CN104022490B - 一种锂电池保护系统及其过流检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种锂电池保护系统及其过流检测电路，其中，所述过流检测电路包括：功率开关管，其具有第一连接端、第二连接端和控制端，检测管，其具有第一连接端、第二连接端和控制端，其中检测管的第二连接端与功率开关管的第二端连接，检测管的控制端与所述功率开关管的控制端相连；恒流源，其与所述检测管的第一连接端相连，其从所述检测管的第一连接端抽取参考电流；比较器，其将检测管的第一连接端的电压与检测管的第二连接端的电压的1/N进行比较，N为预先设置的数值。与现有技术相比，本发明中的过流检测电路可以实现准确的过电流保护且功耗较低。

Description

一种锂电池保护系统及其过流检测电路

【技术领域】

本发明涉及电路设计领域，特别涉及一种锂电池保护系统及其过流检测电路。

【背景技术】

在锂电池保护领域，锂电池保护芯片需要具有过流检测保护功能，目前过流检测电路主要包括两类：第一类过流检测电路的工作原理为直接检测功率开关上的压降以判断流过功率开关的电流是否过大，一旦检测到功率开关上的压降超过保护阈值，就会触发后续的保护或者保护计时动作；第二类过流检测电路的工作原理是在电池放电通路上串接检测电阻，通过检测该电阻上的电压来判断电流是否过大。由于第一类过流检测电路中功率开关的导通电阻偏差很大，因此，很难做到准确的过电流保护；第二类过流检测电路虽然弥补了前者的缺点，但是其引入的检测电阻对功率和阻值精确度要求较高，且正常工作中始终有电流流过该检测电阻，从而不仅增加了成本，也增大了功耗。

因此，有必要提供一种改进的技术方案来克服上述问题。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种锂电池保护系统及其过流检测电路，其可以实现准确的过电流保护且功耗较低。

为了解决上述问题，根据本发明的一方面，本发明提供一种锂电池保护系统，其包括：电池保护电路，其具有电源端、接地端、充电保护端、放电保护端和电流检测端，所述电源端接电池的正极，所述接地端接电池的负极并接地；

充电开关管及放电开关管，放电开关管的第一连接端接所述电池的负极，放电开关管的第二连接端与充电开关管的第二连接端相连，充电开关管的第一连接端作为输出端与负载相连，充电开关管的控制端连接所述电池保护电路的充电保护端，放电开关管的控制端连接所述电池保护电路的放电保护端；检测管，其第一连接端与所述电池保护电路的电流检测端相连，其第二连接端与放电开关管的第二连接端相连，其控制端与所述放电开关管的控制端相连；所述电池保护电路还包括有与所述电流检测端相连的电流比较电路，所述电流比较电路包括连接于所述电流检测端与接地端之间的恒流源，所述恒流源经由检测管抽取参考电流，所述电流比较电路通过比较所述电流检测端的电压与放电开关管的漏源压降以确定是否放电过流。

进一步的，所述电流比较电路还包括比较器和一电压采样单元，所述电压采样单元的输入端与所述放电开关管的第二连接端和检测管的第二连接端的连接节点相连，其输出端与所述比较器的第一输入端相连，所述电压采样单元用于采样所述放电开关管的漏源压降，其输出的采样电压为1/N倍的放电开关的漏源压降，N为预先设置的数值；所述比较器的第二输入端与所述电流检测端相连，其输出端与所述电流比较电路的输出端相连，当所述比较器的第一输入端接收到的电压大于其第二输入端接收到的电压时，所述电流比较电路的输出端输出第一电平，表示未放电过流，当所述比较器的第一输入端接收到的电压小于第二输入端接收到的电压时，所述电流比较电路的输出端输出第二电平，表示放电过流。

进一步的，所述电流比较电路还包括比较器和另一电压采样单元，所述另一电压采样单元的输入端与所述电流检测端相连，其输出端与所述比较器的第二输入端相连，所述另一电压采样单元用于采样所述电流检测端电压，其输出的采样电压为N倍的电流检测端电压，N为预先设置的数值；所述比较器的第一输入端与所述放电开关管的第二连接端和检测管的第二连接端的连接节点相连，当所述比较器的第一输入端接收到的电压大于其第二输入端接收到的电压时，所述电流比较电路的输出端输出第一电平，表示未放电过流，当所述比较器的第一输入端接收到的电压小于第二输入端接收到的电压时，所述电流比较电路的输出端输出第二电平，表示放电过流。

进一步的，充电开关管、放电开关管、检测管为NMOS晶体管，NMOS晶体管的第一连接端为NMOS晶体管的源极，第二连接端为NMOS晶体管的漏极，控制端为NMOS晶体管的栅极。

进一步的，所述检测管和放电开关管形成在同一晶圆上，检测管和放电开关管共享漏极，栅极和衬体，放电开关管的源极和检测管的源极各自独立。

进一步的，检测管衬体和放电开关管衬体的连接节点与放电开关管的源极短接，或检测管衬体和放电开关管衬体的连接节点与检测管的源极短接。

进一步的，根据电路原理可得下述公式(1)：

VS2＝VDS1-VDS2＝(ID-IREF)*Ron1-K*IREF*Ron1＝(ID-(K+1)*IREF)*Ron1(1)，

其中，VS2为电流检测端的电压，IREF为恒流源经检测管抽取的参考电流值，VDS1为放电开关管的漏源电压，VDS2为检测管的漏源电压，Ron1/Ron2＝1/K，Ron1为放电开关管的导通电阻值，Ron2为检测管的导通电阻值，K为正数，ID为流入所述放电开关管的第二连接端和检测管的第二连接端的连接节点的电流，IREF为参考电流；如果VS2＝VDS1/N，代入公式(1)，可以得到：

ID＝((K+1)+K/(N-1))*IREF，即电流保护阈值为((K+1)+K/(N-1))*IREF。

根据本发明的另一个方面，本发明提供一种过流检测电路，其包括：功率开关管，其具有第一连接端、第二连接端和控制端，检测管，其具有第一连接端、第二连接端和控制端，其中检测管的第二连接端与功率开关管的第二端连接，检测管的控制端与所述功率开关管的控制端相连；恒流源，其与所述检测管的第一连接端相连，其从所述检测管的第一连接端抽取参考电流；比较器，其将检测管的第一连接端的电压与检测管的第二连接端的电压的1/N进行比较，在检测管的第一连接端的电压高于检测管的第二连接端的电压的1/N时，所述比较器的输出端输出第一电平，表示流过所述功率开关管的电流不过流，在检测管的第一连接端的电压低于检测管的第二连接端的电压的1/N时，所述比较器的输出端输出第二电平，表示流过所述功率开关管的电流过流,N为预先设置的数值，当所述比较器的第一输入端接收到的电压大于其第二输入端接收到的电压时，所述电流比较电路的输出端输出第一电平，表示未放电过流，当所述比较器的第一输入端接收到的电压小于第二输入端接收到的电压时，所述电流比较电路的输出端输出第二电平，表示放电过流。

进一步的，所述功率开关管的第一连接端接地，检测管和功率开关管形成在同一晶圆上。

进一步的，功率开关管和检测管为NMOS晶体管，NMOS晶体管的第一连接端为NMOS晶体管的源极，第二连接端为NMOS晶体管的漏极，控制端为NMOS晶体管的栅极,检测管和功率开关管共享漏极，栅极和衬体，功率开关管的源极和检测管的源极各自独立，检测管衬体和功率开关管衬体的连接节点与放电开关管的源极短接，或检测管衬体和功率开关管衬体的连接节点与检测管的源极短接，流过所述功率开关管的电流的电流保护阈值为：((N*(K+1)-1)/(N-1))*IREF，其中Ron1/Ron2＝1/K，Ron1为功率开关管的导通电阻值，Ron2为检测管的导通电阻值，K为正数，IREF为参考电流。

与现有技术相比，本发明中的过流检测电路使用与功率开关管相匹配的检测管，并设置一参考电流流过该检测管，通过比较检测管的漏源压降与功率开关管的漏源压降来实现电流检测，由于检测管和功率开关管两者导通电阻比例悬殊并且匹配度很高，因此可以很精确的检测到流过功率开关管的电流，这样，不仅可以实现准确的过电流保护，而且也省略了现有技术方案中采用的检测电阻，降低了功耗。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1示出了本发明在一个实施例中的锂电池保护系统的电路示意图；

图2为图1中的放电开关管MD和检测管Msense以及电流比较电路的电路示意图。

【具体实施方式】

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连。

图1为本发明在一个实施例中的锂电池保护系统的电路示意图，图2为图1中的放电开关管MD和检测管Msense以及电流比较电路的电路示意图。结合图1和图2所示，所述锂电池保护系统包括电池保护电路100、充电开关管MC、放电开关管MD(也可以被称为功率开关管)和检测管Msense。

所述电池保护电路100包括电源端VDD、接地端VSS、充电保护端COUT、放电保护端DOUT和电流检测端IL，所述电源端VDD接电池BAT的正极，所述接地端VSS接电池BAT的负极并接地。所述放电开关管MD的第一连接端接所述电池BAT的负极，放电开关管MD的第二连接端与充电开关管MC的第二连接端相连，充电开关管MC的第一连接端作为输出端与负载(或称负载电阻)RL相连，充电开关管MC的控制端连接所述电池保护电路100的充电保护端COUT，放电开关管MD的控制端连接所述电池保护电路100的放电保护端DOUT。

检测管Msense的第一连接端与所述电池保护电路100的电流检测端IL相连，其第二连接端与放电开关管MD的第二连接端相连，其控制端与所述放电开关管MD的控制端相连。

在图1和图2所示的实施例中，所述充电开关管MC、放电开关管MD和检测管Msense都为NMOS(N-channel Metal Oxide Semiconductor)晶体管，NMOS晶体管的第一连接端为NMOS晶体管的源极，NMOS晶体管的第二连接端为NMOS晶体管的漏极，NMOS晶体管的控制端为NMOS晶体管的栅极，优选的，检测管Msense和放电开关管MD可以是制作于同个管芯材料(或同一晶圆)上的两个孪生开关管(即功率管MDS)，如图2所示，检测管Msense和放电开关管MD共享漏极D，栅极G和衬体B(即检测管Msense的源极和放电开关管MD的源极互连；检测管Msense的栅极和放电开关管MD的栅极互连；检测管Msense的衬体和放电开关管MD的衬体互连)，放电开关管MD的源极S1和检测管Msense的源极S2各自独立，且检测管Msense衬体和放电开关管MD的衬体的连接节点B与放电开关管MD的源极S1短接，在其他实施例中，检测管Msense衬体和放电开关管MD的衬体的连接节点B也可以与检测管Msense的源极S2短接。

需要特别说明的是，检测管Msense和放电开关管MD这对孪生开关管的特点为两者导通电阻比例悬殊并且匹配度很高，同时，只要检测管Msense栅极和放电开关管MD的栅极的连接节点G的驱动电压足够高，放电开关管MD的源极S1和检测管Msense的源极S2微小的电压差异对放电开关管MD和检测管Msense导通电阻比例的影响在工程上是可忽略的，这里定义放电开关管MD的导通电阻为Ron1,检测管Msense的导通电阻Ron2,并且Ron1/Ron2＝1/K，K为正数。

请继续参考图1和图2所示，所述电池保护电路100还包括电流比较电路110，所述电流比较电路110设置有流过检测管Msense的参考电流，其通过比较所述电流检测端IL的电压与放电开关管MD的漏源压降以确定是否放电过流。在图2所示的实施例中，所述电流比较电路110包括比较器CMP、电压采样单元112和连接于电流检测端IL与接地端之间的恒流源IREF。所述恒流源IREF经由检测管Msense抽取参考电流IREF；所述电压采样单元112的输入端与所述放电开关管MD的漏极和检测管Msense的漏极的连接节点D相连，其输出端与所述比较器CMP的第一输入端相连，所述电压采样单元112用于采样所述放电开关管MD的漏源压降(即节点D的电压)，其输出的采样电压为1/N倍的放电开关管MD的漏源压降，N为预先设置的数值；所述比较器CMP的第二输入端与所述电流检测端IL相连，其输出端与所述电流比较电路110的输出端OUT相连，当所述比较器CMP的第一输入端接收到的电压大于其第二输入端接收到的电压时，输出端OUT输出第一电平，表示未放电过流，当所述比较器CMP的第一输入端接收到的电压小于第二输入端接收到的电压时，输出端OUT输出第二电平，表示放电过流，需要进行放电保护。

以下具体介绍本发明中的锂电池保护系统如此设置的原理。

本发明的目标是检测流入D端口的电流(其等于流过检测管Msense和放电开关管MD的电流之和)是否过流。在图1和图2所示的实施例中，由恒流源IREF从检测管Msense的源极S2抽取参考电流IREF，实际电路形成的恒流源IREF并非理想，当流入D端口的电流不足以通过检测管Msense提供给恒流源IREF时，检测管Msense的源极S2的电压(即电流检测端IL的电压)会很接近地电平；当流入D端口的电流足够大以致能通过检测管Msense提供给恒流源IREF时，检测管Msense的漏源电压差恒定为VDS2＝IREF*Ron2＝K*IREF*Ron1并且，随着流入D端口的电流继续增加，D端口的电位上升，检测管Msense的源极S2电位(即电流检测端IL的电位)也会随之同步上升。定义ID为流入D端口的电流，可以得到：

VS2＝VDS1-VDS2＝(ID-IREF)*Ron1-K*IREF*Ron1＝(ID-(K+1)*IREF)*Ron1(1)，

其中，VS2为检测管Msense的源极S2的电压(其等于电流检测端IL的电压)，IREF为恒流源IREF经检测管Msense抽取的参考电流值，VDS1为放电开关管MD的漏源电压，VDS2为检测管Msense的漏源电压，Ron1/Ron2＝1/K，K为正数，Ron1为放电开关管MD的导通电阻值，Ron2为检测管Msense的导通电阻值。

在比较器CMP的翻转点时，VS2＝VDS1/N，代入公式(1)，可以得到：

(ID-IREF)*Ron1/N＝(ID-(K+1)*IREF)*Ron1

＝>ID*Ron1-IREF*Ron1＝N*ID*Ron1-N*(K+1)*IREF*Ron1

＝>ID-IREF＝N*ID-N*(K+1)*IREF

＝>(N-1)*ID＝(N*(K+1)-1)*IREF

＝>ID＝((N*(K+1)-1)/(N-1))*IREF

＝>ID＝((K+1)+K/(N-1))*IREF

由此，可以通过放电开关管MD的漏源电压VDS1与电流检测端IL的电压VS2的比值N推知流入D端口的电流ID，所述比较器CMP实现了将ID对电流保护阈值((N*(K+1)-1)/(N-1))*IREF的比较。由于检测管Msense和放电开关管MD两者导通电阻比例悬殊并且匹配度很高，且该电流保护阈值仅于N、K和IREF有关，因此，本发明中的过流检测电路可以实现准确的过电流检测。

在图2所示的实施例中，将VS2与VDS1/N通过比较器CMP进行比较，该比较器CMP的第一输入端为正相输入端，其第二输入端为负相输入端，当(VDS1/N)＞VS2(时，输出端OUT为高电平，表示流入D端口的电流ID未超过电流保护阈值，当(VDS1/N)＜VS2时，输出端OUT为低电平，表示流入D端口的电流ID超过电流保护阈值，需要进行过流保护，从而可以实现准确的过电流保护。在另一个实施例中，所述比较器CMP的第一输入端可以为负相输入端，其第二输入端为正相输入端。

在另一个实施例中，也可以省去图2中的所述电压采样单元112，在电流检测端IL和所述比较器CMP的第二输入端之间增设另一个电压采样单元，该电压采样单元用于采样所述电流检测端IL的电压，其输出的采样电压为N倍的电流检测端IL电压，从而将N倍的VS2与VDS1通过比较器CMP进行比较，以判定流入D端口的电流ID是否过流。具体为，所述另一电压采样单元的输入端与所述电流检测端IL相连，其输出端与所述比较器CMP的第二输入端相连，所述另一电压采样单元用于采样所述电流检测端IL电压，其输出的采样电压为N倍的电流检测端IL电压，所述比较器CMP的第一输入端与所述放电开关管MD的第二连接端和检测管Msense的第二连接端的连接节点D相连，当所述比较器CMP的第一输入端接收到的电压大于其第二输入端接收到的电压时，输出端OUT输出第一电平，表示未放电过流，当所述比较器CMP的第一输入端接收到的电压小于第二输入端接收到的电压时，输出端OUT输出第二电平，表示放电过流。

综上所述，本发明中的锂电池保护系统包括电池保护电路100、充电开关管MC、放电开关管MD和检测管Msense，检测管Msense和放电开关管MD可以是制作于同个管芯材料(或同一晶圆)上的两个孪生开关管，检测管Msense和放电开关管MD共享漏极D，栅极G和衬体B，检测管Msense的第一连接端与所述电池保护电路100的电流检测端IL相连，其第二连接端与放电开关管MD的第二连接端相连，其控制端与所述放电开关管MD的控制端相连，所述电流比较电路110设置有连接于电流检测端IL与接地端之间的恒流源IREF，所述恒流源IREF经由检测管Msense抽取参考电流IREF，所述电流比较电路110通过比较所述电流检测端IL的电压与放电开关管MD的漏源压降以确定是否放电过流。这样，由于检测管Msense和放电开关管MD两者导通电阻比例悬殊并且匹配度很高，不仅可以实现准确的过电流保护，而且也省略了现有技术方案中采用的检测电阻，降低了功耗。

在本发明中，“连接”、相连、“连”、“接”等表示电性相连的词语，如无特别说明，则表示直接或间接的电性连接。

需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (10)

1.一种锂电池保护系统，其特征在于，其包括：

电池保护电路，其具有电源端、接地端、充电保护端、放电保护端和电流检测端，所述电源端接电池的正极，所述接地端接电池的负极并接地；

充电开关管及放电开关管，放电开关管的第一连接端接所述电池的负极，放电开关管的第二连接端与充电开关管的第二连接端相连，充电开关管的第一连接端作为输出端与负载相连，充电开关管的控制端连接所述电池保护电路的充电保护端，放电开关管的控制端连接所述电池保护电路的放电保护端；

检测管，其第一连接端与所述电池保护电路的电流检测端相连，其第二连接端与放电开关管的第二连接端相连，其控制端与所述放电开关管的控制端相连；

所述电池保护电路还包括有与所述电流检测端相连的电流比较电路，所述电流比较电路包括连接于所述电流检测端与接地端之间的恒流源，所述恒流源经由检测管抽取参考电流，所述电流比较电路通过比较所述电流检测端的电压与放电开关管的漏源压降以确定是否放电过流。

2.根据权利要求1所述的锂电池保护系统，其特征在于，所述电流比较电路还包括比较器和一电压采样单元，

所述电压采样单元的输入端与所述放电开关管的第二连接端和检测管的第二连接端的连接节点相连，其输出端与所述比较器的第一输入端相连，所述电压采样单元用于采样所述放电开关管的漏源压降，其输出的采样电压为1/N倍的放电开关的漏源压降，N为预先设置的数值；

所述比较器的第二输入端与所述电流检测端相连，其输出端与所述电流比较电路的输出端相连，当所述比较器的第一输入端接收到的电压大于其第二输入端接收到的电压时，所述电流比较电路的输出端输出第一电平，表示未放电过流，当所述比较器的第一输入端接收到的电压小于第二输入端接收到的电压时，所述电流比较电路的输出端输出第二电平，表示放电过流。

3.根据权利要求1所述的锂电池保护系统，其特征在于，所述电流比较电路还包括比较器和另一电压采样单元，

所述另一电压采样单元的输入端与所述电流检测端相连，其输出端与所述比较器的第二输入端相连，所述另一电压采样单元用于采样所述电流检测端电压，其输出的采样电压为N倍的电流检测端电压，N为预先设置的数值；

所述比较器的第一输入端与所述放电开关管的第二连接端和检测管的第二连接端的连接节点相连，当所述比较器的第一输入端接收到的电压大于其第二输入端接收到的电压时，所述电流比较电路的输出端输出第一电平，表示未放电过流，当所述比较器的第一输入端接收到的电压小于第二输入端接收到的电压时，所述电流比较电路的输出端输出第二电平，表示放电过流。

4.根据权利要求1-3任一所述的锂电池保护系统，其特征在于，

充电开关管、放电开关管、检测管为NMOS晶体管，

NMOS晶体管的第一连接端为NMOS晶体管的源极，第二连接端为NMOS晶体管的漏极，控制端为NMOS晶体管的栅极。

5.据权利要求4所述的锂电池保护系统，其特征在于，检测管和放电开关管形成在同一晶圆上，检测管和放电开关管共享漏极，栅极和衬体，放电开关管的源极和检测管的源极各自独立。

6.据权利要求5所述的锂电池保护系统，其特征在于，

检测管衬体和放电开关管衬体的连接节点与放电开关管的源极短接，或

检测管衬体和放电开关管衬体的连接节点与检测管的源极短接。

7.根据权利要求4所述的锂电池保护系统，其特征在于，

根据电路原理可得下述公式(1)：

VS2＝VDS1-VDS2＝(ID-IREF)*Ron1-K*IREF*Ron1＝(ID-(K+1)*IREF)*Ron1(1)，

其中，VS2为电流检测端的电压，IREF为恒流源经检测管抽取的参考电流值，VDS1为放电开关管的漏源电压，VDS2为检测管的漏源电压，Ron1/Ron2＝1/K，Ron1为放电开关管的导通电阻值，Ron2为检测管的导通电阻值，K为正数，ID为流入所述放电开关管的第二连接端和检测管的第二连接端的连接节点的电流，IREF为参考电流；

如果VS2＝VDS1/N，代入公式(1)，可以得到：

ID＝((K+1)+K/(N-1))*IREF，即电流保护阈值为((K+1)+K/(N-1))*IREF。

8.一种过流检测电路，其特征在于，其包括：

功率开关管，其具有第一连接端、第二连接端和控制端，

检测管，其具有第一连接端、第二连接端和控制端，其中检测管的第二连接端与功率开关管的第二端连接，检测管的控制端与所述功率开关管的控制端相连；

恒流源，其与所述检测管的第一连接端相连，其从所述检测管的第一连接端抽取参考电流；

比较器，其将检测管的第一连接端的电压与检测管的第二连接端的电压的1/N进行比较，在检测管的第一连接端的电压低于检测管的第二连接端的电压的1/N时，所述比较器的输出端输出第一电平，表示流过所述功率开关管的电流不过流，在检测管的第一连接端的电压高于检测管的第二连接端的电压的1/N时，所述比较器的输出端输出第二电平，表示流过所述功率开关管的电流过流,N为预先设置的数值。

9.根据权利要求8所述的过流检测电路，其特征在于，所述功率开关管的第一连接端接地，检测管和功率开关管形成在同一晶圆上。

10.根据权利要求8所述的过流检测电路，其特征在于，功率开关管和检测管为NMOS晶体管，NMOS晶体管的第一连接端为NMOS晶体管的源极，第二连接端为NMOS晶体管的漏极，控制端为NMOS晶体管的栅极,

检测管和功率开关管共享漏极，栅极和衬体，功率开关管的源极和检测管的源极各自独立，

检测管衬体和功率开关管衬体的连接节点与放电开关管的源极短接，或检测管衬体和功率开关管衬体的连接节点与检测管的源极短接，流过所述功率开关管的电流的电流保护阈值为：((N*(K+1)-1)/(N-1))*IREF，

其中Ron1/Ron2＝1/K，Ron1为功率开关管的导通电阻值，Ron2为检测管的导通电阻值，K为正数，IREF为参考电流。