CN110380474A - 电池保护控制器及电池充放电保护电路 - Google Patents

电池保护控制器及电池充放电保护电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及了一种电池保护控制器及电池充放电保护电路，该电池保护控制器包括电池保护控制器包括第一充电驱动模块及第一负载短路监测模块，还包括第一二极管及设置于外框的复用引脚，所述复用引脚分别连接第一充电驱动模块、第二充电驱动模块和第二负载短路监测模块，所述复用引脚还连接所述第一二极管的阳极，所述第一二极管的阴极连接所述第一负载短路监测模块。实施本发明的技术方案，电池保护控制器的复用引脚具有现有技术中充电驱动引脚及负载短路监测引脚这两个引脚的功能，可减少电池保护控制器封装的引脚数量，进而减少体积和成本。

Description

电池保护控制器及电池充放电保护电路
技术领域
本发明涉及电池保护控制领域，尤其涉及一种电池保护控制器及电池充放电保护电路。
背景技术
现今，由于锂电池的成本降低，体积缩小，越来越多的便携式设备使用锂电池进行供电，基于锂电池的安全性要求，锂电池保护控制器被大量使用，但是如何在锂电池保护控制器完善保护功能的基础上，进一步降低锂电池保护控制器的成本，同时减小锂电池保护控制器的体积是需要研究和考虑的问题。
如图1所示，传统的锂电池保护控制器的外框除了电源引脚1和参考地引脚2外，根据需求不同，还包括其它功能引脚，在众多功能引脚中，一个功能引脚是充电驱动引脚3，其作用是控制充电开关管的开启和关闭，还有一个功能引脚是负载短路监测引脚4，其作用是在锂电池发生短路，放电开关管关闭后，检测锂电池输出负载短路状态是否解除，所以传统的锂电池保护控制器为了完成上述两个功能，需要配置两个不同的功能引脚来实现，这就使锂电池保护控制器封装的引脚较多，体积、成本也较大。
另外，不仅仅是锂电池保护控制器，同样的技术问题也存于其它的电池保护控制器。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中电池保护控制器的引脚较多，体积、成本较大的缺陷，提供一种电池保护控制器及电池充放电保护电路。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种电池保护控制器，用于通过第二充电驱动模块对充电开关管的通断进行控制，及在发生负载短路保护时通过第二负载短路监测模块产生负载短路监测电流以监测负载短路状态是否解除，所述电池保护控制器包括用于产生充电开关管的驱动电流信号的第一充电驱动模块，以及，用于将流入的负载短路监测电流和参考电流进行比较，并根据比较结果输出负载短路状态的监测信号的第一负载短路监测模块，所述电池保护控制器包括第一二极管及设置于外框的复用引脚，所述复用引脚分别连接第一充电驱动模块、第二充电驱动模块和第二负载短路监测模块，所述复用引脚还连接所述第一二极管的阳极，所述第一二极管的阴极连接所述第一负载短路监测模块。
优选地，所述第一负载短路监测模块包括：第一稳压二极管、第一电流源、第一开关管和第二开关管，其中，所述第一开关管和第二开关管共栅共源构成电流镜，所述第一稳压二极管的阴极连接所述第一二极管的阴极，所述第一稳压二极管的阳极连接所述第一开关管的栅极和漏极，所述第二开关管的漏极和所述第一电流源的一端连接，而且，所述第二开关管的漏极为所述第一负载短路监测模块的输出端。
优选地，所述第一负载短路监测模块包括：第二稳压二极管、第一电阻和一个比较器；其中，所述第二稳压二极管的阴极连接所述第一二极管的阳极，所述第二稳压二极管的阳极通过所述第一电阻接参考地，所述比较器的一个输入端输入参考基准电压，所述比较器的另外一个输入端接所述第二稳压二极管的阳极，所述比较器的输出端为所述第一负载短路监测模块的输出端。
优选地，所述第一充电驱动模块包括第二电流源和开关，通过所述开关的开启和关闭控制所述第二电流源，继而通过与之耦和的所述复用引脚和所述第二充电驱动模块控制所述充电开关管的开启和关闭。
本发明还构造一种电池充放电保护电路，包括充电开关管、第二充电驱动模块和第二负载短路监测模块，其特征在于，还包括以上所述的电池保护控制器。
优选地，所述第二充电驱动模块包括第二电阻，而且，所述第二电阻的其中一端连接所述充电开关管的栅极端，所述第二电阻的另外一端连接所述充电开关管的源极端。
优选地，所述第二充电驱动模块包括第三电阻，而且，所述第三电阻的其中一端连接到所述复用引脚，所述第三电阻的另外一端连接所述充电开关管的栅极端。
优选地，所述第二负载短路监测模块包括第四电阻和第二二极管，所述第四电阻的其中一端连接到所述复用引脚，所述第四电阻的另外一端连接第二二极管的阴极，所述第二二极管的阳极连接到充电开关管的源极端。
优选地，所述第二负载短路监测模块包括第四电阻和第二二极管，所述第四电阻的其中一端连接到所述复用引脚，所述第四电阻的另外一端连接第二二极管的阴极，所述第二二极管的阳极连接到充电开关管的漏极端。
优选地，所述充电开关管为N型MOS管或P型MOS管。
实施本发明的技术方案，电池保护控制器的复用引脚具有现有技术中充电驱动引脚及负载短路监测引脚这两个引脚的功能，可减少电池保护控制器封装的引脚数量，进而减少体积和成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，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。附图中：
图1是现有技术中电池充放电保护电路的结构示意图；
图2是本发明电池充放电保护电路实施例一的外部电路图；
图3是本发明电池充放电保护电路实施例一的内部电路图；
图4是本发明电池保护控制器中第一负载短路监测模块实施例一的电路图；
图5是本发明电池保护控制器中第一负载短路监测模块实施例二的电路图；
图6是本发明电池充放电保护电路实施例二的外部电路图；
图7是本发明电池充放电保护电路实施例二的内部电路图；
图8是本发明电池充放电保护电路实施例三的电路图；
图9是本发明电池充放电保护电路实施例四的电路图；
图10是本发明电池充放电保护电路实施例五的电路图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
在此记载的具体实施方式/实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案，都在本发明的保护范围之内。
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。
结合图2和图3，在本发明电池充放电保护电路的实施例一中，该实施例的电池充放电保护电路包括电池保护控制器100和外围元器件，其中，外围元器件包括充电开关管105、第二充电驱动模块114和第二负载短路监测模块113。电池保护控制器100包括第一充电驱动模块207、第一负载短路监测模块204、第一二极管203。而且，该电池保护控制器100的外框设置有电源引脚11、参考地引脚12及复用引脚13，该复用引脚13为一双功能引脚，且分别连接第一充电驱动模块、第二充电驱动模块114和第二负载短路监测模块113，该复用引脚13还连接第一二极管203的阳极，第一二极管203的阴极连接第一负载短路监测模块204。
在该实施例中，电池保护控制器100用于通过第二充电驱动模块114对充电开关管105的通断进行控制，及在发生负载短路保护时通过第二负载短路监测模块113产生负载短路监测电流，以监测负载短路状态是否解除。具体地，第一充电驱动模块207的作用是产生充电开关管105的驱动电流信号，该驱动电流信号通过复用引脚13流入第二充电驱动模块114；第二充电驱动模块114作用是在第一充电驱动模块207产生驱动电流信号时，使充电开关管105的栅极电压和源极电压相等，从而导通充电开关管105。第二负载短路监测模块113的作用是在放电开关管(未示出)因发生负载短路而关断时，产生额外的电流通路，使产生的负载短路监测电流通过耦合的复用引脚13和第一二极管203流入第一负载短路监测模块204；第一负载短路监测模块204的作用是将流入的负载短路监测电流和参考电流进行比较，并根据比较结果输出负载短路状态的监测信号。
通过实施该实施例的技术方案，当正常工作(正常充电或正常放电)时，第一充电驱动模块207输出驱动电流信号，该驱动电流信号通过复用引脚13、第二充电驱动模块114将充电开关管105导通。而当发生负载短路时，第二负载短路监测模块113产生额外的电流通路，使产生的负载短路监测电流通过复用引脚13和第一二极管203流入第一负载短路监测模块204，以使第一负载短路监测模块204将流入的负载短路监测电流和参考电流进行比较，并根据比较结果输出负载短路状态的监测信号。因此，复用引脚13具有现有技术中充电驱动引脚及负载短路监测引脚这两个引脚的功能，可减少电池保护控制器封装的引脚数量，进而减少体积和成本。
图4是本发明电池保护控制器中第一负载短路监测模块实施例一的电路图，该实施例的第一负载短路监测模块204包括：第一稳压二极管301、第一电流源304、第一开关管302和第二开关管303，而且，第一开关管302和第二开关管303均为NMOS管。其中，第一开关管302和第二开关管303共栅共源构成电流镜，第一稳压二极管301的阴极连接第一二极管203的阴极，第一稳压二极管301的阳极连接第一开关管302的栅极和漏极，第一开关管302的源极和第二开关管303的源极分别接参考地，第二开关管303的漏极和第一电流源304的一端连接，而且，第二开关管303的漏极为第一负载短路监测模块204的输出端。在该实施例中，第一稳压二极管301的稳压电压例如为12V左右，第一开关管302和第二开关管303的连接方式构成电流镜，且将流过第一稳压二极管301和第一开关管302的电流镜像到第二开关管303中，第一电流源304的电流可以是设置的一个固定电流I0，也可以是第二电流源(例如图7中的第二电流源206)的镜像电流。
下面说明该第一负载短路监测模块204的工作原理：
在正常工作时，第一充电驱动模块流出一驱动电流，从而将充电开关管105的栅极置为高电位，由于充电开关管的栅极不消耗电流，所以大部分的驱动电流经过第一二极管203流入该第一负载短路监测模块204，此时，该驱动电流经过第一稳压二极管301和第一开关管302到控制器地(电池参考地)，所以充电开关管105的栅极电压将会被箝位在一固定值，该固定值为VD203+VD301+VMNTH，其中VD203是第一二极管203的正向压降，一般在0.7V～1V，VD301是第一稳压二极管301的稳压值，例如为12V，VMNTH是第一开关管302的栅极和源极之间的电压。正常情况下，由于低功耗设计，流过第一开关管302的电流很小，流过第二开关管303的电流是第一开关管302的电流镜像，所以也很小，小于第一电流源304的设定电流，所以第二开关管303的漏极为高电平(因为第一电流源304流入的电流大于从第二开关管303流出的电流)，即，第一负载短路监测模块204输出一个代表未发生负载短路的高电平信号。
当发生负载短路保护时，负载短路监测电流依次经第二负载短路监测模块113、复用引脚13、第一二极管203、第一稳压二极管301、第一开关管302流入参考地，由于第一开关管302上的电流变大，第二开关管303的下拉电流也变大，大于第一电流源304的设定电流，所以第二开关管303的漏极会变成低电压(控制器地)，即，第一负载短路监测模块204输出一代表发生负载短路的低电平信号。而当负载短路状态被移除后，就没有额外的电流经过上述途径流入到第二负载短路监测模块204了，那么第二负载短路监测模块204的输出又回到了高电平，从而实现了负载短路状态的监测。
图5是本发明电池保护控制器中负载短路监测模块实施例二的电路图，该实施例的负载短路监测模块204包括第二稳压二极管307、第一电阻305、比较器306，其中，第二稳压二极管307的阴极连接第一二极管203的阳极，第二稳压二极管307的阳极通过第一电阻305接参考地，比较器306的一个输入端输入参考基准电压(Vref0)，比较器306的另外一个输入端接第二稳压二极管307的阳极，比较器306的输出端为第一负载短路监测模块的输出端。
下面说明该第一负载短路监测模块204的工作原理：流入第一负载短路监测模块204的电流经第二稳压二极管307、第一电阻305后到参考地，第一电阻305上的电压为采样电压，比较器306对该采样电压和基准电压Vref0进行比较，正常情况下，由于流入第一负载短路监测模块204的电流很小，第一电阻305上的电压也较小，比较器306的输出为高电平；当发生负载短路时，由于流入第一负载短路监测模块204的电流变大，所以第一电阻305上的电压也上升，比较器306的输出变为低电平；当负载短路解除后，比较器306的输出又重新变为高电平。
结合图6及图7，在本发明电池充放电保护电路的实施例二中，电池110为两端电池，即，充电正端(CHG+)与电池正极(PACK+)合为一个端口。该实施例的电池充放电保护电路包括电池保护控制器100、充电开关管105(带有寄生二极管105P)、放电开关管106(带有寄生二极管106P)、第二充电驱动模块114、第二负载短路监测模块113、第二放电驱动模块115以及用于采样放电电流的采样电阻112，而且，充电开关管105和放电开关管106均为NMOS管。电池保护控制器100包括第一充电驱动模块207、第一负载短路监测模块204、第一二极管203、第一放电驱动模块(未示出)和负载短路保护模块(未示出)。第一放电驱动模块用于产生放电开关管的驱动电流信号，负载短路保护模块用于在采样电阻112的电压大于预设值时控制放电开关管106关断。
另外，电池保护控制器100的外框设置有电源引脚(BAT4)11、参考地引脚(VSS)12、复用引脚(CHG)13、放电驱动引脚(DSG)14和电流检测引脚(ISEN)15，而且，复用引脚13为一双功能引脚，且分别连接第一充电驱动模块207、第二充电驱动模块114和第二负载短路监测模块113，该复用引脚13还连接第一二极管203的阳极，第一二极管203的阴极连接第一负载短路监测模块204。放电驱动引脚14连接第一放电驱动模块和第二放电驱动模块115。放电开关管106的源极端通过采样电阻112连接电池参考地，放电开关管106的漏极端连接充电开关管105的漏极端，充电开关管105的源极端连接电池负极(PACK-)和充电负端(CHG-)。电池保护控制器100的电流检测引脚15连接放电开关管106的源极端。
下面说明各个模块的电路结构：
首先，第一负载短路监测模块204的电路结构及工作原理可参照原文所述，在此不做赘述。
第一充电驱动模块207包括第二电流源206和开关202，第二电流源206的一端连接复用引脚13，第二电流源206的另一端通过开关202、电源引脚11连接电池110的正极。而且，通过开关202的开启和关闭控制第二电流源206，继而通过与之耦和的复用引脚13和第二充电驱动模块控制所述充电开关管的开启和关闭。
第二充电驱动模块114包括第二电阻104和第三电阻102，而且，第二电阻104的其中一端连接充电开关管105的栅极端，第二电阻104的另外一端连接充电开关管105的源极端。第三电阻102的其中一端连接到复用引脚13，第三电阻102的另外一端连接充电开关管105的栅极端。当然，在其它的实施例中，也可将第三电阻102省去，即，充电开关管105的栅极端直接连接复用引脚13。
第二负载短路监测模块113包括第四电阻101和第二二极管103，第四电阻101的其中一端连接到复用引脚13，第四电阻101的另外一端连接第二二极管103的阴极，第二二极管103的阳极连接到充电开关管105的源极。当然在其它的实施例中，也可将第四电阻101和第二二极管103的位置互换，即，第四电阻101的其中一端连接充电开关管105的源极，第四电阻101的另外一端连接第二二极管103的阳极，第二二极管103的阴极连接到复用引脚13。
第二放电驱动模块115包括第五电阻107和第六电阻111，其中，第五电阻107连接在放电开关管106的栅极端和源极端之间，第六电阻111的一端连接放电驱动引脚14，其另一端连接放电开关管106的栅极端。当然，在其它的实施例中，也可将第六电阻111省去，即，放电开关管111的栅极端直接连接放电驱动引脚14。
下面结合图6和图7说明该电池充放电保护电路的工作原理：
当电池110进行充电时，控制开关202闭合，第二电流源206通过复用引脚(CHG)13流出一个驱动电流，例如命名为ICHARGE，该驱动电流一般较小，约为10uA，而且，该驱动电流经过第二电阻102将充电开关管105开启。另外，由于第二二极管103是反向偏置的，所以该驱动电流不会流过第四电阻101，第一负载短路监测模块204确保复用引脚13上的最高电压被限制在充电开关管105的VGS(栅极和源极电压之差)安全电压内。同时，第一放电驱动模块也会通过放电驱动引脚14流出一放电驱动电流，该放电驱动电流经过第六电阻111将放电开关管106开启。此时，充电开关管105和放电开关管106均处于导通状态，由于采样电阻112以及充电开关管105与放电开关管106的导通电阻均很小，相当于参考地与电池负极(PACK-)直通，只要在充电正端(CHG+)/电池正极(PACK+)与电池负极(PACK-)之间加上充电电压，便形成了充电通路。
当电池110进行放电时，同样地，充电开关管105和放电开关管106均处于导通状态，而且，由于采样电阻112以及充电开关管105与放电开关管106的导通电阻均很小，相当于参考地与电池负极(PACK-)直通，而负载连接在电池正极(PACK+)和电池负极(PACK-)之间，所以可形成放电通路。而且，在电池110正常放电时，采样电阻112上的电压高于电池参考地(也是控制器的参考地)，但不会超过设定值，电池保护控制器100通过其电流采样引脚15判断采样电压不超过设定值，便不会触发放电开关管106关断。
但是，当负载发生短路时，电池保护控制器100通过其电流检测引脚15可检测到采样电阻112上的电压大到超过内部设定值，将会关闭其放电驱动引脚14流出的放电驱动电流，以将放电开关管106的栅极端的电压下拉到电池参考地，所以放电开关管106就立刻就关闭了，此时，电池负极(PACK-)到电池参考地的阻抗变得很大，由于输出负载处于短路状态，电池负极(PACK-)的电压会变大，第二二极管103导通，产生新的负载短路监测电流，例如命名为ISCP_DET，该负载短路监测电流较大，约为100-200uA，而且，该电流经过第二二极管103→第四电阻101→复用引脚13→第一二极管203也流入第一负载短路监测模块204。由于流入第一负载短路监测模块204的电流ISCP_DET+ICHARGE远大于ICHARGE，所以第一负载短路监测模块204检测到大于ICHARGE的电流，便认为发生了负载短路。
当负载短路移除后，通过上述路径流入第一负载短路监测模块204的负载短路监测电流重新小于或则等于ICHARGE，才认为负载短路移除，此时，可通过第一放电驱动模块重新产生放电驱动电流，以重新开启放电开关管106。另外，在上述路径上，由于流过电池保护控制器100的复用引脚13的电流不能太大，所以引入第四电阻101进行电流限制，以避免损坏该复用引脚。
图8是本发明电池充放电保护电路实施例三的结构示意图，该实施例电池充放电保护电路相比图7所示的电池充放电保护电路，所不同的仅是：第二负载短路监测模块113中的第二二极管103的正极连接放电开关管106的漏极端，其它相同的地方在此不做赘述。
图9是本发明电池充放电保护电路实施例四的结构示意图，该实施例电池充放电保护电路相比图7所示的电池充放电保护电路，所不同的主要是：
充电开关管105A选用P型MOS管(带寄生二极管)，而且，充电开关管105A的漏极端连接电池正极，充电开关管105A的源极端连接充电正端(CHG+)。另外，放电开关管106的漏极端直接连接电池负极(PAC-)及充电负端(CHG-)。
第一充电驱动模块207A包括第二电流源206A和开关202A，第二电流源206A的其中一端连接第一二极管203A的阳极及开关202A的一端，开关202的另一端连接复用引脚，第一二极管203A的阴极连接第二负载短路监测模块204。当然，在其它的实施例中，也可将第一二极管203A的阳极直接连接复用引脚13。
第二负载短路监测模块113A包括第三电阻101A和第二二极管103A，其中，第三电阻101A的其中一段连接复用引脚13，第三电阻101A的另一段连接第二二极管103A的阴极，第二二极管103A的阳极连接放电开关管106的漏极。
应理解，该实施例的电池充放电保护电路与图7所示的电池充放电保护电路的工作原理类似，在此不做赘述。
图10是本发明电池充放电保护电路实施例五的结构示意图，该实施例相比图7所示的实施例所不同的主要是：电池110为三端电池，该电池充放电保护电路还包括第三二极管115，该第三二极管115的负极连接电池正极(PAC+)，第三二极管115的正极连接充电正端(CHG+)。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何纂改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种电池保护控制器，用于通过第二充电驱动模块对充电开关管的通断进行控制，及在发生负载短路保护时通过第二负载短路监测模块产生负载短路监测电流以监测负载短路状态是否解除，所述电池保护控制器包括用于产生充电开关管的驱动电流信号的第一充电驱动模块，以及，用于将流入的负载短路监测电流和参考电流进行比较，并根据比较结果输出负载短路状态的监测信号的第一负载短路监测模块，其特征在于，所述电池保护控制器包括第一二极管及设置于外框的复用引脚，所述复用引脚分别连接第一充电驱动模块、第二充电驱动模块和第二负载短路监测模块，所述复用引脚还连接所述第一二极管的阳极，所述第一二极管的阴极连接所述第一负载短路监测模块。
2.根据权利要求1所述的电池保护控制器，其特征在于，所述第一负载短路监测模块包括：第一稳压二极管、第一电流源、第一开关管和第二开关管，其中，所述第一开关管和第二开关管共栅共源构成电流镜，所述第一稳压二极管的阴极连接所述第一二极管的阴极，所述第一稳压二极管的阳极连接所述第一开关管的栅极和漏极，所述第二开关管的漏极和所述第一电流源的一端连接，而且，所述第二开关管的漏极为所述第一负载短路监测模块的输出端。
3.根据权利要求1所述的电池保护控制器，其特征在于，所述第一负载短路监测模块包括：第二稳压二极管、第一电阻和一个比较器；其中，所述第二稳压二极管的阴极连接所述第一二极管的阳极，所述第二稳压二极管的阳极通过所述第一电阻接参考地，所述比较器的一个输入端输入参考基准电压，所述比较器的另外一个输入端接所述第二稳压二极管的阳极，所述比较器的输出端为所述第一负载短路监测模块的输出端。
4.根据权利要求1所述的电池保护控制器，其特征在于，所述第一充电驱动模块包括第二电流源和开关，通过所述开关的开启和关闭控制所述第二电流源，继而通过与之耦和的所述复用引脚和所述第二充电驱动模块控制所述充电开关管的开启和关闭。
5.一种电池充放电保护电路，包括充电开关管、第二充电驱动模块和第二负载短路监测模块，其特征在于，还包括权利要求1-4任一项所述的电池保护控制器。
6.根据权利要求5所述的电池充放电保护电路，其特征在于，所述第二充电驱动模块包括第二电阻，而且，所述第二电阻的其中一端连接所述充电开关管的栅极端，所述第二电阻的另外一端连接所述充电开关管的源极端。
7.根据权利要求6所述的电池充放电保护电路，其特征在于，所述第二充电驱动模块包括第三电阻，而且，所述第三电阻的其中一端连接到所述复用引脚，所述第三电阻的另外一端连接所述充电开关管的栅极端。
8.根据权利要求5所述的电池充放电保护电路，其特征在于，所述第二负载短路监测模块包括第四电阻和第二二极管，所述第四电阻的其中一端连接到所述复用引脚，所述第四电阻的另外一端连接第二二极管的阴极，所述第二二极管的阳极连接到充电开关管的源极端。
9.根据权利要求5所述的电池充放电保护电路，其特征在于，所述第二负载短路监测模块包括第四电阻和第二二极管，所述第四电阻的其中一端连接到所述复用引脚，所述第四电阻的另外一端连接第二二极管的阴极，所述第二二极管的阳极连接到充电开关管的漏极端。
10.根据权利要求5所述的电池充放电保护电路，其特征在于，所述充电开关管为N型MOS管或P型MOS管。
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