CN101765957A - 充电/放电保护电路、包括充电/放电保护电路的电池组、及其电子设备 - Google Patents

充电/放电保护电路、包括充电/放电保护电路的电池组、及其电子设备 Download PDF

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Abstract

公开一种充电/放电保护电路，其通过检测过充电、过放电、和过电流，并根据该检测结果来接通/切断放电控制FET或者充电控制FET，来保护多个串联的二次电池免于过充电、过放电、和过电流，该充电/放电保护电路包括过充电保护电路，该过充电保护电路配置为确定与过充电相对应的检测结果的优先次序，在充电器连接至充电/放电保护电路的情况下切断充电控制FET。

Description

充电/放电保护电路、包括充电/放电保护电路的电池组、及其电子设备
技术领域
本发明涉及一种充电/放电保护电路、包括充电/放电保护电路的电池组(battery pack)、及包括该电池组的电子设备。
背景技术
存在许多种用于锂离子二次电池(secondary battery)的充电/放电保护电路。图3为描述半导体装置和设置在采用该半导体装置的电池组内部的保护电路的框图。
如图3所示，作为电池组1010的主要部分的半导体装置(充电/放电保护电路)1005包括过充电保护电路1011(专用于电池单元1001)、另一过充电保护电路1013(专用于电池单元1002)、过放电检测电路1012(专用于电池单元1001)、另一过放电检测电路1014(专用于电池单元1002)、放电过电流检测电路1015、充电过电流检测电路1016、振荡电路1017、计数器电路1018、逻辑电路1019、另一逻辑电路1023、电平偏移(level shift)电路1020、短路检测电路1021、延迟电路1022、延迟时间缩减电路1024、和备用电路1026。另外，在图3中，附图标记1003表示充电器，附图标记1000表示充电控制FET，而附图标记1200表示放电控制FET。
备用电路1026连接至V-端子。为节省功率，备用电路1026被配置为，通过在检测到备用状态的情况下切断提供在向各个内部电路供电的路径上的开关，来断开电源。
接下来，描述在检测到过充电、过放电、放电过电流、充电过电流、或者短路的情况下半导体装置(充电/放电保护电路)所执行的基本操作。
当过充电检测电路1011、1013、过放电检测电路1012、1014、放电过电流检测电路1015、充电过电流检测电路1016、或者短路检测电路1021分别检测到过充电、过放电、放电过电流、充电过电流、或者短路时，振荡电路1017开始振荡并且计数器电路1018开始计数。
在计数器电路1018当检测到过充电或者充电过电流时计数了预定延迟时间的情况下，Cout(充电输出)经逻辑电路(例如锁存器)1019和电平偏移电路1020变为低(L)电平，从而切断充电控制FET 1000。在计数器电路1018当检测到过放电、放电过电流、或者短路时计数了预定延迟时间的情况下，Dout(放电输出)经逻辑电路1023变为低(L)电平，从而切断放电控制FET 1200。
充电器1003连接至电池组1010。因此，当向电池组1010供应充电电流时，充电控制FET 1100的源极电压变得比放电控制FET 1200的源极电压低。放电控制FET 1200的源极电压与半导体装置1005的Vss端子的电压相对应。尽管电阻器连接至半导体装置1005的V-端子，但是因为V-端子具有高阻抗，所以充电控制FET 1100的源极电压基本上等于V-端子的电压。
因此，当充电电流供应至电池组1010时，V-端子的电压低于Vss端子的电压。当V-端子电压比Vss端子的电压低预定量(充电过电流检测电压)时，检测到充电过电流并且Cout变为低电平。从而，切断充电控制FET 1100。充电过电流“I”、充电过电流检测电压“Vchgdet”、放电控制FET 1200和充电控制FET 1100的ON(导通)电阻“Ron1”、“Ron2”之间的关系表示如下。
I＝Vchgdet/(Ron1+Ron2)
接下来，描述延迟时间缩减电路1024的功能和电路。因为当过充电检测电路1011、1013检测到过充电时，延迟时间通常为1秒或者更多，所以延迟时间造成增加测试例如半导体装置或者保护电路(未示出)的时间的问题。
为缩短测试时间，在测试例如半导体装置或者保护电路的测试模式期间，向延迟时间缩减电路1024施加通常不施加至V-端子的预定信号(例如-3V)。可选择地，测试信号可被提供在延迟时间缩减电路1024中，从而测试信号能够直接施加至延迟时间缩减电路1024。通过向延迟时间缩减电路24施加预定信号，振荡电路1017输出较高频率，从而缩短延迟时间。因此，能够缩短延迟时间。尽管当检测到过充电、过放电、放电过电流、或者充电过电流时，延迟时间缩减电路的该配置有效，但是对于延迟时间长的过充电检测的情况，其特别有效。
振荡电路1017可被配置为采用恒流逆变器(inverter)和电容器的环形振荡器。因为环形振荡器的振荡频率是由恒流源的恒定电流、电容器的容量、和恒流逆变器的阈值确定，所以能够通过例如增加恒流源的恒定电流，显著减小电容器的容量，或者改变恒流逆变器的阈值，缩短延迟时间。
可选择地，为缩短延迟时间，还存在一种改变从计数器电路1018提取输出的位置的方法。例如在日本公开专利申请No.2002-176730中描述了充电/放电保护电路的相关技术示例的电路和操作。
从过放电恢复的条件取决于充电/放电保护电路为锁存器型还是过放电恢复型而不同。在锁存器型的情况下，当多个串联的二次电池的电压等于或者大于过放电检测电压时，在充电器连接至充电/放电保护电路的情况下，过放电检测信号从低(L)电平变为高(H)电平。在过放电恢复型的情况下，当多个串联的二次电池的电压等于或者高于过放电恢复电压时，无论充电器是否连接至充电/放电保护电路，过放电检测信号从低(L)电平变为高(H)电平。
在充电器连接至具有多个串联的二次电池的充电/放电保护电路，且其中检测到二次电池中的一个的过放电的情况下，当检测到该多个二次电池中的另一个的过充电时，有必要切断充电/放电保护电路的充电控制FET。
但是，为切断充电控制FET，甚至在检测到该多个二次电池中的一个的过放电的情况下，有必要识别该多个二次电池中的另外一个的过充电的检测。为实现这样的识别，有必要保持包括其检测电路的充电/放电保护电路一定程度上运行。
但是，为保持充电/放电保护电路运行，甚至在检测到过放电之后，有必要维持备用电流在充电/放电保护电路中流动。该必要性造成不期望的恒定功耗。此外，检测到过放电之后的备用电流的流动使得二次电池退化。
发明内容
本发明的总体目标在于提供实质上消除相关技术的限制和不足所造成的一个或多个问题的充电/放电保护电路、电池组、和电子设备。
下面描述本发明的特征和优势，并且这些特征和优势将部分地从该描述和附图变得清楚，或者可根据在该描述中所提供的教导通过本发明实践获知。本发明的目标以及其它特征和优势可通过在说明书中以完整、清楚、简洁、和准确的术语特别指出以使得本领域技术人员能够实践本发明的充电/放电保护电路、电池组、和电子设备实现和获得。
为实现如在此所体现并广泛描述的这些及其它优势，并根据本发明的目的，本发明的实施例提供了一种充电/放电保护电路，其通过检测过充电、过放电、和过电流，并根据该检测结果接通/切断放电控制FET或者充电控制FET，来保护多个串联的二次电池免于过充电、过放电、和过电流，该充电/放电保护电路包括过充电保护电路，该过充电保护电路配置为确定与过充电相对应的检测结果的优先次序，在充电器连接至充电/放电保护电路的情况下切断充电控制FET。
另外，本发明的另一实施例提供了一种充电/放电保护电路，其通过检测过充电、过放电和过电流，并根据该检测结果接通/切断放电控制FET或者充电控制FET，来保护多个串联的二次电池免于过充电、过放电、和过电流，该充电/放电保护电路包括过充电保护电路，该过充电保护电路配置为确定与过充电相对应的检测结果的优先次序，在当检测到二次电池中的一个的过放电时，检测到二次电池中的另一个的过充电的情况下，甚至当二次电池中的该一个的电压不高于过放电检测电压时，接通放电控制FET并切断充电控制FET。
另外，本发明的另一个实施例提供了一种充电/放电保护电路，其通过检测过充电、过放电、和过电流，并根据该检测结果接通/切断放电控制FET或者充电控制FET，来保护多个串联的二次电池免于过充电、过放电、和过电流，该充电/放电保护电路包括过充电保护电路，该过充电保护电路配置为确定与过充电相对应的检测结果的优先次序，通过在检测到该多个二次电池中的一个的过充电的情况下切断充电控制FET，来防止该多个二次电池中的该一个的过电流。
另外，本发明的另一个实施例提供了一种包括根据本发明实施例的充电/放电保护电路的电池组。
此外，本发明的另一个实施例提供了包括根据本发明实施例的电池组的电子设备、移动电话、便携式游戏设备、数字照相机、便携式音频设备。
附图说明
图1为描述根据本发明实施例的充电/放电保护电路的示意图；
图2为描述根据本发明实施例的过充电保护电路的示意图；
图3为描述根据相关技术示例的充电/放电保护电路的示意图。
具体实施方式
基于附图所示的实施例详细描述本发明。
图1为描述根据本发明实施例的充电/放电保护电路5的示意图。根据本发明实施例的充电/放电保护电路5设置在电池组10中。根据本发明实施例的电池组10安装在电子设备500中。该电子设备500例如为移动电话、便携式游戏设备、数字照相机、或者便携式音频设备。
如图1所示，作为电池组10的主要部分的充电/放电保护电路(半导体装置)5包括过充电保护电路11(专用于电池单元1)、另一过充电保护电路13(专用于电池单元2)、过放电检测电路12(专用于电池单元1)、另一过放电检测电路14(专用于电池单元2)、放电过电流检测电路15、充电过电流检测电路16、振荡电路17、计数器电路18、逻辑电路19、另一逻辑电路23、电平偏移电路20、短路检测电路21、延迟电路22、延迟时间缩减电路24、过充电保护电路25、和备用电路26。另外，在图1中，附图标记3表示充电器，附图标记100表示充电控制FET，而附图标记200表示放电控制FET。与图3所示出的充电/放电保护电路1005之间的一些不同在于，充电保护电路25被添加至充电/放电保护电路5，以及来自备用电路26的备用信号被输入至充电保护电路25。
在多个串联的二次电池(在此实施例中，电池单元1和2)失去平衡的情况下，即，在检测到一个二次电池的过充电，而检测到另一个二次电池的过放电的情况下，接通放电控制FET 200并切断充电控制FET 100，从而能够防止电流过量流动。另外，因为如果充电控制FET 100和放电控制FET 200二者均被切断，则不能使用充电/放电保护电路5，所以根据本发明此实施例的放电控制FET 100总是被接通。
图2为描述确定过充电检测的优先次序的过充电保护电路的实施例的示意图。
当检测到二次电池1、2中的一个的过放电时，作为从备用电路26输入至图1中过充电保护电路25的内部信号的备用信号A变为低(L)电平，而当该充电/放电保护电路5处于常规模式以及当连接至充电器3时，该备用信号A变为高(H)电平。
作为过充电检测电路11、13的内部信号的过充电检测信号B，当没有检测到过充电时变为低电平，当检测到过充电时变为高电平。
作为过放电检测电路12、14的内部信号的过放电检测信号C，当没有检测到过放电时变为高电平，当检测到过放电时变为低电平。
作为过放电检测电路12、14的内部信号的过放电检测确认信号D，在检测到过放电之后经过过放电的延迟时间后变为高电平，当没有检测到过放电时变为低电平。
(A)<没有检测到过充电、过放电、或者过电流>
在没有检测到过充电、过放电、或者过电流的情况下，充电控制FET 100和放电控制FET 200二者均被接通。因为没有检测到过放电，所以备用信号A变为高电平。
过充电检测信号B因为没有检测到过充电而变为低电平，高电平信号从NAND电路M1输出。因为高电平信号从NAND电路M1输入至逆变器电路M2，所以逆变器电路M2输出低电平信号。
过放电检测信号C因为没有检测到过放电而变为高电平。从逆变器电路M2输出的低电平信号和高电平过放电检测信号C被输入至NOR电路M3。在这种情况下，从NOR电路M3输出低电平信号。
过放电检测确认信号D在没有检测到过放电的情况下变为低电平。从NOR电路M3输出的低电平信号和低电平过放电检测确认信号D被输入至XNOR电路M4。在这种情况下，从XNOR电路M4输出高电平信号。因为高电平信号从XNOR电路M4输出，所以计数器E保持不工作。
(B)<检测到一个电池单元的过放电而另一个电池单元的电压不低于过放电检测电压但是不高于过充电检测电压>
在检测到多个串联的二次电池(在此实施例中，两个二次电池)的一个电池单元1的过放电而另一个电池单元2的电压不低于过放电检测电压但是不高于过充电检测电压(过放电恢复电压)的情况下，备用信号A变为低电平。
过充电检测信号B因为没有检测到过充电而变为低电平。因此，低电平备用信号A和低电平过充电检测信号B被输入至NAND电路M1，使得NAND电路M1输出高电平信号。因为高电平信号被输入至逆变器电路M2，因此逆变器电路M2输出低电平信号。
尽管在所有二次电池的电压都不高于过充电检测电压但是不低于过放电检测电压的情况下，过放电检测信号C变为高电平，但是过放电检测信号C在任意一个二次电池的电压均不高于过充电检测电压的情况下变为低电平。从逆变器电路M2输出的低电平信号和低电平过放电检测信号C被输入至NOR电路M3。在这种情况下，从NOR电路M3输出高电平信号。
当计数器E工作并且在检测到过放电之后经过延迟时间时，过放电检测确认信号D被配置为变为高电平。因此，从NOR电路M3输出的高电平信号和低电平过放电检测确认信号D被输入至XNOR电路M4。在这种情况下，从XNOR电路M4输出低电平信号。从XNOR电路M4输出的低电平信号使得计数器E工作。当检测到过放电时计数器E被配置为测量预定的延迟时间。在经过预定的延迟时间后，过放电检测确认信号D变为高电平。
(C)<在充电器连接至充电/放电保护电路的情况下检测到一个电池单元的过放电并且检测到另一个电池单元的过充电>
当在充电器3连接至充电/放电保护电路5的情况下检测到一个电池单元1的过放电同时检测到另一个电池单元2的过充电时，由于连接至充电/放电保护电路5的充电器3，备用信号A变为高电平。
当检测到另一个电池单元2的过充电时，过充电检测信号B变为高电平。因此，高电平备用信号B和高电平过充电检测信号B输入至NAND电路M1。在这种情况下，低电平信号从NAND电路M1输出并被输入至逆变器电路M2。从而，高电平信号从逆变器电路M2输出。
当检测到一个电池单元1的过放电时，过放电检测信号C变为低电平。因此，低电平过放电检测信号C和从逆变器电路M2输出的高电平信号被输入至NOR电路M3。在这种情况下，低电平信号从NOR电路M3输出。
因为检测到电池单元1的过放电，因此过放电检测确认信号D变为高电平。因此，从NOR电路M3输出的低电平信号和高电平过放电检测确认信号D被输入至XNOR电路M4。在这种情况下，低电平信号从XNOR电路M4输出。从XNOR电路M4输出的低电平信号启动计数器E，从而强制接通放电控制FET 200并切断充电控制FET 100(因为检测到了过充电)。因此，充电/放电保护电路5进入充电限制模式。
(D)<在通过从充电/放电保护电路断开充电器而检测到另一个电池单元的过放电之前，检测到一个电池单元的过充电>
当在通过从充电/放电保护电路5断开充电器3而检测到另一个电池单元2的过放电之前检测到一个电池单元1的过充电时，首先，由于检测到电池单元1的过充电，过充电检测信号B变为高电平，而因为在该阶段未检测到过放电，备用信号A变为高电平。因此，NAND电路M1输出低电平信号。因为从NAND电路M1输出的低电平信号被输入至逆变器电路M2，所以逆变器电路M2输出高电平信号。
在检测到另一个电池单元2的过放电的情况下，过放电检测信号C变为低电平信号，而在尚未检测到另一个电池单元2的过放电的情况下，过放电检测信号C变为高电平信号。因为从逆变器电路M2输出的高电平信号和过放电检测信号C被输入至NOR电路M3，因此当在检测到另一个电池单元2的过放电之前检测到一个电池单元1的过充电时，切断充电控制FET 100，从而能够维持过充电状态，并能够防止过度的电流。
过充电保护电路25的上述配置能够应用于现有的电路并能既减小电路尺寸又减小芯片面积。需要注意的是，图2中所描述的过充电保护电路25的配置仅仅是本发明的一个实施例。可采用逻辑上等同于图2中所描述的过充电保护电路25的配置。例如，可以以单个AND电路替换NAND电路M1和逆变器电路M2。
在上述充电/放电保护电路的一个实施例中，因为在多个串联的二次电池失去平衡的情况下，能够切断充电控制FET，所以能够防止充电电流过度流入充电/放电保护电路中。从而，能够防止FET的退化。
在上述充电/放电保护电路的另一个实施例中，因为在多个串联的二次电池失去平衡的情况下，能够接通放电控制FET并能够切断充电控制FET(即，不切断充电控制FET和放电控制FET二者)，所以能够防止充电电流过度流入充电/放电保护电路中。从而，能够防止FET的退化。
在上述充电/放电保护电路的另一个实施例中，因为对于一些逻辑门使用确定与二次电池过充电相对应的检测结果的优先次序的过充电保护电路，因此能够减小芯片面积。从而，能够实现充电/放电保护电路的尺寸减小。
在上述充电/放电保护电路的另一个实施例中，电池组或者包括该电池组的电子设备(例如，移动电话、便携式游戏设备、数字照相机、便携式音频设备)能够获得能够防止过度的充电电流和FET退化的充电/放电保护电路。
另外，本发明不限于这些实施例，而是可进行改变和修改，而不偏离本发明的范围。
本申请基于2007年9月14日向日本专利局提交的日本优先权申请No.2007-238685，其全部内容通过引用合并于此。

Claims (10)

1.一种充电/放电保护电路，通过检测过充电、过放电、和过电流，并根据检测结果来接通/切断放电控制FET或者充电控制FET，来保护多个串联的二次电池免于过充电、过放电、和过电流，该充电/放电保护电路包括：
过充电保护电路，配置为确定与过充电相对应的检测结果的优先次序，在充电器连接至该充电/放电保护电路的情况下，切断该充电控制FET。
2.一种充电/放电保护电路，通过检测过充电、过放电、和过电流，并根据检测结果来接通/切断放电控制FET或者充电控制FET，来保护多个串联的二次电池免于过充电、过放电、和过电流，该充电/放电保护电路包括：
过充电保护电路，配置为确定与过充电的检测结果的优先次序，在当检测到二次电池中的一个的过放电时，检测到二次电池中的另一个的过充电的情况下，甚至当二次电池中的该一个的电压不高于过放电检测电压时，接通放电控制FET并切断充电控制FET。
3.一种充电/放电保护电路，通过检测过充电、过放电、和过电流，并根据检测结果来接通/切断放电控制FET或者充电控制FET，来保护多个串联的二次电池免于过充电、过放电、和过电流，该充电/放电保护电路包括：
过充电保护电路，配置为确定与过充电相对应的检测结果的优先次序，以及通过在检测到该多个二次电池中的一个的过充电的情况下切断充电控制FET，来防止该多个二次电池中的该一个的过电流。
4.根据权利要求1所述的充电/放电保护电路，其中，该过充电保护电路包括：
NAND电路，用于接收备用信号和过充电检测信号，该备用信号当检测到过放电时变为低电平，当充电/放电保护电路处于常规模式时以及当充电器连接至充电/放电保护电路时变为高电平，该过充电检测信号当没有检测到过充电时变为低电平，当检测到过充电时变为高电平；
逆变器电路，用于从该NAND电路接收输出信号；
NOR电路，用于接收来自该逆变器电路的输出信号、及过放电检测信号，该过放电检测信号当未检测到过放电时变为高电平而当检测到过放电时变为低电平；以及
XNOR电路，用于接收来自NOR电路的输出信号、及过放电检测确认信号，该过放电检测确认信号当在检测到过放电之后经过延迟时间时变为高电平而当未检测到过放电时变为低电平。
5.一种电池组，包括：
如权利要求1所述的充电/放电保护电路。
6.一种电子设备，包括：
如权利要求5所述的电池组。
7.一种移动电话，包括：
如权利要求5所述的电池组。
8.一种便携式游戏设备，包括：
如权利要求5所述的电池组。
9.一种数字照相机，包括：
如权利要求5所述的电池组。
10.一种便携式音频设备，包括：
如权利要求5所述的电池组。
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