CN102005734B - 电池保护集成电路及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明揭露了一种电池保护集成电路，所述电池保护集成电路包括：MOS开关管，其一端接电池，另一端接负载或者充电器；与所述MOS开关管集成于同一个晶圆上的保护控制电路，所述保护控制电路根据电池充电或放电情况而产生控制信号控制所述MOS开关管的导通或截止，其中所述MOS开关管的栅极氧化层厚度大于所述保护控制电路中MOSFET器件的栅极氧化层厚度。所述MOS开关管可以是非对称隔离型高压MOS管。本发明采用平面制作工艺集成高压MOSFET管和控制电路等在同一芯片上，减少了成本和节省了芯片面积，同时还可以满足了该应用中对高压耐受能力的需求。
Description
【技术领域】
本发明涉及电池保护领域，特别涉及一种在同一芯片上集成高压保护开关管的电池保护电路。
【背景技术】
由于锂电子电池没有记忆效应，当前逐渐在越来越多的电子系统中替代传统的镍氢电池，成为便携电子设备中的主要电源。但是锂电池存在很多安全性问题。因此，在锂电池系统中都存在复杂的电池保护电路，以确保在各种意外情况下防止发生不安全情形导致电池损坏。
请参考图1，其示出了现有的一种锂电池保护电路系统100。在锂电池102的负极VG与负载或者充电器104的负极VM之间设置有用于保护的串联的充电保护开关MC及放电保护开关MD，通过控制充电保护开关MC的开启或关断可以实现电池的允许充电或禁止充电功能。相应地，通过控制放电保护开关MD的开启或关断可以实现电池的允许放电或禁止放电功能。虚线框内的电路为电池保护电路106，该电池保护电路106包括有异常检测电路108和控制电路110。其中控制电路110根据异常检测电路的检测结果输出控制信号来确定充电保护开关MC的开启或关断和放电保护开关MD的开启或关断。
充电保护开关MC及放电保护开关MD通常采用MOS开关管实现，而且此处采用的MOS开关管应当具有低导通电阻的特性，譬如30~100毫欧姆。这是因为MOS开关管自身的电阻效应会带来一定程度的压降，导通电阻越大压降越大，压降越大就越容易导致锂电池的实际电量还可以使用的情况下，用电设备端的电压不足而过早的自动关机，同时大的导通电阻也会带来更多的功耗和发热。另外一方面，此处采用的MOS开关管还应当具有一定的耐高压性能。这是因为锂电池保护电路在充电时，可能是直接连接在AC-DC转换器上，而AC-DC转换器通常在待机状态下电压飘高，如达到12V。另外，有时锂电池也可能被用户错误地接到一个高压充电器上。所以业界普遍要求电池保护电路的充电端至少具备18V的高压耐受能力，甚至有些厂商的产品要求电池保护电路的充电端至少具备24V的高压耐受能力。
而在实际产品制备过程中，高压MOS开关管的导通电阻要比低压MOS开关管的导通电阻大，直接获得即能耐高压又具有低导通电阻的功率MOSFET管是比较困难的。MOSFET器件制造工艺可以分为垂直制作工艺和平面制作工艺两种，垂直制作工艺制作的MOSFET器件的源极和漏极引出端分别处于硅晶圆的上边和下边，这种工艺的优点在于比平面制作工艺更容易实现低导通电阻的MOSFET器件，但这种工艺的缺点在于流经源极和漏极的沟道电流是上下贯穿整个硅晶圆的，所以垂直制作工艺通常都只用来制造单一器件。如果采用垂直制作工艺来制造芯片，那么当芯片上的功率MOSFET管内部流经较大的沟道电流时，该沟道电流流经其他器件的衬底将在寄生电阻上导致较大的电压差，而引发灾难性的闩锁效应（Latch-up effect）。所以在传统方法中具体到图1所示系统的制造时，在一块芯片上利用平面制作工艺将异常检测电路和控制电路集成在一起形成一个单元，然后采用两个垂直制作工艺的高压MOS管作为充电保护开关MC及放电保护开关MD形成另一个单元，最后将两个单元采用多芯片封装技术封装在一个封装单元内。虽然这样的方案能够达到性能要求，但是采用多芯片封装技术不仅增加了封装复杂度和封装成本，而且最后封装后的成品体积也比较大。
另一方面，平面制作工艺制作的MOSFET器件的源极和漏极引出端都处于硅晶圆的上边，该种工艺有利于在一块芯片上集成多种器件，以达到高集成度、体积小、工艺简单和成本低的优点，具体到图1所示系统的制造时，就是可以将充电保护开关MC及放电保护开关MD、异常检测电路和控制电路都集成在一个芯片上，但是这种工艺的缺点在于异常检测电路和控制电路通常采用低压器件，如果制造时采用同一工艺，那么充电保护开关MC及放电保护开关MD也会被制作成低压器件。虽然低压MOD开关管的导通电阻较小可以满足该应用中对导通电阻的需求，但是满足不了该应用中对高压耐性的需求。尽管一些制造商为了节约成本和减小成品体积采用了这样的方案，但事实上留下了极大的安全隐患。
因此，有必要提出一种新的技术方案来解决上述缺点。
【发明内容】
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
本发明的一个目的在于提供一种新型的电池保护集成电路。
本发明的另一目的在于提供一种新型的电池保护系统。
为了达到本发明的目的，根据本发明的一个方面，本发明提供一种电池保护集成电路，所述电池保护集成电路包括：MOS开关管，其一端接电池，另一端接负载或者充电器；与所述MOS开关管集成于同一个晶圆上的保护控制电路，所述保护控制电路根据电池充电或放电情况而产生控制信号控制所述MOS开关管的导通或截止，其中所述MOS开关管的栅极氧化层厚度大于所述保护控制电路中MOSFET器件的栅极氧化层厚度。
进一步地，所述MOS开关管是非对称隔离型高压MOS管。
进一步地，所述电池保护集成电路还包括衬底控制电路，该衬底控制电路连接于所述MOS开关管的衬底，并根据所述MOS开关管的工作状态自动切换所述MOS开关管的衬底电压。
进一步地，所述MOS开关管包括两个串联的高压MOS管，该两个串联的高压MOS管分别作为充电保护开关和放电保护开关。
进一步地，所述电池保护集成电路还包括升压电路和驱动电路，所述升压电路提供所述驱动电路驱动所述MOS开关管时的高压信号，所述驱动电路接收所述保护控制电路的控制信号后利用所述升压电路提供的高压信号驱动所述MOS开关管。
进一步地，所述升压电路采用电荷泵电路实现。
进一步地，所述电荷泵电路将电池电压倍增至预定高压以提供所述驱动电路所需高压，所述预定高压小于所述MOS开关管的栅极耐压极限值。
进一步地，升压倍率与电池电压呈反比关系。
进一步地，所述电荷泵电路在正常工作时采用第一工作频率工作，在刚启动时采用第二工作频率工作，所述第一工作频率小于第二工作频率。
进一步地，当接收到所述保护控制电路的开启控制信号时，所述驱动电路利用升压电路提供的高压信号来驱动所述MOS开关管，当接收到所述保护控制电路的关断控制信号时，所述驱动电路关断所述MOS开关管。
进一步地，所述保护控制电路包括异常检测电路和控制电路，所述控制电路根据异常检测电路的检测结果输出开启控制信号或者关断控制信号。
进一步地，所述异常检测电路是过电压充电检测电路、过电压放电检测电路、过电流充电检测电路、过电流放电检测电路中的一种或者多种。
根据本发明的另一方面，本发明还提供一种电池保护系统，所述电池保护系统包括锂电池和本发明提供的电池保护集成电路。
与现有技术相比，本发明所能够得到的部分有益目的如下：
1， 本发明采用平面制作工艺集成高压MOSFET管和控制电路等在同一芯片上，减少了成本和节省了芯片面积；
2， 本发明集成的高压MOSFET管是非对称隔离型高压MOS开关管，满足了该应用中对高压耐受能力的需求，同时达到了占用较小芯片面积的优点；
3， 本发明利用电荷泵电路驱动高压MOSFET管的方法，使高压MOSFET管的导通电阻降低而满足该应用中对低导通电阻的要求。
【附图说明】
结合参考附图及接下来的详细描述，本发明将更容易理解，其中同样的附图标记对应同样的结构部件，其中：
图1为现有的一种锂电池保护电路系统；
图2为本发明的一个实施例中的电池保护集成电路的结构示意图；
图3为本发明的一个实施例中的保护开关管的构造剖面图；和
图4为本发明的一个实施例中的电池保护系统的结构示意图。
【具体实施方式】
本发明的详细描述主要通过程序、步骤、逻辑块、过程或其他象征性的描述来直接或间接地模拟本发明技术方案的运作。为透彻的理解本发明，在接下来的描述中陈述了很多特定细节。而在没有这些特定细节时，本发明则可能仍可实现。所属领域内的技术人员使用此处的这些描述和陈述向所属领域内的其他技术人员有效的介绍他们的工作本质。换句话说，为避免混淆本发明的目的，由于熟知的方法、程序、成分和电路已经很容易理解，因此它们并未被详细描述。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。此外，表示一个或多个实施例的方法、流程图或功能框图中的模块顺序并非固定的指代任何特定顺序，也不构成对本发明的限制。
本发明所述电池保护集成电路及系统采用了平面制作工艺将保护开关管、异常检测电路和控制电路等集成在了同一芯片上，并且集成的保护开关管是能够耐受高压的MOS开关管。本发明一方面利用电荷泵电路驱动高压MOS开关管的方式满足了实际应用中对导通电阻的性能要求，另一方面利用非对称隔离型高压MOS开关管满足了实际应用中对高压耐受能力的性能要求，并且还减少了高压MOS开关管占用的芯片面积大小。
为了便于描述本发明，下文将通过不同的实施例从两个角度对本发明所述电池保护集成电路及系统能够同时满足低导通电阻和较高高压耐受能力的技术原理作出详细描述。
请参考图2，其示出了本发明的一个实施例中的电池保护集成电路200的结构示意图。所述电池保护集成电路200包括采用平面制造工艺集成于同一晶圆（芯片）上的MOS开关管203、保护控制电路206、升压电路208和驱动电路210。
MOS开关管203包括充电保护开关202和放电保护开关204。充电保护开关202和放电保护开关204串联后作为该电池保护集成电路200的保护开关管。MOS开关管203的一端与电池220的负极VG相连，另一端与负载或者充电器240的负极VM相连，即充电保护开关202和放电保护开关204串联后接于电池220的负极VG和负载或者充电器240的负极VM之间。当然，可以是充电保护开关202与电池220的负极VG相接，对应地放电保护开关204与负载或者充电器240的负极VM相接；也可以是放电保护开关204与电池220的负极VG相接，对应地充电保护开关202与负载或者充电器240的负极VM相接。通过控制充电保护开关202的开启或关断可以实现电池220的允许充电或禁止充电功能。相应地，通过控制放电保护开关204的开启或关断可以实现电池220的允许放电或禁止放电功能。
保护控制电路206包括异常检测电路和控制电路（均未示出）。其中控制电路根据异常检测电路的检测结果输出控制信号来确定充电保护开关202的开启或关断和放电保护开关204的开启或关断。所述异常检测电路可以是过电压充电检测电路、过电压放电检测电路、过电流充电检测电路、过电流放电检测电路中的一种或者多种。
特别地，所述充电保护开关202和放电保护开关204采用的是高压MOS开关管，即所述充电保护开关202和放电保护开关204的栅极氧化层厚度大于在同一晶圆上的保护控制电路206中MOSFET器件的栅极氧化层厚度，这是为了达到较好的栅极耐高压能力。此时充电保护开关202和放电保护开关204的导通电阻会相应变大，根据一定范围内MOSFET器件的栅极电压越大导通电阻越低的场效应管基本物理特性，所述电池保护集成电路200还可以进一步地通过升压电路208和驱动电路210来达到降低充电保护开关202和放电保护开关204的导通电阻的目的。
所述升压电路208可以采用电荷泵电路来实现，其作用是提供一定的高压信号以便驱动电210驱动充电保护开关202和放电保护开关204。所述驱动电路210同时接收所述保护控制电路206的控制信号，当接收到所述保护控制电路206的开启控制信号时，所述驱动电路210利用升压电路208提供的高压信号来驱动充电保护开关202和放电保护开关204的开启。当接收到所述保护控制电路206的关断控制信号时，所述驱动电路210关断所述充电保护开关202和/或放电保护开关204。
当使用电荷泵电路实现所述升压电路208时，电荷泵电路输出高于电池电压的一高压。因为MOS开关管的栅极电压越高，其导通电阻越小，所以电荷泵电路可以将电池电压倍增1到10倍之间的任一倍率作为驱动充电保护开关202和放电保护开关204的高压MOS管的栅极电压，当然升压倍率较高较优。但同时考虑到MOS开关管的栅极存在一定的耐压极限值，所以在设计时，电荷泵电路的输出电压的峰值应当小于充电保护开关202和放电保护开关204的栅极耐压极限值。在较优的实施例中，所述电荷泵电路的升压倍率可以设定为一变值，以在不同情况下自适应调节，例如使电荷泵电路的升压倍率与电池电压呈反比关系。当电池电压较低时采用较大的升压倍率，当电池电压较高时采用较小的升压倍率防止充电保护开关202和放电保护开关204的两端过压。
另外由于电池保护电路通常要求静态功耗很低，比如一般需要小于6微安，所以所述电荷泵电路在正常工作时采用非常低的第一工作频率工作，但对于所述电荷泵电路在系统刚启动时，需要快速升高电压来加快保护开关管的导通速度，所以所述电荷泵电路可以采用较高的第二工作频率工作来提高电荷泵输出电压达到稳定态的速度，所述第一工作频率小于第二工作频率。
本发明的重点和亮点之一是采用了升压电路驱动高压MOS管的方式增强了电路保护开关的高压耐受能力。
进一步的，所述电池保护集成电路采用非对称隔离型高压MOS管作为保护开关管，所述非对称隔离型高压MOS管进一步提高保护开关管的高压耐受能力和降低保护开关管的导通电阻，还能够减少保护开关管的芯片占用面积。
请一并参考图3，其示出了本发明的一个实施例中的保护开关管300的构造剖面图。所述保护开关管300采用的是非对称隔离型高压MOS开关管，所述非对称隔离型高压MOS开关管与保护控制电路206等集成在同一P型半导体衬底P-sub上，其制备时可以与其他所需器件的标准工艺兼容（其他所需器件通常采用低压MOSFET器件）。所述非对称隔离型高压MOS开关管是由栅极G、源极S、漏极D及衬底P-body组成的四端口半导体器件。所述非对称隔离型高压MOS开关管利用N型阱NW来隔离其衬底P-body和芯片的P型半导体衬底P-sub，以防止两个P型区域穿通（Punch-through），当然如果版图设计中采用了较大间距时可以省略N型阱NW。所述非对称隔离型高压MOS开关管可以采用掺杂的多晶硅作为栅极G，并在栅极G处形成厚栅氧。所述非对称隔离型高压MOS开关管的漏极D由N型中度掺杂的NG区域和低浓度的N型高压阱HNW区域形成的N型掺杂浓度渐变区域构成，这样的浓度渐变区域可以维持较高的反向耐压和较低的漏极电阻，较高的反向耐压可以进一步地增强MOS开关管的漏极抗高压能力，较低的漏极电阻有利于进一步地降低MOS开关的导通电阻。所述非对称隔离型高压MOS开关管的源极S由处于P型中度掺杂的P-body区域的N+重掺杂区域构成。
在具体实施时，电池保护电路200中的保护开关管可以采用两个非对称隔离型高压MOS开关管分别作为充电保护开关和放电保护开关，也可以只采用一个非对称隔离型高压MOS开关管作为主开关管而代替充电保护开关和放电保护开关。在只采用一个非对称隔离型高压MOS开关管作为主开关管的方案中还可以增加一衬底控制电路。由于所述非对称隔离型高压MOS开关管的非对称性，在与电池保护集成电路的其他器件连接时，其漏极D与VG端（即电池的负极）相连，其源极S连接至负载或者充电器的VM端，其从P+区域引出的衬底端由衬底驱动电路控制，该衬底端总是连接至VG端和VM端中电位较低的一端。这样就可以利用一个非对称隔离型高压开关管代替传统方式中的两个MOS开关管（充电保护开关和放电保护开关）。所述衬底驱动电路的实现方法是本领域技术人员所熟知的内容，在此不再累述。
请参考图4，其示出了本发明的一个实施例中的电池保护系统400的结构示意图。所述电池保护系统400包括电池402、设置在同一晶圆上的高压MOS开关管404、驱动电路406、电荷泵电路408、控制电路410、异常检测电路412和衬底控制电路414。
高压MOS开关管404可以是非对称隔离型高压MOS管，其一端连接电池402并且另一端连接负载或者充电器。
驱动电路406与所述高压MOS开关管404的栅极相连以驱动所述高压MOS开关管404开启或关断。
电荷泵电路408与所述驱动电路406相连以提供其驱动时所需高压。具体可以采用将电池电压倍增至预定高压以提供给驱动电路406的方案。在正常工作状态，所述电荷泵电路408输出高于电池电压的高压，该高压可以为所述电池电压倍增1~10倍后的预定高压，当然增加的倍数越高越优，因为所述高压MOS开关管404的栅极电压越高，其导通电阻越小。但是考虑到所述高压MOS开关管404的栅极电压存在耐压极限值，所以所述预定高压应当小于所述高压MOS开关管404的栅极耐压极限值。在另一个实施例中，还可以根据需要对所述电荷泵电路206的升压倍率设定为变值，以在不同情况下自适应调节，例如使所述预定高压与电池电压呈反比线性关系。当电池电压较低时采用较大的升压倍率，当电池电压较高时采用较小的升压倍率防止过压。
另外由于电池保护电路通常要求静态功耗很低，比如一般需要小于6微安，所以所述电荷泵电路408在正常工作时采用非常低的第一工作频率工作，但对于所述电荷泵电路408在刚启动时，需要快速升高电压来加快所述高压MOS开关管404的导通速度，所以可以采用较高的第二工作频率工作来提高电荷泵输出电压达到稳定态的速度，所述第一工作频率小于第二工作频率。
控制电路410的输出端与所述高压MOS开关管驱动电路404相连，并根据所述电池的充电或者放电异常发出关断控制信号。所述控制电路410根据异常检测电路412的检测结果来发出控制信号，所述异常检测电路412可以是过电压充电检测电路、过电压放电检测电路、过电流充电检测电路、过电流放电检测电路中的一种或者多种。
另外本实施例中只采用一个高压MOS开关管404作为保护开关管，在所述高压MOS开关管的衬底还连接一衬底控制电路414，所述衬底控制电路414根据所述高压MOS开关管404的状态自动切换所述高压MOS开关管404的衬底电压，以实现一个MOS开关管代替两个MOS开关管的功能。
应当认识到，除高压MOS开关管外，其他诸如控制电路、异常检测电路都是采用的低压器件。此外在一些实施例中，所述电池保护系统还可以包括用于过压保护的电路或限压电路。
上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于所述具体实施方式。
Claims (9)
1.一种电池保护集成电路，其特征在于，其包括：
MOS开关管，其一端接电池，另一端接负载或者充电器；
与所述MOS开关管集成于同一个晶圆上的保护控制电路，所述保护控制电路根据电池充电或放电情况而产生控制信号控制所述MOS开关管的导通或截止，其中所述MOS开关管的栅极氧化层厚度大于所述保护控制电路中MOSFET器件的栅极氧化层厚度，
所述电池保护集成电路还包括升压电路和驱动电路，所述升压电路提供所述驱动电路驱动所述MOS开关管时的高压信号，所述驱动电路接收所述保护控制电路的控制信号后利用所述升压电路提供的高压信号驱动所述MOS开关管，所述升压电路采用电荷泵电路实现，所述电荷泵电路将电池电压倍增至预定高压以提供所述驱动电路所需高压，所述预定高压小于所述MOS开关管的栅极耐压极限值，
所述MOS开关管是非对称隔离型高压MOS开关管，
所述非对称隔离型高压MOS开关管是由栅极G、源极S、漏极D及衬底P-body组成的四端口半导体器件，
所述非对称隔离型高压MOS开关管的漏极D由N型中度掺杂的NG区域和低浓度的N型高压阱HNW区域形成的N型掺杂浓度渐变区域构成，
所述非对称隔离型高压MOS开关管的源极S由处于P型中度掺杂的P-body区域的N+重掺杂区域构成。
2.根据权利要求1所述的电池保护集成电路，其特征在于，所述电池保护集成电路还包括衬底控制电路，该衬底控制电路连接于所述MOS开关管的衬底，并根据所述MOS开关管的工作状态自动切换所述MOS开关管的衬底电压。
3.根据权利要求1所述的电池保护集成电路，其特征在于，所述MOS开关管包括两个串联的高压MOS管，该两个串联的高压MOS管分别作为充电保护开关和放电保护开关。
4.根据权利要求1所述的电池保护集成电路，其特征在于，所述电荷泵电路将电池电压倍增时的升压倍率与电池电压呈反比关系。
5.根据权利要求1所述的电池保护集成电路，其特征在于，所述电荷泵电路在正常工作时采用第一工作频率工作，在刚启动时采用第二工作频率工作，所述第一工作频率小于第二工作频率。
6.根据权利要求1所述的电池保护集成电路，其特征在于，当接收到所述保护控制电路的开启控制信号时，所述驱动电路利用升压电路提供的高压信号来驱动所述MOS开关管，当接收到所述保护控制电路的关断控制信号时，所述驱动电路关断所述MOS开关管。
7.根据权利要求1所述的电池保护集成电路，其特征在于，所述保护控制电路包括异常检测电路和控制电路，所述控制电路根据异常检测电路的检测结果输出开启控制信号或者关断控制信号。
8.根据权利要求7所述的电池保护集成电路，其特征在于，所述异常检测电路是过电压充电检测电路、过电压放电检测电路、过电流充电检测电路、过电流放电检测电路中的一种或者多种。
9.一种电池保护系统，其特征在于，其包括锂电池和如权利要求1至8任一所述的电池保护集成电路。
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