CN103746347B - 电池保护芯片和电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电池保护芯片和电池系统，包括：第一电源引脚、第二电源引脚、电流检测引脚、充电保护引脚、放电保护引脚以及与充电保护引脚或放电保护引脚相连接的驱动电路；驱动电路包括上拉开关、下拉开关、第一电阻、第二电阻、第二开关、第五开关和测试驱动单元；上拉开关和下拉开关具有中间连接节点；在进入测试状态时，通过控制信号控制驱动电路中的下拉开关导通，上拉开关截止，使中间连接节点处于地电位，再由放电保护引脚施加测试模式启动信号，控制测试驱动单元的输出测试模式触发信号。由此在不增加额外的测试模式启动信号输入管脚的情况下，使电池保护芯片能够在测试阶段缩短电池的测试延时，提高测试效率。

Description

电池保护芯片和电池系统

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种电池保护芯片和电池系统。

背景技术

近年来越来越多的产品急速的采用锂电池或聚合锂电池来当做它的主要电源，不外乎其具有体积小、能量密度高、无记忆效应、循环寿命高、高电压电池、自放电率低等优点。但是对于锂离子电池来说，在使用过程中必须考虑充电、放电时的安全。比如，过度放电的情形下，电解液因分解而导致电池特性劣化，而过度充电会造成电池寿命的缩短，电池性能受到严重破坏，甚至发生爆炸。正因如此，针对锂电池的过充、过放、过电流及短路电流的保护更显得重要。因此通常都会在电池包内设计保护电路。

目前常用的锂离子电池的保护电路，是由如图1所示的一颗电池保护集成电路（integrated circuit，IC）芯片及两颗功率金属氧化物半导体场效应晶体管（Power-MOSFET）M11、M12构成的。其中电池保护IC用以监视电池电压；当电池发生过度充电或过度放电时，通过关断相应的Power-MOSFET来断开电源或负载，保护电池。为了防止噪声等问题引起的保护电路误动作，通常还会在电池保护IC中设计有延时电路，典型的过充延迟时间具体大约在0.1秒至2秒之间。然而在电池保护IC的测试阶段，为了测试出精确的过充保护电流、过充保护电压等参数以便进行修调（trimming），往往需要进行多次测试，因此消耗的时间是相当客观的，尤其是过充保护电压的测试，单次消耗时间通常在1秒以上，这对于大量的电池保护IC的测试来说是相当耗时的。

为了提高测试效率，业界提出了一种加入测试触发信号管脚DS的电池保护IC，例如理光锂电保护芯片R5426，通过将DS管脚的输入电平设置在某一范围内，可以将保护延时缩短，使过流和过充电流立刻能被检测到，将延时控制在百微秒以内，从而缩短对电池保护IC的测试时间。然而，电池保护芯片R5426为了实现快速检测，在芯片外部增加了一个DS管脚，DS管脚仅在芯片测试时使用，对于用户来说完全是冗余的，但因为这个管脚的存在，却在无形中增加了芯片封装面积、封装管壳的尺寸和芯片的占板面积。

发明内容

本发明的目的是提供一种电池保护芯片，利用电池保护芯片的信号输出管脚接入测试模式启动信号，使得在电池保护芯片内部生成测试模式触发信号，在不增加额外的测试模式启动信号输入管脚的情况下，使电池保护芯片能够在测试阶段缩短电池的测试延时，提高了测试效率，同时节省了芯片的封装面积和占板面积。

第一方面，本发明提供了一种电池保护芯片，包括：第一电源引脚、第二电源引脚、电流检测引脚、充电保护引脚和放电保护引脚，用于对电池进行充放电保护；

其中，第一电源引脚与所述电池的正极相连；第二电源引脚与所述电池的负极相连；充电保护引脚与外部的充电保护开关的控制端相连，通过对所述充电保护开关的控制，接通或断开所述电池的充电路径；放电保护引脚与外部的放电保护开关的控制端相连，通过对所述外部放电保护开关的控制，接通或断开所述电池的放电路径；

所述芯片还包括：与所述充电保护引脚或放电保护引脚相连接的驱动电路；

所述驱动电路包括上拉开关、下拉开关、第一电阻和第二电阻，上拉开关和下拉开关串联于第一电源引脚和第二电源引脚之间，第一电阻和第二电阻串联于上拉开关和下拉开关的中间连接节点与所述充电保护引脚或者所述放电保护引脚之间；上拉开关和下拉开关的控制端相连，接收控制信号以控制上拉开关导通且下拉开关截止，或者控制上拉开关截止且下拉开关导通；

所述驱动电路还包括串联于第一电源引脚和上拉开关之间的第二开关，串联于所述中间连接节点和第二电源引脚之间的第五开关，以及串联于第一电源引脚到第一电阻和第二电阻间节点的测试驱动单元，通过所述测试驱动单元的输出端控制第二开关和第五开关的导通和截止；

在进入测试状态时，通过所述控制信号控制下拉开关导通，上拉开关截止，再由充电保护引脚或放电保护引脚施加测试模式启动信号，控制测试驱动单元的输出测试模式触发信号。

优选的，所述测试驱动单元包括第一开关、电流源和反相器；

所述电流源的输出端与反相器的输入端相连接；所述第一开关串接于反相器的输入端和第一电阻和第二电阻间节点之间，所述反相器的输出端为测试驱动单元的输出端，所述反相器的输出端与第二开关和第五开关的控制端相连。

优选的，所述上拉开关和第二开关分别具体为PMOS晶体管；所述下拉开关、第一开关和第五开关分别具体为NMOS晶体管，其中MOS晶体管的漏极和源极作为开关的连接端，所述MOS晶体管的栅极作为开关的控制端。

进一步优选的，所述第一开关的控制端为地电压Vss，所述测试模式启动信号具体为Vss-ΔV，其中Vth为第一开关的开启电压。

优选的，所述电池保护芯片具体用于，根据第一电源引脚、第二电源引脚以及电流检测引脚的电压判断所述电池是否充电过压、充电过流、放电过压或者放电过流；

当充电过压和/或充电过流时，通过所述充电保护引脚输出有效充电保护信号以使得所述充电保护开关截止，断开所述电池的充电路径；

当放电过压和/或放电过流时，通过所述放电保护引脚输出有效放电保护信号以使得放电保护开关截止，断开所述电池的放电路径。

优选的，所述放电保护开关的一个连接端与所述电池的负极相连，所述放电保护开关的另一个连接端与所述充电保护开关的一个连接端相连，所述充电保护开关的另一个连接端与所述电流检测引脚相连。

优选的，在进入测试模式时，先使得电池保护芯片进入短路保护状态，从而通过上拉开关和下拉开关的控制端先控制下拉开关导通，上拉开关截止。

另一方面，本发明实施例提供了一种电池系统，其特征在于，所述电池系统包括：

电池；

充电保护开关和放电保护开关；

如上述第一方面所述的电池保护芯片。

在本发明提供的电池保护芯片和电池系统，利用电池保护芯片的信号输出管脚接入测试模式启动信号，使得在电池保护芯片内部利用测试模式触发电路生成测试模式触发信号，在不增加额外的测试模式启动信号输入管脚的情况下，使电池保护芯片能够在测试阶段缩短电池的测试延时，提高了测试效率，同时节省了芯片的封装面积和占板面积。

附图说明

图1为现有技术提供的一种电池保护芯片的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种电池保护芯片的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种驱动电路；

图4为本发明实施例提供的另一种电池保护芯片的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的电池保护系统的示意图。

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种电池保护芯片和电池系统，在不增加额外的测试模式启动信号输入管脚的情况下，能够缩短电池在测试阶段的测试延时，提高了测试效率，同时节省了芯片的封装面积和占板面积。

下面对本实施例提供的电池保护芯片进行详细说明。如图2所示，电池保护芯片，包括：第一电源Vcc引脚1、第二电源Vss引脚2、充电保护COUT引脚3、放电保护DOUT引脚4和电流检测VM引脚5，用于对电池进行充放电保护；

其中，第一电源Vcc引脚1与电池的正极相连；第二电源Vss引脚2与电池的负极相连；充电保护COUT引脚3与外部的充电保护开关M12的控制端相连，对充电保护开关M12的控制，接通或断开电池的充电路径；放电保护DOUT引脚4与外部的放电保护开关M11的控制端相连，通过对外部放电保护开关M11的控制，接通或断开电池的放电路径；

电池保护芯片中还包括：与充电保护COUT引脚3或放电保护DOUT引脚4相连接的驱动电路6；在本实施例的图2中以驱动电路6与放电保护DOUT引脚4相连接的情况为例进行说明。当然再其他具体的实施例中，也可以应用充电保护电路COUT引脚3与驱动电路6相连接，同样能够实现与下述实施例中功能相同的电池保护芯片。

其中，驱动电路6可以如图3所示，包括上拉开关M3、下拉开关M4、第一电阻R1和第二电阻R2，上拉开关M3和下拉开关M4串联于Vcc和Vss之间，第一电阻R1和第二电阻R2串联于上拉开关M3和下拉开关M4的中间连接节点A与放电保护引脚DOUT之间，上拉开关M3和下拉开关M4的控制端相连，接收放电控制信号DOB,通过DOB控制上拉开关M3导通且下拉开关M4截止，或者控制上拉开关M3截止且下拉开关M4导通；

驱动电路6还包括串联于Vcc和上拉开关M3之间的第二开关M2，串联于中间连接节点A和Vss之间的第五开关M5，以及串联于Vcc到第一电阻R1和第二电阻R2间的节点B的测试驱动单元61，通过测试驱动单元61的输出端控制第二开关M2和第五开关M5的导通和截止。

在不进入测试状态时，所述测试驱动单元61输出信号控制所述第二开关M2导通，第五开关M5截止，此时放电保护引脚DOUT的电平由放电控制信号DOB经过上拉开关和下拉开关来决定，此时该放电保护引脚DOUT作为放电保护引脚使用。

在进入测试状态时，先通过放电控制信号DOB控制下拉开关M4导通，上拉开关M3截止(即放电控制信号DOB为有效的保护信号，此例子中为高电平)，再由放电保护引脚DOUT施加测试模式启动信号，控制测试驱动单元61的输出测试模式触发信号DS，该测试模式触发信号控制所述第二开关M2截止，第五开关M5导通，此时所述放电保护引脚DOUT作为测试模式控制引脚来使用。

具体的，测试驱动单元61包括第一开关M1、电流源Isource和反相器INV1；

电流源Isource的输出端与反相器INV1的输入端相连接；第一开关M1串接于反相器INV1的输入端和第一电阻R1和第二电阻R2间的节点B之间，反相器INV1的输出端为测试驱动单元61的输出端，反相器61的输出端与第二开关M2和第五开关M5的控制端相连。

优选的，上拉开关M3和第二开关M2采用PMOS晶体管；下拉开关M4、第一开关M1和第五开关M5采用NMOS晶体管。电池保护芯片的具体实现如图3所示。

NMOS晶体管M1的栅极接地电压Vss，漏极与反相器INV1的输入端相连接；反相器INV1的输出端输出测试模式触发信号DS，并且反相器INV1的输出端与PMOS晶体管M2和NMOS晶体管M5的栅极相连接，利用测试模式触发信号DS控制PMOS晶体管M2和NMOS晶体管M5的导通或截止；PMOS晶体管M2的源极接电源电压Vcc，漏极与PMOS晶体管M3的源极相连接；PMOS晶体管M3与NMOS晶体管M4共栅连接放电控制信号DOB；NMOS晶体管M4和NMOS晶体管M5共源连接地电压Vss；PMOS晶体管M3、NMOS晶体管M4和NMOS晶体管M5共漏连接第一电阻R1的一端，第一电阻R1的另一端与NMOS晶体管M1的源极以及第二电阻R2的一端相连接；第二电阻R2的另一端接放电保护引脚DOUT。

在进入测试状态时，为了快速的消除测试延时，优选的先使电池保护芯片进入短路状态通过高电平的放电控制信号DOB控制PMOS晶体管M3截止且NMOS晶体管M4导通；此时，中间连接节点A处于地电位；然后由放电保护DOUT引脚施加测试模式启动信号(Vss-ΔV)，其中（Vss-ΔV）要满足与NMOS晶体管M5漏极之间的压差在经过第一电阻R1、第二电阻R2分压之后，在节点B的电压能够满足使NMOS晶体管M1导通，即Vth为第一开关的开启电压。

当NMOS晶体管M1导通时，反相器INV1输入端DSB点的电压被拉低至低电平，反相器INV1输出端DS输出高电平的测试模式触发信号DS，并且控制PMOS晶体管M2截止，NMOS晶体管M5导通，从而将中间连接节点A的电压始终维持在地电位，从而维持在整个测试状态下DS的高电平输出。

通过高电平的测试模式触发信号DS的产生，使电池保护芯片在检测到电池发生充电过压、充电过流、放电过压或者放电过流的情况下，不用经过延时，直接输出相应的保护信号，从而在测试状态下，缩短对电池的测试延时，提高了测试效率；相对于采用独立测试触发信号管脚的电池保护芯片，节省了一个输入信号管脚，因此也节省了芯片的封装面积和占板面积。

在上述实施例基础上，本发明实施例提供的电池保护芯片还可以如图4所示，包括：第一电源Vcc引脚1、第二电源Vss引脚2、充电保护COUT引脚3、放电保护DOUT引脚4、电流检测VM引脚5，驱动电路6、电压检测电路7、延时电路8、逻辑电路9和短路保护电路10。

根据第一电源Vcc引脚1、第二电源Vss引脚2以及电流检测VM引脚5的电压判断电池是否充电过压、充电过流、放电过压或者放电过流。

在正常使用时，本发明实施例提供的电池保护芯片应用于的电池系统中，在电池系统中配合两只Ｎ沟道MOSFET作为开关使用，为电池提供保护。具体如图5所示。所述系统包括：电池200、充电保护开关M11、放电保护开关M12和电池保护芯片100。

当充电过压和/或充电过流时，通过充电保护COUT引脚3输出有效充电保护信号以使得充电保护开关M11截止，断开电池200的充电路径,从而防止电池200因过充电而损坏；

当放电过压和/或放电过流时，通过放电保护DOUT引脚4输出有效放电保护信号以使得放电保护开关M12截止，断开电池200的放电路径，从而防止电池200因过放电而损坏。

本发明提供的电池保护芯片和电池系统，利用电池保护芯片的信号输出管脚接入测试模式启动信号，传送给芯片内部电路，生成测试模式触发信号，使得电池保护芯片能够对充电过压、充电过流、放电过压或者放电过流的情况立刻响应，从而在不增加额外的测试模式启动信号输入管脚的情况下，实现了在测试阶段能够缩短电池的测试延时，提高了测试效率，同时节省了芯片的封装面积和占板面积。

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 (8)

1.一种电池保护芯片，包括：第一电源引脚、第二电源引脚、电流检测引脚、充电保护引脚和放电保护引脚，用于对电池进行充放电保护；

其中，第一电源引脚与所述电池的正极相连；第二电源引脚与所述电池的负极相连；充电保护引脚与外部的充电保护开关的控制端相连，通过对所述充电保护开关的控制，接通或断开所述电池的充电路径；放电保护引脚与外部的放电保护开关的控制端相连，通过对所述外部放电保护开关的控制，接通或断开所述电池的放电路径；

其特征在于，所述芯片还包括：与所述充电保护引脚或放电保护引脚相连接的驱动电路；

所述驱动电路包括上拉开关、下拉开关、第一电阻和第二电阻；上拉开关和下拉开关串联于第一电源引脚和第二电源引脚之间，第一电阻和第二电阻串联于上拉开关和下拉开关的中间连接节点与所述充电保护引脚或所述放电保护引脚之间；上拉开关和下拉开关的控制端相连，接收控制信号以控制上拉开关导通且下拉开关截止，或者控制上拉开关截止且下拉开关导通；

所述驱动电路还包括串联于第一电源引脚和上拉开关之间的第二开关，串联于所述中间连接节点和第二电源引脚之间的第五开关，以及串联于第一电源引脚到第一电阻和第二电阻间节点的测试驱动单元，通过所述测试驱动单元的输出端控制第二开关和第五开关的导通和截止；

在进入测试状态时，通过所述控制信号控制下拉开关导通，上拉开关截止，再由充电保护引脚或放电保护引脚施加测试模式启动信号，控制测试驱动单元的输出测试模式触发信号。

2.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述测试驱动单元包括第一开关、电流源和反相器；

所述电流源的输出端与反相器的输入端相连接；所述第一开关串接于反相器的输入端和第一电阻和第二电阻间节点之间，所述反相器的输出端为测试驱动单元的输出端，所述反相器的输出端与第二开关和第五开关的控制端相连。

3.根据权利要求2所述的芯片，其特征在于，所述上拉开关和第二开关分别具体为PMOS晶体管；所述下拉开关、第一开关和第五开关分别具体为NMOS晶体管，其中MOS晶体管的漏极和源极作为开关的连接端，所述MOS晶体管的栅极作为开关的控制端。

4.根据权利要求3所述的芯片，其特征在于，所述第一开关的控制端为地电压Vss，所述测试模式启动信号具体为Vss-ΔV，其中R1为第一电阻，R2为第二电阻，ΔV为(Vss-ΔV)与第五开关的漏极之间的压差，Vth为第一开关的开启电压。

5.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述电池保护芯片具体用于，根据第一电源引脚、第二电源引脚以及电流检测引脚的电压判断所述电池是否充电过压、充电过流、放电过压或者放电过流；

当充电过压和/或充电过流时，通过所述充电保护引脚输出有效充电保护信号以使得所述充电保护开关截止，断开所述电池的充电路径；

当放电过压和/或放电过流时，通过所述放电保护引脚输出有效放电保护信号以使得放电保护开关截止，断开所述电池的放电路径。

6.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述放电保护开关的一个连接端与所述电池的负极相连，所述放电保护开关的另一个连接端与所述充电保护开关的一个连接端相连，所述充电保护开关的另一个连接端与所述电流检测引脚相连。

7.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，在进入测试模式时，先使得电池保护芯片进入短路保护状态，从而通过上拉开关和下拉开关的控制端先控制下拉开关导通，上拉开关截止。

8.一种电池系统，其特征在于，所述电池系统包括：电池；

充电保护开关和放电保护开关；

如权利要求1-7任一所述的电池保护芯片。