CN102377170B - 保护电路 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种保护电路，其即使在较短的过电流检出期间连续的情况下也可以进行二次电池的电流切断。其具有：过电流检测部，其根据由于在电流检测电阻中流过所述二次电池的电流而产生的电压来检测过电流，输出过电流检测信号；过电流期间判定部，其在根据过电流检测信号检测出过电流时对过电流期间进行累计，当过电流期间累计值超过预定的过电流检测延迟时间时，进行二次电池的电流切断；以及非过电流期间判定部，其在根据过电流检测信号检测出非过电流时对非过电流期间进行累计，当非过电流期间累计值超过预定的恢复延迟时间时，将过电流期间累计值进行初始化，并解除二次电池的电流切断。

Description

保护电路
技术领域
本发明涉及二次电池的保护电路。
背景技术
在以锂离子电池等二次电池作为电源的电动机驱动电路中，一般进行直流电动机的PWM(Pulse Width Modulation)控制。在电动工具等中使用上述电动机驱动电路的情况下，启动时的冲击电流为大电流，在电动机堵转(lock)等过大负荷时，为了防止线圈或PWM控制开关的烧毁，需要检测过电流来进行电池放电的切断等应对。上述进行过电流保护的保护电路除此以外还包含进行锂离子电池的过充电保护以及过放电保护的功能，进行了半导体集成化。
图6表示现有的保护电路的一例的电路结构图。另外，图7表示图6的电路各部的信号波形图。在图6中，锂离子电池10是串联连接多个锂离子电芯(cell)10a～10e的结构。锂离子电池10的正极与保护电路11的VDD端子11a以及输出端子12a连接。
另外，锂离子电池10的负极与保护电路11的VSS端子11g以及电流检测电阻RS的一端连接。电阻RS的另一端与保护电路11的CS端子11h连接，并且与作为保护晶体管的n沟道MOS晶体管MD1的源极以及背栅连接，MOS晶体管MD1的漏极与输出端子12b连接。此外，在输出端子12a、12b间虽未图示，但连接了负载。
保护电路11内的过充电以及过放电检测部13检测锂离子电芯10a～10e各自的过充电以及过放电，生成过充电保护信号以及过放电保护信号，将其中的过放电保护信号从DCHG端子11j输出。
在保护电路11内的过电流检测部14中，从CS端子11h取得由于电流流过电流检测电阻RS而产生的电压，并提供给比较器15的同相输入端子。对比较器15的反相输入端子提供基准电压VR1，该基准电压VR1通过电阻R11、R12对来自恒压电压16的电压Vref进行分压而得，比较器15当CS端子11h的电压超过基准电压VR1时检测出过电流，输出高电平的检测信号Comp_out。
检测信号Comp_out经由变换器17、“或非(NOR)”电路18被提供给开关SW11，在检测信号Comp_out的上升沿时如图7所示，开关SW11接通。另外，检测信号Comp_out经由“或非”电路19被提供给开关SW13，在检测信号Comp_out的下降沿时如图7所示，开关SW13断开。此外，各开关在图7中的高电平期间接通，在低电平期间断开。
通过开关SW11的接通，恒流电路I11的电流从SW11对与保护电路11的Col端子11i连接的电容器C充电。电容器C的充电电压被提供给比较器21的同相输入端子。向比较器21的反相输入端子提供基准电压Vref/2，比较器21当Col端子11i的电压超过基准电压Vref/2时，认为经过了过电流检测延迟时间，输出变为高电平的检测信号DC_delay_out。
高电平的检测信号DC_delay_out从保护电路11的DCHG端子11j被提供给外接的n沟道MOS晶体管MN1的栅极，MOS晶体管MN1导通，由此，MOS晶体管MD1的栅极变为接地电平，MOS晶体管MD1截止，流过负载的电流被切断。另外，检测信号DC_delay_out经由变换器22从“或非”电路23被提供给开关SW12，在检测信号DC_delay_out的上升沿时如图7所示，开关SW12接通。
此外，检测信号DC_delay_out经由“或非”电路24被提供给开关SW14，在低电平的检测信号Comp_out的下降沿时如图7所示，开关SW14接通。
此后，当检测信号Comp_out变为低电平时开关SW12断开，开关SW13接通。通过开关SW13的接通，电容器C经由开关SW13通过恒流电路I12被放电。比较器21当Col端子11i的电压达到基准电压VR1以下时，认为经过了恢复延迟时间，输出变为低电平的检测信号DC_delay_out。由此，MOS晶体管MD1导通，解除电流的切断，在负载中流过来自锂离子电池10的电流。
已知以下技术：在电池组的保护电路上连接的死区时间Tr的设定用电容器上并联连接由用于使死区时间Tr延迟的FET以及电阻构成的延迟控制单元，在未对过电流进行通电的期间使FET导通，使电容器的充电电压放电，从而使死区时间Tr延迟(例如参照专利文献1)。
另外，已知以下技术：根据由使用者设定的速度模式以及触发开关(triggerswitch)的滑动量来设定直流电动机的占空比(duty)，占空比越大将电压检测阈值Vt设定得越低，将堵转判定时间Tr设定得越短，与占空比对应的直流电动机的通电开始后，不更新霍尔信号地经过堵转判定时间Tr，或者当电池电压Vb低于电压检测阈值Vt时判断为异常状态，停止向直流电动机通电，可靠地检测出工具的异常状态(例如参照专利文献2)。
现有电路中，如图7中期间T1所示，当检测信号Comp_out的高电平的期间短时，通过检测信号Comp_out的下降沿，开关SW14接通，进行电容器C的放电，因此过电流检测延迟时间的积分被中止，接下来当检测信号Comp_out上升时电容器C从接地电平开始充电。因此，在高电平的期间短的检测信号Comp_out连续的情况下无法切断二次电池的电流，即存在无法进行过电流保护的问题。
【专利文献1】日本特开2009-283177号公报
【专利文献2】日本特开2009-285805号公报
发明内容
本发明鉴于上述问题而提出，目的在于提供一种即使在较短的过电流检出期间连续的情况下也可以进行二次电池的电流切断的保护电路。
本发明的一种方式的保护电路，作为进行二次电池的过电流保护的保护电路，具有：过电流检测部(RS、35、36、R21、R22)，其根据由于在电流检测电阻中流过所述二次电池的电流而产生的电压来检测过电流，输出过电流检测信号；过电流期间判定部(C1、37～41、44、45、I21、SW21～SW23)，其在根据所述过电流检测信号检测出过电流时对过电流期间进行累计，当过电流期间累计值超过预定的过电流检测延迟时间时，进行所述二次电池的电流切断；以及非过电流期间判定部(C2、41、42、47～49、I22、SW24～SW26)，其在根据所述过电流检测信号检测出非过电流时对非过电流期间进行累计，当非过电流期间累计值超过预定的恢复延迟时间时，将所述过电流期间累计值进行初始化，并解除所述二次电池的电流切断。
优选的是，所述过电流期间判定部具有：
第一电容器(C1)，其在所述非过电流期间累计值超过预定的恢复延迟时间时被放电，在检测出所述过电流时通过第一恒流电路(I21)被慢慢充电，对所述过电流期间进行累计；以及
第一比较器(44)，其当所述第一电容器(C1)的电压达到相当于所述过电流检测延迟时间的第一基准电压以上时，进行所述二次电池的电流切断，
所述非过电流期间判定部具有：
第二电容器(C2)，其在检测出所述过电流时被充电到预定电压，在所述非过电流期间通过第二恒流电路(I22)被慢慢放电，对所述非过电流期间进行累计；以及
第二比较器(47)，其当所述第二电容器(C2)的电压达到相当于所述恢复延迟时间的第二基准电压以下时，对所述第一以及第二电容器(C1、C2)进行放电，解除所述二次电池的电流切断。
优选的是，所述过电流检测延迟时间比所述恢复延迟时间长。
此外，上述括弧内的参照符号是为了容易理解而附加的，只不过是一个例子，不限定于图示的形态。
根据本发明，即使在较短的过电流检出期间连续的情况下，也能够进行二次电池的电流切断。
附图说明
图1是本发明的保护电路的第1实施方式的电路结构图。
图2是图1的电路各部的信号波形图。
图3是由数字电路构成的第2实施方式的电路结构图。
图4是本发明的保护电路的第3实施方式的电路结构图。
图5是过电流保护处理的流程图。
图6是现有的保护电路的一例的电路结构图。
图7是图6的电路各部的信号波形图。
符号说明
30锂离子电池
30a～30e锂离子电芯
31保护电路
32a、32b输出端子
33过充电以及过放电检测部
34过电流检测部
35、44比较器
36、45恒压电路
37、46、49变换器
38、39、41、42“或非”电路
67、68计数器
70、72比较器
71、73寄存器
I21、I22恒流电路
SW21～SW26开关
具体实施方式
以下，根据附图说明本发明的实施方式。
<第1实施方式的电路结构>
图1表示本发明的保护电路的第1实施方式的电路结构图，图2表示图1的电路各部的信号波形图。
在图1中，锂离子电池30是串联连接了多个锂离子电芯30a～30e的结构。锂离子电池30的正极与保护电路31的VDD端子31a以及输出端子32a连接。另外，锂离子电池30的负极与保护电路31的VSS端子31g以及电流检测电阻RS的一端连接。电阻RS的另一端与保护电路31的CS端子31h连接，并且与作为保护晶体管的n沟道MOS晶体管MD1的源极以及背栅连接，MOS晶体管MD1的漏极与输出端子32b连接。此外，在输出端子32a、32b之间虽未图示但连接了负载。另外，在输出端子32a上连接电阻R30的一端，电阻R30的另一端与n沟道MOS晶体管MN1的漏极以及MOS晶体管MD1的栅极连接。MOS晶体管MN1的栅极与保护电路31的DCHG端子31k连接，MOS晶体管MN1的源极以及背栅接地。
保护电路31内的过充电以及过放电检测部33分别经由保护电路31的V5端子31b～V1端子31f与锂离子电芯30a～30e各自的正极连接，检测锂离子电芯30a～30e各自的过充电以及过放电，生成过充电保护信号以及过放电保护信号，并将其中的过放电保护信号从DCHG端子31k输出。过充电保护信号从保护电路31的OV端子311输出。
在保护电路31内的过电流检测部34中，比较器35将同相输入端子与CS端子31h连接，将反相输入端子与串联连接的电阻R21、R22的连接点连接。电阻R22的一端与VSS端子31g连接，电阻R21的一端与将负极接地的恒压电压36的正极连接。即，从CS端子31h取得由于电流流过电流检测电阻RS而产生的电压并提供给比较器35的同相输入端子，向比较器35的反相输入端子提供通过电阻R21、R22对来自恒压电路36的电压Vref分压而得的基准电压VR2。比较器35当CS端子31h的电压超过基准电压VR2时检测出过电流，输出变为高电平的检测信号Comp_out。检测信号Comp_out经由变换器(inverter)37被提供给“或非”电路38、39，并且被提供给“或非”电路41、42以及开关SW24的控制端子。
另外，在恒压电路36的正极上连接恒流电路I21的一端，恒流电路I21的另一端经由开关SW21连接在保护电路31的Col1端子31i上。开关SW21仅在从“或非”电路38向控制端子提供了高电平时接通。在保护电路31的Col1端子31i上外接了将一端接地的电容器C1的另一端。
Col1端子31i与串联连接的开关SW22、SW23的连接点相连，并且与比较器44的同相输入端子相连。从齐纳二极管等恒压电路45向比较器44的反相输入端子供给基准电压Vref/2，比较器44当Col1端子31i的电压变为基准电压Verf/2以上时，认为经过了过电流检测延迟时间，输出高电平的检测信号DC_delay_out。此外，过电流检测延迟时间例如是数十msec～数sec程度。
检测信号DC_delay_out被从保护电路31的DCHG端子31k提供给外接的n沟道MOS晶体管MN1的栅极，并且被提供给“或非”电路38，另外，经由变换器46被提供给“或非”电路39。
而且，恒压电路36的正极经由串联连接的开关SW22、SW23接地，并且经由串联连接的开关SW24、SW26接地。开关SW22仅在从“或非”电路39向控制端子提供了高电平时接通，开关SW23仅在从“或非”电路41向控制端子提供了高电平时接通。另外，开关SW24仅在从比较器35向控制端子提供了高电平时接通，开关SW26仅在从“或非”电路41向控制端子提供了高电平时接通。
开关SW24、SW26的连接点与保护电路31的Col2端子31j连接，并且经由开关SW25与恒流电路I22的一端连接，恒流电路I22的另一端接地。
在Col2端子31j上外接了将一端接地的电容器C2的另一端。Col2端子31j与比较器47的同相输入端子连接。从齐纳二极管等恒压电路48向比较器47的反相输入端子供给基准电压Vref/2。比较器47当Col2端子31j的电压达到基准电压VR1/2以下时，认为经过了恢复延迟时间，输出变为低电平的检测信号Comp2。此外，一般将恢复延迟时间设定得比过电流检测延迟时间小，恢复延迟时间例如为数百μsec～数十msec程度。
检测信号Comp2经由变换器49被提供给“或非”电路42，并且被提供给“或非”电路41。开关SW25仅在从“或非”电路42向控制端子提供了高电平时接通。
<第1实施方式的动作>
过电流检测部34的比较器35当CS端子31h的电压超过基准电压VR2时检测出过电流，如图2所示，输出高电平的检测信号Comp_out。在检测信号Comp_out的上升沿时如图2所示，开关SW21以及SW24接通。通过开关SW21的接通，通过恒流电路I21的电流对与Col1端子31i连接的电容器C1慢慢充电，由此，在检测信号Comp_out为高电平的过电流检出时，累计过电流期间。另外，通过开关SW24的导通，与Col2端子31j连接的电容器C2通过恒压电路36被瞬时充电到电压Vref。在图2中，电容器C1的电压表示为Col1端子的电压，电容器C2的电压表示为Col2端子的电压。
此后，当检测信号Comp_out变为低电平时，开关SW21以及SW24断开，开关SW25接通。通过开关SW21的断开，电容器C1保持充电电压。另外，通过开关SW25的接通，通过恒流电路I22的电流将电容器C2慢慢放电，由此，在检测信号Comp_out为低电平的非过电流检出时，累计非过电流期间。
此后，当检测信号Comp_out变为高电平时，开关SW21以及SW24接通，开关SW25断开。通过开关SW21的接通，电容器C1从保持的充电电压通过恒流电路I21的电流被慢慢充电。另外，通过开关SW24的接通，电容器C2通过恒压电路36被瞬时充电到电压Vref。
重复上述动作，当电容器C1的充电电压达到基准电压Vref/2以上时，比较器44认为经过了过电流检测延迟时间，输出高电平的检测信号DC_delay_out。当检测信号DC_delay_out变为高电平时，开关SW21断开，开关SW22接通。通过开关SW22的接通，电容器C1通过恒压电路36被瞬时充电到电压Verf。
此后，当检测信号Comp_out变为低电平时，开关SW22以及SW24断开，开关SW25接通。通过开关SW25的接通，电容器C2通过恒流电路I22的电流被慢慢放电。然后，当电容器C2的电压达到基准电压Vref/2以下时，认为经过了恢复延迟时间，输出变为低电平的检测信号Comp2。由此，开关SW25断开，开关SW23、SW26接通，因此，电容器C1、C2瞬时被放电到接地电平。
这样，当检测信号Comp_out变为低电平时，通过开关SW21的断开，电容器C1保持充电电压，然后，当检测信号Comp_out变为高电平时，通过开关SW21的接通，电容器C1从所保持的充电电压通过恒流电路I21的电流被慢慢充电，持续进行过电流检测延迟时间的积分。因此，即使在高电平的期间短的检测信号Comp_out连续的情况下，二次电池的电流切断也不延迟。
在上述实施方式中，用外接的电流检测电阻RS的两端的电位差检测电流值，并进行过电流检测，因此，即使电池劣化或基于制造商的电池特性的差异，也可以通过选择电流检测电阻RS的电阻值来应对，过电流检测不受影响。因此，不需要根据电池劣化或基于制造商的电池特性的差异变更恒流电路I21、I22各自的电流值以及恒压电路45、48各自的基准电压等的设定。与此相对，引用文献2的技术，若不根据电池劣化或基于制造商的电池特性的差异来变更电压检测阈值或时钟判定时间的设定，则无法进行正确的过电流检测。
另外，用半导体集成化的保护电路31内部的恒流电路I21和外部电容C1设定过电流检测延迟时间，根据保护电路31的恒流电路I22和外部电容C2来决定恢复延迟时间，因此，能够简单并且自由地设定分别独立的过电流检测延迟时间和恢复延迟时间，能够设定适合于应用保护电路的电动机或PWM控制开关的特性的过电流检测延迟时间和恢复延迟时间。与之相对，引用文献1的技术，设定死区时间的电容和电阻的两个常数相互造成影响，因此设定死区时间时的计算变得复杂。
另外，过电流检测延迟时间成为过电流期间的积分值，只要未检测出过电流的期间不超过恢复延迟时间，就不将过电流期间的积分值复位为初始值，而保持到下次检测出过电流。根据过电流检出时间的积分值进行电流切断的判定，由此，即使PWM控制中的占空比增大、非通电时间变为恢复延迟时间以下，也能够检测出过电流。
恢复延迟时间对不流过过电流的时间进行积分，在积分而得的不流过过电流的时间超过一定时间的时刻，将检测出过电流的积分时间和积分而得的不流过过电流的时间恢复为初始值并解除放电停止。上述不流过过电流的时间根据PWM控制的非通电时间来决定，因此，当PWM控制的非通电时间断续地超过恢复延迟时间时，推定出电动机正在不堵转(lock)地旋转，通过将电容器C1初始化，来将上述检测出过电流的积分时间初始化。
<第2实施方式>
对第2实施方式进行说明，该第2实施方式保留了图1的过电流检测部34中的比较器35、恒压电路36以及电阻R21、R22，将除此以外的部分替换为图3所示的数字电路。此外，在该实施方式中也不需要外接的电容器C1、C2。
在图3中，从比较器35向端子61供给检测信号Comp_out。该检测信号Comp_out被提供给“与(AND)”电路62，并且通过变换器63翻转后被提供给“与”电路64，而且作为复位信号被提供给计数器68。另外，向端子65提供例如频率2kHz的时钟，经由“与”电路62、64分别提供给计数器67、68。
即，计数器67当检测信号Comp_out为高电平时被供给时钟来进行计数，计数器68当检测信号Comp_out为高电平时被复位，在低电平时被供给时钟来进行计数。计数器67例如是14比特的二进制计数器，相当于过电流检测延迟时间计数用的计时器T1。计数器68例如是7比特的二进制计数器，相当于恢复延迟时间计数用的计时器T2。
计数器67的上位7比特的计数值被提供给比较器70。从7比特的寄存器71向比较器70提供了相当于预定值T1max(例如数十msec～数sec程度)的过电流检测延迟时间的设定值，比较器70当来自计数器67的上位7比特的计数值与来自寄存器71的7比特的过电流检测延迟时间的设定值一致时产生过电流检测延迟脉冲，提供给SR触发器74的置位端子S。
计数器68的7比特的计数值被提供给比较器72。从7比特的寄存器73向比较器72提供了相当于预定值T2max(例如数百μsec～数十msec程度)的恢复延迟时间的设定值，比较器72当来自计数器68的7比特的计数值与来自寄存器73的7比特的恢复延迟时间的设定值一致时产生恢复延迟脉冲，提供给SR触发器74的复位端子R，并且作为复位信号提供给计数器67。
由此，SR触发器74的Q端子输出作为检测信号DC_delay_out，从端子75被输出。
<第3实施方式>
对第3实施方式进行说明，该第3实施方式保留了图1的过电流检测部34中的比较器35、恒压电路36以及电阻R21、R22，将除此以外的部分替换为微处理器。此外，在该实施方式中也不需要外接的电容器C1、C2。
图4表示本发明的保护电路的第3实施方式的电路结构图。在图4中，比较器35输出的检测信号Comp_out被提供给微处理器80。微处理器80具有CPU81、RAM82、ROM83。CPU81执行在ROM83中存储的过电流保护处理程序等。当执行该过电流保护处理程序等时，RAM82作为作业区域被使用，在RAM82中存储计时器T1、T2以及检测信号DC_delay_out等。此外，预定值T1max、T2max等被存储在ROM83中。微处理器80输出的检测信号DC_delay_out从保护电路31的DCHG端子31k被输出。
图5表示微处理器80执行的过电流保护处理的流程图。在图5中，在步骤S1中判别从比较器35提供的检测信号Comp_out是否为值1，即是否为高电平。当Comp_out＝1时，在步骤S2中将过电流检测延迟时间计数用的计时器T1的值增加1，进而在步骤S3中将恢复延迟时间计数用的计时器T2的值复位为0。
此后，在步骤S4中判别计时器T1的值是否为相当于过电流检测延迟时间的预定值T1max以上。若T1≥T1max，则在步骤S5中对计时器T1设定预定值T1max。然后，在步骤S6中设检测信号DC_elay_out＝1，即为高电平，进入步骤S1。在步骤S5中若T1＜T1max则进入步骤S1。
另一方面，在步骤S1中当Comp_out＝0即为低电平时，在步骤S7中将恢复延迟时间计数用的计时器T2的值增加1。此后，在步骤S8中判别计时器T2的值是否为相当于恢复延迟时间的预定值T2max以上。若T2≥T2max，则在步骤S9中将计时器T1、T2一起复位为0，在步骤S10中设检测信号DC_delay_out＝0即为低电平，进入步骤S1。在步骤S8中若T2＜T2max则进入步骤S 1。
在上述第2、第3实施方式中也与第1实施方式同样能够设定分别独立的过电流检测延迟时间和恢复延迟时间。但是，为了应对在多种电动工具中使用的电动机驱动电路，可变地设定过电流检测延迟时间以及恢复延迟时间的计数值是不可欠缺的，在可变设定中使用的端子数增多。另外，在电动工具中使用的、将多个锂离子电芯串联连接而成的多级电池的环境下，保护电路成为耐高压IC工艺，因此，栅极氧化膜比通常的低电压工艺增厚，即使将数字电路部设为低电压驱动，由于栅极泄漏电流的问题，也无法缩短栅极沟道长度，因此无法指望缩小数字部的芯片尺寸，无法低成本化。此外，为了缩短栅极沟道长度，也可以减小低电压部的栅极氧化膜厚度来减少泄漏电流，但是掩膜片数、工艺工序增加，无法降低成本。从这一点出发，第1实施方式比第2、第3实施方式更有利。

Claims (3)

1.一种进行二次电池的过电流保护的保护电路，其特征在于，
具有：
过电流检测部，其根据由于在电流检测电阻中流过所述二次电池的电流而产生的电压来检测过电流，输出过电流检测信号；
过电流期间判定部，其根据所述过电流检测信号，期间短的过电流期间连续地发生时，对所述过电流期间全部进行累计，当过电流期间累计值超过预定的过电流检测延迟时间时，进行所述二次电池的电流切断；以及
非过电流期间判定部，其在根据所述过电流检测信号检测出非过电流时对非过电流期间进行累计，当非过电流期间累计值超过预定的恢复延迟时间时，将所述过电流期间累计值进行初始化，并解除所述二次电池的电流切断。
2.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，
所述过电流期间判定部具有：
第一电容器，其在所述非过电流期间累计值超过预定的恢复延迟时间时被放电，在检测出所述过电流时通过第一恒流电路被慢慢充电，对所述过电流期间进行累计；以及
第一比较器，其当所述第一电容器的电压达到对应于所述过电流检测延迟时间的第一基准电压以上时，进行所述二次电池的电流切断，
所述非过电流期间判定部具有：
第二电容器，其在检测出所述过电流时被瞬时充电到预定电压，在所述非过电流期间通过第二恒流电路被慢慢放电，对所述非过电流期间进行累计；以及
第二比较器，其当所述第二电容器的电压达到对应于所述恢复延迟时间的第二基准电压以下时，对所述第一以及第二电容器进行放电，解除所述二次电池的电流切断。
3.根据权利要求2所述的保护电路，其特征在于，
所述过电流检测延迟时间比所述恢复延迟时间长。
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