CN101872962A - 保护电池用的开关嵌入式集成电路和方法 - Google Patents

Abstract

一种保护电池用的开关嵌入式集成电路，包括：一MOS晶体管，连接在所述开关嵌入式集成电路的第一接脚和第二接脚之间，设有一基底二极管，所述第一接脚供连接电池的一端，所述第二接脚供连接负载或充电器；一第一开关，连接至所述基底二极管的阳极，受控将所述基底二极管的阳极连接至所述第一接脚或第二接脚；一第二开关，连接至所述基底二极管的阴极，受控将所述基底二极管的阴极连接至所述第一接脚或第二接脚；一控制逻辑电路，连接所述MOS晶体管、第一开关和第二开关，根据检测信号控制所述MOS晶体管、第一开关和第二开关；一检测电路，连接所述控制逻辑电路、所述第一接脚以及所述开关嵌入式集成电路的第三接脚。

Description

保护电池用的开关嵌入式集成电路和方法

技术领域

本发明涉及一种集成电路，具体地说，是一种保护电池用的开关嵌入式集成电路及方法。

背景技术

在使用电池的电源供应器(battery-based power supply)中，通常包括保护电路检测电池，从而避免在电池的充放电期间出现不安全的状况，例如，过充(over charging)、过放(over discharging)及过电流(over current)状况。图1为传统应用在可携式电子装置的电池封装10，其包括电池12、MOS晶体管M1和M2以及保护电路14。MOS晶体管M1和M2各具有一基底二极管(body diode)D1和D2，而且MOS晶体管M1和M2以背对背方式排列。保护电路14检测电池12的电压并据以控制MOS晶体管的开关，进而控制流进和流出电池封装10的电流。电阻16和电流源18分别为负载和充电器，在充电操作下，由电流源18提供充电电流对电池12充电，在放电操作下，电池提供放电电流给电阻16。

在正常的充电或放电操作下，MOS晶体管M1和M2都打开(turn on)，因此充电电流的路径跟放电电流的路径一样都通过MOS晶体管M1和M2，由于MOS晶体管M1和M2上的压降很小，因此基底二极管D1和D2都不导通。当保护电路14检测到电池12发生充电事件时，MOS晶体管M1关闭(turn off)而MOS晶体管M2打开，此时充电电流被基底二极管D1阻挡，只有放电电流可以通过。当保护电路14检测到电池12发生放电事件时，MOS晶体管M1打开而MOS晶体管M2关闭，此时放电电流被基底二极管D2阻挡，只有充电电流可以通过。

然而，传统的方法需要使用二个MOS晶体管M1和M2，这将使得成本和晶粒(die)的面积增加。此外，当放电电流或充电电流通过基底二极管D1或D2时，将造成过热情况和功率损失。

因此已知的电池保护电路存在着上述种种不便和问题。

发明内容

本发明的目的，在于提出一种降低成本、减少晶粒面积、避免过热和减少功率损失的保护电池用的开关嵌入式集成电路及方法。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种保护电池用的开关嵌入式集成电路，其特征在于包括：

一MOS晶体管，连接在所述开关嵌入式集成电路的第一接脚和第二接脚之间，设有一基底二极管，所述第一接脚供连接电池的一端，所述第二接脚供连接负载或充电器；

一第一开关，连接至所述基底二极管的阳极，受控将所述基底二极管的阳极连接至所述第一接脚或第二接脚；

一第二开关，连接至所述基底二极管的阴极，受控将所述基底二极管的阴极连接至所述第一接脚或第二接脚；

一控制逻辑电路，连接所述MOS晶体管、第一开关和第二开关，根据检测信号控制所述MOS晶体管、第一开关和第二开关；

一检测电路，连接所述控制逻辑电路、所述第一接脚以及所述开关嵌入式集成电路的第三接脚，监视所述第一接脚和第三接脚之间的电压而决定所述检测信号，所述第三接脚连接所述电池的另一端。

本发明的开关嵌入式集成电路还可以采用以下的技术措施来进一步实现。

前述的开关嵌入式集成电路，其中所述检测电路在检测到过充电事件时，触发所述检测信号使所述控制逻辑电路关闭所述MOS晶体管并切换所述第一和第二开关，因而使所述基底二极管阻挡充电电流并允许放电电流。

前述的开关嵌入式集成电路，其中所述基底二极管的阳极和阴极分别连接至所述第二接脚和所述第一接脚。

前述的开关嵌入式集成电路，其中更包括一比较器连接所述控制逻辑电路，比较所述第二接脚上的电压和临界值，在所述第二接脚上的电压大于所述临界值时，提供比较信号至所述控制逻辑电路以打开所述MOS晶体管。

前述的开关嵌入式集成电路，其中所述基底二极管的阳极和阴极分别连接至所述第一接脚和所述第二接脚。

前述的开关嵌入式集成电路，其中更包括一比较器连接所述控制逻辑电路，比较所述第二接脚上的电压和临界值，在所述第二接脚上的电压低于所述临界值时，提供比较信号至所述控制逻辑电路以打开所述MOS晶体管。

前述的开关嵌入式集成电路，其中所述检测电路在检测到过放电事件时，触发所述检测信号使所述控制逻辑电路关闭所述MOS晶体管并切换所述第一和第二开关，因而使所述基底二极管阻挡放电电流并允许充电电流。

前述的开关嵌入式集成电路，其中所述基底二极管的阳极和阴极分别连接至所述第一接脚和所述第二接脚。

前述的开关嵌入式集成电路，其中更包括一比较器连接所述控制逻辑电路，比较所述第二接脚上的电压和临界值，在所述第二接脚上的电压小于所述临界值时，提供比较信号至所述控制逻辑电路以打开所述MOS晶体管。

前述的开关嵌入式集成电路，其中所述基底二极管的阳极和阴极分别连接至所述第二接脚和所述第一接脚。

前述的开关嵌入式集成电路，其中更包括一比较器连接所述控制逻辑电路，比较所述第二接脚上的电压和临界值，在所述第二接脚上的电压大于所述临界值时，提供比较信号至所述控制逻辑电路以打开所述MOS晶体管。

一种保护电池用的方法，其特征在于包括下列步骤：

第一步骤：监视所述电池的电压而决定检测信号；

第二步骤：根据所述检测信号打开或关闭MOS晶体管以及切换所述MOS晶体管的基底二极管的方向，所述MOS晶体管的第一端供连接所述电池，且所述MOS晶体管的第二端供连接负载或充电器。

如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述第二步骤包括在检测到过充电事件时，关闭所述MOS晶体管，并切换所述基底二极管的方向以阻挡充电电流和允许放电电流。

本发明的保护电池用的方法还可以采用以下的技术措施来进一步实现。

前述的方法，其中所述基底二极管的阳极和阴极分别连接至所述MOS晶体管的第二端和第一端。

前述的方法，其中更包括比较所述MOS晶体管第二端上的电压和临界值，在所述MOS晶体管第二端上的电压大于所述临界值时打开所述MOS晶体管。

前述的方法，其中所述基底二极管的阳极和阴极分别连接至所述MOS晶体管的第一端和第二端。

前述的方法，其中更包括比较所述MOS晶体管第二端上的电压和临界值，在所述MOS晶体管第二端上的电压低于所述临界值时打开所述MOS晶体管。

前述的方法，其中所述第二步骤包括在检测到过放电事件时，关闭所述MOS晶体管，并切换所述基底二极管的方向以阻挡放电电流和允许充电电流。

前述的方法，其中所述基底二极管的阳极和阴极分别连接至所述MOS晶体管的第一端和第二端。

前述的方法，其中更包括比较所述MOS晶体管第二端上的电压和临界值，在所述MOS晶体管第二端上的电压小于所述临界值时打开所述MOS晶体管。

前述的方法，其中所述基底二极管的阳极和阴极分别连接至所述MOS晶体管的第二端和第一端。

前述的方法，其中，更包括比较所述MOS晶体管第二端上的电压和临界值，在所述MOS晶体管第二端上的电压大于所述临界值时打开所述MOS晶体管。

采用上述技术方案后，本发明的保护电池用的开关嵌入式集成电路和方法具有以下优点：

1.降低成本，减少晶粒面积。

2.避免过热情况，减少功率损失。

附图说明

图1为已知的可携式电子装置的电池封装示意图；

图2为本发明的保护电池的低位侧开关嵌入式集成电路示意图；

图3为图2中低位侧开关嵌入式集成电路的实施例示意图；

图4为本发明的保护电池的高位侧开关嵌入式集成电路示意图；

图5为图4中高位侧开关嵌入式集成电路的实施例示意图。

组件符号说明

10  电池封装

12  电池

14  电池保护电路

16  电阻

18     电流源

20     开关嵌入式集成电路

2002   检测电路

2004   控制逻辑电路

2006   比较器

2008   比较器

22     电池

24     负载或充电器

30     开关嵌入式集成电路

3002   控制逻辑电路

3004   检测电路

3006   比较器

3008   比较器

32     电池

34     负载或充电器。

具体实施方式

以下结合实施例及其附图对本发明作更进一步说明。

现请参阅图2，图2为本发明的保护电池的低位侧开关嵌入式集成电路示意图。如图所示，所述保护电池的低位侧开关嵌入式集成电路20，其包括三只接脚VDD、GND及VM。电池22连接在接脚VDD及GND之间，负载或充电器24连接在接脚VDD及GND之间。图3为图2中低位侧开关嵌入式集成电路20的实施例示意图，其中MOS晶体管M1连接在接脚GND及VM之间，其具有基底二极管D1，基底二极管D1的阳极经开关S2连接至接脚GND或VM，基底二极管D1的阴极经开关S3连接至接脚GND或VM，藉由切换开关S2及S3可以改变基底二极管D1的方向，检测电路2002连接接脚VDD及GND以监视电池22上的电压来决定检测信号SP，控制逻辑电路2004根据检测信号SP产生控制信号CS_M1、CS_S2及CS_S3分别控制MOS晶体管M1、开关S2及开关S3，比较器2006比较接脚VM上的电压及临界值VB2产生比较信号COMP2给控制逻辑电路2004，比较器2008比较接脚VM上的电压及临界值VB1产生比较信号COMP1给控制逻辑电路2004。由于只使用单个MOS晶体管M1控制电池22的充放电，因此能降低成本及减少晶粒面积，而且保护电路及MOS晶体管M1整合在同一集成电路20中，故能简化电路板上的电路，如图2所示。

在正常充电或放电操作时，MOS晶体管M1全开，因此充电电流或放电电流可以经由MOS晶体管M1流进或流出电池22。当检测电路2002检测到过放电事件时，检测电路2002送出检测信号SP给控制逻辑电路2004以关闭MOS晶体管M1，并使基底二极管D1的阳极及阴极分别连接至接脚GND及接脚VM，此时，基底二极管D1阻挡放电电流，只允许充电电流通过，因而达成过放电保护功能。在过放电保护期间，若开始对电池22充电，充电电流通过基底二极管D1，因而在基底二极管D1上产生约为0.7V的压降，这将导致基底二极管D1发热及功率消耗，在开始充电一段时间后，接脚VM上的电压小于临界值VB2，比较器2006因而送出比较信号COMP2给控制逻辑电路2004以打开MOS晶体管M1，进而结束过放电保护。由于MOS晶体管M1的跨压远小于0.7V，因此充电电流不再通过基底二极管D1而是通过MOS晶体管M1，故能避免过热情况及减少功率损失。

当检测电路2002检测到过充电事件时，检测电路2002送出检测信号SP给控制逻辑电路2004以关闭MOS晶体管M1，并使基底二极管D1的阳极及阴极分别连接至接脚VM及接脚GND，此时，基底二极管D1阻挡充电电流，只允许放电电流通过，因而达成过充电保护功能。同样，在过充电保护期间，若电池22开始放电，放电电流通过基底二极管D1，因此导致基底二极管D1发热及功率消耗，在开始放电一段时间后，接脚VM上的电压大于临界值VB1，因此比较器2008送出比较信号COMP1给控制逻辑电路2004以打开MOS晶体管M1，进而结束过充电保护。由于MOS晶体管M1的跨压远小于0.7V，因此放电电流不再通过基底二极管D1而是通过MOS晶体管M1，故能避免过热情况及减少功率损失。

图4为用以保护电池的高位侧开关嵌入式集成电路30，其包括三只接脚VDD、GND及VM。电池32连接在接脚VDD及GND之间，负载或充电器34连接在接脚VM及GND之间。图5为图4中高位侧开关嵌入式集成电路30的实施例，其中MOS晶体管M1连接在接脚VDD及VM之间，其具有基底二极管D1，基底二极管D1的阳极经开关S2连接至接脚VDD或VM，基底二极管D1的阴极经开关S3连接至接脚VDD或VM，藉由切换开关S2及S3可以改变基底二极管D1的方向，检测电路3004连接接脚VDD及GND以监视电池32上的电压并决定检测信号SP，控制逻辑电路3002根据检测信号SP产生控制信号CS_M1、CS_S2及CS_S3分别控制MOS晶体管M1、开关S2及开关S3，比较器3006比较接脚VM上的电压及临界值VB1产生比较信号COMP1给控制逻辑电路3002，比较器3008比较接脚VM上的电压及临界值VB2产生比较信号COMP2给控制逻辑电路3002。由于只使用单个MOS晶体管M1控制电池32的充放电，因此能降低成本及减少晶粒面积，而且保护电路及MOS晶体管M1整合在同一集成电路30中，故能简化电路板上的电路，如图4所示。

在正常充电或放电操作时，MOS晶体管M1全开，因此充电电流或放电电流可以经由MOS晶体管M1流进或流出电池32。当检测电路3004检测到过充电事件时，检测电路3004送出检测信号SP给控制逻辑电路3002以关闭MOS晶体管M1，并使基底二极管D1的阳极及阴极分别连接至接脚VDD及接脚VM，此时，基底二极管D1阻挡充电电流，只允许放电电流通过，因而达成过充保护功能。在过充电保护期间，若电池32开始放电，放电电流通过基底二极管D1，因此在基底二极管上产生压降，进而导致基底二极管D1发热及功率消耗，在开始放电一段时间后，接脚VM上的电压小于临界值VB2，因此比较器3008送出比较信号COMP2给控制逻辑电路3002打开MOS晶体管M1以结束过充电保护，在MOS晶体管M1打开后，放电电流不再通过基底二极管D1而是通过MOS晶体管M1，故能避免过热情况及减少功率损失。

当检测电路3004检测到过放电事件时，检测电路3004送出检测信号SP给控制逻辑电路3002以关闭MOS晶体管M1，并使基底二极管D1的阳极及阴极分别连接至接脚VM及接脚VDD，此时，基底二极管D1阻挡放电电流，只允许充电电流通过，因而达成过放保护功能。在过放保护期间，若开始对电池32充电，充电电流通过基底二极管D1，因此导致基底二极管D1发热及功率消耗，在开始充电一段时间后，接脚VM上的电压大于临界值VB1，因此比较器3006送出比较信号COMP1给控制逻辑电路3002打开MOS晶体管M1以结束过放电保护，在MOS晶体管M1打开后，充电电流不再通过基底二极管D1而是通过MOS晶体管M1，进而避免过热情况及减少功率损失。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变化。因此，所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求限定。

Claims (22)

1.一种保护电池用的开关嵌入式集成电路，其特征在于包括：

一MOS晶体管，连接在所述开关嵌入式集成电路的第一接脚和第二接脚之间，设有一基底二极管，所述第一接脚供连接电池的一端，所述第二接脚供连接负载或充电器；

一第一开关，连接至所述基底二极管的阳极，受控将所述基底二极管的阳极连接至所述第一接脚或第二接脚；

一第二开关，连接至所述基底二极管的阴极，受控将所述基底二极管的阴极连接至所述第一接脚或第二接脚；

一控制逻辑电路，连接所述MOS晶体管、第一开关和第二开关，根据检测信号控制所述MOS晶体管、第一开关和第二开关；

一检测电路，连接所述控制逻辑电路、所述第一接脚以及所述开关嵌入式集成电路的第三接脚，监视所述第一接脚和第三接脚之间的电压而决定所述检测信号，所述第三接脚连接所述电池的另一端。

2.如权利要求1所述的开关嵌入式集成电路，其特征在于，所述检测电路在检测到过充电事件时，触发所述检测信号使所述控制逻辑电路关闭所述MOS晶体管并切换所述第一和第二开关，因而使所述基底二极管阻挡充电电流并允许放电电流。

3.如权利要求2所述的开关嵌入式集成电路，其特征在于，所述基底二极管的阳极和阴极分别连接至所述第二接脚和所述第一接脚。

4.如权利要求3所述的开关嵌入式集成电路，其特征在于，更包括一比较器连接所述控制逻辑电路，比较所述第二接脚上的电压和临界值，在所述第二接脚上的电压大于所述临界值时，提供比较信号至所述控制逻辑电路以打开所述MOS晶体管。

5.如权利要求2所述的开关嵌入式集成电路，其特征在于，所述基底二极管的阳极和阴极分别连接至所述第一接脚和所述第二接脚。

6.如权利要求5所述的开关嵌入式集成电路，其特征在于，更包括一比较器连接所述控制逻辑电路，比较所述第二接脚上的电压和临界值，在所述第二接脚上的电压低于所述临界值时，提供比较信号至所述控制逻辑电路以打开所述MOS晶体管。

7.如权利要求1所述的开关嵌入式集成电路，其特征在于，所述检测电路在检测到过放电事件时，触发所述检测信号使所述控制逻辑电路关闭所述MOS晶体管并切换所述第一和第二开关，因而使所述基底二极管阻挡放电电流并允许充电电流。

8.如权利要求7所述的开关嵌入式集成电路，其特征在于，所述基底二极管的阳极和阴极分别连接至所述第一接脚和所述第二接脚。

9.如权利要求8所述的开关嵌入式集成电路，其特征在于，更包括一比较器连接所述控制逻辑电路，比较所述第二接脚上的电压和临界值，在所述第二接脚上的电压小于所述临界值时，提供比较信号至所述控制逻辑电路以打开所述MOS晶体管。

10.如权利要求7所述的开关嵌入式集成电路，其特征在于，所述基底二极管的阳极和阴极分别连接至所述第二接脚和所述第一接脚。

11.如权利要求10所述的开关嵌入式集成电路，其特征在于，更包括一比较器连接所述控制逻辑电路，比较所述第二接脚上的电压和临界值，在所述第二接脚上的电压大于所述临界值时，提供比较信号至所述控制逻辑电路以打开所述MOS晶体管。

12.一种保护电池用的方法，其特征在于包括下列步骤：

第一步骤：监视所述电池的电压而决定检测信号；

第二步骤：根据所述检测信号打开或关闭MOS晶体管以及切换所述MOS晶体管的基底二极管的方向，所述MOS晶体管的第一端供连接所述电池，且所述MOS晶体管的第二端供连接负载或充电器。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述第二步骤包括在检测到过充电事件时，关闭所述MOS晶体管，并切换所述基底二极管的方向以阻挡充电电流和允许放电电流。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述基底二极管的阳极和阴极分别连接至所述MOS晶体管的第二端和第一端。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，更包括比较所述MOS晶体管第二端上的电压和临界值，在所述MOS晶体管第二端上的电压大于所述临界值时打开所述MOS晶体管。

16.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述基底二极管的阳极和阴极分别连接至所述MOS晶体管的第一端和第二端。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，更包括比较所述MOS晶体管第二端上的电压和临界值，在所述MOS晶体管第二端上的电压低于所述临界值时打开所述MOS晶体管。

18.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述第二步骤包括在检测到过放电事件时，关闭所述MOS晶体管，并切换所述基底二极管的方向以阻挡放电电流和允许充电电流。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述基底二极管的阳极和阴极分别连接至所述MOS晶体管的第一端和第二端。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，更包括比较所述MOS晶体管第二端上的电压和临界值，在所述MOS晶体管第二端上的电压小于所述临界值时打开所述MOS晶体管。

21.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述基底二极管的阳极和阴极分别连接至所述MOS晶体管的第二端和第一端。

22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，更包括比较所述MOS晶体管第二端上的电压和临界值，在所述MOS晶体管第二端上的电压大于所述临界值时打开所述MOS晶体管。

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