CN113472049A - 一种锂电池保护系统、芯片系统及方法 - Google Patents

一种锂电池保护系统、芯片系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了锂电池保护系统、芯片系统及方法，包括基准电压模块、偏置电流模块、比较器模块、振荡器模块和逻辑处理模块，其芯片系统、采用权利要求1所述的锂电池保护系统，包括TEMP管脚，所述TEMP管脚内部通过导热金属线连接到温度转换模块温度采样区，所述温度转换模块实时将温度转化为电压信号，其方法包括引出TEMP管脚，TEMP管脚内部通过导热金属线连接到温度转换模块温度采样区，将外部热能信号传导到芯片内部温度传感电路采样区。本发明，当锂电池在工作过程中的温度发生变化时，本芯片内部温度保护系统会实时获取锂电池温度，当锂电池温度过高或过低时，控制锂电池工作状态，实现保护锂电池的作用。

Description

一种锂电池保护系统、芯片系统及方法
技术领域
本发明涉及锂电池保护芯片技术领域，具体为一种锂电池保护系统、芯片系统及方法。
背景技术
当前锂电池保护芯片只能实现基本的过充电压、过充电流、过放电压、过分电流、短路保护功能。现在市场中大部分芯片没用温度保护功能，或者必须外接NTC、PT采样电阻实现。
本系统、芯片及方法提供高温、低温保护，而无需外接外部采样电阻。
发明内容
本发明的目的在于提供一种锂电池保护系统、锂电池保护芯片及保护方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种锂电池保护系统，包括：
基准电压模块：采用Bandgap voltage reference方式，使用具有正温度系数的电压与具有负温度系数的电压之和，使温度系数相互抵消，实现与温度无关的电压基准；
偏置电流模块：实现与电源无关的稳定的电流，供比较器模块和振荡器模块使用；
比较器模块：用于处理基准电压与事件触发电压，产生或恢复事件信号振荡器模块：产生振荡信号，提供系统时钟信号；
逻辑处理模块：处理事件信号，产生或恢复MOSFET控制信号。
一种锂电池保护芯片系统，采用权利要求1所述的锂电池保护系统，其特征在于：包括TEMP管脚，所述TEMP管脚内部通过导热金属线连接到温度转换模块温度采样区，所述芯片系统将锂电池热能通过TEMP管脚及导热金属线将热能传导到温度转换模块的温度采样区，所述温度转换模块实时将温度转化为电压信号，当温度过高或过低时启动锂电池保护系统。
优选的，所述芯片系统包括锂电池保护芯片、充电MOS和放电MOS，所述锂电池保护芯片通过CO管脚控制充电MOS，所述所述锂电池保护芯片通过DO管脚控制放电MOS。
优选的，所述芯片系统包括锂电池保护芯片和充放电MOS，所述锂电池保护芯片通过CDO管脚控制充放电MOS。
优选的，所述温度转换模块实现原理进一步包括：
负温度系数电路原理：
利用PN结正向导通电压实现温度转换；
PN结正向导通电压为VPN、正向导通电流IPN；
PN结电流方程：
IPN＝IS0*[exp(VPN/VT)-1]≈IS0*exp(VPN/VT) 式1
其中：IS0：为反向饱和电流，反向饱和电流与PN结材料的禁带宽度和温度有关，随PN结面积增大10-15A；
VT：温度电压当量，理想正温度系数电压，VT＝kT/q≈26mV@300k；
T:热力学温度，单位为开氏温度K；
K:玻尔兹曼常数(8.63x10-6V/K)；
q:单位电子电荷量，单位为库伦C；
PN结反向饱和电流方程：IS＝CTγ*[exp(-US0/VT)] 式2
其中，C是结面积、杂质浓度相关常数；
γ是常数；
US0为绝对零度时PN结材料的导带底和价带顶间的电势差；
qUS0为PN结材料的禁带宽度；
由式1与式2可得：
VPN≈US0–VTlnC/IPN–VTlnTγ 式3
其中VTlnTγ为较小量，忽略后VPN≈US0–VTlnC/IPN 式4
由此式可知：当PN结电流IPN保持不变时，VPN随VT负温度系数进行变化。
优选的，所述温度转换模块实现原理进一步包括：
正温度系数电路原理：
当两个相同PN结的结电流不同时，PN结正向导通电压负温度系数也将不同，其差值为温度系数的电压；
控制PN结电流IPN1＝N*IPN2时：
VPN1–VPN2＝VT*ln(IPN1/IS0)–VT*ln(IPN2/IS0)＝VT*lnN；其中，VPN1为第一个PN结正向导通电压，VPN2为第二个PN结正向导通电压。
由此式可知：当PN结电流IPN1与IPN2保持不变时,VPN1–VPN2随VT正温度系数进行变化。
优选的，所述PN结为双极晶体或者MOS采样二极管的PN结。
一种锂电池保护方法，其特征在于包括如下步骤：引出TEMP管脚，TEMP管脚内部通过导热金属线连接到温度转换模块温度采样区，将外部热能信号传导到芯片内部温度传感电路采样区；
将采样区温度转换为电压信号；
比较基准参考电压信号与温度传感电路输出电压信号，比较后输出高温或低温事件信号；
处理高温或低温事件信号并输出控制信号；
最后，对高温或低温事件信号产生的高温或低温事件进行处理。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明，当锂电池在工作过程中的温度发生变化时，本芯片内部温度保护系统会实时获取锂电池温度，当锂电池温度过高或过低时，控制锂电池工作状态，实现保护锂电池的作用。
附图说明
图1为本发明的实施例1的系统框图；
图2为本发明的实施例2的系统框图；
图3为本发明的负温度系数电路原理图；
图4为本发明的负温度系数电路仿真图；
图5为本发明的正温度系数电路原理图；
图6为本发明的正温度系数电路VPN1与VPN2随温度变化仿真曲线图；
图7为本发明的正温度系数电路VPN1-VPN2随温度变化仿真曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参阅图1和3-7，本发明提供一种技术方案：一种锂电池保护芯片系统：
热传导过程：
锂电池保护芯片封装将引出VDD、VSS、VM、CDO、TEMP管脚，相较于传统锂电保护芯片，本锂电池保护芯片将多出TEMP管脚，本管脚内部通过导热金属线，连接到温度转换模块温度采样区，锂电池保护芯片将锂电池热能通过芯片管脚及导热金属线将热能传导到温度转换模块的温度采样区，温度转换模块实时将温度转化为电压信号，当温度过高或过低时启动锂电池保护系统。
本实施例的锂电池保护芯片系统还包括充放电MOS，锂电池保护芯片通过CDO管脚对充放电MOS进行控制。
芯片内部组成
本芯片内部包含锂电池保护系统，锂电池保护系统包括温度转换模块、电压基准模块、偏置电电路模块、比较器模块、振荡器模块、逻辑处理模块等，以实现对锂电池的过充电压(OCV)、过放电压(ODV)、过充电流(OCI)、过放电流(ODI)、短路检测(SHORT)、充电检测(CHARGE)、高温检测(THV)及低温检测(TLV)；
所述温度转换模块实现原理包括：
负温度系数电路原理：
由于PN结(或双极晶体、MOS采样二极管连接方式)正向导通电压，具有负温度系数，可利用PN结正向导通电压实现温度转换利用PN结正向导通电压实现温度转换；
PN结正向导通电压为VPN、正向导通电流IPN；
PN结电流方程：
IPN＝IS0*[exp(VPN/VT)-1]≈IS0*exp(VPN/VT) 式1
其中：IS0：为反向饱和电流，反向饱和电流与PN结材料的禁带宽度和温度有关，随PN结面积增大10-15A；
VT：温度电压当量，理想正温度系数电压，VT＝kT/q≈26mV@300k；
T:热力学温度，单位为开氏温度K；
K:玻尔兹曼常数(8.63x10-6V/K)；
q:单位电子电荷量，单位为库伦C；
PN结反向饱和电流方程：IS＝CTγ*[exp(-US0/VT)] 式2
其中，C是结面积、杂质浓度相关常数；
γ也是常数；
US0为绝对零度时PN结材料的导带底和价带顶间的电势差；
qUS0为PN结材料的禁带宽度；
由式1与式2可得：
VPN≈US0–VTlnC/IPN–VTlnTγ 式3
其中VTlnTγ为较小量，忽略后VPN≈US0–VTlnC/IPN 式4
由此式可知：当PN结电流IPN保持不变时，VPN随VT负温度系数进行变化；
负温度系数电路原理图及仿真本测试电路使用电流源保持IPN恒定及MosDiode电路，原理简图如图2所示；
由图3可知，随着温度升高，PN结正向导通电压线性减小；
正温度系数电路原理：
当两个相同PN结的结电流不同时，PN结正向导通电压负温度系数也将不同，其差值为温度系数的电压；
控制PN结电流IPN1＝N*IPN2时：
VPN1–VPN2＝VT*ln(IPN1/IS0)–VT*ln(IPN2/IS0)＝VT*lnN；其中，VPN1为第一个PN结正向导通电压，VPN2为第二个PN结正向导通电压。
由此式可知：当PN结电流IPN1与IPN2保持不变时,VPN1–VPN2随VT正温度系数进行变化。
一种锂电池保护系统，包括：
基准电压模块：采用Bandgapvoltagereference方式，使用具有正温度系数的电压与具有负温度系数的电压之和，使温度系数相互抵消，实现与温度无关的电压基准；
偏置电流模块：实现与电源无关的稳定的电流，供比较器模块和振荡器模块使用；
比较器模块：用于处理基准电压与事件触发电压，产生或恢复事件信号
振荡器模块：产生振荡信号，提供系统时钟信号；
逻辑处理模块：处理事件信号，产生或恢复MOSFET控制信号本芯片内部。
一种锂电池保护方法，其特征在于包括如下步骤：一种锂电池保护方法，采用上述芯片，包括如下步骤：引出TEMP管脚，TEMP管脚内部通过导热金属线连接到温度转换模块温度采样区，将外部热能信号传导到芯片内部温度传感电路采样区；
将采样区温度转换为电压信号；
比较基准参考电压信号与温度传感电路输出电压信号，比较后输出高温或低温事件信号；
处理高温或低温事件信号并输出控制信号；
最后，对高温或低温事件信号产生的高温或低温事件进行处理。
温度保护系统工作过程：
1)锂电池温度过高或过低；
2)通过TEMP管脚将锂电池温度传导到芯片内部；
3)芯片内部温度转换模块将温度信号转换为电压信号；
4)通过电阻分压原理获得需要的高温电压信号及低温电压信号；
5)高温电压信号和基准电压信号通过比较器模块比较产生高温事(THV)；
6)低温电压信号和基准电压信号通过比较器模块比较产生低温事(TLV)；
7)逻辑处理模块处理高温事件(THV)或低温事件(TLV)，发出MOSFET控制信号；
8)控制外部MOSFET，停止锂电池充电或放电；
本芯片解除温度保护系统工作过程：
1)锂电池温度恢复到正常状态；
2)通过TEMP管脚将锂电池温度传导到芯片内部；
3)芯片内部温度转换模块将温度信号转换为电压信号；
4)通过电阻分压原理获得需要的高温电压信号及低温电压信号；
5)高温电压信号和基准电压信号通过比较器模块解除高温电压信号(THV)；
低温电压信号和基准电压信号通过比较器模块解除低温电压信号(TLV)；
逻辑处理模块处理解除高温事件(THV)或低温事件(TLV)，发出MOSFET控制信号；
6)控制外部MOSFET，恢复锂电池充电或放电。
实施例2
请参阅图2和3-7，本实施例和实施例1的区别在于锂电池保护芯片包括VDD、VSS、VM、CO、DO和TEMP管脚，还包括充电MOS和放电MOS，锂电池保护芯片通过CO管脚控制充电MOS，锂电池保护芯片通过DO管脚控制放电MOS。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种锂电池保护系统，其特征在于包括：
基准电压模块：采用Bandgap voltage reference方式，使用具有正温度系数的电压与具有负温度系数的电压之和，使温度系数相互抵消，实现与温度无关的电压基准；
偏置电流模块：实现与电源无关的稳定的电流，供比较器模块和振荡器模块使用；
比较器模块：用于处理基准电压与事件触发电压，产生或恢复事件信号
振荡器模块：产生振荡信号，提供系统时钟信号；
逻辑处理模块：处理事件信号，产生或恢复MOSFET控制信号。
2.一种锂电池保护芯片系统，采用权利要求1所述的锂电池保护系统，其特征在于：包括TEMP管脚，所述TEMP管脚内部通过导热金属线连接到温度转换模块温度采样区，所述芯片系统将锂电池热能通过TEMP管脚及导热金属线将热能传导到温度转换模块的温度采样区，所述温度转换模块实时将温度转化为电压信号，当温度过高或过低时启动锂电池保护系统。
3.据权利要求2所述的一种锂电池保护芯片系统，其特征在于：所述芯片系统包括锂电池保护芯片、充电MOS和放电MOS，所述锂电池保护芯片通过CO管脚控制充电MOS，所述所述锂电池保护芯片通过DO管脚控制放电MOS。
4.据权利要求2所述的一种锂电池保护芯片系统，其特征在于：所述芯片系统包括锂电池保护芯片和充放电MOS，所述锂电池保护芯片通过CDO管脚控制充放电MOS。
5.根据权利要求2所述的一种锂电池保护芯片系统，其特征在于：所述温度转换模块实现原理进一步包括：
负温度系数电路原理：
利用PN结正向导通电压实现温度转换；
PN结正向导通电压为VPN、正向导通电流IPN；
PN结电流方程：
IPN＝IS0*[exp(VPN/VT)-1]≈IS0*exp(VPN/VT) 式1
其中：IS0：为反向饱和电流，反向饱和电流与PN结材料的禁带宽度和温度有关，随PN结面积增大10-15A；
VT：温度电压当量，理想正温度系数电压，VT＝kT/q≈26mV@300k；
T:热力学温度，单位为开氏温度K；
K:玻尔兹曼常数；
q:单位电子电荷量，单位为库伦C；
PN结反向饱和电流方程：IS＝CTγ*[exp(-US0/VT)] 式2
其中，C是结面积、杂质浓度相关常数；
γ是常数；
US0为绝对零度时PN结材料的导带底和价带顶间的电势差；
qUS0为PN结材料的禁带宽度；
由式1与式2可得：
VPN≈US0–VTlnC/IPN–VTlnTγ 式3
其中VTlnTγ为较小量，忽略后VPN≈US0–VTlnC/IPN 式4
由此式可知：当PN结电流IPN保持不变时，VPN随VT负温度系数进行变化。
6.根据权利要求2所述的一种锂电池保护芯片系统，其特征在于：所述温度转换模块实现原理进一步包括：
正温度系数电路原理：
当两个相同PN结的结电流不同时，PN结正向导通电压负温度系数也将不同，其差值为温度系数的电压；
控制PN结电流IPN1＝N*IPN2时：
VPN1–VPN2＝VT*ln(IPN1/IS0)–VT*ln(IPN2/IS0)＝VT*lnN；其中，VPN1为第一个PN结正向导通电压，VPN2为第二个PN结正向导通电压。
由此式可知：当PN结电流IPN1与IPN2保持不变时,VPN1–VPN2随VT正温度系数进行变化。
7.根据权利要求5或6所述的一种锂电池保护芯片系统，其特征在于：所述PN结为双极晶体或者MOS采样二极管的PN结。
8.根据权利要求2所述的一种锂电池保护芯片系统，其特征在于：所述锂电池保护系统包括：
基准电压模块：采用Bandgap voltage reference方式，使用具有正温度系数的电压与具有负温度系数的电压之和，使温度系数相互抵消，实现与温度无关的电压基准；
偏置电流模块：实现与电源无关的稳定的电流，供比较器模块和振荡器模块使用；
比较器模块：用于处理基准电压与事件触发电压，产生或恢复事件信号
振荡器模块：产生振荡信号，提供系统时钟信号；
逻辑处理模块：处理事件信号，产生或恢复MOSFET控制信号。
9.一种锂电池保护方法，采用权利要求2-8任意一项权利要求所述的锂电池保护芯片系统，其特征在于包括如下步骤：
引出TEMP管脚，TEMP管脚内部通过导热金属线连接到温度转换模块温度采样区，将外部热能信号传导到芯片内部温度传感电路采样区；
将采样区温度转换为电压信号；
比较基准参考电压信号与温度传感电路输出电压信号，比较后输出高温或低温事件信号；
处理高温或低温事件信号并输出控制信号；
最后，对高温或低温事件信号产生的高温或低温事件进行处理。
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