CN108092254B - 一种电池限流保护电路及电池限流保护方法 - Google Patents

一种电池限流保护电路及电池限流保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种电池限流保护电路及电池限流保护方法，该电池限流保护电路包括：与电池串联的限流电阻；参考电压发生器，用于生成参考电压信号；差分放大器，其连接所述限流电阻和所述参考电压发生器，将所述限流电阻上的电压降与所述参考电压信号作为输入进行差分放大；MOSFET，其连接所述限流电阻的输出端和所述差分放大器的输出端，其基于所述差分放大器的输出控制流经限流电阻的电池输出电流。本发明提供的由全分立元件构成的电池限流保护电路，可以在较低的采样限流电阻值时，同样达到以前使用集成电路放大器才能达到的电流采样信号分辨精度及保护电路控制，同时增加保护电路的安全性，达到更高的防爆安全保护等级。

Description

一种电池限流保护电路及电池限流保护方法
技术领域
本发明涉及电池保护技术领域，特别涉及一种电池限流保护电路及电池限流保护方法。
背景技术
现有的电池限流保护电路一般是由集成电路放大器和采样电路等构成的，或者是由较大的采样限流电阻构成的限流保护电路。但在防爆要求等级比较高，且电流输出比较大时，上述电路均无法满足防爆要求。其缺陷主要有：1、集成电路本身易出现击穿等故障，属于防爆标准中的非可靠器件；2、较大的采样限流电阻在输出电流比较大的时候，电路效率较低，而且会在采样限流电阻上产生较大的热量，对电阻的额定功率要求较高；尤其是在短路等故障状态下，会大量的发热，造成元件温度过高，甚至超出防爆设备的温度等级要求，带来较严重的安全隐患。
因此，需要一种防爆等级高、发热小、电源效率高的电池限流保护电路。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电池限流保护电路，在同样甚至更低的电路损耗下提高防爆等级。
根据本发明的一方面，提供一种电池限流保护电路，所述电池限流保护电路包括：
与电池串联的限流电阻；
参考电压发生器，用于生成参考电压信号；
差分放大器，其连接所述限流电阻和所述参考电压发生器，将所述限流电阻上的电压降与所述参考电压信号作为输入进行差分放大；
金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET控制电路，其连接所述限流电阻的输出端和所述差分放大器的输出端，其基于所述差分放大器的输出通过控制MOSFET来控制流经限流电阻的电池输出电流。
优选地，所述MOSFET控制电路包括：所述MOSFET及其驱动电路；所述MOSFET连接所述限流电阻的输出端，所述驱动电路连接所述差分放大器的输出端，其用于基于所述差分放大器的输出驱动所述MOSFET。
优选地，所述差分放大器为一对三极管和一对MOSFET构成的差动电路，所述参考电压发生器与所述一对MOSFET中一个MOSFET的栅极连接，所述限流电阻与所述一对MOSFET中的另外一个MOSFET的栅极连接。
优选地，所述电池限流保护电路还包括：关断控制电路，其用于当所述电池输出电流高于预定值，使得所述MOSFET上的消耗功率和/或电压不断增大而超过预定值时，关断所述MOSFET。
优选地，所述关断控制电路感测所述MOSFET的源极和漏极之间的电压，在该电压高于预定值时，关断所述MOSFET。
优选地，所述限流电阻的阻值为10mΩ-100mΩ。
优选地，所述MOSFET基于所述差分放大器的输出，通过增大其导通电阻来减少输出电流。
优选地，所述电池限流保护电路的元件为全分立元件。
根据本发明的另一方面，提供一种电池保护限流方法，该方法包括以下步骤：利用差分放大器将于电池串联的限流电阻上的电压降与参考电压信号相比较，当限流电阻上的电压降超过参考电压信号时，差分放大器驱动连接在限流电阻的输出端的MOSFET减小输出电流。
优选地，所述方法还包括：当所述电池输出电流高于预定值，使得所述MOSFET上的实际消耗功率和/或电压不断增大而超过预定值时，关断所述MOSFET。
优选地，所述关断控制电路在所述MOSFET的源极和漏极之间的电压高于预定值时，关断所述MOSFET。
优选地，所述限流电阻的阻值为10mΩ-100mΩ。
优选地，当限流电阻上的电压降超过参考电压信号时，限流电阻的输出端的MOSFET接收差分放大器的输出信号，通过增大其导通电阻来减少输出电流。
本发明提供的电池限流保护电路及电池保护限流方法均采用分立元件，相较于传统的采用集成电路与采样限流电阻组合的限流保护电路，本发明提供的限流保护电路能够避免集成电路本身的缺陷，达到更高的防爆等级。
在本发明优选实施例中，可以在采用较小的限流电阻的情况下，同样达到以前使用集成电路放大器才能达到的电流采样信号分辨精度及保护电路控制，同时减小在限流电阻上的电功率消耗，在短路等故障状态下，也降低产生的热量，从而增加保护电路的安全性，达到更高的防爆安全保护等级。
本领域技术人员应理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。
此外，应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1为本发明实施例1中电池限流保护电路的元件连接关系示意图。
图2示出本发明实施例1中用于输出控制的MOSFET及其驱动电路示例。
图3为本发明实施例2中电池限流保护电路的元件连接关系示意图。
图4示出本发明实施例2中MOSFET的驱动电路和关断控制电路的示例。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
实施例1
本发明实施例中提供了一种使用全分立元件构成的电池限流保护电路，来避免集成电路本身带来的缺陷。图1为本发明一实施例中电池限流保护电路的元件连接关系示意图。如图1所示，该电池限流保护电路包括：限流电阻Rsense、差分放大器12、参考电压发生器13、用于进行输出电流控制的MOSFET 15及其驱动电路(图1中未示出)。
采样限流电阻Rsense与电路输入端的电池串联连接。
参考电压发生器13用于生成参考电压(或称基准电压)Vref。在图1所示的电路示意图中，参考电压发生器13连接在电路输入端。
差分放大器12连接限流电阻Rsense和参考电压发生器13，使得限流电阻Rsense上的电压降与参考电压发生器13产生的参考电压信号分别作为输入来输入到差分放大器12的两个输入端进行差分放大。通过对输入的限流电阻Rsense上的压降和参考电压的比较，当Rsense上的压降超过参考电压时，差分放大器12的输出可控制MOSFET 15减小输出电流，来防止电流超过允许值。
作为一示例，如图1所示，差分放大器12可包括一对三极管和一对MOSFET构成的差动电路，两个MOSFET作为差分放大器的有源负载，其中一个MOSFET的栅极与参考电压发生器13的输出连接，另一个MOSFET的栅极通过输入电阻R360连接在限流电阻Rsense和MOSFET15之间；差分放大器12将参考电压发生器13生成的参考电压Vref和限流电阻Rsense上的电压降之差放大，输出的差分放大信号用于控制MOSFET15。
在图1中所示的差分放大器12中，差分放大器的末端为沉电流器件14。
例如，可将参考电压发生器13产生的参考电压作为差分放大器12的负输入，将限流电阻Rsense上的电压降作为差分放大器12的正输入。当流经限流电阻Rsense的电池输出电流低于设定的拐点值时，参考电压Vref和限流电阻Rsense上的电压降之差为负，即正输入电压低于负输入电压，差分放大器12输出的差分放大信号驱动MOSFET 15处于完全导通状态。当流经限流电阻Rsense的电池输出电流高于设定的拐点值时，参考电压Vref和限流电阻Rsense上的电压降之差为正，即正输入电压高于负输入电压(Rsense上的压降超过参考电压)，此时，差分放大器输出的信号驱动MOSFET开始关断，从而其导通电阻RDS-ON开始增加，来减小流经Rsense的输出电流，从而使得Rsense上的压降与参考电压之差为0，从而输出电流不会超过Iout：
Iout＝Vref/R
式中，Vref为参考电压发生器13生成的参考电压，R为限流电阻的阻值。Rsense上的压降与参考电压之差为0时，MOSFET 15也处于完全导通状态。
图2示出了MOSFET 15及其驱动电路的一个连接示例。图2中MOSFET驱动电路可包括三极管Q61、电阻R364以及接地电阻R352，其中电阻R364一端连接在限流电阻Rsense和MOSFET 15之间，另一端连接三极管Q61，电阻R352连接在三极管Q61和地之间。差分放大器的信号输入到三极管Q61的基极，并通过三极管Q61的集电极的输出来驱动MOSFET 15。图2中所示的MOSFET驱动电路仅为一个示例，但本发明并不限于此，还有其他的电路形式同样可以实现对MOSFET 15的驱动。当然，所采用的驱动电路应和MOSFET相匹配，从而达到正确的限流效果。
在现有的利用采样限流电阻来限流的电池限流保护电路中，采样限流电阻的阻值一般比较大，如为几百毫欧甚至几欧，导致采样限流电阻上消耗的功率过大，不仅降低了电源的效率，还增大了发热。而本发明实施例中，采用的采样限流电阻的阻值可以很低(如10mΩ-100mΩ)，优选数十毫欧，这大大降低了在它上面损耗的压降和功率；特别是在电流较大的情况下。
在本发明的另一实施例中，可以将参考电压发生器13作为差分放大器12的正极输入，将限流电阻Rsense上的电压降作为差分放大器12的负极输入。此时只需将耗尽型PMOSFET换成耗尽型NMOSFET即可实现如上限流保护功能。
本实施例提供的电池限流保护电路中的元件均采用分立元件，相较于传统的采用集成电路与采样限流电阻组合的限流保护电路，本发明提供的限流保护电路能够避免集成电路本身的缺陷，达到更高的防爆等级，并且可以在采用较小的限流电阻的情况下，同样达到以前使用集成电路放大器才能达到的电流采样信号分辨精度及保护电路控制，同时减小在限流电阻上的电功率消耗，在短路等故障状态下，也降低产生的热量，从而增加保护电路的安全性，达到更高的防爆安全保护等级。
实施例2
图3所示为本实施例2中电池限流保护电路的元件连接关系示意图。图3所示的本实施例中，除了具有图1中所示的全部元件外，还具有用于控制电池供电电路的关断控制电路16。关断控制电路16用于在电池输出电流高于预定值时关断电池供电电路，例如当电池输出电流高于预定值，使得MOSFET 15上的实际消耗功率和/或电压不断增大而超过预定值时，关断MOSFET 15。
图4中示出了本发明实施例2中MOSFET的驱动电路和关断控制电路的示例，如图4所示，关断控制电路16包括三极管Q62和电阻R362，并与MOSFET的驱动电路共用电阻R352。MOSFET 15的漏极通过电阻R362连接三极管Q62的基极，MOSFET 15的源极连接三极管Q62的发射极，三极管Q62的集电极通过电阻R352接地。图4中示出的MOSFET 15驱动电路与图2中相同，在此不作赘述。在一示例中，关断控制电路16感测MOSFET 15的源、漏极之间的电压降，当源、漏极之间的电压降超过根据需要设定的值时将MOSFET截止，从而能在电流超出的时候控制最大可能的功率，同时控制MOSFET的发热带来的温度升高的最大值，不能超过防爆要求。
图4中所示的MOSFET关断控制电路仅为一个示例，但本发明并不限于此，还有其他的电路形式同样可以实现对MOSFET 15的关断控制。
本实施例相对于实施例1，能达到更高的防爆安全保护等级。
相应地，本发明还提供一种电池限流保护方法，该方法利用差分放大器将于电池串联的限流电阻上的电压降与参考电压信号相比较，当限流电阻上的电压降超过参考电压信号时，差分放大器驱动连接在限流电阻的输出端的MOSFET减小输出电流。
本发明如上实施例中的电池限流保护电路优选地与电池的电芯封装在一起，组装称为带限流保护的电池，但本发明并不限于此。
本发明实施例中的电池限流保护电路和电池限流防护方法不仅适用于防爆电池，同时适用于非防爆电池。
本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (6)

1.一种电池限流保护电路，其特征在于，所述电池限流保护电路包括：
与电池串联的限流电阻；所述限流电阻的阻值为10mΩ-100mΩ；
参考电压发生器，用于生成参考电压信号；
差分放大器，其连接所述限流电阻和所述参考电压发生器，将所述限流电阻上的电压降与所述参考电压信号作为输入进行差分放大；所述差分放大器为一对三极管和一对MOSFET构成的差动电路，所述参考电压发生器与所述一对MOSFET中一个MOSFET的栅极连接，所述限流电阻与所述一对MOSFET中的另外一个MOSFET的栅极连接；
金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET控制电路，其连接所述限流电阻的输出端和所述差分放大器的输出端，其基于所述差分放大器的输出，通过控制MOSFET的导通电阻来控制流经限流电阻的电池输出电流；所述MOSFET及其驱动电路；所述MOSFET连接所述限流电阻的输出端，所述驱动电路连接所述差分放大器的输出端，其用于基于所述差分放大器的输出驱动所述MOSFET；所述驱动电路包括第一三极管、第一电阻以及接地电阻，其中，所述第一电阻的一端连接在所述限流电阻和所述MOSFET之间，另一端连接所述第一三极管；所述接地电阻连接在所述第一三极管和地之间；所述差分放大器的信号输入到所述第一三极管的基极，并通过所述第一三极管的集电极的输出来驱动MOSFET；
关断控制电路，其连接于所述MOSFET的源极和漏极之间，用于当所述电池输出电流高于预定值，使得所述MOSFET上的消耗功率和/或电压不断增大而超过预定值时，关断所述MOSFET；所述关断控制电路包括第二三极管和第二电阻，并与所述驱动电路共用所述接地电阻，所述MOSFET的漏极通过所述第二电阻连接所述第二三极管的基极，所述MOSFET的源极连接所述第二三极管的发射极，所述第二三极管的集电极通过所述接地电阻接地。
2.根据权利要求1所述的电池限流保护电路，其特征在于，所述关断控制电路感测所述MOSFET的源极和漏极之间的电压，在该电压高于预定值时，关断所述MOSFET。
3.根据权利要求1所述的电池限流保护电路，其特征在于，所述电池限流保护电路的元件为全分立元件。
4.一种电池限流保护方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
利用差分放大器将于电池串联的限流电阻上的电压降与参考电压信号相比较，当限流电阻上的电压降超过参考电压信号时，差分放大器通过连接于金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET的源极和栅极之间的MOSFET驱动电路驱动连接在限流电阻的输出端的所述金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET增大导通电阻，以减小所述金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET的输出电流；当电池输出电流高于预定值时，通过连接于所述金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET的源极和漏极之间的关断控制电路实现所述金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET的关断控制，使得所述MOSFET上的实际消耗功率和/或电压不断增大而超过预定值时，关断所述MOSFET；
所述差分放大器为一对三极管和一对MOSFET构成的差动电路，所述限流电阻上的电压降和所述参考电压信号分别接入所述差分放大器中不同的所述MOSFET，以将所述MOSFET作为所述差分放大器的有源负载；
所述限流电阻的阻值为10mΩ-100mΩ；
所述MOSFET驱动电路包括第一三极管、第一电阻以及接地电阻，其中，所述第一电阻的一端连接在所述限流电阻和所述MOSFET之间，另一端连接所述第一三极管；所述接地电阻连接在所述第一三极管和地之间；所述差分放大器的信号输入到所述第一三极管的基极，并通过所述第一三极管的集电极的输出来驱动MOSFET；
所述关断控制电路包括第二三极管和第二电阻，并与所述驱动电路共用所述接地电阻，所述MOSFET的漏极通过所述第二电阻连接所述第二三极管的基极，所述MOSFET的源极连接所述第二三极管的发射极，所述第二三极管的集电极通过所述接地电阻接地。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述关断控制电路在所述MOSFET的源极和漏极之间的电压高于预定值时，关断所述MOSFET。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，当限流电阻上的电压降超过参考电压信号时，限流电阻的输出端的MOSFET接收差分放大器的输出信号，通过增大其导通电阻来减少输出电流。
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