CN112039172B - 一种栅极衬底控制电路、锂电池及其保护芯片的保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种栅极衬底控制电路、锂电池及其保护芯片的保护装置，栅极衬底控制电路包括多个电平转换电路、多个输入端、第二MOS管、第三MOS管、第二电阻和第四MOS管，第二MOS管的源极和衬底连接VDD端，第二MOS管的漏极与第三MOS管的源极和衬底连接，第二电阻的一端连接第三MOS管的漏极且另一端连接第四MOS管的漏极，第二MOS管的栅极与第四MOS管的栅极连接后连接其中一个电平转换电路的VGATE1N端。本发明通过两个P沟道MOS管串联，来减少每个P沟道MOS管的电压值，从而提高栅极衬底控制电路的抗尖峰电压和耐直流电压的能力，进而提高锂电池保护芯片及其保护装置的耐压能力。

Description

一种栅极衬底控制电路、锂电池及其保护芯片的保护装置

技术领域

本发明涉及锂电池保护技术领域，具体涉及一种栅极衬底控制电路、锂电池及其保护芯片的保护装置。

背景技术

随着近年来移动终端功能的不断增加，移动终端的性能也在飞速提升，这对终端电池也提出了更多的要求。目前，为了将电路面积做到最小以及成本做到最低，通常选用5VCMOS工艺来实现。而5V CMOS工艺MOS管击穿电压在8V至12V之间。由于电池保护电路在充放电以及生产测试过程中可能会产生高达12V以上的尖峰电压以及直流高电压，用5V CMOS工艺做成的电池保护电路会被尖峰电压或者直流高电压击穿从而造成电池保护电路的损坏。

现有技术中，直观的解决办法是选用击穿电压更高的半导体工艺来增加电池保护电路的耐压值，使其能够承受12V以上的尖峰电压以及直流高电压，但是会增加工艺层数以及大大增加半导体器件在芯片上所占用的面积，使保护电路的成本大大上涨。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种栅极衬底控制电路、锂电池及其保护芯片的保护装置，采用两个P沟道MOS管串联后再串联电阻，通过降低每个P沟道MOS管的工作电压，从而提高充电器端抗尖峰电压和直流电压的能力。

本发明采用的技术方案是：

本申请提供了一种栅极衬底控制电路，包括多个电平转换电路、多个输入端、第二MOS管、第三MOS管、第二电阻和第四MOS管，其中：

所述第二MOS管的漏极与第三MOS管的源极连接，所述第二电阻一端连接第三MOS管的漏极且另一端连接第四MOS管的漏极，第二MOS管的栅极与第四MOS管的栅极连接后连接其中一个电平转换电路的VGATE1N端，第三MOS管的栅极连接VGND端，第四MOS管的源极与多个电平转换电路的VSS端连接；

所述输入端包括VGATE1端、VOC端和VCHOC端且分别连接多个电平转换电路的输入端，其中：

VGATE1端用于判断异常工作状态，当电池电压偏低、电池电压偏高、充电电流偏大、放电电流偏大和锂电池保护芯片温度偏高等异常状态出现时，并经过对应的延时后VGATE1端输出为低电平；正常状态时输出为高电平；

VOC端用于判断异常充电状态，当电池电压偏高、过充电流偏大和充电过温的异常状态出现时，并经过对应的延时后输出电压为低电平；其他状态时输出为高电平；

VCHOC端用于充电过流比较器的结果输出，充电器与负载的连接端电压低于设定的充电过流检测电压时为低电平；其他状态输出为高电平；

所述电平转换电路包括第十二MOS管、第十三MOS管、第十四MOS管、第十五MOS管、第三电阻、第四电阻、第十六MOS管和第十七MOS管，其中：所述第十二MOS管的漏极与第十六MOS管的源极连接，第十四MOS管的漏极与第十七MOS管的源极连接，所述第三电阻一端连接第十六MOS管的漏极且另一端连接第十三MOS管的漏极和第十五MOS管的栅极，所述第四电阻一端连接第十七MOS管的漏极且另一端分别连接第十五MOS管的漏极和第十三MOS管的栅极，第十三MOS管的源极与第十五MOS管的源极连接。

优先地，所述栅极衬底控制电路还包括第六MOS管、第七MOS管、第八MOS管、第九MOS管、VSS端和多个输出端，所述输出端包括VGATE端和VSUB端，其中：

所述第六MOS管的源极和第七MOS管的源极连接后连接VSUB端，第六MOS管的漏极分别连接电池的VGND端和第八MOS管的漏极，第六MOS管的栅极连接其中一个电平转换电路的VOCP端；

所述第七MOS管的漏极分别连接充电器的VM端和第九MOS管的漏极，第七MOS管的栅极连接其中一个电平转换电路的VOCN端；

所述第八MOS管的源极和第九MOS管的源极连接后连接VSS端，并连接到电平转换电路的VSS端，第八MOS管的栅极连接其中一个电平转换电路的VCHOCP端；

所述第九MOS管的栅极连接其中一个电平转换电路的VCHOCN端；

所述第二电阻与第四MOS管的漏极连接后连接VGATE端。

优先地，所述电平转换电路还包括非门电路且包括第十MOS管和第十一MOS管，其中：第十MOS管的栅极和第十一MOS管的栅极连接后连接电平转换电路的输入端且输入端还连接第十二MOS管的栅极，第十MOS管的源极、第十二MOS管的源极和第十四MOS管的源极连接，第十MOS管的漏极与第十一MOS管的漏极连接后与第十四MOS管的栅极连接，第十一MOS管的源极、第十六MOS管的栅极和第十七MOS管的栅极连接。

本发明还提出一种改进方案，所述电平转换电路还包括多个钳压电路，多个钳压电路分别设于第十三MOS管的漏极和源极之间与第十五MOS管的漏极和源极之间。

基于上述的栅极衬底控制电路，本申请还提供了一种保护电路，包括上述的栅极衬底控制电路，还包括基本保护电路和第一MOS管，其中：所述栅极衬底控制电路的VGATE端连接第一MOS管的栅极，所述栅极衬底控制电路的VSUB端连接第一MOS管的衬底，第一MOS管的源极和漏极的一端连接到VGND端且另一端连接到VM端；所述基本保护电路的输出端分别连接栅极衬底控制电路的输入端。

优先地，所述第一MOS管、第四MOS管、第六MOS管、第七MOS管、第八MOS管、第九MOS管、第十一MOS管、第十三MOS管和第十五MOS管均为N沟道MOS管；所述第二MOS管、第三MOS管、第十MOS管、第十二MOS管、第十四MOS管、第十六MOS管和第十七MOS管均为P沟道MOS管。

基于上述的保护电路，本申请还提供了一种锂电池保护芯片，包括上述的保护电路。

基于上述的锂电池保护芯片，本申请还提供了一种提高充电器耐压的保护装置，包括上述的锂电池保护芯片，还包括电池、第一电阻、第一电容、第一开关、第二开关、充电器和负载，其中：

所述第一电阻一端分别连接电池的正极、第一开关和第二开关，所述第一电阻的另一端分别连接第一电容和锂电池保护芯片的供电电压端；

所述第一电容的另一端与电池的负极、基本保护电路的输入端、第六MOS管的漏极、第八MOS管的漏极和第一MOS管的源极和漏极的一端连接后接地；

所述充电器一端与第一开关连接且另一端分别连接负载、第一MOS管的源极和漏极的另一端、第七MOS管的漏极、第九MOS管的漏极和锂电池保护芯片的输入端；

所述负载一端与第二开关连接且另一端连接第一MOS管的源极和漏极一端后与充电器并联。

基于上述的锂电池保护芯片，本申请还提供了一种锂电池，包括上述的锂电池保护芯片。

本发明的有益效果是：

1.栅极衬底控制电路中将第二MOS管、第三MOS管和第二电阻串联连接，大幅度提升击穿电压，同时利用第二电阻限流并消耗超过击穿电压的那部分电压，确保第二MOS管和第三MOS管不会因为击穿而损坏，从而提高栅极衬底控制电路的耐压能力；

2.电平转换电路中，将第十六MOS管、第十二MOS管和第三电阻串联连接，将第十四MOS管、第十七MOS管和第四电阻串联连接，大大提高击穿电压，同时利用第三电阻和第四电阻限流并消耗超过击穿电压的那部分电压，提高电平转换电路的耐压能力，从而提高栅极衬底控制电路的耐压能力，最终提高锂电池保护芯片的耐压能力；

3.电平转换电路中，分别在第十三MOS管与第十五MOS管的漏极和源极间均连接钳压电路，确保第十三MOS管和第十五MOS管的栅极电压低于本身栅极的极限电压，从而提高锂电池保护芯片的性能和工作寿命。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的锂电池保护应用框图；

图2是本发明的栅极衬底控制电路的电路图；

图3是本发明的电平转换电路的电路图；

图4是本发明的实施例二中的电平转换电路的电路图。

图中标记为：1.栅极衬底控制电路，11.电平转换电路，111.钳压电路，2.基本保护电路，3.锂电池保护芯片，4.电池，5.充电器，6.负载。

具体实施方式

实施例一

如图2所示，本申请提供了一种栅极衬底控制电路，包括多个电平转换电路11、多个输入端、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第二电阻R2和第四MOS管M4，其中：

第二MOS管M2的源极和衬底连接VDD端，第二MOS管M2的漏极与第三MOS管M3的源极和衬底连接，第二电阻R2的一端连接第三MOS管M3的漏极且另一端连接第四MOS管M4的漏极，第二MOS管M2的栅极与第四MOS管M4的栅极连接后连接其中一个电平转换电路11的VGATE1N端，第三MOS管M3的栅极连接VGND端，第四MOS管M4的源极和衬底与多个电平转换电路11的VSS端连接。

栅极衬底控制电路1的输入端包括VGATE1端、VOC端和VCHOC端，且分别连接多个电平转换电路11的输入端，其中：

VGATE1端用于判断异常工作状态，当电池4电压偏低、电池4电压偏高、充电电流偏大、放电电流偏大和锂电池保护芯片3温度偏高等异常状态出现时，并经过对应的延时后VGATE1端输出为低电平，正常状态时输出为高电平；

VOC端用于判断异常充电状态，当电池4电压偏高、过充电流偏大和充电过温的异常状态出现时，并经过对应的延时后输出电压为低电平，其他状态时输出为高电平；

VCHOC端用于充电过流比较器的结果输出，充电器5与负载6的连接端电压低于设定的充电过流检测电压时为低电平，其他状态输出为高电平。

栅极衬底控制电路1还包括第六MOS管M6、第七MOS管M7、第八MOS管M8、第九MOS管M9、VSS端和多个输出端，输出端包括VGATE端和VSUB端，其中：

第六MOS管M6的源极和衬底与第七MOS管M7的源极和衬底连接后连接VSUB端，第六MOS管M6的漏极分别连接电池4的VGND端和第八MOS管M8的漏极，第六MOS管M6的栅极连接其中一个电平转换电路11的VOCP端；

第七MOS管M7的漏极分别连接充电器5的VM端和第九MOS管M9的漏极，第七MOS管M7的栅极连接其中一个电平转换电路11的VOCN端；

第八MOS管M8的源极和衬底与第九MOS管M9的源极和衬底连接后连接VSS端并连接到电平转换电路11的VSS端，第八MOS管M8的栅极连接其中一个电平转换电路11的VCHOCP端；

第九MOS管M9的栅极连接其中一个电平转换电路11的VCHOCN端；

第二电阻R2与第四MOS管M4的漏极连接后连接VGATE端。

在系统进入充电过流保护或过充电压保护状态时，VGATE1端、VOC端、VCHOC端都为低电平。

VCHOC端为低电平，则VCHOCP端为低电平，VCHOCN端为高电平，则第八MOS管M8截止，第九MOS管M9导通，VSS端电位等于VM端电压；

VOC端为低电平，则VOCP端为低电平，则VOCN端为高电平，第六MOS管M6截止、第七MOS管M7导通，VSUB端连接到VM端；

VGATE1端为低电平，则VGATE1N端为高电平，第二MOS管M2截止、第四MOS管M4导通。第二MOS管M2、第三MOS管M3先串联，再串联第二电阻R2的方式，能明显提高击穿电压，同时利用第二电阻R2限流，即使电压超过2个 MOS管的击穿电压，第二电阻R2也会消耗超过击穿电压的多余电压，确保2个MOS管不会因为电压过高而损坏，进而提高栅极衬底控制电路1的耐压能力，进而提高锂电池保护芯片3的耐压能力。

如图3所示，电平转换电路11包括第十二MOS管M12、第十三MOS管M13、第十四MOS管M14、第十五MOS管M15、第三电阻R3、第四电阻R4、第十六MOS管M16和第十七MOS管M17，其中：第十二MOS管M12的漏极与第十六MOS管M16的源极连接，第十四MOS管M14的漏极与第十七MOS管M17的源极连接，第三电阻R3一端连接第十六MOS管M16的漏极且另一端分别连接第十三MOS管M13的漏极和第十五MOS管M15的栅极，第四电阻R4一端连接第十七MOS管M17的漏极且另一端分别连接第十五MOS管M15的漏极和第十三MOS管M13的栅极，第十三MOS管M13的源极与第十五MOS管的源极连接。

电平转换电路11还包括非门电路且包括第十MOS管M10和第十一MOS管M11，其中：第十MOS管M10的栅极和第十一MOS管M11的栅极连接后连接电平转换电路11的输入端且还连接第十二MOS管M12的栅极，第十MOS管M10的源极、第十二MOS管M12的源极和第十四MOS管M14的源极连接，第十MOS管M10的漏极与第十一MOS管M11的漏极连接后与第十四MOS管M14的栅极连接，第十一MOS管M11的源极、第十六MOS管M16的栅极和第十七MOS管M17的栅极连接。

如图3所示，当非门电路的输入端为低电平时，第十MOS管M10、第十二MOS管M12、第十五MOS管M15和第十六MOS管M16均导通，第十一MOS管M11、第十三MOS管M13和第十四MOS管M14均截止；当非门电路的输入端为高电平时，第十一MOS管M11、第十三MOS管M13、第十四MOS管M14和第十七MOS管M17均导通，第十MOS管M10、第十二MOS管M12和第十五MOS管M15均截止；第十二MOS管M12、第十六MOS管M16和第三电阻R3串联连接，第十四MOS管M14、第十七MOS管M17和第四电阻R4串联连接，提高击穿电压，同时第三电阻R3和第四电阻R4限流并消耗掉超过击穿电压的那部分电压，确保四个MOS管不会因为电压过高而损坏，从而提高电平转换电路11、栅极衬底控制电路1和锂电池保护芯片3的耐压能力。

如图1所示，基于上述的栅极衬底控制电路1，本申请还提供了一种保护电路，包括上述的栅极衬底控制电路1，还包括基本保护电路2和第一MOS管M1，其中：栅极衬底控制电路1的VGATE端连接第一MOS管M1的栅极且VSUB端连接第一MOS管M1的衬底，第一MOS管M1的源极或漏极的一端连接到VGND端且另一端连接到VM端；基本保护电路2的输出端分别连接栅极衬底控制电路1的输入端；通过电平转换电路11、第十二MOS管M12、第十三MOS管M13和第二电阻R2的共同作用下，提高锂电池保护芯片3的耐压能力，进而提高保护电路的耐压能力。

第一MOS管M1、第四MOS管M4、第六MOS管M6、第七MOS管M7、第八MOS管M8、第九MOS管M9、第十一MOS管M11、第十三MOS管M13和第十五MOS管M15均为N沟道MOS管；第二MOS管M2、第三MOS管M3、第十MOS管M10、第十二MOS管M12、第十四MOS管M14、第十六MOS管M16和第十七MOS管M17均为P沟道MOS管。

如图1所示，基于上述的保护电路，本申请还提供了一种锂电池保护芯片，包括上述的保护电路，通过提高保护电路的耐压能力来提高锂电池保护芯片3的耐压能力和使用寿命，锂电池保护芯片3可以为具有上述保护电路的任意锂电池保护芯片3。

如图1所示，基于上述的锂电池保护芯片3，本申请还提供了一种提高充电器耐压的保护装置，包括上述的锂电池保护芯片3，还包括电池4、第一电阻R1、第一电容C1、第一开关K1、第二开关K2、充电器5和负载6，其中：

第一电阻R1一端分别连接电池4的正极、第一开关K1和第二开关K2，第一电阻R1的另一端分别连接第一电容C1和锂电池保护芯片3的供电电压端；

第一电容C1的另一端与电池4的负极、基本保护电路2的输入端、第六MOS管M6的漏极、第八MOS管M8的漏极和第一MOS管M1的源极或漏极的一端连接后接地，吸收峰值电压，减小干扰，为锂电池保护芯片3的供电电压端提供信噪比较高的供电电压；

充电器5一端与第一开关K1连接且另一端分别连接负载6、第一MOS管M1的源极或漏极的另一端、第七MOS管M7的漏极、第九MOS管M9的漏极和锂电池保护芯片3的输入端；

负载6一端与第二开关K2连接且另一端连接第一MOS管M1的源极或漏极的一端后与充电器5并联。

如图1所示，基于上述的锂电池保护芯片3，本申请还提供了一种锂电池，包括上述的锂电池保护芯片3，通过提高上述锂电池保护芯片3的耐压能力，进而增加锂电池的使用寿命，锂电池可以为具有上述设计的锂电池保护芯片3的任意锂电池。

实施例二

如图4所示，本实施例与实施例一的不同之处在于电平转换电路11还包括多个钳压电路111，多个钳压电路111分别设于第十三MOS管M13的漏极和源极之间与第十五MOS管M15的漏极和源极之间，确保第十三MOS管M13和第十五MOS管M15的栅极电压低于本身栅极的极限电压，提高锂电池保护芯片3的耐压能力和增加工作寿命。

本发明的优点：通过两个P沟道MOS管串联，来降低多个P沟道MOS管的电压值，从而提高栅极衬底控制电路的抗尖峰电压和耐直流电压的能力，进而提高锂电池保护芯片的耐压能力。

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，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (9)

1.一种栅极衬底控制电路，其特征在于：包括多个电平转换电路、多个输入端、第二MOS管、第三MOS管、第二电阻和第四MOS管，其中：

所述第二MOS管的源极和衬底连接VDD端，所述第二MOS管的漏极与第三MOS管的源极和衬底连接，所述第二电阻的一端连接第三MOS管的漏极且另一端连接第四MOS管的漏极，第二MOS管的栅极与第四MOS管的栅极连接后连接其中一个电平转换电路的VGATE1N端，第三MOS管的栅极连接VGND端，第四MOS管的源极和衬底与多个电平转换电路的VSS端连接；

所述输入端包括VGATE1端、VOC端和VCHOC端，且分别连接多个电平转换电路的输入端，VGATE1端用于判断异常工作状态，VOC端用于判断异常充电状态，VCHOC端用于充电过流比较器的结果输出；

所述电平转换电路包括第十二MOS管、第十三MOS管、第十四MOS管、第十五MOS管、第三电阻、第四电阻、第十六MOS管和第十七MOS管，其中：所述第十二MOS管的漏极与第十六MOS管的源极连接，第十四MOS管的漏极与第十七MOS管的源极连接，所述第三电阻一端连接第十六MOS管的漏极且另一端连接第十三MOS管的漏极和第十五MOS管的栅极，所述第四电阻一端连接第十七MOS管的漏极且另一端连接第十五MOS管的漏极和第十三MOS管的栅极，第十三MOS管的源极与第十五MOS管的源极连接。

2.根据权利要求1所述的栅极衬底控制电路，其特征在于：还包括第六MOS管、第七MOS管、第八MOS管、第九MOS管、VSS端和多个输出端，所述输出端包括VGATE端和VSUB端，其中：

所述第六MOS管的源极和第七MOS管的源极连接后连接VSUB端，第六MOS管的漏极分别连接电池的VGND端和第八MOS管的漏极，第六MOS管的栅极连接其中一个电平转换电路的VOCP端；

所述第七MOS管的漏极连接充电器的VM端和第九MOS管的漏极，第七MOS管的栅极连接其中一个电平转换电路的VOCN端；

所述第八MOS管的源极和衬底与第九MOS管的源极和衬底连接后连接VSS端并连接到电平转换电路的VSS端，第八MOS管的栅极连接其中一个电平转换电路的VCHOCP端；

所述第九MOS管的栅极连接其中一个电平转换电路的VCHOCN端；

所述第二电阻与第四MOS管的漏极连接后连接VGATE端。

3.根据权利要求1所述的栅极衬底控制电路，其特征在于：所述电平转换电路还包括非门电路且包括第十MOS管和第十一MOS管，其中：第十MOS管的栅极和第十一MOS管的栅极连接后连接电平转换电路的输入端且输入端还连接第十二MOS管的栅极，第十MOS管的源极、第十二MOS管的源极和第十四MOS管的源极连接，第十MOS管的漏极与第十一MOS管的漏极连接后与第十四MOS管的栅极连接，第十一MOS管的源极、第十六MOS管的栅极和第十七MOS管的栅极连接。

4.根据权利要求1所述的栅极衬底控制电路，其特征在于：所述电平转换电路还包括两个钳压电路，其中一个钳压电路设于第十三MOS管的漏极和源极之间，另一个钳压电路设于第十五MOS管的漏极和源极之间。

5.一种保护电路，其特征在于：包括如权利要求1至4中任一项所述的栅极衬底控制电路，还包括基本保护电路和第一MOS管，其中：所述栅极衬底控制电路的VGATE端连接第一MOS管的栅极，所述栅极衬底控制电路的VSUB端连接第一MOS管的衬底；所述基本保护电路的第一输出端连接栅极衬底控制电路的VGATE1端，所述基本保护电路的第二输出端连接栅极衬底控制电路的VOC端，所述基本保护电路的第三输出端连接栅极衬底控制电路的VCHOC端。

6.根据权利要求5所述的保护电路，其特征在于：所述第一MOS管、第四MOS管、第六MOS管、第七MOS管、第八MOS管、第九MOS管、第十一MOS管、第十三MOS管和第十五MOS管均为N沟道MOS管；所述第二MOS管、第三MOS管、第十MOS管、第十二MOS管、第十四MOS管、第十六MOS管和第十七MOS管均为P沟道MOS管。

7.一种锂电池保护芯片，其特征在于：包括如权利要求5至6中任一项所述的保护电路。

8.一种提高充电器耐压的保护装置，其特征在于：包括如权利要求7所述的锂电池保护芯片，还包括电池、第一电阻、第一电容、第一开关、第二开关、充电器和负载，其中：

所述第一电阻一端连接电池的正极、第一开关和第二开关，所述第一电阻的另一端连接第一电容和锂电池保护芯片；

所述第一电容的另一端与电池的负极、基本保护电路的输入端、第六MOS管的漏极、第八MOS管的漏极和第一MOS管的源极或漏极的一端连接后接地；

所述充电器一端与第一开关连接且另一端分别连接负载、第一MOS管的源极或漏极的另一端、第七MOS管的漏极、第九MOS管的漏极和锂电池保护芯片的输入端；

所述负载一端与第二开关连接且另一端连接第一MOS管的源极或漏极的一端后与充电器并联。

9.一种锂电池，其特征在于：包括如权利要求7所述的锂电池保护芯片。

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