CN102386613A - 具有电池充电保护功能的控制器 - Google Patents

Abstract

本发明揭露一种具有电池充电保护功能的控制器，用以保护电池模块，在电池模块处于保护状态时，控制器中的充电保护电路作动，充电正端产生的充电电流由控制器的一脚位流入，经充电保护电路后由控制器的另一脚位流出回到充电负端。借此，充电保护电路使充电电流绕过电池模块，从而避免电池模块受到损害。

Description

具有电池充电保护功能的控制器

技术领域

本发明是有关于一种控制电路，且特别是有关于一种具有电池充电保护功能的控制器。

背景技术

随着电子技术的发展以及消费性电子产品的普及，各式各样便携式电子产品已日渐普及。其中，影响便携式电子产品的机动性、执行效率以及移动续航力的主要因素，便包括便携式电子产品是否具有良好的电源供给，目前便携式电子产品的电源供给主要依赖各种电池模块。

目前市面上的电池模块，大致上可分为一次性电池、充电电池及燃料电池等种类。一般来说，在一般消费性电子产品上常见的电池以较经济、环保的充电电池为主。充电电池顾名思义，即可利用充电方式让电池内的活性物质再度回复到原来的状态，而获得可重复被使用的特性，常见的种类例如铅酸电池(lead acid battery)、镍镉电池(nickel cadmium batter)、镍氢电池(nickel hydrogenbatter)、锂电池(lithium batter)以及锂离子电池(lithium ion battery)等。

然而，电池使用的安全性和使用寿命与使用者的操作习惯息息相关。举例来说，在锂离子充电电池的充电过程中，可能会由于使用者将其长时间放置于充电座上而造成过充，产生电池温度上升，当电池温度过高或过充电力过大时，可能导致电解液分解而产生瓦斯，使其内部压力上升以及金属锂等泄漏，因而造成有起火、破裂或重金属污染等危险。或者，当锂离子过放电时，锂电池无法以正常程序充电，否则会造成电池结构的损坏。

为了避免充电过程可能遭遇的安全性问题，并防止电池特性劣化，在电池或充电装置上需设置充电保护用的控制器(如控制电路或控制芯片)，控制器可侦测电池模块的电力状态并进行相对应操作(例如充电监控、过充电时进行中断保护等)。请参阅图1，其绘示一种已知的充电装置中的控制器100，控制器100包含电压检测单元101、控制逻辑单元102和电流检测单元103。

电压检测单元101用以耦接于电池模块200的两端，用以监控电池模块200的电压状态。举例来说，电压检测单元101用以侦测电池模块200的两端电压差，则控制逻辑单元102可据以得知电池模块200的状态。电池模块200透过充电正端203及充电负端204连接一充电器进行充电，当电池模块200已充满时，控制逻辑单元102可通知充电装置中的充电开关单元201关闭，切断电池模块200到充电负端204的充电回路L1，借以避免可能的危险发生。

须注意的是，虽然电池模块200到充电负端204的外部充电回路L1已中断，然而，控制器100内部仍可能有其它回路存在，导致在保护情况下，仍有泄漏的电流对电池模块200持续充电。

其可能的原因例如，此类已知的控制器100中通常具有用以进行电压调整(如pull-high或pull-low等)的采样开关单元104与采样电阻105，以形成电流检测单元103所需的电流采样节点103a用以将关闭的外部充电开关单元201恢复成导通。其中，采样开关单元104具有一寄生二极管104a，当电池处于过充电状态下，虽然外部充电开关单元201关闭并切断外部充电回路L1，但此时充电负端204的电压低于电池模块200的负端，电流采样节点103a的电位大致等同于充电负端204故低于电池模块200的负端电压，从而有泄漏的电流通过内部回路L2(即经过采样开关单元104的寄生二极管104a以及采样电阻105)，并可持续对电池模块200充电，造成电池模块200无法受到过充电保护，形成安全隐患。

发明内容

为了解决上述充电保护机制启动时发生电流泄漏使电池模块持续过充电的问题，本发明提出一种具有电池充电保护功能的控制器，其可透过泄流电路方式确保泄漏的电流绕过(bypass)电池模块，或透过箝位方式以避免发生电流泄漏的情况发生，借此提高电池充电的安全性。

因此，本发明内容的一实施方式是在提供一种具有电池充电保护功能的控制器。此控制器包含第一脚位、第二脚位、第三脚位以及充电保护电路。其中，第一脚位耦接充电正端。第二脚位耦接电池模块的正端。第三脚位耦接电池模块的负端。充电保护电路耦接第一脚位及第三脚位，在电池模块处于保护状态时，充电保护电路导通使经流入第一脚位的电流流经充电保护电路而由第三脚位流出。

根据本发明内容的一实施例，其中充电保护电路包含箝位单元，在充电保护电路导通时，箝位单元使第一脚位的电位等于或低于第二脚位电位与预定电位差之和，其中预定电位差为正值。

根据本发明内容的另一实施例，控制器包含静电防护电路耦接第一脚位及第二脚位之间。

本发明内容的另一实施方式是在提供具有电池充电保护功能的控制器。此控制器包含第一脚位、第二脚位、第三脚位以及充电保护电路。其中，第一脚位耦接充电负端。第二脚位耦接电池模块的正端。第三脚位耦接电池模块的负端。充电保护电路耦接第一脚位及第二脚位，在电池模块处于过保护状态时，该充电保护电路导通，使流出该第一脚位的一电流是由该第二脚位流入并经该充电保护电路而由该第一脚位流出。

根据本发明内容的一实施例，充电保护电路包含箝位单元，在充电保护电路导通时，该箝位单元使该第三脚位的电位等于或小于该第一脚位电位与一预定电位差之和，其中预定电位差为正值。

根据本发明内容的另一实施例，控制器还包含静电防护电路耦接于第一脚位及第三脚位之间。

此外，本发明内容的再一实施方式是在提供一种具有电池充电保护功能的控制器，其包含第一脚位、第二脚位、第三脚位以及箝位电路，第一脚位耦接充电正端，第二脚位耦接电池模块的正端，第三脚位耦接电池模块的负端，箝位电路耦接第一脚位及第三脚位。其中，箝位电路用以使第一脚位的电位维持在等于或小于第二脚位的电位与预定电位差之和，其中预定电位差为正值。

根据本发明内容的一实施例，其中箝位电路包含箝位单元及开关单元，开关单元在第一脚位的电位高于第二脚位的电位达到预定电位差时导通。

根据本发明内容的另一实施例，其中开关单元导通时，流入该第一脚位的电流流经箝位电路后由第三脚位流出。

此外，本发明内容的又一实施方式是在提供一种具有电池充电保护功能的控制器，其包含第一脚位、第二脚位、第三脚位以及箝位电路。第一脚位耦接一充电负端，第二脚位耦接电池模块的正端，第三脚位耦接电池模块的负端，箝位电路耦接第一脚位及第二脚位。其中，箝位电路用以使该第一脚位的电位大于或等于该第三脚位的电位减去一预定电位差，其中预定电位差为正值。

根据本发明内容的一实施例，其中箝位电路包含箝位单元及开关单元，开关单元在第一脚位的电位低于第三脚位的电位达到预定电位差时导通。

根据本发明内容的另一实施例，其中开关单元导通时，流出该第一脚位的电流是由该第二脚位流入并流经箝位电路后由第一脚位流出。

应用本发明的优点在于通过充电保护电路导引不必要的泄漏电流，或利用箝位电路控制特定的节点电压以避免泄漏电流的产生，借此可避免电池模块或控制器本身被非预期的电流或电压影响，进而提高电池模块的使用寿命与稳定性。

附图说明

为让本发明的上述和其它目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的说明如下：

图1绘示一种已知的充电装置中的控制器的功能方块图；

图2A绘示根据本发明的第一具体实施例中一种用于保护电池模块的控制器的功能方块图；

图2B绘示根据本发明的第二具体实施例中控制器300′的功能方块图；

图3A绘示根据本发明的第三具体实施例中一种用于保护电池模块的控制器的功能方块图；以及

图3B绘示根据本发明的第四具体实施例中一种用于保护电池模块的控制器的功能方块图。

【主要组件符号说明】

100：控制器                 101：电压检测单元

102：控制逻辑单元           103：电流检测单元

103a：电流采样节点          104：采样开关单元

104a：寄生二极管            105：采样电阻

200：电池模块               201：充电开关单元

203：充电正端               204：充电负端

L1：充电回路                L2：内部回路

300：控制器                 301：电压检测单元

302：控制逻辑单元               303：电流检测单元

303a：电流采样节点              304：采样开关单元

304a：寄生二极管                305：采样电阻

306：充电保护电路               306a：开关单元

306b：电阻                      400：电池模块

401：充电开关单元               403：充电正端

404：充电负端                   L3：泄流路径

300′：控制器                   306′：充电保护电路

306a′：开关单元                306b′：箝位单元

500：控制器                     501：电压检测单元

502：控制逻辑单元               503：电流检测单元

503a：电流采样节点              504：采样开关单元

504a：寄生二极管                505：采样电阻

506：充电保护电路               506a：开关单元

506b：电阻                      600：电池模块

601：充电开关单元               603：充电正端

604：充电负端                   500′：控制器

506′：充电保护电路             506a′：开关单元

506b′：箝位单元                P1：第一脚位

P2：第二脚位                    P3：第三脚位

P4：第四脚位                    P5：第五脚位

具体实施方式

为达到前述效果，本发明的控制器通过在电路架构中设置泄流及/或箝位电路，来避免非预期的电流或电压对电池模块造成负面影响，其详细设置实施方式说明如下。

请参照图2A，其绘示根据本发明的第一具体实施例中一种用于保护电池模块400的控制器300的功能方块图。当电池模块400与市电电源或特定充电装置连接并充电时，控制器300本身用以保护电池模块400，实际应用中，控制器300可为一控制芯片或控制单元，整合设置于充电装置、市电插座或电池模块400上，亦可独立设置，本发明并不以此为限。

如图2A所示，电池模块400的正端耦接至市电电源或特定充电装置的充电正端403，电池模块400的负端耦接至市电电源或特定充电装置的充电负端404，借此形成一充电路径(即图2A中的外部充电回路L1)，在充电路径上可进一步包含充电开关单元401关闭，借此开启或中断电池模块400到充电负端404的充电回路L1。

在此实施例中，控制器300对外连接接口可具有第一脚位P1、第二脚位P2、第三脚位P3以及第四脚位P4。第一脚位P1对外耦接至充电负端404，第二脚位P2对外耦接至电池模块400的正端与充电正端403之间，第三脚位P3对外耦接至电池模块400的负端与充电开关单元401之间，而第四脚位P4对外用以控制充电开关单元401。

此外，控制器300内部可包含有电压检测单元301、控制逻辑单元302、电流检测单元303以及充电保护电路306。

电压检测单元301透过第二脚位P2与第三脚位P3耦接于电池模块400的两端，用以监控电池模块400的电压状态以判断电池模块是否应进行保护。举例来说，电压检测单元301用以侦测电池模块400的两端电压差，则控制逻辑单元302可据以得知电池模块400的电力是否已充满或者电池模块400处于过放电状态，当电池模块400已充满或过放电时，控制逻辑单元302可透过第四脚位P4切换充电开关单元401使其关闭，进而切断电池模块400到充电负端404的充电回路L1，借以避免对已充满或者过放电的电池模块400进行充电。

在此实施例中，控制器300可进一步包含有其它内部的工作电路，须注意的是，可能存在部分的工作电路是耦接于第一脚位P1与第三脚位P3之间，如图2A中所示的工作电路(即采样开关单元304与采样电阻305)。

也就是说，虽然电池模块400到充电负端404的外部充电回路L1已中断，然而，控制器300内部的第一脚位P1与第三脚位P3之间的工作电路仍可能形成其它回路(如采样开关单元304的寄生二极管304a与采样电阻305)，形成电池模块400持续被充电的风险。

须特别说明的是，此实施例中控制器300的充电保护电路306可用以解决上述风险。充电保护电路306耦接第一脚位P1及第三脚位P3，在电池模块400处于保护状态时，充电保护电路306便可配合进行电池模块400的保护。在此实施例中，所谓保护状态即电压检测单元301测量到第二脚位P2与第三脚位P3的电压差大于一特定的第一电压值(如电池模块400的额定电压，代表电池模块400已充满)或者第二脚位P2与第三脚位P3的电压差小于一特定的第二电压值(代表电池模块400已过放电)。

在电池模块400处于保护状态时，控制逻辑单元302导通充电保护电路306中的开关单元306a导通，使经流入第二脚位P2(其耦接至电池模块400的正端)的电流可经充电保护电路306的开关单元306a及电阻306b，并由第一脚位P1流出回到充电负端404(如图2A中的泄流路径L3所示)。如此一来，充电正端403出发的充电电流可避开电池模块400，被导引流经第二脚位P2、充电保护电路306、第一脚位P1并回到充电负端404，通过充电保护电路306在控制器300中形成避开电池模块400的泄流路径L3。

此外，本发明上述内容提出以泄流方式确保电池模块400的安全性，然而本发明并不以泄流方式为限，可用以限定第一脚位P1的电位，进而将第一脚位P1的电位与第三脚位P3电位的差箝位至一预定电位差之内而达到保护电池模块400以避免非预期充电的问题。

请参阅图2B，其绘示根据本发明的第二具体实施例中控制器300′的功能方块图，在第二具体实施例中的控制器300′与第一实施例中的控制器300最大不同之处在于，图2B的控制器300′包含箝位电路306′，箝位电路306′耦接第一脚位P1及第二脚位P2，箝位电路306′以使第一脚位P1的电位大于或等于第三脚位P3的电位减去一预定电位差的范围，即Vp1≥Vp3-Vset，其中Vp1为第一脚位P1的电位、Vp3为第三脚位P3的电位，以及Vset为预定电位差且Vset为正值，实际应用中，Vset可对应到采样开关单元304其寄生二极管304a的临界电压(threshold voltage)。

箝位电路306′透过将限制第一脚位P1与第三脚位P3之间的电位差，可确保控制器300内的工作电路(如采样开关单元304其寄生二极管304a与采样电阻305)不会形成非预期内的漏电流路径。

在此实施例中，箝位电路306′中可进一步包含箝位单元306b′及开关单元306a′。箝位单元306b′侦测第一脚位P1及第三脚位P3的电位，在判断第一脚位P1低于第三脚位P3达到该预定电位差时导通开关单元306a′并调整开关单元306a′的等效阻值，借此可拉高第一脚位P1的电位，使第一脚位P1不致过度低于第三脚位P3的电位。

也就是说，通过上述实施例，本发明可透过泄流或箝位方式保护电池模块，上述实施例中开关单元(如采样开关单元304、开关单元306a、开关单元306a′等)是以N型金属氧化物半导体场效晶体管(NMOS)，充电开关单元401是耦接于电池模块400的负端与充电负端404之间，而第一脚位P1以耦接充电负端404为举例说明，然而本发明并不以此为限。

在另一实施例中，上述开关单元亦可采用P型金属氧化物半导体场效晶体管(PMOS)，而充电开关单元可耦接于电池模块的正端与充电正端之间，且此时本发明所提出的控制器仅需简单地调整相对的正负连接逻辑，便可达到类似效果。

请参阅图3A与图3B，图3A绘示根据本发明的第三具体实施例中一种用于保护电池模块600的控制器500的功能方块图，图3B绘示根据本发明的第四具体实施例中一种用于保护电池模块600的控制器500′的功能方块图。

如图3A所示，控制器500包含第一脚位P1、第二脚位P2、第三脚位P3、第四脚位P4、第五脚位P5、电压检测单元501、控制逻辑单元502、电流检测单元503以及充电保护电路506。此外，控制器500还包含一部分耦接于第一脚位P1与第二脚位P2之间的内部工作电路，如采样开关单元504与采样电阻505。在本实施例中，电池模块600包含两个电池单元，电压检测单元501透过第二脚位P2、第三脚位P3与第五脚位P5耦接于电池模块400的各电池单元的正端及负端，用以监控电池模块400的各电池单元的电压状态以判断电池模块是否应进行保护。

在此实施例中，充电开关单元601耦接于电池模块600的正端与充电正端603之间。其中，第一脚位P1耦接充电正端603。第二脚位P2耦接于电池模块600的正端与充电开关单元601之间。第三脚位P3耦接于电池模块600的负端与充电负端604之间。

充电保护电路506耦接第一脚位P1及第三脚位P3，在电池模块600处于保护状态时，充电保护电路506中的开关单元506a导通使经流入第一脚位P1的电流流经充电保护电路506的开关单元506a及电阻506b而由第三脚位P3流出，进而回到充电负端604(如图3A中的泄流路径L3所示)，如此一来，充电正端603出发的充电电流可避开电池模块600，被导引流经第一脚位P1、充电保护电路506、第三脚位P3并回到充电负端604，通过充电保护电路506在控制器500中形成避开电池模块600的泄流路径L3。

其中，第三具体实施例中的控制器500的其它电路构造与作动原理，大致与第一具体实施例中的控制器300具有正负逻辑的相对关系，其为已知技艺之人所能简单对应，在此不另赘述。

另一方面，如图3B所示，在第四具体实施例中，控制器500′采用箝位电路506′，箝位电路506′耦接第一脚位P1及第三脚位P3，箝位电路506′以将第一脚位P1的电位维持在第二脚位P2的电位加上一预定电位差的范围内，即Vp1≤Vp2+Vset，其中Vp1为第一脚位P1的电位、Vp2为第二脚位P2的电位，以及Vset为预定电位差且Vset为正值。其中，实际应用中，Vset可对应到采样开关单元504其寄生二极管504a的临界电压(threshold voltage)。

借此达到避免非预期充电电流产生的效果。第四具体实施例中的控制器500′的其它电路构造与作动原理，请参考第二具体实施例的控制器300′，在此不另赘述。

在上述实施例中，已说明了本发明的控制器可用以进行电池模块的充电保护。然而，必须要强调说明的是，常见的一些集成电路设计在应用于电池充电时，可能会造成如上述具体实施例中所希望预防的非预期充电。举例来说，集成电路中会设计静电放电防护电路以避免静电放电现象所造成的一个高能量的静电放电脉冲信号(例如大电压突波信号)毁损控制器内部的电路。而静电放电防护电路于电池充电过程中仍会维持运作，因此当充电正端的电位高于电池模块正端预定电位差以及当充电负端的电位低于电池模块负端预定电位差时均会造成静电放电防护电路启动而使电池模块进入保护状态时，仍有非预期的电流流经静电放电防护电路而对电池模块充电。而本发明透过上述具体实施例中充电保护电路的泄流作用或箝位电路的箝位作用，即可防止控制器内部电路造成对电池模块的非预期充电问题。

综上所述，通过充电保护电路导引不必要的泄漏电流，或利用箝位电路控制特定的节点电压以避免泄漏电流的产生，借此可避免电池模块或控制器本身被非预期的电流或电压影响(如过度充电或静电放电现象)，进而提高电池模块的使用寿命与稳定性。

虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定的范围为准。

Claims (12)

1.一种具有电池充电保护功能的控制器，其特征在于，包含：

一第一脚位，耦接一充电正端；

一第二脚位，耦接一电池模块的正端；

一第三脚位，耦接该电池模块的负端；以及

一充电保护电路，耦接该第一脚位及该第三脚位，在该电池模块处于一保护状态时，该充电保护电路导通，用以使经流入该第一脚位的一电流流经该充电保护电路而由该第三脚位流出。

2.根据权利要求1所述的具有电池充电保护功能的控制器，其特征在于，该充电保护电路包含一箝位单元，在该充电保护电路导通时，该箝位单元使该第一脚位的电位等于或低于该第二脚位电位与一预定电位差之和，其中该预定电位差为正值。

3.根据权利要求1或2所述的具有电池充电保护功能的控制器，其特征在于，还包含一静电防护电路耦接该第一脚位及该第二脚位。

4.一种具有电池充电保护功能的控制器，其特征在于，包含：

一第一脚位，耦接一充电负端；

一第二脚位，耦接一电池模块的正端；

一第三脚位，耦接该电池模块的负端；以及

一充电保护电路，耦接该第一脚位及该第二脚位，在该电池模块处于一保护状态时，该充电保护电路导通，使流出该第一脚位的一电流是由该第二脚位流入并经该充电保护电路而由该第一脚位流出。

5.根据权利要求4所述的具有电池充电保护功能的控制器，其特征在于与，该充电保护电路包含一箝位单元，在该充电保护电路导通时，该箝位单元使该第一脚位的电位等于或大于该第三脚位电位减去一预定电位差，其中该预定电位差为正值。

6.根据权利要求4或5所述的具有电池充电保护功能的控制器，其特征在于，还包含一静电防护电路耦接该第一脚位及该第三脚位。

7.一种具有电池充电保护功能的控制器，其特征在于，包含：

一第一脚位，耦接一充电正端；

一第二脚位，耦接一电池模块的正端；

一第三脚位，耦接该电池模块的负端；以及

一箝位电路，耦接该第一脚位及该第三脚位，用以将该第一脚位的电位维持在等于或小于该第二脚位的电位与一预定电位差之和，其中该预定电位差为正值。

8.根据权利要求7所述的具有电池充电保护功能的控制器，其特征在于，该箝位电路包含一箝位单元及一开关单元，该开关单元在该第一脚位的电位高于该第二脚位的电位该预定电位差时导通。

9.根据权利要求8所述的具有电池充电保护功能的控制器，其特征在于，该开关单元导通时，流入该第一脚位的一电流流经该箝位电路后由该第三脚位流出。

10.一种具有电池充电保护功能的控制器，其特征在于，包含：

一第一脚位，耦接一充电负端；

一第二脚位，耦接一电池模块的正端；

一第三脚位，耦接该电池模块的负端；以及

一箝位电路，耦接该第一脚位及该第二脚位，用以使该第一脚位的电位大于或等于该第三脚位的电位减去一预定电位差，其中该预定电位差为正值。

11.根据权利要求10所述的具有电池充电保护功能的控制器，其特征在于，该箝位电路包含一箝位单元及一开关单元，该开关单元在该第一脚位的电位低于该第三脚位的电位该预定电位差时导通。

12.根据权利要求11所述的具有电池充电保护功能的控制器，其特征在于，该开关单元导通时，流出该第一脚位的一电流是由该第二脚位流入并流经该箝位电路后由该第一脚位流出。

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