CN105553052A

CN105553052A - 集成功率mosfet的锂电池保护芯片及采用该芯片的充电电路

Info

Publication number: CN105553052A
Application number: CN201610124057.1A
Authority: CN
Inventors: 刘陵刚; 申旭
Original assignee: Shenzhen Zhuoruisichuang Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Zhuoruisichuang Technology Co Ltd
Priority date: 2016-03-04
Filing date: 2016-03-04
Publication date: 2016-05-04

Abstract

本发明涉及一种集成功率MOSFET的锂电池保护芯片，其具有六个引脚：正电源输入端VDD、负电源输入端VSS(GND)、过电流检测输入端/充电器检测端CS、电池芯负极端S1、充电负极端S2、功率MOSFET漏极公共端D；该芯片包括：逻辑控制器、过充电流比较器、过放电压比较器、过充电压比较器、短路比较器、第一过放电流比较器、第二过放电流比较器、电源复位模块、振荡器模块、带隙基准电路、分压器、放电过流检测模块、充电控制用MOSFET以及放电控制用MOSFET。本发明的芯片具有过充、过放、过流以及短路等保护功能，工作功耗非常低。并且，大幅减小了芯片的PCB面积，非常适合应用于对空间限制非常小的一切需要可充电的锂电池长时间供电的各种信息产品的场合。而且，该芯片采用DFN-5L的小型化封装形式，进一步降低芯片面积，从而降低芯片成本。

Description

集成功率MOSFET的锂电池保护芯片及采用该芯片的充电电路

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种集成功率MOSFET的锂电池保护芯片及采用该芯片的充电电路。

背景技术

在锂电池技术领域，锂电池具有：体积小、容量大、重量轻、无污染、单节电压高、自放电率低、电池循环次数多等优点。通常锂电池包括锂离子电池和锂聚合物电池。下面以锂离子电池为例说明电池的充放电过程。充电时锂离子由正极向负极运动而嵌入石墨层中。放电时，锂离子从石墨晶体内负极表面脱离移向正极。所以，在该电池充放电过程中锂总是以锂离子形态出现，而不是以金属锂的形态出现。锂电池的充放电有一定的要求，根据锂电池的结构特性，最高充电终止电压不能过充，否则会因正极的锂离子拿走太多，而使电池报废。因锂电池的内部结构所致，放电时锂离子不能全部移向正极，必须保留一部分锂离子在负极，以保证在下次充电时锂离子能够畅通地嵌入通道。否则，电池寿命就相应缩短。为了保证石墨层中放电后留有部分锂离子，就要严格限制放电终止最低电压，也就是说锂电池不能过放电。为了达到锂离子电芯的充放电要求，锂电池都配有保护电路，用于控制外部的充放电电流。

目前，现有技术中的锂电池保护芯片一般没有集成功率MOSFET，由于功率MOSFET需要占据非常大的面积，因此，现有技术中的锂电池保护电路需要在PCB上采用额外的功率MOSFET，这会导致锂电池保护电路的PCB面积过大，不适合于空间限制非常小的场合。同时，没有采用集成功率MOSFET的锂电池保护电路的集成度也不高，无法进一步降低锂电池保护电路的成本。

发明内容

本发明解决的技术问题是：构建一种集成功率MOSFET的锂电池保护芯片及采用该芯片的充电电路，该集成功率MOSFET的锂电池保护芯片通过将功率MOSFET集成到芯片中，从而大幅减小采用该集成功率MOSFET的锂电池保护芯片的PCB面积，非常适合应用于空间限制非常小的场合。，而且，将功率MOSFET集成到锂电池保护芯片中，并采用DFN-5L(双侧引脚扁平封装)的小型化封装形式，从而进一步降低所述集成功率MOSFET的锂电池保护芯片的芯片面积，降低芯片成本。

本发明提出的集成功率MOSFET的锂电池保护芯片具有六个引脚，分别为：正电源输入端VDD、负电源输入端VSS(GND)、过电流检测输入端/充电器检测端CS、电池芯负极端S1、充电负极端S2、功率MOSFET漏极公共端D；并且该集成功率MOSFET的锂电池保护芯片包括：逻辑控制器、过充电流比较器、过放电压比较器、过充电压比较器、短路比较器、第一过放电流比较器、第二过放电流比较器、电源复位模块、振荡器模块、带隙基准电路、分压器、放电过流检测模块、充电控制用MOSFET以及放电控制用MOSFET；

其中，功率MOSFET包括充电控制用MOSFET以及放电控制用MOSFET；放电控制用MOSFET的源极用作电池芯负极端S1，充电控制用MOSFET的源极用作充电负极端S2；充电控制用MOSFET的漏极以及放电控制用MOSFET的漏极相互连接作为漏极公共端D；该集成功率MOSFET的锂电池保护芯片的过充电流比较器、短路比较器、第一过放电流比较器、第二过放电流比较器的第一输入端与充电控制用MOSFET的源极端S2连接；过放电压比较器、过充电压比较器的第一输入端与分压器连接；分压器与电源输入端VDD连接；过充电流比较器、过放电压比较器、过充电压比较器、短路比较器、第一过放电流比较器、第二过放电流比较器的第二输入端与带隙基准电路连接；电源复位模块和振荡器模块分别与逻辑控制器连接；放电过流检测模块分别连接逻辑控制器与充电控制用MOSFET的源极端S2；充电控制用MOSFET的栅极以及放电控制用MOSFET的栅极分别与逻辑控制器连接。

本发明还提出了一种采用集成功率MOSFET的锂电池保护芯片的充电电路，其中，集成功率MOSFET的锂电池保护芯片的正电源输入端VDD连接外部电阻R1的第一端，外部电阻R1的第二端与电芯的正极连接，该电芯的正极与充电正极BATT+连接，集成功率MOSFET的锂电池保护芯片的负电源输入端VSS与电芯的负极连接，第一外部电容C1连接在外部电阻R1的第一端与电芯负极之间；集成功率MOSFET的锂电池保护芯片中的放电控制用MOSFET的源极端S1与电芯负极连接；过电流检测输入端/充电器检测端CS连接外部电阻R2的第一端；外部电阻R2的第二端与充电用MOSFET的源极端S2连接后与充电负极BATT-连接。

附图说明

图1为本发明集成功率MOSFET的锂电池保护芯片的结构框图。

图2为本发明采用集成功率MOSFET的锂电池保护芯片的充电电路结构示意图。

图3为本发明集成功率MOSFET的锂电池保护芯片的封装示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明。

如图1所示，本发明提出的集成功率MOSFET的锂电池保护芯片具有六个引脚，分别为：正电源输入端VDD、负电源输入端VSS(GND)、过电流检测输入端/充电器检测端CS、电池芯负极端S1、充电负极端S2、功率MOSFET漏极公共端D；并且该集成功率MOSFET的锂电池保护芯片包括：逻辑控制器、过充电流比较器、过放电压比较器、过充电压比较器、短路比较器、第一过放电流比较器、第二过放电流比较器、电源复位模块、振荡器模块、带隙基准电路、分压器、放电过流检测模块、充电控制用MOSFET以及放电控制用MOSFET；

如图2所示，给出了本发明提出的集成功率MOSFET的锂电池保护芯片与锂电池电芯的连接结构。其中，集成功率MOSFET的锂电池保护芯片的正电源输入端VDD连接外部电阻R1的第一端，外部电阻R1的第二端与电芯的正极连接，该电芯的正极与充电正极BATT+连接，集成功率MOSFET的锂电池保护芯片的负电源输入端VSS与电芯的负极连接，第一外部电容C1连接在外部电阻R1的第一端与电芯负极之间；集成功率MOSFET的锂电池保护芯片中的放电控制用MOSFET的源极端S1与电芯负极连接；过电流检测输入端/充电器检测端CS连接外部电阻R2的第一端；外部电阻R2的第二端与充电用MOSFET的源极端S2连接后与充电负极BATT-连接。

其中，对图1所示的各个端口与图2所示的连接结构的端口的对应关系作如下说明，请参见下表1：

表1

序号	名称	引脚说明
			1	VDD	正电源输入端，接电池芯正极
2	VSS(GND)	负电源输入端，接电池芯负极
			3	CS	过电流检测输入端，充电器检测端
4	S1	MOS管S极，接电池芯负极
			5	S2(BATT-)	MOS管S极，充电负极
6	D	MOS管D极

其中，外部电阻R1的取值范围为100Ω至470Ω，优选330Ω；外部电阻R2的取值范围为1KΩ至2KΩ，优选为1KΩ；电容C1的取值范围为0.01μF至1.0μF，优选为0.1μF。

下面介绍本发明提出的集成功率MOSFET的锂电池保护芯片的工作过程：

1.正常工作状态

此集成功率MOSFET的锂电池保护芯片持续侦测连接在VDD和VSS之间的电池电压，以及CS与VSS之间的电压差，来控制充电和放电。当电池电压在过放电检测电压(VDL)以上并在过充电检测电压(VCU)以下，且CS端子电压在充电过流检测电压(VCIP)以上并在放电过流检测电压(VDIP)以下时，充电控制用MOSFET和放电控制用MOSFET导通，这个状态称为“正常工作状态”。此状态下，充电和放电都可以自由进行。

2.过充电状态

正常工作状态下的电池，在充电过程中，一旦电池电压超过过充电检测电压(VCU)，并且这种状态持续的时间超过过充电检测延迟时间(TOC)以上时，集成功率MOSFET的锂电池保护芯片会关闭充电控制用的MOSFET，停止充电，这个状态称为“过充电状态”。

过充电状态在如下2种情况下可以释放：

不连接充电器时，

(1)由于自放电使电池电压降低到过充电释放电压(VCR)以下时，过充电状态释放，恢复到正常工作状态。

(2)连接负载放电，放电电流先通过充电控制用MOSFET的寄生二极管流过，此时，CS端子侦测到一个“二极管正向导通压降(Vf)”的电压。当CS端子电压在放电过流检测电压(VDIP)以上且电池电压降低到过充电检测电压(VCU)以下时，过充电状态释放，恢复到正常工作状态。进入过充电状态的电池，如果仍然连接着充电器，即使电池电压低于过充电释放电压(VCR)，过充电状态也不能释放。断开充电器，CS端子电压上升到充电过流检测电压(VCIP)以上时，过充电状态才能释放。

3.过放电状态

正常工作状态下的电池，在放电过程中，当电池电压降低到过放电检测电压(VDL)以下，并且这种状态持续的时间超过过放电检测延迟时间(TOD)以上时，集成功率MOSFET的锂电池保护芯片会关闭放电控制用的MOSFET，停止放电，这个状态称为“过放电状态”。

过放电状态的释放，有以下三种方法：

(1)连接充电器，若CS端子电压低于充电过流检测电压(VCIP)，当电池电压高于过放电检测电压(VDL)时，过放电状态释放，恢复到正常工作状态。

(2)连接充电器，若CS端子电压高于充电过流检测电压(VCIP)，当电池电压高于过放电释放电压(VDR)时，过放电状态释放，恢复到正常工作状态。

(3)没有连接充电器时，如果电池电压自恢复到高于过放电释放电压(VDR)时，过放电状态释放，恢复到正常工作状态，即“有过放自恢复功能”。

4.放电过流状态(放电过流检测功能和负载短路检测功能)

正常工作状态下的电池，集成功率MOSFET的锂电池保护芯片通过检测CS端子电压持续侦测放电电流。一旦CS端子电压超过放电过流检测电压(VDIP)，并且这种状态持续的时间超过放电过流检测延迟时间(TDIP)，则关闭充放电控制用的MOSFET，停止放电，这个状态称为“放电过流状态”。

而一旦CS端子电压超过负载短路检测电压(VSIP)，并且这种状态持续的时间超过负载短路检测延迟时间(TSIP)，则也关闭放电控制用的MOSFET，停止放电，这个状态称为“负载短路状态”。

当连接在电池正极(BATT+)和电池负极(BATT-)之间的阻抗大于放电过流/负载短路释放阻抗(典型值约300kΩ)时，放电过流状态和负载短路状态释放，恢复到正常工作状态。另外，即使连接在电池正极(BATT+)和电池负极(BATT-)之间的阻抗小于放电过流/负载短路释放阻抗，当连接上充电器，CS端子电压降低到放电过流保护电压(VDIP)以下，也会释放放电过流状态或负载短路状态，回到正常工作状态。

若不慎将充电器反接时，回路中的电流方向与放电时电流方向一致，如果CS端子电压高于放电过流检测电压(VDIP)，则可以进入放电过流保护状态，切断回路中的电流，起到保护的作用。

5.向0V电池充电功能

此功能用于对已经自放电到0V的电池进行再充电。当连接在电池正极(BATT+)和电池负极(BATT-)之间的充电器电压，高于“向0V电池充电的充电器起始电压(V0CH)”时，充电控制用MOSFET的栅极固定为VDD端子的电位，由于充电器电压使MOSFET的栅极和源极之间的电压差高于其导通电压，充电控制用MOSFET导通，开始充电。这时，放电控制用MOSFET仍然是关断的，充电电流通过其内部寄生二极管流过。当电池电压高于过放电检测电压(VDL)时，集成功率MOSFET的锂电池保护芯片进入正常工作状态。

下面，针对本发明提出的集成功率MOSFET的锂电池保护芯片给出该芯片的封装规格，该集成功率MOSFET的锂电池保护芯片采用非常小的DFN-5L封装，这使得该芯片非常适合于应用于空间限制非常小的可充电电池组中，例如应用于手机、蓝牙耳机等：

参见图3，本发明提出的采用DFN-5L封装的集成功率MOSFET的锂电池保护芯片的封装规格参数如下表2所示：

表2

本发明提出的集成功率MOSFET的锂电池保护芯片对于锂电池来说，具有过充、过放、过流以及短路等保护功能，其工作时功耗非常低。并且，通过将功率MOSFET集成到芯片中，从而大幅减小采用该集成功率MOSFET的锂电池保护芯片的PCB面积，非常适合应用于对空间限制非常小的一切需要可充电的锂电池长时间供电的各种信息产品的场合，例如应用于手机、蓝牙耳机等。而且，将功率MOSFET集成到锂电池保护芯片中，并采用DFN-5L的小型化封装形式，从而进一步降低所述集成功率MOSFET的锂电池保护芯片的芯片面积，降低芯片成本。本发明提出的集成功率MOSFET的锂电池保护芯片的电性能参数精度也非常高，见下表3：

表3

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种集成功率MOSFET的锂电池保护芯片，其特征在于：所述集成功率MOSFET的锂电池保护芯片具有六个引脚，分别为：正电源输入端VDD、负电源输入端VSS(GND)、过电流检测输入端/充电器检测端CS、电池芯负极端S1、充电负极端S2、功率MOSFET漏极公共端D；其中，该集成功率MOSFET的锂电池保护芯片包括：逻辑控制器、过充电流比较器、过放电压比较器、过充电压比较器、短路比较器、第一过放电流比较器、第二过放电流比较器、电源复位模块、振荡器模块、带隙基准电路、分压器、放电过流检测模块、充电控制用MOSFET以及放电控制用MOSFET。

2.根据权利要求1所述的集成功率MOSFET的锂电池保护芯片，其特征在于，其中，功率MOSFET包括充电控制用MOSFET以及放电控制用MOSFET；放电控制用MOSFET的源极用作电池芯负极端S1，充电控制用MOSFET的源极用作充电负极端S2；充电控制用MOSFET的漏极以及放电控制用MOSFET的漏极相互连接作为漏极公共端D；该集成功率MOSFET的锂电池保护芯片的过充电流比较器、短路比较器、第一过放电流比较器、第二过放电流比较器的第一输入端与充电控制用MOSFET的源极端S2连接；过放电压比较器、过充电压比较器的第一输入端与分压器连接；分压器与电源输入端VDD连接；过充电流比较器、过放电压比较器、过充电压比较器、短路比较器、第一过放电流比较器、第二过放电流比较器的第二输入端与带隙基准电路连接；电源复位模块和振荡器模块分别与逻辑控制器连接；放电过流检测模块分别连接逻辑控制器与充电控制用MOSFET的源极端S2；充电控制用MOSFET的栅极以及放电控制用MOSFET的栅极分别与逻辑控制器连接。

3.根据权利要求2所述的集成功率MOSFET的锂电池保护芯片，其特征在于，其中，外部电阻R1的取值范围为100Ω至470Ω，优选330Ω；外部电阻R2的取值范围为1KΩ至2KΩ，优选为1KΩ；电容C1的取值范围为0.01μF至1.0μF，优选为0.1μF。

4.一种采用权利要求1所述的集成功率MOSFET的锂电池保护芯片的充电电路，其特征在于：

其中，集成功率MOSFET的锂电池保护芯片的正电源输入端VDD连接外部电阻R1的第一端，外部电阻R1的第二端与电芯的正极连接，该电芯的正极与充电正极BATT+连接，集成功率MOSFET的锂电池保护芯片的负电源输入端VSS与电芯的负极连接，第一外部电容C1连接在外部电阻R1的第一端与电芯负极之间；集成功率MOSFET的锂电池保护芯片中的放电控制用MOSFET的源极端S1与电芯负极连接；过电流检测输入端/充电器检测端CS连接外部电阻R2的第一端；外部电阻R2的第二端与充电用MOSFET的源极端S2连接后与充电负极BATT-连接。