CN101807790A - 电池保护电路装置 - Google Patents

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Abstract

为了在串联多个二次电池的电池保护电路装置中通过缩小面积达成低成本化，在串联多个二次电池的电池保护电路装置中，将基准电压电路、电压检测电路的电源端子连接到被检测二次电池的正极，并将接地端子连接到被检测二次电池的负极，使构成所述电路的元件的耐压低于全体电池的电压。

Description

电池保护电路装置
技术领域
本发明涉及用于防止电池的过充电及过放电的电池保护电路装置。
背景技术
如锂离子二次电池那样的二次电池需要电池保护电路装置，以防止过放电状态、过充电状态。在串联多个二次电池的电池中，仅检测全体电压时，由于每个二次电池的特性偏差，会发生某个二次电池达到过充电状态、过放电状态的危险。因此，检测每个二次电池的电压，以达到构成电池的二次电池没有一个是过放电状态、过充电状态。(例如，参照专利文献1的图3)。
专利文献1：日本特许3291530号公报
发明内容
串联多个如锂离子二次电池那样的二次电池的电池，电压随二次电池的个数上升。因此，需要提高构成电池保护电路装置的元件的耐压，以使元件在被施加上述电压时不会损坏。通常，半导体元件若提高耐压，则元件、元件分离区域的尺寸会变大。
因而，串联多个二次电池的电池保护电路装置，不仅因电池个数的增多而电路增大，而且构成该电路的每个半导体元件的尺寸也变大，从而使保护电路装置的整体尺寸变大。
至今，虽有许多有关串联多个二次电池的电池保护电路的专利申请，但对于构成该电路的半导体元件的耐压做明确叙述的几乎没有。例如，在专利文献1的图3中所示电路中，没有记述阱的电位设在哪里，该元件的耐压是什么程度。由附图可以推断的是，G2、G3的“或非”门一样，由此COMP1～4的比较电路设在整个保护电路的接地和电源之间。即，有可能被施加串联的全体电压，元件的耐压需要成为串联的全体电压份量。如此例，与所述的二次电池为1个的场合相比，需要2倍的耐压，因此为了满足该耐压，元件尺寸会变大。
此例中，二次电池为2个，因此止于2倍，若串联10个则需要10倍的耐压。即，串联的二次电池的个数越多，所需的耐压就越大，元件尺寸变得更大。因而，电池的保护电路装置变得更大。
此外，半导体元件通常因制造时的工艺偏差，其特性有偏差。因此，通常配有修正(trimming)电路。此偏差一般随耐压升高而增大，因此耐压越高，需修正的范围越广，修正电路增大，电池保护电路装置的面积变大。
而且，若元件特性的偏差大，则温度变化时的检测电压会有更大的偏置。这导致检测电压的精度降低。如此，元件特性的偏差大，各种特性的精度就降低。若配备校正这些的电路，保护电路装置的面积就变大。
如以上，串联多个二次电池的电池保护电路装置的面积变大。对于半导体装置而言，面积的增大直接与成本增大相连。因而，存在不能低价提供电池保护电路装置的课题。
为了解决上述课题，本发明的电池保护电路装置采用以下手段。
一种电池保护电路装置，串联了多个可作充电和放电的二次电池，其特征在于，用基准电压检测各二次电池的电压，发生此基准电压的各基准电压电路中，电源端子与各被检测二次电池的正极连接，而接地端子与各被检测二次电池的负极连接，构成所述基准电压电路的元件的耐压高于1个二次电池的电压，且低于全体电池的电压。
一种电池保护电路装置，检测出各二次电池的电压，且与基准电压作比较，其特征在于，探测所述二次电池的过充电状态、过放电状态，此各电压检测电路的电源端子与各被检测二次电池的正极连接，而接地端子与各被检测二次电池的负极连接，构成所述电压检测电路的元件的耐压高于1个二次电池的电压，且低于全体电池的电压。
一种电池保护电路装置，其特征在于，检测出各二次电池的电压，且与基准电压作比较，从而电压检测电路探测所述二次电池的过充电状态、过放电状态，向电平移位电路输入来自该电压检测电路的输出，并将来自电平移位电路的输出输入到控制电路，该控制电路以降低电源电压或调高接地电平，使动作电压带变窄，在这样的电路构成中，所述基准电压电路、电压检测电路的电源端子与各被检测二次电池的正极，而接地端子与各被检测二次电池的负极连接，构成所述基准电压电路、电压检测电路的元件的耐压高于1个二次电池的电压，且低于全体电池的电压。
一种电池保护电路装置，其特征在于，至少在连接各二次电池的电压检测用端子的各端子之间，及串联连接的二次电池的最高电位的端子和最低电位的端子之间具有ESD保护元件，前者的各电压检测用端子间的ESD保护元件的耐压高于1个二次电池的电压，且低于全体电池的电压，后者的ESD保护元件的耐压高于全体电池的电压。
一种电池保护电路装置，其特征在于，基准电压电路、电压检测电路的电源端子、接地端子连接在包含被检测二次电池的多个串联连接的二次电池的两端，构成所述电路的元件的耐压低于全体电池的电压。
(发明效果)
根据本发明，在串联连接许多二次电池的电池保护电路中，构成基准电压电路、电压检测电路、控制电路的元件的必要耐压可以是1个二次电池份量的电压。此外，串联许多二次电池的电池保护电路中，与用于检测二次电池的电压的端子连接的ESD保护元件的必要耐压也可以为1个二次电池份量的电压。如此，即使二次电池的个数增多，必要的耐压也不会增大，与传统技术相比能够减小上述元件的尺寸。
此外，若元件的耐压降低，可以比耐压高的场合减小元件的偏差。这与修正电路的缩小有关。
此外，元件的偏差变小，能得到随温度变化的检测电压的偏置也变小等精度改善的效果，因此就不需这类用于校正的电路。
如上所述，根据本发明，在串联连接许多二次电池的电池保护电路中，也可以使构成上述电路的元件的耐压与1个二次电池份量时相同，因此与传统技术相比可减小电池保护电路装置。即，可以解决所述课题。
附图说明
图1是串联连接4个二次电池的电池中，实施本发明的最佳方式的电池保护电路装置的示意图。
图2是基准电压电路的示意图。
图3是二次电池A2的电压检测电路的示意图。
图4是二次电池A2的电压检测电路的传统例的示意图。
图5是修正电路的示意图。
具体实施方式
根据图1，说明串联连接4个二次电池的电池保护电路装置的场合。将与二次电池A1～A4的各个二次电池连接的电池保护电路装置的电压检测用端子定为V0～V4。V0为最下级且设为Vss，V4为最上级且设为Vdd。此外，Vdd与电池的正极端子108同电位，Vss与负极端子109同电位。
V0～V1、V1～V2、V2～V3、V3～V4的各端子间，配置电压检测用端子间ESD保护元件102、基准电压电路103及电压检测电路104。此外，Vdd～Vss间配置Vdd～Vss间ESD保护元件101。降压电路107以Vdd为基准，做新的接地线Vss2。基于基准电压，用电压检测电路104检测各二次电池的电压，将其结果送到电平移位电路105，电平移位电路将信号变换为Vdd～Vss2的电压振幅，送到控制电路106。控制电路106在Vdd～Vss2的电压范围动作。
图2示出基准电压电路103的一例。如此，通过串联连接恒流用耗尽型N沟道晶体管111和N沟道晶体管112，可以得到以接地端子为基准的基准电压。
该电路的电源端子连接到被检测二次电池的正极，而接地端子连接到被检测二次电池的负极。如图1所示，基准电压电路103并到二次电池串联连接，因此用于检测二次电池A1的基准电压电路的电源端子与上一级的用于检测二次电池A2的基准电压电路的接地端子共同。如此，下级的电源端子与上一级的接地端子共同。
接下来，图3示出二次电池A2的电压检测电路的一例。在此选择A2无特殊意义，仅仅为了使说明易懂。此电路为比较V1～V2间配置的电阻R1、R2、R3分割的电压与所述基准电压，根据V1～V2间的电位差，即电池A2的电压比某值大还是小，来使输出反相的电路，一般称之为比较电路。在此，因其作用称之为电压检测电路。
该电路包括：用于使电流折回的P沟道晶体管113、为了控制比较电路中所流的电流而使Ibias成为Gate电位的N沟道晶体管114、以及接受做比较的2个输入信号的N沟道晶体管115。
该电路的电源端子连接到被检测二次电池A2的正极即V2，接地端子连接到被检测二次电池A2的负极即V1。如图1所示，电压检测电路104并到二次电池串联连接，用于检测二次电池A2的电压检测电路的电源端子，与检测上一级的二次电池A3的电压检测电路的接地端子共同。如此，下级的电源端子与上一级的接地端子共同。
以上，在此说明的是V1～V2间的基准电压电路及电压检测电路，但图2的电路为产生基准电压的电路的一例，图3的电路为与基准电压进行比较而检测二次电池的电压的电路的一例，并不局限于此电路。
接着说明降压电路。图1中示出使用N型晶片(Wafer)，以N阱为共同电位，使N阱成为Vdd电位的场合。此时，降压电路输出以Vdd为基准，例如Vss2＝Vdd-3V的Vss2电平。控制电路在由该降压电路缩窄的Vss2～Vdd的电压范围动作。虽然此处以Vdd为基准，但以Vss为基准也可以。
来自各电压检测电路的输出信号，因上述的电路结构而成为各自不同的振幅电压，如V0～V1间为Lo＝V0、Hi＝V1；V1～V2间为Lo＝V1、Hi＝V2。因此，用电平移位电路整形为具有Vss2～Vdd间的振幅电压的信号后输入到控制电路106。
在上述结构的情况下，各电压检测用端子间的ESD保护元件102、基准电压电路103、电压检测电路104、控制电路106可由具有1个二次电池份量的耐压的元件形成。以往串联4个二次电池的场合，需要具有4个二次电池份量，即，4倍耐压的元件。在传统技术的场合，若串联连接的二次电池的个数增多，相应地元件所需的耐压上升。与之相比，本发明的场合，构成上述电路的元件的所需耐压，不管串联连接多少二次电池，都是1个二次电池份量的电压。
因而，根据本发明，由于可将构成上述电路的元件的耐压抑制得较低，可以减小元件尺寸。减小元件尺寸，等效于电池保护电路装置整体尺寸小，因此可减低成本。即，可以解决上述课题。
在此说明电池电压不变，但元件的所需耐压可以下降的原因。在以往的电路结构的场合，半导体衬底上所设的阱和各元件的漏极间施加的电压最大为电池电压。在本发明的场合，由于使构成各端子间的电路的元件的阱电位成为各端子间的电位，阱和各元件的漏极间施加的电压最大也是1个二次电池份量，取而代之，电压会施加到阱与衬底之间。这种场合，在1个阱中装入多个元件，只要每个阱确保电源电压份量的耐压即可，因此与传统的按每个元件确保电源电压份量的耐压的场合相比，可以缩小面积。
锂离子二次电池的场合，往往使用N型衬底，关于这种情况根据图4进行说明。图4是二次电池A2的电压检测电路的传统例。在传统技术的场合，由于形成P沟道晶体管的N阱与衬底极性相同，一般使P沟道晶体管的N阱的电位成为Vdd。因此，例如施加到A1的电池的电压检测电路的电压最大的情况下与电源电压相等，元件的耐压只需要为电源电压份量。
图4中示出将形成N沟道的P阱的电位取为Vss的场合，但P阱可以从N型衬底电性分离，因此如图3那样取V1也可。取V1的场合，该电压检测电路的2个电源端子成为Vdd，接地端子成为V1，来自电压检测电路的输出电压在Vdd～V1的范围，因此需要电平移位电路。另一方面，在图4的场合，电压检测电路的电源端子成为Vdd，接地端子成为Vss，来自电压检测电路的输出电压在Vdd～Vss的范围，因此不需要电平移位电路。
此外，利用P型埋入层或者绝缘层等，使形成P沟道晶体管的N阱与衬底分离，从而也能实现所述的电路结构。在这种情况下，与传统技术相比，需要新的用于使N阱～N型衬底电性分离的区域，这点会使面积增大，却能得到面积缩小的更佳效果。
图3的电阻R1～R3，在功能上如图3就可以，但实际上由于工艺差异导致元件特性有偏差，成为如图5那样的包含修正电路。这由电阻117和与之并联配置的保险丝116构成。若元件特性有偏差，则或者基准电压上出现偏差，或者在比较电路的2输入间产生偏置电压。修正电路具有这样的功能：即使有这样的偏差，也能通过切断或不切断保险丝116来调整电阻R1～R3所产生的电压的分割比，使电池保护电路装置的过充电电压、过放电电压保持一定。
一般低耐压的元件具有伴随工艺变动的元件特性的偏差小于高耐压的元件倾向。元件特性的偏差越小，需对应的电阻的分割比的范围就越窄，因此所需的电阻和保险丝变少。因而，根据本发明，修正电路也能做小。
在此叙述的修正电路由电阻和保险丝组成，但并不受此限定。修正电路有多种方式，如用存储元件代替保险丝等，不管是哪种，只要需对应的电阻的分割比变窄，就能减小修正电路，因此可以得到同样的效果。
此外，因着元件特性的偏差变小，得到不仅不需要上述修正电路，而且也不需要各种校正电路，或者提高电压检测精度等的效果。
接着说明ESD保护元件。如图1所示，在Vdd～Vss间加入Vdd～Vss间ESD保护元件101。此外，V0～V4各个之间加入电压检测用端子间ESD保护元件102。这类ESD保护元件一般使用二极管或常闭(normally off)的N型晶体管。
Vdd～Vss间ESD保护元件101的耐压必须是全体电池的电压以上，但电压检测用端子间ESD保护元件102的耐压只要在1个二次电池份量以上即可。此外，因必须保护内部电路，有必要比内部电路早击穿。此处说明的保护元件的耐压是指，用二极管形成保护元件的情况下为其反方向击穿耐压。
例如，当1个二次电池的电压为4V时，构成基准电压电路、电压检测电路的元件的耐压必需在4V以上，将元件的耐压设为6V的场合，电压检测用端子间ESD保护元件的耐压必须在4V和6V之间。
在传统技术的场合，如上所述恒压电路、电压检测电路的2个电源线没有连接在被检测二次电池的两端，而一个或两个连接在Vdd或者Vss，因此为了保护内部电路，有必要将ESD保护元件配置在用于电压检测的各端子～Vdd和各端子～Vss之间。或者，有必要配置在各端子和Vdd或Vss的一方之间，及Vdd～Vss之间。此时，ESD保护元件的耐压需要在它们之间的二次电池的电压以上。因而，根据本发明，可将ESD保护元件的耐压抑制得较低，从而可以减小ESD保护元件的尺寸。
电池保护电路装置，一般除了所述电路外，还有对充电或放电进行导通/截止、或者检测过电流的电路或输入/输出端子。此外，这些以外也有用于实现各种功能的电路，但本发明对这些无任何特征，故省略说明。此外，虽然图1中串联连接了4个二次电池，但不局限于这个数。无论串联连接多少个，本发明也都能适用。
实施例1
串联连接多个二次电池的电池保护电路装置中，如图1所示，将基准电压电路分别配置在串联连接的各二次电池间，此基准电压电路产生基准电压，用以检测各二次电池各自的电压。
根据图2，就这种基准电压电路的一个例子进行说明。图2为用于检测电池A2的电压的基准电压电路。其它的用于检测电池的基准电压电路也相同，因此在这里A2无特殊含义，是单纯的一个例子。如图2那样，通过串联连接恒流用耗尽型N沟道晶体管111和N沟道晶体管112，能得到以V1为基准的基准电压。
将该电路的2个电源线的高电压侧连接到被检测二次电池A2的正极即V2，低电压侧连接到被检测二次电池A2的负极即V1。在此，被称为电路的电源线的，采用上述结构，从而能够由具有1个二次电池份量的耐压的元件形成基准电压电路。如此，可以抑制构成基准电压电路的元件的所需耐压，使之比传统技术更低，从而可以减小面积。
本发明的重点是将基准电压电路的2个电源线连接在被检测二次电池的两端，基准电压电路的方式除图2以外有多种，但对于该方式没有用意。因而，本发明并不局限于图2的基准电压电路。此外，图1中示出了串联4个电池的情况，而对此数量也无用意。就是串联连接几个二次电池，构成所述基准电压电路的元件所需的耐压也是1个二次电池份量。
实施例2
串联连接多个二次电池的电池保护电路装置中，如图1所示，将电压检测电路分别配置在串联连接的各二次电池间。该电压检测电路检测各二次电池各自的电压，并与基准电压进行比较而探测所述二次电池的过充电状态、过放电状态。
根据图3，说明这种电压检测电路的一例。图3为用于检测电池A2的电压的电压检测电路。其它的检测电池的电压检测电路也同样，因此在这里对A2没有特殊用意，是单纯的一个例子。
图3的电压检测电路是比较V1～V2间配置的电阻R1、R2、R3分割的电压与所述基准电压，根据V1～V2间的电位差，即电池A2的电压比某值大还是小，使输出反相的电路。与一般被称为比较电路的电路是相同的。但在这里随其作用称之为电压检测电路。该电路包括用于使电流折回的P沟道晶体管113、为了控制比较电路中所流的电流而使Ibias成为Gate电位的N沟道晶体管114、以及接受两个比较用输入信号的N沟道晶体管115。将此电路的2个电源线的高电压侧连接到被检测二次电池A2的正极即V2，低电压侧连接到被检测二次电池A2的负极即V1。
比较电路如图3那样搭载2个，且做比较的电压也是由R1～R3分割的不同电压。这是因为用于过充电探测的检测电压和用于过放电探测的检测电压不同所致。
因采用以上结构，电压检测电路可以由1个二次电池份量的耐压的元件形成。如此，与传统技术相比，可以抑制构成这种电压检测电路的元件的必要耐压更低，从而能减小面积。
本发明的重点是将电压检测电路的2个电源线接在被检测二次电池的两端，电压检测电路的方式除图3以外有多种，但对其方式没有用意。因而，本发明并不局限于图3的电压检测电路。而且，图1中示出串联4个电池的情况，而对该数量也没有用意。就是串联连接几个二次电池，构成所述电压检测电路的元件所需耐压也是1个二次电池份量。
实施例3
串联连接多个二次电池的电池保护电路装置中，如图1所示，将ESD保护元件配置在连接了各二次电池的电压检测用端子的各端子之间，及串联连接的二次电池的最高电位Vdd和最低电位Vss之间。
前者的各端子间ESD保护元件102的耐压在一个二次电池份量的电压以上即可，后者的Vdd～Vss间ESD保护元件101的耐压需高于全体电池的电压。此外，由于必须保护内部电路，需要比内部电路早击穿。这种ESD保护元件一般使用二极管或常闭的N型晶体管。此处说明的保护元件的耐压为用二极管形成保护元件时的反向击穿耐压。
在传统技术的场合，如上所述恒压电路、电压检测电路的2个电源线没有接在被检测二次电池的两端，而一方或两方接在Vdd或者Vss，因此为了从ESD中保护该电路，有必要将ESD保护元件配置在用于电压检测的各端子～Vdd和各端子～Vss之间。或者，有必要配置在各端子和Vdd或Vss的一方之间，及Vdd～Vss之间。此时，ESD保护元件的耐压需在它们之间的二次电池的电压以上。因而，根据本发明，可以抑制ESD保护元件的耐压，使之低于传统技术，从而可以减小元件的尺寸。
在此，就有关本发明的端子的ESD保护元件做了叙述。实际的电池保护电路装置还有其它端子，故也有上述以外的ESD保护元件，但与本发明无关，所以省略说明。
实施例4
现在为止的例中，1个被检测二次电池的两端连接了各电路的电源端子和接地端子，然而这种方式的场合，至少需要仅相离串联的二次电池的个数份量的阱。根据二次电池的电压和数量，汇集包含了被检测二次电池的几个电池，在其两端连接各电路的电源端子和接地端子的方式，在面积方面有利。此时，构成电路的元件的必要耐压成为汇集的被检测二次电池的个数份量的电压，因此高于只有1个的场合，但如上所述电位不同的阱的数量减少，因此有时可以减小整体面积。
(符号说明)
101    Vdd～Vss间ESD保护元件
102    电压检测用端子间ESD保护元件
103    基准电压电路
104    电压检测电路
105    电平移位电路
106    控制电路
107    降压电路
108    电池的正极端子
109    电池的负极端子
111    耗尽型N沟道晶体管
112N   N沟道晶体管
113P   P沟道晶体管
114N   N沟道晶体管
115N   N沟道晶体管
116    保险丝
117    电阻
A1、A2、A3、A4    二次电池
V0、V1、V2、V3、V4    电压检测用端子
R1、R2、R3    电阻

Claims (4)

1.一种电池保护电路装置，串联连接了多个可作充电和放电的二次电池，其特征在于：基准电压发生电路发生用于检测各所述二次电池的电压的基准电压，各基准电压电路的电源端子分别与所述二次电池的各正极连接，接地端子分别与所述二次电池的各负极连接，构成所述基准电压电路的元件的耐压高于1个所述二次电池的电压，且低于全体所述电池的电压。
2.一种电池保护电路装置，串联连接了多个可作充电和放电的二次电池，其特征在于：电压检测电路检测各所述二次电池的电压，并与基准电压进行比较，从而探测所述二次电池的过充电状态、过放电状态，各电压检测电路的电源端子分别与所述二次电池的各正极连接，接地端子接分别与所述二次电池的各负极连接，构成所述电压检测电路的元件的耐压高于1个所述二次电池的电压，且低于全体所述电池的电压。
3.一种电池保护电路装置，串联连接了多个可作充电和放电的二次电池，其特征在于，电压检测电路检测各所述二次电池的电压，并与基准电压电路所产生的基准电压进行比较，从而探测所述二次电池的过充电状态、过放电状态，向电平移位电路输入来自各电压检测电路输出，并将来自所述电平移位电路的输出输入到控制电路，该控制电路通过降低电源电压或使接地电平升压来使动作电压带变窄，在具有这种电路结构的电池保护电路装置中，所述基准电压电路和所述电压检测电路的各电源端子连接在所述二次电池的各正极，各接地端子分别连接在所述二次电池的各负极，构成所述基准电压电路和所述电压检测电路的元件的耐压高于1个二次电池的电压，且低于全体电池的电压。
4.一种电池保护电路装置，串联连接了多个可作充电和放电的二次电池，其特征在于：至少在连接所述二次电池的电压检测用端子的端子之间有第一ESD保护元件，串联连接的所述二次电池的最高电位的端子和最低电位的端子之间有第二ESD保护元件，所述第一ESD保护元件的耐压高于1个所述二次电池的电压，且低于全体电池的电压，所述第二ESD保护元件的耐压高于全体电池的电压。
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