CN115066837A - 用于超便携式电池系统保护和节能的方法和装置 - Google Patents

用于超便携式电池系统保护和节能的方法和装置 Download PDF

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Abstract

公开了一种全集成式电路结构，可用于防止超便携式电子系统中的异常放电或过充电。这种电池保护集成电路可以通过添加传统的电池保护方案来增强，例如限流、过流钳位、欠压锁定和过压保护。这种电池保护方案利用了高侧开关方法，利用超低泄漏PMOS电源开关，而不是传统的低侧NMOS开关。

Description

用于超便携式电池系统保护和节能的方法和装置
相关申请
本申请请求2020-01-08提交的申请号为62958716的临时专利申请的相同优先权日。其全部内容通过引用并入本申请。
背景技术
在过去几年中，对电子系统便携性的需求推动了对更多类型和尺寸的便携式电池系统的需求。最初，这些系统用于为手机、数码相机和便携式数字助理(PDA)供电。这些电池系统使用各种电池化学装置，如镍金属氢化物、锂离子和锂聚合物，可以提供超过1A的连续电流。随着这些系统的普及，需要更好的控制系统，以防止电池系统出现过充电、过放电或过电流消耗等问题。在现有技术(图2)中，这些电池保护系统采用了多芯片方法，包括离散NMOS功率MOSFET开关和单独的控制器芯片，以处理这些系统的大电流和功率需求。最近，出现了新的超便携式系统，包括智能手表、健身追踪器和无线耳机，这些系统需要不同类型的电池，为设备提供的电流显著减少。这些超便携式系统需要超低电流消耗，以在需要充电前延长设备的使用寿命。在这一领域出现了一种新型的电池保护系统，该系统利用完全集成的电源开关和电池保护系统(图1)，在其工作模式下消耗的电流非常小。这种新方法利用超低泄漏PMOS功率MOSFET作为主开关元件，与电池的正极端串联操作，直接监测通过开关的负载电流，而无需任何感应电阻。这种方法的优点是，通过将电池充电器连接到开关输出侧，可以通过PMOS开关完全保护输入侧的电池免受过放电和过充电的影响。
现有技术
美国专利8674661：电压开关电路、辅助电池保护电路和电池组；
美国专利9142283：电池保护IC和电池装置。
发明内容
本发明的目的是通过以下方式提供电池控制和保护。首先是防止电池在闲置时过度放电，例如在仓库或运输过程中。在图2所示的现有技术系统中，即使可以通过外部NMOS开关M1和M2将电池负极端与负载断开，电池仍保持连接在控制电路的VDD和VSS端之间，从而不断消耗电流。在本发明的当前实施例中，电源开关保持在断开位置，直到其通过将输出电压提高到电池电压以上后再使其通电，例如，当输出连接到5V的电池充电电路时。电池电压介于3.0V和4.2V之间。使用此功能可以正常断开电池与负载的连接，例如，当原始电池首次连接到保护电路时。可以添加其他功能以提高系统的电池保护能力。第二实施例可以包括额外的过充电保护电路，从而确保电池本身不会过充电。本发明的第三实施例还可以包括过电流检测电路，该电路将保护电池免受系统正常工作范围之外的负载的影响。第四实施例还可以包括电池保护系统的深度睡眠功能，该功能将允许用户在指定的正常操作周期后手动断开电池与系统负载的连接；例如在装运前将装置放入仓库。使用现有技术不可能实现这些实施例中的任何一个。
还阐述了使用该电路的方法。
附图说明
结合附图和以下对具体实施例的描述，这些和其他方面和特征对于本领域的普通技术人员来说将变得显而易见，其中：
图1所示是具有转换速率控制和电池保护功能的功率PMOS负载开关的整体框图。
图2显示了现有技术的应用。
图3显示了保护开关的最基本实施例。
图4显示了本发明的典型系统的应用，其中电池充电器IC连接到保护开关的输出侧，而不是像现有技术那样直接连接到电池。
图5显示了电池保护装置的典型时序图。
图6公开了本发明最基本实施例的框图，其中包括使能、转换速率控制和过放电控制(ODC)模块。
图7公开了包括过电流控制(OCC)模块的另一个实施例。
图8公开了包括过充电控制(OChC)模块的另一个实施例。
图9公开了包括航运模式控制模块的另一个实施例。
图10公开了用于建立本发明中航运模式的电池节省特性的时序图。
图11公开了包括在过放电模块(321)中包括过放电电流(ODC)保护、在过充电模块(341)中包括过充电电流(OCC)保护、以及热关断(TSD)保护的另一个实施例。
图12公开了TSD模块的温度控制性能。
图13公开了包括反向电流控制(RCC)模块(21)的另一个实施例。
具体实施方式
本发明的第一实施例如图6所示，其中(10)是电源保护IC，其设计用于为便携式电池系统(40)提供过放电控制保护。设计重点在于功率开关PMOS晶体管(20)和开关控制系统(30)。开关控制系统用于以多种方式保护电池。首先，转换速率控制装置(300)用于在连接到电池电源(40)的VIN端和连接到VOUT端的负载之间提供缓慢的电压上升速率。负载通常由负载电容(50)和负载电阻(60)组成，当PMOS电源开关(20)接通时，负载电容会使得电流从VIN流向VOUT。如果未仔细控制从VIN到VOUT的电流，则可能会严重损坏传递电流的电池或接收功率的输出。在PMOS开关开启期间允许过多电流流动可能会对电池进行不必要的放电，导致VIN电压降至电池建议的最小电压以下。以这种方式反复放电锂离子电池可能会损坏电池的长期性能。此外，在输出端处向负载提供过大电流可能会导致VOUT上出现电压尖峰，这可能会导致连接到VOUT端的电路过压。为了防止电池电压放电到低于推荐的最小电压，本实施例还包括过放电控制(ODC)电路(320)。该电路将被使能以打开PMOS开关，以便将VIN端上的电池与VOUT端上的负载断开，从而确保电池电压不会进一步放电至低于其允许的最小值。在当前实施例中添加了进一步的保护，以避免电池在组装到电池系统期间意外放电。该保护涉及将使能电路(310)放置在VOUT端上。这样，PMOS开关始终处于关闭位置，除非VOUT端的电压比VIN端的电压高适当的阈值电压。这使得电池在没有任何负载的情况下连接到VIN端。为PMOS开关供电的方法是将电池充电器连接到保护IC的VOUT端，如图4所示，以便将VOUT电压提高到高于VIN端的电池电压，因为电池充电器电压通常为5V，而锂离子电池的电压一般在3.9V～4.2V之间。
图7示出了本发明的另一实施例。在该实施例中，将附加保护系统添加到开关控制模块(30)中，即过流控制(OCC)检测(330)。使用OCC，可以打开PMOS开关(20)以防止从VIN端到VOUT端的过电流。这种过大电流可能是由VOUT端对地短路或连接到VOUT端的故障电路子系统引起的。在任何一种情况下，都可以检测到过流情况并打开开关，从而防止对负载电路或VIN端的电池造成进一步损坏。
图8所示为本发明的另一个实施例，其中添加了过充电控制(OChC)检测电路(340)。过充电检测系统的目标是确保在由连接到VOUT端(图4)的电池充电器对电池(40)充电期间，不会超过为电池设定的最大指定电压。对于锂离子电池，最大电压约为4.4V-4.5V。由于过充电检测电路连接到VIN端，VIN端也连接到电池，因此可以直接监测电池电压。如果发现电压过充电情况，过充电检测系统将向PMOS开关(20)发出打开信号，从而终止电池充电循环。为了防止错误触发过充电电路，电路中包括检测延迟。使用的延迟时间取决于应用中使用的电池类型；然而，锂离子电池过充电检测系统的典型延迟时间在500us-800us时间范围内。
图9所示为本发明的另一个实施例，增加了航运模式功能(400)，目的是通过外部按钮开关(80)控制电池保护IC的启用/禁用功能。如图9所示，一个简单的按钮开关可以连接到电阻器(70)和设备的SM端。当按钮(80)将VIN连接到SM引脚一段指定时间(见图10)时，航运模式功能将使PMOS开关(20)处于打开位置，从而将电池与系统负载断开，并使系统进入深度睡眠模式。此操作将在VIN端消除电池的所有可能漏电路径，使电池能够无限期地保持其充电电压。此功能可用于超便携式系统的存储和装运，使其能够在不耗尽电池的情况下到达用户目的地。然后，如图4所示，将电池充电器插入VOUT端，从而使启用路径(310)通电，并将恢复系统的全部功能。
图11所示为本发明的另一个实施例，除了过充电电压(OCV)检测(341)外，还引入了过充电电流(OCC)检测的功能，以及将过放电电流(ODC)检测添加到过放电电压(ODV)检测(321)中的功能。过充电电流(OCC)检测(341)允许系统在达到过充电电压阈值之前检测危险电流状况，从而保护电池免受危险电流的影响。以类似的方式，过放电电流(ODC)检测(321)电路允许系统保护电池免受由于电流过大而产生的危险快速放电。除了上述电池保护措施外，本实施例还引入了热关断检测(TSD)功能(500)。TSD功能持续监测集成电路的温度，并在芯片温度超过130℃时通过使能模块(310)打开PMOS开关(20)(见图12)。如果芯片温度降至110℃以下，TSD将进一步监测温度并重新使能PMOS开关。
图13所示为本发明的另一个实施例，增加了反向电流控制模块(21)以控制PMOS开关(20)的批量节点。在正常充电条件下，当VIN电压大于过放电电压电路(ODV)的电压时，将闭合PMOS开关，允许VIN引脚连接到VOUT引脚，以便电池充电器可以将电池充电到其所需的电压值。然而，如果VIN电压降至ODV阈值以下，将打开PMOS开关，反向电流控制(RCC)将切换批量，以防止电池的任何反向电流放电。如果电池电压继续放电到低于ODV电压，那么当充电器再次连接到VOUT引脚时，有必要能够切换批量端子连接以允许更多电流流入电池。这是RCC模块的功能。因此，根据系统条件，RCC模块可以配置为阻止反向电流或允许反向电流。
本发明包括如下所述的节省电池能量的方法。在现有技术中，只要电池与系统连接，Vout就会提供电压。在本发明中，直到另一个额外电压(>3.6V)像充电器一样施加到Vout时，Vout才具有任何值。此功能可以显著延长电池寿命，用于仓库存储和运输，尤其是长时间运输。

Claims (11)

1.一种保护电路，包括：
a.输入引脚VIN，连接到电池；
b.输出引脚VOUT，连接到外部负载；
c.接地引脚GROUND；
d.PMOS开关，包括PMOS晶体管，具有
i.PMOS门极；
ii.PMOS源极，连接到VIN引脚；以及
iii.PMOS漏极，连接到VOUT引脚；以及
e.开关控制电路，包括
i.第一输入端，连接到输入引脚VIN；
ii.第二输入端，连接到输出引脚VOUT；以及
iii.输出端，连接到PMOS门极。
2.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述开关控制电路包括
i.转换速率控制电路，包括
a.第一输入端；
b.第二输入端；
c.第三输入端；
d.第四输入端；
e.输出端，连接到PMOS门极；
ii.使能控制电路，包括
a.输入端，连接到VOUT引脚；
b.输出端，连接到转换速率控制电路的第一输入端；
c.在VOUT电压比VIN电压高预定阈值电压时使得转换速率控制电路与PMOS开关连接或断开的模块；以及
iii.过放控制电路(ODC)，包括
a)输入端，连接到VIN引脚；
b)输出端，连接到转换速率控制电路的第二输入端；
c)允许过放控制电路(ODC)覆盖PMOS开关的VIN到VOUT连接的模块，以便在VIN引脚处的电压低于预定的最小电池电压时关闭PMOS开关。
3.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述开关控制电路还包括过电流检测电路/系统，包括
a.输入端，连接到VOUT引脚；
b.输出端，连接到转换速率控制电路的第三输入端；以及
c.如果VOUT引脚上测量的输出电流超过预定电流值，则允许过电流控制电路(OCC)覆盖PMOS开关的VIN到VOUT连接的模块。
4.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述开关控制电路还包括过充检测控制电路，包括
a.输入端，连接到VIN引脚；
b.输出端，连接到转换速率控制电路的第四输入端；以及
c.如果VIN引脚上的电压在特定时间间隔后超过预定的最大电压，则允许过充控制电路(OChC)覆盖PMOS开关的VIN到VOUT连接的模块。
5.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述开关控制电路还包括航运模式控制电路，包括
a.SM引脚；
b.按钮开关，连接到SM引脚；
c.开关S1，连接在VIN引脚和SM引脚之间；
d.第一输出端，连接到使能控制电路；以及
e.航运模式模块，允许使能电路预定延迟时间后关闭PMOS开关，通过开关S1将SM引脚连接到VIN建立所述预定延迟时间。
6.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，除了过放电电压电路(ODV)之外，所述开关控制电路还包括过放电电流控制电路，包括
a.输入端，连接到VIN引脚；
b.输出端，连接到转换速率控制电路的第五输入端；以及
c.如果VIN引脚上的电流超过预定的最大安全电流，允许过放电电压电路(ODV)覆盖PMOS开关的VIN到VOUT连接的模块。
7.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，除了过充电电压(OCV)电路之外，所述开关控制电路还包括过充电电流(OCC)电路，包括
a.输入端，连接到VIN引脚；以及
b.输出端，连接到转换速率控制电路，
c.如果VIN引脚上的电流超过预定的最大安全电流，允许过充电电流电路(OCC)覆盖PMOS开关的VIN到VOUT连接的模块。
8.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述开关控制电路还包括连接到使能控制电路的热关断电路，通过检测过温情况来打开PMOS电源开关。
9.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述开关控制电路还包括反向电流控制电路(RCC)，允许电池保护在PMOS电源开关处于关闭状态时开始充电，所述RCC包括
a.第一输入端，连接到VIN引脚；
b.第二输入端，连接到VOUT引脚；以及
c.输出端，连接到电路，该电路允许RCC重新配置PMOS开关，使其本体端连接连接到VIN引脚或VOUT引脚，以允许或防止电流从VOUT引脚流向VIN引脚。
10.一种用于保护电路保存能量的方法，所述能量存储在与作为电池负载的设备连接的电池中，尤其是在所述电池被储存和/或被运输时，保护电路中具有航运模式控制电路，其特征在于，所述航运模式控制电路，包括
a)输入引脚SM；
b)开关S1，连接在VIN引脚和SM引脚之间；
c)允许航运模式控制电路对按钮开关的一次或多次按下做出响应的模块，该按钮开关确定PMOS开关是否保持打开或关闭，以节省电池电量。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，包括保持Vout为零伏直到电压(>3.6V)施加到VOUT引脚，例如电池充电器，并执行
i.初始系统开机：当系统首次连接到电池时，系统会关机，并需要对电池充电；电池充电器连接到VOUT引脚上的电压，该电压大于VIN引脚上的初始电池电压；这将激活使能功能，并连接在VIN和VOUT之间的PMOS开关，从而允许电池充电器将电池充电至其最大电位；
ii.系统断电：在初始系统充电后，移除电池充电器，VIN引脚上的电池通过PMOS开关为系统供电，PMOS开关仍将VIN连接到VOUT；为了节省电池的能量，以便储存或运输，系统需要断开与电池的连接；这是通过连接到SM输入引脚的按钮开关S1实现的；按下按钮一段指定的时间，比如5秒，然后激活航运模式功能，使航运模式电路覆盖PMOS开关的VIN到VOUT连接，并断开输出系统与电池的连接，从而使VOUT引脚上的电压放电至零伏；以及
iii.系统重新通电：在长时间存储或运输后，再次将电池充电器连接到VOUT引脚，并使使能功能再次激活PMOS开关，以将VIN引脚连接到VOUT引脚，从而重新激活系统；这种重新激活允许充电器在更短的时间内再次将电池充满，因为使用航运模式功能大大减少了存储和运输期间的电池放电量。
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