CN112583087A - 电池保护芯片及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供提出一种电池保护芯片及系统，电池保护芯片包括充放电控制开关管、过放保护模块、过充保护模块、充放电过流保护模块、逻辑控制模块、衬底切换模块、栅极控制模块以及低功耗控制模块；本发明技术方案将低功耗控制模块集成在电池保护芯片中，根据输入信号控制电池保护芯片进入低功耗模式，因此本实施例提出的电池保护芯片的外围不要增加低功耗电路，外围电路简单，使整个系统保护板面积小，电池保护芯片集成度高，降低了整个系统成本。

Description

电池保护芯片及系统
技术领域
本发明涉及电池保护技术领域，特别涉及一种电池保护芯片及系统。
背景技术
当电子产品在长时间运输或者长时间待机的情况下，电池系统会自己消耗能量，造成电池电压的降低，甚至会低于过放值，此时必须要插入充电器才能使用，因此在长时间运输或者长时间待机的情况下，需要电池保护系统工作在低功耗模式，目前的电池保护系统一般是低功耗信号触发电路通过外部电路的模式使系统进入低功耗模式，该模式需要搭建外部电路控制，造成系统集成度低且成本高，使用不方便。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电池保护芯片及系统，以解决现有技术中为了进入低功耗模式需要搭建外部电路控制导致芯片集成度低且成本高的问题。
本发明实施例第一方面提供一种电池保护芯片，所述电池保护芯片包括：
充放电控制开关管；
过放保护模块，其输入端为电池电压输入端，用于检测所述电池电压是否达到过放值；
过充保护模块，其输入端为电池电压输入端，用于检测所述电池电压是否超过过充值；
充放电过流保护模块，其输入端连接所述充放电控制开关管的输出端，用于检测电池的充电电流和放电电流；
逻辑控制模块，用于根据所述过放保护模块的输出信号、所述过充保护模块的输出信号以及所述充放电过流保护模块的输出信号输出第一控制信号和第二控制信号；
衬底切换模块，其输入端连接所述逻辑控制模块的第一输出端，输出端连接所述充放电控制开关管的衬底，用于接收所述第一控制信号，并根据所述第一控制信号选择所述充放电控制开关管的衬底；
栅极控制模块，其输入端连接所述逻辑控制模块的第二输出端，输出端连接所述充放电控制开关管的栅极，用于接收所述第二控制信号，并根据所述第二控制信号控制所述充放电控制开关管的导通或者关断；
低功耗控制模块，其输入端悬空或者接入控制信号；
当所述低功耗控制模块的输入端为悬空状态或者接入正常工作信号时，所述过放保护模块向所述逻辑控制模块输出有效信号，所述电池保护芯片正常工作；
当所述低功耗控制模块的输入端接入低功耗有效信号，所述低功耗控制模块向所述逻辑控制模块输出低功耗控制信号，所述逻辑控制模块检测到所述低功耗控制信号的持续时间大于预设时间时，使所述电池保护芯片进入低功耗状态。
本发明第二方面提供一种电池保护系统，所述电池保护系统包括上述的电池保护芯片、低功耗信号触发模块、电阻R5、电池以及电容C1，所述低功耗信号触发模块的输出端连接所述低功耗控制模块，所述电池的正极连接所述电阻R5的第一端，所述电阻R5的第二端与所述电容C1的第一端共接并形成电池电压输入端，所述电池的负极连接所述电容C1的第二端和所述充放电控制开关管的输入端。
本发明提出一种电池保护芯片及系统，电池保护芯片包括充放电控制开关管、过放保护模块、过充保护模块、充放电过流保护模块、逻辑控制模块、衬底切换模块、栅极控制模块、低功耗控制模块；当低功耗控制模块的输入端为悬空状态或者接入正常工作信号时，过放保护模块向逻辑控制模块输出有效信号，电池保护芯片正常工作；当低功耗控制模块的输入端接入低功耗有效信号，低功耗控制模块向逻辑控制模块输出低功耗控制信号，逻辑控制模块检测到低功耗控制信号的持续时间大于预设时间时，使电池保护芯片进入低功耗状态。本发明技术方案将低功耗控制模块集成在电池保护芯片中，根据输入信号控制电池保护芯片进入低功耗模式，因此本实施例提出的电池保护芯片的外围不要增加低功耗电路，外围电路简单，使整个系统保护板面积小，电池保护芯片集成度高，降低了整个系统成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一中一种实施方式所提供的一种电池保护芯片的结构示意图；
图2是本发明实施例一中一种实施方式所提供的一种电池保护芯片中的低功耗控制模块的电路图；
图3是本发明实施例一中另一种实施方式所提供的一种电池保护芯片的结构示意图；
图4是本发明实施例一中另一种实施方式所提供的一种电池保护芯片中的低功耗控制模块的电路图；
图5是本发明实施例二所提供的一种电池保护芯片的结构示意图；
图6是本发明实施例二所提供的一种电池保护芯片中第一保护模块的电路图；
图7是本发明实施例二所提供的一种电池保护芯片中第一保护模块的另一电路图；
图8是本发明实施例二所提供的一种电池保护芯片中第二保护模块的电路图；
图9是本发明实施例三所提供的一种电池保护系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了说明本发明的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
本发明实施例一提供一种电池保护芯片，如图1和图3所示，电池保护芯片包括：
充放电控制开关管SW；
过放保护模块11，其输入端为电池电压输入端，用于检测电池电压是否达到过放值；
过充保护模块12，其输入端为电池电压输入端，用于检测电池电压是否超过过充值；
充放电过流保护模块13，其输入端连接充放电控制开关管SW的输出端，用于检测电池的充电电流和放电电流；
逻辑控制模块14，用于根据过放保护模块11的输出信号、过充保护模块12的输出信号以及充放电过流保护模块13的输出信号输出第一控制信号和第二控制信号；
衬底切换模块15，其输入端连接逻辑控制模块14的第一输出端，输出端连接充放电控制开关管SW的衬底，用于接收第一控制信号，并根据第一控制信号选择充放电控制开关管SW的衬底；
栅极控制模块16，其输入端连接逻辑控制模块14的第二输出端，输出端连接充放电控制开关管SW的栅极，用于接收第二控制信号，并根据第二控制信号控制充放电控制开关管SW的导通或者关断；
低功耗控制模块17，其输入端悬空或者接入控制信号；
当低功耗控制模块17的输入端为悬空状态或者接入正常工作信号时，过放保护模块11向逻辑控制模块14输出有效信号，电池保护芯片正常工作；
当低功耗控制模块17的输入端接入低功耗有效信号，低功耗控制模块17向逻辑控制模块14输出低功耗控制信号，逻辑控制模块14检测到低功耗控制信号的持续时间大于预设时间时，使电池保护芯片进入低功耗状态。
其中，过放保护模块11用于检测电池电压是否达到过放值，过放保护模块11将电池电压与预设过放电压值进行比较判断电池电压是否达到过放值；过充保护模块12用于检测电池电压是否超过过充值，过充保护模块12将电池电压与预设过充电压值进行比较判断电池电压是否达到过充值；充放电过流保护模块13用于检测电池的充电电流和放电电流，并将充电电流和放电电流发送给逻辑控制模块14；逻辑控制模块14通过对过放保护模块11、过充保护模块12以及充放电过流保护模块13的输出进行逻辑处理后控制衬底切换模块15和栅极控制模块16；衬底切换模块15实现对充放电开关管衬底的切换，栅极控制模块16实现对充放电开关管的开关控制达到对电池进行保护的作用；低功耗控制模块17用于根据输入信号控制电池保护芯片进入低功耗模式。
正常工作时，低功耗控制模块17的输入端可浮空或者接固定电平，如果低功耗控制模块17的低功耗功能为高电平有效时，则正常工作时低功耗控制模块17的输入端可浮空或者接低电平；如果低功耗控制模块17的低功耗功能为低电平有效时，则正常工作时低功耗控制模块17的输入端可浮空或者接高电平；当产品需要长时间待机时低功耗信号触发模块输出高电平(低功耗控制模块17的输入端为高有效)，且持续时间只要大于过放保护延时，电池保护芯片即可进入低功耗模式，极大的降低电流损耗，延长产品待机时间。
本发明提出的电池保护芯片将低功耗控制模块集成在电池保护芯片中，低功耗控制模块根据输入信号控制电池保护芯片进入低功耗模式，因此本实施例提出的电池保护芯片的外围不要增加低功耗电路，外围电路简单，使整个系统保护板面积小，电池保护芯片集成度高，降低了整个系统成本。
作为实施例一的一种实施方式，如图1所示，低功耗控制模块17的第一输入端连接外部控制信号，低功耗控制模块17的第二输入端连接过放保护模块11的输出端，低功耗控制模块17的输出端连接逻辑控制模块14；
当低功耗控制模块17的输入端为悬空状态或者接入正常工作信号时，过放保护模块11向逻辑控制模块14输出有效信号，电池保护芯片正常工作；
当低功耗控制模块17的输入端接入低功耗有效信号时，低功耗控制模块17向逻辑控制模块14输出低功耗控制信号，逻辑控制模块14检测到低功耗控制信号的持续时间大于预设时间时，使电池保护芯片进入低功耗状态。
具体的，如图2所示，低功耗控制模块17包括非门F1、非门F2、与门F3以及电阻R1，电阻R1的第一端连接非门F1的输入端，并构成低功耗控制模块17的第一输入端，非门F1的输出端连接非门F2的输入端，非门F2的输出端连接与门F3的第一输入端，与门F3的第二输入端为低功耗控制模块17的第二输入端，与门F3的输出端为低功耗控制模块17的输出端。
正常工作时，低功耗控制模块17的CNT管脚可浮空或者接低电平，当CNT管脚浮空时，由于电阻R1的下拉，CNT管脚也会为低电平，因此正常工作时不论CNT管脚浮空还是接低电平CNT均会是低电平，经过两级反相器后CNTI仍然为低电平，因此CNT_OUT仅仅受过放保护模块11输出OD的控制，此时系统正常工作。
当系统需要长时间待机时，低功耗信号触发电路输出高电平至低功耗控制模块17的CNT管脚，经过两级反相器后输出的信号CNTI为高电平，低功耗控制模块17输出的信号CNT_OUT为高电平，该信号输出进入逻辑控制模块14，若逻辑控制模块14检测高电平持续时间超过过放保护延时时，逻辑控制模块14控制栅极控制模块16将充放电控制开关管SW关闭，系统放电路径被切断，系统进入低功耗模式；后面只需要插入充电器时即可解除低功耗模式进入正常工作状态。
本实施方式中，通过在低功耗控制模块中设置非门F1、非门F2、与门F3以及电阻R1，低功耗控制模块的CNT管脚浮空或者接低电平时，此时系统正常工作，低功耗控制模块的CNT管脚节高电平时，逻辑控制模块14检测高电平持续时间超过过放保护延时，系统进入低功耗模式，实现了进入正常模式和低功耗模式之间的切换。
作为实施例一的另一种实施方式，如图3所示，低功耗控制模块17的第一输入端连接外部控制信号，低功耗控制模块17的第二输入端连接电池电压输入端；
当低功耗控制模块17的输入端为悬空状态或者接入正常工作信号时，过放保护模块11向逻辑控制模块14输出有效信号，电池保护芯片正常工作；
当低功耗控制模块17的输入端接入低功耗有效信号时，低功耗控制模块17将电源电压拉低至过放电压以下从而促发过放保护，过放保护模块11向逻辑控制模块14输出输出低功耗控制信号，逻辑控制模块14检测到低功耗控制信号的持续时间大于预设时间时，使电池保护芯片进入低功耗状态。
具体的，如图4所示，低功耗控制模块17包括电阻R2、电阻R3和MOS管M1，电阻R3的第一端和MOS管M1的栅极共接，并构成低功耗控制模块17的第一输入端，电阻R2的第一端成低功耗控制模块17的第二输入端，电阻R2的第二端连接MOS管M1的漏极，MOS管M1的源极与电阻R3的第二端共接于地。
正常工作时低功耗控制模块17的CNT管脚可浮空或者接低电平，当CNT管脚浮空时由于电阻R3的下拉，CNT管脚也会为低电平，因此正常工作时不论CNT管脚浮空还是接低电平CNT均会是低电平，MOS管M1关断，电池保护芯片VDD电压为电池电压，此时系统正常工作。
当系统需要长时间待机时低功耗信号触发电路输出高电平至CNT管脚，该高电平使得MOS管M1导通，电池保护芯片VDD电压VDD此时为：VDD=R2*VBAT/(R1+R2)，VBAT为电池电压，因此根据电阻R1大小选择合适的电阻，电阻R2使得VDD=R2*VBAT/(R1+R2)<过放电压VOD，则过放保护模块输出OD信号发生翻转，若CNT高电平时间超过过放保护延时，则逻辑控制模块控制栅极控制模块将充放电开关管关闭，系统放电路径被切断，系统进入低功耗模式；后面只需要插入充电器时即可解除低功耗模式进入正常工作状态。
本实施方式中，通过在低功耗控制模块中设置电阻R2、电阻R3和MOS管M1，低功耗控制模块的CNT管脚浮空或者接低电平时，此时系统正常工作，低功耗控制模块的CNT管脚节高电平时，逻辑控制模块检测高电平持续时间超过过放保护延时，系统进入低功耗模式，实现了正常模式和低功耗模式之间的切换。
本发明实施例二提供一种电池保护芯片的保护电路，如图5所示，保护电路包括：
第一保护模块21，其第一端连接电源输入端，第二端连接接地端，用于对输入电压进行嵌位后得到第一电压；
第二保护模块22，其第一端连接电源输入端和第一保护模块21的第一端，第二端连接过放保护模块11的输入端和过充保护模块12的输入端，第三端连接接地端，用于对第一电压进行嵌位后得到第二电压，并将第二电压输出给过放保护模块11和过充保护模块12。
其中，第一保护模块21用于对输入电压进行嵌位是指将输入电压中的尖峰电压钳位，将尖峰电压嵌位在在钳位电压VH(如VH=12V)，实现对尖峰电压的第一次钳位，避免输出的尖峰电压过高。
作为第一种实施方式，如图7所示，第一保护模块21包括MOS管Q1，MOS管Q1的漏极为第一保护模块21的第一端，MOS管Q1的栅极和源极共接形成第一保护模块21的第二端。
其中，图6中的MOS管Q1为12V高压管，其TLP曲线的触发电压一般为15V，也就是说当VDD的尖峰电压超过15V时，MOS管Q1开始工作在TLP曲线中的负阻过程，而后会将VDD的尖峰电压钳压在VH(约13V)左右。
作为第二种实施方式，如图7所示，第一保护模块21包括MOS管Q2和MOS管Q3，MOS管Q2的漏极为第一保护模块21的第一端，MOS管Q2的栅极和源极共接后连接MOS管Q2的漏极，MOS管Q3的栅极和源极共接后形成第一保护模块21的第二端。
其中，图8中的第一保护模块，采用两个5V的ESD管串联的形式，其TLP曲线的触发电压一般为12V，当VDD的尖峰电压超过12V时MOS管Q1和MOS管Q2管开始工作在负阻过程，而后会将VDD的尖峰电压钳压在VH(约11V)左右。
其中，第二保护模块22将第一保护模块21输出的嵌位电压进一步进行嵌位后得到第二电压，第二电压小于电池保护芯片的击穿电压VBV(约10V)以下(如6V)，防止后级电路发生击穿，从而在不增加任何额外功耗的条件下有效保护了芯片的抗尖峰电压能力，提高了芯片的可靠性。
作为一种实施方式，如图8所示，第二保护模块22包括电阻R4和MOS管Q4，电阻R4的第一端为第二保护模块22的第一端，电阻R4的第二端与MOS管Q4的漏极共接并构成第二保护模块22的第二端，MOS管Q4的栅极和源极共接后形成第二保护模块22的第三端。
其中，电阻R4用于限流，MOS管Q4用于嵌位，MOS管Q4为NMOS管，由于第一保护电路已经将VDD的尖峰电压钳位在VH左右，因此MOS管Q4可采用普通的5V NMOS管，其钳位电压一般为6V左右，因此将VDD0电压钳位在6V左右，流过电阻R4的电流I=（VDD-VDD0）/R4，式中VDD为第一保护模块21钳位后的电压，VDD0为第二保护模块22钳位后的电压，该电压值必须要低于5V CMOS管的击穿电压VBV(约10V)，因此只需要合理选取MOS管Q4的宽长比，使其发生负阻过程后能够流过的电流大于I，即可将VDD0钳压在6V左右，远低于连接第二保护模块22的后级电路的击穿电压VBV(约10V)，因此，即使VDD端有很高的尖峰电压，经过两级保护电路后芯片也不会发生损坏。
本发明实施例提供一种电池保护芯片，保护电路包括第一保护模块21和第二保护模块22，第一保护模块21用于对输入电压进行嵌位后得到第一电压，第二保护模块22用于对第一电压进行嵌位后得到第二电压，并将第二电压输出给电池保护芯片。本发明通过设置第一保护模块21和第二保护模块22，将过高的尖峰电压钳位在芯片工艺的击穿电压以下，在不增加额外功耗和成本下实现了芯片不被尖峰电压损坏，提高了芯片的可靠性，解决了现有技术中为了避免尖峰电压击穿芯片采用高压工艺使得芯片面积和成本增加的问题。
本发明实施例三提供一种电池保护系统，如图9所示，电池保护系统包括上述实施例中的电池保护芯片、低功耗信号触发模块20、电阻R5、电池VBAT以及电容C1，低功耗信号触发模块20的输出端连接低功耗控制模块17，电池的正极连接电阻R5的第一端，电阻R5的第二端与所述电容C1的第一端共接并形成电池电压输入端，电池的负极连接所述电容C1的第二端和充放电控制开关管的输入端。
本实施例的具体工作方式参见上述实施例，在此不再赘述。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种电池保护芯片，其特征在于，所述电池保护芯片包括：
充放电控制开关管；
过放保护模块，其输入端为电池电压输入端，用于检测所述电池电压是否达到过放值；
过充保护模块，其输入端为电池电压输入端，用于检测所述电池电压是否超过过充值；
充放电过流保护模块，其输入端连接所述充放电控制开关管的输出端，用于检测电池的充电电流和放电电流；
逻辑控制模块，用于根据所述过放保护模块的输出信号、所述过充保护模块的输出信号以及所述充放电过流保护模块的输出信号输出第一控制信号和第二控制信号；
衬底切换模块，其输入端连接所述逻辑控制模块的第一输出端，输出端连接所述充放电控制开关管的衬底，用于接收所述第一控制信号，并根据所述第一控制信号选择所述充放电控制开关管的衬底；
栅极控制模块，其输入端连接所述逻辑控制模块的第二输出端，输出端连接所述充放电控制开关管的栅极，用于接收所述第二控制信号，并根据所述第二控制信号控制所述充放电控制开关管的导通或者关断；
低功耗控制模块，其输入端悬空或者接入控制信号；
当所述低功耗控制模块的输入端为悬空状态或者接入正常工作信号时，所述过放保护模块向所述逻辑控制模块输出有效信号，所述电池保护芯片正常工作；
当所述低功耗控制模块的输入端接入低功耗有效信号，所述低功耗控制模块向所述逻辑控制模块输出低功耗控制信号，所述逻辑控制模块检测到所述低功耗控制信号的持续时间大于预设时间时，使所述电池保护芯片进入低功耗状态。
2.如权利要求1所述的电池保护芯片，其特征在于，所述低功耗控制模块的第一输入端连接外部控制信号，所述低功耗控制模块的第二输入端连接所述过放保护模块的输出端，所述低功耗控制模块的输出端连接所述逻辑控制模块；
当所述低功耗控制模块的输入端为悬空状态或者接入正常工作信号时，所述过放保护模块向所述逻辑控制模块输出有效信号，所述电池保护芯片正常工作；
当所述低功耗控制模块的输入端接入低功耗有效信号时，所述低功耗控制模块向所述逻辑控制模块输出低功耗控制信号，所述逻辑控制模块检测到所述低功耗控制信号的持续时间大于预设时间时，使所述电池保护芯片进入低功耗状态。
3.如权利要求2所述的电池保护芯片，其特征在于，所述低功耗控制模块包括非门F1、非门F2、与门F3以及电阻R1，所述电阻R1的第一端连接所述非门F1的输入端，并构成所述低功耗控制模块的第一输入端，所述非门F1的输出端连接所述非门F2的输入端，所述非门F2的输出端连接所述与门F3的第一输入端，所述与门F3的第二输入端为所述低功耗控制模块的第二输入端，所述所述与门F3的输出端为所述低功耗控制模块的输出端。
4.如权利要求1所述的电池保护芯片，其特征在于，所述低功耗控制模块的第一输入端连接外部控制信号，所述低功耗控制模块的第二输入端连接所述电池电压输入端；
当所述低功耗控制模块的输入端为悬空状态或者接入正常工作信号时，所述过放保护模块向所述逻辑控制模块输出有效信号，所述电池保护芯片正常工作；
当所述低功耗控制模块的输入端接入低功耗有效信号时，所述低功耗控制模块将电源电压拉低至过放电压以下从而促发过放保护，所述过放保护模块向所述逻辑控制模块输出输出低功耗控制信号，所述逻辑控制模块检测到所述低功耗控制信号的持续时间大于预设时间时，使所述电池保护芯片进入低功耗状态。
5.如权利要求4所述的电池保护芯片，其特征在于，所述低功耗控制模块包括电阻R2、电阻R3和MOS管M1，所述电阻R3的第一端和所述MOS管的栅极共接，并构成所述低功耗控制模块的第一输入端，所述电阻R2的第一端成所述低功耗控制模块的第二输入端，所述电阻R2的第二端连接所述MOS管的漏极，所述MOS管的源极与所述电阻R3的第二端共接于地。
6.如权利要求1所述的电池保护芯片，其特征在于，所述电池保护芯片还包括：
第一保护模块，其第一端连接电池电压输入端，第二端连接接地端，用于对输入电压进行嵌位后得到第一电压；
第二保护模块，其第一端连接电池电压输入端和所述第一保护模块的第一端，第二端连接所述过放保护模块的输入端和所述过充保护模块的输入端，第三端连接接地端，用于对所述第一电压进行嵌位后得到第二电压，并将所述第二电压输出给所述所述过放保护模块和所述过充保护模块。
7.如权利要求6所述的电池保护芯片，其特征在于，所述第一保护模块包括MOS管Q1，所述MOS管Q1的漏极为所述第一保护模块的第一端，所述MOS管Q1的栅极和源极共接形成所述第一保护模块的第二端。
8.如权利要求6所述的电池保护芯片，其特征在于，所述第一保护模块包括MOS管Q2和MOS管Q3，所述MOS管Q2的漏极为所述第一保护模块的第一端，所述MOS管Q2的栅极和源极共接后连接所述MOS管Q2的漏极，所述MOS管Q3的栅极和源极共接后形成所述第一保护模块的第二端。
9.如权利要求6所述的电池保护芯片，其特征在于，所述第二保护模块包括电阻R4和MOS管Q4，所述电阻R4的第一端为所述第二保护模块的第一端，所述电阻R4的第二端与所述MOS管Q4的漏极共接并构成所述第二保护模块的第二端，所述MOS管Q4的栅极和源极共接后形成所述第二保护模块的第三端。
10.一种电池保护系统，其特征在于，所述电池保护系统包括上述权利要求1至9任意一项所述的电池保护芯片、低功耗信号触发模块、电阻R5、电池以及电容C1，所述低功耗信号触发模块的输出端连接所述低功耗控制模块，所述电池的正极连接所述电阻R5的第一端，所述电阻R5的第二端与所述电容C1的第一端共接并形成电池电压输入端，所述电池的负极连接所述电容C1的第二端和所述充放电控制开关管的输入端。
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