CN103532106A - 一种带精确延时及休眠功能的单节锂电池保护芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带精确延时及休眠功能的单节锂电池保护芯片,本芯片内部包含控制模块、检测模块两部分。检测模块将锂电池电压VDD与过充电检测电压、过放电检测电压相比较,将VM端电压与过流检测电压、短路检测电压、充电检测电压相比较,得到比较信号。控制模块处理比较信号,判断锂电池所处于工作状态,并按实际情况需要切断充电或放电开关以保护锂电池。当锂电池刚进入过放电状态时,检测VDD端与VM端的电压差,当VDD-VM低于休眠检测电压时,且外电路无短路情况时,控制模块控制芯片进入休眠状态,以降低功耗延长工作时间。保持锂电池进入失常状态时所采取的保护措施,当锂电池状态恢复正常时,打开充放电开关解除失常状态。

Description

一种带精确延时及休眠功能的单节锂电池保护芯片
技术领域
[0001] 本发明属于锂电池保护领域,涉及一种锂电池保护芯片,特别涉及一种带精确延时及休眠功能的单节锂电池保护芯片。
背景技术
[0002] 随着社会的发展以及石化能源的不断消耗,人们正在积极的寻找新能源,以代替终有一天会耗尽的石化能源。电能是石化能源的理想代替品之一,因此近些年来人们对电能的需求也越来越高。随着无人电子装备、便携数码设备、电动工具、电动汽车等的发展普及,其动力核心——蓄电池正受到越来越多的关注。锂电池以其高比能量、长循环寿命、自放电小、无记忆效应和绿色环保等优点备受厂家青睐,是动力电池研究的热点之一。但由于锂电池内部结构复杂、充放电化学反应复杂,作为动力电源来使用,还存在不少问题。首先,锂电池不能承受过充电与过放电;其次,当锂电池串并联数目较多时,电池组中会出先电池放电不均衡等问题,必须对电池组进行均衡充放电管理;同时锂电池只能工作在一定范围电流及一定温度范围以内。当锂电池工作在不适宜的条件下时,比如温度过高、过度充电、过度放电、工作电流过大、外部电路短路等情况,轻则降低锂电池工作效率,缩短锂电池使用寿命,重则直接损坏锂电池。因此为了保证锂电池正常工作,需要保护电路保护锂电池。完善的锂电池保护电路,可以保护锂电池不被损坏、提高锂电池工作效率、延长锂电池使用寿命。
发明内容
[0003] 本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题;提供了一种能在电池电量极低不能为外电路供电时,进入休眠状态降低芯片功耗,以节能并延长芯片工作时间;包含精度极闻的时钟|旲块,为每个失常事件判断提供了极闻精度的延时;芯片提供了极闻的电压检测步进精度;以上特征保证芯片能准确可靠保护锂电池。芯片采用了较好的集成电路工艺,是正常工作温度范围较宽的一种带精确延时及休眠功能的单节锂电池保护芯片。
[0004] 本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的:
[0005] 一种带精确延时及休眠功能的单节锂电池保护芯片,其特征在于,典型的情况下,保护芯片的工作电路只需要极少的器件,就能对锂电池进行保护;芯片内部包含控制模块、检测模块两部分;其中,除控制模块以外的内部电路均属于检测模块;所述检测模块包括第一过流检测比较器、第二过流检测比较器、充电检测单元、过充电比较器、过放电比较器、负载短路比较器、基准源模块以及检测模块附属电路;所述检测模块中,第一过流检测比较器、第二过流检测比较器,充电检测单元、过充电比较器、过放电比较器、负载短路比较器以及检测模块附属电路均连接在控制模块上。
[0006] 在上述的一种带精确延时及休眠功能的单节锂电池保护芯片,锂电池保护芯片包含以下5根引脚:电源引脚VDD;地引脚VSS ;放电开关控制引脚D0;充电开关控制引脚CO;过流检测电压输入引脚VM。所述锂电池保护芯片的特征还在于,典型工作电路连接如下,EB+端为外部充电源的正极端,EB-端为外部充电源的负极端,同时EB+端与EB-端分别作为锂电池为外电路供电的正负极输出端;锂电池正极通过电阻RO接源引脚VDD,同时锂电池正极接EB+端;电源引脚VDD通过电容CO接地,电阻RO与电容CO组成低通滤波器以滤除锂电池中的高频杂波;锂电池负极与锂电池保护芯片的地引脚VSS相连后接地,锂电池负极接放电开关FETl的源极,放电开关FETl的漏极接充电开关FET2的漏极,充电开关FET2源极接EB-端;放电开关控制引脚DO接放电开关FETl栅极,充电开关控制引脚CO接充电开关FET2栅极,过流检测电压输入引脚VM,通过电阻Rl接EB-端。
[0007] 在上述的一种带精确延时及休眠功能的单节锂电池保护芯片,内部电路中保护模块与检测模块的连接如下,电源引脚VDD通过电阻R2与R3串联后接地,过充电比较器正输入端接电阻R2与R3公共端,过充电比较器负输入端接基准源模块VO输出端,过充电比较器输出端接控制模块VOC输入端;电源引脚VDD通过电阻R4与R5串联后接地,过放电比较器正输入端接电阻R4与R5公共端,过放电比较器负输入端接基准源模块VD输出端,过放电比较器输出端接控制模块VOD输入端;VM引脚通过充电检测模块接控制模块Charge输入端;VM引脚分别接第一过流检测比较器、第二过流检测比较器、负载短路比较器正输入端;第一过流检测比较器的负输入端接基准源模块VCl输出端,第一过流检测比较器输出端接控制模块VOCl输入端;第二过流检测比较器的负输入端接基准源模块VC2输出端,第二过流检测比较器输出端接控制模块V0C2输入端;负载短路比较器的负输入端接基准源模块VS输出端,负载短路比较器输出端接控制模块Short输入端;开关MOS管Mvmd的源极接电源VDD,M_栅极接控制模块VMS输出端,Mvm的漏极通过电阻Rvffil接VM引脚;开关MOS管Mvms的源极地,Mvms的栅极接控制模块VMS输出端;Mvms的漏极通过电阻Rvms接VM引脚;输出引脚DO与CO受ESD电路保护,以防止静电损坏芯片;
[0008] 所述过充电比较器比较电源电压VDD与过充电检测电压,得到过充电比较信号VOC ;过放电比较器比较电源电压VDD与过充电检测电压,得到过放电比较信号VOD ;第一过流检测比较器比较VM端电压与第一过流检测比较器检测电压,得到过流比较信号VOCl ;第二过流检测比较器比较VM端电压与第二过流检测比较器检测电压,得到过流比较信号V0C2 ;负载短路比较器比较VM端电压与负载短路检测电压,得到短路比较信号Short ;充电检测模块输出充电比较信号Charge。控制模块接收并处理上述6个比较信号,以控制锂电池充放电。
[0009] 在上述的一种带精确延时及休眠功能的单节锂电池保护芯片,所述控制模块由状态检测模块、OSC模块、分频器及延时模块、整形电路模块、优先级判断模块、输出控制模块、禁止充电模块、待机控制模块等组成;OSC模块的时钟输出端接整形电路模块输入端,整形电路模块输出端接到分频器及延时模块的时钟输入端,OSC模块的使能端接休眠控制模块的输出端EN ;状态检测模块的比较信号输入端接检测模块中各检测子模块的输出端,状态检测模块事件信号输出端Delay_sig接分频器及延时信号的延时信号输入端,状态检测模块延时信号输入端Delay_time接分频器及延时模的延时信号输出端;状态检测模块的短路状态输出端Short_De、过放电状态输出端V0D_De接休眠模块;状态检测模块的状态信号输出端通过优先级判断模块后接输出控制模块,输出控制模块连接基准源模块,还与禁止充电模块相连。
[0010] 所述控制模块中,状态检测模块处理检测模块输入的比较信号,得到锂电池所处的状态信号;整形模块对OSC模块输出的信号进行整形,得到精确的时钟信号;所述分频器及延时模块在时钟信号驱动下,对状态检测模块输出的信号进行不同时间的精确延时;优先级判断模块接收状态检测模块输出的经过精确延时后的锂电池的工作状态信号,并将其中优先级最高的信号传递给输出控制模块处理,其他信号置为无效;输出控制模块处理锂电池的状态信号,控制基准源模块是否输出检测模块的各个参考电压,控制VMS、VMD、COC、DOC信号的电平,以保护锂电池;充电禁止模块在锂电池处于OV时,将COC与DOC信号置为无效以禁止向锂电池充放电。控制模块中除OSC模块、待机控制模块以外的各构成子模块,均可以通过公知的数字电路理论来实现,在此不再赘述具体的结构。
[0011] 在上述的一种带精确延时及休眠功能的单节锂电池保护芯片,所述OSC模块采用了环形振荡器结构;0SC模块为一个由5级反相器级联而成的环形振荡器。P型MOS管Mn源极接锂电池电压VDD,Mn漏极通过恒流源In接地,输出电容Cn并联在Qn的漏极与源极上,MOS管Qn、电容Cn与电流源In构成第η级反相器INn (η=1、……、4),MOS管Qn的栅极为INn的输入端,MOS管Qn漏极为INn的输出端;Ρ型MOS管Μ5源极接锂电池电压VDD,MOS管Μ5的栅极接比较器COMP的负输入端,比较器COMP的正输入端与Μ5的漏极相连后通过恒流源15接地,MOS管Μ5、恒流源15与比较器COMP组成第级反相器IN5,M0S管M5的栅极为IN5输入端,比较器COMP输出端为IN5的输出端;反相器INl的输出端接反相器IN2输入端,反相器IN2的输出端接反相器IN3输入端,反相器IN3的输出端接反相器IN4输入端,反相器IN4的输出端接反相器IN5输入端,反相器IN5的输出端CK与休眠控制模块的EN输出端接与门AND输入端,与门AND的输出端接INl的输入端,形成一个由5级反相器级联而成的环形振荡器。
[0012] 在上述的一种带精确延时及休眠功能的单节锂电池保护芯片,所述待机控制模块包括一个由放大器AMP与多个电阻构成的减法器,电源引脚VDD通过电阻R8、R9串联后接地,放大器AMP的正输入端 接电阻R8与R9的公共端;VM端通过电阻R7与Rf串联后接放大器AMP输出端,放大器AMP的负输入端接电阻R7与Rf的公共端;电阻R7、R8、R9、Rf与放大器AMP构成减法器,当四个电阻阻值相同,输出电压Vmc=VDD-VM。放大器AMP的输出端接比较器C0MP_2的负输入端,C0MP_2的正输入端接基准源模块的休眠检测电压输出端。比较器C0MP_2的输出端接MOS管PMl的栅极,比较器C0MP_2的输出端通过反相器INV后接MOS管PM2的栅极,PMl源极与PM2源极相连后接VDD ;PM1漏极与MOS管匪I漏极相连后接MOS管匪2栅极,PM2漏极与匪2漏极相连后接匪I栅极,匪I源极与匪2源极相连后接地。PM2漏极与状态检测模块的过放电状态信号端V0D_De接与非门NANDl的输入端,NANDl输出端与状态检测模块的短路状态信号Short_De接与非门NAND2的输入端,NAND2输出休眠控制信号EN。
[0013] 因此,本发明具有如下优点:1.应用电路结构简单,需要外围器件较少,无需复杂的MCU控制,成本较低;2.带有休眠功能有助于降低功耗节约能源,同时延长了芯片在锂电池电量较低时的工作时间;3.具有较高的检测电压步进精度,以及精确的延时时间,有助于快速而准确地保护锂电池,同时可靠地解除失常状态回到正常工作状态。
附图说明
[0014] 附图1所示为带精确延时及休眠功能的单节锂电池保护芯片典型工作电路图。[0015] 附图2所示为所设计锂电池保护芯片的工作流程示意图。
[0016] 附图3所示为所设计锂电池保护芯片的内部拓扑图。
[0017] 附图4所示为所设计锂电池保护芯片内部控制模块的功能模块图。
[0018] 附图5所示为所设计锂电池保护芯片内部OSC模块的电路图。
[0019] 附图6所示为所设计锂电池保护芯片内部过流比较器的电路图。
[0020] 附图7所示为所设计锂电池保护芯片内部分频器及延时模块电路图。
[0021] 附图8所示为所设计锂电池保护芯片内部休眠控制模块电路图。
具体实施方式
[0022] 下面通过实施例,并结合附图,对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
[0023] 实施例:
[0024] 为了更加清楚明白地解释本发明的目的、技术方案和优点,下面结合附图和实例对本发明进行进一步的说明。
[0025] 附图1所示为带有精确延时及待机功能的单节锂电池保护芯片的典工作电路图。其特征在于锂电池正极接外部充电源的正极端EB+,锂电池正极通过电阻RO接锂电池保护芯片的电源引脚VDD,为锂电池保护芯片供电;引脚VDD通过电容CO接地,电阻RO与电容CO组成低通滤波器以滤除锂电池中的高频杂波。锂电池负极与锂电池保护芯片的地引脚VSS相连后接地,锂电池负极接放电开关FETl的源极,FETl的漏极接充电开关FET2的漏极,FET2源极接外部充电源负极端EB-,EB+与EB-也是外部电路的电源接口 ;锂电池保护芯片的放电开关控制引脚DO接放电开关FETl栅极,锂电池保护芯片的充电开关控制引脚CO接充电开关FET2栅极;锂电池保护芯片的VM引脚为过流检测电压输入引脚,通过电阻Rl接EB-,VM端的电压作为保护芯片过流(第一过流检测比较器、第二过流检测比较器、外电路短路)保护的判断依据。接入负载时VM的电压恒为VDD,当负载断开或者放电开关FETl切断时,VM电平由锂电池保护芯片内部电路决定。从附图1可见所设计的锂电池保护芯片只需要5个外围器件就能对单节锂电池进行保护,无需MCU等复杂器件,简化了设计难度降低了成本。经测试得,所设计芯片可以对单节锂电池进行过放电保护、过充电保护、过流保护以及短路保护,所设计芯片工作温度范围能达到_40°C〜+80°C。
[0026] 附图2所示为所设计锂电池保护芯片的工作流程示意图,其特征在于芯片通过检测电源电压VDD以及VM端电压,来判断电池所处的状态,并控制锂电池充放电开关保护锂电池。平时系统处于正常工作状态,即电池电压VDD高于过放电检测电压V11但低于过充电检测电压Vcu,且VM端电压高于充电检测电压Vqia但高低于过流检测电压Vrav时,充放电开关均打开锂电池可以自由充放电的状态。
[0027] 过流状态(过电流1、过电流2、负载短路)指:由于锂电池工作电流在额定值以上,导致VM端子的电压超过过流检测电压VIW,且持续时间超过过电流检测延时tIW,需要关闭充放电开关停止充放电的状态。切断充放电开关解除负载后,芯片内部电路通过下拉电阻Rvis使VM与地端VSS短路,当检测到VM端电压低于过流检测电压Viqv时,打开充放电开关解除过流状态回到正常工作状态。
[0028] 过充电状态指:锂电池在充电过程中电池电压VDD超过过充电检测电压Vcu,且持续时间超过过充电检测延迟时tcu,需要切断充电开关FET2停止充电的状态。过充电状态解除有两种方法:1.等待电池电压VDD自行下降到过充电解除电压Vot以下,且持续时间超过过充电解除延时tOT ;2.加载负载开始放电后,当电池电压下降到过充电检测电压Vcu以下。满足条件1.2.后,打开充电FET2解除过充电状态恢复到正常工作状态。
[0029] 过放电状态指:在放电过程中电池电压VDD低于过放电检测电压VDy且持续时间超过过放电检测延迟时间tm,需要切断放电开关FETI停止放电的状态。切断放电开关FETI后,芯片内部电路通过上拉电阻R.控制VM端子电压上升,在经过休眠检测时间tSH后,检测VDD与VM端间的电压差,1.若VDD-VM低于休眠电压Vsh时,锂电池电量过低系统将进入休眠状态,电流将减少至休眠电流Ipdn ;2.若VDD VM高于休眠电压Vsh时,锂电池进入过放电状态。
[0030] 充电检测指:当处于过放电或休眠状态的锂电池与充电器连接时,1.若VM端子电压低于充电器检测电压Vqia,电池电压VDD只需上升到过放电检测电压V11以上,便可打开放电开关FETl解除过放电状态;2.若VM端子电压高于充电器检测电压Vqia,那么电池电压VDD需要上升到过放电解除电压VDm以上,才可解除过放电状态。
[0031] 附图3所示为所设计锂电池保护芯片的内部拓扑结构。其主拓扑包含控制模块、检测模块两部分。虚线框所示为控制模块,控制模块以外的拓扑结构都属于检测模块。检测模块包含第一过流检测比较器、第二过流检测比较器,充电检测、过充电检测、过放电检测、短路检测六个部分。电源引脚VDD通过电阻R2与R3串联后接地,过充电比较器正输入端接电阻R2与R3公共端,过充电比较器负输入端接基准源模块VO输出端;电源引脚VDD通过电阻R4与R5串联后接地,过放电比较器正输入端接电阻R4与R5公共端,过放电比较器负输入端接基准源模块VD输出端,过充电比较器与过放电比较器的输出端接控制模块;VM引脚通过充电检测模块接控制模块,VM引脚分别接第一过流检测比较器、第二过流检测比较器、负载短路比较器正输入端;第一过流检测比较器的负输入端接基准源模块VCl输出端,第二过流检测比较器的负输入端接基准源模块VC2输出端,负载短路比较器的负输入端接基准源模块VS输出端,第一过流检测比较器、第二过流检测比较器、负载短路比较器的输出端接入控制模块;P型开关MOS管Mvm的源极接电源VDD,M0S管Mvm栅极接控制模块VMS输出端,Mvb的漏极通过电阻Rvffil接VM引脚;N型开关MOS管Mvms的源极地,Mvms的栅极接控制模块VMS输出端;M0S管Mvms的漏极通过电阻Rvms接VM引脚;输出引脚DO与CO经过ESD处理,以防止静电损坏芯片。过充电比较器比较电源电压VDD与过充电检测电压,得到过充电比较信号VOC ;过放电比较器比较电源电压VDD与过充电检测电压,得到过放电比较信号VOD ;第一过流检测比较器比较VM端电压与第一过流检测比较器检测电压,得到过流比较信号VOCl ;第二过流检测比较器比较VM端电压与第二过流检测比较器检测电压,得到过流比较信号V0C2;负载短路比较器比较VM端电压与负载短路检测电压,得到短路比较信号Short ;充电检测模块输出充电比较信号Charge。控制模块接收并处理上述6个比较信号,以控制锂电池充放电。当锂电池处于过流状态且负载断开时,控制模块VMS引脚输出高电平打开Mvms,VM与VSS通过Rvms短路以解除过流状态。当锂电池处于过放电状态时,控制模块VMD引脚输出低电平打开M.,通过电阻R.上拉VDD VM以判断是否需要进入休眠状态。基准源模块受控制模块控制,调整各检测电路的参考电压。
[0032] 附图4所示为所设计锂电池保护芯片内部控制模块的功能模块图。控制模块包含OSC模块、整形电路模块、分频器模块及延时模块、状态检测模块、优先级判断模块、休眠控制模块、输出控制模块、禁止充电模块、基准源控制模块共8个部分。OSC模块的时钟输出端接整形电路模块输入端,整形电路模块输出端接到分频器及延时模块的时钟输入端,OSC模块的使能端接休眠控制模块的EN输出端;分频器及延时模块的延时信号输入端接状态检测模块事件信号输出端Delay_sig,分频器及延时模的延时信号输出端接状态检测模块延时信号输入端Delayjime ;状态检测模块的比较信号输入端接检测模块的输出端。状态检测模块的短路状态输出端Short_De、过放电状态输出端V0D_De接休眠模块;状态检测模块的状态信号输出端通过优先级判断模块后接输出控制模块,输出控制模块控制着基准源模块与禁止充电模块相连,并输出VMS与VMD信号;禁止充电模块输出COC与DOC信号。
[0033] OSC模块采用环形振荡器结构,利用恒流源对电容充电到来控制输出波形的周期;整形电路模块由反相器组成,整形并增加OSC模块输出的波形的驱动能力后,作为分频器及延时电路模块的时钟输入。状态检测模块由一系列逻辑门组成,接收检测检测电路输出的比较信号,做初步处理后生成事件信号Delay_sig ;分频器及延时模块由D触发器组成,对OSC模块输出的精确时钟进行不同分频,对事件信号Delay_sig的不同成分进行不同时间的精确延时后,生成延时信号Delay_time并反馈回状态检测模块;状态检测模块综合Delay_sig信号与Delay_time信号,得到锂电池所处的工作状态信号;优先级判断模块接收并处理状态检测模块输出的锂电池工作状态信号,将优先级最高的锂电池状态信号输送到输出控制模块。
[0034] 输出控制模块接收到锂电池状态信号后,根据状态信号类型,输出DOC信号通过DO引脚控制放电开关;输出COC信号通过CO引脚控制充电开关,以保护锂电池或者解除失常状态;控制基准调整检测模块的参考电压,精确可靠地保护锂电池或者解除失常状态。禁止充电模块可以禁止向OV的锂电池充电,以防止产生无法预测的不良后果发生。状态检测模块可接收以下六个比较信号:0C1第一过流检测比较器比较信号、0C2第二过流检测比较器比较信号、VOD过放电比较信号、VOC过充电比较信号、Short负载短路比较信号、Charge充电检测信号。VMS引脚在锂电池处于过流状态且无负载时,打开N型MOS管Mvms,通过Rvms将VM与VSS短接以解除过放电状态。VMD信号在锂电池处于过放电状态时,打开P型MOS管Mvm,通过电阻Rvm上拉VM端电压,在负载未短路且锂电池处于过放电情况时,休眠控制模块比较VDD-VM电压与休眠检测电压VSH,决定是否进入休眠状态。
[0035] 附图5所示为所设计单节锂电池保护芯片内部OSC模块的电路图。OSC模块采用环形振荡器结构,利用上一级反相器的恒流源对输出电容充电到下一级反相器阈值的时间,来作为反相器间的信号传输延时,从而精确的控制振荡器输出信号的周期。附图5中P型MOS管Mn源极接锂电池电压VDD,Mn漏极通过恒流源In接地,输出电容Cn并联在Qn的漏
极与源极上,Qn、Cn与In构成第η级反相器INn (n=l、......、4), Qn的栅极为INn的输入
端,Qn漏极为INn的输出端;Ρ型MOS管Μ5源极接锂电池电压VDD,Μ5栅极接比较器COMP的负输入端,COMP的正输入端与Μ5的漏极相连后通过恒流源15接地,Μ5,15与COMP组成第级反相器ΙΝ5,Μ5的栅极为ΙΝ5输入端,COMP输出端为ΙΝ5的输出端;ΙΝ1的输出端接ΙΝ2输入端,ΙΝ2的输出端接ΙΝ3输入端,ΙΝ3的输出端接ΙΝ4输入端,ΙΝ4的输出端接ΙΝ5输入端,ΙΝ5的输出端CK与休眠控制模块的EN输出端接与门AND输入端,AND的输出端接INl的输入端,形成由5级反相器级联而成的环形振荡器。休眠控制模块EN输出端经过一系列逻辑模块后,产生恒流源控制信号CT,当EN为低电平时CT关闭所有恒流源,当EN为高电平时CT打开所有恒流源。由恒流源对电容的充电公式U=I*t/C,U为电容充电产生的电压差,t为充电时间,I为恒流源电流,C为电容值;C4为小电容且恒流源14为大电流,因此可以信号由第四级反相器IN4与传送到第5级反相器IN5的延时可忽略,第四级反相器IN4只用于整形。由于CLK对P型MOS管Ml的控制不经过电容的充放电,信号第五级反相器IN5反馈回第一级反相器INl的延时也可以忽略。则时钟周期为Il对Cl充电到第二级反相器IN2阈值(反相器INl到反相器IN2的传输延迟);12对C2充电到第三级反相器IN3阈值(反相器IN2到反相器IN3的传输延迟);13对C3充电到第四级反相器IN4阈值(反相器IN3到反相器IN4的传输延迟)3个充电时间之和。设计时取恒流源电流值11=12=13=1,因此CLK的时钟周期T=3 (Vdd-Vth)/I,Vth为反相器ΙΝ2,ΙΝ3, ΙΝ4的阈值。初始时EN为低电平,CLK为低电平,芯片处于休眠状态,OSC模块未工作。当EN跳变为高电平时,CLK保持低电平,Ml漏极为高点平VDD,电容Cl未充电;Μ2漏极为低电平;Μ3漏极为高电平VDD,CLK由低电平变为高电平。当CLK由低电平到高电平时,Ml关断Il开始对Cl充电使得Ml漏极电压下降,当Ml漏极电平下降到反相器ΙΝ2的阈值时;Μ2打开C2迅速完成放电,M2的漏极变为高电平VDD ;此时M3关断13开始对C3充电使得M3的漏极电压开始下降,当M3的漏极电压下降反相器ΙΝ4的阈值时,CK输出低电平使得CLK由高电平变为低电平,即CLK高电平持续了反相器INl到反相器ΙΝ2、反相器ΙΝ3到反相器ΙΝ4共两个延时。当CLK由高电平转换为低电平时,Ml打开使得Ml漏极电平迅速变为VDD ;Μ2被关断12开始对C2充电,使得M2漏极电平开始下降,当M2漏极电压降低到反相器ΙΝ3阈值时,M3打开使得M3漏极变为高电平,此时CK输出高电平使CLK由低电平变为高电平;即CLK低电平持续为反相器ΙΝ2到反相器ΙΝ3的传输延迟,可得CLK信号高电平的占空比为2/3。OSC模块受休眠控制信号EN控制,当EN为低电平时CLK保持低电平,同时关断所有电流源及其偏置电路。
[0036] 附图6所示为所设计的带精确延时及休眠功能的单节锂电池保护芯片内部过流比较器电路图。虚线框中的6个皿^管16^7、18、19、110、111构成一个反相输出的施密特触发器Smit。反相输出向的施密特触发器接在比较器C0MP_I做整形。由于施密特触发器的双门限特性,因此在对过流 保护的检测信号做整形时,其抗干扰能力强有助与控制模块精确地对锂电池进行过流保护。
[0037] 附图7所示为所设计单节锂电池保护芯片的分频器及延时模块的电路图。各个分频器由D触发器构成,CLK信号为OSC模块输出的经过整形模块整形并增强驱动能力后的时钟信号,分频器对CLK进行分频得到不同分频比的分频信号。延时模块由采用锁存器接法的D触发器构成,延时模块在分频器输出的分频信号的驱动下,对状态检测模块输出的事件信号恥lay_sig中不同的组成信号,进行不同时间的延时锁存,得到精确的延时信号Delay_time。之后将延迟信号Delay_time反馈回状态检测模块。由于Delay_sig与Delay_time并非单独的一个信号,对Delay_sig中各组成信号的延时时间不同,而是有多个单元信号组成的信号集合,因此采用多组锁存器来处理这两组信号。
[0038] 附图8所示为所设计锂电池保护芯片休眠控制模块的电路图。电源引脚VDD通过电阻R8、R9串联后接地,放大器AMP的正输入端接电阻R8与R9的公共端;VM端通过电阻R7与Rf串联后接放大器AMP输出端,放大器AMP的负输入端接电阻R7与Rf的公共端。放大器AMP的输出端接比较器C0MP_2的负输入端,C0MP_2的正输入端接基准源模块的休眠检测电压输出端。比较器C0MP_2的输出端接MOS管PMl的栅极,比较器C0MP_2的输出端通过反相器INV后接MOS管PM2的栅极,PMl源极与PM2源极相连后接VDD ;PM1漏极与MOS管匪I漏极相连后接MOS管匪2栅极,PM2漏极与匪2漏极相连后接匪I栅极,匪I源极与匪2源极相连后接地。PM2漏极与状态检测模块的过放电状态信号端V0D_De接与非门NANDl的输入端,NANDl输出端与状态检测模块的短路状态信号Short_De接与非门NAND2的输入端,NAND2输出休眠控制信号EN。电阻R7、R8、R9、Rf与放大器AMP构成减法器,输
出电压
Figure CN103532106AD00111
,四个电阻阻值相同使得Vmc=VDD-VM。
比较器C0MP_2将Vmc与休眠检测电压Vsh相比较,以判断是否需要进入休眠状态。MOS管PMU PM2、匪1、匪2构成负阻反相器,增大休眠信号的驱动能力并输出为VMC0 Short_De为负载短路状态信号,有效时表示负载短路;V0D_De为过放电状态信号,有效时表示锂电池处于过放电状态。休眠控制模块在负载未短路且锂电池处于过放电状态时,比较Vmc与Vsh的大小,如果Vmc小于Vsh则输出休眠控制信号EN使电路进入休眠状态。在接通充电器为锂电池充电时,当Vmc大于休眠检测电压Vsh时,休眠控制模块解除休眠信号,使系统进入过放电状态
[0039] 本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代,但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种带精确延时及休眠功能的单节锂电池保护芯片,其特征在于,芯片内部包括控制模块、检测模块两部分;其中,除控制模块以外的内部电路均属于检测模块;所述检测模块包括第一过流检测比较器、第二过流检测比较器、充电检测单元、过充电比较器、过放电比较器、负载短路比较器、基准源模块以及检测模块附属电路;所述检测模块中,第一过流检测比较器、第二过流检测比较器,充电检测单元、过充电比较器、过放电比较器、负载短路比较器以及检测模块附属电路均连接在控制模块上。
2.根据权利要求1所述的一种带精确延时及休眠功能的单节锂电池保护芯片,其特征在于,所述锂电池保护芯片包含以下5根外部引脚:电源引脚VDD ;地引脚VSS;放电开关控制引脚DO ;充电开关控制引脚CO ;过流检测电压输入引脚VM ;所述保护芯片典型的工作电路连接如下:EB+端为外部充电源的正极端,EB-端为外部充电源的负极端,同时EB+端与EB-端分别作为锂电池为外电路供电的正负极输出端;锂电池正极通过电阻RO接源引脚VDD,同时锂电池正极接EB+端;电源引脚VDD通过电容CO接地;锂电池负极与锂电池保护芯片的地引脚VSS相连后接地,锂电池负极接放电开关FETl的源极,放电开关FETl的漏极接充电开关FET2的漏极,充电开关FET2源极接EB-端;放电开关控制引脚DO接放电开关FETl栅极,充电开关控制引脚CO接充电开关FET2栅极,过流检测电压输入引脚VM,通过电阻Rl接EB-端。
3.根据权利要求1中所述的一种带精确延时及休眠功能的单节锂电池保护芯片,其特征在于,所述控制模块与检测模块的连接如下,电源引脚VDD通过电阻R2与R3串联后接地,过充电比较器正输入端接电阻R2与R3公共端,过充电比较器负输入端接基准源模块VO输出端,过充电比较器输出端接控制模块VOC输入端;电源引脚VDD通过电阻R4与R5串联后接地,过放电比较器正输入端接电阻R4与R5公共端,过放电比较器负输入端接基准源模块VD输出端,过放电比较器输出端接控制模块VOD输入端;VM引脚通过充电检测模块接控制模块Charge输入端;VM引脚分别接第一过流检测比较器、第二过流检测比较器、负载短路比较器正输入端;第一过流检测比较器的负输入端接基准源模块VCl输出端,第一过流检测比较器输出端接控制模块VOCl输入端;第二过流检测比较器的负输入端接基准源模块VC2输出端,第二过流检测比较器输出端接控制模块V0C2输入端;负载短路比较器的负输入端接基准源模块VS输出端,负载短路比较器输出端接控制模块Short输入端;开关MOS管Mvm的源极接电源VDD,Mvm栅极接控制模块VMS输出端,Mvffil的漏极通过电阻Rvffil接VM引脚;开关MOS管Mvms的源极地,Mvms的栅极接控制模块VMS输出端;Mvms的漏极通过电阻Rvms接VM引脚;输出引脚DO与CO受ESD电路保护,以防止静电损坏芯片; 所述过充电比较器比较电源电压VDD与过充电检测电压,得到过充电比较信号VOC ;过放电比较器比较电源电压VDD与过充电检测电压,得到过放电比较信号VOD ;第一过流检测比较器比较VM端电压与第一过流检测比较器检测电压,得到过流比较信号VOCl ;第二过流检测比较器比较VM端电压与第二过流检测比较器检测电压,得到过流比较信号V0C2 ;负载短路比较器比较VM端电压与负载短路检测电压,得到短路比较信号Short ;充电检测模块输出充电比较信号Charge ;控制模块接收并处理上述6个比较信号,以控制锂电池充放电。
4.根据权利要求3所述的一种带精确延时及休眠功能的单节锂电池保护芯片,其特征在于,所述控制模块包括状态检测模块、OSC模块、分频器及延时模块、整形电路模块、优先级判断模块、输出控制模块、禁止充电模块、待机控制模块;OSC模块的时钟输出端接整形电路模块输入端,整形电路模块输出端接到分频器及延时模块的时钟输入端,OSC模块的使能端接休眠控制模块的输出端EN ;状态检测模块的比较信号输入端接检测模块中各检测子模块的输出端,状态检测模块事件信号输出端Delay_sig接分频器及延时信号的延时信号输入端,状态检测模块延时信号输入端Delay_time接分频器及延时模块的延时信号输出端;状态检测模块的短路状态输出端Short_De、过放电状态输出端V0D_De接休眠模块,状态检测模块的状态信号输出端通过优先级判断模块后接输出控制模块;输出控制模块与基准源模块相连接,输出控制模块还与禁止充电模块相连; 所述控制模块中,状态检测模块处理检测模块输入的比较信号,得到锂电池所处的状态信号;整形模块对OSC模块输出的信号进行整形,得到精确的时钟信号;所述分频器及延时模块在时钟信号驱动下,对状态检测模块输出的信号进行不同时间的精确延时;优先级判断模块接收状态检测模块输出的经过精确延时后的锂电池的工作状态信号,并将其中优先级最高的信号传递给输出控制模块处理,其他信号置为无效;输出控制模块处理锂电池的状态信号,控制基准源模块是否输出检测模块的各个参考电压,控制VMS、VMD、COC、DOC信号的电平,以保护锂电池;充电禁止模块在锂电池处于OV时,将COC与DOC信号置为无效以禁止向锂电池充放电。
5.根据权利要求4所述的一种带精确延时及休眠功能的单节锂电池保护芯片,其特征在于,所述OSC模块采用了环形振荡器结构;0SC模块为一个由5级反相器级联而成的环形振荡器;P型MOS管Mn源极接锂电池电压VDD,Mn漏极通过恒流源In接地,输出电容Cn并联在Qn的漏极与源极上,MOS管Qn、电容Cn与电流源In构成第η级反相器INn,其中,η=1、……、4 ;M0S管Qn的栅极为INn的输入端,MOS管Qn漏极为INn的输出端;P型MOS管M5源极接锂电池电压VDD,MOS管M5的栅极接比较器COMP的负输入端,比较器COMP的正输入端与M5的漏极相连后通过恒流源15接地,MOS管M5、恒流源15与比较器COMP组成第级反相器IN5,MOS管M5的栅极为IN5输入端,比较器COMP输出端为IN5的输出端;反相器INl的输出端接反相器I N2输入端,反相器IN2的输出端接反相器IN3输入端,反相器IN3的输出端接反相器IN4输入端,反相器IN4的输出端接反相器IN5输入端,反相器IN5的输出端CK与休眠控制模块的EN输出端接与门AND输入端,与门AND的输出端接INl的输入端,形成一个由5级反相器级联而成的环形振荡器。
6.根据权利要求5所述的一种带精确延时及休眠功能的单节锂电池保护芯片,其特征在于,所述待机控制模块包括一个由放大器AMP与多个电阻组成的减法器,电源引脚VDD通过电阻R8、R9串联后接地,放大器AMP的正输入端接电阻R8与R9的公共端;VM端通过电阻R7与Rf串联后接放大器AMP输出端,放大器AMP的负输入端接电阻R7与Rf的公共端;电阻R7、R8、R9、Rf与放大器AMP构成减法器,当四个电阻阻值相同,输出电压Vmc为VDD-VM ;放大器AMP的输出端接比较器C0MP_2的负输入端,C0MP_2的正输入端接基准源模块的休眠检测电压输出端;比较器C0MP_2的输出端接P型MOS管PMl的栅极,比较器C0MP_2的输出端通过反相器INV后接P型MOS管PM2的栅极,PMl源极与PM2源极相连后接VDD ;PM1漏极与N型MOS管匪I漏极相连后接N型MOS管匪2栅极,PM2漏极与匪2漏极相连后接匪I栅极,匪I源极与匪2源极相连后接地;PM2漏极与状态检测模块的过放电状态信号端V0D_De接与非门NANDl的输入端,NANDl输出端与状态检测模块的短路状态信号Short_De接与非门NAND2的输入端,NAND2输出休眠控制信号EN。
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