CN101630834A - 使用升压时钟的单功率晶体管电池充电电路 - Google Patents

Abstract

充电/放电保护电路保护电池免受在充电器节点上发生的疏忽短路，充电器节点可能连接到一个充电器或连接到一个便携式电子装置的供电电源。单个n－通道功率晶体管有一个栅极，其控制电池和充电器节点之间的一个通道。该栅极通过一个栅耦合晶体管被连接到充电器节点以关闭功率晶体管，并提供电池隔离。该栅极通过一个开关由一个升压时钟驱动，该开关由一个选通信号激活。选通信号同样激活一个接地晶体管以将栅耦合晶体管的一个栅极接地。一个比较器比较充电器和电池节点的电压，并且比较结果被锁存以产生选通信号。一个逆选通信号激活第二开关，第二开关驱动升压时钟到栅耦合晶体管的栅极以关闭该功率晶体管。

Description

使用升压时钟的单功率晶体管电池充电电路

技术领域

[0001]本发明涉及电池充电器，特别涉及使用晶体管的充电和放电调节电路。

发明背景

[0002]各种小型便携式电子装置都依赖电池供电。调节器电路(regulator circuit)可以被用来控制电池的充电和放电。调节器电路可以允许外部充电器对电池进行脉冲充电而不是持续地充电，从而能够减少热量并赢得时间给电池在充电脉冲之间冷却。充电脉冲的脉冲率和脉宽可以被调整以控制温度。

[0003]当电池供电给便携式电子装置时，调节器电路也可以被用来调节电池放电。调节器电路可以有一个功率晶体管，其被打开和关闭以调节供电电压。被调节的供电电压可以与一个基准电压进行比较，并被反馈到调节器电路以控制功率晶体管。例如，当被调节的供电电压太低时，功率晶体管被打开，而当被调节的供电电压位于或高于目标电压时，功率晶体管被关闭。

[0004]图1显示一个现有技术的电池充电系统。电池208被功率晶体管210保护，其具有由充电/放电调节器206控制的栅极。电池208可以驱动负载204，其可以是一个便携式电子电路或装置。当连接到充电器202时，充电器202可以驱动负载204，并驱动充电电流穿过功率晶体管210同时对电池208进行充电。

[0005]功率晶体管210可以是一个具有寄生二极管212的p-通道晶体管，例如从P+漏极到N-阱基板。二极管212可以保护电池208免受因疏忽引起的放电。当便携式电子装置放在用户口袋内，并且其充电端子恰好被口袋里的金属钥匙短路时，就会发生“钥匙链问题(key-chain problem)”。图1充电/放电调节器206左边的两个端子的短路可导致电池208迅速地放电，除非二极管212能够阻断这么大的放电电流。因此，二极管212能够提供一些保护预防钥匙链问题。

[0006]但是，二极管212不能保护免受其它方向上的强电流。如果错误地连接到错误型号的充电器202，强电流会流经二极管212到电池208，即使是在功率晶体管210被关闭的时候。这种强电流可能会损坏电池208。

[0007]图2显示一个具有两个串联的功率晶体管的现有技术的电池充电系统。第二功率晶体管216与功率晶体管210串联在一起。充电/放电调节器206控制两个功率晶体管210、216。第二寄生二极管214与功率晶体管216一起。第二寄生二极管214可以是从P+源极到N-阱，而寄生二极管212是从P+漏极到N-阱。

[0008]由于第二寄生二极管214与寄生二极管212的方向相反，当通过充电/放电调节器206关闭功率晶体管210、216时，任何一个方向上的电流都被阻断。保护电池208免受由于钥匙链短路引起的快速放电和由于充电器202引起的快速充电电流。充电器202可能不是一个智能充电器，所以可能会提供过强的充电电流。

[0009]虽然使用时比较有效，但并不希望具有两个串联的功率晶体管210、216，因为增加了有效ON-阻抗，而且需要一个更大的晶体管尺寸。由于调节器功率晶体管210、216的较大阻抗降低了提供给负载204的供电电压，并增加了功率损失和发热，所以电池充电器越发低效。

[0010]期望有一个电池调节器系统，其仅使用单个功率晶体管。期望有一个单功率晶体管充电调节器，其仍然能够提供保护免受由钥匙链问题引起的疏忽短路，以及避免强充电电流对电池造成的损坏。一个不会出现闩锁问题(latch-up problem)的充电调节器同样也是令人期待的。

附图说明

[0011]图1显示一个现有技术的电池充电系统；

[0012]图2显示一个具有两个串联的功率晶体管的现有技术的电池充电系统；

[0013]图3是一个单向升压的电池充电调节器的示意图；

[0014]图4是一个双向升压的电池充电调节器的示意图；

[0015]图5是一个传递升压时钟的开关的结构图；

[0016]图6是一个传递升压时钟的双向保护开关的结构图；

[0017]图7是一个升压器的结构图；

[0018]图8是图3升压电池充电调节器的运作波形。

发明详述

[0019]本发明涉及改善的电池充电调节器。以下描述使本领域技术人员能够制作并使用在具体应用及其要求的上下文里提供的本发明。对优选实施例的各种改进，对本领域技术人员来说是显而易见的，在此所定义的一般原理也可以实施到其它实施例。所以，本发明并不受限于在此所示和所述的特定实施例，而是属于与在此披露的原理和新颖特征一致的最大范围内。

[0020]图3是一个单向升压电池充电调节器的示意图。图3电路能够替换图1的功率晶体管210和充电/放电调节器206，并运行保护连接到节点B的电池，其由节点A上的充电器进行充电，或驱动节点A上的一个负载电路。

[0021]功率晶体管250是一个n-通道晶体管，其调节节点A、B之间的电流。寄生二极管可以与功率晶体管250一起，只是图中未显示，如N+源极/漏极到P-型阱或基板二极管(substrate diode)。晶体管250、252、254、255、259的衬底极(bulk terminal)都接地。

[0022]时钟CLK驱动升压器240，其使用一个电荷泵(charge pump)或其它升压电路来产生一个升压的时钟HCK。例如，HCK可以有一个较高电平，其是晶体管阈值，高于VDD或VDD+Vtn。当EN高且ENB低时，此升压时钟HCK通过开关234而施加到功率晶体管250的栅极，而当ENB高而EN低时，通过开关232而施加到栅耦合晶体管(gate-couplingtransistor)252的栅极。

[0023]HCK升压驱动功率晶体管250或栅耦合晶体管252的栅极到一个大约VDD+Vtn的升压。这样会过压驱动栅极，增高栅源电压(gate-to-source voltage)，从而增强流经晶体管的电流。有效ON阻抗通过过压驱动栅极也得以降低。因此，可以使用较小的晶体管尺寸来降低面积和成本。

[0024]在节点A、B之间有单个功率晶体管250而不是有两个串联晶体管同样有助于降低面积、成本和ON阻抗。使用功率晶体管250的n-通道而不是p-通道也有助于降低面积、成本和ON阻抗，因为在n-通道晶体管内电子迁移率大约是p-通道晶体管内空穴迁移率的两倍。

[0025]节点A、B的电压由比较器226进行比较，比较器可以是一个运算放大器(op amp)或其它差分比较器(differential comparator)。当节点A的电压大于节点B的电压时，比较器226驱动AGB至高，其是到触发器(flip-flop)228的D输入。触发器228是由时钟CLK进行时钟控制，并在AGB状态时锁存而驱动其Q、QB输出。

[0026]高AGB驱动EN至高和ENB至低。高EN打开开关234，开关234连接HCK到栅极节点NG1，NG1是功率晶体管250的栅极。低ENB关闭开关232，从而HCK不被驱动到节点NG2。相反，高EN被施加到接地晶体管254的栅极，接地晶体管254打开以驱动节点NG2到地。由于栅耦合晶体管252的栅极NG2很低，栅耦合晶体管252关闭。充电电流从节点A流经功率晶体管250到节点B。没有寄生二极管正向偏压传递一个不需要的强电流。当使用一个N-阱过程时，寄生二极管的一个端口被接地。

[0027]当比较器226确定节点A的电压比节点B低时，AGB为低。低AGB驱动ENB至高和EN至低。高ENB打开开关232，开关232连接HCK到第二栅极节点NG2，NG2是栅耦合晶体管252的栅极。

[0028]低EN关闭开关234，从而HCK不被驱动到节点NG1。开关234是在一个高阻抗(Hi-Z)输出状态。低EN也被施加到接地晶体管254的栅极，其关闭，允许第二栅极节点NG2由穿过开关232的HCK驱动，开关232是由高ENB打开。

[0029]由于栅耦合晶体管252的栅极NG2，是由穿过开关232的HCK驱动至高，当HCK脉冲高时，栅耦合晶体管252被打开，连接节点A(当A＜B时为源极)的较低电压到栅极节点NG1。因此，功率晶体管250的栅极和源极被一起短路，电流不会从节点B流到节点A。通过功率晶体管250，节点B与节点A被有效地隔离。

[0030]当开关234被打开时，当HCK脉冲高至VDD+Vtn时，功率晶体管250在高HCK脉冲上被强行打开，但在低HCK脉冲时被关闭。在HCK的这些低脉冲期间，节点NG1被驱动至低，关闭功率晶体管250。HCK的周期和脉宽或工作周期(duty cycle)可以被调整以提供期望的充电特性，例如降低过热，但仍然能够保持目标稳定供电电压。

[0031]同样，当开关232被打开时，当HCK脉冲高至VDD+Vtn时，栅耦合晶体管252在高HCK脉冲上被强行打开，但在低HCK脉冲时关闭。节点NG1在HCK的这些低脉冲期间被隔离。由于渗漏通常较小，节点NG1在HCK的低脉冲期间仍然靠近源极电压。

[0032]当节点B的电压比节点A更高时，在节点B上的电池供电到节点A上的一个便携式电路，同时放电电流被功率晶体管250阻断，功率晶体管250关闭并被偏压以隔离节点B和节点A。这样可以避免由于钥匙链短路引起的强电流。一个小的偏移可以引入到比较器226以允许功率晶体管250保持开启状态，当节点B上的电池正在驱动节点A上的电子负载时，当节点B和A之间的电压差小于此偏移时。

[0033]或者，可以提供多个调节电路(图3)：节点A上的充电器和节点B上的电池之间的一个功率晶体管250及其图3的电路，以及节点A上的电池和节点B上的电子装置负载之间的另一个功率晶体管250及其图3的电路。电流仅从节点A流到节点B。

[0034]图4是一个双向升压电池充电调节器的示意图。图4的电路可以替换图1的功率晶体管210和充电/放电调节器206，并运行保护连接到节点A的电池，节点A的电池由节点B上的一个充电器进行充电，或驱动节点B上的一个负载电路。

[0035]功率晶体管250是一个n-通道晶体管，其调节节点A、B之间的电流。开关232、234和升压器240如图3之前所述运行。但是，图4内栅极节点NG1也被保护以避免逆向电流(reverse current)。

[0036]一个方向输入SAB被施加到双向感应和控制电路230，其比较节点A、B的电压。例如，双向感应和控制电路230可以有如图3所示的比较器和触发器，以及额外的逻辑门来产生三个允许操作(enable)：EN、EN1、EN2。

[0037]当SAB为高时，预期的电流从节点A流到节点B。当节点A的电压大于节点B的电压时，通过双向感应和控制电路230，EN被驱动至高，且EN1、EN2被驱动至低。EN打开开关234以驱动HCK到栅极节点NG1，打开功率晶体管250。由于栅极节点NG1有一个脉冲升压，电流驱动比如果使用VDD时来得更高。脉冲提供了时间给功率晶体管250在HCK的低脉冲期间冷却。电流可以从节点A流到节点B，如从节点A上的充电器到节点B上的电池。次栅极节点NG2、NG3通过n-通道接地晶体管254、258被接地，晶体管254、258在其栅极上接收EN。这样能够关闭栅耦合晶体管252、256，允许开关234驱动栅极节点NG1。

[0038]当SAB为高，但节点A的电压低于节点B的电压时，电流将以非预期(逆向)的方向流动。为了避免逆向电流流动，功率晶体管250被偏压隔离。通过双向感应和控制电路230，EN和EN2被驱动至低，EN1被驱动至高。低EN导致开关234进入一个高阻抗的输出状态，不驱动栅极节点NG1。低EN也关闭n-通道接地晶体管254、258。

[0039]高EN1打开开关232，驱动HCK到次节点NG2。这样打开栅耦合晶体管252，其短路节点A到栅极节点NG1。由于功率晶体管250的源极和栅极通过栅耦合晶体管252而一起短路，电流被阻断。节点B上的电池不会被意外放电，诸如由于在节点A上的钥匙链短路。

[0040]当选择A-到-B(SAB)被激活时，n-通道选择接地晶体管259被用来将节点NG3接地。不同于在其栅极使用SAB，n-通道选择接地晶体管259可以在其栅极有EN1。不同于使用n-通道选择接地晶体管259，在驱动接地晶体管258的栅极之前，一个逻辑门如OR门也可以合并EN和EN1(或SAB)。那么就不需要n-通道选择接地晶体管259。

[0041]当SAB为低时，期望的电流从节点B流到节点A。当节点B的电压大于节点A的电压时，通过双向感应和控制电路230，EN被驱动至高，EN1、EN2被驱动至低。EN启动开关234以驱动HCK到栅极节点NG1，在HCK的高脉冲期间打开功率晶体管250。电流可以从节点B流到节点A，如从节点B上的电池到节点A上的电子装置负载。次栅极节点NG2、NG3通过n-通道接地晶体管254、258被接地，n-通道接地晶体管254、258在其栅极接收EN。这样就关闭了栅耦合晶体管252、256，允许开关234驱动栅极节点NG1。

[0042]当SAB为低，但节点B的电压小于节点A的电压时，电流将以非选择的方向(A到B)流动。为了避免逆向电流流动，功率晶体管250被偏压隔离。通过双向感应和控制电路230，EN和EN1被驱动至低，EN2被驱动至高。低EN导致开关234进入一个高阻抗的输出状态，不驱动栅极节点NG1。低EN也关闭n-通道接地晶体管254、258。

[0043]高EN2打开开关236，驱动HCK到次节点NG3。从而打开n-通道栅耦合晶体管256，其短路节点B到栅极节点NG1。由于功率晶体管250的源极和栅极通过栅耦合晶体管256被一起短路，电流被阻断。节点B上的电池不会被意外地过量充电，例如由于节点A上的充电器或静电放电(ESD)。

[0044]当选择A-到-B(SAB)是非激活时，n-通道选择接地晶体管255被用来将节点NG2接地。不同于在其栅极上使用逆SAB(SBA)，n-通道选择接地晶体管255可以在其栅极上有EN2。不同于使用n-通道选择接地晶体管255，在驱动接地晶体管254的栅极之前，一个逻辑门如OR门也可以合并EN和EN2(或SBA)。那么就不需要n-通道选择接地晶体管255。

[0045]当开关236被打开时，HCK脉冲高至VDD+Vtn，栅耦合晶体管256在这些高HCK脉冲上强行打开，但在低HCK脉冲时关闭。节点NG1在HCK的这些低脉冲期间被隔离。由于渗漏通常很小，节点NG1在HCK的低脉冲期间仍然接近源极电压。

[0046]同样，当开关232被打开时，当HCK脉冲高至VDD+Vtn时，栅耦合晶体管252在这些高HCK脉冲上强行打开，但在低HCK脉冲时关闭。节点NG1在HCK的这些低脉冲期间被隔离。由于渗漏通常很小，节点NG1在HCK的低脉冲期间仍然接近源极电压。

[0047]当开关234被打开时，当HCK脉冲高至VDD+Vtn时，功率晶体管250在这些高HCK脉冲上强行打开，但在低HCK脉冲时关闭。节点NG1在HCK的这些低脉冲期间被驱动至低，关闭功率晶体管250。HCK的周期和脉宽或工作循环可以被调整以提供期望的充电特性，如降低过热，但仍然保持目标稳定的供电电压。

[0048]图5是一个传递升压时钟的开关的结构图。开关232可以是图4内的任一开关232、236。升压时钟HCK是由输入IN接收，栅极节点NG2或NG3是由OUT驱动。ENA驱动n-通道接地晶体管16的栅极和p-通道去能晶体管14(disabling transistor)的栅极，当ENA为高时，使p-通道传输(pass)晶体管10的栅极被晶体管16驱动接地，或当ENA为低时被去能晶体管14由IN驱动。

[0049]n-通道传输晶体管12与p-通道传输晶体管10在IN和OUT之间的并行，形成一个传输门。当ENA为高时，这两个传输晶体管10、12打开。当ENA为低时，这两个传输晶体管10、12关闭。

[0050]p-通道传输晶体管10和p-通道去能晶体管14的衬底极或阱端口被连接到IN。由于IN是升压时钟HCK，IN可以比VDD更高。因此，晶体管10、14的基极和源极端被连接到最高电压。由于p-通道去能晶体管14短路栅极到p-通道传输晶体管10的源极，栅极-到-源极的电压为零，当ENA为低时关闭p-通道传输晶体管10。

[0051]图6时一个传递升压时钟的双向保护开关的结构图。在图4，开关234驱动栅极节点NG1。由于当功率晶体管250被隔离时栅极节点NG1可以被连接到一个外部电压，外部电压可以有较大的尖峰信号或者高于VDD，开关234可以在OUT端口和IN端口得到保护以避免高电压，IN接收升压时钟HCK。

[0052]n-通道传输晶体管12平行于在IN和OUT之间的p-通道传输晶体管10、20，形成一个传输门。当ENA为高时，所有传输晶体管10、12、20是打开的。当ENA为低时，所有传输晶体管10、12、20是关闭的。在IN和OUT之间有串联的p-通道传输晶体管10、12，能够在这两个方向上提供保护以避免高电压。

[0053]当ENA为高时，反相器(inverter)24在晶体管20、22的栅极上驱动至低，打开p-通道传输晶体管20并关闭n-通道接地晶体管22。信号ENA也驱动n-通道接地晶体管16的栅极和p-通道去能晶体管14的栅极。当ENA为高时，ENA使p-通道传输晶体管10的栅极被晶体管16驱动接地。因此，当ENA为高时，这两个传输晶体管10、20被打开。

[0054]当ENA为低时，反相器24在晶体管20、22上驱动至高，关闭p-通道传输晶体管20并打开n-通道接地晶体管22，其将传输晶体管10、20之间的节点接地。低ENA也关闭n-通道接地晶体管16并打开p-通道去能晶体管14。由于p-通道去能晶体管14短路栅极到p-通道传输晶体管10的源极，栅极-到-源极的电压为零，关闭p-通道传输晶体管10。因此，当ENA为低时，这两个传输晶体管10、20被关闭。

[0055]p-通道传输晶体管20的衬底极或阱端被连接到OUT。因此，在OUT上的任何高电压也被施加到p-通道传输晶体管20的衬底极节点。p-通道传输晶体管10和p-通道去能晶体管14的衬底极或阱端被连接到IN。由于IN是升压时钟HCK，IN可以高于VDD。因此，晶体管10、14、20的基极和源极端各自被连接到其源极/漏极上的最高电压，因为其它源极/漏极被接地晶体管22或接地晶体管16接地。

[0056]图7是一个升压器的结构图。升压器240(如图3-4)接收一个时钟CLK，其在接地和供电电压VDD之间摆动，并产生一个升压时钟HCK，其在接地和升压VDD+Vtn之间。

[0057]反相器30确保电容器36、38通过时钟被驱动至相反状态。时钟电压的摆动通过电容器36、38而将n-通道双稳态晶体管32、34的双稳态切换到相反状态。n-通道双稳态晶体管32、34的栅极和漏极是交互连接的。n-通道双稳态晶体管32、34的漏极将电容器36、38的顶板再充电到VDD-Vtn。

[0058]当电容器38通过反相器38从接地而被驱动到VDD时，电容器38的另一侧从VDD-Vtn被驱动到2VDD-Vtn，除去诸如由电容器耦合比率和渗漏引起的任何损失。当时钟CLK为低时，p-通道泵晶体管42打开，驱动电容器38上的升压到HCK。当CLK为高时，p-通道泵晶体管42关闭，而n-通道晶体管40打开以驱动HCK至低。

[0059]p-通道泵晶体管42的衬底极节点(bulk node)是由反相器44、n-通道双稳态晶体管52、54和电容器56、58的第二泵驱动。当CLK为高时，p-通道泵晶体管42的衬底极(bulk)和源极都由升压驱动。

[0060]图8是图3升压电池充电调节器的运行波形。

[0061]当节点A的电压高于节点B时，AGB为高，直到时间T2，节点A跌到低于节点B，AGB走低。在时间T2之前，高AGB允许EN走高且ENB走低。开关234是打开的，而开关232是关闭的(图3)，允许升压时钟被驱动到栅极节点NG1上，而第二栅极节点NG2仍然接地。节点A上的更高电压允许电流流经功率晶体管250到节点B。因此，节点B从时间0到时间T1跟随更高电压的节点A，尽管由于NG1脉冲在节点B上看到有阶梯状。

[0062]当节点A的电压小于节点B时，AGB为低，在时间T2之后，低AGB驱动ENB至高，以及在时间T2之后驱动EN为低。开关234是关闭的，而开挂232是打开的(图3)，允许升压时钟被驱动到第二栅极节点NG2，而栅极节点NG1在几个时钟周期内被放电至接地。

[0063]尽管在节点B上的电压较高，栅极节点NG1上的低电压关闭功率晶体管250，避免电流流到节点A。节点B与节点A隔离。

备选实施例

[0064]本发明还考虑了一些其它实施例。例如，开关、比较器、升压器等，可以以各种方式实施。

[0065]虽然已经描述了脉冲充电，使用升压时钟HCK来驱动功率晶体管250的栅极打开和关闭，但是也可以设计一个线性充电器。不同于脉冲HCK，当CLK走低时HCK仍然为高。功率晶体管250的栅极电压可以被设计成使功率晶体管250在饱和区或线性区上运行。对于节点A、B上典型电压，脉冲充电器可以在饱和区输送脉冲HCK和偏压功率晶体管250，但是线性充电器在线性区不会输送脉冲HCK和偏压功率晶体管250。

[0066]虽然已经描述了节点A、B的电压是“A大于B”或“A小于B”，但是相等或接近相等的电压也可以产生“A大于B”或“A小于B”的结果，取决于准确的偏压和偏移，故意的和寄生的。准确的电压可能随过程、温度和供电电压条件的不同而变化。

[0067]选择A→B信号，SAB，可以由一个感应电路驱动，其确定充电器何时被物理地或电插入到便携式装置内。例如，到充电器的电缆插销可以物理地移动一个小型感应器开关或插针，其产生SAB信号。当充电器被连接时，SAB可以被驱动至高，允许电流从节点A上的充电器流到节点B上的电池。当充电器未被连接时，SAB可以被驱动至低，允许电流从节点B上的电池流到节点A上的便携式电子装置负载。在这两种情况下可以保护电池免受在未选择方向上的电流流动。

[0068]可以增加电容器、电阻器和其它滤波元件。也可以增加开关，如n-通道晶体管、p-通道晶体管、或具有平行n-通道和p-通道晶体管的传输门。电路可以被倒转，可以使用n-通道而不是p-通道晶体管，可以使用p-通道而不是n-通道晶体管。晶体管的阱或基极可以被连接到一个公共偏压电压，或者每个晶体管可以将其源极和阱连接在一起。可以使用各种组合方式。+、-输入可以交换而颠倒比较器输出，或交换其它内部连接。

[0069]其它触发器和比较电路可以被替换，如使用一个J-K触发器、一个设置-重置锁存器、一个切换触发器、或一个具有D-输入接地的D-型触发器的时钟和重置输入。其它类型的双稳态元件也可以被替换。可以添加标准反相器和缓冲器或逻辑门以产生期望的延迟和时钟。尽管触发器或锁存器已经被用来锁存比较器输出，但是这种锁存可以被去除，并解锁由控制电路使用的比较结果以产生选通信号。

[0070]一些元件可以不出现在实际电路里，但在结构里是理想化的元件。例如，负载204可以代表一个实际装置的一个负载，其可能有复杂配置的几千个晶体管，而不是单个晶体管接地。元件可以被去除或应用作为其它电路的一部分。

[0071]在不同节点上可以添加额外的元件，如电阻器、电容器、感应器、晶体管等，或者也可以出现寄生元件。启动和停用电路可以与额外晶体管或以其它方式实现。可以添加传输门(pass-gate)晶体管或传输门用于隔离。

[0072]可以添加反相或额外缓冲。在电路仿真或现场测试之后，可以选择晶体管或电容器的最终尺寸。金属掩膜选择或其他可编程元件可被用来选择最终的电容器、电阻器或晶体管的尺寸。

[0073]虽然已经描述了互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管，其它晶体管技术和变种可以替代，可以使用不同于硅的材料，如砷化镓(GaAs)和其它变种。

[0074]虽然已经描述了正向电流，但是电流可以是正的或者负的，因为在一些案例里电子或空穴可以考虑为载流子。当参照相反极性的载流子时，充电和放电可以是互换的术语。电流可以相反方向流动。时钟可以在高状态时激活或在低状态时激活，并且可以被反相、缓冲或使用其它信号如逻辑门来鉴定。晶体管的源极和漏极节点是可互换的，取决于当前施加到晶体管的偏压。因此，某个偏压条件下漏极可以充当源极或其它偏压条件下的漏极。同样，当使用源极这个词语时时，可以理解此源极有时可以充当一个漏极，其它时候可以充当一个源极。源极和漏极可以交换使用，则使用更准确的词语“源极/漏极”。

[0075]充电/放电调节器206和其它电路可以使用由电池、充电器或可切换电源、或其它电源供电的电压。虽然已经描述了一个升压VDD+Vtn，但升压值可以有其他高于VDD的值，并且由于电容耦合比率、渗漏等的损耗，也可以不同于理论值。理论升压可以是2*VDD，但一些损耗可能降低实际升压到一个接近VDD+Vtn的水平。

[0076]本发明背景部分可能包含有关本发明问题或环境的背景信息，而不是由其他人描述的现有技术。因此，在背景部分包含的材料并不是申请者接纳的现有技术。

[0077]在此所述的任何方法或过程是机器执行的或计算机执行的，并意在通过机器、计算机或其它装置执行，而不是意在只通过人类而不需要机器协助执行。产生的有形结果可能包括报告或其它机器产生的展示，显示在显示器设备上如计算机监控器、投影仪装置、声音产生装置以及相关的媒体装置，并可能包括同样是机器产生的硬拷贝打印输出。其它机器的计算机控制是另一个有形结果。

[0078]披露的任何优势和好处可能不适用于本发明的所有实施例。词语“装置”是以一个权利要求要素进行叙述。经常有一个或多个词语在“装置”之前。先于“装置”的词语是一个容易参照权利要求元素的标记，其不是意在传达一个结构限制。这种装置-加-功能的权利要求不仅包括在此所述的用来执行功能及其结构等价物的结构，而且包括同等的结构。例如，尽管钉和螺丝有不同的结构，但它们是同等结构，因为它们都执行固定的功能。

[0079]前面已经陈述的本发明的实施例是为了描述和说明。这不是意在限制本发明为在此披露的格式。在以上的叙述里，可以进行许多改进和变化。本发明的范围并不受制于此详述，但受制于所附的权利要求。

Claims (20)

1.一个电池保护电路，包括：

一个电池节点，用来连接到一个电池端口；

一个充电器节点，用来连接到一个对电池充电的充电器端口；

一个功率晶体管，其有一个通道连接在电池节点和充电器节点之间，以及有一个控制所述通道的栅极，所述栅极被连接到第一栅极节点；

一个比较器，其有被连接到电池节点和充电器节点的输入，用来从电池节点和充电器节点之间的电压差而产生一个比较输出；

一个控制电路，其从比较器的接收比较输出，并产生第一选通信号和第二选通信号；

一个升压器，其接收一个时钟，用来产生一个升压时钟，所述升压时钟的电压高于所述时钟的电压；

第一开关，从升压器接收升压时钟，施加所述升压到第一栅极节点以回应第一选通信号；

一个栅耦合晶体管，其有一个通道连接在充电器节点和第一栅极节点之间，以及有一个控制所述通道的栅极，所述栅极被连接到第二栅极节点；

第二开关，从升压器接收升压时钟，施加所述升压时钟到第二栅极节点以回应第二选通信号；和

一个接地晶体管，当第二开关没有施加升压时钟到第二栅极节点时，其连接第二栅极节点到接地；

当第二选通信号被激活并且第一选通信号未激活时，所述功率晶体管被栅耦合晶体管偏压而关闭并隔离电池节点和充电器节点。

2.根据权利要求1所述的电池保护电路，其中当第一选通信号未激活时通过提供一个高阻抗输出到第一栅极节点，第一开关隔离第一栅极节点和升压时钟；

其中当第二选通信号未激活时通过提供一个高阻抗输出到第二栅极节点，第二开关隔离第二栅极节点和升压时钟；

由此当未激活时，高阻抗输出是由第一开关和第二开关提供。

3.根据权利要求2所述的电池保护电路，其中功率晶体管是一个n-通道晶体管。

4.根据权利要求3所述的电池保护电路，其中栅耦合晶体管和接地晶体管是n-通道晶体管。

5.根据权利要求4所述的电池保护电路，其中充电器节点也连接到一个便携式电子装置的一个供电输入，当功率晶体管被激活时便携式电子装置是由电池供电。

6.根据权利要求1所述的电池保护电路，其中控制电路还包括：

一个锁存器，用来存储比较器的比较输出，锁存器产生第一选通信号和第二选通信号。

7.根据权利要求6所述的电池保护电路，其中锁存器是一个由时钟控制的触发器。

8.根据权利要求1所述的电池保护电路，其中控制电路还产生第三选通信号；

其中在一个连接第一状态期间，控制电路激活第一选通信号并使第二选通信号和第三选通信号未激活；

其中在一个隔离第二状态期间，控制电路激活第二选通信号并使第一选通信号和第三选通信号未激活；

其中在一个隔离第三状态期间，控制电路激活第三选通信号并使第一选通信号和第二选通信号未激活。

9.根据权利要求8所述的电池保护电路，其中控制电路还包括：

一个方向控制输入，其指示流经功率晶体管的通道里一个预期电流流动的方向；

其中当方向控制输入指示一个正向方向时，当比较输出处于“真(True)”状态时，控制电路激活连接第一状态，而当比较输出处于“伪(False)”状态时，控制电路激活隔离第二状态；

其中当方向控制输入指示一个反向方向时，当比较输出处于“伪(False)”状态时，控制电路激活连接第一状态，而当比较输出处于“真(True)”状态时，控制电路激活隔离第三状态；

由此隔离第二状态被激活用于正向方向，而隔离第三状态被激活用于反向方向。

10.根据权利要求9所述的电池保护电路，还包括：

一个逆栅耦合晶体管(reverse gate-coupling transistor)，有一个通道连接在电池节点和第一栅极节点之间连接，以及有一个控制该通道的栅极，栅极被连接到第三栅极节点；

第三开关，从升压器接收升压时钟，并施加该升压时钟到第三栅极节点以回应第三选通信号；和

一个逆接地晶体管，当第三开关没有施加升压时钟到第三栅极节点时，其连接第三栅极节点到接地；

由此功率晶体管被逆栅耦合晶体管偏压，以在第三选通信号被激活时而关闭。

11.根据权利要求10所述的电池保护电路，其中逆栅耦合晶体管和逆接地晶体管是n-通道晶体管。

12.一个放电保护器，包括：

一个外部节点；

一个保护节点；

一个n-通道功率晶体管，其有一个栅极被连接到第一栅极节点、一个漏极被连接到该外部节点、以及一个源极被连接到该保护节点；

一个栅耦合晶体管，有一个栅极被连接到第二栅极节点、一个漏极被连接到外部节点、以及一个源极被连接到第一栅极节点；

一个接地晶体管，其有一个栅极至少部分地是由第一选通信号控制、一个漏极被连接到第二栅极节点、以及一个源极被连接到接地节点；

一个控制电路，其产生第一选通信号和第二选通信号；

一个升压器，其接收一个时钟并产生一个升压时钟，该升压时钟有一个升压，其高于供电电压；

第一开关，当第一选通信号激活时，其连接升压时钟到第一栅极节点，而当第一选通信号未激活时，其隔离第一栅极节点和升压时钟；和

第二开关，当第二选通信号激活时，其连接升压时钟到第二栅极节点，而当第二选通信号未激活时，其隔离第二栅极节点和升压时钟。

13.根据权利要求12所述的放电保护器，其中控制电路还包括：

一个比较器，其比较外部节点和保护节点的电压以产生一个比较输出。

14.根据权利要求12所述的放电保护器，还包括：

一个逆栅耦合晶体管，其有一个栅极被连接到第三栅极节点、一个漏极被连接到保护节点、以及一个源极被连接到第一栅极节点；

一个逆接地晶体管，其有一个栅极至少部分是由第一选通信号控制、一个漏极被连接到第三栅极节点、以及一个源极被连接到接地节点；

第三开关，当第三选通信号激活时，其连接升压时钟到第三栅极节点，而当第三选通信号未激活时，其隔离第三栅极节点和升压时钟；

其中控制电路也产生第三选通信号。

15.根据权利要求14所述的放电保护器，其中栅耦合晶体管、逆栅耦合晶体管、接地晶体管、和逆接地晶体管各自包括一个n-通道晶体管。

16.根据权利要求14所述的放电保护器，其中第一开关包括：

第一p-通道串联传输晶体管，其有一个栅极被连接到第一p-栅极节点、一个漏极被连接到中间节点、以及一个源极被连接到升压时钟、以及一个衬底极(bulk)被连接到升压时钟；

第二p-通道串联传输晶体管，其有一个栅极被连接到第一选通信号的逆相、一个漏极被连接到第一栅极节点、以及一个源极被连接到中间节点、和一个衬底极被连接到第一栅极节点；

第一n-通道传输晶体管，其有一个栅极被连接到第一选通信号、一个源极被连接到第一栅极节点、以及一个漏极被连接到升压时钟；

第一p-通道短路晶体管，其有一个栅极被连接到第一选通信号、一个源极被连接到升压时钟、以及一个漏极被连接到第一p-栅极节点、和一个衬底极被连接到升压时钟；和

第一n-通道开关接地晶体管，其有一个栅极被连接到第一选通信号、一个漏极被连接到第一p-栅极节点、以及一个源极被连接到接地节点；

一个中间n-通道开关接地晶体管，其有一个栅极被连接到第一选通信号的逆相、一个漏极被连接到中间节点、以及一个源极被连接到接地节点。

17.根据权利要求16所述的放电保护器，其中第二开关包括：

第二p-通道传输晶体管，其有一个栅极被连接到第二p-栅极节点、一个漏极被连接到第二栅极节点、以及一个源极被连接到升压时钟；

第二n-通道传输晶体管，其有一个栅极被连接到第二选通信号、一个源极被连接到第二栅极节点、以及一个漏极被连接到升压时钟；

第二p-通道短路晶体管，其有一个栅极被连接到第二选通信号、一个源极被连接到升压时钟、以及一个漏极被连接到第二p-栅极节点、和一个衬底极被连接到升压时钟；和

第二n-通道开关接地晶体管，其有一个栅极被连接到第二选通信号、一个漏极被连接到第二p-栅极节点、以及一个源极被连接到接地节点。

18.一个集成的脉冲电池充电器，包括：

第一端口，用来连接到一个充电器；

第二端口，用来连接到一个电池；

传输晶体管装置，用来在第一端口和第二端口之间传导电流以回应第一栅极节点；

比较装置，用来比较第一端口和第二端口的电压以产生一个比较输出；

控制电路装置，接收比较输出，用来产生第一选通信号和第二选通信号；

栅耦合晶体管装置，用来在第一端口和第一栅极节点之间传导电流以回应第二栅极节点；

接地晶体管装置，用来在第二栅极节点和接地节点之间传导电流以回应一个至少部分由第一选通信号控制的栅极；

升压装置，接收一个时钟，用来产生一个升压时钟，其有一个高电压超过供电电压；

第一开关装置，用来驱动升压时钟到第一栅极节点上以回应第一选通信号；和

第二开关装置，用来驱动升压时钟到第二栅极节点上以回应第二选通信号；

由此电池是在升压时钟的高脉冲期间由充电器进行充电。

19.根据权利要求18所述的集成脉冲电池充电器，其中功率晶体管装置、栅耦合晶体管装置、以及接地晶体管装置各自包括一个n-通道晶体管。

20.根据权利要求18所述的集成脉冲电池充电器，还包括：

第二栅耦合晶体挂装置，用来在第二端口和第一栅极节点之间传导电流以回应第三栅极节点；

第二接地晶体管装置，用来在第三栅极节点和接地节点之间传导电流以回应一个至少部分是由第一选通信号控制的栅极；

第三开关装置，用来驱动升压时钟到第三栅极节点以回应第三选通信号；

其中控制电路装置还用来产生第三选通信号。

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