CN112582984B - 一种快速关断电路及其锂电池保护系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种快速关断电路及其锂电池保护系统，包括检测电路、驱动电路和开关管，其中：所述检测电路用于检测电池的工作状态，至少包括逻辑控制电路；所述驱动电路用于将检测电路中逻辑控制电路输出的逻辑信号处理后驱动开关管，控制开关管的开启速度，以及检测开关管栅极电压快速关闭开关管；所述开关管用于控制充放电通路的开启或关断。本发明通过检测开关管有大电流快速提升时快速关闭开关管，减少大电流的导通时间，降低能量积累对开关管的损坏，保护芯片系统的稳定性和可靠性。

Description

一种快速关断电路及其锂电池保护系统

技术领域

本发明属于锂电池保护技术领域，具体涉及一种快速关断电路及其锂电池保护系统。

背景技术

由于锂电池的容量越来越大，以及高倍率锂电池的产生，特别是在智能手机、电子烟、小家电、移动电源等应用中，电池的容量高达几千mAH，甚至能到几万mAH。当锂电池发生短路时，短路的电流能达到几十A甚至上百A，而目前的锂电保护芯片是在检测到锂电池的短路电流达到或超过设定的值时，并经过延时电路设定的延时后，关断放电通路。一般延时电路设置为几十us到几百us，在这段时间内则可能导致芯片内部能量累计，影响开关管的性能，严重时会导致开关管烧坏从而导致锂电保护芯片功能失效，甚至导致电池损坏。

发明内容

本发明的目的是提供一种快速关断电路及其锂电池保护系统，通过检测开关管短时间有大电流提升时快速关闭开关管，减少大电流的导通时间，降低能量积累对开关管的损坏，保护芯片系统的稳定性和可靠性。

本发明提供了如下的技术方案：

一种快速关断电路，包括检测电路、驱动电路和开关管，其中：

所述检测电路用于检测电池的工作状态，至少包括逻辑控制电路；

所述驱动电路用于将检测电路中逻辑控制电路输出的逻辑信号处理后驱动开关管，控制开关管的开启速度，以及检测开关管栅极电压快速关闭开关管；

所述开关管用于控制充放电通路的开启或关断。

优选的，所述驱动电路包括与门、驱动控制单元、第二电阻、第一MOS管、第三电阻、第二电容和反相器，所述检测电路和所述反相器的输出端均连接所述与门的输入端，所述与门的输出端连接所述驱动控制单元的输入端，所述驱动控制单元的输出端连接所述第二电阻的一端，所述第二电阻的另一端分别连接所述开关管和所述第一MOS管的源极或漏极一端，所述第一MOS管的源极或漏极另一端分别连接所述反相器的输入端、所述第三电阻的一端、所述第二电容的一端，所述第一MOS管的栅极连接VDD端，所述第三电阻的另一端连接所述第二电容的另一端并连接VGND端。

优选的，所述驱动电路包括与门、驱动控制单元、第二电阻、第一MOS管、第二电容、第四电阻、第五电阻和反相器，所述检测电路和所述反相器的输出端均连接所述与门的输入端，所述与门的输出端连接所述驱动控制单元的输入端，所述驱动控制单元的输出端连接所述第二电阻的一端，所述第二电阻的另一端分别连接所述开关管和所述第一MOS管的源极或漏极一端，所述第一MOS管的源极或漏极另一端分别连接所述第四电阻和所述第二电容的一端，所述第一MOS管的栅极连接VDD端，所述第二电容的另一端连接所述第五电阻的一端并连接VGND端，所述第五电阻的另一端分别连接所述第四电阻的另一端和所述反相器的输入端。

优选的，所述驱动电路包括与门、驱动控制单元、第三电容、第二电容、第四电阻、第五电阻和反相器，所述检测电路和所述反相器的输出端均连接所述与门的输入端，所述与门的输出端连接所述驱动控制单元的输入端，所述驱动控制单元的输出端连接开关管，所述第三电容的一端连接VM端，所述第三电容的另一端分别连接所述第四电阻和所述第二电容的一端，所述第二电容的另一端连接所述第五电阻的一端并连接VGND端，所述第五电阻的另一端分别连接所述第四电阻的另一端和所述反相器的输入端。

优选的，所述驱动电路包括与门、驱动控制单元、第二电阻、第一MOS管、第三电阻、反相器和单向延时电路，所述检测电路和所述单向延时电路的输出端均连接所述与门的输入端，所述与门的输出端连接所述驱动控制单元的输入端，所述驱动控制单元的输出端连接所述第二电阻的一端，所述第二电阻的另一端分别连接所述开关管和所述第一MOS管的源极或漏极一端，所述第一MOS管的源极或漏极另一端分别连接所述反相器的输入端、所述第三电阻的一端，所述第一MOS管的栅极连接VDD端，所述第三电阻的另一端连接VGND端，所述反相器的输出端连接所述单向延时电路的输入端。

优选的，所述驱动电路包括与门、驱动控制单元、第三电容、第三电阻、反相器和单向延时电路，所述检测电路和所述单向延时电路的输出端均连接所述与门的输入端，所述与门的输出端连接所述驱动控制单元的输入端，所述驱动控制单元的输出端连接开关管，所述第三电容的一端连接VM端，所述第三电容的另一端分别连接所述反相器的输入端、所述第三电阻的一端，所述第三电阻的另一端连接VGND端，所述反相器的输出端连接所述单向延时电路的输入端。

优选的，所述检测电路检测电池的工作状态包括对电池的过充电压检测、过放电压检测、充电过流检测、放电过流检测、短路检测。

一种锂电池保护系统，包括如上述的快速关断电路、电池、负载或充电器和RC滤波电路，其中；

RC滤波电路包括第一电阻和第一电容，第一电阻一端连接第一电容一端后连接快速关断电路的VDD端，第一电阻另一端分别连接所述电池正极和所述负载或充电器的正极，所述第一电容的另一端连接所述电池负极；

所述驱动电路的输入端连接所述检测电路的输出端，所述驱动电路的输出端连接所述开关管的栅极，所述开关管源极或漏极的一端分别连接负载或充电器的负极和所述检测电路输入端，所述开关管的源极或漏极的另一端分别连接电池的负极和所述检测电路的输入端。

基于上述的快速关断电路，本申请还提供了一种锂电池保护芯片，包括上述的关断电路。

本发明的有益效果是：当检测到锂电保护快速大电流后，开关管一端电压会快速提升，同时由于寄生电容影响导致栅极电压也会快速提升，检测到快速提升的栅极电压，并通过控制电路输出逻辑信号，再通过驱动电路控制开关管快速关闭，减少大电流的导通时间，能减低能量积累对开关管的损坏，保护芯片系统的稳定性和可靠性。

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系统结构示意图；

图2是本发明的驱动电路实施例二的电路结构示意图；

图3是本发明的驱动电路实施例三的电路结构示意图；

图4是本发明的驱动电路实施例五的电路结构示意图；

图5是本发明的驱动电路实施例六的电路结构示意图；

图中标记为：1.快速关断电路；2.滤波电路；3.电池；4.负载或充电器。

具体实施方式

实施例一

如图1所示，一种快速关断电路，包括检测电路、驱动电路和开关管，其中：

检测电路用于检测电池的工作状态，至少包括逻辑控制电路，检测电路检测电池的工作状态包括对电池的过充电压检测、过放电压检测、充电过流检测、放电过流检测、短路检测；

驱动电路用于将检测电路中逻辑控制电路输出的逻辑信号处理后驱动开关管，控制开关管的开启速度，以及检测开关管栅极电压快速关闭开关管；

开关管用于控制充放电通路的开启或关断。

一种锂电池保护系统，包括如上述的快速关断电路1、电池3、负载或充电器4和RC滤波电路2，其中；

RC滤波电路2包括第一电阻R1和第一电容C1，第一电阻R1一端连接第一电容C1一端后连接快速关断电路1的VDD端，第一电阻R1另一端分别连接电池3正极和负载或充电器4的正极，第一电容C1的另一端连接电池3负极；

驱动电路的输入端连接检测电路的输出端，驱动电路的输出端连接开关管的栅极，开关管源极或漏极的一端分别连接负载或充电器4的负极和检测电路输入端，开关管的源极或漏极的另一端分别连接电池3的负极和检测电路的输入端。

基于上述的快速关断电路1，本申请还提供了一种锂电池保护芯片，包括上述的关断电路1。

实施例二

如图2所示，上述的一种快速关断电路中，一种驱动电路包括与门I1、驱动控制单元、第二电阻R2、第一MOS管M1、第三电阻R3、第二电容C2和反相器I2，检测电路和反相器I2的输出端均连接与门I1的输入端，与门I1的输出端连接驱动控制单元的输入端，驱动控制单元的输出端连接第二电阻R2的一端，第二电阻R2的另一端分别连接开关管和第一MOS管M1的源极或漏极一端，第一MOS管M1的源极或漏极另一端分别连接反相器I2的输入端、第三电阻R3的一端、第二电容C2的一端，第一MOS管M1的栅极连接VDD端，第三电阻R3的另一端连接第二电容C2的另一端并连接VSS端。

即如图2所示，IN接检测电路，OUT接开关管；本申请中的VGND选取VSS为VM和GND中最小的电位，也可以接电池中最低的电压。

锂电保护正常放电时，IN为高、第三电阻R3短接到GND，反相器I2的输出也为高、则与门I1输出为高，OUT输出也为高；

当短路发生时，开关管中电流快速升高，VM端的电压快速提升，由于开关管的输入端和VM端有寄生电容，由于电容的电压不能突变则开关管栅极的电压快速提升，即图2中的OUT端快速升高，则图2中第一MOS管M1开启，快速给第二电容C2充电，反相器I2的输入被拉高，反相器I2输出为低，则与门I1输出为低、OUT输出也为低，则关闭开关管。由于开关管关闭，VM端电压升高，检测电路会启动短路保护，经过短路保护延时后IN输出为低，只需要在这段时间反相器I2的输出为低则可以维持OUT输出为低，就能维持稳定的关闭开关管。

上述反相器I2可以为带迟滞功能的反相器。

实施例三

如图3所示，上述的一种快速关断电路中，一种驱动电路包括与门I1、驱动控制单元、第二电阻R2、第一MOS管M1、第二电容C2、第四电阻R4、第五电阻R5和反相器I2，检测电路和反相器I2的输出端均连接与门I1的输入端，与门I1的输出端连接驱动控制单元的输入端，驱动控制单元的输出端连接第二电阻R2的一端，第二电阻R2的另一端分别连接开关管和第一MOS管M1的源极或漏极一端，第一MOS管M1的源极或漏极另一端分别连接第四电阻R4和第二电容C2的一端，第一MOS管M1的栅极连接VDD端，第二电容C2的另一端连接第五电阻R5的一端并连接VSS端，第五电阻R5的另一端分别连接第四电阻的另一端和反相器I2的输入端。

原理同实施例二，反相器I2的采样点不一样，具体为当短路发生时，开关管中电流快速从零升高，VM端的电压快速提升，由于开关管的输入端和VM端有寄生电容，由于电容的电压不能突变则开关管栅极的电压快速提升，即图3中的OUT端快速升高，则图3中第一MOS管M1开启，快速给第二电容C2充电，反相器I2的输入被拉高，反相器I2输出为低，则与门I1输出为低、OUT输出也为低，则关闭开关管。由于开关管关闭，VM端电压升高，检测电路会启动短路保护，经过短路保护延时后IN输出为低，只需要在这段时间反相器I2的输出为低则可以维持OUT输出为低。

实施例四

上述的一种快速关断电路中，一种驱动电路包括与门I1、驱动控制单元、第三电容C3、第二电容C2、第四电阻R4、第五电阻R5和反相器I2，检测电路和反相器I2的输出端均连接与门I1的输入端，与门I1的输出端连接驱动控制单元的输入端，驱动控制单元的输出端连接开关管，第三电容C3的一端连接VM端，第三电容C3的另一端分别连接第四电阻R4和第二电容C2的一端，第二电容C2的另一端连接第五电阻R5的一端并连接VSS端，第五电阻R5的另一端分别连接第四电阻的另一端和反相器I2的输入端。

相对于实施例三，将第一MOS管M1替换为第三电容C3，通过检测VM端的方式实现快速关闭开关管，当VM电压快速升高时，由于第三电容C3两端电压不会突变，反相器I2的输入端电压升高，反相器I2输出低，则与门I1输出低，控制OUT输出低，关闭开关管。

实施例五

如图4所示，上述的一种快速关断电路中，一种驱动电路包括与门I1、驱动控制单元、第二电阻R2、第一MOS管M1、第三电阻R3、反相器I2和单向延时电路，检测电路和单向延时电路的输出端均连接与门I1的输入端，与门I1的输出端连接驱动控制单元的输入端，驱动控制单元的输出端连接第二电阻R2的一端，第二电阻R2的另一端分别连接开关管和第一MOS管M1的源极或漏极一端，第一MOS管M1的源极或漏极另一端分别连接反相器I2的输入端、第三电阻R3的一端，第一MOS管M1的栅极连接VDD端，第三电阻R3的另一端连接VSS端，反相器I2的输出端连接单向延时电路的输入端。

相对于实施例三，去掉第二电容C2，增加了单向延时电路，此单向延时电路当反相器I2输出低时，不经过延时直接传输到与门I1的输入端；当I2输出高时，需要经过设定的延时才能传输到I1的输入端。具体为当短路发生时，开关管中电流快速升高，VM端的电压快速提升，由于开关管的输入端和VM端有寄生电容，由于电容的电压不能突变则开关管栅极的电压快速提升，即图4中的OUT端快速升高，则图4中第一MOS管M1开启，反相器I2的输入被拉高，反相器I2输出为低，单向延时电路不经过延时直接传输到与门I1的输入端，则与门I1输出为低、OUT输出也为低，则关闭开关管。由于开关管关闭，VM端电压升高，检测电路会启动短路保护，经过短路保护延时后IN输出为低，只需要在这段时间反相器I2的输出为低则可以维持OUT输出为低。

实施例六

如图5所示，上述的一种快速关断电路中，一种驱动电路包括与门I1、驱动控制单元、第三电容C3、第三电阻R3、反相器I2和单向延时电路，检测电路和单向延时电路的输出端均连接与门I1的输入端，与门I1的输出端连接驱动控制单元的输入端，驱动控制单元的输出端连接开关管，第三电容C3的一端连接VM端，第三电容C3的另一端分别连接反相器I2的输入端、第三电阻R3的一端，第三电阻R3的另一端连接VSS端，反相器I2的输出端连接单向延时电路的输入端。

相对于实施例五，删除了第一MOS管M1，增加了第三电容C3，原来OUT端通过第一MOS管M1控制反相器I2和与门I1，现在第三电容C3连接到VM端，只用检测VM端的电压来控制OUT关断。当VM电压快速升高时，由于第三电容C3两端电压不会突变，反相器I2的输入端电压升高，反相器I2输出低，单向延时电路输出低、与门I1输出低，控制OUT输出低，关闭开关管。

针对上述描述的任一实施例电路可使用于正极锂电保护电路和系统、多节锂电池保护电路和系统、以及开关管串联采样电阻的电路(采样电阻用于检测电流），同时也适用于充电过流保护功能。

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 (8)

1.一种快速关断电路，其特征在于，包括检测电路、驱动电路和开关管，其中：

所述驱动电路的输入端连接所述检测电路的输出端，所述驱动电路的输出端连接所述开关管的栅极，所述开关管源极或漏极的一端连接VM端，所述开关管的源极或漏极的另一端连接所述检测电路的输入端，所述检测电路的输入端还连接VDD端；

所述检测电路用于检测电池的工作状态，至少包括逻辑控制电路；

所述驱动电路用于将检测电路中逻辑控制电路输出的逻辑信号处理后驱动开关管，控制开关管的开启速度，以及检测开关管电流快速变化时快速关闭开关管；

所述开关管用于控制充放电通路的开启或关断;

所述驱动电路包括与门、驱动控制单元、第二电阻、第一MOS管、第三电阻、第二电容和反相器，所述检测电路和所述反相器的输出端均连接所述与门的输入端，所述与门的输出端连接所述驱动控制单元的输入端，所述驱动控制单元的输出端连接所述第二电阻的一端，所述第二电阻的另一端分别连接所述开关管和所述第一MOS管的源极或漏极一端，所述第一MOS管的源极或漏极另一端分别连接所述反相器的输入端、所述第三电阻的一端、所述第二电容的一端，所述第一MOS管的栅极连接VDD端，所述第三电阻的另一端连接所述第二电容的另一端并连接VGND端。

2.根据权利要求1所述的一种快速关断电路，其特征在于，所述驱动电路包括与门、驱动控制单元、第二电阻、第一MOS管、第二电容、第四电阻、第五电阻和反相器，所述检测电路和所述反相器的输出端均连接所述与门的输入端，所述与门的输出端连接所述驱动控制单元的输入端，所述驱动控制单元的输出端连接所述第二电阻的一端，所述第二电阻的另一端分别连接所述开关管和所述第一MOS管的源极或漏极一端，所述第一MOS管的源极或漏极另一端分别连接所述第四电阻和所述第二电容的一端，所述第一MOS管的栅极连接VDD端，所述第二电容的另一端连接所述第五电阻的一端并连接VGND端，所述第五电阻的另一端分别连接所述第四电阻的另一端和所述反相器的输入端。

3.根据权利要求1所述的一种快速关断电路，其特征在于，所述驱动电路包括与门、驱动控制单元、第三电容、第二电容、第四电阻、第五电阻和反相器，所述检测电路和所述反相器的输出端均连接所述与门的输入端，所述与门的输出端连接所述驱动控制单元的输入端，所述驱动控制单元的输出端连接开关管，所述第三电容的一端连接VM端，所述第三电容的另一端分别连接所述第四电阻和所述第二电容的一端，所述第二电容的另一端连接所述第五电阻的一端并连接VGND端，所述第五电阻的另一端分别连接所述第四电阻的另一端和所述反相器的输入端。

4.根据权利要求1所述的一种快速关断电路，其特征在于，所述驱动电路包括与门、驱动控制单元、第二电阻、第一MOS管、第三电阻、反相器和单向延时电路，所述检测电路和所述单向延时电路的输出端均连接所述与门的输入端，所述与门的输出端连接所述驱动控制单元的输入端，所述驱动控制单元的输出端连接所述第二电阻的一端，所述第二电阻的另一端分别连接所述开关管和所述第一MOS管的源极或漏极一端，所述第一MOS管的源极或漏极另一端分别连接所述反相器的输入端、所述第三电阻的一端，所述第一MOS管的栅极连接VDD端，所述第三电阻的另一端连接VGND端，所述反相器的输出端连接所述单向延时电路的输入端。

5.根据权利要求1所述的一种快速关断电路，其特征在于，所述驱动电路包括与门、驱动控制单元、第三电容、第三电阻、反相器和单向延时电路，所述检测电路和所述单向延时电路的输出端均连接所述与门的输入端，所述与门的输出端连接所述驱动控制单元的输入端，所述驱动控制单元的输出端连接开关管，所述第三电容的一端连接VM端，所述第三电容的另一端分别连接所述反相器的输入端、所述第三电阻的一端，所述第三电阻的另一端连接VGND端，所述反相器的输出端连接所述单向延时电路的输入端。

6.根据权利要求1所述的一种快速关断电路，其特征在于，所述检测电路检测电池的工作状态包括对电池的过充电压检测、过放电压检测、充电过流检测、放电过流检测、短路检测。

7.一种锂电池保护系统，其特征在于，包括如权利要求1至6中任一项所述的快速关断电路、电池、负载或充电器和RC滤波电路，其中；

RC滤波电路包括第一电阻和第一电容，第一电阻一端连接第一电容一端后连接快速关断电路的VDD端，第一电阻另一端分别连接所述电池正极和所述负载或充电器的正极，所述第一电容的另一端连接所述电池负极；

所述驱动电路的输入端连接所述检测电路的输出端，所述驱动电路的输出端连接所述开关管的栅极，所述开关管源极或漏极的一端分别连接负载或充电器的负极和所述检测电路输入端，所述开关管的源极或漏极的另一端分别连接电池的负极和所述检测电路的输入端。

8.一种锂电池保护芯片，其特征在于，包括如权利要求1至6中任一项所述的快速关断电路。

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