CN108011415A - 一种集成电池保护的电源管理单元芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成电池保护的电源管理单元芯片，其中充电控制模组分别连接供电电池和充电电源，供电电池连接多个放电通路，每个放电通路各设置有一开关管，每个开关管均连接一开关控制器，放电控制模组连接开关控制器、供电电池，低功耗控制模组，连接放电控制模组。上述方案将电源管理单元和电池保护芯片进行组合，实现对电池进行充放电的管理的同时能够对电池进行实时的保护，采用低功耗控制模组降低了电源管理单元芯片的能耗，提高了电池使用效率。

Description

一种集成电池保护的电源管理单元芯片

技术领域

本发明涉及集成电路和电池管理领域，尤其涉及一种集成电池保护的电 源管理单元芯片。

背景技术

现有的智能穿戴设备和物联网设备为实现小型化和低成本通常或将部 分器件集成至芯片中，将充电系统和供电系统集成成为单芯片的电源管理单 元(PMU)。现有的小型化电子设备通常采用锂电池供电，因此，小型化电 子设备还设置有独立的电池保护芯片，

电源管理单元的所有模块工作于电池电压下，长时耗电，也极大影响了 锂电池的能耗。现有的电池保护芯片由于不知道当前是充电还是放电，不知 道外部可能施加的负载情况。它的保护机制必须实时监测，功耗很难降低。 同时，电池保护芯片需要针对不同的电池具有不同的过冲电压，过放电压， 过流值，难以做到便捷的适应性调制。

发明内容

针对现有技术中在集成电路和电池管理领域存在的上述问题，现提供一 种集成电池保护的电源管理单元芯片。

具体技术方案如下：

一种集成电池保护的电源管理单元芯片，包括设置在所述电源管理单元 芯片上的充电控制模组、放电控制模组、低功耗控制模组；

所述充电控制模组分别连接供电电池和一外部的充电电源，所述充电控 制模组用于在充电过程中防止所述供电电池发生过冲和短路；

所述供电电池连接多个放电通路，所述放电通路于一开关控制器的控制 下可控制地通断；

所述放电控制模组连接所述开关控制器、所述供电电池，所述放电控制 模组用于根据采样电流和输出电压，控制所述放电通路的通断，并判断设备 是否处于待机状态；

低功耗控制模组，连接所述放电控制模组，用于在所述设备处于待机状 态时，控制所述放电控制模组间歇工作。

优选的，所述充电控制模组包括：

恒压恒流控制环路，连接所述供电电池和所述充电电源，用于向所述供 电电池输入经过恒压恒流处理的电能；

过充电压比较器，连接所述供电电池和所述恒压恒流控制环路，用于将 充电电压与预设的电压范围进行比对，并在所述充电电压超出预设电压范围 时，断开所述充电电源与所述供电电池的连接；

过充电流比较器，连接所述供电电池和所述恒压恒流控制环路，用于将 充电电流与预设的电流范围进行比对，并在充电电流超出预设电流范围时， 断开所述充电电源与所述供电电池的连接。

优选的，所述恒压恒流控制环路还连接一限流电阻的第一端，所述限流 电阻的第二端接地，所述限流电阻用于限制从所述充电电源经过所述恒压恒 流控制环路输入到所述充电控制模组的电流。

优选的，所述充电控制模组工作电压设置为充电电压域。

优选的，所述每个所述放电通路各设置一采样电阻，所述采样电阻用于 检测每个所述放电通路的输出电流，每个所述采样电阻均连接一设置在所述 电源管理单元芯片外的电流监测电阻，所述电流监测电阻用于获取所述采样 电流；

所述放电控制模组内设置有一放电电流比较器，所述放电电流比较器连 接所述电流监测电阻和所述开关控制器，所述放电电流比较器用于将所述采 样电流与预设的第一放电电流进行比较，并在所述采样电流大于预设的第一 放电电流时，控制所述开关控制器关断部分所述放电通路。

优选的，所述放电控制模组内还设置有一放电电压比较器，所述放电电 压比较器连接所述供电电池和所述放电电流比较器，用于将获取的所述输出 电压与所述第一放电电压进行比较，并在所述输出电压小于所述第一放电电 压时，将第二放电电流替换所述放电电流比较器的第一放电电流；

所述放电电压比较器连接所述开关控制器，用于在所述输出电压小于所 述第二放电电压时，控制所述开关控制器关断所有所述放电通路，关闭所有 工作于所述供电电池的电压域的所述电源管理单元芯片的组件，直至所述输 出电压恢复至所述第二放电电压；

所述第二放电电压小于所述第一放电电压，所述第二放电电流小于所述 第一放电电流。

优选的，低功耗控制模组还包括一待机检测单元，所述机检测单元连接 所述电流监测电阻和所述低功耗控制模组，所述机检测单元用于在所述采样 电流小于预设的第三放电电流时，判定所述设备处于待机状态，并启动所述 低功耗控制模组；所述机检测单元还用于在所述采样电流大于所述第三放电 电流时，关闭所述低功耗控制模组；

所述低功耗控制模组包括：

时钟和计数器，均连接所述放电控制模组，所述时钟和所述计数器均用 于控制所述放电控制模组以一预设占空比进行工作；

基准电压，连接所述时钟、所述计数器、所述供电电池，用于向所述时 钟和所述计数器输出基准电压。

优选的，所述供电电池为锂电池。

优选的，每个所述放电通路各设置有一开关管，每个所述开关管的控制 端连接所述开关控制器。

优选的，所述充电电源为一无线充电接收器。

上述技术方案具有如下优点或有益效果：

上述方案将电源管理单元和电池保护芯片进行组合，实现对电池进行充 放电的管理的同时能够对电池进行实时的保护，采用低功耗控制模组极大降 低了电源管理单元芯片的能耗，提高了电池使用效率。

附图说明

参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅 用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。

图1为本发明一种集成电池保护的电源管理单元芯片实施例的示意图；

图2为本发明实施例中放电控制模组的示意图；

图3为本发明实施例中低功耗控制模组的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而 不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作 出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特 征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的 限定。

本发明一种较佳的实施例中，根据图1所示，一种集成电池保护的电源 管理单元芯片1，包括设置在电源管理单元芯片1上的充电控制模组、放电 控制模组3、低功耗控制模组4；

充电控制模组分别连接供电电池5和一外部的充电电源6，充电控制模 组用于在充电过程中防止供电电池5发生过冲和短路；

供电电池5连接多个放电通路7，放电通路7于一开关控制器12的控制 下可控制地通断；

放电控制模组3连接开关控制器12、供电电池5，放电控制模组3用于 根据采样电流和输出电压，控制放电通路7的通断，并判断设备是否处于待 机状态；

低功耗控制模组4，连接放电控制模组3，用于在设备处于待机状态时， 控制放电控制模组3间歇工作。

具体地，本实施例中，采用充电控制模组控制供电电池5在充电过程中 的充电电流和充电电压，充电控制模组在充电状态下启动，不消耗供电电池 5的电能。采用开关控制器12对多个放电通路7进行管理，进一步采用放电 控制模组3根据供电电池5放电状态控制开关控制器12，从而实现对放电通 路7的通断管理，进而影响供电电池5的电能输出状态。同时，采用低功耗 控制模组4在采用电源管理单元芯片1的设备处于待机状态时，控制放电控 制模组3间歇工作，从而降低电能消耗。采用上述方案仅需要通过电源管理 单元芯片1就可实现电池保护，无需单独设置电池保护芯片。

本发明一种较佳的实施例中，根据图1所示，充电控制模组包括：

恒压恒流控制环路21，连接供电电池5和充电电源6，用于向供电电池 5输入经过恒压恒流处理的电能；

过充电压比较器22，连接供电电池5和恒压恒流控制环路21，用于将充 电电压与预设的电压范围进行比对，并在充电电压超出预设电压范围时，断 开充电电源6与供电电池5的连接；

过充电流比较器23，连接供电电池5和恒压恒流控制环路21，用于将充 电电流与预设的电流范围进行比对，并在充电电流超出预设电流范围时，断 开充电电源6与供电电池5的连接。

具体地，本实施例中，采用恒压恒流控制环路21对从充电电源6输出的 电压和电流进行预处理，使得向供电电池5输入的电流为恒压及恒流的稳定 状态，保证了供电电池5的充电稳定性。

采用过充电压比较器22和过充电流比较器23，对输入的充电电压进行 比较，判断是否存在在充电异常的情况，并在电池短路、充电电压过高、充 电电流过大时关闭充电通路，避免在充电过程中出现过大的电流和电压，确 保供电电池5不发生不可逆损坏。

本发明一种较佳的实施例中，恒压恒流控制环路21还连接一限流电阻 10的第一端，限流电阻10的第二端接地，限流电阻10用于限制从充电电源 6经过恒压恒流控制环路21输入到充电控制模组的电流。

具体地，本实施例中，采用在恒压恒流控制环路21上设置一限流电阻 10设置输入的充电电流。在输入的充电电路过大时，通过限流电阻10将电 流分流，避免过大的电流直接通入供电电池5和恒压恒流控制环路21。

本发明一种较佳的实施例中，充电控制模组工作电压设置为充电电压域。

具体地，充电控制模组仅在充电时候工作，并且工作于充电电压域，并 不会增加系统正常工作的功耗。

本发明一种较佳的实施例中，根据图1和图2所示，每个放电通路7各 设置一采样电阻9，采样电阻9用于检测每个放电通路7的输出电流，每个 采样电阻9均连接一设置在电源管理单元芯片1外的电流监测电阻11，电流 监测电阻11用于获取采样电流；

放电控制模组3内设置有一放电电流比较器32，放电电流比较器32连 接电流监测电阻11和开关控制器12，放电电流比较器32用于将采样电流与 预设的第一放电电流进行比较，并在采样电流大于预设的第一放电电流时， 控制开关控制器12关断部分放电通路7。

具体地，本实施例中，采用采样电阻9分别获取每个放电通路7输出的 电流，并将检测到的电流叠加到电流监测电阻11上，采用放电电流比较器 32监控电流监测电阻11的采样电流以实现对放电总电流的监控。在采用放 电电流比较器32监控到放电电流超过第一放电电流时，此时电流输出过大可 能导致供电电池5的损坏和供电设备的不安全，通过开关控制器12关断部分 不重要的放电通路7或者降低放电通路7的电流，从而限制供电电池5的放 电电流，保护供电电池5的安全。

本发明一种较佳的实施例中，根据图2所示，放电控制模组3内还设置 有一放电电压比较器31，放电电压比较器31连接供电电池5和放电电流比 较器32，用于将获取的输出电压与第一放电电压进行比较，并在输出电压小 于第一放电电压时，将第二放电电流替换放电电流比较器32的第一放电电 流；

放电电压比较器31连接开关控制器12，用于在输出电压小于第二放电 电压时，控制开关控制器12关断所有放电通路7，关闭所有工作于供电电池 5的电压域的电源管理单元芯片1的组件，直至输出电压恢复至第二放电电 压；

第二放电电压小于第一放电电压，第二放电电流小于第一放电电流。

具体的，本实施例中，采用放电电压比较器31直接监测供电电池5的电 压，在供电电池5电压低于第一放电电压，此时供电电池5电量不足，无法 输出稳定地电流。通过将第二放电电流替换第一放电电流，使得放电电流比 较器32在监控到放电电流超过第二放电电流时，开始对通过开关控制器12 关断部分不重要的放电通路7或者自动降低放电通路7的电流，从而限制供 电电池5的放电电流，供电电池5在输出较小的电流是可保持电流的稳定， 避免供电电池5过放，实现对供电电池5的放电保护。

采用放电电压比较器31监测到供电电池5电压低于第二放电电压，此时， 供电电池5处于欠压状态，采用将所有放电通路7强制关闭，同时，关闭所 有工作于锂电电压域的保护电路，防止欠压的供电电池5放电，保护供电电 池5。在供电电池5充电到电压大于第二放电电压是，恢复放电通路7和保 护电路的工作。

本发明一种较佳的实施例中，根据图3所示，放电控制模组3还包括一 待机检测单元，待机检测单元连接电流监测电阻11和低功耗控制模组4，机 检测单元用于在采样电流小于预设的第三放电电流时，判定设备处于待机状 态，并启动低功耗控制模组4；机检测单元还用于在采样电流大于第三放电 电流时，关闭低功耗控制模组4；

低功耗控制模组4包括：

时钟41和计数器42，均连接放电控制模组3，时钟41和计数器42均用 于控制放电控制模组3以一预设占空比进行工作；

基准电压43，连接时钟41、计数器42、供电电池5，用于向时钟41和 计数器42输出基准电压43。

具体地，本实施例中，低功耗控制模组4通过与放电控制模组3判断应 用设备是否处于待机状态。在待机状态下功耗降低至微安级，供电电池5电 压不会突变，不需要实时监测锂电池电压和电流。此时，采用低功耗控制模 组4控制放电控制模组3根据预设的占空比间歇工作，占空比可设置为每 100ms工作1ms。

采用时钟41和计时器42设定占空比，采用基准电压43进行供电。基准 电压43可复用开关电源或电压调节器的基准电压源，在上述过程中，仅有时 钟41和计时器42在持续工作，用以实现放电控制模组3的间歇工作，降低 能耗。同时低功耗控制模组4还可以同时控制现有电源管理单元芯片1中的 过流比较器，过温比较器，欠压比较器，锂电分压电阻等器件都以一个很低 的占空比工作，进一步降低电源管理单元芯片1的功耗，电源管理单元芯片 1的工作电流可以由数个微安降低至数十纳安。

在低功耗控制模组4监测到供电电池5处于正常的工作电压和电流时， 停止电源管理单元芯片1的间歇工作状态，使得电源管理单元芯片1恢复正 常工作。

本发明一种较佳的实施例中，供电电池5为锂电池。

本发明一种较佳的实施例中，每个放电通路7各设置有一开关管8，每 个开关管8的控制端连接开关控制器12。

具体地，上述本实施例中，每路放电通路7上设置有开关管8都有限流 和控制放电通路通断的效果，开关管采用开关电源或电压调节器。

本发明一种较佳的实施例中，充电电源为一无线充电接收器。

具体地，上述本实施例中的无线充电接收器为现有技术。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及 保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书 及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含 在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种集成电池保护的电源管理单元芯片，其特征在于，包括设置在所述电源管理单元芯片上的充电控制模组、放电控制模组、低功耗控制模组；

所述充电控制模组分别连接供电电池和一外部的充电电源，所述充电控制模组用于在充电过程中防止所述供电电池发生过冲和短路；

所述供电电池连接多个放电通路，所述放电通路于一开关控制器的控制下可控制地通断；

所述放电控制模组连接所述开关控制器、所述供电电池，所述放电控制模组用于根据采样电流和输出电压，控制所述放电通路的通断，并判断设备是否处于待机状态；

低功耗控制模组，连接所述放电控制模组，用于在所述设备处于待机状态时，控制所述放电控制模组间歇工作。

2.根据权利要求1所述的集成电池保护的电源管理单元芯片，其特征在于，所述充电控制模组包括：

恒压恒流控制环路，连接所述供电电池和所述充电电源，用于向所述供电电池输入经过恒压恒流处理的电能；

过充电压比较器，连接所述供电电池和所述恒压恒流控制环路，用于将充电电压与预设的电压范围进行比对，并在所述充电电压超出预设电压范围时，断开所述充电电源与所述供电电池的连接；

过充电流比较器，连接所述供电电池和所述恒压恒流控制环路，用于将充电电流与预设的电流范围进行比对，并在充电电流超出预设电流范围时，断开所述充电电源与所述供电电池的连接。

3.根据权利要求2所述的集成电池保护的电源管理单元芯片，其特征在于，所述恒压恒流控制环路还连接一限流电阻的第一端，所述限流电阻的第二端接地，所述限流电阻用于限制从所述充电电源经过所述恒压恒流控制环路输入到所述充电控制模组的电流。

4.根据权利要求1所述的集成电池保护的电源管理单元芯片，其特征在于，所述充电控制模组工作电压设置为充电电压域。

5.根据权利要求1所述的集成电池保护的电源管理单元芯片，其特征在于，所述每个所述放电通路各设置一采样电阻，所述采样电阻用于检测每个所述放电通路的输出电流，每个所述采样电阻均连接一设置在所述电源管理单元芯片外的电流监测电阻，所述电流监测电阻用于获取所述采样电流；

所述放电控制模组内设置有一放电电流比较器，所述放电电流比较器连接所述电流监测电阻和所述开关控制器，所述放电电流比较器用于将所述采样电流与预设的第一放电电流进行比较，并在所述采样电流大于预设的第一放电电流时，控制所述开关控制器关断部分所述放电通路。

6.根据权利要求1所述的集成电池保护的电源管理单元芯片，其特征在于，所述放电控制模组内还设置有一放电电压比较器，所述放电电压比较器连接所述供电电池和所述放电电流比较器，用于将获取的所述输出电压与所述第一放电电压进行比较，并在所述输出电压小于所述第一放电电压时，将第二放电电流替换所述放电电流比较器的第一放电电流；

所述放电电压比较器连接所述开关控制器，用于在所述输出电压小于所述第二放电电压时，控制所述开关控制器关断所有所述放电通路，关闭所有工作于所述供电电池的电压域的所述电源管理单元芯片的组件，直至所述输出电压恢复至所述第二放电电压；

所述第二放电电压小于所述第一放电电压，所述第二放电电流小于所述第一放电电流。

7.根据权利要求1所述的集成电池保护的电源管理单元芯片，其特征在于，放电控制模组还包括一待机检测单元，所述机检测单元连接所述电流监测电阻和所述低功耗控制模组，所述机检测单元用于在所述采样电流小于预设的第三放电电流时，判定所述设备处于待机状态，并启动所述低功耗控制模组；所述机检测单元还用于在所述采样电流大于所述第三放电电流时，关闭所述低功耗控制模组；

所述低功耗控制模组包括：

时钟和计数器，均连接所述放电控制模组，所述时钟和所述计数器均用于控制所述放电控制模组以一预设占空比进行工作；

基准电压，连接所述时钟、所述计数器、所述供电电池，用于向所述时钟和所述计数器输出基准电压。

8.根据权利要求1所述的集成电池保护的电源管理单元芯片，其特征在于，所述供电电池为锂电池。

9.根据权利要求1所述的集成电池保护的电源管理单元芯片，其特征在于，每个所述放电通路各设置有一开关管，每个所述开关管的控制端连接所述开关控制器。

10.根据权利要求1所述的集成电池保护的电源管理单元芯片，其特征在于，所述充电电源为一无线充电接收器。