电池保护方法,其包含:在电池系统中将电力从电压调节器提供到处理器,其中所述电压调节器耦合到电池单元且调节从所述电池单元接收的电压,所述电压调节器包含耦合到升压电压调节器和线性电压调节器的电压调节器控制器电路,所述电压调节器控制器电路可操作以启用和停用所述升压电压调节器和所述线性电压调节器,所述电压调节器控制器电路可操作以将所述电压调节器置于线性调节器模式,升压调节器模式,组合模式和短路保护模式中的其中一个;接收指示电池保护事件的信号; 在所述电池保护事件期间:选择性地将所述电压调节器从所述电池单元断开;及从耦合到所述电池单元的能量存储装置向所述处理器提供电力。
9.如权利要求8所述的方法,其进一步包含:在所述电池保护事件期间,将所述能量存储装置从所述电池单元断开。
10.如权利要求8所述的方法,其进一步包含: 向所述处理器发出中断;及响应于所述中断改变所述处理器的功率模式。
11.如权利要求10所述的方法,其中改变所述功率模式包括改变为低功率消耗模式。
12.如权利要求10所述的方法,其中改变所述功率模式包括将所述功率模式改变为来自包括空闲、省电、功率降低及功率断开在内的多个功率模式的功率模式。
13. 一种用于电池系统的集成电路,其包含: 电池保护电路,其适于耦合到电池单元;处理器,其耦合到所述电池保护电路且可配置以从所述电池保护电路接收信号以用于确定电池保护事件是否已发生;电压调节器电路,其耦合到所述处理器且可配置以在除电池保护事件以外的时间期间向所述处理器提供电力,所述电压调节器电路包含耦合到升压电压调节器和线性电压调节器的电压调节器控制器电路,所述电压调节器控制器电路可操作以启用和停用所述升压电压调节器和所述线性电压调节器,所述电压调节器控制器电路可操作以将所述电压调节器电路置于线性调节器模式,升压调节器模式,组合模式和短路保护模式中的其中一个;及能量存储装置,其耦合到所述电压调节器电路,且可配置以在所述电池保护事件期间向所述处理器提供电力。
14.如权利要求13所述的集成电路,其中所述电池保护电路在检测到电池保护事件时向所述处理器发出中断且所述处理器响应于所述中断信号改变为低功率消耗模式。
15.如权利要求13所述的集成电路,其进一步包含:开关,其耦合在所述能量存储装置与所述电池单元之间,所述开关可配置以在所述电池保护事件期间将所述能量存储装置从所述电池单元断开。
16.如权利要求13所述的集成电路,其中所述电池保护事件是包括放电期间的短路以及充电和放电期间的过电流在内的多个电池保护事件中的一者。
17. —种电池保护方法,其包含: 接收指示电池保护事件的信号; 向处理器提供中断信号;响应于所述中断信号将所述处理器改变为低功率消耗模式;且将电力从电压调节器提供到所述处理器,其中所述电压调节器耦合到电池单元且调节从所述电池单元接收的电压,所述电压调节器包括可配置用于在所述电池保护事件期间将能量存储装置切换到所述处理器的开关,所述电压调节器包含耦合到升压电压调节器和线性电压调节器的电压调节器控制器电路,所述电压调节器控制器电路可操作以启用和停用所述升压电压调节器和所述线性电压调节器,所述电压调节器控制器电路可操作以将所述电压调节器置于线性调节器模式,升压调节器模式,组合模式和短路保护模式中的其中一个。
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