CN102064541A - 用于保护可充电元件的装置及方法 - Google Patents

Abstract

用于充电器(5)和诸如可充电锂离子电池的可充电元件(1)的保护电路，包括一个与可充电元件两端并联的具有阈值启动电压的旁路稳压器(2)，一个串联在充电器和可充电元件之间的受温度控制的电阻器(3)，例如，一个正温度系数器件，温控电阻与旁路稳压器热学和电学地连接在一起，其中，当电流到达预先决定的一个小于会因为稳压器的欧姆热造成稳压器故障的水平时，第一可变电阻器限制流经旁路稳压器的电流。

Description

用于保护可充电元件的装置及方法

本申请是分案申请，其原案申请的申请号为00807952.8，申请日为2000年3月17日，发明名称为“用于保护可充电元件的装置及方法”。

本发明所属技术领域

本发明广义地说，属于电压过载和电流过载的保护系统，更加具体地说，是在电压过载和电流过载条件下保护诸如可充电电池等的可充电元件的装置及方法。

与本发明相关的背景技术

保护诸如可充电电池组等可充电元件的电路是为人们广为熟知的，但是，这些可充电元件，特别是可充电锂电池，在操作电压超过安全极限时是很危险的。

例如图1所示是一个标准的充电曲线，即，普通的锂电池组(例如用于无线电话手机)在继续充电至最大安全范围以外时电池两端电压随时间的变化。如图1所标记，这一曲线可以划分为3大区域。

第一个区域是电压V小于4.5伏的区域。在这个区域里，电池充电是安全的，电池的温度保持为低于60℃至70℃，电池内压强低于3巴。

第二个区域是电压在4.5伏和5.3伏之间的区域。在这个区域中充电，电池开始在一个危险的模式下运行，温度超过70℃，电池内的压强升至3巴至10巴的范围，即使是在这个电压略微升高的范围，电池也可能爆炸。

第三个区域是电压超过5.3伏的区域。在这一阶段，挽救电池为时已晚，它遭遇着内部退化，可能爆炸或燃烧。值得注意的是，电池在“满充电”状态更加危险，比在放电状态的电池更加容易爆炸。

尤其是，为了保证给锂电池充电的充电操作是在安全操作模式下，必须要满足下列3个条件之一：1)温度＜60℃，2)压强＜3巴，或者3)电压＜4.5伏。

为此，可充电锂离子电池组充电时常常使用一个“智能”电路与电池串联，以防遇到过大的电压或电流。这种智能保护电路还能预防由于电池组过度放电引起的电压不足状态。

举例来说，图2显示了一种常见的用于可充电锂离子电池组的“智能”保护电路21。其中，第一和第二金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)开关20、22与一个或多个电池24串联在一起，金属氧化物半导体场效应晶体管开关20和22的开或关由监控电池24之上的电压与电流的控制电路26决定。在正常操作中，控制电路26使金属氧化物半导体场效应晶体管开关20和22打到“开”，允许电流以任意方向流经电池24，充电或者放电。但是，如果电池24上的电压或电流超过了相应的阈值，控制电路26关闭金属氧化物半导体场效应晶体管20和22，因此断开电路21。控制电路26还监控充电源28上的电压和电流，决定何时才能安全打开金属氧化物半导体场效应晶体管20和22。

熟悉该领域的人员不难理解，智能保护电路21比较复杂，相对于一个常规电池组的全部花费，它的实施费用亦过高。而且，金属氧化物半导体场效应晶体管20、22上的串联电阻比较高，从而降低了充电源28和电池24的效率。值得注意的是，电路断开时，为了不使电流向任一方向流动，金属氧化物半导体场效应晶体管20、22都是需要的。即，体二极管23、25各自向不同方向偏置，提高了保护电路21的复杂性、价格和整体串联电阻。同时，由于金属氧化物半导体场效应晶体管20、22面对突如其来的高电压(或使用了不合适的高电压的充电器)会遭到损坏，电池24还需要二级保护，例如，每个电池串联一个正温度系数(PTC)的可重置保险。

由这些背景信息，具有正温度系数电阻效应的器件是为人们所熟知的，可以是基于诸如钛酸钡的陶瓷材料，或导电的聚合化合物。这种导电的聚合化合物含有一种聚合含量，散布在化合物中形成一种特殊的导电填充物。低温时，化合物的电阻较低，然而当化合物处于高温时，比如由大电流引起的欧姆热，化合物的电阻升高，或者称“转换”，经常改变几个数量级。发生由低电阻转换至高电阻的温度称为转换温度Ts。当器件冷却回到转换温度Ts以下，又会回到低电阻的状态。因此，如果作为一种串联的电流限流器，这种正温度系数器件就认为是“可重置的”，当加热至它的转换温度Ts，它会“跳闸”到高电阻，因此减少电路里的电流，并在冷却到低于Ts时自动“重置”到低电阻，因而使电路中过载电流状态解除后恢复满电流流量。

在这个应用中，“PTC”这个词用于表示一种化合物，R14值最少为2.5，和/或R100值最少为10，最好这个化合物的R30值应至少为6，这里R14值是在一个14℃的范围的结束和开始处电阻值的比率，R100值是在一个100℃的范围的结束和开始处电阻值的比率，R30值是在一个30℃的范围结束和开始处电阻值的比率。一般，本发明的器件所使用的化合物所显示出的电阻升高要大大高于这些最小值。

合适的导电聚合化合物公布在美国专利第4,237,441号(vanKonynenburg等)、美国专利第4,545,926号(Fouts等)、美国专利第4,724,417号(Au等)、美国专利第4,774,024号(Deep等)、美国专利第4,935,156号(van Konynenburg等)、美国专利第5,049,850号(Evans等)、美国专利第5,250,228号(Baigrie等)、美国专利第5,378,407号(Chandler等)、美国专利第5,451,919号(Chu等)、美国专利第5,582,770号(Chu等)、美国专利第5,701,285号(Chandler等)、美国专利第5,747,147号(Wartenberg等)，以及在共同未决的美国申请第08/798,887号(Toth等，于1997年2月10日提交)之中。这些专利及申请所公布的内容将全部作为本申请的参考文献。

参见图3A，短路器形式的保护电路31也是人们熟知的。尤其是，开关元件30与电池24并联，开关30的开与关由监控电池24之上的电压和电流的控制电路36负责。在正常操作中，开关30是打开的，但是，如果电池24上的电压或电流超过了相应的阈值，控制电路36关闭开关30，因而短路电池24的电路。

图3B显示了开关元件30闭合时经过开关的电流相对于电压的曲线35。值得注意的是，受特定的电源冲击的特性和持续性的控制，电流会很快到达较高的水平。在这一过程中，第一电流过载元件32可以放在开关元件30和充电元件28之间，避免来自充电元件28的连续电流损坏开关元件30。类似地，第二电流过载元件34可以放在开关元件30和电池24之间，用以保护电池24。但是电流过载元件32和34的总串联电阻在电池路径上是不希望得到的。

图4A示出是另一种电压过载保护钳位电路41，尤其是，诸如齐纳二极管的电压钳位元件40用在开关元件30的位置，与电池24并联。在电压过载的状态下，钳位元件40可限制在电池24上的电压。

图4B示出是钳位电路41中电流相对于电压的曲线45。和短路器电路31相同，受特定电压冲击的特性和持续性的控制，流经钳位器40的电流会很快达到相当高的水平。同样，增加限流元件(图4中未示出)可以保护钳位器40和/或电池24免遭过大电流损害。值得注意的是，钳位元件40会有较高的漏电流，例如，对于齐纳二极管，会造成电池24随时间很快放电。

发明概述

根据这里所述发明的一个方面，用于充电器和可充电元件的保护电路包括一个用于与可充电元件并联的第一极和第二极的旁路稳压器，该旁路稳压器具有一个阈值开启电压。温控电阻与旁路稳压器热学和电学地连接在一起，电阻的第一极与充电器串联，第二极与可充电元件串联。

在一个优选实施例中，电阻是一个正温度系数器件，加热到某一转换温度时可以从较低的电阻转换到较高的电阻。器件的转换温度被选择为，在电压超载的状态下，流经旁路稳压器的电流会使旁路稳压器产生足够的欧姆热，能在旁路稳压器被损坏之前使器件加热到转换温度。

根据这里所述发明的另一个方面，用于充电器和可充电元件的保护电路中控制旁路稳压器转换开关的控制电路包括第一和第二电压检测电路。第一电压检测电路漏电较少，如果可充电元件上的电压接近转换开关的阈值开启电压，将能启动第二电压检测电路。第二电压检测电路比较精确，如果可充电元件上的电压达到阈值开启电压，将能启动转换开关。

根据这里所述发明的另一个方面，用于充电器和可充电元件的保护电路中控制旁路稳压器转换开关的控制电路包括一个运行放大器，具有与晶体管开关的启动门相连的输出，还包括一个与运行放大器输出相连的电压钳位元件，钳位元件有效地钳位启动门电压。

根据这里所述发明的另一个方面，保护可充电元件过量充电的旁路稳压器包括一个具有热补偿电压特性的晶体管开关。

根据这里所述发明的另一个方面，用于充电器和可充电元件的保护电路包括一个电压过载旁路稳压器，具有用于与可充电元件并联的第一极和第二极；还包括一个电压不足保护电路，具有串联在充电器和可充电元件之间的第一极和第二极。在一个优选实施例中，电压过载旁路稳压器包括第一晶体管开关，它的阈值开启电压大约为可充电元件所选取的最大工作电压。电压不足保护电路包括第二晶体管开关，它的阈值开启电压大约为可充电元件所选取的最小工作电压。

根据这里所述发明的另一个方面，用于充电器和可充电元件的保护电路包括一个电压过载旁路稳压器，其具有用于与可充电元件并联的第一极和第二极，旁路稳压器包括一个金属氧化物半导体场效应晶体管开关，其具有阈值开启电压大约为可充电元件所选取的最大工作电压，还包括一个电阻较高、反向电流的体二极管。

根据这里所述发明的另一个方面，用于充电器和可充电元件的保护电路包括一个电压过载旁路稳压器，其具有用于与可充电元件并联的第一极和第二极，旁路稳压器包括一个具有通道的晶体管开关，如果正偏置，电流可以正向流过通道，如果负偏置则反向流过通道。尤其是，晶体管开关构造成正向流动电流受到的电阻较小，反向流动的电流受到的电阻较大。

根据这里所述发明的另一个方面，用于充电器和可充电元件的保护电路包括电压过载旁路稳压器，其具有用于与可充电元件并联的第一极和第二极，旁路稳压器具有一个阈值开启电压。第一正温度系数(PTC)器件与旁路稳压器热学和电学地连接在一起。该正温度系数器件的第一极与充电器串联，第二端与可充电元件串联。第二正温度系数器件与旁路稳压器串联，其中，第一正温度系数器件的转换温度低于第二正温度系数器件的转换温度。

根据这里所述发明的另一个方面，保护电路和一个具有正极和负极的电池组合在一起，保护电路包括与电池串联的晶体管开关，使之在晶体管开关开启时，电池通过负载放电。一个温控电阻与晶体管开关热学连接，温控电阻具有连在电池正极的第一极。一个固定电阻的第一极连在温控电阻的第二极，固定电阻的第二极与电池的负极相连，这样温控电阻和固定电阻串联在一起，再与电池并联。晶体管开关的启动门连接在一个分压结构中，与温控电阻的第二极和固定电阻的第一极相连。

在一个优选实施例中，温控电阻从较低电阻转换至较高电阻，所选择的转换温度为，在电池电压过载的状态下，流经晶体管开关的电流将产生足够的欧姆热，在晶体管开关发生故障以前，将温控电阻器加热至转换温度。

本领域的技术人员不难看出，后文还将涉及到本发明的其他方面和优点。

附图简要描述

根据本发明的优选实施例通过示例的方式加以说明，以所附附图的形式但不限于这种方式。为了说明方便，不同实施例中的类似元件用相同的标号标记，其中：

图1表示的是典型的可充电锂电池的充电曲线；

图2是采用了一对晶体管元件与可充电电池组串联的“智能”电压过载保护电路的示意图；

图3A是采用了电压控制的短路开关与可充电电池组并联的“短路器”保护电路的示意图；

图3B画出了图3A中短路器电路电流与电压的关系；

图4A是采用了齐纳二极管电压钳位与可充电电池组并联的电压钳位电路的示意图；

图4B画出了图4A中钳位电路电流与电压的关系；

图5-图10是根据本发明一个方面的优选第二保护电路的简略方框图和电路示意图；

图11是根据本发明的另一个方面的进一步优选的电压过载、电流过载主要保护电路的简略方框图，包括分别与可充电电池组串联的正温度系数器件和与可充电电池组串联的并联的稳压器；

图12是图11中保护电路的示意图，其中，正温度系数器件与稳压器热学连接；

图13是图11和图12中保护电路的优选变化的示意图；

图14-图16画出了根据本发明另一个方面的保护电路的优选电流-电压关系；

图17画出了一种优选保护电路的优选热补偿电压特性；

图18是图12-图13中保护电路的一种热模型电路表示；

图19画出了图12-图13中保护电路在电压过载状态下，分别在稳压器和正温度系数器件上耗散的功率；

图20是可充电电池组采用的优选电压过载、电流过载保护电路的示意图；

图21是图20中的保护电路的一个可替代的优选实施例；

图22是图20电路的简略方框图；

图23是图20电路的另一个可替代的优选实施例的简略方框图，采用了低漏电启动电路；

图24是根据本发明的另一个方面的另一个优选保护电路的示意图，同时包括了过载和电压不足的保护电路；

图25是图20中的稳压器金属氧化物半导体场效应晶体管元件的体二极管的示意图；

图26是图25中在金属氧化物半导体场效应晶体管的体二极管串联电阻的示意图；

图27是图26串联了电阻的保护电路中用做旁路稳压器的优选金属氧化物半导体场效应晶体管装置的剖面图；

图28表示根据本发明的另一个方面，用于避免反向电池放电的一个可替代的优选半导体器件；

图29表示用于避免反向电池放电的另一个可替代的优选半导体器件；

图30画出了图28和图29中器件的优选电流-电压曲线；

图31是另一个优选电压过载保护电路的简略示意图；

图32-图33画出了图31中电路的电流-电压关系；

图34是另一个优选电压过载保护电路的简略示意图；

图35画出了图34中电路的电流-电压关系；

图36是另一个优选电压过载保护电路的简略示意图；

图37-图38画出了图36中电路的电流-电压关系；

图39是一个优选三极保护电路的简略示意图；

图40-图42是图39中三极保护装置的一个可替代的实施例的简略示意图；

图43是现有技术的避免电池过度放电的过度放电保护电路的简略示意图；

图44根据本发明另一个方面的优选过度放电保护电路的简略示意图；

图45是优选三极保护装置的侧面图，包括一个与正温度系数芯片热学和电学连接的金属氧化物半导体场效应晶体管稳压器，器件被部分切开，显示稳压器的内部；

图46-图47分别是图45中装置的俯视图和仰视图；

图48是在组装图45中装置时一片正温度系数材料分段切成一组正温度系数器件的透视图；

图49是制造图45中三极装置铸模外壳所使用的优选传导框的透视图；

图50是在图49中的传导框上组成的一组模制外壳的透视图；

图51是图45中三极装置安放在按照图49-图50所画步骤构成的外壳的透视图，没有盖盖子；

图52是图45中三极装置安放在按照图49-图50所画步骤构成的外壳的透视图，盖上盖子；

图53是制造图45中三极装置铸模外壳所使用的第一种可替代的优选传导框的透视图；

图54是在图53中的传导框上构成的多个模制外壳的透视图；

图55是制造图45中三极装置铸模外壳所使用的第二种可替代的优选传导框的透视图；

图56是图45中三极装置安放在按照图54或图55所画步骤构成的外壳的透视图；

图57是图45中优选三极保护装置一个可替代的实施例的侧视图；

图58图57中装置的仰视图；

图59是一个备有安装一个可替代的优选可充电电池组的三极保护电路插口的方便的印刷电路板(“pc板”)的一部分的仰视图；

图60是图59中印刷电路板的仰视图，图中一个金属氧化物半导体场效应晶体管稳压器件经过插口安装固定在印刷电路板底面的正温度系数器件上；

图61是图59中印刷电路板底面的仰视图；以及

图62是图61中印刷电路板被部分切开后的侧视图。

优选实施例的详细描述

根据这里所述本发明的一个方面，保护系统能在充电操作中保护可充电电池不因过度充电进入一种危险的运行模式。图5-图10中实施例的保护系统可以作为后备系统，一般都是和监控电池充电的智能电源电路一起使用。典型情况下，这一保护系统可以和电池本身集成在一起，或者可以作为电子成套装置的一部分，或者是充电器的一部分。

图5-图7显示了根据本发明的这个方面的基本电路实施例。在图5中，诸如最大工作电压为4.5伏的锂电池的可充电电池1与一个诸如4.1伏齐纳二极管2的电压控制的电阻元件并联，构成一个并联电路。该并联电路再与一个诸如正温度系数器件、热保险丝或双金属电闸的保护元件3串联。为了加速保护元件3的启动，保护元件3最好与齐纳二极管2热学连接。一个充电器5和一个智能电路6的并联电路与电池1和齐纳二极管2的并联电路串联，充电器5还与电源(图中未示出)相连。在这个实施例中，由于保护元件3与电池1和齐纳二极管2的并联电路串联，全部的故障电流都流经保护元件3，因此使保护元件启动更快。

图6和图7显示了图5实施例的变化形式，包括使用了一个新保护元件4。

在以上的实施例中，由于在齐纳二极管中的能量损耗是一个1至4瓦的大值，这一能量损耗会引起保护元件3有效地热助跳闸。保护元件3和齐纳二极管2可以混合起来改善热学连接。

当使用固定电流的直流充电器5(这是通常的情况)时，因电池1的内阻很小，电流开始向其充电。如果智能电路没有发挥作用，电池电压一达到4.3伏，一个小电流就分流到齐纳二极管2，使电压保持在4.3伏。如果充电电流变大，齐纳二极管2的差动电阻将减少，通过接收越来越多的电流，使电池1保持4.3伏的常量。在这种情况下，齐纳二极管2处于一种失控模式，会很快热起来，由齐纳二极管消耗的热量使保护元件更快地翻转，因此避免电池1进入一种危险的工作模式。

当使用固定电压充电器作为电源5时，图5-图7中的电路都是以上述类似的方式工作。

图8显示了本发明的另一实施例，其中使用了一个光耦合器7。光耦合器7包括一个接收元件，例如光电晶体管8，和一个发射元件，例如一个LED(发光二极管)9。如图8所示，可充电电池1与诸如3伏等级的齐纳二极管2和发光二极管7的串联组合并联，组成第一并联电路。诸如保险丝、正温度系数器件或双金属电闸的保护元件3与第一并联电路串联，光电晶体管8与保护元件3和第一并联电路的组合并联，组成第二并联电路。充电器5与智能电路6的并联电路再与第二并联电路并联，充电器5还与电源(图中未示出)相连。

图8的实施例按照上述类似的原理工作，在正常情况下，齐纳二极管2中的电流不足以使发光二极管9发光。但是如果发生意外，例如使用了高压充电器，齐纳二极管2中的电流就要增加，并激发光耦合器7，后者进而旁路电池1。这引起保护元件3启动并因此使电池1断路。

图9显示了另一个优选保护电路。在这个实施例中，可充电电池1与一个过度充电检测装置10并联，诸如Telcom Semiconductor，Inc.制造的型号为TC54VN的电压过载检测装置(例如SOT 23B-3插件或SOT89-3插件)。电池1和检测装置10的并联电路与保护元件11串联，后者可以是保险丝、热保险丝或一个正温度系数器件。电池1、检测装置10和检测元件11的组合与一个有源金属氧化物半导体场效应晶体管12并联，可选摩托罗拉的MTD 3055EL(VL)，编号为369A-10。智能电路6和充电器5的并联电路再与电池1并联，充电器5还与电源(图中未示出)相连。

金属氧化物半导体场效应晶体管12由电阻器13偏置，并由检测装置10通过晶体管14驱动。检测装置10包括一个固定电流产生器15，向一个参照齐纳二极管16提供电流。使用一个与电阻器18和19连接的运行放大器17作为比较器，将齐纳二极管16的电压与电池电压比较。当电池电压达到4.5伏时，比较器输出一个正电压，关闭晶体管14，进而开启金属氧化物半导体场效应晶体管12，这将旁路电池1，即大部分电流流过保护元件11。如果保护元件11使用的是保险丝(例如Farnell的AVX-Kyocera)，就会熔断，使电池断路。因而保护电池不会爆炸。如果保护元件11用正温度系数器件取代保险丝，正温度系数将跳闸使大电流减至小漏电电流，因而保护电池不会爆炸。

在正常情况下，当智能电路6正常工作时，电池电压低于齐纳二极管16的电压。比较器17输出一个负电压，其开启晶体管14，使有源金属氧化物半导体场效应晶体管12处于关闭状态。

在图9的实施例中，使用固定电流的充电器就不会有危险。假设电池1的最大充电电流是2C，这里C是制造商所定义的电池容量，如果充电电流超过2C，保险丝会熔断，使电池1与充电器5断路。但是，如果充电电流小于2C，而充电电压高于4.5伏，检测装置10将检测出故障并旁路电池1，使保险丝熔断。

在图9的实施例中，使用固定电压的充电器也不会有危险。如果充电器5上的电压过高，并引起充电电流大于2C，保险丝将熔断以防电池爆炸。在另一方面，如果充电电流小于2C，可是因为充电器5上的高电压使得电池上的电压超过4.5伏，电压过载检测装置10将发挥作用，旁路电池并熔断保险丝。如果用正温度系数器件取代保险丝，正温度系数器件将会跳闸，保护电池。

在图9的实施例中，所有的组成成分(即，保护元件、过度充电检测装置、电阻器和有源金属氧化物半导体场效应晶体管)最好都是表面安装器件(简称SMD)。

参见图10，在另一个优选实施例中，诸如锂离子电池的可充电电池1与一种可替代的过度充电检测装置27并联，例如TelcomSemiconductor，Inc.的型号为TC54VC的产品。检测装置27包括一个固定电流产生器15、一个齐纳二极管16、电阻器18和19、运行放大器17、一个p-型场效应晶体管(FET)Q1、一个n-型场效应晶体管Q2。电池1和检测装置27的并联电路再与第一保护元件99串联。检测装置27的输出通过电阻R1控制半导体闸流管(简称SCR)43。第二保护元件98与第一保护元件99、半导体闸流管43、检测装置27、电池1的并联电路串联，充电器5再与整个电路相连，充电器5还与电源(图中未示出)相连。在一个优选实施例中，两个保护元件99和98可以各为具有延迟特性的保险丝，诸如由Littelfuse公司出品的SMD Slo-Blo保险丝2A。

这样的保险丝在发生大电流而熔断前一般有大约20毫秒的延迟，如果大电流在这段时间之内消失了，保险丝就不会熔断。另外，R1可以是一个电阻值为22千欧的SMD电阻，半导体闸流管43的示例可以有ST Microelectronics(法国)公司出品的ST 1220-600B半导体闸流管。在正常情况下，充电器5通过保护元件99和98向电池1提供稳定的4.3伏电压和2安培的电流。检测电压Vd使用运行放大器作为比较器与参考电压Vref相比较。在这种情况下，检测电压Vd低于参考电压Vref，因此比较器17输出一个开启晶体管Q2的正电压，而晶体管Q1保持关闭。由于没有电流流经电阻器R1，半导体闸流管43不启动，电路执行正常的充电操作。

在使用错误充电器的情况下，即，高压充电器，例如一个12伏的充电器，电池电压Vbat在Vd超过Vref后将超过4.3伏。在这样的情况下，比较器17输出一个开启晶体管Q1的负电压，而晶体管Q2关闭，使得电流流经电阻器R1和半导体闸流管43的闸门。因此半导体闸流管43启动，短路电池1和充电器5。造成大电流不走电池1和充电器5，而经半导体闸流管43接地。大电流使得保护元件99和98熔断，使(错误的)充电器5与电池1断路。保护元件99和98的延迟特性有效地排除了仅仅持续很短时间的电池的偶然短路。

值得注意的是，以下发明的优选实施例以及由此展示和说明的发明特性主要是指独立的保护或稳压器电路，——即，不作为智能电路的第二后备，如以上图5-图10中所述的优选实施例的情形。

为了方便说明以下发明的优选实施例以及由此展示和说明的发明特性，所选的电压过载、电流过载保护电路37的基本元件画在图11中。其中，电压稳压器(例如电压控制金属氧化物半导体场效应晶体管开关)39与电池24并联，一个正温度系数器件38位于稳压器39和充电元件28之间，其中正温度系数器件38与电池24串联。

参见图12，稳压器39最好与正温度系数器件热学连接在一起，以箭头48表示。在电压过载的状态下，稳压器39限制了电池24上的电压，使得能量以流经稳压器39的形式消耗。电流在稳压器上产生热量，再传导至正温度系数器件38，使正温度系数器件的温度升到它的转换即“跳闸”温度。这时正温度系数器件的电阻迅速上升，相应地明显使流经稳压器39的电流减少，电路37的热平衡决定了最终的工作点，直到克服了电压超载的状态。此时，稳压器39停止传导电流，正温度系数器件冷却回到它的跳闸温度以下，使电路37恢复到正常的工作状态。

本领域的技术人员不难看出，正温度系数器件38也可以安放在电池充电电路的接地通路上，如图13所示的另一个保护电路实施例37’。如这里所详细说明的情况，实施例37和37’之间的设计选择取决于如何物理地表现正温度系数器件38和稳压器39之间的热学连接48。

在实施例37或37’中，正温度系数器件38还用来防止由电池24的突然充电或放电引起的过载电流。其中，如果电流突然增大，正温度系数器件38会由于突发冲击的大量消耗能量而迅速产生欧姆热，直到跳闸明显地阻挡住电流。

重要的是，为了使电池24充分地充电和放电，正温度系数器件38的串联电阻和稳压器件39的漏电最好都很小。

值得注意的是，保护电路实施例37和37’的旁路稳压器39所应承受的电流-电压关系由图4B中的曲线45表示。但是如果充电器或电池两端24的低源电阻上电压猛增，旁路稳压器39将过载，很容易损坏。

为此，现有技术的电路一般都使用硅旁路稳压器，具有低波动率能力的特性。但是，根据本发明的另一个方面，旁路稳压器可以配置为具有特定优越的电流-电压关系，以限制稳压器的能量消耗需要，即，可以优化电池保护电路的稳压器。

图14-图16表示了保护电路旁路稳压器另外三种优选电流-电压特性。

在图14中，I-V曲线421在电流I达到所选的最大电流水平I_lim时达到平稳段422，换句话说，只要没有超过特定设计的最大电流极限I_lim，稳压器装置设计为可以承受特定的过载。尤其是，对一个特定的稳压器设计限制最大电流及相应的电压，所需耗散的能量也就受到限制。

若采用一种更为复杂的电路，引进由预先制定的电压Vt激发的第二限流，可以进一步降低耗散。为此，在图15中，曲线的初始部分423与曲线421类似，当电流达到I_lim1时达到类似于平稳段422的平稳段424。但是，随着电压在固定电流I_lim1处的升高，旁路稳压器的能量耗散需求也得到提高，电流在激发电压Vt处跌下。当电压达到预先制定的Vt，电流I从I_lim1下降至低电流水平I_lim2(425)。这种电流下降有效地降低了旁路稳压器中的能量耗散需求。

图16显示了优选I-V关系的又一个实施例，它降低了较大电流下旁路稳压器的耗散需求。初始斜线426同平稳段前面的曲线421和423一样。但是，当电压参照到达对应I_max的值，旁路稳压器元件锁定到一个低电压/大电流模式，由平稳段427表示。在Imax处，旁路稳压器的I-V特性设计为支持在Imax处电压下降到Von。在这一降低的电压水平，旁路稳压器就可以应付大电流，如曲线428所示。

将图17与图12-图13中保护电路的优选实施例相比较，稳压器39的转换电压还可以用一个温度函数来实现。其中，它可以要求实现稳压器39中的热补偿电压特性，正如温度-电压曲线49所表示的那样。其中，一个遵循温度-电压曲线49的转换特性的稳压器39可以将转换电压配置在大大低于电池24的正常工作温度。

例如，在某一安全工作温度之上，如80℃，如果超过了电池24的安全工作温度，实现温度-电压曲线49将允许电池24通过稳压器39放电。换句话说，稳压器39除了是一个电压过载和电流过载保护器外，还像是一个被动的过热保护器。

本领域的技术人员不难理解，这里所展示并说明的优选稳压器的实施例，即使不是全部也有许多可以设计或实现为包括图14-图17中所示的至少其中之一的电压特性。

图18画出了与图12-图13中保护电路等价的热学电路模型，即，可以表示为一个RC电路。

尤其是，对于一个正温度系数器件(如正温度系数器件38)，温度T可以由下面方程决定：

$\left(1\right),\frac{\mathrm{dE}}{\mathrm{dt}}=m{C}_p\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}+k(T-T_a)$

其中

是单位时间的能量(功率)，m是质量，C_p是比热，k是热阻以及T_a是环境温度对于一个并联RC电路，电路的电压V为：

$\left(2\right),I=C\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}+\frac{V}{R}$

其中I是电路里的电流，C是电容以及R是电阻。

$\left(1\right),\frac{\mathrm{dE}}{\mathrm{dt}}=m{C}_p\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}+k(T-T_a)$

其中

是单位时间的能量(功率)，m是质量，C_p是比热，k是热阻以及T_a是环境温度

比较方程(1)和(2)，

相当于电流I，T相当于电压V，MC_p相当于电容C，k相当于电导I/R。

$\left(2\right),I=C\frac{\mathrm{dE}}{\mathrm{dt}}+\frac{V}{R}$

其中I是电路里的电流，C是电容以及R是电阻。

回到图18中的热学模型，电容52代表稳压器器件39的热容(mC_p)_reg，电阻54代表稳压器到外界传热路径上的热阻R_{θ(Reg-Ambient)}，稳压器上的功率损耗P_d(reg)用电流源46表示。尤其是，热容决定升高稳压器39的温度需要多少能量，即，热质量越大，升温所需要的能量就越大。热阻决定热耗散的有效性，大热阻意味着热耗散到周围没有低热阻那样有效。

用同样的形式，电容60表示正温度系数器件38的热容(mC_p)_PTC，电阻58表示正温度系数到外界传热路径上的热阻R_{θ(PTC-Ambient)}，正温度系数器件上的功率损耗P_d(PTC)由电流源47表示。

当功率在稳压器39上损耗时，温度即热容上的“电压”将升高，热阻R_{θ(Reg-Ambient)}将向周围导热，防止稳压器39上的温度无限增长。从这点上说，到周围的热阻越低，稳压器元件上温度升得越低。

同样，有些热将从稳压器39通过稳压器39和正温度系数器件38之间的热阻R_θ(Reg-PTC)56传导至正温度系数器件38，这一热连接造成正温度系数器件上的温度随着稳压器上的温度升高而升高。一旦正温度系数器件38到达它的转换温度，正温度系数器件38会跳闸，限制稳压器39上的功率。因此，为了限制稳压器39上的温度升高，需要正温度系数器件38尽快地到达它的转换温度。为此，正温度系数器件38和稳压器39之间的热阻应该做的尽量小。

稳压器39上的温度上升还可以用一个转换温度比较低的正温度系数器件加以限制，这样，当稳压器39在电压过载或电流过载状态下开始发热时，正温度系数器件38就会比较快跳闸。另外，通过减少正温度系数器件38的质量，它的热容60就会减少，当热传导到正温度系数器件38时，它的温度将上升更快。由图18的热路模型可以看出，正温度系数的热容60越小越好。例如，全文引用其所述内容作为本文参考内容的，颁发给Chandler等的美国专利第5,801,612号就公布了一种优选低温启动、低质量的正温度系数材料。

图19为图12-图13中的保护电路在电压过载状态下功率损耗的附图表示。

在特定阈值电压63以下，稳压器39或正温度系数器件38所损耗的功率可以忽略，即，电池电路在正常的工作电压下工作或被充电。但是如果电压超过了最大极限，稳压器39开始传导电流并耗散热量，这由曲线64表示。随着正温度系数器件38由于来自稳压器39的热量而提高温度，达到其转换温度并开始耗散更大量的功率，如曲线66所示。随着正温度系数器件38耗散更多功率，流经稳压器39的电流减少，稳压器39也就相应地降低了耗散的功率。在电压过载状态下的全部功率耗散由曲线68表示，基本维持恒定。

图20画出了一个优选电压过载、电流过载保护电路69，其中正温度系数器件62和旁路稳压器50分别与电池24串联和并联。由箭头71所示，可以选用Raychem型号为VTP210的正温度系数器件62与旁路稳压器50热学连接在一起。旁路稳压器50包括一个金属氧化物半导体场效应晶体管开关51、运行放大器控制器53、精度电压参照55和分压器75，全部组装在一个单独的硅器件上。

尤其是，金属氧化物半导体场效应晶体管51由运行放大器53控制(即，开启或关闭)，后者在检测到电池24上的电压达到特定的阈值时输出一个电压信号开启金属氧化物半导体场效应晶体管51的门。为此，运行放大器53的正极连接到分压器75，后者包括一对与电池24并联的电阻57和59。运行放大器53的负极连接精度电压参照55，后者又与电池24的负极(接地端)相连。通过调节电桥(即，电阻57和59)决定电压上限，在优选实施例中，电阻57和59是精确调配的。

当电池24上的电压升到阈值，金属氧化物半导体场效应晶体管51的门启动，电流开始流经金属氧化物半导体场效应晶体管51，限制了电池24上的电压，从而钳住电压。金属氧化物半导体场效应晶体管51的门调制为保持输出电压，由上所述，流经金属氧化物半导体场效应晶体管51的电流加热硅旁路稳压器50，后者再加热正温度系数器件62。正温度系数器件62一达到它的转换温度，整个电路的电流，以及因此在旁路稳压器50上的电流，都要受到明显的阻塞，这就降低了由旁路稳压器产生的热量，因此电路69将最终工作在它的热平衡态，电流受到正温度系数器件62的阻塞，电压受到旁路稳压器50钳制。由于电压受到限流稳压器50的钳制，电流流量会迅速增大。后文将结合其他优选实施例展示和说明通过稳压器控制电流和电压的优选技术。

图21画出了另一个保护电路69’的优选实施例，其中，运行放大器和电压参照55与金属氧化物半导体场效应晶体管51和电压桥75分开，单独在一个硅器件72上。例如，一种合适的参照55和运行放大控制器的组合是Linear Technologies Corporation生产的LTC1541型号的控制器。

参见图22，稳压器电路69(或69’)实际上是一个精确钳位装置，它驱动金属氧化物半导体场效应晶体管51稳定电池24上的电压。当然，电压参照55的运行需要一定量的工作电流。本领域的技术人员将不难理解，参照55越精确，运行所需要的电流就要越大。尽管在典型的应用中电流量仍然比较小，例如在微安的范围，这一电流流量也会超过电池24所需的漏电量。在只有电压超过其正常工作范围才开启旁路稳压器50时，这一点要特别注意。

参照图23，为了尽量减小运行精度电压参照55所需的漏电电流，可以采用一种启动电路80，通过第二金属氧化物半导体场效应晶体管开关81，有选择地启动稳压器控制电路55/53。其中，启动电路80使用的是一种比旁路稳压器50精度低很多的电压检测方法(图中未示出)，但同时漏电流也小得多。只有当电池24上的电压达到接近最大允许电压的水平，启动电路80才打开金属氧化物半导体场效应晶体管开关81，因而启动稳压器控制电路55/53。因为电池电路基本上都在最大允许电压以下工作，精度电压参照55的较大的漏电就不成问题。

到目前为止，所述方法和装置都是为了防止电压过载和电流过载的目的，但是，我们还需要保护可充电元件，例如可充电电池，免遭由于过度放电而电压不足的状态。

为此，图24显示了一种用在充电器101和可充电电池124之间的优选电压过载或电压不足保护电路100。保护电路100通常包括电压过载保护电路102和并联在一起的电压不足保护电路103。电压过载保护电路102包括一个与电池124串联的正温度系数器件104，和一个与电池124并联的旁路稳压器105。旁路稳压器105包括一个运行放大控制器110，驱动一个n-通道金属氧化物半导体场效应晶体管114。运行放大器110的正极128连接电压分路配置中的电阻106和108，电阻106和108串联在正温度系数器件104的后面，在电池充电器101和电池124的高低两端之间。运行放大器110的负输入126与电压不足保护电路103中的比较器120的负输入端130连接，电压参照140分别连接在负输入端126和130并接地。

运行放大器110的输出连接到金属氧化物半导体场效应晶体管114的门，金属氧化物半导体场效应晶体管114的漏极和源极分别与电池124和充电器101的高低电压相连，电压不足保护电路103的比较器120的正输入132连接在电压分路配置中的电阻116和118。电阻116和118串联在电池充电器101和电池124的高低两端之间，比较器120的输出连接到n-通道金属氧化物半导体场效应晶体管122的门，后者的源极和漏极与电池124的低端(接地)串联。

运行放大器110监控它的正负输出之间的电压差别，并相应驱动输出。对于运行放大器，如果正输入的电压大于负输入的电压，运行放大器的输出趋于高，如果正输入的电压小于负输入的电压，运行放大器的输出趋于低。负输入与精度电压参照140相连，电阻106和108构成一个分压桥，使设计者可以选择电压过载的极限。

在一个优选实施例中，电阻106和108被选择为当电池124上的电压达到一个特定阈值时，使运行放大器110的正输入128的电压相等于参考电压。在电压过载的故障状态中，电池124上的电压超过阈值，并且运行放大器110的正输入的电压变得高于电压参照140。运行放大器110放大正输入端128与负输入端126之间的电压差，并在其输出端134提供放大的信号，该信号开启金属氧化物半导体场效应晶体管114。

当金属氧化物半导体场效应晶体管114传导电流时，电池124上的电压被钳住，并明显下降。运行放大器110的正输入128上的电压相应降低，同输出134相同。运行放大器110的输出134的降低造成了金属氧化物半导体场效应晶体管114(它实际上是一个可变电阻)的入口电阻RDs-ON增加，RDs的增加又迫使运行放大器110正输入128上的电压升高，这一在输入128上所发生的电压的反复升降一直持续到达到平衡，输出电压驱动金属氧化物半导体场效应晶体管114的门，使电阻108上的电压等于电压参照140。

对于电压过载的状态，金属氧化物半导体场效应晶体管114开启，旁路稳压器105耗散能量，再通过热传输至正温度系数器件104。如上所述，当正温度系数器件104的温度达到它的跳闸温度，它的电阻将极大地提高，因而阻挡流经金属氧化物半导体场效应晶体管114的电流。这样功耗由旁路稳压器105和正温度系数器件104分担，以防金属氧化物半导体场效应晶体管114由超高温度而损坏。

电压不足保护电路103的工作方式与电压过载保护电路102有某些相似。比较器120的负输入130与电压参照140相连，比较器120的正输入与包括电阻116和118的分压电桥相连，监控电池124上的电压并实际上设置了电流不足的极限。比较器120的输出138驱动N通道场效应晶体管122的门，与负载串联。

在正常运行情况下，电池124上的电压高于电压不足的极限，并且比较器120的正输入针132上的电压高于参照电压，因此比较器120的输出138趋于高，晶体管122开启，使得电池124通过负载放电。当电池124上的电压降到预先选择的电压不足极限以下时，比较器120的输出138趋于低，晶体管122关闭，电池124与负载断路。电池124的充电又使得停止电压不足保护，电池上的电压一旦超过了电压不足极限，晶体管122重新开启，允许放电。

在电压过载的故障状态下，运行放大器110的输出趋于高位，并因此启动N-通道场效应晶体管114。尽管这里讨论的是N-通道场效应晶体管，也可以使用运行放大器，它在故障时提供一个低输出并驱动P-通道场效应晶体管的门。类似地，也可以使用比较器，它在电压不足时提供一个低输出电压并用它驱动与负载串联的P-通道场效应晶体管高端的门。运行放大器110、比较器120、金属氧化物半导体场效应晶体管114和122的配置是灵活的。另外，电池装置的设计者可以随意选择电压过载和电压不足极限，以满足任何需要。

对于电池充电电路，需要防止电池反向充电或反向电荷积累。反向电池充电发生在有害电流与电池应充电的方向相反的方向运动。反向电流不仅降低了充电电路的效率，还会造成电池的损坏。优选保护电路69的一个优点是它的电流极限特性还能阻挡有害反向电流流动。

参见图25，所有通过旁路稳压器金属氧化物半导体场效应晶体管51聚集的反向电流将通过其体二极管148传导。其中，一定流量的反向电流将经二极管148开辟导热通路，因而由于电流的功耗产生旁路稳压器50的欧姆热。由上面的详细讨论，热量经热通路(由箭头151表示)从旁路稳压器50至正温度系数器件62，直到正温度系数器件达到它的翻转温度并跳闸，因而充分地阻挡反向电流。

如果还需要另外的保护，例如体二极管148不能接受大功耗的情况，最好与体二极管148串联另一个二极管电阻152(如图26所示)(即，在金属氧化物半导体场效应晶体管硅器件中)，用以在传导反向电流时产生热。另外产生的热量有助于开辟至正温度系数器件62的热通路，而不仅仅依赖体二极管148，重要的是，不需要二极管148像正温度系数器件62跳闸那样消耗那么多功率。实际上，经二极管电阻152的阻力通路可以增加金属氧化物半导体场效应晶体管51的可靠性和预期寿命。另外，由于电阻152可以比单独的体二极管产生更多的热，能更快地开辟通向正温度系数器件62的热通路。

图27是图26保护电路中与附加电阻串联的用作旁路稳压器的优选金属氧化物半导体场效应晶体管器件170的剖面图。金属氧化物半导体场效应晶体管170设计为它的通道164将产生热。其中，一个正温度系数器件156通过传导框158与N-型硅166相连，图16的二极管/电阻组合148和152可以由p-n结实现，其中，二极管的电阻可由晶体管中的体通路决定。为了使体通路更加具有阻力，可将通路做得更长。为了提高体通路的电阻，体触点160的位置远离通道164。如果体极到漏极二极管正向偏置，如装置170中源极162和漏极163所分别配置的情况，P-漂移区168会在传导电流时被加热。

如果常规金属氧化物半导体场效应晶体管的二极管没有附加电阻，一个正向偏置的二极管就会在产生足够的热使正温度系数器件跳闸以前损坏元器件。通过采用有更多电阻的二极管，就能产生更多的热用以开辟导出反向电流的热通路。更高电阻的二极管的配置提供了更高的击穿点，这在某些实施例中，可以使热通路更迅速地产生。“智能”半导体器件的另一个优点是，发生故障后正温度系数器件仍然能够行使职责，有效地阻挡破坏性电流。

根据所公布发明的另一个方面，图28和29显示了防止反向电池充电的优选半导体装置——将通道电流限制在“反向的”的方向可接受的水平，而在“向前的”方向提供一个小欧姆电阻。

详细地说，图28画出了顶触点451和底触点452与结型场效应晶体管区域454相连接的扩散结构450。顶触点与一个金属或欧姆触点453连接。当顶触点451相对于底触点452正向偏置时，大电流将流过结型场效应晶体管区域454。这一正偏置以图30中的曲线段458表示。如果电压反向，(即，顶触点451相对于底触点452为负)，流过结型场效应晶体管区域454的电流将开始具有欧姆行为。

反向偏置由图30中的曲线段457表示。随着反向电流增加，区域455和456之间的pn结开始增加反向偏置，反向偏置开辟一个损耗区，进一步阻挡流经结型场效应晶体管区域454的电流。这一约束是电流将反向电流的最大值限制在可以处理的水平。

图29画出了顶触点461和底触点462与结型场效应晶体管区域464相连接的沟槽结构。顶触点与一个金属或欧姆触点463连接。当顶触点461相对于底触点462正向偏置时，大电流将流过结型场效应晶体管区域464。这一正偏置以图30中的曲线段458表示。如果电压反向，(即顶触点461相对于底触点462为负)，流过结型场效应晶体管区域的电流464将开始具有欧姆行为。反向偏置以图30中的曲线段467表示。随着反向电流增加，门效应在沟槽通道465里面开辟一个损耗区，损耗区进一步阻挡流经结型场效应晶体管区域454的电流，将反向电流的最大值限制在可以处理的水平。

再次参见图16，限制正温度系数器件62和旁路稳压器50的电流前后保护着电池24免遭充电不足或受到电压过载状态的影响。当发生电压过载的状态，多余的功率必须从旁路器件50(特别是金属氧化物半导体场效应晶体管51)耗损掉，以避免设备的任何损坏或短路。

尤其是，为了保护电池24，旁路稳压器件50必须能够经受大电流的冲击，直到正温度系数器件62跳闸。以前讨论过的一个使这种冲击最小的办法是设计正温度系数器件62在比较低的温度跳闸。但是这种办法有局限性，正温度系数器件62必须在电池正常工作情况下(即，充电或放电)允许传导足够大的电流，不会因为内部欧姆热跳闸。

一般地，对于不需要经受高功率或高电压的保护电路，可以使用价格较低的器件，也可以使用布局较简单的电路(即，“硅器件)。

正如已经说明的那样，随着电流流进稳压器，稳压器发热并提高正温度系数器件的电阻，限制稳压器中的电流。稳压器和正温度系数器件中的电流稳定在各个器件上的功耗足以维持正温度系数器件处于其电阻与温度(即，“R(T)”)曲线上陡峭部分的取值上(例如，使用Raychem VTP210正温度系数器件的1至1.5瓦)，这一技术适合在比较小和中等电流过载的状态下防止对于稳压器的损坏。

但是，对于电流会达到高值的更高功率瞬时现象，来自稳压器的热量使正温度系数器件跳闸的延迟取决于热流到正温度系数器件的热时间系数。由于这个滞后，稳压器的硅可以达到非常高的温度，在正温度系数器件跳闸前就可能被损坏。虽然可以加大稳压器硅的尺寸以应付大电流的冲击，但将会明显提高器件的价格。

图31画出了使用旁路稳压器182和正温度系数器件184的电池180的保护电路。因为器件并联，电池180上的电压必须和旁路182上的相同。实际情况和理想情况不同，器件的钳位区不能如图32所示的那样绝对垂直。对于流进稳压器的电流，其上的电压必须提高一个小ΔV，因为这一小ΔV也会加在电池180上，电池180将要充电并从电源186汲取部分电流。这一增加的电流流经正温度系数器件184，并帮助跳闸。ΔV越大，流过电池180的电流也就越大，正温度系数器件184也就会通过热连接188更快跳闸。

对于瞬间的状态，电池180可以想象成一个电压源(或者一个非常大的电容)，其串联电阻相等于电池180的内部电阻。电压源(或电容)的电压相等于瞬间状态发生前电池180的电压。作为一个例子，如果电池的内部阻抗为0.1欧姆，电压从1伏特提高ΔV，电池将从正温度系数器件多汲取10安培，流经稳压器的电流将会是I-V曲线(参见图32)上在较高电压处的电流。电压较高时，流经正温度系数器件184的全部电流将增大，就会使跳闸比没有电池180时的情形更快。

如果具有缓斜的钳位区的稳压器用于在瞬间状态下保护硅器件，但在慢变化故障中会对电池180的性能有负面影响。如果电压升高非常缓慢，就会出现问题，因为电压缓慢升高会使电池180“点滴式充电”，电压升高时电池两端就不会出现大的ΔV。电池电压将沿着稳压器的I-V曲线，直到稳压器传导了足够多的电流使正温度系数器件加热并跳闸。但是在某些情况下，额外增长的电压将明显降低电池的性能或损坏电池180。实际上，为了获得最佳性能，I-V特性必须尽可能陡，以防电池180由于“点滴式充电”而充电过度。

因此，同时就有两个要求。一方面，高故障瞬间需要大的硅器件或缓斜的钳位区，另一方面，慢变化故障则需要更加陡峭的钳位区。理想状态下，答案是制作一个具有如图33所示的I-V特性的器件。对于小电流故障，比如电压缓慢上升的状态，器件的作用如同一个钳子，防止电压升过钳位电压。为了使正温度系数器件跳闸的流经器件的最小电流位于陡峭的部分190。对于低压电流的慢变化故障，器件应像极陡峭钳位区190的钳子那样工作。对于大电流的故障，钳位将电流限制在设定值192并允许电压升高。连接电池后，电压的这一升高将从电池汲取大电流并帮助正温度系数器件跳闸。正温度系数器件一旦跳闸，保护装置和电池上的电压将会降低，此时可以获得的电池和装置上的最大电压就是在陡峭区域190上的电压。值得注意的是，因为正温度系数跳闸所需的最小电流是在曲线的陡峭区域，是不能出现持续的电压过载状态的。

在图34中的优选保护电路中，运行放大器200分别监控其正负输入202和203之间的电压差，并相应地驱动输出206。如果在其正输入202的电压大于在负输出204的电压，运行放大器输出206就趋于高位，如果在正输入202的电压低于在负输入204的电压，运行放大器200的输出206趋于低位。负输出连接到电压参照208，电阻210和212组成一个分压电桥，使得设计者可以选择电池222的任何电压过载极限。

尤其是，运行放大器200调整场效应晶体管214的门电压，强迫器件具有一个钳位IV特性。图35画出了一个n-通道场效应晶体管的一组I_d-V_ds特性。如图所示，V_gs可以沿着垂直线216调节，获得钳位性能。根据门-源电压，漏电电流可以在特定的漏-源间电压上任意取值。

为了获得所需特性，场效应晶体管214的门206的电压可以设置为不超过一个设定值，例如，可以如图36通过钳位门电压而实现。

尤其是，图36画出了与图34相同的电路，只是齐纳二极管220接在输出206和接地之间。加进齐纳二极管，场效应晶体管214的门206的电压就受到限制。齐纳二极管220有效地钳位场效应晶体管214的门电压，使得电池222上的电压上升并向电池222引导更多的电流。如图37所示，V_gs可以调整为具有钳位性能以及钳位206上的电压，使场效应晶体管在饱和状态下工作。

这一方法的关键是电路实际上引导功率至电池而远离场效应晶体管214。这一方法承认在某些配置中电池222可以在一段设定的时间内轻松地从206吸收一些额外的电压以及电流，通过吸收额外的电压以及电流，场效应晶体管得到保护。由于降低了对场效应晶体管214的性能要求，可以使用价格较低或体积较小的场效应晶体管。

与电池222串联的正温度系数器件224还将遇到大电流，当正温度系数器件224遇到大电流时，正温度系数器件跳闸更快，并更加有利于耗散功率。用这个方法，当电池面临更高的电压和电流时，正温度系数器件会在电池222面临任何损坏电池的功率以前跳闸耗散功率。简而言之，电池222所遇到的任何大电流也会通过正温度系数器件224，这些大电流会在电池222面临有害的功率水平以前使正温度系数器件跳闸。

尽管图37所示的I-V特性表示了一种配置，更加优化的方式可以通过改变I-V特性在垂直面226的后面获得，图38所示就是几种可能的I-V特性。通过降低钳位区后的电流，降低了在瞬间状态中的器件上的功耗，还可以进一步减小硅器件的大小。

以上的方法利用了电池222在正温度系数器件跳闸以前可以承受一些额外的电流和电压水平的优势。同这里讨论的任何的实施例一样，为了保证电池222不会遇到由于额外电压以及电流水平或稳压器的故障造成的损害性的功率水平，可以使用热保险丝或稳压器保险丝隔离电池。

参见图39，一个优选电池保护电路由一个三端电池保护装置229实施，它一般包括一个与一个金属氧化物半导体场效应晶体管稳压器开关232热学连接的正温度系数器件236。其中，保护装置229的第一极231连接在外接充电源或放电负载(图中未示出)的正端，接在正温度系数器件236的输入端。保护装置229的第二极233将正温度系数器件236的输出端和金属氧化物半导体场效应晶体管稳压器232的漏极连接在电池(图中未示出)的正端，保护装置229的第三极235将电池的负极连接到稳压器232的源极和充电源或放电负载的接地端。

由箭头234所示，稳压器232的漏极同时构成一个端点和至正温度系数器件236的电学连接。例如结合线或焊接结合的保险丝230与第二极233串接，作为保护电池的最后一道措施。

为了更清楚地解释这里所述发明的另一个方面，现在说明装置229的各种变化。

参见图40和图41，在保险丝230的位置(或附加的)可以与金属氧化物半导体场效应晶体管稳压器再串联一个正温度系数器件237，在稳压器232故障或短路时提供进一步的保护。值得注意的是，这个附加的，或“并联的”正温度系数器件237可以连接到金属氧化物半导体场效应晶体管稳压器232的源极(参见图40)或漏极(参见图41)。在一个优选实施例中，并联的正温度系数237器件配置为在电流经过稳压器232产生足够的欧姆热造成稳压器232故障或短路以前跳闸。

尽管并联正温度系数器件237不会提高装置229所保护的电池222所遇到的通路电阻，如果并联正温度系数器件237由于过热或其他故障在电池222正常工作时无意跳闸，稳压器232将不再与电池两端连接。减少这种情况发生的一个办法是使并联正温度系数器件237比串联正温度系数器件236具有较高的转换温度(即较高的阈值跳闸电流)，以保证串联正温度系数器件236在并联正温度系数器件237之前跳闸。在这种情况下，并联正温度系数器件237在串联正温度系数器件236跳闸后仍然起着保护作用，防止电池222通过稳压器232进一步放电。

如图42所示，增加并联正温度系数器件237后，金属氧化物半导体场效应晶体管稳压器232最好设置为通过路径239监控电池上的电压，而不计并联正温度系数器件237的附加电阻。

现在再来看这里本发明的另一个方面，人们一般都知道锂离子电池要避免过度放电。图43代表一个典型的用来避免电池472过度放电的现有技术电路470，其中，具有门电阻473的场效应晶体管471与电池472和负载474串联。一旦达到预先设置的低电池电压，场效应晶体管471即自动关闭，因而防止了电池472通过负载474继续放电。但是，在电池的放电过程，场效应晶体管471面临着相对高的功耗，温度可能升高到超过可以接受的水平。这样，热应力就会损坏场效应晶体管471，以致过度放电保护电路470也就停止作用。

参见图44，是一个优选过度放电保护电路480，它还在过度充电时提供保护，采用的是一个场效应晶体管器件481与电池482和负载483串联。其中，场效应晶体管481的源极488连接负载483的输出，漏极489连接电池482的负极，电池482的正极连接负载485的输入，这样，当场效应晶体管481开启时，电池482将通过负载483放电。

将正温度系数器件484分别与电池482和负载483并联，插入反向放电保护电路480。场效应晶体管481的门极487连接在分压配置正温度系数器件484和电阻485的中间。正温度系数器件484和电阻485各自的(低温)电阻的分配使得，只要电压保持在电池482的全放电水平以上，场效应晶体管器件481的门极487所接受的电压将维持装置开启。在一个优选实施例中，对于典型的可充电锂电池组，正温度系数器件484的低温电阻选择为大约10千欧，电阻485的值是1兆欧。

根据所述发明的这一方面，正温度系数器件484与场效应晶体管器件481热学连接，作为进一步的保护，以防电池482在过度充电状态下场效应晶体管器件481发生故障。当正温度系数器件484上的电压，因此，也就是场效应晶体管器件481上的电压接近要使场效应晶体管器件481发生故障的水平，流经正温度系数器件484的电流将足以使器件484加热到它的跳闸温度，一旦正温度系数器件484跳闸到它的高电阻状态，器件484上的电压将迅速下降到场效应晶体管器件481的阈值门电压以下，引起场效应晶体管关闭。

在一个优选实施例中，正温度系数器件484、场效应晶体管器件481和电阻485的取值，使得正温度系数器件484在场效应晶体管器件481由于电流增大造成过度充电的状态可能引起场效应晶体管器件481故障以前，就跳闸至高电阻并关闭场效应晶体管器件481。以示例来说明，在用于保护可充电锂电池的优选实施例中，正温度系数器件484具有约10千欧的(非翻转的)电阻，电阻483为大约1兆欧。值得注意的是，保护电路480可以通过修改电阻484和485的比例优化多种配置和场效应晶体管特性。

根据所述发明的另一个方面，现在再来说明可充电电池保护装置及其制造组装的优选方法。

参见图45-图47，是一个优选的包括一个正温度系数芯片242的三极电池保护装置240，其与一个金属氧化物半导体场效应晶体管稳压器244热学和电学连接。

正温度系数芯片242包括一层正温度系数材料246，其正面覆盖着第一金属电极层248，反面覆盖着第二金属电极层250。金属电极层248和250分别覆盖着一层绝缘膜249和251。绝缘膜251在正温度系数芯片242的一端空缺，露出金属电极层250的一部分，构成保护器件240的第一极。临近第一极262对面绝缘膜249的另一端，有一个矩形窗口252，露出金属电极层248的一部分，稳压器244由焊接处253固定其上。

根据图16的保护电路69，稳压器244包括集成在一块硅冲模254上的一个金属氧化物半导体场效应晶体管开关和一个精度控制电路。硅冲模254固定在散热片256上，后者与金属氧化物半导体场效应晶体管开关的漏极电学连接。而散热片又通过焊接处253与正温度系数芯片242的金属电极层248电学与热学连接，散热片256还与一根从稳压器244引出，并绕过正温度系数芯片242电极262对面一端的外接导线258电学连接。金属氧化物半导体场效应晶体管开关的源极与第二根外接导线259电学连接，这根导线259亦临近导线258并以同样的方式从稳压器244引出，导线258和259分别构成保护装置240的第二和第三极。

当保护装置用于可充电电池(图中未示出)，第一极262连接到电池充电装置或放电负载装置的正极，第二极258连接到电池的正极，第三极259同时连接电池组的负极和电池充电装置或放电负载装置的负极。按照这种排列，分别通过金属电极层250、正温度系数材料246、金属电极层248、焊接处253、散热片256，从第一极262到组件240的第二极258构成一条导电通路。如果金属氧化物半导体场效应晶体管通道被激活(即，在电压过载的状态下)，分别通过金属电极层250、正温度系数材料246、金属电极层248、焊接处253、散热片256、金属氧化物半导体场效应晶体管开关通道，从第一极262到第三极259也构成一条导电通路。

组装装置240时，在正温度系数芯片242的金属电极248上固定稳压器244的过程可以很容易地与制造正温度系数芯片242的熟知过程集成在一起。尤其是，正温度系数材料246的构成要根据所需的性能特性，例如，导电性、翻转温度等等，然后再一次根据性能特征，例如热质量，形成所需厚度的一片。金属电极层248和250是由例如镍、铜或合金的箔片分别压制在正温度系数材料246薄片的上下两面形成，绝缘薄膜层249和250是丝网印刷在相应的金属层248和250上。这层是有选择地遮光的，经过曝光，再去掉遮挡材料的未曝光部分，露出电极层的部分作为正温度系数芯片242的相应电极。

薄片然后根据选择的尺寸切成多块正温度系数芯片242。优选正温度系数器件的制作过程和方法的更加详细的细节公布在美国专利第5,852,397号和第5,831,150号，该专利的全部内容均作为本文参考内容。

作为以上所述制造过程中遮光步骤的一部分，绝缘薄膜层249的窗口252可以根据相应的正温度系数芯片242取任何合适的形状。举例来说，图48所示为在正温度系数材料246的薄片270上外加金属电极层248和绝缘薄膜249，薄片270上的所示图线271用于划分各自单独芯片242，窗口252开在每块正温度系数芯片242的绝缘薄膜249上，露出金属电极层248的一部分。窗口252实际上是分别用来安装稳压器件244的衬底。

为此，将焊接材料253置于每个窗口中暴露的金属电极层248上，各稳压器件240的散热片256放在焊接材料253的上面，将正温度系数薄片270处于足够的热量下使焊接材料253熔化，窗口252的大小刚好使得在熔化过程中，各散热片256可以在窗口252“对齐”。一旦完成了熔化过程，沿线271从薄片270上切下每一个器件240。熟悉本技术的人不难看出，以上所列的制造步骤的顺序不是唯一的可行办法，还可以更换次序而不脱离这里所述的发明概念。以示例来说明，也可能需要在使焊料熔化以前将每一个稳压器件240从薄片上切开。

参见图49和50，采用铸模过程制造三极装置240外壳的优选过程如下：

由弹性的导电金属，例如铜、镍或铝，制造的传导框300包括一对平行的框架302和303，将框架向前插进铸模机(图中未示出)，沿框架分布的孔用于传导框300的调整(或对准)，框架302和303由横跨支撑器301互相分开，横跨支撑器301既能使框架302和303的距离相等，又能把传导框300等距隔开，区段305反复重复。

第一接头片304最好采用与传导框300相同的弹性材料制作，从框架302延伸进每一个区段305。类似地，第二和第三接头片306和308最好也是用与传导框300相同的弹性材料制作，相互极为平行地从框架303延伸至每一个区段305。其中，各接头片304、306、308的设置要适合整体装配三极保护装置240铸模外壳314的要求，它们最好有弹力，能弯曲，可以构成各种尺寸和配置的电极。

如图50所示，装置外壳314在传导框300的每一个区段305环绕接头片304、306、308构成，其中，每一个接头片304、306、308的末端伸在外壳314里面。根据已知的铸模技术，多个装置外壳可以同时构成。在铸模过程之前，接头片304、306、308的末端可以弯曲成最佳位置，以便与放置在做好的外壳314里面的装置240电学连接。这一弯曲还可以使外壳314的壁角增加强度。

参见图51，一旦外壳314充分固定，即，取走各自的框架302和303以及横跨支撑器301，装配好的三极装置240放进每一个外壳314。其中，装置240放进外壳314使得第一极262、第二极258、第三极259分别与接头片304、306、308伸出的末端电学连接。或者，在每一个外壳314里放进正温度系数芯片242和稳压器件244得到相同的功能。端子262、258、259可以连接(例如，通过焊接)到相应的接头片304、306、308上，或者依靠机械接触。但是如果各自的电学连接依靠的是机械接触，接头片304、306、308应具有足够的弹性，依靠内部弹簧力固定在各自的端子262、258、259之上。

然后如图52所示，铸模或用其他方法完成一个非电学传导的罩子315，盖在外壳314的开口上，同时保护和绝缘装置240。外壳314的尺寸最好能紧凑地适合装置240。重要的是，外壳不能限制装置240，更不能对其施加压力，因为正温度系数芯片242在加热时必须能够扩展(例如至大约10％)才能正常工作。

一旦装置240密封在各自的外壳314中，接头片304、306、308就各自成为通路，——即，接头片304设置为连接电池充电装置或放电负载装置的正极，接头片306设置为连接电池的正极，接头片308设置为同时连接电池的负极和相应充电装置或放电负载装置的负极。接头片304、306、308的灵活性使之可以更加方便地固定到相应的电池正负极(例如，通过点焊)以及充电装置或放电装置的电学接头。

在另一个可替换的实施例中，装置240可以罐装而不是放在外壳314中。根据所需的性能特性，所选的制罐材料应分别是热传导或热绝缘的。

本领域的技术人员不难看出，铸模外壳314可以另外由其他非电学传导材料构成，例如，塑料或陶瓷。所选材料的特性，以及外壳的尺寸(即，厚度)应根据诸如价格、实用性、“模制能力”(即，材料注入后多久才能固化)、强度、热传导性以及其他因素选择。这样的设计考虑还包括装置绝缘的需要和重新运转的需要。重要的是，外壳材料不会对装置240的正温度系数芯片242的翻转特性有材料上的干扰。

尤其是，翻转时间是一旦器件出现了故障，该器件转换到高电阻状态要用的时间量。如果包装材料的热传导性过低，正温度系数器件242就可能在正常工作状态下过热，引起不期望的(“麻烦”)翻转发生。另一方面，如果包装材料采用热传导性过高的材料制作，正温度系数器件242在电压过载、电流过载的状态下可能翻转过慢。

外壳的材料选择和大小还应考虑将来运行装置240的环境，典型的设计考虑包括将来的电压和电流运行条件，波动电流的比例、在正常充电/放电下电池组内部的最大工作温度、预计的环境工作温度的范围。

三极装置240的一大优点是它可以与电池组热学连接，因而还能提供过热保护。如果装置240放在外壳314内，由电池组到装置240形成导热通路的能力也必须考虑在内。

图53-图55画出了用于上述由铸模过程制造三极装置240外壳过程的其他的传导框设置320和320’。

参见图53，与传导框300相同，传导框320最好由弹性导电的金属制作，例如铜或铝。框320含有一对平行的框架322和323，设置为通过前移孔330向前插入铸模机(图中未示出)，框架322和323由距离相等的支撑器321互相分开，支撑器不仅使框架322和323的距离相等，还能使传导框320等距隔开成交替的区段325a和325b。其中，325a和325b互为镜像。

在区段325a中，第一导电接头片324从框架322伸出，第二导电接头片326从框架边缘323伸出，第三导电接头片328从横跨支撑器构件321伸出。在区段325b，接头片324从框架边缘323伸出，接头片326从框架边缘322伸出。值得注意的是，导电接头片328也从横跨支撑器321伸出。其中在传导框320中，每隔一个横跨支撑器321连接着相邻区段325a和325b的各自接头片328，而另外的隔一个的横跨支撑器321上没有连接。

再参见图55，在第二个可替代的优选传导框320’中，各区段325’不是镜像，而是反复重复。换句话说，除了相隔的横跨支撑器321’支撑一个相邻区段325’的接头片328以外，传导框320’与传导框320完全一样。

同传导框300上的接头片304、306、308一样，接头片324、326、328最好采用与传导框320相同的弹性金属制作，其中，各接头片304、306、308的设置要适应整体装配三极保护装置240铸模外壳的要求，接头片324、326、328最好有弹力，能弯曲，可以构成各种尺寸和配置的电极。

如图54和55所示，装置外壳334在传导框320的每一个区段325a和325b环绕接头片324、326、328构成，其中接头片324、326、328的末端伸在外壳334里面。在铸模过程之前，就把接头片324、326、328的末端弯曲成最佳位置，以便与放置在做好的外壳334里面的装置240电学连接。其中，接头片328的末端部分329弯成使模制外壳334的“底壁”围住(即，电绝缘)全部只留出末端(在图54和图56中以虚线表示)的形状。同外壳314一样，这一弯曲还可以使外壳334的各壁角和底壁增加强度。

值得注意的是，无论使用传导框320还是320’，完成的外壳334都一样。一个完成的外壳334，除去各框架322和323以及横跨支撑器321，画在图56中。本领域的技术人员不难看出，外壳334与外壳314的差别是连接到装置240接地极(或负极)259的接头导片328从外壳334的侧面伸出，而不是从末端伸出。这一变化的外壳构造为三极装置240固定到可充电电池组的方法提供了灵活性。

图57-图58画出了上述三极保护装置的一种可替代优选实施例340。就像保护装置240，保护装置340包括一片正温度系数芯片342，芯片与一个金属氧化物半导体场效应晶体管稳压器344热学与电学连接。正温度系数芯片342包括一层正温度系数材料346，其正面覆盖着第一层金属电极层348，反面覆盖着第二层金属电极层350。金属电极层348和350分别又覆盖着一层绝缘膜349和351。

同装置240中一样，绝缘膜351在正温度系数芯片342的一端空缺，露出金属电极层350的一部分，构成保护器件340的第一极341。与装置240不同的是，绝缘膜351在正温度系数芯片342的另一端也有一部分空缺，露出金属电极层348的一部分363，构成装置340的第二极361。临近芯片第二极同一端的绝缘膜349上，有一个矩形窗口352，露出金属电极层348的一部分，在此稳压器344由焊接处353固定。

与装置240中的稳压器244一样，稳压器344包括集成在一块硅冲模354上的一个金属氧化物半导体场效应晶体管开关和一个精度控制电路。冲模354固定在散热片343上，与金属氧化物半导体场效应晶体管开关的漏极电学连接。而散热片343又通过焊接处353与正温度系数芯片342的金属电极层348电学与热学连接。金属氧化物半导体场效应晶体管开关的源极与一根从稳压器344引出的外接导线345电学连接，外接导线345构成保护装置340的第三极。

当保护装置340用于可充电电池组(图中未示出)，第一极341连接到电池充电装置或放电负载装置的正极，第二极361连接到电池的正极，第三极345同时连接电池组的负极和电池充电装置或放电负载装置的负极。按照这种排列，分别通过金属电极层350、正温度系数材料346、金属电极层348，从第一极341到第二极361构成一条导电通路。如果金属氧化物半导体场效应晶体管通道被激活(即，在电压过载的状态下)，分别通过金属电极层350、正温度系数材料346、金属电极层348、焊接处353、散热片343、金属氧化物半导体场效应晶体管开关通道，从第一极341到第三极345也构成一条导电通路。

参见图59-图62，根据这里所述发明的另一个方面，是用一种柔性印刷电路板(“pc板”)350，利用一个孔351，将安装在印刷电路板350的正面356的金属氧化物半导体场效应晶体管稳压器354与安装在印刷电路板350第二个(底)面358的正温度系数芯片352固定在一起。

图62所示更加清晰，正温度系数芯片包括一层正温度系数材料371，它的正面覆盖着第一层金属电极层370，第二个(即，反)面覆盖着第二金属电极层372。金属电极层370和372分别包裹着一层绝缘膜377和378。孔351下的绝缘膜377有一部分空缺，露出金属电极层370的一部分，在此稳压器354的散热片396由焊接处357固定。

在临近正温度系数芯片352的一端，去掉绝缘层377的另一部分，露出金属电极层370的另一部分，这里与印刷电路板表面358上的第一导线360相连。在正温度系数芯片352的另一端，金属通路382将金属电极层372连接到金属电极层370同一面的小电极区394。缝隙380将电极区394与金属层370电学绝缘。电极区394连接到印刷电路板表面358的第二导线362。用这种方法，一端通过电极370与面导线360的连接，另一端是电极394和面导线362的连接，正温度系数芯片352固定在印刷电路板表面358。

稳压器由第一导线355和第二导线392牢牢固定在印刷电路板350的正面356。其中，导线355和导线358分别连接到印刷电路板侧面356的第一垫片390和第二垫片391。垫片390电学连接到印刷电路板表面356的第三根导线364。用这种方法，稳压器器件由连接导线355和392，以及散热片396到正温度系数芯片352之间的焊接处357牢牢固定在印刷电路板表面356。值得注意的是，导线355还连接到金属氧化物半导体场效应晶体管开关398的源极。

当固定到可充电电池组上时(图中未示出)，印刷电路板导线362设定为连接到电池充电装置或放电负载装置的正极；印刷电路板导线360设定为连接电池的正极；印刷电路板导线364设定为同时连接电池的负极和电池充电装置或放电负载装置的负极。分别通过金属电极层372、正温度系数材料371、金属电极层370，从导线362到第二极导线360构成一条导电通路。如果金属氧化物半导体场效应晶体管通道被激活(即，在电压过载的状态下)，分别通过金属电极层372、正温度系数材料371、金属电极层370、焊接处357、散热片396、金属氧化物半导体场效应晶体管开关通道和源极398、以及导线355，从导线362到导线364也构成一条导电通路。

图59-图62的实施例的一个优点是正温度系数芯片352可以方便地直接安装在电池组的外套，使得正温度系数芯片352在温度过高状态下对电池组提供保护(即，从电池外壳导热)。

尽管显示和说明了对可充电元件提供电压过载、电流过载和/或温度过高保护的优选线路、器件和方法，对本领域的技术人员不难看出，还可能有许多种修改和应用而不偏离这里的发明概念。

举例来说，尽管上述优选实施例直接涉及三极装置实施例，本领域的技术人员显然不难看出，这里所述的发明还可以实施在不同数量的多极和针式的几何配置。

另外，尽管上述优选实施例一般针对的是保护电路和系统，本发明概念还可以应用到电压稳压器电路，例如，作为电池充电系统的一部分。本领域的技术人员不难理解，实施在上述保护电路中的正温度系数器件必须要根据在电压稳压器应用中的经常温度翻转和重置进行调整。

Claims (44)

1.一个用于充电器和可充电元件的保护电路，包括：

一个与可充电元件两端并联的具有第一极和第二极的旁路稳压器，该旁路稳压器具有阈值开启电压；以及

一个与旁路稳压器热学和电学连接的第一可变电阻，该第一可变电阻具有用于串联连接充电器的第一极和用于串联连接可充电元件的第二极，

其中，该第一可变电阻在电压过载或电流过载条件下，能在电流达到足以造成旁路稳压器故障的水平以前限制流过旁路稳压器的电流。

2.根据权利要求1所述的保护电路，其中，第一可变电阻当加热至一特定的转换温度时会从比较低的电阻转换到比较高的电阻，并且其中，以预先决定的水平流经旁路稳压器的电流在旁路稳压器中产生欧姆热使得第一可变电阻充分地达到其转换温度。

3.根据权利要求1所述的保护电路，其中，第一可变电阻包括一个正温度系数器件。

4.根据权利要求1所述的保护电路，其中，旁路稳压器包括一个晶体管开关。

5.根据权利要求4所述的保护电路，其中，旁路稳压器还包括如果可充电元件两端的电压达到阈值开启电压就启动晶体管开关的控制电路。

6.根据权利要求5所述的保护电路，其中，控制电路包括第一和第二电压检测电路，第一电压检测电路的漏电较低，第二电压检测电路比较精确，其中，第一电压检测电路设置为如果可充电元件两端的电压接近阈值开启电压就启动第二检测电路，并且其中，第二电压检测电路配置为如果可充电元件两端的电压达到阈值开启电压就启动晶体管开关。

7.根据权利要求5所述的保护电路，其中，控制电路包括一个具有输出与晶体管开关的启动门相连接的运行放大器，并且还包括一个与运行放大器输出相连接的电压钳位元件，钳位元件从而固定启动门电压。

8.根据权利要求7所述的保护电路，其中，钳位元件包括一个齐纳二极管。

9.根据权利要求4所述的保护电路，其中，晶体管开关被控制为具有如图14所示的电流-电压关系。

10.根据权利要求4所述的保护电路，其中，晶体管开关被控制为具有如图15所示的电流-电压关系。

11.根据权利要求4所述的保护电路，其中，晶体管开关被控制为具有如图16所示的电流-电压关系。

12.根据权利要求4所述的保护电路，其中，晶体管开关具有热补偿电压特性。

13.根据权利要求12所述的保护电路，其中，晶体管开关具有如图17所示的温度-电压关系。

14.根据权利要求1所述的保护电路，还包括电压不足保护电路。

15.根据权利要求14所述的保护电路，其中，电压不足保护电路包括一个具有阈值开启电压的晶体管开关，并且其源极和漏极被配置为串联连接在充电器和可充电元件之间。

16.根据权利要求15所述的保护电路，其中，电压不足保护电路还包括控制电路，被配置为如果可充电元件两端的电压等于或大于一个所选的最小电压就将晶体管开关开启，并且如果可充电元件两端的电压降到低于所选的最小电压就关闭晶体管开关。

17.根据权利要求1所述的保护电路，其中，旁路稳压器包括一个具有相对较高电阻、反向电流的体二极管的金属氧化物半导体场效应晶体管开关。

18.根据权利要求1所述的保护电路，其中，旁路稳压器包括一个带有通道的晶体管开关，如果正-偏置，电流正向流动，负-偏置则反向流动，开关构造成电流正向流动时遇到的电阻较低，电流反向流动时遇到的电阻较高。

19.根据权利要求18所述的保护电路，其中，晶体管开关具有如图30所示的各自的正-偏置和负-偏置的电压-电流关系。

20.根据权利要求1所述的保护电路，还包括一个与旁路稳压器串联的第二可变电阻。

21.保护电路和可充电元件组合起来，包括：

一个与可充电元件并联的电压稳压器，该电压稳压器具有阈值开启电压；以及

一个与可充电元件串联并与电压稳压器电学和热学连接的可变电阻，

其中，可变电阻在电压过载或电流过载情况下能在电流达到足以造成电压稳压器故障的水平以前限制流过电压稳压器的电流。

22.根据权利要求21所述的组合，其中，可变电阻当加热至一特定的转换温度时会从比较低的电阻翻转到比较高的电阻，并且其中，以预先决定的水平流经电压稳压器的电流在电压稳压器中产生足够的欧姆热，使得可变电阻充分地达到其转换温度。

23.根据权利要求21所述的组合，其中，可变电阻包括一个正温度系数器件，并且其中，电压稳压器包括一个晶体管开关器件。

24.一个用于可充电元件的保护电路，包括：

一个智能电路；

一个与智能电路串联的可变限流元件；以及

一个具有用于连接可充电元件的第一极和第二极的电压稳压器，该电压稳压器具有所选的阈值开启电压。

25.根据权利要求24所述的保护电路，其中，限流元件与电压稳压器热学连接。

26.根据权利要求24所述的保护电路，其中，限流元件至少包括正温度系数器件、热保险丝、或双金属闸三者之一。

27.根据权利要求24所述的保护电路，其中，电压稳压器是齐纳二极管或场效应晶体管。

28.一个用于可充电元件的保护系统，包括：

用于检测可充电元件过度充电状态的检测装置；

响应所述检测装置的，用于在过度充电状态发生时旁路可充电元件的旁路装置；以及

响应旁路装置的，用于在旁路装置旁路可充电元件时限制电流流过可充电元件的保护装置。

29.根据权利要求28所述的保护系统，

其中，检测装置包括一个光耦合器的传输元件和一个具有不高于可充电元件最大工作电压的阈值电压的电压控制电阻元件；

其中，旁路装置包括一个所述光耦合器的接收元件；以及

其中，如果在充电操作中，流经电压控制的电阻元件的电流达到预定的将引起可充电元件充电过度的水平时，传输元件被启动，并且使得接收元件旁路可充电元件，这又启动保护装置限制流经可充电元件的电流。

30.根据权利要求29所述的保护系统，其中，保护装置包括一个保险丝和包括齐纳二极管的电压控制电阻元件。

31.根据权利要求29所述的保护系统，其中，保护装置包括一个正温度系数(PTC)器件和包括齐纳二极管的电压控制的电阻元件。

32.根据权利要求28所述的保护系统，

其中，检测装置包括用于检测电压过载状态的电压过载检测装置；

其中，旁路装置包括一个可由电压过载检测装置启动的有源金属氧化物半导体场效应晶体管；

其中，当电压过载检测装置在充电操作中检测到可充电元件的电压达到了预定的水平，电压过载检测装置启动有源金属氧化物半导体场效应晶体管旁路可充电元件，从而启动保护装置限制流经可充电元件的电流。

33.根据权利要求28所述的保护系统，

其中，检测装置包括用于检测电压过载状态的电压过载检测装置；

其中，旁路装置包括一个半导体闸流管，其可由电压过载检测装置启动；

其中，保护装置包括一个连接在充电器和可充电元件之间的保险丝；

其中，当电压过载检测装置在充电操作中检测到可充电元件的电压达到了预定的水平，电压过载检测装置启动半导体闸流管旁路可充电元件，从而使得保险丝熔断，断开可充电元件与充电器的连接。

34.根据权利要求33所述的保护系统，其中，保护装置还包括连接在半导体闸流管和可充电元件之间的第二保险丝。

35.根据权利要求33所述的保护系统，其中，每一个保险丝具有预定的延迟，可在熔断前旁路可充电元件。

36.一个用于充电器和可充电元件的保护电路，包括：

一个具有用于与可充电元件两端并联的第一极和第二极的旁路稳压器，该旁路稳压器包括：

一个具有阈值开启电压的晶体管开关，以及

被配置为当可充电元件两端的电压达到阈值开启电压时就启动晶体管开关的控制电路，该控制电路包括第一和第二电

压检测电路，第一电压检测电路的漏电较低，第二电压检测电路比较精确，其中，第一电压检测电路被配置为如果可充电元件两端的电压接近阈值开启电压就启动第二检测电路，并且其中，第二电压检测电路被配置为如果可充电元件两端的电压达到阈值开启电压就启动晶体管开关。

37.一个用于充电器和可充电元件的保护电路，包括：

一个具有用于与可充电元件两端并联的第一极和第二极的旁路稳压器，该旁路稳压器包括：

一个具有阈值开启电压的晶体管开关，以及被配置为当可充电元件两端的电压达到阈值开启电压时就启动晶体管开关的控制电路，该控制电路包括一个具有输出与晶体管开关的启动门连接的运行放大器，和一个与运行放大器输出连接的电压钳位元件，该钳位元件有效地固定启动门电压。

38.一个用于充电器和可充电元件的保护电路，包括：

一个具有用于与可充电元件两端并联的第一极和第二极的旁路稳压器，该旁路稳压器包括：

一个具有热补偿电压特性的晶体管开关。

39.一个用于充电器和可充电元件的保护电路，包括：

一个具有用于与可充电元件两端并联的第一极和第二极的电压过载旁路稳压器，该旁路稳压器包括一个具有阈值开启电压近似为所选可充电元件最大工作电压的第一晶体管开关；以及

一个具有被配置成串联在充电器和可充电元件之间的第一极和第二极的电压不足保护电路，该电压不足保护电路包括

一个具有阈值开启电压近似为所选可充电元件最小工作电压的第二晶体管开关。

40.一个用于充电器和可充电元件的保护电路，包括：

一个具有用于与可充电元件两端并联的第一极和第二极的电压过载旁路稳压器，该旁路稳压器包括一个具有阈值开启电压近似为所选可充电元件最大工作电压的金属氧化物半导体场效应晶体管开关，和一个电阻较高、反向电流体二极管。

41.一个用于充电器和可充电元件的保护电路，包括：

一个具有用于与可充电元件两端并联的第一极和第二极的旁路稳压器，该旁路稳压器具有阈值开启电压；

一个与旁路稳压器热学和电学连接的第一正温度系数(PTC)器件，该第一正温度系数器件具有用于与充电器串联的第一极，和用于与可充电元件串联的第二极；以及

一个与旁路稳压器串联的第二正温度系数器件，其中，第一正温度系数器件在加热至第一转换温度时由较低电阻转换为较高电阻，以及

其中，第二正温度系数器件在加热至高于第一转换温度的第二转换温度时由较低电阻转换为较高电阻。

42.一个保护电路与电池的组合，该电池具有正极和负极，该保护

电路包括：

一个与可电池串联的晶体管开关，使得当晶体管开关开启时，电池通过负载放电；

一个与晶体管开关热学连接的受温度控制的电阻，并且具有第一极和第二极，该第一极与电池正极相连；以及

一个固定电阻，具有与受温度控制的电阻的第二极相连的第一极，以及与电池负极相连的第二极，该受温度控制的电阻与固定电阻从而相互串联，并与电池并联，

其中，晶体管开关具有一个启动门，以分压器的形式连接在受温度控制的电阻的第二极和固定电阻的第一极。

43.根据权利要求42所述的组合，受温度控制的电阻在一特定转换温度，从较低的第一电阻转换至较高的第二电阻，其中，受温度控制的电阻的第一电阻和固定电阻的电阻值选择为，只要电池电压大于一个所选的最小电压，启动门处的电压将保持晶体管开关开启。

44.根据权利要求43所述的组合，其中，转换温度选择为在电池电压过载情况下，流经晶体管开关的电流将产生足够的欧姆热，在造成晶体管开关故障以前将受温度控制的电阻加热至转换温度。

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