CN106992502B - 一种电池保护电路及晶片 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例中提供了一种电池保护电路、晶片及控制芯片，该电池保护电路包括：功率开关S1，用于控制该电池的充放电状态；传感器，用于感应该功率开关S1的温度，该传感器的一端接电池保护控制芯片，另一端接地；且该传感器为负温度系数传感器或正温度系数传感器；其中，传感器和功率开关S1位于同一晶片；该电池保护控制芯片，用于在该功率开关S1的温度高于阈值温度时，输出用于触发该功率开关S1关断的有效信号。采用本申请实施例中的方案，能够实现对电池保护电路中功率开关的温度检测和过温保护，提高电池保护电路的可靠性，从而进一步提高锂电池的安全性。
Description
技术领域
本申请涉及集成电路设计领域，具体地，涉及一种电池保护电路及晶片。
背景技术
电池保护电路一般包括电池保护控制芯片和功率开关。
沟槽型垂直工艺和平面工艺是集成电路制造的两种常用工艺。沟槽型垂直工艺有利于实现较小导通电阻的开关，通常采用该工艺制造功率开关。但沟槽型垂直工艺不适于制造功能复杂的控制电路，因此通常采用平面工艺制造电池保护控制芯片。
由于电池保护控制芯片和功率开关的制造工艺的不同，导致功率开关和电池保护控制芯片处于不同的晶片，难于对功率开关的温度进行检测，从而无法对功率开关实现过温保护。而如果功率开关由于过热损坏，将导致电池保护电路失控，产生危险。
发明内容
本申请实施例中提供了一种电池保护电路及晶片，能够解决现有技术中的电池保护电路无法对功率开关实现过温保护，导致的安全性问题。
根据本申请实施例的第一个方面，提供了一种电池保护电路，包括：功率开关S1，用于控制该电池的充放电状态；传感器，用于感应该功率开关S1的温度，该传感器的一端接电池保护控制芯片，另一端接地；且该传感器为负温度系数传感器或正温度系数传感器；其中，传感器和功率开关S1位于同一晶片；该电池保护控制芯片，用于在该功率开关S1的温度高于阈值温度时，输出用于触发该功率开关S1关断的有效信号。
根据本申请实施例的第二个方面，还提供了一种晶片，包括：功率开关S1，用于控制该电池的充放电状态；二极管D1，用于感应该功率开关S1的温度，该二极管D1的一端接电池保护控制芯片，另一端接地；且该二极管D1为负温度系数的二极管。
采用本申请实施例中提供的一种电池保护电路及晶片，通过负温度系数或正温度系数的传感器来感应功率开关的温度，并在功率开关的温度高于阈值温度时，输出用于触发该功率开关S1关断的有效信号，从而实现了对电池保护电路中功率开关的温度检测和过温保护，提高了电池保护电路的可靠性，从而进一步提高了锂电池的安全性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本申请实施例一的电池保护电路的电路图；
图2示出了根据本申请实施例一的二极管的截面图；
图3示出了根据本申请实施例一的电池保护控制芯片的电路图；
图4示出了根据本申请实施例二的晶片的截面示意图。
具体实施方式
在实现本申请的过程中，发明人发现，在现有技术中，难于对功率开关的温度进行检测，从而无法对功率开关实现过温保护。而如果功率开关由于过热损坏，将导致电池保护电路失控，产生危险。
为解决上述问题，本申请提供了一种电池保护电路及晶片，通过负温度系数或正温度系数的传感器来感应功率开关的温度，并在功率开关的温度高于阈值温度时，输出用于触发该功率开关S1关断的有效信号，从而实现了对电池保护电路中功率开关的温度检测和过温保护，提高了电池保护电路的可靠性，从而进一步提高了锂电池的安全性。
为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
图1示出了根据本申请实施例一的电池保护电路的电路图。
如图1所示，根据本申请实施例的电池保护电路包括：功率开关S1，用于控制该电池的充放电状态；传感器，用于感应该功率开关S1的温度，该传感器的一端接电池保护控制芯片，另一端接地；该传感器为负温度系数元器件或正温度系数元器件；其中，该传感器和该功率开关S1位于同一晶片；该电池保护控制芯片，用于在该功率开关S1的温度高于预定阈值时，输出用于触发该功率开关S1关断的有效信号。
由于功率开关S1和传感器被集成在同一晶片上，由于热传导的作用，两者的温度保持相同。
在具体实施时，该功率开关S1采用沟槽型垂直工艺制成；该电池保护控制芯片采用平面工艺制成。
在具体实施时，该传感器可以采用图1所示的负温度系数二极管D1，负温度系数的二极管D1，是指该二极管D1的导通电压随温度的上升而下降。具体地，该二极管D1的阳极接该电池保护控制芯片中的比较器的一输入端，阴极与功率开关的源极连接后，接地电平GND。具体地，该二极管D1可以采用如图2所示的二极管。如图2所示，二极管D1可以包括低掺杂浓度的N阱(Nwell)，N阱里设置重掺杂浓度的N+区和重掺杂浓度的P+区；其中N+区接GND电位，P+区接VTS电位。应当理解，该传感器也可以采用正温度系数的热敏电阻，即，电压差随温度上升而升高的电阻；或者是负温度系数的热敏电阻，即电压差随便温度上升而下降的电阻，本申请对此均不作限制。
接下来，对根据本申请实施例的电池保护控制芯片的具体实施进行介绍。
根据本申请实施例的电池保护控制芯片集成了检测温度的电路，并对功率开关进行控制以实现对功率开关的保护。
在一种具体实施方式中，该电池保护控制芯片可以包括：比较器，该比较器第一输入端接该传感器，第二输入端接参考电压VR，比较器的输出端与功率开关连接；该比较器根据该传感器的端电压VTS与参考电压之间的高低关系，输出有效信号或无效信号；电流源，该电流源接该传感器，用于为该传感器提供偏置电流。
在具体实施时，该传感器可以是负温度系数传感器，即，其电压差随温度的升高而下降；该比较器的正输入端接该传感器，该比较器的负输入端接参考电压VR；当传感器的温度(与功率开关S1的温度相同)上升时，传感器的端电压VTS下降，当端电压VTS下降至小于参考电压VR时，表明功率开关S1的温度超过阈值温度，则比较器输出有效信号，例如，低电平，以触发功率开关关断。当端电压VTS高于参考电压VR时，所述比较器输出无效信号，例如，高电平，功率开关不动作。
本领域技术人员应当理解，在该具体实施方式中，该有效信号也可以是高电平，无效信号可以是低电平；当有效信号是高电平时，可以将比较的正输入端接参考电压VR，将负输入端接传感器即可，本申请对此不作限制。
下面将以一具体实例进行说明。例如，可以设计二极管D1的温度系数为-1.5mV/℃，其含义是其导通电压随温度每升高1摄氏度，其电压下降-1.5mV。例如常温25℃时，D1的两端电压为800mV，当温度上升至125℃时，D1的两端电压下降为650mV。根据本发明的电池保护控制芯片中集成了监测二极管D1电压的功能，当二极管D1电压低于设定阈值电压，则表示功率开关S1的温度超过阈值温度(例如125℃)，需要关断开关S1，此时既禁止充电，也禁止放电，让流过开关S1的电流为零，这样避免开关S1进一步发热而损坏。
在具体实施时，当该传感器是正温度系数传感器，即，其两端电压差随温度的升高而升时；该比较器的负输入端接该传感器，该比较器的正输入端接参考电压VR；当传感器的温度(与功率开关S1的温度相同)上升时，传感器的端电压VTS上升，当端电压VTS上升至大于参考电压VR时，表明功率开关S1的温度超过阈值温度，比较器输出有效信号，例如，低电平，触发功率开关关断。当端电压VTS小于参考电压VR时，所述比较器输出无效信号，例如，高电平，功率开关不动作。
本领域技术人员应当理解，该有效信号也可以是高电平，当有效信号是高电平时，可以将比较器的负输入端接参考电压VR，将正输入端接传感器即可，本申请对此不作限制。
图3示出了根据本申请实施例一的电池保护控制芯片的电路图。
如图3所示，该电池保护控制芯片可以包括：比较器，该比较器第一输入端接该传感器，第二输入端接参考电压VR，该比较器的输出端连接至与门的输入端；该比较器根据该传感器的端电压VTS与参考电压VR之间的高低关系，输出有效信号或无效信号；电流源I1，该电流源接该传感器，用于为该传感器提供偏置电流；其他保护单元，该其他保护单元的输出端Flag连接至该与门的另一输入端；用于在检测到放电过流或短路时，输出有效信号；与门AND，用于对该比较器的输出信号和其他保护单元的输出信号进行与运算，并向该功率开关输出有效信号或无效信号。
具体地，I1可以设计为例如1微安的电流源。参考电压VR可以由例如带隙基准电路产生，属于常规技术，为了简化描述，此处省略。根据上面设计125℃过温保护的例子中，可以把VR设计为650mV，当VTS电压低于VR电压时，比较器输出信号OTPB变为低电平，与门输出信号ON变为低电平，关断功率开关S1，实现对功率开关S1的保护。其他保护单元如果检测到例如放电过流或者短路等其他异常时，也会将其输出信号Flag信号置为低电平，经过与门后，ON信号也变为低电平，关断功率开关S1，实现其他的保护功能(例如对放电过流的保护或者对短路情况的保护)。
采用本申请实施例中提供的电池保护电路，通过负温度系数或正温度系数的传感器来感应功率开关的温度，并在功率开关的温度高于阈值温度时，输出用于触发该功率开关S1关断的有效信号，从而实现了对电池保护电路中功率开关的温度检测和过温保护，提高了电池保护电路的可靠性，从而进一步提高了锂电池的安全性。
实施例二
基于同一发明构思，本申请实施例中还提供了一种晶片，该晶片包括：功率开关S1，用于控制该电池的充放电状态；二极管D1，用于感应该功率开关S1的温度，该二极管D1的一端接电池保护控制芯片，另一端接地；且该二极管D1为负温度系数的二极管。
图4示出了根据本申请实施例二的晶片的截面示意图。在图4中，P+为重掺杂的P型有源区，N+为重掺杂的N型有源区，P-为轻掺杂的P型阱区，N-为轻掺杂的N型衬底，Nwell为N型阱区，简称N阱。
在图4中，除去右侧由N阱及N阱中的N+、P+构成的二极管之后，晶片的其余部分构成垂直结构的沟槽型NMOS，即本申请中的功率开关。
如图4所示，根据本申请实施例二的晶片包括：从下至上依次形成的N+衬底和N-层，以及在N-层中形成的P-区；该N+衬底作为该功率开关的漏极；从上至下延伸入P-区、并嵌入N-层的凹形沟槽；该沟槽内填充多晶硅栅；该多晶硅栅作为功率开关的栅极；沟槽两侧分别从内向外依次形成一相邻的N+区域和P+区域；该两个N+区域和两个P+区域共同作为所述功率开关的源极；在该P-区中形成的二极管D1，其中，该二极管D1包括N阱、以及形成于该N阱内的N+区域和P+区域，该N+区域和P+区域间隔分布；其中，该功率开关的栅极接该电池保护控制芯片的输出端，漏极接外部电路，源极与该二极管D1的N+区域连接后接地电平GND；该二极管D1的P+区域接该电池保护控制芯片中的比较器的一输入端。
在具体实施时，该P-区也可以设计为L形。
由于热传导的作用，功率开关和二极管的温度保持相同；从而能够实现对功率开关S1的温度的检测。
采用本申请实施例中提供的晶片，通过负温度系数或正温度系数的传感器来感应功率开关的温度，并将温度传递给电池保护控制芯片，以使得电池保护控制芯片能够在功率开关的温度高于阈值温度时，输出用于触发该功率开关S1关断的有效信号，从而实现了对电池保护电路中功率开关的温度检测和过温保护，提高了电池保护电路的可靠性，从而进一步提高了锂电池的安全性。
实施例三
基于同一发明构思，本申请实施例中还提供了一种电池保护控制芯片，包括：比较器，该比较器第一输入端接传感器，第二输入端接参考电压VR，该比较器的输出端与功率开关S1连接；该比较器根据该传感器的端电压VTS与参考电压VR之间的高低关系，输出有效信号或无效信号；其中，该传感器用于感应功率开关S1的温度，且该传感器为负温度系数传感器或正温度系数传感器；该有效信号用于触发该功率开关S1关断；电流源，该电流源接该传感器，用于为该传感器提供偏置电流。
本申请实施例中的电池保护控制芯片的具体实施可以参照本申请实施例一中的电池保护控制芯片的实施，重复之处不再赘述。
采用本申请实施例中提供的电池保护控制芯片，能够在功率开关的温度高于阈值温度时，输出用于触发该功率开关S1关断的有效信号，从而实现了对电池保护电路中功率开关的温度检测和过温保护，提高了电池保护电路的可靠性，从而进一步提高了锂电池的安全性。
实施例四
基于同一发明构思，本申请实施例中还提供了一种电池保护控制芯片，包括：比较器，该比较器第一输入端接传感器，第二输入端接参考电压VR，该比较器的输出端连接至与门的一输入端；该比较器根据该传感器的端电压VTS与参考电压VR之间的高低关系，输出有效信号或无效信号；其中，该传感器用于感应功率开关S1的温度，且该传感器为负温度系数传感器或正温度系数传感器；该有效信号用于触发该功率开关S1关断；电流源，该电流源接该传感器，用于为该传感器提供偏置电流；其他保护单元，所述其他保护单元的输出端连接至所述与门的另一输入端；用于在检测到放电过流或短路时，输出有效信号；与门，用于对比较器的输出信号和其他保护单元的输出信号进行与运算，并向功率开关输出有效信号或无效信号。
本申请实施例中的电池保护控制芯片的具体实施可以参照本申请实施例一中的电池保护控制芯片的实施，重复之处不再赘述。
采用本申请实施例中提供的电池保护控制芯片，能够在功率开关的温度高于阈值温度时，输出用于触发该功率开关S1关断的有效信号，从而实现了对电池保护电路中功率开关的温度检测和过温保护，提高了电池保护电路的可靠性，从而进一步提高了锂电池的安全性。
另外，在其他保护单元检测到其他异常(例如放电过流或者短路等)，也会将其输出信号Flag信号置为低电平，经过与门后，ON信号也变为低电平，关断开关S1，从而在实现功率开关的过温保护的同时，实现其他的保护功能(例如对放电过流的保护或者对短路情况的保护)。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种电池保护电路，其特征在于，包括：
功率开关S1，用于控制所述电池的充放电状态；
传感器，用于感应所述功率开关S1的温度，所述传感器的一端接电池保护控制芯片，另一端接地；所述传感器为负温度系数传感器或正温度系数传感器；其中，所述传感器和所述功率开关S1位于同一晶片；
所述电池保护控制芯片，用于在所述功率开关S1的温度高于阈值温度时，输出用于触发所述功率开关S1关断的有效信号；
所述传感器为负温度系数的二极管D1，所述晶片包括：
从下至上依次形成的N+衬底和N-层，以及在所述N-层中形成的P-区；所述N+衬底作为所述功率开关S1的漏极；
从上至下延伸入所述P-区、并嵌入所述N-层的凹形沟槽；所述沟槽内填充多晶硅栅；所述多晶硅栅作为所述功率开关S1的栅极；
所述沟槽两侧分别从内向外依次形成一相邻的N+区域和P+区域；所述两个N+区域和两个P+区域共同作为所述功率开关S1的源极；
在所述P-区中形成的二极管D1，其中，所述二极管D1包括N阱、以及形成于所述N阱内的N+区域和P+区域，所述N+区域和P+区域间隔分布。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述功率开关S1采用沟槽型垂直工艺制成；所述电池保护控制芯片采用平面工艺制成。
3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，其中，所述二极管D1的阳极接所述电池保护控制芯片中的比较器的一输入端，阴极与所述功率开关S1的源极连接后，接地电平GND。
4.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，
所述功率开关S1的栅极接所述电池保护控制芯片的输出端，漏极接外部电路，源极与所述二极管D1的N+区域连接后接地电平GND；所述二极管D1的P+区域接所述电池保护控制芯片中的比较器的一输入端。
5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电池保护控制芯片包括：
比较器，所述比较器第一输入端接所述传感器，第二输入端接参考电压VR，所述比较器的输出端与功率开关S1连接；所述比较器根据所述传感器的端电压VTS与参考电压之间的高低关系，输出有效信号或无效信号；
电流源，所述电流源接所述传感器，用于为所述传感器提供偏置电流。
6.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，所述传感器为负温度系数的二极管D1，所述比较器的正输入端接所述二极管D1的正极，负输入端接参考电压VR；当所述二极管D1的端电压高于所述参考电压VR时，所述比较器输出无效信号；当所述二极管D1的端电压低于所述参考电压VR时，所述比较器输出有效信号。
7.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电池保护控制芯片包括：
比较器，所述比较器第一输入端接所述传感器，第二输入端接参考电压VR，所述比较器的输出端连接至与门的一输入端；所述比较器根据所述传感器的端电压VTS与参考电压之间的高低关系，输出有效信号或无效信号；
电流源，所述电流源接所述传感器，用于为所述传感器提供偏置电流；
其他保护单元，所述其他保护单元的输出端连接至所述与门的另一输入端；用于在检测到放电过流或短路时，输出有效信号；
与门，用于对所述比较器的输出信号和其他保护单元的输出信号进行与运算，并向所述功率开关S1输出有效信号或无效信号。
8.根据权利要求6-7中任一项所述的电路，其特征在于，所述有效信号是低电平。
9.一种晶片，其特征在于，包括：
功率开关S1，用于控制电池的充放电状态；
二极管D1，用于感应所述功率开关S1的温度，所述二极管D1的一端接电池保护控制芯片，另一端接地；且所述二极管D1为负温度系数的二极管；在所述功率开关S1的温度高于阈值温度时，所述功率开关S1关断；
所述晶片包括：从下至上依次形成的N+衬底和N-层，以及在所述N-层中形成的P-区；所述N+衬底作为所述功率开关S1的漏极；
从上至下延伸入所述P-区、并嵌入所述N-层的凹形沟槽；所述沟槽内填充多晶硅栅；所述多晶硅栅作为所述功率开关S1的栅极；
所述沟槽两侧分别从内向外依次形成一相邻的N+区域和P+区域；所述两个N+区域和两个P+区域共同作为所述功率开关S1的源极；
在所述P-区中形成的二极管D1，其中，所述二极管D1包括N阱、以及形成于所述N阱内的N+区域和P+区域，所述N+区域和P+区域间隔分布。
10.根据权利要求9所述的晶片，其特征在于，
其中，所述功率开关S1的栅极接所述电池保护控制芯片的输出端，漏极接外部电路，源极与所述二极管D1的N+区域连接后接地电平GND；所述二极管D1的P+区域接所述电池保护控制芯片中的比较器的一输入端。
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