CN105098727A - 电池保护电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电池保护电路及保护方法，电池保护电路包括电池包模块和控制芯片，电池包模块内部包含电池电芯和温敏电阻，控制芯片包括保护模块，保护模块具体包括电池电压与电池温度传感器、电池放电控制电路、芯片温度传感器、放电功率管电路；电池电压与电池温度传感器用于检测电池电压和电池温度信息，电池放电控制电路用于判断是否满足电池放电条件以及控制放电电流的大小，芯片温度传感器用于检测控制芯片的温度信息，放电功率管电路用于大电流路径泻放，连接于电池电芯的输出端与地之间。本发明提供的电池保护方案，有效规避该环境下不安全因素，有效的抑制电池容量衰减和延长了电池使用寿命。

Description

电池保护电路及方法

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种电池保护电路及相应的电池保护方法。

背景技术

移动电源是一种集充电、放电功能于一体的便携式电子配备，可以随时随地的对手机、PAD等移动数码产品补充能量。一般由电子电路板和锂电池电芯组成。电子电路板由控制芯片、周边元器件、印刷电路板等构成，主要完成工作模式切换(如充放电模式)、输入输出能量转换、异常状态显示与保护等功能，锂电池电芯为能量存储单元，主要用于能量的储存与释放。对移动电源而言，其使用最重要的一点为工作安全性。

通常，移动电源安全性体现在保护电路的全面性与及时性，保护电路由控制芯片及板上电池保护电路共同完成。一般，控制芯片自身集成多重保护，在输入端，有过压、欠压、过充、过放、限流等保护，在输出端，有过压、过流、短路等保护，另外，控制芯片还集成芯片过温保护、电池温度保护等功能。板上电池保护电路提供二重保护，包括电池过充、过放、过流和短路保护。但这些更多是一种主动保护机制，即移动电源处于充电或者放电等工作状态异常时的一种保护机制，而在待机情况异常时，这些保护机制不会开启，移动电源处于无保护状态。例如，日常生活中经常遇到的一个应用场景：烈日炎炎午后，满充电的移动电源至于车内，即使待机情况下放置一段时间，触摸起来也有些烫手，比周边环境温度明显要高。这是由锂电池化学特性决定的，锂电池在电量较高时置于高温环境下，其电解质活性增强，相应的副化学反应也加剧，释放大量的氧气与热量，这些热量来不及释放，聚集在移动电源内部，使得移动电源温度高于环境温度，因此，触摸起来有烫手的感觉。将移动电源长时间放在此环境下会极大的减少电池的容量和使用寿命。更严重的是，若电池品质不过关，电池包会出现鼓气、冒烟、漏液，甚至燃烧和爆炸等危险现象。

上述分析可知，现有移动电源的保护机制是不完善的，满充电待机置于高环境温度下，易产生不安全因素。

发明内容

本发明针对现有移动电源保护机制不完善，提出一种适用于高温环境下的待机时的电池保护电路及保护方法，安全可靠且电路简单易集成。本发明的目的由以下技术方案实现：

一种电池保护电路，包括电池包模块和控制芯片，电池包模块内部包含电池电芯和温敏电阻，控制芯片包括保护模块，保护模块具体包括电池电压与电池温度传感器、电池放电控制电路、芯片温度传感器、放电功率管电路；电池电压与电池温度传感器用于检测电池电压和电池温度信息，其电压信号采集端连接电池电芯的输出端，其温度信号采集端连接温敏电阻输出端，其传感信号输出端连接电池放电控制电路的第一传感信号输入端；电池放电控制电路用于判断是否满足电池放电条件以及控制放电电流的大小，其第二传感信号输入端连接芯片温度传感器的传感信号输出端，其控制信号输出端连接放电功率管电路的控制信号输入端；芯片温度传感器用于检测控制芯片的温度信息；放电功率管电路用于大电流路径泻放，连接于电池电芯的输出端与地之间。

作为具体的技术方案，所述电池电压与电池温度传感器由比较器CMP1、比较器CMP2和逻辑与门NAND1组成；比较器CMP1的两个输入端分别接入电池电芯输出端电压VBAT与一个预设基准电压Vset；比较器CMP2的两个输入端分别接入所述温敏电阻输出端的电压信号VBAT_T与一个基准源Vref0；比较器CMP1和比较器CMP2的输出均接入逻辑与门NAND1的输入端，逻辑与门NAND1的输出端作为电池电压与电池温度传感信号EN_BATDISCHG的输出端。

作为具体的技术方案，所述芯片温度传感器由PMOS管PM3～PM5、NMOS管NM1～NM2、电阻R3～R4、晶体管Q1～Q2、比较器CMP3组成；PMOS管PM3～PM5各自的S极接电源VDD，PMOS管PM3的G极接PMOS管PM4的G极及PMOS管PM5的G极，PMOS管PM3的D极接自身的G极及NMOS管NM3的D极，NMOS管NM3的S极经电阻R3连接晶体管Q1的e极，晶体管Q1的b极和c极接地；PMOS管PM4的D极接NMOS管NM4的D极，NMOS管NM4的G极接自身D极及NMOS管NM3的G极，NMOS管NM4的S极连接晶体管Q2的e极，晶体管Q2的b极和c极接地；PMOS管PM5的D极经电阻R4接地，PMOS管PM5的D极与电阻R4的节点作为芯片温度检测电压信号Ref_DIET输出端；比较器CMP3的正输入端接电压信号Ref_DIET，负输入端接入参考电压信号Vref3，输出端作为芯片温度检测判断信号TSEN_EN输出端。

作为具体的技术方案，电池放电控制电路由运算放大器AMP1～AMP2、PMOS管PM0～PM2、NMOS管NM1～NM2、电阻R1～R2、模拟二选一选择器AMUX构成；PMOS管PM0～PM2各自的S极接电源VDD，PMOS管PM0的G极接所述电池电压与电池温度传感信号EN_BATDISCHG的输出端，D极接PMOS管PM1的D极及NMOS管NM1的D极；PMOS管PM1的G极接自身D极及PMOS管PM2的G极；PMOS管PM2的D极接NMOS管NM2的D极，PMOS管PM2的D极与NMOS管NM2的D极的节点作为放电控制信号I4的输出端；运算放大器AMP1的正输入端接参考电压Vref1，负输入端经电阻R1接地，电源端接所述电池电压与电池温度传感信号EN_BATDISCHG的输出端，输出端接NMOS管NM1的G极；NMOS管NM1的S极经电阻R1接地；模拟二选一选择器AMUX的两个输入端分别接参考电压Vref2和所述芯片温度检测电压信号Ref_DIET输出端，控制端接所述芯片温度检测判断信号TSEN_EN输出端，输出端接运算放大器AMP2的正输入端；运算放大器AMP2的负输入端经电阻R2接地，电源端接接所述芯片温度检测判断信号TSEN_EN输出端，输出端接NMOS管NM2的G极。

作为具体的技术方案，所述放电功率管电路由NMOS管NM5～NM6构成；NMOS管NM5的D极接入放电控制信号I4，S极接地，G极接自身D极及NMOS管NM6的G极；NMOS管NM6的D极连接电池电芯的输出端，S极接地。

一种基于上述电池保护电路的电池保护方法，包括：移动电源处于待机时，电池电压与电池温度传感器持续监测电池电压及电池温度，当电池电芯电压超过一个预设基准电压Vset且电池温度超过一个预设电池警示温度时，电池放电控制电路启动放电功率管电路以一设定值的电流经控制芯片内部将电池电芯电量泻放到地；在电池电芯电量泻放到地的过程中，芯片温度传感器开启并持续监测控制芯片的温度，当控制芯片的温度超过一预设芯片警示温度时，电池放电控制电路控制放电功率管电路逐渐减少放电电流；若减小放电电流仍阻止不了控制芯片的温度上升，当超过一预设芯片上限温度时，电池放电控制电路控制放电功率管电路停止放电，等待控制芯片自身冷却，重新进入放电周期；在芯片放电期间，检测到电池电芯电压低于所述预设基准电压Vset或电池温度低于所述预设电池警示温度时，电池放电控制电路控制放电功率管电路停止放电，移动电源恢复待机状态。

本发明分析了移动电源在满充电高温环境下存在的不安全因素，通过高温环境下避免电池电量满充这一途径来解决问题。本发明的有益效果在于：提出一种适用于高温环境待机的电池保护方案，有效规避该环境下不安全因素，有效的抑制了电池容量衰减和延长了电池使用寿命且电路简单可靠，方便集成。

附图说明

图1为本发明实施例提供的电池保护电路的原理框图。

图2为基于图1所示原理框图的电池保护方法的逻辑流程图。

图3为图1中电池电压与电池温度传感器的一种具体电路实现方式。

图4为图1中芯片温度传感器模块的一种具体电路实现方式。

图5为图1中电池放电控制模块的一种具体电路实现方式。

图6为图1中放电功率管模块的一种具体电路实现方式。

图7示出了本发明实施例提供的电池保护电路中芯片放电电流大小随芯片温度上升的波形图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例提供的电池保护电路，包括电池包模块U100和控制芯片，控制芯片包括保护模块U200。具体地，电池包模块U100内部包含电池电芯和温敏电阻，电池电芯用于能量存储与供给，温敏电阻用于将电池温度信息转化为电压信息。保护模块U200自身又包含四个子模块，分别为电池电压与电池温度传感器U201、电池放电控制电路U202、芯片温度传感器U203、放电功率管电路U204。其中，电池电压与电池温度传感器U201用于检测电池电压信息VBAT和电池温度信息TBAT，其电压信号采集端连接电池电芯的输出端，其温度信号采集端连接温敏电阻输出端，其传感信号输出端连接电池放电控制电路U202的第一传感信号输入端。电池放电控制电路U202用于判断是否满足电池放电条件以及控制放电电流的大小，其第二传感信号输入端连接芯片温度传感器U203的传感信号输出端，其控制信号输出端连接放电功率管电路U204的控制信号输入端。芯片温度传感器U203用于检测芯片温度信息，当芯片温度超出一定值时，逐渐减小放电电流。放电功率管电路U204用于大电流路径泻放，连接于电池电芯的输出端与地之间。

如图2所示，基于上述电池保护电路的电池保护方法，其包括：移动电源处于待机时，电池电压与电池温度传感器U201持续监测电池电压及电池温度，当电池电压超过3.9V且电池温度超过60℃时，电池放电控制电路U202启动放电功率管电路U204，以150mA的电流经控制芯片内部将电池电量泻放到地。因为有大电流从控制芯片内部持续流过，导致控制芯片自身发热。此时，芯片温度传感器U203开启并持续监测控制芯片的温度，当超过115℃时，电池放电控制电路U202控制放电功率管电路U204，逐渐减少放电电流。若减小放电电流仍阻止不了控制芯片的温度上升，当超过125℃时，电池放电控制电路U202控制放电功率管电路U204停止放电，等待自身冷却，重新进入放电周期。另外，在芯片放电期间，检测到电池电压低于3.9V或者电池温度低于60℃，芯片立即退出放电电路，移动电源恢复待机状态。

下面详述基于上述电池保护电路各模块的具体电路实现方式及工作原理。

如图3所示，本实施例用到的电池电压与电池温度传感器U201由比较器CMP1、CMP2和逻辑与门NAND1组成。比较器CMP1用于电池电压VBAT与基准电压3.9V比较，当VBAT>3.9V，比较器CMP1的输出VBAT_OVER＝1。比较器CMP2用于将表征电池温度信息的电压信号VBAT_T与基准源Vref0比较，合理选择电池温敏电阻大小和基准源Vref0，使得当Tbat>60℃，比较器CMP2的输出TBAT_OVER＝1。VBAT_OVER和TBAT_OVER经逻辑门相与，产生EN_BATDISCHG信号给电池放电控制电路U202。

如图4所示，本实施例中用到的芯片温度传感器U203由PMOS管PM3～PM5、NMOS管NM1～NM2、电阻R3～R4、晶体管Q1～Q2、比较器CMP3组成。PMOS管PM3～PM5各自的S极接电源VDD，PMOS管PM3的G极接PMOS管PM4的G极及PMOS管PM5的G极，PMOS管PM3的D极接自身的G极及NMOS管NM3的D极，NMOS管NM3的S极经电阻R3连接晶体管Q1的e极，晶体管Q1的b极和c极接地；PMOS管PM4的D极接NMOS管NM4的D极，NMOS管NM4的G极接自身D极及NMOS管NM3的G极，NMOS管NM4的S极连接晶体管Q2的e极，晶体管Q2的b极和c极接地；PMOS管PM5的D极经电阻R4接地，PMOS管PM5的D极与电阻R4的节点作为芯片温度检测电压信号Ref_DIET的输出端；比较器CMP3的正输入端接电压信号Ref_DIET，负输入端接入参考电压信号Vref3，输出端作为芯片温度检测判断信号TSEN_EN的输出端。

其中，PM3～PM5，NM3～NM4，R3，Q1～Q2组成PTAT(与绝对温度成正比)电流产生电路，电流大小为：其中，k为玻尔兹曼常量，q为电子电荷，j为晶体管Q1与Q2的个数比，T为开尔文温度(也称绝对温度)，R3为电阻值，除开尔文温度T外，其它参数均为常量。上式表明，电流I与开尔文温度成正比。该电流I注入到电阻R4上产生电压信号Ref_DIET，可知，该电压信号Ref_DIET也与开尔文温度成正比。比较器CMP3将Ref_DIET与一基准信号Vref3比较，合理设置Vref3，当芯片温度超过115℃，送出TSEN_EN信号，即TSEN_EN＝1,电池放电控制电路中受芯片温度传感器U203控制的部分电路开始工作(下文详述)。

如图5所示，本实施例用到的电池放电控制电路U202由运算放大器AMP1～AMP2、PMOS管PM0～PM2、NMOS管NM1～NM2、电阻R1～R2、模拟二选一选择器AMUX构成。PMOS管PM0～PM2各自的S极接电源VDD，PMOS管PM0的G极接所述电池电压与电池温度传感信号EN_BATDISCHG的输出端，D极接PMOS管PM1的D极及NMOS管NM1的D极；PMOS管PM1的G极接自身D极及PMOS管PM2的G极；PMOS管PM2的D极接NMOS管NM2的D极，PMOS管PM2的D极与NMOS管NM2的D极的节点作为放电控制信号I4的输出端；运算放大器AMP1的正输入端接参考电压Vref1，负输入端经电阻R1接地，电源端接所述电池电压与电池温度传感信号EN_BATDISCHG的输出端，输出端接NMOS管NM1的G极；NMOS管NM1的S极经电阻R1接地；模拟二选一选择器AMUX的两个输入端分别接参考电压Vref2和所述芯片温度检测电压信号Ref_DIET输出端，控制端接所述芯片温度检测判断信号TSEN_EN输出端，输出端接运算放大器AMP2的正输入端；运算放大器AMP2的负输入端经电阻R2接地，电源端接接所述芯片温度检测判断信号TSEN_EN输出端，输出端接NMOS管NM2的G极。

其中，AMP1，NM1，R1组成电压信号转电流信号电路，电流大小为：AMP2，NM2，R2组成同样电路，电流大小为：PM1，PM2组成镜像电流源电路，该电路具有输出输入电流正比器件尺寸比特性，若W、L设计参数取值一致，则输出输入电流比：其中，m为PM2、PM1的个数比。PM0为镜像电流源电路的上拉使能管，AMUX为模拟二选一选择器，TSEN_EN＝0，输出选择Vref2，TSEN＝1，输出选择Ref_DIET。(TSEN_EN与Ref_DIET意义将在下面介绍)

该电路最终输出电流信号I4，具体计算公式为：

当EN_BATDISCHG＝.0，TSEN_EN＝x(x代表任意状态)，I4＝0；

当EN_BATDISCHG＝1，TSEN_EN＝0，

$I4=I2-I3=m*I1-I3=m*\frac{Vref1}{R1}-\frac{Vref2}{R2};$

当EN_BATDISCHG＝1，TSEN_EN＝1，

$I4=I2-I3=m*I1-I3=m*\frac{Vref1}{R1}-\frac{Ref\_DIET}{R2}.$

如图6所示，本实施例中的放电功率管由NMOS管NM3～NM4构成，是一个简单的镜像电流源电路，镜像电流比：n为N4、N3的个数比。NM4为放电功率管，放电电流从VBAT经漏极和源极流向芯片地，发热集中在此路径上，其硅面积尺寸相对较大。

结合图3至图6，当电池电压超过3.9V且电池温度超过60℃时，EN_BATDISCHG＝1，电池放电控制模块开启，控制芯片开始对电池放电，放电电流大小为 $I8=n*I4=n*\left(I2-I3\right)=n*\left(m*\frac{Vref1}{R1}-\frac{Vref2}{R2}\right),$ 合理设计Vref1、Vref2、R1、R2、m、n等参数，使得I5＝150mA。芯片内部有大电流流过，自身开始发热，芯片温度传感器模块持续监测芯片温度，监测判断公式： $\frac{kT}{q}*\frac{R4}{R3}*\ln \left(j\right)>Vref3,$ 变形得： $T>\frac{q}{k}*\frac{R3}{R4}*\frac{Vref3}{\ln \left(j\right)},$ 合理设计R3、R4、Vref3、j的值，使得当芯片温度T>115℃，TSEN_EN＝1。TSEN_EN信号参与电池放电控制电路，逐渐减少芯片放电电流，以减少芯片的热压力。在这种情况下，放电电流大小为： $I8=n*I4=n*(I2-$ $I3)=n*(m*\frac{Vref1}{R1}-\frac{\mathrm{Re}f\_DIET}{R2})=n*\[m*\frac{Vref1}{R1}-\frac{KT}{q}*\frac{R4}{R3R2}*\ln (j)\],$ 可以看到，随着温度T增加，电流I8逐渐减少。合理设计Vref1、m、n、j、R1、R2、R3、R4参数值，使得T＝125℃时，电流I8＝0。图7示出了基于上述描述的放电电流大小随芯片温度上升的波形图。

需要说明，上面描述中所涉及到的电压基准源3.9V、Vref0～Vref4均来自芯片内部称为带隙基准的模块，该模块的作用为输出与电源和温度无关的精确偏置电压源和电流源，几乎所有芯片都有集成。

上述实施例仅表达了本发明的一种典型实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。对本领域的技术人员来说，在不脱离本发明的构思前提下，所做出的若干变形或改进，都属于本发明的揭露范围。

Claims (6)

1.一种电池保护电路，其特征在于：包括电池包模块和控制芯片，电池包模块内部包含电池电芯和温敏电阻，控制芯片包括保护模块，保护模块具体包括电池电压与电池温度传感器、电池放电控制电路、芯片温度传感器、放电功率管电路；电池电压与电池温度传感器用于检测电池电压和电池温度信息，其电压信号采集端连接电池电芯的输出端，其温度信号采集端连接温敏电阻输出端，其传感信号输出端连接电池放电控制电路的第一传感信号输入端；电池放电控制电路用于判断是否满足电池放电条件以及控制放电电流的大小，其第二传感信号输入端连接芯片温度传感器的传感信号输出端，其控制信号输出端连接放电功率管电路的控制信号输入端；芯片温度传感器用于检测控制芯片的温度信息；放电功率管电路用于大电流路径泻放，连接于电池电芯的输出端与地之间。

2.根据权利要求1所述的电池保护电路，其特征在于：所述电池电压与电池温度传感器由比较器CMP1、比较器CMP2和逻辑与门NAND1组成；比较器CMP1的两个输入端分别接入电池电芯输出端电压VBAT与一个预设基准电压Vset；比较器CMP2的两个输入端分别接入所述温敏电阻输出端的电压信号VBAT_T与一个基准源Vref0；比较器CMP1和比较器CMP2的输出均接入逻辑与门NAND1的输入端，逻辑与门NAND1的输出端作为电池电压与电池温度传感信号EN_BATDISCHG的输出端。

3.根据权利要求2所述的电池保护电路，其特征在于：所述芯片温度传感器由PMOS管PM3～PM5、NMOS管NM1～NM2、电阻R3～R4、晶体管Q1～Q2、比较器CMP3组成；PMOS管PM3～PM5各自的S极接电源VDD，PMOS管PM3的G极接PMOS管PM4的G极及PMOS管PM5的G极，PMOS管PM3的D极接自身的G极及NMOS管NM3的D极，NMOS管NM3的S极经电阻R3连接晶体管Q1的e极，晶体管Q1的b极和c极接地；PMOS管PM4的D极接NMOS管NM4的D极，NMOS管NM4的G极接自身D极及NMOS管NM3的G极，NMOS管NM4的S极连接晶体管Q2的e极，晶体管Q2的b极和c极接地；PMOS管PM5的D极经电阻R4接地，PMOS管PM5的D极与电阻R4的节点作为芯片温度检测电压信号Ref_DIET输出端；比较器CMP3的正输入端接电压信号Ref_DIET，负输入端接入参考电压信号Vref3，输出端作为芯片温度检测判断信号TSEN_EN输出端。

4.根据权利要求3所述的电池保护电路，其特征在于：电池放电控制电路由运算放大器AMP1～AMP2、PMOS管PM0～PM2、NMOS管NM1～NM2、电阻R1～R2、模拟二选一选择器AMUX构成；PMOS管PM0～PM2各自的S极接电源VDD，PMOS管PM0的G极接所述电池电压与电池温度传感信号EN_BATDISCHG的输出端，D极接PMOS管PM1的D极及NMOS管NM1的D极；PMOS管PM1的G极接自身D极及PMOS管PM2的G极；PMOS管PM2的D极接NMOS管NM2的D极，PMOS管PM2的D极与NMOS管NM2的D极的节点作为放电控制信号I4的输出端；运算放大器AMP1的正输入端接参考电压Vref1，负输入端经电阻R1接地，电源端接所述电池电压与电池温度传感信号EN_BATDISCHG的输出端，输出端接NMOS管NM1的G极；NMOS管NM1的S极经电阻R1接地；模拟二选一选择器AMUX的两个输入端分别接参考电压Vref2和所述芯片温度检测电压信号Ref_DIET输出端，控制端接所述芯片温度检测判断信号TSEN_EN输出端，输出端接运算放大器AMP2的正输入端；运算放大器AMP2的负输入端经电阻R2接地，电源端接接所述芯片温度检测判断信号TSEN_EN输出端，输出端接NMOS管NM2的G极。

5.根据权利要求4所述的电池保护电路，其特征在于：所述放电功率管电路由NMOS管NM5～NM6构成；NMOS管NM5的D极接入放电控制信号I4，S极接地，G极接自身D极及NMOS管NM6的G极；NMOS管NM6的D极连接电池电芯的输出端，S极接地。

6.一种基于权利要求1至5任意一项所述的电池保护电路的电池保护方法，其特征在于，包括：移动电源处于待机时，电池电压与电池温度传感器持续监测电池电压及电池温度，当电池电芯电压超过一个预设基准电压Vset且电池温度超过一个预设电池警示温度时，电池放电控制电路启动放电功率管电路以一设定值的电流经控制芯片内部将电池电芯电量泻放到地；在电池电芯电量泻放到地的过程中，芯片温度传感器开启并持续监测控制芯片的温度，当控制芯片的温度超过一预设芯片警示温度时，电池放电控制电路控制放电功率管电路逐渐减少放电电流；若减小放电电流仍阻止不了控制芯片的温度上升，当超过一预设芯片上限温度时，电池放电控制电路控制放电功率管电路停止放电，等待控制芯片自身冷却，重新进入放电周期；在芯片放电期间，检测到电池电芯电压低于所述预设基准电压Vset或电池温度低于所述预设电池警示温度时，电池放电控制电路控制放电功率管电路停止放电，移动电源恢复待机状态。