CN103490389A - 电池保护电路及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电池保护电路及系统，包括：开机检测电路、电源管理电路、第一开关和低压检测电路；所述低压检测电路，与电池相连接，用于检测所述电池的电压是否低于低压检测阈值，当检测到所述电池的电压低于所述低压检测阈值时，断开所述第一开关，切断所述电池的漏电通路；所述开机检测电路，用于当所述第一开关或所述开机按键中任意一个处于断开状态时，输出电源关断信号；所述电源管理电路，与所述开机检测电路相连接，用于当接收到所述电源关断信号时，切断所述电池放电的通路，禁止所述电池放电。本发明无需采用电池保护芯片，即可实现电池放电通路的切断，实现电池保护功能。

Description

电池保护电路及系统
技术领域
本发明涉及电池保护技术领域，尤其涉及一种电池保护电路及系统。
背景技术
近年来，数码相机、手机、平板电脑、便携式影音设备或蓝牙设备等便携式电子设备越来越多地采用锂电池作为主要电源。锂电池具有体积小、能量密度高、无记忆效应、循环寿命高、高电池电压和自放电率低等优点。由于自身特性，容易爆炸或损坏，必须考虑充电、放电时的安全性。
现有的方式通常是为电池专门设计了保护芯片以及保护板。电池装配了带保护芯片的保护板后，为电子设备的整个系统供电。图1是现有电子设备的电池保护电路的电路图，如图1所示，包括电芯BT1、电池保护芯片VM、功率开关MN1、功率开关MN2、电阻R1、电阻R2、电容C1和保护控制电路P1。其中，该保护控制电路P1包括充电电路Charger、电路管理电路Power、开机检测电路T1、电阻R3、电阻R4。当电芯BT1的电压高于充电过压保护阈值，输出CO为低电平（低电平为VM电压），关断功率开关MN2，这样实现对充电通路的切断，禁止充电。当电芯电压低于放电过压保护阈值，电池保护芯片输出DO变为低电平（低电平为G端电压），关断功率开关MN1，这样实现对放电通路的切断，禁止放电，禁止放电后，即使系统控制电路存在放电通路，也无法消耗电芯能量。
由此可见，现有的电池保护电路均需要采用电池保护芯片，而且由于电池放电时，放电电流需要流经功率开关MN1和MN2，需要消耗一定的电量，因而导致电子设备的耗电量增加，供电效率不高。
发明内容
本发明提供一种电池保护电路及系统，无需采用电池保护芯片，即可实现电池放电通路的切断，实现电池保护功能，节省成本，且供电效率更高，延长电子设备的待机时间。
本发明提供了一种电池保护电路，所述电池保护电路包括：开机检测电路、电源管理电路、第一开关和低压检测电路；
所述第一开关连接于开机按键与所述开机检测电路之间，所述第一开关的控制端与所述低压检测电路相连接；
所述低压检测电路，与电池相连接，用于检测所述电池的电压是否低于低压检测阈值，当检测到所述电池的电压低于所述低压检测阈值时，断开所述第一开关，切断所述电池的漏电通路；
所述开机检测电路，用于当所述第一开关或所述开机按键中任意一个处于断开状态时，输出电源关断信号；
所述电源管理电路，与所述开机检测电路相连接，用于当接收到所述电源关断信号时，切断所述电池放电的通路，禁止所述电池放电。
本发明还提供了一种电池保护系统，所述系统包括：锂电池和本发明实施例所述的电池保护电路。
本发明提供的电池保护电路及系统，无需采用电池保护芯片，即可实现电池放电通路的切断，实现电池保护功能，可节省成本，由于放电时无需流经多个功率开关，提高了电池的供电效率，延长电子设备的待机时间。
附图说明
图1为现有的电池保护电路的电路图；
图2为本发明实施例一提供的电池保护电路的电路图；
图3为本发明实施例一提供的一种低压检测电路的电路原理图；
图4为本发明实施例一提供的另一种低压检测电路的电路原理图；
图5为本发明实施例一提供的一种衬底选择电路的电路原理图；
图6为本发明实施例二提供的电池保护电路的电路图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明的电池保护电路及系统可以适用于使用锂电池的电子设备中，例如可用于蓝牙耳机、智能手机或平板电脑等便携式电子设备中。
实施例一
图2是本实施例提供的电池保护电路的电路图，如图2所示，该电池保护电路包括：开机检测电路T1、电源管理电路Power、第一开关K1和低压检测电路LT1。
第一开关K1连接于开机按键Buttom与开机检测电路T1之间，第一开关K1的控制端与低压检测电路LT1相连接。开机按键Buttom的另一端与电池BT1相连接。
低压检测电路LT1与电池BT1相连接，用于检测电池BT1的电压是否低于低压检测阈值，当检测到所述电池的电压低于所述低压检测阈值时，断开所述第一开关，切断电池的漏电通路。
开机检测电路T1用于当第一开关K1或开机按键Buttom中任意一个处于断开状态时，输出电源关断信号。开机检测电路T1的输入端一端与电池BT1相连接，另一端通过第一开关K1与开机按键Buttom相连接，输出端与电源管理电路Power相连接。当第一开关K1和开机按键Buttom均处于接通状态时，开机检测电路T1输出电源接通信号，电源管理电路Power处于通电状态。
电源管理电路Power与开机检测电路T1相连接，用于当接收到开机检测电路T1输出的所述电源关断信号时，切断所述电池放电的通路，禁止所述电池放电。电源管理电路Power可以包括直流-直流转换器、电压调节器、功率开关、电荷泵中的一个或任意组合，以便可以在电池发生异常时，禁止电池放电，从而实现完整的电池保护功能。
所述低压检测阈值大于或等于所述电池的过电压放电保护阈值，且低于最低工作电压要求（例如2.0V～2.9V之间的值），以避免电芯电压过低时，由于过度放电导致电池损耗。该低压检测电路LT1一直保持工作。
当电池BT1的电压低于低压检测阈值时，低压检测电路LT1输出的BATH信号变成低电平，控制第一开关K1断开，切断通过电阻R5的漏电通路。同时通过切断第一开关K1，电阻R5会将开机检测电路T1的输入端KON拉低，使KON低于开机检测阈值，从而开机检测电路T1输出的ON信号也为低电平，控制电源管理电路Power为完全关断，避免对电池BT1的电芯的过度放电。这样，当电池BT1的电芯电压低于低压检测阈值时，即使开机按键Buttom被误触发（例如运输时）而按下，也不会出现芯片被误触发工作而产生对电池BT1的电芯过度耗电的问题。同时，误触发导致电池BT1通过电阻R5放电的漏电通路也被切断。这样，就可以实现电芯电压过低时，减小漏电的效果。
图3是本实施例提供的一种低压检测电路的电路原理图，如图3所示，该低压检测电路包括：第一分压电阻R301、第二分压电阻R302、电流源I301、开关管Q301、触发器schmitt和反相器INV301。电池的电压VBAT经过第一分压电阻R301与第二分压电阻R302分压后的电压VB加载到开关管Q301的控制端（基极），电流源I301的输入端与电池BT1的正极VBAT相连接，所述电流源I301的输出端与开关管Q301的集电极相连接，开关管Q301的集电极经过触发器schmitt、反相器INV301后输出检测结果。所述低压检测阈值由所述第一分压电阻R301与第二分压电阻R302的阻值比例决定。
电池的电压VBAT经过第一分压电阻R301和第二分压电阻R302分压产生VB电压。当VB电压足够高使得开关管Q301电流大于电流源I301电流时，开关管Q301的集电极CO变为低电平，经过施密特触发器schmitt和反相器INV301的信号BATH变为高电平。反之，当VB电压较低，低于该电路翻转电压时，BATH输出为低电平。电流源I301为正温度系数电流源，其实现方式可以为基于ΔVbe的电路，即I301=K1·ΔVbe/R。电流源I301的电流流经电阻R303，在电阻R303上也产生正温度系数电压，而开关管Q301（可以为NPN晶体管）的Vbe为负温度系数，经过设计合适的电阻R303的电阻值可以实现较好的温度补偿效果，使得VB节点电压的翻转点为零温度系数的电压值，这样翻转阈值较为准确。VB节点翻转阈值等于Vbe+R303·I301，其中Vbe为开关管Q301的基极-发射极电压，R303为电阻R303的电阻值，I301为电流源I301的电流值。VBAT的翻转阈值等于(Vbe+R303·I301)·(R301+R5)/R301，其中R301为电阻R301的电阻值，R303为电阻R303的电阻值。
图4是本实施例提供的另一种低压检测电路的电路原理图，如图4所示，该低压检测电路包括：第一分压电阻R401、第二分压电阻R404、开关管MP401～MP403、开关管MN402、开关管MN403、电阻R402、电阻R403、电流源I401和触发器schmitt。该低压检测电路采用多个开关管组合的方式来实现。
电池的电压VBAT经过第一分压电阻R401与第二分压电阻R404分压后的电压加载到开关管MN402和开关管MN403的控制端。开关管MP401、开关管MP402和开关管MP403的衬底端、漏极与电池的电压VBAT相连接，开关管MP401和开关管MP402的栅极相连接构成匹配的电流镜，开关管MN402和开关管MN403构成共源放大电路，开关管MP403的栅极通过电流源I401接地，开关管MN403的源极与开关管MP403的栅极相连接，开关管MP403的漏极经过触发器schmitt后输出结果。
第一分压电阻R401和第二分压电阻R404形成分压电路，对VBAT电压进行分压。当VB电压高于翻转阈值时，VC电压变为高电平，经过施密特触发器schmitt的输出信号BATH也变为高电平。当VB电压低于翻转阈值时，VC电压变为低电平，经过施密特触发器schmitt的输出信号也为低电平。设计开关管MP401和开关管MP402为匹配的电流镜，开关管MP403和电流源I401构成共源放大电路。开关管MN402和开关管MN403的宽长比之比为一定比例(设为N)，例如8:1。开关管MN402的宽长比较大。可以设计电阻R403和电阻R402的适当比例来实现零温度系数的VB翻转阈值电压。为了得到较为准确的翻转阈值，一般将开关管MN402和开关管MN403设计工作在亚阈值区。VB节点的翻转阈值为Vth+(2R403/R402).ζ.VT.ln(N)，其中Vth为开关管MN403的阈值电压，为负温度系数，ζ为亚阈值电流因子，VT为热电压，等于kT/q，可见与温度成正比，N为开关管MN402和开关管MN403的宽长比之比，ln为对数函数。
继续参见图2，电池保护电路还包括：充电管理电路Charger和充电开关管MP1。充电开关管MP1的一端与电池BT1相连接，另一端连接充电电源S1，控制端与充电管理电路Charger相连接。其中，充电电源S1可以是数据线USB电源或者适配器Adapter电源。
充电管理电路Charger与电池BT1和充电电源S1分别相连接，充电管理电路Charger的输入端的一端与电池BT1的正极VBAT相连接，输入端的另一端与充电电源S1的正极VCHG相连接，输出端与充电开关管MP1的控制端相连接。充电管理电路Charger用于当检测到充电电源S1且充电电源S1的电压VCHG高于电池BT1的电压VBAT时，控制充电开关管MP1导通对电池BT1进行充电。充电开关管MP1为绝缘栅型场效应管。
可选的，电池保护电路还包括：衬底选择电路CC1。衬底选择电路CC1连接于充电开关管MP1的衬底，并根据充电开关管MP1的工作状态自动切换充电开关管MP1的衬底电压。一般来说，MOS晶体管一般有四个端:源极、漏极、栅极、衬底。为了让PMOS晶体管正常工作，其衬底端应接漏极和源极中较高电位（即当漏极电压大于源极电压时，衬底应接漏极电压，当源极电压大于漏极电压时，衬底应该接源极电压）。
具体地，图5是本实施例提供的一种衬底选择电路的电路原理图，如图5所示，包括：比较器COMP501、反相器INV501、开关K501和开关K502。比较器COMP501的输入端的一端连接电池BT1的正极VBAT，另一端与充电电源VCHG相连接，输出端与开关K501的控制端、反相器INV501连接，反相器INV501的输出端与开关K502的控制端相连接，开关K501连接于电池BT1的正极VBAT与衬底选择电路的输出端VMAX之间，开关K502连接于充电电源VCHG与衬底选择电路的输出端VMAX之间。衬底选择电路CC1就是选择VBAT和VCHG中较高的电压输出到VMAX端，即充电开关管MP1的衬底端。
这样，本发明实施例通过充电管理电路Charger实现对电池BT1进行充电。当检测到USB或适配器(Adapter)插入时，对电池进行充电。充电管理电路Charger一般可包括预充电控制、恒流充电控制和恒压充电控制电路。充电控制过程一般包括预充电、恒流充电和恒压充电。当电池电压低于预充电阈值（例如3V）时，充电电路(Charger)以较小的预充电电流对电池进行充电，一般为设定的恒流充电电流的十分之一。当电池电压上升至预充电阈值（例如3V）以上时，充电电路输出设定的恒流充电电流对电池进行充电。当电池充电至恒压充电阈值（例如4.2V）时，对电池进行恒压充电，而充电电流逐渐减小，直至电池充满。本发明中充电电路的恒压充电阈值要设定比电池充电过压保护阈值低。对于预充电、恒流充电和恒压充电的详细控制方法已由业内技术人员所熟知，于此不再赘述。
这样，本发明通过低压检测电路，可以无需采用电池保护芯片，即可实现电池放电通路的切断，实现电池保护功能，从而节省成本。而且，由于放电时无需流经多个功率开关，提高了电池的供电效率，延长电子设备的待机时间。
实施例二
图6是本实施例提供的电池保护电路的电路图，如图6所示，本实施例的电池保护电路与实施例一中的类似，区别之处在于，该电池保护电路还包括：高压检测电路HT1和高压控制电路。
高压检测电路HT1与电池BT1相连接，用于检测电池BT1的电压VBAT是否高于高压检测阈值，当检测到电池BT1的电压VBAT高于所述高压检测阈值时，输出充电关断信号，并通过所述高压控制电路使所述充电开关管断开，停止对所述电池进行充电。
高压控制电路包括反相器INV、第二开关K2和第三开关K3。反相器INV与高压检测电路HT1的输出端相连接。第二开关K2连接于充电管理电路Charger的输出端与充电开关管MP1的控制端之间，第二开关K2的控制端与反相器INV的输出端相连接。第三开关K3连接于充电开关管MP1的控制端与充电开关管MP1的衬底之间，第三开关K3的控制端与高压检测电路HT1的输出端相连接。
当所述高压检测电路HT1输出所述充电关断信号时，第二开关K2断开，第三开关K3导通。
由于对电芯来说，充电过压是非常危险的，严重时会导致电芯爆炸。为了进一步增强电芯安全性，额外增加高压检测，提供了另一安全保障。即使由于某些异常原因，导致充电电路损坏，高压检测电路仍可以独立正常工作。
当检测到电池BT1的电芯过压时（例如4.275V），高压检测电路HT1输出信号OV将变为高电平，OVB信号变为低电平，控制第二开关K2断开，第三开关K3导通，第三开关K3导通将充电开关管MP1的栅极电压拉高至衬底选择电路CC1输出VMAX，衬底选择电路CC1会选择出VBAT和VCHG中电压较高的电压输出至VMAX。第三开关K3导通将充电开关管MP1的栅极电压拉高至VMAX，能有效将充电开关管MP1完全关断，能切断充电通路，防止电池BT1的电芯被过度充电，提高电芯的安全性。
其中，高压检测电路HT1可以采用如图3和图4所示的电路实现，通过改变不同的分压电阻的电阻值比例，即可实现高压检测电路，于此不再赘述。
由此可见，本发明无需电池保护芯片、功率开关MN1、功率开关MN2等器件，也可以实现电池保护电路的保护功能。而且由于放电时，放电电流无需流经功率开关MN1、MN2，本发明的供电时效率更高，有助于延长电子设备的待机时间。
另外，本发明还可以提供一种电池保护系统，该系统中包括锂电池和上述实施例一和实施例二所述的电池保护电路。
本发明提供的电池保护电路及系统，通过低压检测电路和高压检测电路，即可实现电池放电通路和充电电路的切断，实现电池保护功能，无需采用电池保护芯片，可节省成本，由于放电时无需流经多个功率开关，提高了电池的供电效率，延长电子设备的待机时间。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电池保护电路，其特征在于，所述电池保护电路包括：开机检测电路、电源管理电路、第一开关和低压检测电路；
所述第一开关连接于开机按键与所述开机检测电路之间，所述第一开关的控制端与所述低压检测电路相连接；
所述低压检测电路，与电池相连接，用于检测所述电池的电压是否低于低压检测阈值，当检测到所述电池的电压低于所述低压检测阈值时，断开所述第一开关，切断所述电池的漏电通路；
所述开机检测电路，用于当所述第一开关或所述开机按键中任意一个处于断开状态时，输出电源关断信号；
所述电源管理电路，与所述开机检测电路相连接，用于当接收到所述电源关断信号时，切断所述电池放电的通路，禁止所述电池放电。
2.根据权利要求1所述的电池保护电路，其特征在于，所述低压检测电路包括：第一分压电阻、第二分压电阻、电流源、开关管、触发器和反相器；
所述电池的电压经过所述第一分压电阻与第二分压电阻分压后的电压加载到所述开关管的控制端，所述电流源的输入端与所述电池相连接，所述电流源的输出端与所述开关管的集电极相连接，所述开关管的集电极经过所述触发器、所述反相器后输出检测结果，所述低压检测阈值由所述第一分压电阻与第二分压电阻的阻值比例决定。
3.根据权利要求1所述的电池保护电路，其特征在于，所述低压检测电路包括：第一分压电阻、第二分压电阻、电流源（I401）、第一开关管（MP401）、第二开关管（MP402）、第三开关管（MP403）、第四开关管（MN402）、第五开关管（MN403）、第一电阻（R402）、第二电阻（R403）和触发器；
所述电池的电压经过所述第一分压电阻与第二分压电阻分压后的电压加载到所述第四开关管（MN402）和第五开关管（MN403）的控制端，所述第一开关管（MP401）和第二开关管（MP402）的栅极相连接构成匹配的电流镜，所述第四开关管（MN402）和第五开关管（MN403）构成共源放大电路，所述第三开关管（MP403）的栅极通过所述电流源（I401）接地，所述第五开关管（MN403）的源极与所述第三开关管（MP403）的栅极相连接，所述第三开关管（MP403）的漏极经过所述触发器后输出结果。
4.根据权利要求1～3任一权项所述的电池保护电路，其特征在于，所述电池保护电路还包括：充电管理电路、充电开关管；
所述充电开关管的一端与所述电池相连接，另一端连接所述充电电源，控制端与所述充电管理电路相连接；
所述充电管理电路，与所述电池和所述充电电源分别相连接，用于当检测到所述充电电源且所述充电电源的电压高于所述电池的电压时，控制所述充电开关管导通对所述电池进行充电。
5.根据权利要求4所述的电池保护电路，其特征在于，所述充电开关管为绝缘栅型场效应管。
6.根据权利要求4所述的电池保护电路，其特征在于，所述电池保护电路还包括：衬底选择电路，所述衬底选择电路连接于所述充电开关管的衬底，并根据所述充电开关管的工作状态自动切换所述充电开关管的衬底电压。
7.根据权利要求4所述的电池保护电路，其特征在于，所述电池保护电路还包括：高压检测电路和高压控制电路，所述高压检测电路与所述电池相连接，用于检测所述电池的电压是否高于高压检测阈值，当检测到所述电池的电压高于所述高压检测阈值时，输出充电关断信号，并通过所述高压控制电路使所述充电开关管断开，停止对所述电池进行充电。
8.根据权利要求7所述的电池保护电路，其特征在于，所述高压控制电路包括反相器、第二开关和第三开关，所述反相器与所述高压检测电路的输出端相连接，所述第二开关连接于所述充电管理电路的输出端与所述充电开关管的控制端之间，所述第二开关的控制端与所述反相器的输出端相连接，所述第三开关连接于所述充电开关管的控制端与所述充电开关管的衬底之间，所述第三开关的控制端与所述高压检测电路的输出端相连接。
9.根据权利要求1所述的电池保护电路，其特征在于，所述电源管理电路包括直流-直流转换器、电压调节器、功率开关、电荷泵中的一个或任意组合。
10.一种电池保护系统，其特征在于，所述系统包括锂电池和如权利要求1～9任一权项所述的电池保护电路。
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