CN103532106B - 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,其动力核心一一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 高的时钟模块,为每个失常事件判断提供了极高精度的延时;芯片提供了极高的电压检测 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] -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DO;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 FET1的源极,放电开关FET1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Char ge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,Mvmd栅极接 控制模块VMS输出端,Mvmd的漏极通过电阻Rvmd接VM引脚;开关MOS管Mvms的源极地,Mvms的概极 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V0C1;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、C0C、 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;OSC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(n=l、……、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,M0S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,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IM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; PMl漏极与MOS管匪1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1栅极,匪1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 Shor t_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FET1的源极,FET1的漏极接充电开关FET 2的漏极,FET 2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Vdl但低于过充电检测 电压V CU,且VM端电压高于充电检测电压V™但高低于过流检测电压Viqv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VIQV,且持续时间超过过电流检测延时tIQV,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 Rvms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V cud以下,且持续时间超过过 充电解除延时tCUD; 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Vdl,且持续时间超 过过放电检测延迟时间tDL,需要切断放电开关FETl停止放电的状态。切断放电开关FETl后, 芯片内部电路通过上拉电阻Rvmd控制VM端子电压上升,在经过休眠检测时间t SH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V CHA,电池电压VDD只需上升到过放电检测电压Vdl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V CHA,那么电池电压VDD 需要上升到过放电解除电压Vdlh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M棚的源极接电源VDD,M0S管M棚栅极接控制模块VMS输出端,M棚的漏极通 过电阻Rvmd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;MOS管 Mvms的漏极通过电阻Rvms接VM引脚;输出引脚DO与⑶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V0D;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V0C1;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Mvmd,通过电阻 Rvmd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Delay_time;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VOD_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 制丰吴块。
[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 弓丨脚控制放电开关;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:〇Cl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Mvmd,通过电阻 Rvmd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;P型MOS管M5源极接锂电池电压VDD,M5栅极接比较器COMP的负输入端,COMP的正 输入端与M5的漏极相连后通过恒流源15接地,M5,15与COMP组成第级反相器IN5,M5的栅极 为IN5输入端,COMP输出端为IN5的输出端;INl的输出端接IN2输入端,IN2的输出端接IN3输 入端,IN3的输出端接IN4输入端,IM的输出端接IN5输入端,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,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IM与传送到第5级反相器 IN5的延时可忽略,第四级反相器IM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IM阈值(反相器IN3到反相器IM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(V dd-VTh)/I,Vth为反相器IN2,IN3,IN4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;M2漏极为低电平;M3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IN2的阈值时;M2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IM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IN2、反相器IN3到反相器IN4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 ;M2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IN3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IN2到反相器IN3的传输延 迟,可得CLK信号高电平的占空比为2/3 ASC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MOS管16、17、1819、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PM 1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; PMl漏极与MOS管NMl漏极相连后接MOS管匪2栅极,PM2 漏极与NM2漏极相连后接NMl栅极,NMl源极与NM2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Sior t_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β
Figure CN103532106BD00111
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PMl、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VMC。 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 (4)

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,充电检测模块、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; 所述保护芯片包含以下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R0接电源引脚VDD,同时锂电池 正极接EB+端;电源引脚VDD通过电容C0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FET1的源极,放电开关FET1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FET1栅极,充电开关控制 弓丨脚C0接充电开关FET2栅极,过流检测电压输入引脚VM,通过电阻R1接EB-端; 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V0输出端, 过充电比较器输出端接控制模块V0C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V0D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VC1输出端,第一过流检测比较器 输出端接控制模块V0C1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M0S管Mvmd的源极接电 源引脚VDD,Mvmd栅极接控制模块VMD输出端,Mvmd的漏极通过电阻Rvmd接VM引脚;开关M0S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弓丨脚;放电开 关控制引脚DO与充电开关控制引脚C0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引脚VDD的电压与过充电检测电压,得到过充电比较信号 V0C;过放电比较器比较电源引脚VDD的电压与过放电检测电压,得到过放电比较信号V0D; 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 V0C1;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。
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,所述控制模块包括状态检测模块、0SC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、休眠控制模块;0SC模块的时钟输出端接整形电 路丰旲块输入端,整形电路t旲块输出端接到分频器及延时t旲块的时钟输入端,〇sc|^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接分频器及延时模块的延时信号输 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VOD_De接休眠控制模块,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;整形电路模块对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,控制控制模块VMS输 出端、VMD输出端、COC输出端、DOC输出端信号的电平,以保护锂电池;禁止充电模块在锂电 池处于0V时,将控制模块COC输出端与DOC输出端信号置为无效以禁止向锂电池充放电。
3. 根据权利要求2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;OSC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Μη源极接电源引脚VDD,Mn漏极通过恒流源In接地,输出电容Cn并联在Μη的 漏极与源极上,MOS管Μη、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源极接电源引脚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,M0S管M5、恒流源15与比较器COMP组成第五级反相器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IN1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IN1的输入端,形成一个由5级反相器级联而成的环形振荡 器。
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,所述休眠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M0S管PM1的栅极,比较器C0MP_2的输出端通过反相器INV 后接P型M0S管PM2的栅极,PM1源极与PM2源极相连后接电源引脚VDD;PM1漏极与N型M0S管 匪1漏极相连后接N型M0S管匪2栅极,PM2漏极与匪2漏极相连后接匪1栅极,匪1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NAND1的输入 端,NAND1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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