CN109347067A - 一种锂电池保护延时时间电路 - Google Patents

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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02HEMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/18Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for batteries; for accumulators

Abstract

本发明属于电源充放电领域,公开了一种锂电池保护延时时间电路,包括负载检测信号生成模块、充电器检测信号生成模块、测试模块和延时时间模块;通过负载检测信号生成模块当充电时根据测试信号生成负载检测信号;充电器检测信号生成模块当放电时根据测试信号生成充电器检测信号;测试模块根据负载检测信号、充电器检测信号、过充检测信号和过放检测信号输出模式控制信号;进而延时时间模块当模式控制信号为工作电平时,生成延时过充控制信号和延时过放控制信号,当模式控制信号为测试电平时,生成非延时过充控制信号和非延时过放控制信号;由于进入测试模式无需额外的芯片引脚输入控制信号,故减小了芯片面积,降低了封装、测试和制造的成本。

Description

一种锂电池保护延时时间电路
技术领域
本发明属于电池充放电领域,尤其涉及一种锂电池保护延时时间电路。
背景技术
如图1所示,锂离子电池包包括电池(即电芯)和锂电池保护板,而锂电池保护板在应用上主要由保护芯片13、第一功率场效应管M1、第二功率场效应管M2、第一采样电阻R1、第二采样电阻R2和电容C1构成。其中保护芯片实时监视电池电压以及充放电过程中的电流,功率场效应管进行过充电、过放电和过电流控制。
Pack+为锂电池包正极,充电时通常与外部充电器正极输出端相连;Pack-为锂电池包负极,充电时通常与外部充电器负极相连。此保护芯片13持续侦测连接在电源正极端VDD和电源负极端VSS之间的电池电压,以及电流检测端CSI与电源负极端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,且电流检测端CSI的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,保护芯片13的充电控制端CO和放电控制端DO都输出高电平,使充电控制用第二功率场效应管M2和放电控制用第一功率场效应管M1同时导通,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。
正常工作状态下的锂电池包,在充电过程中,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,保护芯片13会关闭充电控制用的第二功率场效应管M2,停止充电,这个状态称为“过充电状态”。而在放电过程中,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,保护芯片13会关闭放电控制用的第一功率场效应管M1,停止放电,这个状态称为“过放电状态”。
在实际工作中,锂电池保护板从正常工作状态下,无论是进入“过充电状态”,还是进入“过放电状态”,都要经过一定的延迟时间(甚至可达1S以上)才能真正进入相应的保护状态。芯片出货前的测试如果使用正常方式,那测试效率非常低,测试成本很高。为了缩短芯片的测试时间,提高测试效率以降低整体成本,芯片开发时会设计一个测试模式,比如使用一个专门的控制信号,受触发后进入测试模式,使得测试时时间大大缩短,而正常工作时延迟时间又不变。这样保护芯片会有两种状态的存在:一种是测试模式,另一种是正常模式。要想让这两种模式能够自由相互切换,最简单的方式就是单独设定一根信号来控制这两种状态,让这个信号在高电平时芯片进入测试模式,而在低电平时处于正常工作模式。这种模式的切换涉及到两个模块,一是延迟时间电路06,能够根据测试模块产生的信号确定过充和过放的检测延迟时间之长短;二是测试模块07,测试模块的功能是产生切换控制信号,以确定是否进入测试模式。
传统的过充电和过放电的延迟时间电路如图2所示,左侧是过充电检测延迟时间电路,右侧是过放电检测延迟时间电路:正电源输入端连接正电源VDD,负电源输入端连接负电源VSS,输入端口信号OC、OD分别为过充检测信号和过放检测信号,OCD、ODD分别为经过延迟检测时间后的过充电检测信号和过放电检测信号的输出端口,输入端口VBP连接测试模块的输出信号。保护芯片工作时,在没有发生过充情况下,过充检测信号OC为高电平,第五NMOS管NM5导通,即Net03为低电平VSS,使得OCD为高电平,也就是说,正常状态下OCD默认为高电平。OCD信号通过芯片内部逻辑使得芯片的过充控制端CO为高电平,第二功率场效应管管M2导通,锂电池包正常充电。当检测到电池电压VDD超过过充电检测电压阈值时,信号OC变为低电平,第五NMOS管NM5关闭,第四PMOS管PM4、第六PMOS管PM6导通,由于正常模式(非测试模式)情况下VBP=VDD,这样使第五PMOS管PM5是关断的。这种情况下,由于第四PMOS管PM4的导通,电流源I1会对第一电容CAP1充电,使得Net03的电位逐渐升高,经过一段时间后Net03的电位升高到一定程度VT(VT为第一反相器INV1的翻转电压),第一反相器INV1翻转,OCD由高电平VDD转变成低电平VSS,此时OCD通过芯片内部逻辑使得保护芯片充电控制端CO由高电平变为低电平,从而关断第二功率场效应管管M2,禁止充电。
过放电检测延迟时间电路的工作原理类似于过充电检测延迟时间电路。
以上描述是芯片处于正常模式情况下:VBP等于VDD,为高电平,第五PMOS管PM5不导通,I2为0,过充电保护的延迟时间只能通过I1对第一电容CAP1充电来实现。测试模式时,VBP为VP(VP信号由测试模块产生)为镜像电流源参考电压,发生过充电时,对第一CAP1的充电由I1和I2两条支路同时充电,而I2镜像电流设定为远大于I1,这样便可显著的缩短发生过充电所需的延时时间,即缩短了芯片的测试时间。
传统的测试模块电路如图3所示,VDD为正电源输入端;VSS为负电源输入端;DS为芯片输入端子,是专门用于缩短测试时间而增加的芯片外管脚;VP为镜像电流源参考电压输入端,测试模式时用于设定图2中I2支路镜像电流的大小;VBP即为测试模块的输出端。当VBP为VDD时,测试电流支路I2关断;当VBP为VP时,测试镜像电流支路I2开启。第一电阻R1、第一NMOS管NM1为ESD的保护电路,第二电阻R2为Net01处的下拉电阻。正常工作情况下芯片外管脚DS悬空,即不接任何电位,由于DS是通过内部的第二电阻R2下拉到地,所以在正常工作情况下,Net01默认为低电平即为VSS;第一PMOS管PM1、第二NMOS管NM2构成反相器,当输入端Net01为低电平时,输出端Net02为高电平即为VDD,这样第二PMOS管PM2的栅极、第四NMOS管NM4的栅极接低电平,第三NMOS管NM3的栅极、第三PMOS管PM3的栅极接高电平,使得由第二PMOS管PM2和第三NMOS管NM3构成的传输门导通,由第三PMOS管PM3和第四NMOS管NM4构成的传输门关断,如此VBP为VDD,也就是说在保护芯片在正常工作情况时VBP为VDD。
测试模式时,芯片外管脚DS外接高电平即VDD,由于第二采样电阻R2远远大于第一采样电阻R1,Net01的电位几乎接近VDD,即Net01的电位为高电平VDD,第二NMOS管NM2导通,使得Net02的电位变低VSS,这样第二PMOS管PM2的栅极、第四NMOS管NM4的栅极接高电平,第三NMOS管NM3的栅极、第三PMOS管PM3的栅极接低电平,使得由第二PMOS管PM2和第三NMOS管NM3构成的传输门关闭,由第三PMOS管PM3和第四NMOS管NM4构成的传输门导通,即VBP为VP,也就是说在芯片在测试模式时VBP为VP。
图3传统的测试模块电路,为了实现测试模式情况下缩短过充电和过放电检测的延迟时间,额外为芯片增加了一个引出管脚DS作为输入端子。额外增加的DS端子在芯片版图布局上占用一个压焊点的面积,同时DS端子也需要相应的ESD保护器件以防止静电失效,这无疑都会增加芯片的版图面积,也直接增加了芯片的制造成本。同时从后续封装打线的可行性上考虑,版图压焊点的排布受到较大限制。在芯片中测时也需要相应增加一根测试探针及重新布局测试探针系统板,提高了中测硬件成本。然后,在后续芯片封装环节,也需要增加一根DS打线,这样封装成本也相应增加了,同时不利于封装管脚数最小化,封装形式及引脚排布也受到较大限制,使得成品应用方案受限制且成本增加。
故传统的锂电池保护延时时间电路存在需要额外增加一个引出管脚,芯片面积较大,制造成本、测试成本和封装成本均高的缺陷。
发明内容
本发明提供了一种锂电池保护延时时间电路,旨在解决传统技术锂电池保护延时时间电路中存在需要额外增加一个引出管脚,芯片面积较大,制造成本、测试成本和封装成本均高的问题。
本发明是这样实现的,一种锂电池保护延时时间电路,锂电池保护延时时间电路包括:
用于当充电时根据测试信号生成负载检测信号的负载检测信号生成模块;
用于当放电时根据所述测试信号生成充电器检测信号的充电器检测信号生成模块;
与所述负载检测信号生成模块和所述充电器检测信号生成模块连接,用于根据所述负载检测信号、所述充电器检测信号、过充检测信号以及过放检测信号切换电平输出通道,以输出模式控制信号的测试模块;所述模式控制信号包括工作电平和测试电平,所述测试电平和所述工作电平互为反相;
与所述测试模块连接,用于当所述模式控制信号为所述工作电平时,分别根据所述过充检测信号和所述过放检测信号生成延时过充控制信号和延时过放控制信号,当所述模式控制信号为所述测试电平时,分别根据所述过充检测信号和所述过放检测信号生成非延时过充控制信号和非延时过放控制信号的延时时间模块。
在其中一个实施例中,所述测试模块包括:
与所述负载检测信号生成模块和所述充电器检测信号生成模块连接,用于根据所述负载检测信号、所述充电器检测信号、所述过充检测信号以及所述过放检测信号生成工作状态信号的工作状态信号生成模块;
与所述工作状态信号生成模块连接,用于切换电平输出通道,以输出模式控制信号的切换模块。
在其中一个实施例中,所述工作状态信号生成模块包括第一反相器、第二反相器、第一与非门、第二与非门以及第三与非门;
所述第一反相器的输入端为所述工作状态信号生成模块的过充检测信号输入端,所述第一反相器的输出端与所述第一与非门的第一输入端连接,所述第一与非门的第二输入端为所述工作状态信号生成模块的负载检测信号输入端,所述第二反相器的输入端为所述工作状态信号生成模块的过放检测信号输入端,所述第二反相器的输出端与所述第二与非门的第一输入端连接,所述第二与非门的第二输入端为所述工作状态信号生成模块的充电器检测信号输入端,所述第一与非门的输出端与所述第三与非门的第一输入端连接,所述第二与非门的输出端与所述第三与非门的第二输入端连接,所述第三与非门的输出端为所述工作状态信号生成模块的输出端。
在其中一个实施例中,所述工作状态信号生成模块包括第三反相器、第四反相器、第一或非门、第二或非门以及第四与非门;
所述第三反相器的输入端为所述工作状态信号生成模块的负载检测信号输入端,所述第一与或门的第一输入端为所述工作状态信号生成模块的过充检测信号输入端,所述第三反相器的输出端与所述第一与或门的第二输入端连接,所述第四反相器的输入端为所述工作状态信号生成模块的充电器检测信号输入端,所述第二与或门的第一输入端为所述工作状态信号生成模块的过放检测信号输入端,所述第四反相器的输出端与所述第二与或门的第二输入端连接,所述第一与或门的输出端与所述第四与非门的第一输入端连接,所述第二与或门的输出端与所述第四与非门的第二输入端连接,所述第四与非门的输出端为所述工作状态信号生成模块的输出端。
在其中一个实施例中,所述切换模块包括第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管、第五场效应管以及第六场效应管;
所述第一场效应管的栅极、所述第二场效应管的栅极、所述第三场效应管的栅极以及所述第四场效应管的栅极共同构成所述切换模块的工作状态信号输入端,所述第一场效应管的源极、所述第三场效应管的源极、所述第四场效应管的漏极共接于第一正电源,所述第一场效应管的漏极与所述第二场效应管的漏极、所述第四场效应管的栅极以及所述第五场效应管的栅极连接,所述第五场效应管的源极以及所述第六场效应管漏极共接于第二负电源,所述第三场效应管的漏极、所述第四场效应管源极、所述第五场效应管的漏极以及所述第六场效应管的源极共同构成所述切换模块的输出端。
在其中一个实施例中,所述延时时间模块包括:
与所述测试模块连接,用于根据所述模式控制信号、所述过充检测信号以及所述过放检测信号生成延时状态信号的延时状态信号生成模块;
与所述延时状态信号生成模块连接,用于对所述延时状态信号进行整形的整形模块;整形后的所述延时状态信号包括延时信号和非延时信号;
与所述整形模块连接,用于当整形后的延时状态信号为延时信号时,根据所述过充检测信号生成延时过充控制信号,当整形后的延时状态信号为非延时信号时,根据所述过充检测信号生成非延时过充控制信号的过充控制信号生成模块;
与所述整形模块连接,用于当整形后的延时状态信号为延时信号时,根据所述过放检测信号生成延时过放控制信号,当整形后的延时状态信号为非延时信号时,根据所述过放检测信号生成非延时过放控制信号的过放控制信号生成模块。
在其中一个实施例中,所述延时状态信号生成模块包括第一电流源、第二电流源、第五与非门、第五反相器、第一电容、第七场效应管、第八场效应管、第九场效应管、第十场效应管以及第十一场效应管;
所述第一电流源的第一端、所述第二电流源的第一端以及所述第十场效应管的源极共接于第三正电源,所述第一电流源的第二端与所述第七场效应管的源极连接,所述第二电流源的第二端与所述第八场效应管的源极连接,所述第七场效应管的栅极与所述第五与非门的第一输入端共同构成所述延时状态信号生成模块的过充检测信号输入端,所述第八场效应管的栅极与所述第五与非门的第二输入端共同构成所述延时状态信号生成模块的过放检测信号输入端,所述第五与非门的输出端与所述第五反相器的输入端连接,所述第五反相器的输出端与所述第九场效应管的栅极和所述第十一场效应管的栅极连接,所述第七场效应管的漏极、所述第八场效应管的漏极、所述第九场效应管的漏极、所述第十一场效应管的漏极以及所述第一电容的第一端共同构成所述延时状态信号生成模块的输出端,所述第九场效应管的源极和所述第一电容的第二端共接于第三负电源,所述第十场效应管的栅极为所述延时状态信号生成模块的模式控制信号输入端,所述第十场效应管的漏极与所述第十一场效应管的源极连接。
在其中一个实施例中,所述延时状态信号生成模块包括第三电流源、第四电流源、第六与非门、第六反相器、第二电容、第十二场效应管、第十三场效应管、第十四场效应管、第十五场效应管、第十六场效应管以及第十七场效应管;
所述第三电流源的第一端、所述第四电流源的第一端以及所述第十六场效应管的源极共接于第四正电源,所述第三电流源的第二端与所述第十二场效应管的源极连接,所述第四电流源的第二端与所述第十四场效应管的源极连接,所述第六与非门的第一输入端、所述第十二场效应管的栅极以及所述第十五场效应管的栅极共同构成所述延时状态信号生成模块的过充检测信号输入端,所述第六与非门的第二输入端、所述第十三场效应管的栅极以及所述第十四场效应管的栅极共同构成所述延时状态信号生成模块的过放检测信号输入端,所述第六与非门的输出端与所述第六反相器的输入端连接,所述第六反相器的输出端与所述第十七场效应管的栅极连接,所述第十二场效应管的漏极、所述第十三场效应管的漏极、所述第十四场效应管的漏极、所述第十五场效应管的漏极、所述第十七场效应管的漏极以及所述第二电容的第一端共同构成所述延时状态信号生成模块的输出端,所述第十三场效应管的源极、所述第十五场效应管的源极以及所述第二电容的第二端共接于第四负电源,所述第十六场效应管的漏极与所述第十七场效应管的源极连接,所述第十六场效应管的栅极为所述延时状态信号生成模块的模式控制信号输入端。
在其中一个实施例中,所述过充控制信号生成模块包括第七与非门、第七反相器以及第八反相器;
所述第七反相器的输入端为所述过充控制信号生成模块的过充检测信号输入端,所述第七与非门的第一输入端为所述过充控制信号生成模块的延时状态信号输入端,所述第七反相器的输出端与所述第七与非门的第二输入端连接,所述第七与非门的输出端与所述第八反相器的输入端连接,所述第八反相器的输出端为所述过充控制信号生成模块的输出端。
在其中一个实施例中,所述过放控制信号生成模块包括第八与非门、第九反相器以及第十反相器;
所述第九反相器的输入端为所述过放控制信号生成模块的过放检测信号输入端,所述第九反相器的输出端与所述第八与非门的第一输入端连接,所述第八与非门的第二输入端为所述过放控制信号生成模块的延时状态信号输入端,所述第八与非门的输出端与所述第十反相器的输入端连接,所述第十反相器的输出端为所述过放控制信号生成模块的输出端。
本发明实施例通过负载检测信号生成模块当充电时根据测试信号生成负载检测信号;充电器检测信号生成模块当放电时根据测试信号生成充电器检测信号;测试模块根据所述负载检测信号、所述充电器检测信号、过充检测信号以及过放检测信号切换电平输出通道,以输出模式控制信号;进而延时时间模块当模式控制信号为工作电平时,生成延时过充控制信号和延时过放控制信号,当模式控制信号为测试电平时,生成非延时过充控制信号和非延时过放控制信号;由于进入测试模式无需额外的芯片引脚输入控制信号,是通过设计内部状态组合产生的信号来控制选择正常模式还是测试模式,因此版图上去掉了一个压焊点及相应的ESD保护器件,版图面积既可以减小,其它压焊点的排布也会加灵活。这样可进一步降低芯片制造成本,且达到封装管脚数最小化。同时去掉一个芯片外引脚后在中测时也去掉了一根探针制作,可以降低中测硬件成本并简化测试探针系统板的布局;封装环节减少了一根打线,即可降低封装成本,封装形式及引脚排布方案也会多样化,进而成品应用方案更广泛灵活,芯片商业竞争力更强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术发明,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为传统的锂电池保护板系统应用线路及保护芯片内部功能模块示意图
图2为传统的过充电延迟时间电路和过放电延迟时间电路的示例电路结构图;
图3为传统的测试模块的示例电路结构图;
图4为本发明实施例提供的锂电池保护延时时间电路的一种模块原理框图;
图5为本发明实施例提供的锂电池保护延时时间电路测试模块的一种模块原理框图;
图6为本发明实施例提供的锂电池保护延时时间电路延时时间模块的一种模块原理框图;
图7为本发明实施例提供的锂电池保护延时时间电路工作状态信号生成模块的一种示例电路结构;
图8为本发明实施例提供的锂电池保护延时时间电路工作状态信号生成模块的另一种示例电路结构
图9为本发明实施例提供的锂电池保护延时时间电路切换模块的示例电路结构;
图10为本发明实施例提供的锂电池保护延时时间电路延时状态信号生成模块的一种示例电路结构;
图11为本发明实施例提供的锂电池保护延时时间电路延时状态信号生成模块的另一种示例电路结构;
图12为本发明实施例提供的锂电池保护延时时间电路过充控制信号生成模块的示例电路结构;
图13为本发明实施例提供的锂电池保护延时时间电路过放控制信号生成模块的示例电路结构。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
图4示出了本发明实施例提供的锂电池保护延时时间电路的模块结构,为了便于说明,仅示出了与本发明实施例相关的部分,详述如下:
锂电池保护延时时间电路包括负载检测信号生成模块01、充电器检测信号生成模块02、测试模块03以及延时时间模块04。
负载检测信号生成模块01用于当充电时根据测试信号生成负载检测信号;充电器检测信号生成模块02用于当放电时根据测试信号生成充电器检测信号;测试模块03与负载检测信号生成模块01和充电器检测信号生成模块02连接,用于根据负载检测信号、充电器检测信号、过充检测信号以及过放检测信号切换电平输出通道,以输出模式控制信号;模式控制信号包括工作电平和测试电平,测试电平和工作电平互为反相;延时时间模块04与测试模块03连接,用于当模式控制信号为工作电平时,分别根据过充检测信号和过放检测信号生成延时过充控制信号和延时过放控制信号,当模式控制信号为测试电平时,分别根据过充检测信号和过放检测信号生成非延时过充控制信号和非延时过放控制信号。
具体实施中,测试信号可以通过保护芯片的电流检测端CSI输入。当充电时,保护芯片的电流检测端CSI输入正电压,测试信号为高电平,负载检测信号为高电平;当放电时,保护芯片的电流检测端CSI输入负电压,测试信号为低电平,充电器检测信号为高电平。
如图5所示,测试模块03包括工作状态信号生成模块031和切换模块032。
工作状态信号生成模块031与负载检测信号生成模块01和充电器检测信号生成模块02连接,用于根据负载检测信号、充电器检测信号、过充检测信号以及过放检测信号生成工作状态信号;切换模块032与工作状态信号生成模块031连接,用于切换电平输出通道,以输出模式控制信号。
如图6所示,延时时间模块04包括延时状态信号生成模块041、整形模块042、过充控制信号生成模块043以及过放控制信号生成模块044。
延时状态信号生成模块041与测试模块03连接,用于根据模式控制信号、过充检测信号以及过放检测信号生成延时状态信号;整形模块042与延时状态信号生成模块041连接,用于对延时状态信号进行整形;整形后的延时状态信号包括延时信号和非延时信号;过充控制信号生成模块043与整形模块042连接,用于当整形后的延时状态信号为延时信号时,根据过充检测信号生成延时过充控制信号,当整形后的延时状态信号为非延时信号时,根据过充检测信号生成非延时过充控制信号;过放控制信号生成模块044与整形模块042连接,用于当整形后的延时状态信号为延时信号时,根据过放检测信号生成延时过放控制信号,当整形后的延时状态信号为非延时信号时,根据过放检测信号生成非延时过放控制信号。
整形模块042包括施密特触发器。
图7示出了本发明实施例提供的锂电池保护延时时间电路工作状态信号生成模块031的一种示例电路结构,图8示出了本发明实施例提供的锂电池保护延时时间电路工作状态信号生成模块031的另一种示例电路结构,图9示出了本发明实施例提供的锂电池保护延时时间电路切换模块032的示例电路结构,图10示出了本发明实施例提供的锂电池保护延时时间电路延时状态信号生成模块041的一种示例电路结构,图11示出了本发明实施例提供的锂电池保护延时时间电路延时状态信号生成模块041的另一种示例电路结构,图12示出了本发明实施例提供的锂电池保护延时时间电路过充控制信号生成模块043的一种示例电路结构,图13示出了本发明实施例提供的锂电池保护延时时间电路过放控制信号生成模块044的一种示例电路结构,为了便于说明,仅示出了与本发明实施例相关的部分,详述如下:
工作状态信号生成模块031包括第一反相器INV1、第二反相器INV2、第一与非门NAND1、第二与非门NAND2以及第三与非门NAND3。
第一反相器INV1的输入端为工作状态信号生成模块031的过充检测信号输入端,第一反相器INV1的输出端与第一与非门NAND1的第一输入端连接,第一与非门NAND1的第二输入端为工作状态信号生成模块031的负载检测信号输入端,第二反相器INV2的输入端为工作状态信号生成模块031的过放检测信号输入端,第二反相器INV2的输出端与第二与非门NAND2的第一输入端连接,第二与非门NAND2的第二输入端为工作状态信号生成模块031的充电器检测信号输入端,第一与非门NAND1的输出端与第三与非门NAND3的第一输入端连接,第二与非门NAND2的输出端与第三与非门NAND3的第二输入端连接,第三与非门NAND3的输出端为工作状态信号生成模块031的输出端。
工作状态信号生成模块031包括第三反相器INV3、第四反相器INV4、第一或非门NOR1、第二或非门NOR2以及第四与非门NAND4。
第三反相器INV3的输入端为工作状态信号生成模块031的负载检测信号输入端,第一与或门NOR1的第一输入端为工作状态信号生成模块031的过充检测信号输入端,第三反相器INV3的输出端与第一与或门NOR1的第二输入端连接,第四反相器INV4的输入端为工作状态信号生成模块031的充电器检测信号输入端,第二与或门NOR2的第一输入端为工作状态信号生成模块031的过放检测信号输入端,第四反相器INV4的输出端与第二与或门NOR2的第二输入端连接,第一与或门NOR1的输出端与第四与非门NAND4的第一输入端连接,第二与或门NOR2的输出端与第四与非门NAND4的第二输入端连接,第四与非门NAND4的输出端为工作状态信号生成模块031的输出端。
切换模块032包括第一场效应管Q1、第二场效应管Q2、第三场效应管Q3、第四场效应管Q4、第五场效应管Q5以及第六场效应管Q6。
第一场效应管Q1的栅极、第二场效应管Q2的栅极、第三场效应管Q3的栅极以及第四场效应管Q4的栅极共同构成切换模块032的工作状态信号输入端,第一场效应管Q1的源极、第三场效应管Q3的源极、第四场效应管Q4的漏极共接于第一正电源VAA,第一场效应管Q1的漏极与第二场效应管Q2的漏极、第四场效应管Q4的栅极以及第五场效应管Q5的栅极连接,第五场效应管Q5的源极以及第六场效应管Q6漏极共接于第二负电源Vbb,第三场效应管Q3的漏极、第四场效应管Q4源极、第五场效应管Q5的漏极以及第六场效应管Q6的源极共同构成切换模块032的输出端。
延时状态信号生成模块041包括第一电流源I1、第二电流源I2、第五与非门NAND5、第五反相器INV5、第一电容C1、第七场效应管Q7、第八场效应管Q8、第九场效应管Q9、第十场效应管Q10以及第十一场效应管Q11。
第一电流源I1的第一端、第二电流源I2的第一端以及第十场效应管Q10的源极共接于第三正电源VCC,第一电流源I1的第二端与第七场效应管Q7的源极连接,第二电流源I2的第二端与第八场效应管Q8的源极连接,第七场效应管Q7的栅极与第五与非门NAND5的第一输入端共同构成延时状态信号生成模块041的过充检测信号输入端,第八场效应管Q8的栅极与第五与非门NAND5的第二输入端共同构成延时状态信号生成模块041的过放检测信号输入端,第五与非门NAND5的输出端与第五反相器INV5的输入端连接,第五反相器INV5的输出端与第九场效应管Q9的栅极和第十一场效应管Q11的栅极连接,第七场效应管Q7的漏极、第八场效应管Q8的漏极、第九场效应管Q9的漏极、第十一场效应管Q11的漏极以及第一电容C1的第一端共同构成延时状态信号生成模块041的输出端,第九场效应管Q9的源极和第一电容C1的第二端共接于第三负电源,第十场效应管Q10的栅极为延时状态信号生成模块041的模式控制信号输入端,第十场效应管Q10的漏极与第十一场效应管Q11的源极连接。
延时状态信号生成模块041包括第三电流源I3、第四电流源I4、第六与非门NAND6、第六反相器INV6、第二电容C2、第十二场效应管Q12、第十三场效应管Q13、第十四场效应管Q14、第十五场效应管Q15、第十六场效应管Q16以及第十七场效应管Q17。
第三电流源I3的第一端、第四电流源I4的第一端以及第十六场效应管Q16的源极共接于第四正电源VDD,第三电流源I3的第二端与第十二场效应管Q12的源极连接,第四电流源I4的第二端与第十四场效应管Q14的源极连接,第六与非门NAND6的第一输入端、第十二场效应管Q12的栅极以及第十五场效应管Q15的栅极共同构成延时状态信号生成模块041的过充检测信号输入端,第六与非门NAND6的第二输入端、第十三场效应管Q13的栅极以及第十四场效应管Q14的栅极共同构成延时状态信号生成模块041的过放检测信号输入端,第六与非门NAND6的输出端与第六反相器INV6的输入端连接,第六反相器INV6的输出端与第十七场效应管Q17的栅极连接,第十二场效应管Q12的漏极、第十三场效应管Q13的漏极、第十四场效应管Q14的漏极、第十五场效应管Q15的漏极、第十七场效应管Q17的漏极以及第二电容C2的第一端共同构成延时状态信号生成模块041的输出端,第十三场效应管Q13的源极、第十五场效应管Q15的源极以及第二电容C2的第二端共接于第四负电源Vdd,第十六场效应管Q16的漏极与第十七场效应管Q17的源极连接,第十六场效应管Q16的栅极为延时状态信号生成模块041的模式控制信号输入端。
过充控制信号生成模块043包括第七与非门NAND7、第七反相器INV7以及第八反相器INV8。
第七反相器INV7的输入端为过充控制信号生成模块043的过充检测信号输入端,第七与非门NAND7的第一输入端为过充控制信号生成模块043的延时状态信号输入端,第七反相器INV7的输出端与第七与非门NAND7的第二输入端连接,第七与非门NAND7的输出端与第八反相器INV8的输入端连接,第八反相器INV8的输出端为过充控制信号生成模块043的输出端。
过放控制信号生成模块044包括第八与非门NAND8、第九反相器INV9以及第十反相器INV10。
第九反相器INV9的输入端为过放控制信号生成模块044的过放检测信号输入端,第九反相器INV9的输出端与第八与非门NAND8的第一输入端连接,第八与非门NAND8的第二输入端为过放控制信号生成模块044的延时状态信号输入端,第八与非门NAND8的输出端与第十反相器INV10的输入端连接,第十反相器INV10的输出端为过放控制信号生成模块044的输出端。
以下结合工作原理对图7至图13所示的作进一步说明:
在具体实施过程中,在图7中,正常情况下过充检测信号OC、过放检测信号OD为高电平,负载检测信号OIDF、充电器检测信号OCHB为低电平,故通过第一与非门NAND1和第二与非门NAND2得到的Net05、Net06分别为高电平,Net05、Net06通过第三与非门NAND3得到的Net07为低电平。测试模式充电时,负载检测信号OIDF变为高电平,当保护芯片检测到电路发生过充时,OC由高电平变为低电平,通过第一与非门NAND1使得Net05为低电平,Net06保持原来的高电平,当Net05为低电平时,第三与非门NAND3的输出端口Net07就为高电平;测试模式放电时,充电器检测信号OCHB为高电平,当电路发生过放时,OD由高电平变为低电平,同理可推导出,输出端口Net07就为高电平。
在图8中,同理可推导出,正常情况下,Net07为低电平;测试模式时,且过充或过放时,Net07为高电平。
在图9中,当正常情况下,Net07为低电平,对Net07反相后得到Net08为高电平,第三场效应管Q3和第四场效应管Q4组成的传输门导通,第五场效应管Q5和第六场效应管Q6组成的传输门关断,因此VBP为高电平。测试模式时,且过充或过放时,Net07为高电平VAA,对Net07反相后得到Net08为低电平,第三场效应管Q3和第四场效应管Q4组成的传输门关断,第五场效应管Q5和第六场效应管Q6组成的传输门导通,因此VBP为低电平Vbb。
在图10中,在没有发生过充情况下,过充检测信号OC、过放检测信号OD为高电平,得到信号Net09为高电平,第十一场效应管Q11关闭,第九场效应管Q9导通,即Net10为低电平,通过施密特触发器得到Net11为低电平。
当芯片检测到过充电时,过充检测信号OC变为低电平,过放检测信号OD保持不变仍为高电平,第七场效应管Q7导通,故信号Net09为低电平,第十一场效应管Q11开启,第九场效应管Q9导通,由于正常工作时VBP=VAA,第十场效应管关闭,这样情况下,电流源I1开始向第一电容C1充电,使得Net10的点位逐渐升高,经过一段时间后Net10的电位升高到一定程度则施密特触发器反转。
正常情况下,VBP等于VAA,为高电平,过充的延迟时间只能通过I1或I2对第一电容C1充电来实现,测试模式时,VBP为Vbb,为低电平(Vbb信号是来自测试模块03输出的镜像电流源参考电压),发生过充时,对第一电容C1的充电有I1和I5两个支路同时充电,I5远大于I1,这样显著的缩短了电容充电时间,即在测试模式极大的减小了过充电保护检测的延时时间,缩短了芯片的测试时间。
在图11中,与图10比较,仅增加第十三场效应管Q13,过充检测信号OC和过放检测信号OD分别来控制第十五场效应管Q15和第十三场效应管Q13,Net09只控制第十七场效应管Q17。当发生过充或过放时选择第三电流源I3和第四电流源I4对第一电容C1充电,分别实现过充电检测延迟时间和过放电检测延迟时间。
在图12和图13中,当Net11为低电平时,可得到OCD、ODD为低电平,通过芯片内部逻辑,使得整体芯片的充电控制端CO、放电控制端DO输出高电平,芯片正常工作。Net11的信号由低电平转变成高电平,当过充检测信号OC为低电平时,使得OCD由低电平变为高电平,通过内部逻辑,使得芯片的过充控制端CO变为低电平,第二功率场效应管M2关断,关断充电回路。同理,当过放检测信号OD为低电平时,使得ODD由低电平变为高电平,通过内部逻辑,使得芯片的过放控制端DO变为低电平,第一功率场效应管M1关断,关断放电回路。
本发明实施例还提供一种锂电池充放电的保护芯片,所述锂电池充放电的保护芯片包括上述的锂电池保护延时时间电路。
本发明实施例通过负载检测信号生成模块当充电时根据测试信号生成负载检测信号;充电器检测信号生成模块当放电时根据测试信号生成充电器检测信号;测试模块根据负载检测信号、充电器检测信号、过充检测信号以及过放检测信号切换电平输出通道,以输出模式控制信号;进而延时时间模块当模式控制信号为工作电平时,生成延时过充控制信号和延时过放控制信号,当模式控制信号为测试电平时,生成非延时过充控制信号和非延时过放控制信号;由于进入测试模式无需芯片引脚输入控制信号,是通过设计内部状态组合产生的信号来控制选择正常模式还是测试模式,因此版图上去掉了一个压焊点及相应的ESD保护器件,版图面积既可以减小,其它压焊点的排布也会加灵活。这样可进一步降低芯片制造成本,且达到封装管脚数最小化。同时去掉一个芯片外引脚后在中测时也去掉了一根探针制作,可以降低中测硬件成本并简化测试探针系统板的布局;封装环节减少了一根打线,即可降低封装成本,封装形式及引脚排布方案也会多样化,进而成品应用方案更广泛灵活,芯片商业竞争力更强。同时将传统的过充电检测和过放电检测两个独立的延时时间电路复用为一个整体的延时状态信号生成模块,共用同一个延迟时间电容,共用了延迟时间充电电容,显著减小了芯片面积,即可降低芯片的制造成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种锂电池保护延时时间电路,其特征在于,锂电池保护延时时间电路包括:
用于当充电时根据测试信号生成负载检测信号的负载检测信号生成模块;
用于当放电时根据所述测试信号生成充电器检测信号的充电器检测信号生成模块;
与所述负载检测信号生成模块和所述充电器检测信号生成模块连接,用于根据所述负载检测信号、所述充电器检测信号、过充检测信号以及过放检测信号切换电平输出通道,以输出模式控制信号的测试模块;所述模式控制信号包括工作电平和测试电平,所述测试电平和所述工作电平互为反相;
与所述测试模块连接,用于当所述模式控制信号为所述工作电平时,分别根据所述过充检测信号和所述过放检测信号生成延时过充控制信号和延时过放控制信号,当所述模式控制信号为所述测试电平时,分别根据所述过充检测信号和所述过放检测信号生成非延时过充控制信号和非延时过放控制信号的延时时间模块。
2.如权利要求1所述的锂电池保护延时时间电路,其特征在于,所述测试模块包括:
与所述负载检测信号生成模块和所述充电器检测信号生成模块连接,用于根据所述负载检测信号、所述充电器检测信号、所述过充检测信号以及所述过放检测信号生成工作状态信号的工作状态信号生成模块;
与所述工作状态信号生成模块连接,用于切换电平输出通道,以输出模式控制信号的切换模块。
3.如权利要求2所述的锂电池保护延时时间电路,其特征在于,所述工作状态信号生成模块包括第一反相器、第二反相器、第一与非门、第二与非门以及第三与非门;
所述第一反相器的输入端为所述工作状态信号生成模块的过充检测信号输入端,所述第一反相器的输出端与所述第一与非门的第一输入端连接,所述第一与非门的第二输入端为所述工作状态信号生成模块的负载检测信号输入端,所述第二反相器的输入端为所述工作状态信号生成模块的过放检测信号输入端,所述第二反相器的输出端与所述第二与非门的第一输入端连接,所述第二与非门的第二输入端为所述工作状态信号生成模块的充电器检测信号输入端,所述第一与非门的输出端与所述第三与非门的第一输入端连接,所述第二与非门的输出端与所述第三与非门的第二输入端连接,所述第三与非门的输出端为所述工作状态信号生成模块的输出端。
4.如权利要求2所述的锂电池保护延时时间电路,其特征在于,所述工作状态信号生成模块包括第三反相器、第四反相器、第一或非门、第二或非门以及第四与非门;
所述第三反相器的输入端为所述工作状态信号生成模块的负载检测信号输入端,所述第一与或门的第一输入端为所述工作状态信号生成模块的过充检测信号输入端,所述第三反相器的输出端与所述第一与或门的第二输入端连接,所述第四反相器的输入端为所述工作状态信号生成模块的充电器检测信号输入端,所述第二与或门的第一输入端为所述工作状态信号生成模块的过放检测信号输入端,所述第四反相器的输出端与所述第二与或门的第二输入端连接,所述第一与或门的输出端与所述第四与非门的第一输入端连接,所述第二与或门的输出端与所述第四与非门的第二输入端连接,所述第四与非门的输出端为所述工作状态信号生成模块的输出端。
5.如权利要求2所述的锂电池保护延时时间电路,其特征在于,所述切换模块包括第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管、第五场效应管以及第六场效应管;
所述第一场效应管的栅极、所述第二场效应管的栅极、所述第三场效应管的栅极以及所述第四场效应管的栅极共同构成所述切换模块的工作状态信号输入端,所述第一场效应管的源极、所述第三场效应管的源极、所述第四场效应管的漏极共接于第一正电源,所述第一场效应管的漏极与所述第二场效应管的漏极、所述第四场效应管的栅极以及所述第五场效应管的栅极连接,所述第五场效应管的源极以及所述第六场效应管漏极共接于第二负电源,所述第三场效应管的漏极、所述第四场效应管源极、所述第五场效应管的漏极以及所述第六场效应管的源极共同构成所述切换模块的输出端。
6.如权利要求1所述的锂电池保护延时时间电路,其特征在于,所述延时时间模块包括:
与所述测试模块连接,用于根据所述模式控制信号、所述过充检测信号以及所述过放检测信号生成延时状态信号的延时状态信号生成模块;
与所述延时状态信号生成模块连接,用于对所述延时状态信号进行整形的整形模块;整形后的所述延时状态信号包括延时信号和非延时信号;
与所述整形模块连接,用于当整形后的延时状态信号为延时信号时,根据所述过充检测信号生成延时过充控制信号,当整形后的延时状态信号为非延时信号时,根据所述过充检测信号生成非延时过充控制信号的过充控制信号生成模块;
与所述整形模块连接,用于当整形后的延时状态信号为延时信号时,根据所述过放检测信号生成延时过放控制信号,当整形后的延时状态信号为非延时信号时,根据所述过放检测信号生成非延时过放控制信号的过放控制信号生成模块。
7.如权利要求6所述的锂电池保护延时时间电路,其特征在于,所述延时状态信号生成模块包括第一电流源、第二电流源、第五与非门、第五反相器、第一电容、第七场效应管、第八场效应管、第九场效应管、第十场效应管以及第十一场效应管;
所述第一电流源的第一端、所述第二电流源的第一端以及所述第十场效应管的源极共接于第三正电源,所述第一电流源的第二端与所述第七场效应管的源极连接,所述第二电流源的第二端与所述第八场效应管的源极连接,所述第七场效应管的栅极与所述第五与非门的第一输入端共同构成所述延时状态信号生成模块的过充检测信号输入端,所述第八场效应管的栅极与所述第五与非门的第二输入端共同构成所述延时状态信号生成模块的过放检测信号输入端,所述第五与非门的输出端与所述第五反相器的输入端连接,所述第五反相器的输出端与所述第九场效应管的栅极和所述第十一场效应管的栅极连接,所述第七场效应管的漏极、所述第八场效应管的漏极、所述第九场效应管的漏极、所述第十一场效应管的漏极以及所述第一电容的第一端共同构成所述延时状态信号生成模块的输出端,所述第九场效应管的源极和所述第一电容的第二端共接于第三负电源,所述第十场效应管的栅极为所述延时状态信号生成模块的模式控制信号输入端,所述第十场效应管的漏极与所述第十一场效应管的源极连接。
8.如权利要求6所述的锂电池保护延时时间电路,其特征在于,所述延时状态信号生成模块包括第三电流源、第四电流源、第六与非门、第六反相器、第二电容、第十二场效应管、第十三场效应管、第十四场效应管、第十五场效应管、第十六场效应管以及第十七场效应管;
所述第三电流源的第一端、所述第四电流源的第一端以及所述第十六场效应管的源极共接于第四正电源,所述第三电流源的第二端与所述第十二场效应管的源极连接,所述第四电流源的第二端与所述第十四场效应管的源极连接,所述第六与非门的第一输入端、所述第十二场效应管的栅极以及所述第十五场效应管的栅极共同构成所述延时状态信号生成模块的过充检测信号输入端,所述第六与非门的第二输入端、所述第十三场效应管的栅极以及所述第十四场效应管的栅极共同构成所述延时状态信号生成模块的过放检测信号输入端,所述第六与非门的输出端与所述第六反相器的输入端连接,所述第六反相器的输出端与所述第十七场效应管的栅极连接,所述第十二场效应管的漏极、所述第十三场效应管的漏极、所述第十四场效应管的漏极、所述第十五场效应管的漏极、所述第十七场效应管的漏极以及所述第二电容的第一端共同构成所述延时状态信号生成模块的输出端,所述第十三场效应管的源极、所述第十五场效应管的源极以及所述第二电容的第二端共接于第四负电源,所述第十六场效应管的漏极与所述第十七场效应管的源极连接,所述第十六场效应管的栅极为所述延时状态信号生成模块的模式控制信号输入端。
9.如权利要求6所述的锂电池保护延时时间电路,其特征在于,所述过充控制信号生成模块包括第七与非门、第七反相器以及第八反相器;
所述第七反相器的输入端为所述过充控制信号生成模块的过充检测信号输入端,所述第七与非门的第一输入端为所述过充控制信号生成模块的延时状态信号输入端,所述第七反相器的输出端与所述第七与非门的第二输入端连接,所述第七与非门的输出端与所述第八反相器的输入端连接,所述第八反相器的输出端为所述过充控制信号生成模块的输出端。
10.如权利要求6所述的锂电池保护延时时间电路,其特征在于,所述过放控制信号生成模块包括第八与非门、第九反相器以及第十反相器;
所述第九反相器的输入端为所述过放控制信号生成模块的过放检测信号输入端,所述第九反相器的输出端与所述第八与非门的第一输入端连接,所述第八与非门的第二输入端为所述过放控制信号生成模块的延时状态信号输入端,所述第八与非门的输出端与所述第十反相器的输入端连接,所述第十反相器的输出端为所述过放控制信号生成模块的输出端。
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