CN113497465A - 一种锂电池保护电路 - Google Patents

一种锂电池保护电路 Download PDF

Info

Publication number
CN113497465A
CN113497465A CN202010198789.1A CN202010198789A CN113497465A CN 113497465 A CN113497465 A CN 113497465A CN 202010198789 A CN202010198789 A CN 202010198789A CN 113497465 A CN113497465 A CN 113497465A
Authority
CN
China
Prior art keywords
circuit
protection
current
voltage
lithium battery
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202010198789.1A
Other languages
English (en)
Inventor
陈崴
张荣晶
陈伟新
何巧蓉
郑达真
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujian Fuxin Electronic Technology Co ltd
Original Assignee
Fujian Fuxin Electronic Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fujian Fuxin Electronic Technology Co ltd filed Critical Fujian Fuxin Electronic Technology Co ltd
Priority to CN202010198789.1A priority Critical patent/CN113497465A/zh
Publication of CN113497465A publication Critical patent/CN113497465A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H01M10/4257—Smart batteries, e.g. electronic circuits inside the housing of the cells or batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/18—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for batteries; for accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0029—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H02J7/0036—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits using connection detecting circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
    • H02M1/088—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters for the simultaneous control of series or parallel connected semiconductor devices
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Protection Of Static Devices (AREA)

Abstract

本发明公开一种锂电池保护电路，锂电池保护电路包括基准电压产生电路、参考电压产生电路、基准电流产生电路、过充电检测比较器、过放电检测比较器、充电过流检测比较器、放电过流检测比较器、逻辑控制电路、振荡器与计数器电路、短路保护检测电路、CS开路保护电路、OD驱动电路、OC电平转换电路，本发明可以实现对锂电池的保护。

Description

一种锂电池保护电路
技术领域
本发明涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种锂电池保护电路。
背景技术
锂离子电池(通常简称为锂电池)，是一种二次电池(充电电池)，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。锂离子电池具有电压高、循环寿命长、充电快速、工作温度范围广的优点，因此可充电锂离子电池是手机、笔记本电脑等现代数码产品中应用最广泛的电池。然而，锂离子电池在使用中如果出现过度充电、过度放电、放电过流等现象，会对锂电池产生不可逆的损坏，甚至引发爆炸、火灾等严重安全事故。因此，锂离子电池在使用的过程中，必须与锂电池保护板搭配使用。一种典型的锂电池保护板电路如图1所示，由电阻、电容、功率MOS管以及锂电池保护芯片组成，其中，锂电池保护芯片是保护板的核心器件。
图1中，MN1和MN2是功率MOS管，开启和关断受到锂电池保护芯片控制，用于开通/切断锂电池的充放电回路，D1、D2是功率MOS管MN1、MN2的寄生体二极管。锂电池保护芯片的电源管脚VDD和地管脚VSS之间的电压，也就是锂电池的电压，电池电压经过分压后，与多个参考检测电压进行比较，当电池电压高于过充保护电压时，并且持续时间超过过充电保护延时后，芯片控制充电保护MOS管MN2关断，切断了充电器和电池之间的充电回路；同理当VDD和VSS之间电压的分压值小于过放电检测电压，芯片将控制MN1关断，切断锂电池与负载之间的放电回路。锂电池在对负载放电的过程中，放电电流在MN1和MN2的内阻上形成压降，CS管脚电压极性为正(相对于VSS管脚)，而充电过程中，充电电流在MN1和MN2形成负压降，CS管脚电压极性为负。R1、C1构成低通滤波电路，用于滤除芯片VDD管脚上的高频干扰。
在图1中，锂电池保护芯片内部的基准电压产生电路为整颗芯片产生基准电压，参考电压电路用于为芯片内部的比较器产生参考电压；振荡器和分频器电路用于产生检测延时。OD和OC分别是放电MOS和充电MOS管的栅极控制管脚，从图1中可以看出，OD和OC并非由逻辑电路直接驱动，由于功率MOS管有较大的栅极寄生电容，芯片内部的逻辑电路与OD/OC管脚之间，需要插入驱动电路，以提供足够的驱动能力，防止OD和OC的关断/开启时间过长。更需要注意的是，逻辑电路与OC之间，除了驱动电路，还需要增加电平转换电路，这是由于锂电池在充电过程中，CS是负电压，当锂电池出现了过度充电或充电过流的情况，为了将充电MOS管MN2管完全关断，也就是令MN2管的VGS＝0V，必须使OC管脚的输出电压等于VCS，显然，芯片的内部逻辑电路输出的低电平只能是VSS，因此在逻辑电路和OC之间，必须加上VSS到VCS的电平转换电路。从图1还能看出，当芯片发生过充电保护或者充电过流保护后，MN2关断，VDD和CS管脚之间的电压等于充电器开路电压VCH，因此VOC＝VCS＝VDD-VCH，目前市场上主流的充电器，其开路电压从5V到30V不等，而锂电池保护芯片的过充保护电压普遍在3.6～4.5V左右，因此，OC管脚需要能够承受-25V左右的负向高压。因此，OC管脚的电平转换电路，需要兼顾驱动能力、电平转换和耐负高压的性能要求。
现有技术中，充电MOS管的驱动电路主要有以下两种结构：1.采用厚栅氧BCD工艺的电平转换电路加输出反相器的结构；2.采用大电阻做下拉器件的输出反相器结构。如上所述现有的第一类OC电平转换电路如图2所示：cout是该模块的控制信号，反相器INV1，高压PMOS管PM1、PM2，高压NMOS管NM1、NM2构成电平转换电路(level-shifter)，高压MOS管PM3和NM3构成输出反相器，R1是OC管脚的限流电阻，与NM4构成静电放电保护电路(ESDProtector)。
图2中，cout是芯片内部逻辑电路给出的控制信号，当锂电池的电压和电流都正常时，cout输出高电平，此时PM1导通，PM2断开，则NM2的栅极电位等于VDD，则VGS,NM2＝VDD-VCS，由于正常工作状态下，CS管脚的电压接近于VSS，因此NM2管导通，这就使得NM1管的栅极电位等于VCS，则其VGS,NM1＝0，因此NM1管彻底关断，同时PM3管的VGS＝VDD-VCS，PM3导通，OC输出高电平，充电MOS管开启；当电池出现过充电或者充电过流的情况时，逻辑控制电路使cout信号翻转为低电平，此时PM2导通，则NM1导通，使NM2栅极电位等于VCS，其VGS，NM2＝0，因此NM2管彻底关断，同时PM2导通又令NM3的VGS，NM3＝VDD-VCS，则NM3导通，因此OC管脚输出电压等于CS管脚电压，于是就完成了芯片内部逻辑低电平VSS到OC管脚低电平VCS的电平转换功能。
第二种现有的充电MOS管脚驱动电路如图3所示：coutb与图2中的cout是一对反相的信号。PM1和R1构成一种输出反相器结构。PM2是GDPMOS(栅极接电源PMOS)结构的ESD保护管，电阻R2是限流电阻。其工作原理是：芯片正常工作情况下，coutb输出低电平，此时PM1管导通，OC管脚的电压VOC＝VDD*[R1/(R1+Ron,PM1)]，Ron,PM1是PM1的导通阻抗，其值远小于R1，因此OC脚的输出电压就约等于VDD，R1的阻值取的越大，则OC管脚电压与VDD的差值越小。当发生过度充电和充电过流的现象时，逻辑电路控制coutb翻转为高电平，此时PM1关断，OC管脚与CS管脚之间通过电阻R1连接，稳定后OC管脚输出电压等于CS管脚电压，于是也完成了芯片内部低电平VSS到OC管脚低电平VCS的转换。
现有技术存在如下问题：
1.目前市面上常见的锂电池保护芯片中，OC管脚电平转换电路的工艺要求高，无法兼顾性能与成本：如上文所述，当芯片发生过充电以及充电过流保护时，OC管脚需要输出与CS管脚电位相等的负电平，使得充电保护MOS的VGS＝0V，使之完全关断。如图2所示的电平转换电路，NM1-NM4这四个管子在保护时，VGS需要承受VDD-VCS的负向高压，这就要求芯片采用厚栅工艺，以增加VGS的耐压能力，厚栅工艺需要增加额外的掩膜版制造和光刻工序，增加了芯片的生产成本；如图3所示的OC电平转换电路，虽然避免了厚栅氧工艺的使用，然而这种方案有一个致命的缺陷，为了防止芯片正常工作时，PM1通过的静态电流过大，电阻R1的阻值必须达到兆欧姆级别，这就导致了当OC管脚即将发生关断保护时，图1中功率MOS管MN2的栅极寄生电容，与图3中R1构成了毫秒级别的时间常数，因此MN2的栅极电压从VDD放电到CS，其放电时间将达到毫秒级别，这将严重影响充电过流保护的可靠性。
2.目前市面上常见的锂电池保护芯片中，芯片内部比较器的参考电压，通常采用带隙基准加稳压器分压的电路结构来产生，虽然带隙基准电路有良好的温度特性，但带隙基准电路的设计需要应用到运算放大器和双极型晶体管，同时稳压器分压电路也需要应用到运算放大器，二者都需要占据较大的版图面积，并且产生可观的静态电流。锂电池保护芯片直接由锂电池供电，芯片的静态功耗是其一项重要的性能指标，设计时应尽量减小芯片内部电路的静态功耗。
3.目前市面上常见的锂电池保护芯片中，没有设计专门的CS开路保护电路。CS管脚用于对锂电池充放电电流的检测，CS管脚和充电MOS MN2的源极之间需要增加一个阻值在1k欧左右的电阻RCS，用于限制通过CS管脚的电流。然而锂电池保护板在生产及使用的过程中，难免会出现RCS虚焊、漏焊或RCS损坏的情况，当RCS失效时，CS管脚也就无法对MN2的源极电压进行检测，此时，芯片的过流及短路保护功能将完全失效。
发明内容
为此，需要提供一种锂电池保护电路，解决锂电池充电保护问题。
为实现上述目的，发明人提供了一种锂电池保护电路，包括基准电压产生电路、参考电压产生电路、基准电流产生电路、过充电检测比较器、过放电检测比较器、充电过流检测比较器、放电过流检测比较器、逻辑控制电路、振荡器与计数器电路、短路保护检测电路、CS开路保护电路、OD驱动电路、OC电平转换电路，所述基准电压产生电路的输入端与VDD端连接，所述基准电压产生电路的输出端与参考电压产生电路、基准电流产生电路分别连接，参考电压产生电路的输出端与过充电检测比较器的一输入端、过放电检测比较器的一输入端连接，过充电检测比较器的另一输入端与VDD的一分压电路连接，过放电检测比较器的另一输入端与VDD的另一分压电路连接，过充电检测比较器的输出端与逻辑控制电路连接，过放电检测比较器的输出端与逻辑控制电路连接，振荡器与计数器电路与逻辑控制电路连接，短路保护检测电路的输出端、CS开路保护电路的输出端与逻辑控制电路连接，短路保护检测电路的输入端、CS开路保护电路的输入端与CS端连接，逻辑控制电路与OD驱动电路的输入端、OC电平转换电路的输入端连接，OD驱动电路的输出端与OD端连接，OC电平转换电路的输出端与OC端连接。
进一步地，所述的OC电平转换电路包括电流镜和由高压PMOS管PM3和高压NMOS管NM1构成的输出反相器，电流镜用于根据基准电流产生电路的电流得到偏置电流，偏置电流与PMOS管PM5的源极连接，PMOS管PM5的栅极与逻辑控制电路的控制信号cout连接，PMOS管PM3的源极与VDD端连接，PMOS管PM3的栅极与反相控制信号coutb连接，PMOS管PM3的漏极与NMOS管NM1的漏极连接，NMOS管NM1的栅极与PMOS管PM5的漏极和电阻R1的一端连接，NMOS管NM1的源极与电阻R2的一端连接，电阻R1的另一端、电阻R2的另一端与CS端连接。
进一步地，NMOS管NM1导通状态下的VGS由电流镜电流和NMOS管NM1栅源之间跨接电阻的乘积确定，所述乘积小于电源电压VDD。
进一步地，所述基准电压产生电路采用了耗尽型MOS管与增强型MOS管阈值电压的温度系数相互补偿的原理。
进一步地，所述参考电压产生电路从基准电压产生电路的基准电压VREF进行电阻分压，产生芯片内部电路需要的参考电压。
进一步地，所述CS开路保护电路包括上拉电流源I1、上拉电流源I2、电流开关MP1、反相器INV1、与非门NAND1，反相器INV1的输出端与与非门NAND1的一输入端连接，与非门NAND1的输出端与电流开关MP1的栅极连接，电流开关MP1的源极与上拉电流源I1连接，电流开关MP1的漏极与电阻RVMD的一端连接，电阻RVMD的另一端与CS端连接，上拉电流源I2与电流开关MN1的漏极连接，电流开关MN1的源极通过电阻R11和电阻R12连接到CS端。
进一步地，所述CS开路保护电路，当CS管脚悬空时，CS管脚电位会被上拉电流源I2上拉，使芯片进入短路保护状态，然后上拉电流源I1开始对CS管脚的寄生电容充电，当CS管脚开路时，CS管脚电压会在放电过流保护状态解除之前，被充电到短路保护检测电压以上，再次进入短路保护状态，使OD管脚一直输出低电平；而CS未开路的情况下，CS在放电过流保护解除之前，不能被充电到负载短路保护电压以上，不会进入充电过流保护状态。
进一步地，CS开路保护电路，在CS管脚开路的情况下，OD管脚一直输出低电平，使放电MOS管处于关断状态，切断了电池与负载电路之间的放电通路。
本发明提供一种锂电池保护芯片，所述锂电池保护芯片包括本发明任意一项实施例所述的锂电池保护电路。
区别于现有技术，上述技术方案具有如下优点：
(1)本发明设计的锂电池保护电路和芯片，采用了一种新型的电平转换电路。该电平转换电路在芯片正常工作条件下，无静态功耗。当芯片发生过充电保护或者充电过流保护时，能够快速的将OC管脚电位下拉到与CS管脚电位相等，在微秒级别的延迟时间后将充电MOS完全关断，过充电保护及充电过流保护可靠性高。
(2)本发明设计的锂电池保护电路和芯片，采用了一种新型的电平转换电路，该电平转换电路通过创新的电路设计，避免了使用高VGS耐压的厚栅氧MOS管，降低了锂电池保护芯片设计的工艺要求，工艺通用性好，同时减少了掩膜版制作和芯片生产的光刻费用，芯片制造成本低，经济性好。
(3)本发明设计的锂电池保护电路和芯片，设计了一种新型的基准电压产生电路，该电路使用耗尽型与增强型MOS两类器件产生基准电压，无需使用运算放大器和双极性晶体管，大大节省了芯片面积与功耗。
(4)本发明所示的锂电池保护电路和芯片，设计了一种新型的基准电压产生电路，该电路可以从输出端直接对基准电压分压，产生芯片内部多个参考电压，无需额外设计稳压器分压电路，进一步节省了芯片面积与功耗。
(5)本发明所示的锂电池保护电路和芯片，设计了CS开路保护电路，该电路能够使芯片在CS端口电阻RCS与芯片管脚开路的条件下，使得芯片的OD管脚一直输出低电平，切断锂电池与负载之间的放电回路，能够有效的防止CS电流检测失效而导致的锂电池安全事故。
附图说明
图1为背景技术所述的锂电池保护板的一种典型电路；
图2为背景技术所述的第一种充电MOS管驱动电路；
图3为背景技术所述的第二种充电MOS管脚驱动电路；
图4为本发明实施例的锂电池保护芯片电路原理图；
图5为本发明实施例的OC电平转换电路；
图6为本发明实施例的基准电压产生电路；
图7为本发明实施例的CS开路检测电路。
具体实施方式
为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。
请参阅图4到图7，本实施例提供了一种的锂电池保护电路，其电路原理图如图4所示。锂电池保护电路不仅可以单独封装为锂电池保护芯片，也可以应用在保护芯片与MOS管合封的芯片中，以及无外围电路的锂电池保护芯片。锂电池保护芯片电路包括：基准电压产生电路，参考电压产生电路，基准电流产生电路，过充电检测比较器，过放电检测比较器，充电过流检测比较器，放电过流检测比较器，逻辑控制电路，振荡器&计数器电路、短路保护/CS开路检测电路、OC电平转换电路。该芯片的基本工作原理是：
当芯片检测到锂电池电压高于过充电保护电压时，过充电检测比较器翻转，振荡器&计数器电路开始工作，当过充电检测比较器的翻转持续时间大于过充电保护延迟时间，逻辑电路将通过OC电平转换电路将OC管脚连接的MOS管关断，切断充电回路；当锂电池的充电电流过大时，芯片将检测到CS管脚电压小等于充电过流检测保护电压，充电过流比较器翻转，当翻转持续时间大于充电过流保护延迟时间后逻辑电路控制OC电平转换电路将OC管脚MOS关断。
当芯片检测到过放电、放电过流以及负载短路等情况时，并且持续时间大于保护检测延迟时间，逻辑控制电路将驱动OD驱动电路输出低电平，将OD管脚MOS关断。
图4中OC电平转换电路的电路原理图如图5所示：I1为芯片内部基准电流产生电路产生的电流，PM1和PM2构成一对电流镜得到偏置电流I1`。I1`＝N*I1，N为PM1和PM2的沟道宽度比值。cout和coutb为一对反相控制信号，分别控制开关管PM3和PM5。PM3和NM1构成输出反相器。R2为限流电阻，用于保护NM1的源极不被静电击穿，R3与PM4构成ESD防护电路。其中PM1、PM2采用低压MOS管；PM3、PM4、PM5和NM1采用VDS高耐压MOS管。输出反相器的NMOS管的VGS由电流开关控制：当电流开关导通时，电流镜的输出电流流经跨接在NMOS管栅极和源极之间的电阻，产生压降，使得NMOS管导通，当电流开关关断时，NMOS管的栅极和源极由电阻短路，完成关断。
锂电池正常充放电时，cout＝VDD，PM5关断，I1`＝0，R1上的压降等于VCS，即VGS，NM1＝0，因此NM1关断。coutb＝VSS，PM3导通，OC被上拉输出VDD。锂电池发生充电过压或充电过流情况时，cout＝VSS，coutb＝VDD，此时PM3关断，PM5导通。电流I1`流过电阻R1形成压降，此时NM1的VGS，NM1＝I1`*R1，只要保证I1`*R1大于NM1的导通阈值VTH，NM1，就可以使NM1导通(由于PM3关断，NM1和R2无静态电流通过，无需考虑R2上的压降)，此时OC管脚电压被下拉到VCS，将充电MOS关断。
通过上述分析，可知I1`*R1的取值范围如下：
VTH,NM1<I1`*R1<VDD-Vdsat,PM2-VDS,PM5 (1)
上式中Vdsat,PM2为PM2工作在饱和区的最小VDS电压，VDS,PM5为PM5的导通压降。
OC管脚的下降时间为：
Figure BDA0002418597290000091
上式中VOC,1为电池电压，VOC,final为OC管脚关断时的VCS电压，VOC为OC管脚关断后的VOC电压。τOC是OC端子的时间常数，τOC＝ROC*CP,OC＝(R2+R3+Ron，NM1)*CP,OC，Ron,NM1是NM1的导通电阻，CP,OC为充电MOS的栅极寄生电容。由公式(1)和(2)可知，PM5的宽长比越大，PM2的Vdsat,PM2越小，则I1`*R1可取的值越大，NM1导通时的VGS，NM1值就会越大，NM1的导通电阻就越小，OC端的时间常数就越小，OC管脚的下降时间就越快。
OC电平转换电路中的输出反相器，PMOS管由内部逻辑控制，无VGS耐高压的要求；所述乘积小于电源电压VDD时，NMOS管也无VGS耐高压的要求。因此，本发明电路中所使用的高压MOS管均无超过电压VDD的VGS耐压要求，无需使用厚栅氧的BCD工艺，工艺通用性好，芯片制造成本低，经济性好。
与现有技术中的MOS管驱动电路结构相比，本设计的MOS管驱动电路不需要用到高成本的厚栅氧工艺；电阻占用面积较小；在芯片正常工作时不产生静态电流，功耗较低；且OC管脚的下降时间短，可靠性高。
基准电压产生电路原理图如图6所示，Mp1、Mp2为Mn8为开关管，其栅极信号受到pd信号控制，当芯片正常工作时，pd为低电平，Mp1、Mp2导通，Mn8关断；当芯片进入休眠状态时，pd为高电平，Mp1、Mp2关断，Mn8导通，使电路的整体工作电流降为0，电路的具体工作原理如下：
Mn3和Mn4的栅源电压分别为：
Figure BDA0002418597290000101
Figure BDA0002418597290000102
其中VTHE为增强型NMOS管的阈值电压，VTHD为耗尽型NMOS管的阈值电压，μE和μD分别为增强型NMOS管和耗尽型NMOS管的迁移率，K1、K3、K4和K5分别为Mn1、Mn2、Mn4和Mn5管的宽长比。则电压V1表示为：
Figure BDA0002418597290000103
由(3)式可以得出，若令
Figure BDA0002418597290000104
即可抵消V1表达式中与迁移率相关的分量，此时V1可以表示为：
Figure BDA0002418597290000105
其温度系数只与增强型NMOS管的阈值电压有关，温度系数为负。
Mn6和Mn7是耗尽型NMOS管，VGS7的表达式如下：
Figure BDA0002418597290000106
当Mn6的宽长比小于Mn7的宽长比，VGS7具有负温度系数。芯片的基准电压Vref可以表示为：
Figure BDA0002418597290000107
Vref的温度系数为：
Figure BDA0002418597290000108
由式(6)可以得出，通过设置合理Mn6和Mn7的宽长比的比值，以及R1与R2的比值，可以使得基准电压Vref的温度系数为0。本发明的基准电压产生电路可以产生低温漂的基准电压，与传统的带隙基准电路相比，取消了运算放大器和双极性晶体管，基准电压产生电路的版图面积和耗电流大大降低。图6中Vsip是短路检测电压，Vdip是放电过流检测电压，Vcip是充电过流检测电压，开关Mn9是受信号td_cip和doutb同时控制的，当芯片进入充电过流保护状态时，td_cip为高电平，将CS与Vcip与Vref断开。上述各检测电压直接从Vref分压得到，无需设计单独的稳压器分压电路。与传统的参考电压产生电路相比，省去了运算放大器的使用，进一步减小了耗电流，同时降低了电路的版图面积，降低了芯片制造成本。
本发明所设计的基准电压产生电路仅由增强型NMOS管、耗尽型NMOS管和电阻构成，通过设置合理的器件参数，可获得低温漂且稳定输出的基准电压VREF，与传统的带隙基准电路相比，无需使用运算放大器和三极管，大大节省了芯片的面积且具有更低的功耗。本发明所设计基准电压产生电路，可以从基准电压输出端直接用电阻分压，产生芯片内部多个比较器的参考电压，无需设计单独的稳压器分压电路，进一步减小了电路面积开销，降低了芯片的整体电流消耗。
CS开路检测电路原理图如图7所示：I1是基准电流电路产生的电流源，I2是基准电压产生电路中的电流源，Vref信号是基准电压产生电路产生的基准电压。MP1是高压PMOS管，受short与VRVMS信号控制。short是短路检测电路的输出信号，VRVMS是CS端下拉电阻RVMS的控制信号。MN1为低压NMOS管，受td_cip与doutb信号控制，td_cip为充电过流保护控制信号，doutb是OD输出的控制信号。该检测电路基本工作原理是：
(1)当芯片处于正常工作状态时，td_cip和doutb均为低电平，则MN1导通。short与VRVMS信号均为低电平，此时NAND1输出高电平，MP1关断，MN2关断，CS管脚电位不受I1和RVMS影响；
(2)当芯片连接负载放电，进入放电过流或负载短路保护状态时，td_cip信号仍为低电平，doutb信号变为高电平，此时MN1关断。VRVMS以及short信号均为高电平，MP1仍然关断。而将负载移除后，CS管脚电压被RVMS下拉到VSS，并且经过放电过流保护释放延迟时间TDIPR时间后，VRVMS变为低电平，因此MN2关断，RVMS断开。由于负载短路保护释放延迟时间TshortR大于TDIPR，此时short仍为高电平，因此NAND1的输出变为低电平，MP1开启，I1开始对CS管脚的寄生电容进行充电。由于I1是nA级的微小电流，而CS管脚与功率MOS管MN3的源极连接，其源级总寄生电容CSS较大(数百pF)，CS管脚的电压在TshortR时间结束后仍远小于芯片的短路保护电压Vsip，此时short信号变为低电平，MP1关断，芯片将恢复正常工作状态；
(3)当由于某种原因(焊接问题或器件失效)RCS突然与CS管脚断开时，CS管脚被I2快速上拉到VSIP以上，经过负载短路保护延迟时间Tsip时间后，short变成高电平，OD变为低电平，doutb变为高电平，MN1关断，芯片进入负载短路保护状态。再经过Tdip-Tsip时间后，其中Tdip为放电过流保护延迟时间，VRVMS信号变为高电平，MP1关断，MN2导通，CS被下拉到VSS，经过放电过流保护释放延迟时间TDIPR时间后，VRVMS变为低电平，RVMS断开，此时NAND1的输出变为低电平，MP1开启，I1开始对CS管脚的寄生电容进行充电，此时由于RCS开路，CS管脚寄生电容Cp只有fF级，CS电压将迅速被上拉到Vsip以上，此时由于TshortR大于TDIPR，当RVMS断开后，Short信号还未恢复低电平，芯片又再次进入负载短路保护状态。当RCS开路时，上述状态将不断重复，芯片将被锁定在负载短路保护状态，OD始终输出低电平，切断放电回路。当RCS正常连接后，芯片将退出负载短路保护状态，OD恢复高电平。本发明的CS开路保护电路，能够保证CS管脚开路的情况下，OD管脚一直输出低电平，使放电MOS管处于关断状态，切断了电池与负载电路之间的放电通路，锂电池不能对负载放电，这样就可以防止因为CS开路导致的电流检测失效所造成的锂电池的损坏，避免引发安全事故。
需要说明的是，尽管在本文中已经对上述各实施例进行了描述，但并非因此限制本发明的专利保护范围。因此，基于本发明的创新理念，对本文所述实施例进行的变更和修改，或利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接地将以上技术方案运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (8)

1.一种锂电池保护电路，其特征在于：包括基准电压产生电路、参考电压产生电路、基准电流产生电路、过充电检测比较器、过放电检测比较器、充电过流检测比较器、放电过流检测比较器、逻辑控制电路、振荡器与计数器电路、短路保护检测电路、CS开路保护电路、OD驱动电路、OC电平转换电路，所述基准电压产生电路的输入端与VDD端连接，所述基准电压产生电路的输出端与参考电压产生电路、基准电流产生电路分别连接，参考电压产生电路的输出端与过充电检测比较器的一输入端、过放电检测比较器的一输入端连接，过充电检测比较器的另一输入端与VDD的一分压电路连接，过放电检测比较器的另一输入端与VDD的另一分压电路连接，过充电检测比较器的输出端与逻辑控制电路连接，过放电检测比较器的输出端与逻辑控制电路连接，振荡器与计数器电路与逻辑控制电路连接，短路保护检测电路的输出端、CS开路保护电路的输出端与逻辑控制电路连接，短路保护检测电路的输入端、CS开路保护电路的输入端与CS端连接，逻辑控制电路与OD驱动电路的输入端、OC电平转换电路的输入端连接，OD驱动电路的输出端与OD端连接，OC电平转换电路的输出端与OC端连接。
2.根据权利要求1所述的一种锂电池保护电路，其特征在于：所述的OC电平转换电路包括电流镜和由高压PMOS管PM3和高压NMOS管NM1构成的输出反相器，电流镜用于根据基准电流产生电路的电流得到偏置电流，偏置电流与PMOS管PM5的源极连接，PMOS管PM5的栅极与逻辑控制电路的控制信号cout连接，PMOS管PM3的源极与VDD端连接，PMOS管PM3的栅极与反相控制信号coutb连接，PMOS管PM3的漏极与NMOS管NM1的漏极连接，NMOS管NM1的栅极与PMOS管PM5的漏极和电阻R1的一端连接，NMOS管NM1的源极与电阻R2的一端连接，电阻R1的另一端、电阻R2的另一端与CS端连接。
3.根据权利要求2所述的一种锂电池保护电路，其特征在于：NMOS管NM1导通状态下的VGS由电流镜电流和NMOS管NM1栅源之间跨接电阻的乘积确定，所述乘积小于电源电压VDD。
4.根据权利要求1所述的一种锂电池保护电路，其特征在于：所述基准电压产生电路采用了耗尽型MOS管与增强型MOS管阈值电压的温度系数相互补偿的原理。
5.根据权利要求1所述的一种锂电池保护电路，其特征在于：所述参考电压产生电路从基准电压产生电路的基准电压VREF进行电阻分压，产生芯片内部电路需要的参考电压。
6.根据权利要求1所述的一种锂电池保护电路，其特征在于：所述CS开路保护电路包括上拉电流源I1、上拉电流源I2、电流开关MP1、反相器INV1、与非门NAND1，反相器INV1的输出端与与非门NAND1的一输入端连接，与非门NAND1的输出端与电流开关MP1的栅极连接，电流开关MP1的源极与上拉电流源I1连接，电流开关MP1的漏极与电阻RVMD的一端连接，电阻RVMD的另一端与CS端连接，上拉电流源I2与电流开关MN1的漏极连接，电流开关MN1的源极通过电阻R11和电阻R12连接到CS端。
7.根据权利要求6所述的一种锂电池保护电路，其特征在于：所述CS开路保护电路，当CS管脚悬空时，CS管脚电位会被上拉电流源I2上拉，使芯片进入短路保护状态，然后上拉电流源I1开始对CS管脚的寄生电容充电，当CS管脚开路时，CS管脚电压会在放电过流保护状态解除之前，被充电到短路保护检测电压以上，再次进入短路保护状态，使OD管脚一直输出低电平；而CS未开路的情况下，CS在放电过流保护解除之前，不能被充电到负载短路保护电压以上，不会进入充电过流保护状态。
8.根据权利要求6所述的一种锂电池保护电路，其特征在于：CS开路保护电路，在CS管脚开路的情况下，OD管脚一直输出低电平，使放电MOS管处于关断状态，切断了电池与负载电路之间的放电通路。
CN202010198789.1A 2020-03-20 2020-03-20 一种锂电池保护电路 Pending CN113497465A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010198789.1A CN113497465A (zh) 2020-03-20 2020-03-20 一种锂电池保护电路

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010198789.1A CN113497465A (zh) 2020-03-20 2020-03-20 一种锂电池保护电路

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN113497465A true CN113497465A (zh) 2021-10-12

Family

ID=77993574

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010198789.1A Pending CN113497465A (zh) 2020-03-20 2020-03-20 一种锂电池保护电路

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113497465A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023103825A1 (zh) * 2021-12-07 2023-06-15 华润微集成电路(无锡)有限公司 电池保护芯片、电池系统及电池保护方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023103825A1 (zh) * 2021-12-07 2023-06-15 华润微集成电路(无锡)有限公司 电池保护芯片、电池系统及电池保护方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN211880120U (zh) 一种锂电池保护电路
US8525482B2 (en) Overcurrent protection circuit for connecting a current detection terminal to overcurrent detection resistors having different resistances
JP5439800B2 (ja) 二次電池保護用集積回路装置及びこれを用いた二次電池保護モジュール並びに電池パック
EP2630714B1 (en) Lithium battery protection circuitry
US9142983B2 (en) Battery protection IC and battery device
TW202046553A (zh) 二次電池保護電路、二次電池保護裝置、電池組以及二次電池保護電路的控制方法
KR101771719B1 (ko) 배터리 상태 감시 회로 및 배터리 장치
US10483753B2 (en) Embedded battery protection system
TWI720542B (zh) 二次電池保護電路、二次電池保護裝置、二次電池保護電路的控制方法以及電池組
TWI617111B (zh) 充放電控制電路、充放電控制裝置及電池裝置
KR101751547B1 (ko) 출력 회로, 온도 스위치 ｉｃ, 및 전지 팩
TW201504653A (zh) 電池裝置
CN113497465A (zh) 一种锂电池保护电路
TWI715314B (zh) 二次電池保護電路以及電池組
CN209298948U (zh) 一种mos管驱动电路及锂电池保护ic
CN109831001B (zh) 一种mos管驱动电路及锂电池保护ic
CN113131446A (zh) 电池保护电路
JP7235987B2 (ja) 二次電池保護回路及び電池パック
CN113507094B (zh) 电池保护芯片结构及电池
US20230318315A1 (en) Voltage detection circuit, charge control circuit, charge and discharge control circuit, and semiconductor device
CN109831001A (zh) 一种mos管驱动电路及锂电池保护ic
TW202135418A (zh) 充放電控制電路以及電池裝置
TW201941014A (zh) 參考電壓產生電路
CN113162175A (zh) 一种多节锂一次电池串接防止过放保护电路
JPH0635574A (ja) 電池駆動装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination