CN104901347B - 对电池充放电的芯片及免于过度充放电伤害的保护电路 - Google Patents

Abstract

一种对电池充放电的芯片及免于过度充放电伤害的保护电路。该芯片用来对一电池进行充放电，包含有一工作电压接点、一电池电压接点、一系统接地接点、一电池接地接点、一充电电路及一保护电路，其中该保护电路包含一电压箝制电路。该充电电路耦接于该工作电压接点与该电池电压接点之间，用来接收一工作电压以产生一充电电压至该电池电压接点；该保护电路耦接于该电池电压接点、该系统接地接点以及该电池接地接点之间，其中该保护电路用来保护该电池免于过度充放电的伤害；以及该电压箝制电路用以在该系统接地接点上的系统接地电压低于该电池接地接点上的电池接地电压时，提供一受箝制的输出电压。

Description

对电池充放电的芯片及免于过度充放电伤害的保护电路

技术领域

本发明涉及充电器，尤其涉及一种用来对电池进行充放电的芯片及一种用来保护电池免于过度充放电伤害的保护电路。

背景技术

在传统的电池充电器中，充电电路、保护电路、及电源管理电路是分别由三个芯片来实作，而这三个芯片所使用的接地电压不完全是相同的，举例来说，充电电路及电源管理电路所使用的是来自变压器(adapter)的系统接地电压，而保护电路所使用的来自于系统接地电压和电池的电池接地电压。当电池正常充放电时，系统接地电压会通过一开关连接至电池的电池接地电压。当电池异常充放电时，该开关会断开使得系统接地电压不会连接至电池的电池接地电压。因此，若是要将这三个电路整合在一个芯片中，由于需要使用到两种不同的接地电压，且该等接地电压在上述开关断开时有可能会大幅变动，故会使得芯片中的元件需要使用高压元件来实作，增加设计上的成本。

发明内容

因此，本发明的目的之一在于提供一种用来对电池进行充放电的芯片及一种用来保护电池免于过度充放电伤害的保护电路，其大部分的元件均可以使用低压元件来实作，且可以避免系统接地电压大幅变动时对电路造成的影响，以解决现有技术中的问题。

依据本发明一实施例，一种用来对一电池进行充放电的芯片包含有一工作电压接点、一电池电压接点、一系统接地接点、一电池接地接点、一充电电路及一保护电路，其中该保护电路包含一电压箝制电路。该充电电路耦接于该工作电压接点与该电池电压接点之间，用来接收一工作电压以产生一充电电压至该电池电压接点；该保护电路耦接于该电池电压接点、该系统接地接点以及该电池接地接点之间，其中该保护电路用来保护该电池免于过度充放电的伤害；以及该电压箝制电路用以在该系统接地接点上的系统接地电压低于该电池接地接点上的电池接地电压时，提供一受箝制的输出电压。

依据本发明另一实施例，一种用来保护一电池免于过度充放电伤害的保护电路包含有一核心电路及一电压箝制电路，其中该核心电路至少接收一电池电压以及一电池接地电压；以及该电压箝制电路至少接收一系统接地电压以及该电池接地电压，并在该系统接地电压低于该电池接地电压时，提供一受箝制的输出电压至该核心电路。

附图说明

图1为依据本发明一实施例的一种用来对一电池进行充放电的芯片的示意图。

图2为依据本发明一实施例的保护电路的示意图。

图3为依据本发明一实施例的电压箝制电路的示意图。

图4所示为电压箝制电路中系统接地电压VSS与电压V2的模拟示意图。

图5为保护电路中的半导体结构的示意图。

【符号说明】

100 芯片

102 电池

104 变压器

106 负载

107、108、M1、M2 晶体管

110 充电电路

120 稳压电路

130 保护电路

P1 工作电压接点

P2 电池电压接点

P3 系统接地接点

P4 电池接地接点

P5～P6 控制接点

210 电压箝制电路

220 核心电路

I1 电流源

R1、R2 电阻

510 低压元件区域

520 高压元件区域

具体实施方式

在说明书及所附的权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定的元件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个元件。本说明书及所附的权利要求书并不以名称的差异来作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及所附的权利要求书当中所提及的「包含」为一开放式的用语，故应解释成「包含但不限定于」。此外，「耦接」一词在此包含任何直接及间接的电气连接手段，因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表该第一装置可直接电气连接于该第二装置，或者通过其他装置或连接手段间接地电气连接至该第二装置。

请参考图1，图1为依据本发明一实施例的一种用来对一电池102进行充放电的芯片100的示意图。如图1所示，芯片100包含有六个接点P1～P6以及一充电电路110、一稳压电路(regulator)120以及一保护电路130，其中六个接点P1～P6包含有一工作电压接点P1、一电池电压接点P2、一系统接地接点P3、一电池接地接点P4、以及控制接点P5～P6。在实作上，芯片100可应用于电池充电器，或是移动电源之中。

在芯片100之外，一变压器(adapter)104用来分别提供一工作电压VDD与一系统接地电压VSS至工作电压接点P1与系统接地接点P3，电池102则是分别提供一电池电压VBAT与一电池接地电压GND至电池电压接点P2与电池接地接点P4，一负载106则是耦接于稳压电路120。

在芯片100的操作上，当需要对电池102进行充电时，充电电路110会由工作电压接点P1接收来自变压器104的一工作电压VDD，并产生一充电电压至电池电压接点P2以对电池102进行充电；另一方面，当芯片100需要使用电池102来对负载106(例如一移动电话)进行供电时，则稳压电路120会自电池电压接点P2接收一电池电压，并转换为一电压Vout至负载106。此外，保护电路130则是用来检测电池102的电池电压VBAT或是电池102的充放电电流以判断是否有过度充放电的问题，并据以决定是否产生控制信号CO、DO以关闭晶体管107、108，举例来说，若是电池102有过度充放电的问题，则保护电电路会关闭(disable)晶体管107、108，反之若是电池102没有过度充放电的问题，则晶体管107、108是开启的。

当电池102有过度充放电的问题时，充电电路110与稳压电路120同时也会被关闭，此时由于晶体管107、108是断开的，这会使得系统接地接点P3不会经由晶体管连接至电池接地接点P4，其将导致系统接地电压VSS的电平与电池接地电压GND的电平不相同。举例来说，假设变压器104所提供的工作电压VDD为18V、系统接地电压VSS为0V，电池所提供的电池电压VBAT为5V、电池接地电压GND为0V，若是充电电路110停止操作，工作电压VDD的电压值会被拉低至与电池电压VBAT相同(亦即为5V)，而由于变压器104的压降需要维持固定的18V，则此时系统接地电压VSS会被拉低到(-13V)。在本例中由于系统接地电压VSS的电平被大幅度的拉低，其可能导致保护电路130的伤害。

为了解决系统接地电压VSS被拉低到(-13V)的问题，请参考图2，图2为依据本发明一实施例的保护电路130的示意图。如图2所示，保护电路130至少包含一电压箝制电路210以及一核心电路220，其中电压箝制电路210的功用是当系统接地电压VSS的电平被大幅度的拉低时，提供一受箝制的输出电压(亦即，一接近电池接地电压GND的电平)至核心电路220，以避免当系统接地电压VSS被拉低到(-13V)时造成核心电路220的损坏；另外，核心电路220则是用来执行保护电路的主要功能，亦即检测电池电压VBAT或电池充放电电流来判断电池102是否有过度充放电的情形，并据以产生控制信号CO、DO以开启/关闭晶体管107、108，由于核心电路220的细节为本领域技术人员所熟知，故细节在此不予赘述。

在本实施例中，电压箝制电路210以高压元件来实作，而核心电路220则是完全以低压元件来实作。

请参考图3，图3为依据本发明一实施例的电压箝制电路210的示意图。如图3所示，电压箝制电路210包含两个晶体管M1、M2、一电流源I1、两个电阻R1、R2，其中晶体管M1、M2的连接方式如图3所示。在电压箝制电路210的操作上，当系统接地电压VSS为0V时，图示的电压V1会很接近电池电压VBAT，而晶体管M1的栅极源极间电压约等于电池电压VBAT，因此，晶体管M1为开启状态，而晶体管M2为关闭状态，因此图示的电压V2会等于系统接地电压VSS。另外，在实际的操作时，系统接地电压VSS是接近0V，但并非是真的等于0V，故核心电路220会由电压箝制电路210接收实质上等于系统接地电压VSS的电压V2，供其内部的电路参考操作。

另一方面，当保护电路130因为电池102有过度充放电的问题而关闭晶体管107、108、充电电路110与稳压电路120，而造成系统接地电压VSS的电平逐渐被拉低时，电压箝制电路210会参考电池接地电压GND，以提供一接近电池接地电压GND的电平至核心电路220。参考图3，假设当系统接地电压VSS由0V被拉低到(-1V)时，晶体管M2会开启而使得电压V1会等于(-1V)，造成晶体管M1的栅极源极间电压约等于0V而导致晶体管M1关闭。此时，图示的电压V2约会等于电池接地电压GND。

图4所示为电压箝制电路210中系统接地电压VSS与电压V2的模拟示意图。如图4所示，当系统接地电压VSS持续下降时，电压V2会被箝制在一预定电压值，因此，可以避免核心电路220中的元件受到高压的损害。

此外，在保护电路130中，由于会使用到两个接地电压，因此，为了隔绝这两个接地电压，在制程上会使用深层N型井(deep N well)来实作，亦即深层N型井之外的P型基板会连接到系统接地电压VSS，而深层N型井内的P型井则用来连接到电池接地电压GND。举例来说，核心电路120可以制作于深层N型井中，而电压箝制电路210以高压元件制作于该深层N型井以外的区域。参考图5，图5为保护电路130中的半导体结构的示意图。如图5所示，其主要包含两个区域，其中区域510是低压元件区域，用以制作核心电路220中的晶体管元件；而区域520是高压元件区域，用以制作电压箝制电路210中的晶体管元件。在区域510中，低压元件是制作于深层N型井中，亦即低压元件中的N型晶体管会制作于图示的P型井中，而低压元件中的P型晶体管会制作于图示的N型井中。另外，P型基板是连接到系统接地电压VSS，深层N型井则连接到电池电压VBAT与电池接地电压GND。

简要归纳本发明，在本发明的用来对电池进行充放电的芯片中，整合了充电电路、稳压电路以及保护电路三种功能性电路，且此芯片会具有两个接地电压(系统接地电压及电池接地电压)，因此芯片中会使用深层N型井来实作元件以隔绝这两个接地电压。另外，本发明的保护电路中具有一电压箝制电路，其用以提供接近电池接地电压GND的电平至核心电路，以使得保护电路中的核心元件可以使用低压元件来实作，且不会造成核心元件损坏。

以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求书所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种用来对一电池进行充放电的芯片，包含有：

一工作电压接点、一电池电压接点、一系统接地接点以及一电池接地接点；

一充电电路，耦接于该工作电压接点与该电池电压接点之间，用来接收来自该工作电压接点的一工作电压以产生一充电电压至该电池电压接点；以及

一保护电路，耦接于该电池电压接点、该系统接地接点以及该电池接地接点之间，其中该保护电路用来保护该电池免于过度充放电的伤害，且包含有：

一电压箝制电路，连接于该系统接地接点，用以在该系统接地接点上的一系统接地电压低于该电池接地接点上的一电池接地电压时，提供一受箝制的输出电压，

其中该保护电路还包含一核心电路，其中该核心电路制作于一深层N型井中，而该电压箝制电路系以高压元件制作于该深层N型井以外的区域。

2.如权利要求1所述的芯片，还包含有：

一稳压电路，耦接于该电池电压接点，用以产生一电压至一负载。

3.如权利要求1所述的芯片，其中当该芯片对该电池进行正常充放电时，该核心电路接收该系统接地电压；以及当该芯片对该电池进行异常充放电时，该核心电路接收该受箝制的输出电压而非该系统接地电压，其中该受箝制的输出电压实质接近该电池接地电压的电平。

4.如权利要求3所述的芯片，其中该电压箝制电路包含有：

一第一晶体管，其中该第一晶体管的栅极耦接于该电池电压接点、该第一晶体管的漏极耦接于该系统接地接点以及该第一晶体管的源极耦接于该电池接地接点；以及

一第二晶体管，其中该第二晶体管的栅极耦接于该电池接地接点、该第二晶体管的漏极耦接于该电池电压接点以及该第二晶体管的源极耦接于该系统接地接点；

其中该核心电路连接于该第一晶体管的源极。

5.一种用来保护一电池免于过度充放电伤害的保护电路，该保护电路包含在用来对该电池进行充放电的芯片中，该保护电路包含有：

一核心电路，其中该核心电路至少接收一电池电压以及一电池接地电压；以及

一电压箝制电路，耦接于该核心电路，其中该电压箝制电路至少接收一系统接地电压以及该电池接地电压，并在该系统接地电压低于该电池接地电压时，提供一受箝制的输出电压至该核心电路，

其中核心电路制作于一深层N型井中，而该电压箝制电路以高压元件制作于该深层N型井以外的区域。

6.如权利要求5所述的保护电路，其中当该芯片对该电池进行正常充放电时，该核心电路接收该系统接地电压；以及当该芯片对该电池进行异常充放电时，该核心电路接收该受箝制的输出电压而非该系统接地电压，其中该受箝制的输出电压实质接近该电池接地电压的电平。

7.如权利要求6所述的保护电路，其中该电压箝制电路包含有：

一第一晶体管，其中该第一晶体管的栅极耦接于该电池电压接点、该第一晶体管的漏极耦接于该系统接地接点以及该第一晶体管的源极耦接于该电池接地接点；以及

一第二晶体管，其中该第二晶体管的栅极耦接于该电池接地接点、该第二晶体管的漏极耦接于该电池电压接点以及该第二晶体管的源极耦接于该系统接地接点；

其中该核心电路连接于该第一晶体管的源极。