CN112531818A - 一种超简洁的四串锂电池保护芯片及外围电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超简洁四串锂电池保护芯片及外围电路，所述芯片包括电源电路模块、逻辑处理电路模块、电压检测电路模块、延时控制电路模块、电流检测电路模块、充电控制电路模块、放电控制电路模块、负载检测电路模块、三路复用管脚判断电路模块、内部烧录电路模块、三元锂或铁锂参数电路模块以及安全防护电路模块，目的在于克服目前市面上芯片及其外围电路的不足，使之实现芯片集成度高，芯片功能精简度高，芯片封装尺寸小，芯片管脚少，芯片外围电路简洁。

Description

一种超简洁的四串锂电池保护芯片及外围电路

技术领域

本发明涉及多串数锂电池保护电路技术领域，特别涉及一种超简洁的四串锂电池保护芯片及外围电路。

背景技术

随着技术的革新及国家政策的号召，锂电池的使用范围越来越普遍，其中四串的锂电池芯片及其外围电路设计也越来越广泛地应用于电动工具行业，太阳能储能行业，快速消费电子行业，航模及玩具行业等，目前市场上的四串锂电池保护多采用德州仪器，日本精工或其他国内国外厂商的芯片及配套外围电路，但这些芯片及电路都存在多个不足之处，例如芯片管脚多，封装大，功能精简度低，外围电路元器件多且复杂，图1为目前市面上一种常见四串芯片及其外围电路设计，显而易见，其芯片管脚数目多，功能精简度低，外围元器件数量多，布局复杂。

发明内容

为了解决上述技术问题，本方案提供一种超简洁的四串锂电池保护芯片及外围电路，所述芯片包括电源电路模块、逻辑处理电路模块、电压检测电路模块、延时控制电路模块、电流检测电路模块、充电控制电路模块、放电控制电路模块、负载检测电路模块、三路复用管脚判断电路模块、内部烧录电路模块、三元锂或铁锂参数电路模块以及安全防护电路模块。

所述逻辑处理模块连接各模块，接收相应的电平信号数据，分析运算后，向相应的电路模块提供处理信号。

所述电压检测模块接收外部四串电池每一串的电压信号，并将信号提供给逻辑处理电路模块，所述电压检测电路模块连接第二复用管脚模块和第三复用管脚模块，通过芯片管脚分别连接外围电路第一滤波电阻与第一滤波电容、外围电路第二滤波电阻与第二滤波电容、外围电路第三滤波电阻与第三滤波电容以及外围电路第四滤波电阻与第四滤波电容。

所述电流检测模块用于接收过流保护和短路保护的输入信号，并将信号提供给逻辑处理电路模块，所述电流检测模块和负载检测电路模块连接第一复用管脚模块，并通过第一复用管脚电路模块后经芯片管脚连接外围电路限流电阻，负载检测电路模块作用是当芯片处于放电保护状态后，用以检测外部负载是否存在的判断依据。

所述第一复用管脚模块用于逻辑处理电路模块根据当前的工作状态和功能需求，来决定当时是作为电流检测或者是负载检测使用，第二复用管脚模块通过内部设计，可以实现给整个芯片内部电路模块供电的同时，也可以精确采样最高端第一串电池的电压信号，第三复用管脚模块在芯片生产期间，可以同时作为最低端第一串电池的电压采样信号和烧录使用的信号脚，在后续搭配外围电路时，仅仅作为最低端第一串电池的电压采样信号使用。

所述内部烧录电路模块用于在芯片生产时，烧录设定的保护阈值，实现一颗芯片可以有多种不同的参数型号。

所述延时控制电路模块用于提供逻辑处理电路模块判断保护或者恢复时所需持续时间，是逻辑处理电路模块判断保护或者恢复时需要的时间基础，也是为了防止误判的重要部分。

所述内部充电控制电路模块接收逻辑处理电路模块处理信号的结果，实现充电过程的正常电平信号和保护电平信号的输出，通过芯片管脚连接外围电路下拉电阻以及外围电路第一N型场效应管栅极。

所述内部放电控制电路模块接收逻辑处理电路模块处理信号的结果，实现放电过程的正常电平信号和保护电平信号的输出，通过芯片管脚连接第二N型场效应管栅极。

作为本发明的一种改进，安全防护模块为整个芯片提供安全保护，一般有防静电，耐高压，防反接等防护，提供更稳定的工作环境，大大降低芯片失效率。

作为本发明的一种改进，电池电压通过滤波电阻电容滤波后，通过经第三复用管脚模块判断后进入电压检测电路模块。

作为本发明的一种改进，通过逻辑处理电路模块分析电压检测模块检测到的电压信号是否高于过充阈值、低于过放阈值或低于断线阈值，以及分析电流检测电路模块检测到的电流压降信号是否高于过流阈值或短路阈值。

作为本发明的一种改进，所述下拉电阻另外一端连接第一N型场效应管源极，第一N型场效应管漏极与第二N型场效应管漏极相互连接，第二场N型效应管源极接地。

作为本发明的一种改进，所述限流电阻另外一端连接第一N型场效应管漏极与第二N型场效应管漏极。

基于上述技术方案，进一步提供一种超简洁的四串锂电池保护芯片外围电路，所述电路包含外围电路第一滤波电阻与第一滤波电容，外围电路第二滤波电阻与第二滤波电容，外围电路第三滤波电阻与第三滤波电容，外围电路第四滤波电阻与第四滤波电容，外围电路下拉电阻，外围电路限流电阻，外围电路第一N型场效应管与第二N型场效应管以及四串锂电池保护芯片，第一N型场效应管和第二N型场效应管分别接收芯片内部充电控制电路模块和放电控制电路模块的信号，开启或关闭充电或放电回路，下拉电阻配合内部充电控制电路模块的保护信号完全关闭第一N型场效应管，限流电阻采集电路工作时的电流信号或者放电保护后的负载存在信号，并通过管脚进入电流检测电路模块或负载检测电路模块。

作为本发明的一种改进，滤波电容配合滤波电阻，检测四串电池组每一串的电压信号，通过芯片管脚进入电压检测电路模块。

作为本发明的一种改进，所述外围电路第一N型场效应管与第二N型场效应管分别接收芯片内部充电控制电路模块和放电控制电路模块的信号，开启或关闭充电放电回路。

作为本发明的一种改进，所述下拉电阻配合内部充电控制电路模块的充电保护信号完全关闭第一N型场效应管。

作为本发明的一种改进，所述限流电阻采集电路工作时的电流信号或者放电保护后的负载存在信号，并通过管脚进入电流检测电路模块或负载检测电路模块。

本发明的有益效果是：通过芯片内部电路模块的功能，配合外围电路设计，最终实现了四串锂电池保护的超简洁电路设计，实现了四串锂电池保护芯片的高精简化，高集成化，小型化和低成本化，实现了整个锂电池保护电路的外围元器件数量精简化，外围电路布局简洁化，节省设计时间，降低设计难度，节约物料成本。

附图说明

图1为目前市面上一种常见四串芯片及其外围电路设计图。

图2为市面上一种封装简单的单串锂电池芯片及其外围电路设计图。

图3为单串锂电池保护芯片实现四串应用的外围电路设计图。

图4为本发明中芯片的内部电路模块结构图。

图5为本发明中芯片配合外围电路设计的电路原理图。

具体实施方式

以下将结合附图1至附图5对本发明做进一步地说明，但不应以此来限制本发明的保护范围，为了方便说明且理解本发明的技术方案，以下说明均以附图所展示为准。

实施例：根据图4所示，所述芯片包括电源电路模块401、逻辑处理电路模块402、电压检测电路模块405、延时控制电路模块406、电流检测电路模块407、充电控制电路模块408、放电控制电路模块409、负载检测电路模块410、三路复用管脚判断电路模块411，412，413、内部烧录电路模块414、三元锂或铁锂参数电路模块403以及安全防护电路模块404，所述逻辑处理模块402连接各模块，接收相应的电平信号数据，分析运算后，向相应的电路模块提供处理信号。

所述电压检测电路模块405连接第二复用管脚模块412和第三复用管脚模块413，通过芯片管脚（VCC，VC3，VC2，VC1）分别连接外围电路第一滤波电阻501与第一滤波电容511、外围电路第二滤波电阻502与第二滤波电容512、外围电路第三滤波电阻503与第三滤波电容513以及外围电路第四滤波电阻504与第四滤波电容514，接收外部四串电池电压信号并将信号提供给逻辑处理电路模块。

所述电流检测模块407和负载检测电路模块410连接第一复用管脚模块411，并通过第一复用管脚电路模块411后经芯片管脚VM连接外围电路限流电阻506。

所述内部充电控制电路模块408接收逻辑处理电路模块402处理信号的结果，通过芯片管脚CO连接外围电路下拉电阻505以及外围电路第一N型场效应管栅极521。

所述内部放电控制电路模块409接收逻辑处理电路模块402处理信号的结果，通过芯片管脚DO连接第二N型场效应管栅极522。

电池电压通过滤波电阻（501，502，503，504）和滤波电容（511，512，513，514）滤波后，通过芯片管脚（VCC，VC3，VC2，VC1）进入电压检测电路模块405，经过逻辑处理电路模块402分析电压检测模块405检测到的电压信号是否高于过充阈值、低于过放阈值或低于断线阈值，以及分析电流检测电路模块407检测到的电流压降信号是否高于过流阈值或短路阈值。

所述下拉电阻505另外一端连接第一N型场效应管521源极，第一N型场效应管521漏极与第二N型场效应管522漏极相互连接，第二场N型效应管522源极接地。

所述限流电阻506另外一端连接第一N型场效应管521漏极与第二N型场效应管522漏极。

根据图5所示：一种超简洁的四串锂电池保护芯片外围电路，所述电路包含外围电路第一滤波电阻501与第一滤波电容511，外围电路第二滤波电阻502与第二滤波电容512，外围电路第三滤波电阻503与第三滤波电容513，外围电路第四滤波电阻504与第四滤波电容514，下拉电阻505，限流电阻506，外围电路第一N型场效应管521与第二N型场效应管522以及四串锂电池保护芯片507，根据设计的芯片型号，获取满足需求的保护阈值参数或其他功能参数，包括三元锂或铁锂参数，电压保护阈值，电流保护阈值，低电压禁止充电阈值等，四颗滤波电容（511，512，513，514）配合四颗滤波电阻（501，502，503，504），检测四串电池组每一串的电压信号，通过芯片管脚（VCC，VC3，VC2，VC1）进入电压检测电路模块，限流电阻506采集电路工作时的电流信号或者放电保护后的负载存在信号，并通过管脚VM进入电流检测电路模块407或负载检测电路模块410，第一N型场效应管521与第二N型场效应管522分别接收芯片内部充电控制电路模块408和放电控制电路模块409的信号，开启或关闭充电或放电回路，下拉电阻505配合内部充电控制电路模块408的保护信号完全关闭第一N型场效应管521，四串电池的每一串电压分别通过对应的滤波电阻电容，再经过对应的管脚进入芯片的电压检测模块405。

以电池低端第一串为例，电池电压通过第四滤波电阻504和第四滤波电容514后，通过芯片管脚VC1经第三复用管脚413判断后进入芯片的电压检测电路模块405，电压检测电路模块405会将信号传输给逻辑处理电路模块402，逻辑处理电路模块402分析此电压信号是否高于过充阈值或低于过放阈值或低于断线阈值，再经过延时控制电路模块406的控制时间后，将需要保护的电平信号或维持原电平信号传递给充电控制电路模块408和放电控制电路模块409，充电控制电路模块408经过输出管脚CO驱动开启或关闭相应的第一N型场效应管521实现电路的电压充电保护动作，放电控制电路模块409经过输出管脚DO驱动开启或关闭相应的第一N型场效应管522实现电路的电压放电保护动作。

同理，剩余三串电池的电压保护动作与电池低端第一串类似，此处不再详述。

电路的电流保护动作由下面描述方式实现：在电路正常放电时，逻辑处理电路模块402判断复用管脚411判断此时作为电流检测使用，那么电流检测电路模块407检测电流的压差信号，电流通过第二N型场效应管522，在其内阻上产生压降，此压降信号通过限流电阻506并经过芯片管脚VM进入电流检测电路模块407，再通过逻辑处理电路模块402分析此电流压降信号是否高于过流一阈值、过流二阈值或短路阈值，经过延时控制电路模块406的控制时间后，将需要保护的电平信号或维持原电平信号传递给放电控制电路模块409，放电控制电路模块409的信号经过芯片管脚DO来驱动关闭第二N型场效应管522，实现电路的电流保护动作，在电路放电保护后，逻辑处理电路模块402判断第一复用管脚411判断此时作为负载检测使用，负载检测电路模块410功能启用，作为外部检测负载的存在与否，如果外部存在负载，那么即使电压或电流恢复到正常水准，即负载锁定，逻辑处理电路模块402依然会将保护的电平信号传递给放电控制电路模块409关闭第二N型场效应管522，这也是一种设计使用安全的必要选项。

此外，本发明的电压检测模块405也可以通过连接更多的电压采样管脚来实现更高电池串数的设计方案，例如五串，六串保护等，此处不再详述。

需要说明的是上述电路原理图实施例为最佳实施例，实施例中使用一对背靠背放置的N型场效应管的方式来实现，当然也可以使用两对、三对、四队甚至更多对N型场效应管并联来实现，实施例中充电使用的N型场效应管，也可以经过一道电平转换后使用P型场效应管，以应对不同的设计需求，实施例中电流采样的压降信号来自放电N型场效应管的内阻，也可以采用采样更为精确的合金采样电阻来实现，实施例中使用充放电端口共用的方式，当然也可以使用充放电端口全分口或半分口来进行设计，因此上述实施例并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所做出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。

Claims (10)

1.一种超简洁的四串锂电池保护芯片，其特征在于，所述芯片包括电源电路模块、逻辑处理电路模块、电压检测电路模块、延时控制电路模块、电流检测电路模块、充电控制电路模块、放电控制电路模块、负载检测电路模块、三路复用管脚判断电路模块、内部烧录电路模块、三元锂或铁锂参数电路模块以及安全防护电路模块，

所述逻辑处理模块连接各模块；

所述电压检测模块接收外部四串电池每一串的电压信号，并将信号提供给逻辑处理电路模块，所述电压检测电路模块连接第二复用管脚模块和第三复用管脚模块，通过芯片管脚分别连接外围电路第一滤波电阻与第一滤波电容、外围电路第二滤波电阻与第二滤波电容、外围电路第三滤波电阻与第三滤波电容以及外围电路第四滤波电阻与第四滤波电容；

所述电流检测模块用于接收过流保护和短路保护的输入信号，并将信号提供给逻辑处理电路模块，所述电流检测模块和负载检测电路模块连接第一复用管脚模块，并通过复用管脚电路模块后经芯片管脚连接限流电阻；

所述第一复用管脚模块、第二复用管脚模块和第三复用管脚模块根据功能需求连接不同的功能模块，第三复用管脚模块与内部烧录模块相连；

所述内部烧录电路模块用于在芯片生产时烧录设定的保护阈值；

所述延时控制电路模块用于提供逻辑处理电路模块判断保护或者恢复时所需控制时间；

所述内部充电控制模块通过芯片管脚连接下拉电阻以及外围电路第一N型场效应管栅极；

所述内部放电控制电路模块通过芯片管脚连接第二N型场效应管栅极。

2.根据权利要求1所述的超简洁的四串锂电池保护芯片，其特征在于，电池电压通过滤波电阻电容滤波后，通过经第三复用管脚模块判断后进入电压检测电路模块。

3.根据权利要求2所述的超简洁的四串锂电池保护芯片，其特征在于，通过逻辑处理电路模块分析电压检测模块检测到的电压信号是否高于过充阈值、低于过放阈值或低于断线阈值，以及分析电流检测与负载检测电路模块检测到的电流压降信号是否高于过流阈值或短路阈值。

4.根据权利要求1所述的超简洁的四串锂电池保护芯片，其特征在于，下拉电阻另外一端连接第一N型场效应管源极，第一N型场效应管漏极与第二N型场效应管漏极相互连接，第二N型场效应管源极接地。

5.根据权利要求1所述的超简洁的四串锂电池保护芯片，其特征在于，限流电阻另外一端连接第一N型场效应管漏极与第二N型场效应管漏极。

6.一种超简洁的四串锂电池保护芯片外围电路，其特征在于，所述电路包含外围电路第一滤波电阻与第一滤波电容、外围电路第二滤波电阻与第二滤波电容、外围电路第三滤波电阻与第三滤波电容、外围电路第四滤波电阻与第四滤波电容、下拉电阻、限流电阻、外围电路第一N型场效应管与第二N型场效应管以及四串锂电池保护芯片。

7.根据权利要求6所述的超简洁的四串锂电池保护芯片外围电路，其特征在于，滤波电容配合四颗滤波电阻，检测四串电池组每一串的电压信号，通过芯片管脚进入电压检测电路模块。

8.根据权利要求6所述的超简洁的四串锂电池保护芯片外围电路，其特征在于，所述外围电路第一N型场效应管与第二N型场效应管分别接收芯片内部充电控制和放电控制电路模块的信号，开启或关闭充电放电回路。

9.根据权利要求6所述的超简洁的四串锂电池保护芯片外围电路，其特征在于，所述下拉电阻配合内部充电控制电路模块的充电保护信号完全关闭第一N型场效应管。

10.根据权利要求6所述的超简洁的四串锂电池保护芯片外围电路，其特征在于，所述限流电阻采集电路工作时的电流信号或者放电保护后的负载存在信号，并通过管脚进入电流检测或负载检测电路模块。

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