CN110061544B - 电池保护电路 - Google Patents

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Abstract

一种电池保护电路，与一电池以及一充电器或负载连接，包括栅极控制模块、开关管模块、电压差检测模块、线性稳压模块、振荡器模块、电荷泵模块、高电平选择模块以及高电平转换模块。电压差检测模块检测开关管模块的源漏端电压差，并在电压差大于一设定阈值时，发送使能信号，从而激活线性稳压模块、振荡器模块以及电荷泵模块，并进一步通过高电平选择模块以及高电平转换模块，使得当电荷泵模块的输出电压高于电池的电压时，依据电荷泵模块的输出电压控制开关管模块的栅极，以保持恒定并且维持在更低的开关管导通阻抗。

Description

电池保护电路
技术领域
本发明涉及电池保护电路,尤其涉及一种应用于电池充放电的电池保护电路。
背景技术
请参阅图1，图1为现有技术的电池保护电路。如图所示，现有技术的电池保护电路1与电阻、电容、一电池2以及一充电器或负载3连接，在电池2发生异常时，电池保护电路1内部的开关管10关断，切断充电或者放电通路。其中，开关管10其栅极驱动电路11的高电平为电池2的正极，也就是说随着电池2充放电的进行，栅极驱动电压在电池2无异常情况发生时，开关管10的VGS随着电池2电压的变化而变化。
处于开关状态的开关管10其等效导通阻抗Ron为
开关管10的导通阻抗Ron随着电池2电压变化，尤其在重载或者大电流充电时，如果电池2电压较低，则效率大大降低。同时封装也因为散热问题面临考验。此外，对于传统的检测开关管10两端电压差的方法来检测是否发生过流，那么随着电池2电压变化，过充电流和过放电流的检测阈值随着电池2电压的增大而增大。
因此，如何提供一种能将开关管的导通阻抗维持在较低的值，以及能避免过充电流和过放电流的检测阈值随着电池电压变化的电池保护电路，即为各家业者亟待解决的课题。
发明内容
鉴于现有技术的种种缺失，本发明的主要目的，即在于提供一种能将开关管的导通阻抗维持在较低的值，以及能避免过充电流和过放电流的检测阈值随着电池电压变化的电池保护电路
为了达到上述目的及其他目的，本发明提供一种电池保护电路，与一电池以及一充电器或负载连接，包括栅极控制模块、开关管模块、电压差检测模块、线性稳压模块、振荡器模块、电荷泵模块、高电平选择模块以及高电平转换模块。
栅极控制模块与电池连接，用以依据电池的电压发送第一控制电压信号；开关管模块的源漏端一端与电池的负极连接，另一端与充电器或负载连接；电压差检测模块用以在电池未发生异常情况时，检测开关管模块的源漏端电压差，并在电压差大于一设定阈值时，发送使能信号；线性稳压模块与电压差检测模块连接，用以在接收到使能信号时，发送基准电压信号；振荡器模块与电压差检测模块连接，用以在接收到使能信号时，发送时钟信号；电荷泵模块与线性稳压模块以及振荡器模块连接，用以在接收到基准电压信号以及时钟信号时，发送第二控制电压信号；高电平选择模块与电池以及电荷泵模块连接，用以在电池的电压高于第二控制电压信号的电压时，发出第一切换信号，以及在第二控制电压信号的电压高于电池的电压时，发出第二切换信号；以及高电平转换模块与栅极控制模块以及高电平选择模块连接，用以在接收到第一切换信号时，依据第一控制电压信号发送第一栅极信号以控制开关管模块的栅极，以及在接收到第二切换信号时，依据第二控制电压信号发送第二栅极信号以控制开关管模块的栅极。
在一实施例中，开关管模块为一个开关管或多个串联的开关管。
在一实施例中，电压差检测模块包括第一比较器、第二比较器以及或门，开关管模块的源极端通过第一补偿电压接入至第一比较器的正向输入端以及通过第二补偿电压接入至第二比较器的负向输入端，开关管模块的漏极端接入至第一比较器的负向输入端以及第二比较器的正向输入端，第一比较器以及第二比较器的输出端接入至或门。
在一实施例中，电荷泵模块包括第一nmos管、第二nmos管、第一pmos管、第二pmos管、第一电容、第二电容以及反相器，振荡器模块的输出与第二电容连接以及通过反相器与第一电容连接，当振荡器模块的输出为低电平时，第一nmos管以及第二pmos管打开以令第二电容存储电荷，以及当振荡器模块的输出为高电平时，第二nmos管以及第一pmos管打开以令第一电容存储电荷。
在一实施例中，高电平选择模块包括第三pmos管以及第四pmos管，第三pmos管的栅极接第四pmos管的漏端，第四pmos管的栅极接第三pmos管的漏端，第三pmos管和第四pmos管的源端相连接。
在一实施例中，电荷泵模块的输出电压不超过开关管模块的最大栅源极耐压。
在一实施例中，电池的异常情况包括过充电压、过放电压、过充电流、过放电流以及短路保护。
相较于现有技术，由于本发明的电池保护电路通过电压差检测模块检测开关管模块的源漏端电压差，并在电压差大于一设定阈值时，发送使能信号，从而激活线性稳压模块、振荡器模块以及电荷泵模块，并进一步通过高电平选择模块以及高电平转换模块，使得当电荷泵模块的输出电压高于电池的电压时，依据电荷泵模块的输出电压控制开关管模块的栅极。换句话说，本发明的电池保护电路在充放电电流大于设定阈值时，开关管模块的控制电平由电荷泵模块的输出电压控制，而不是电池控制，故能保持恒定并且维持在更低的开关管导通阻抗，从而提高充放电效率，并可避免过充电流和过放电流的阈值随电池电压变化，以及降低芯片由于开关管损耗导致的发热，充分克服了现有技术中所具有的问题。
附图说明
图1为现有技术的电池保护电路的电路示意图。
图2为本发明一实施例的电池保护电路的电路示意图。
图3为本发明一实施例的电压差检测模块的电路示意图。
图4为本发明一实施例的电荷泵模块的电路示意图。
图5为本发明一实施例的高电平选择模块的电路示意图。
符号说明
1 现有技术的电池保护电路
10 开关管
11 栅极驱动电路
2 电池
3 充电器或负载
40 栅极控制模块
41 开关管模块
42 电压差检测模块
420 第一比较器
421 第二比较器
422 或门
43 线性稳压模块
44 振荡器模块
45 电荷泵模块
450、451 节点
46 高电平选择模块
47 高电平转换模块
a～j 端口
n1 第一nmos管
n2 第二nmos管
p1 第一pmos管
p2 第二pmos管
p3 第三pmos管
p4 第四pmos管
C1 第一电容
C2 第二电容
Inv 反相器
V1 第一补偿电压
V2 第二补偿电压
具体实施方式
以下藉由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明亦可藉由其他不同的具体实施例加以施行或应用。
请参阅图2，图2为本发明一实施例的电池保护电路的电路示意图。如图所示，本发明提供的电池保护电路，与一电池以及一充电器或负载连接，包括栅极控制模块40、开关管模块41、电压差检测模块42、线性稳压模块43、振荡器模块44、电荷泵模块45、高电平选择模块46以及高电平转换模块47。
开关管模块41的源漏端一端b与电池的负极连接，另一端c与充电器或负载连接，开关管模块41把充电器或负载与电池连接成一个充电或者放电回路。此外，在电池有异常情况时，开关管模块41关断以切断充电或者放电回路，以达到电池保护功能。
栅极控制模块40通过端口a与电池连接，用以依据电池的电压发送第一控制电压信号。
电压差检测模块42用以在电池未发生异常情况时，检测开关管模块41的源漏端b、c电压差，并在电压差大于一设定阈值时，发送使能信号。开关管模块41的源漏端b、c电压差越大也就代表充放电电流越大，这可能是由重载或者大电流充放电所引起的。
线性稳压模块43与电压差检测模块42连接，用以在接收到使能信号时，发送基准电压信号，基准电压信号不随电池电压变化而变化。
振荡器模块44与电压差检测模块42连接，用以在接收到使能信号时，发送时钟信号。
电荷泵模块45与线性稳压模块43以及振荡器模块44连接，用以在接收到基准电压信号以及时钟信号时，发送第二控制电压信号。在电压差检测模块42发送使能信号以激活线性稳压模块43、振荡器模块44以及电荷泵模块45后，电荷泵模块45发送第二控制电压信号，其电压将快速上升到设定的值。
高电平选择模块46与电池以及电荷泵模块45连接，用以在电池的电压高于第二控制电压信号的电压时，发出第一切换信号，以及在第二控制电压信号的电压高于电池的电压时，发出第二切换信号。
高电平转换模块47与栅极控制模块40以及高电平选择模块46连接，用以在接收到第一切换信号时，依据第一控制电压信号发送第一栅极信号以控制开关管模块41的栅极，以及在接收到第二切换信号时，依据第二控制电压信号发送第二栅极信号以控制开关管模块41的栅极。
进一步而言，高电平选择模块46以及高电平转换模块47在电池的电压和电荷泵模块45的输出电压(第二控制电压信号)之间选择出电压较高者作为栅极控制模块40的电源电压。因此，本发明的电池保护电路在充放电电流大于设定阈值时，开关管模块41的控制电平由电荷泵模块45的输出电压控制，而不是电池控制，故能保持恒定并且维持在更低的开关管导通阻抗，从而提高充放电效率，并可避免过充电流和过放电流的阈值随电池电压变化，以及降低芯片由于开关管损耗导致的发热。
在一实施例中，开关管模块41可为一个开关管或多个串联的开关管，开关管的种类也可为nmos管或pmos管。
请参阅图3，图3为本发明一实施例的电压差检测模块的电路示意图。在一实施例中，电压差检测模块42包括第一比较器420、第二比较器421以及或门422，开关管模块41的源极端d通过第一补偿电压V1接入至第一比较器420的正向输入端以及通过第二补偿电压V2接入至第二比较器421的负向输入端，开关管模块41的漏极端e接入至第一比较器420的负向输入端以及第二比较器421的正向输入端，第一比较器420以及第二比较器421的输出端接入至或门422。
在一实施例中，开关管模块41的源极端d电压大于漏极端e表示放电，小于漏极端e电压表示充电。当源极端d电压超过漏极端e为设定阈值V1，或者低于漏极端e电压为设定阈值V2时，输出高电平，以执行本发明的电压差检测模块42的功能。其特点在于，应用时可以选择同时用两个比较器或者只用第一比较器420或者第二比较器421。举例来说，充电时用第一比较器420，源极端d小于漏极端e一个电压差V1，可以激活电荷泵；放电时用第二比较器421，源极端d大于漏极端e一个电压差V2，可以激活电荷；两个同时使用时，满足任何一个条件即可激活电荷泵。第一补偿电压V1和第二补偿电压V2需根据自身设计灵活设置。
请参阅图4，图4为本发明一实施例的电荷泵模块的电路示意图。在一实施例中，电荷泵模块45包括第一nmos管n1、第二nmos管n2、第一pmos管p1、第二pmos管p2、第一电容C1、第二电容C2以及反相器Inv，振荡器模块44的输出与第二电容C2连接以及通过反相器Inv与第一电容C1连接，当振荡器模块44的输出为低电平时，第一nmos管n1以及第二pmos管p2打开以令第二电容C2存储电荷，以及当振荡器模块44的输出为高电平时，第二nmos管n2以及第一pmos管p1打开以令第一电容C1存储电荷。在进一步的实施例中，电荷泵模块45可以由一级或者多级上述实施例电路串联，从而达到设定的电荷泵模块45输出。
在一实施例中，端口f接线性稳压模块43，第二电容C2一端通过端口g接振荡器模块44，一端接节点451；第一电容C1一端接反相器Inv的输出，一端接节点450。当振荡器模块44输出处于低电平相位，那么第一nmos管n1以及第二pmos管p2打开，电荷存储在第二电容C2上，此时节点451的电压为反相器的电源电压加端口f的电压，在下一个时钟相位，节点450的电压被传送出去。
请参阅图5，图5为本发明一实施例的高电平选择模块的电路示意图。在一实施例中，高电平选择模块46包括第三pmos管p3以及第四pmos管p4，第三pmos管p3的栅极接第四pmos管p4的漏端，第四pmos管p4的栅极接第三pmos管p3的漏端，第三pmos管p3和第四pmos管p4的源端相连接。
在一实施例中，端口h和端口i分别接电荷泵模块45的输出和电池电压。当端口h电压低于端口i时，第四pmos管p4打开，端口j选择端口i；当端口h电压大于端口i时，第三pmos管p3打开，端口j选择端口h，以此方式执行本发明的高电平选择模块46的功能。。
在一实施例中，电荷泵模块45的输出电压不超过开关管模块41的最大栅源极耐压。
在一实施例中，电池的异常情况包括过充电压、过放电压、过充电流、过放电流以及短路保护，但不以此为限。
综上所述，由于本发明的电池保护电路通过电压差检测模块检测开关管模块的源漏端电压差，并在电压差大于一设定阈值时，发送使能信号，从而激活线性稳压模块、振荡器模块以及电荷泵模块，并进一步通过高电平选择模块以及高电平转换模块，使得当电荷泵模块的输出电压高于电池的电压时，依据电荷泵模块的输出电压控制开关管模块的栅极。换句话说，本发明的电池保护电路在充放电电流大于设定阈值时，开关管模块的控制电平由电荷泵模块的输出电压控制，而不是电池控制，故能保持恒定并且维持在更低的开关管导通阻抗，从而提高充放电效率，并可避免过充电流和过放电流的阈值随电池电压变化，以及降低芯片由于开关管损耗导致的发热，充分克服了现有技术中所具有的问题。
藉由以上较佳具体实施例的描述，本领域具有通常知识者当可更加清楚本发明的特征与精神，惟上述实施例仅为说明本发明的原理及其功效，而非用以限制本发明。因此，任何对上述实施例进行的修改及变化仍不脱离本发明的精神，且本发明的权利范围应如权利要求书所列。

Claims (3)

1.一种电池保护电路，与一电池以及一充电器或负载连接，其特征在于，所述电池保护电路包括:栅极控制模块，与所述电池连接，用以依据所述电池的电压发送第一控制电压信号；
开关管模块，所述开关管模块的源漏端一端与所述电池的负极连接，另一端与所述充电器或负载连接；
电压差检测模块，用以在所述电池未发生异常情况时，检测所述开关管模块的源漏端电压差，并在所述电压差大于一设定阈值时，发送使能信号；
线性稳压模块，与所述电压差检测模块连接，用以在接收到所述使能信号时，发送基准电压信号；
振荡器模块，与所述电压差检测模块连接，用以在接收到所述使能信号时，发送时钟信号；
电荷泵模块，与所述线性稳压模块以及所述振荡器模块连接，用以在接收到所述基准电压信号以及所述时钟信号时，发送第二控制电压信号；
高电平选择模块，与所述电池以及所述电荷泵模块连接，用以在所述电池的电压高于所述第二控制电压信号的电压时，发出第一切换信号，以及在所述第二控制电压信号的电压高于所述电池的电压时，发出第二切换信号；以及高电平转换模块，与所述栅极控制模块以及所述高电平选择模块连接，用以在接收到所述第一切换信号时，依据所述第一控制电压信号发送第一栅极信号以控制所述开关管模块的栅极，以及在接收到所述第二切换信号时，依据所述第二控制电压信号发送第二栅极信号以控制所述开关管模块的栅极；
所述电压差检测模块包括第一比较器、第二比较器以及或门，所述开关管模块的源极端通过第一补偿电压接入至所述第一比较器的正向输入端以及通过第二补偿电压接入至所述第二比较器的负向输入端，所述开关管模块的漏极端接入至所述第一比较器的负向输入端以及所述第二比较器的正向输入端，所述第一比较器以及所述第二比较器的输出端接入至所述或门；
所述电荷泵模块包括第一nmos管、第二nmos管、第一pmos管、第二pmos管、第一电容、第二电容以及反相器，所述振荡器模块的输出与第二电容连接以及通过所述反相器与所述第一电容连接，当所述振荡器模块的输出为低电平时，第一nmos管以及第二pmos管打开以令第二电容存储电荷，以及当所述振荡器模块的输出为高电平时，第二nmos管以及第一pmos管打开以令第一电容存储电荷；
所述电荷泵模块的输出电压不超过开关管模块的最大栅源极耐压；
所述高电平选择模块包括第三pmos管以及第四pmos管，第三pmos管的栅极接第四pmos管的漏端，第四pmos管的栅极接第三pmos管的漏端，第三pmos管和第四pmos管的源端相连接。
2.如权利要求1所述的电池保护电路，其特征在于，所述开关管模块为一个开关管或多个串联的开关管。
3.如权利要求1所述的电池保护电路，其特征在于，所述电池的异常情况包括过充电压、过放电压、过充电流、过放电流以及短路保护。
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