CN116247754A - 电池保护芯片、电池系统及电池保护方法 - Google Patents

电池保护芯片、电池系统及电池保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种电池保护芯片、电池系统及电池保护方法，所述电池保护芯片包括：放电限压检测电路，用于检测上一级电池保护芯片输出的放电驱动信号，并根据放电检测信号的电流流向识别所述放电驱动信号的电平高低，以及，减小所述放电驱动信号的高低电平转换窗口电压；充电限压检测电路，用于检测上一级电池保护芯片输出的充电驱动信号，并根据充电检测信号的电流流向识别所述充电驱动信号的电平高低，以及，减小所述充电驱动信号的高低电平转换窗口电压。通过本发明提供的电池保护芯片、电池系统及电池保护方法，解决了现有级联电池保护芯片在进行电池保护时，方案1存在成本高的问题，方案2存在不易确定电阻分压比例和功耗大的问题。

Description

电池保护芯片、电池系统及电池保护方法
技术领域
本发明属于电子电路设计领域，特别是涉及一种电池保护芯片、电池系统及电池保护方法。
背景技术
锂电池广泛应用于各种用电器中，由于锂电池在充电和放电过程中，可能会出现电压过充/过放、温度过高和电流过大等问题，因此需要电池保护芯片。单节锂电池的电压在4V左右，电压过高或过低都会导致电池损坏或寿命缩短。当用电器工作电压高于4V时，可将多节锂电池串联以升高电压(如用电器的工作电压为16V时，将4节锂电池串联以达到该工作电压)，这串电池叫做电池包(pack)。但由于电池间可能存在不均衡，因此，不仅要监测电池包的总电压，还要监测每一节电池的电压。
图1是一个简化的4节锂电池保护芯片电路，用来说明保护芯片的基本工作原理，该电路仅包含电池过充/过放保护功能；其中，VCC是电源高电势，VSS是电源低电势，VC1、VC2、VC3和VCC监测电池电压，放电MOS管DFET(Discharge MOSFET)和充电MOS管CFET(Charge MOSFET)是NMOS功率管，放电驱动端口DDRV(Dischage Driver)和充电驱动端口CDRV(Charge Driver)分别连接到放电MOS管DFET和充电MOS管CFET。当监测到的电池电压在正常范围，电路处在正常工作状态，放电驱动端口DDRV和充电驱动端口CDRV输出均为高电势，放电MOS管DFET和充电MOS管CFET导通。在PCK+与PCK-间连接负载(用电器)时，电池放电；当监测到任意一节电池过放，电压过低，电路进入低压保护模式，放电驱动端口DDRV输出低电势，放电MOS管DFET关断，电池停止放电。在PCK+与PCK-间连接充电器时，电池充电；当监测到任意一节电池过充，电压过高，电路进入高压保护模式，充电驱动端口CDRV输出低电势，充电MOS管CFET关断，电池停止充电。出现异常状态后，必须等待电池恢复到正常电压范围，电路才能恢复到正常工作模式。
为了支持更高的工作电压，有时需要级联电池保护芯片。图2是串联了两个4节电池组成的电池包，一共8节电池。为了支持级联功能，芯片增加了放电控制端口DCTL(Discharge Control)和充电控制端口CCTL(Charge Control)，通过电路设计实现如下逻辑：
(1)如果放电控制端口DCTL和充电控制端口CCTL输入为高电势，那么芯片1工作和图1中一致；只有当该芯片对应的电池组出现过压/欠压，才会让放电驱动端口CDRV/充电驱动端口DDRV输出变为低电势。
(2)如果放电控制端口DCTL输入为低电势，那么放电驱动端口DDRV变为低电势；如果充电控制端口CCTL输入为低电势，那么充电驱动端口CDRV变为低电势。
根据此逻辑，图2中的芯片2虽然没有直接连接到放电MOS管DFET和充电MOS管CFET的栅极，但是如果监测到cell5-cell8出现过压/欠压，可以将关断放电MOS管DFET或充电MOS管CFET的信号通过芯片1传输，以达到保护电池的目的，这就是电池保护芯片级联的工作原理。
MOSFET是电路的基本单元，根据电路功能不同，MOSFET工艺也不同；如果是功率MOSFET，需要通过大电流，承受高电压VGS和VDS(如60V的VGS)，因此采用厚栅氧，成本高，面积大。而如果是逻辑MOSFET，不需要通过大电流，只需要相对低的电压差(如电压1.2V和0V)就可以表示逻辑的“1”和“0”，可以采用薄栅氧，成本低，面积小。这里的主要问题是：当芯片2单独使用时，放电驱动端口DDRV和充电驱动端口CDRV连接在驱动充放电线路上的NMOS功率管上，因此驱动输出的高、低电势间电压差距很大；然而，当级联使用时，芯片2的放电驱动端口DDRV和充电驱动端口CDRV要输入至芯片1的逻辑电路中，高电压会击穿逻辑电路中使用的薄栅氧MOSFET。
现有一种方案是：将芯片2中放电驱动端口DDRV和充电驱动端口CDRV的电平信号不加处理地直接接到芯片1中对应的逻辑电路中，然后在逻辑电路部分采用厚栅氧MOSFET(如图3所示)。但该方案的缺点是，使用厚栅氧MOSFET成本高。
现有另一种方案是：通过电阻将高输入电压分压，以降低输入至逻辑电路的电势，因此无需在逻辑电路中使用厚栅氧MOSFET(如图4所示)。但该方案的缺点是：1)电源保护芯片串入的电池节数不固定，电池电势也不固定，因此放电驱动端口DDRV和充电驱动端口CDRV为高时的输出电势不固定，电阻分压的比值难以精确确定；2)增加了一条从放电驱动端口DDRV到地、从充电驱动端口CDRV到地的漏电通道，而电阻限于芯片面积不可能做得很大，因此电流大，功耗高。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种电池保护芯片、电池系统及电池保护方法，用于解决现有级联电池保护芯片在进行电池保护时，方案1存在成本高的问题，方案2存在不易确定电阻分压比例和功耗大的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种电池保护芯片，所述电池保护芯片至少包括：放电限压检测电路及充电限压检测电路，其中，
所述放电限压检测电路用于检测上一级电池保护芯片输出的放电驱动信号，并根据放电检测信号的电流流向识别所述放电驱动信号的电平高低，以及，减小所述放电驱动信号的高低电平转换窗口电压；
所述充电限压检测电路用于检测上一级电池保护芯片输出的充电驱动信号，并根据充电检测信号的电流流向识别所述充电驱动信号的电平高低，以及，减小所述充电驱动信号的高低电平转换窗口电压。
可选地，所述放电限压检测电路和所述充电限压检测电路的电路结构相同，至少包括：检测模块、钳位模块及识别限压模块，其中，
所述检测模块用于检测上一级电池保护芯片输出的相应驱动信号，并产生相应检测信号；
所述钳位模块连接于芯片电源端和所述检测模块的输出端之间，用于根据相应检测信号的电流流向进行双向电压钳位，使电流流入端口比电流流出端口的电压高出一钳位电压；
所述识别限压模块连接所述钳位模块的输出端，用于根据所述钳位模块输出电压的大小识别相应驱动信号的电平高低，并基于参考电压来减小相应驱动信号的高低电平转换窗口电压。
可选地，还包括：偏置电压产生模块和/或抗尖峰脉冲模块；其中，所述偏置电压产生模块用于为所述识别限压模块提供偏置电压；所述抗尖峰脉冲模块连接所述识别限压模块的输出端，用于滤除毛刺电压。
可选地，所述检测模块包括：限流电阻，第一端接入上一级电池保护芯片输出的相应驱动信号，第二端作为所述检测模块的输出端。
可选地，所述检测模块还包括：短路保护电阻，串联于所述限流电阻的第二端。
可选地，所述钳位模块包括：第一二极管及第二二极管；所述第一二极管的正极连接所述第二二极管的负极及所述芯片电源端，所述第一二极管的负极连接所述第二二极管的正极及所述检测模块的输出端，并作为所述钳位模块的输出端。
可选地，所述钳位模块包括：至少一个第一PMOS管，其中，
在所述第一PMOS管的数量为1个时，所述第一PMOS管的栅极连接其漏极及所述芯片电源端，源极连接所述检测模块的输出端，并作为所述钳位模块的输出端；
在所述第一PMOS管的数量大于等于2个时，每个所述第一PMOS管的栅极均连接其漏极，且前一个所述第一PMOS管的源极连接后一个所述第一PMOS管的漏极，第一个所述第一PMOS管的漏极连接所述芯片电源端，最后一个所述第一PMOS管的源极连接所述检测模块的输出端，并作为所述钳位模块的输出端。
可选地，所述识别限压模块包括：第二PMOS管、第一电阻、第一NMOS管及第一电流源；所述第二PMOS管的栅极接入偏置电压，源极连接所述钳位模块的输出端，漏极通过所述第一电阻连接所述第一NMOS管的漏极；所述第一NMOS管的栅极接入参考电压，源极通过所述第一电流源连接芯片参考端，并作为所述识别限压模块的输出端。
可选地，所述偏置电压产生模块包括：第三PMOS管、第二电阻及第二电流源；所述第三PMOS管的栅极连接其漏极，源极连接芯片电源端，漏极连接所述第二电阻的第一端；所述第二电阻的第二端通过所述第二电流源连接芯片参考端，并作为所述偏置电压产生模块的输出端。
可选地，所述电池保护芯片还包括：放电逻辑电路、充电逻辑电路、放电驱动电路及充电驱动电路，其中，
所述放电逻辑电路连接所述放电限压检测电路的输出端，用于在所述放电限压检测电路输出高电平时，根据所述电池保护芯片的放电监测结果产生相应的控制逻辑，在所述放电限压检测电路输出低电平时，产生放电异常的控制逻辑；
所述放电驱动电路连接所述放电逻辑电路的输出端，用于根据所述放电逻辑电路输出的控制逻辑产生相应的放电驱动信号；
所述充电逻辑电路连接所述充电限压检测电路的输出端，用于在所述充电限压检测电路输出高电平时，根据所述电池保护芯片的充电监测结果产生相应的控制逻辑，在所述充电限压检测电路输出低电平时，产生充电异常的控制逻辑；
所述充电驱动电路连接所述充电逻辑电路的输出端，用于根据所述充电逻辑电路输出的控制逻辑产生相应的充电驱动信号。
可选地，所述放电驱动电路和所述充电驱动电路均采用开漏结构或推挽结构实现。
本发明还提供了一种电池系统，所述电池系统包括：至少两个电池包及至少两个如上任一项所述的电池保护芯片，所述电池保护芯片与所述电池包一一对应；其中，上一级电池保护芯片输出的放电驱动信号接入下一级电池保护芯片的放电限压检测电路，上一级电池保护芯片输出的充电驱动信号接入下一级电池保护芯片的充电限压检测电路，最后一级电池保护芯片输出的放电驱动信号控制放电MOS管，最后一级电池保护芯片输出的充电驱动信号控制充电MOS管。
本发明还提供了一种级联电池保护芯片实现电池保护的方法，所述方法包括：
电池保护芯片监测对应电池包中各电池在充放电过程中的电池电压；
下一级电池保护芯片检测上一级电池保护芯片输出的上一级驱动信号，根据检测信号的电流流向识别上一级驱动信号的电平高低，并减小上一级驱动信号的高低电平转换窗口电压；
下一级电池保护芯片根据减小后信号的电平高低及其监测结果产生下一级驱动信号。
如上所述，本发明的一种电池保护芯片、电池系统及电池保护方法，通过放电限压检测电路和充电限压检测电路的设计，减小了上一级放电/充电驱动信号的高低电平转换窗口电压，使之适合于薄栅氧MOSFET器件构成的逻辑电路，从而降低芯片成本。此外，本发明通过电流流向来判断上一级放电/充电驱动信号的电平高低，仅对电流流向敏感，对大小不敏感，因此可以在一个较宽的电压范围内正常工作，避开了电阻分压问题；而且，本发明通过MOSFET控制电流，电路面积较小且电流较小，功耗较低。
附图说明
图1显示为现有单个电池保护芯片进行电池保护时的电路示意图。
图2显示为现有级联电池保护芯片进行电池保护时的电路示意图。
图3显示为图2所示电池保护芯片中驱动信号的一种级联传输方式示意图。
图4显示为图2所示电池保护芯片中驱动信号的另一种级联传输方式示意图。
图5显示为本发明所述电池保护芯片中放电限压检测电路的示意图。
图6显示为本发明所述电池保护芯片中充电限压检测电路的示意图
图7显示为本发明所述电池保护芯片中钳位电路的第一种示意图。
图8显示为本发明所述电池保护芯片中钳位电路的第二种示意图。
图9显示为本发明所述电池保护芯片中钳位电路的第三种示意图。
图10显示为本发明所述电池保护芯片中相关信号的波形图。
元件标号说明
10 电池保护芯片
11 放电限压检测电路
12 充电限压检测电路
111、121 检测模块
112、122 钳位模块
113、123 识别限压模块
114、124 偏置电压产生模块
115、125 抗尖峰脉冲模块
13 放电逻辑电路
14 充电逻辑电路
15 放电驱动电路
16 充电驱动电路
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图5至图10。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
如图5和图6所示，本实施例提供一种电池保护芯片，所述电池保护芯片10至少包括：放电限压检测电路11及充电限压检测电路12。进一步的，所述电池保护芯片10还包括：放电逻辑电路13、充电逻辑电路14、放电驱动电路15及充电驱动电路16。需要注意的是，本实施例所述电池保护芯片10适用于多个芯片级联的情况，当然，对于单个芯片的情况也同样适用，只是无法体现出本方案的优异性。
如图5所示，所述放电限压检测电路11用于检测上一级电池保护芯片输出的上一级放电驱动信号，并根据放电检测信号的电流流向识别所述上一级放电驱动信号的电平高低，以及，减小所述上一级放电驱动信号的高低电平转换窗口电压，使减小后信号的电平适用于驱动薄栅氧MOSFET器件，有利于降低芯片成本。本实施例所述放电限压检测电路11通过所述放电检测信号的电流流向识别所述上一级放电驱动信号的电平高低，仅对电流流向敏感，对大小不敏感，避开了电阻分压问题，功耗较低。
具体的，所述放电限压检测电路11至少包括：检测模块111、钳位模块112及识别限压模块113。进一步的，所述放电限压检测电路11还包括偏置电压产生模块114和/或抗尖峰脉冲模块115。本实施例中，所述放电限压检测电路11包括：检测模块111、钳位模块112、识别限压模块113、偏置电压产生模块114及抗尖峰脉冲模块115。
所述检测模块111用于检测所述上一级放电驱动信号，并产生所述放电检测信号。
作为示例，所述检测模块111包括：限流电阻Rcl1；其中，所述限流电阻Rcl1的第一端接入所述上一级放电驱动信号，所述限流电阻Rcl1的第二端作为所述检测模块111的输出端，用以输出所述放电检测信号。进一步的，所述检测模块111还包括：短路保护电阻Rsp1，串联于所述限流电阻Rcl1的第二端，用于防止所述限流电阻Rcl1短路时因过流损坏芯片。需要注意的是，在所述检测模块111同时包括所述限流电阻Rcl1和所述短路保护电阻Rsp1时，所述短路保护电阻Rsp1的第一端连接所述限流电阻Rcl1的第二端，所述短路保护电阻Rsp1的第二端作为所述检测模块111的输出端，此时，所述限流电阻Rcl1的第二端将不再作为所述检测模块111的输出端。实际应用中，所述限流电阻Rcl1可以设置在所述电池保护芯片10的内部，也可以设置在所述电池保护芯片10的外部，这对本实施例没有影响；可选地，将所述限流电阻Rcl1设置于所述电池保护芯片10的外部，以便于调节阻值。
所述钳位模块112连接于芯片电源端VCC和所述检测模块111的输出端之间，用于根据所述放电检测信号的电流流向进行双向电压钳位，使电流流入端口比电流流出端口的电压高出一个钳位电压Vclamp。
本实施例中，所述放电检测信号的电流大小对应所述上一级放电驱动信号的电平高、低，同时也决定了所述钳位模块112中电流的流向，以此在输出端(也即节点A11处)得到与所述上一级放电驱动信号电平高、低相关的电压值；若所述上一级放电驱动信号为低电平，所述放电检测信号的电流小于I11甚至为0，此时，所述钳位模块112中的电流流向为VCC到A11，那么节点A11处的电压钳位在VCC-Vclamp；若所述上一级放电驱动信号为高电平，所述放电检测信号的电流大于I11，此时，所述钳位模块112中的电流流向为A11到VCC，那么节点A11处的电压钳位在VCC+Vclamp。
作为一示例，所述钳位模块112包括：第一二极管D11及第二二极管D21；其中，所述第一二极管D11的正极连接所述第二二极管D21的负极及所述芯片电源端VCC，所述第一二极管D11的负极连接所述第二二极管D21的正极及所述检测模块111的输出端，并作为所述钳位模块112的输出端(如图7所示)。本示例利用两个二极管实现双向电压钳位，并使电流流入端口比电流流出端口的电压高出一个二极管的导通电压。
作为另一示例，所述钳位模块112包括：至少一个第一PMOS管P11；其中，在所述第一PMOS管P11的数量为1个时，所述第一PMOS管P11的栅极连接其漏极及所述芯片电源端VCC，源极连接所述检测模块111的输出端，并作为所述钳位模块112的输出端(如图8所示)；在所述第一PMOS管P11的数量大于等于2个时，每个所述第一PMOS管P11的栅极均连接其漏极，且前一个所述第一PMOS管P11的源极连接后一个所述第一PMOS管P11的漏极，第一个所述第一PMOS管P11的漏极连接所述芯片电源端VCC，最后一个所述第一PMOS管P11的源极连接所述检测模块111的输出端，并作为所述钳位模块112的输出端(如图9所示)。本示例中，采用二极管接法的PMOS进行双向电压钳位，为了获得较高的钳位电压Vclamp，可以将图8中的PMOS管采用厚栅氧MOSFET器件实现，当然，也可以如图9所示，采用多个薄栅氧MOSFET器件串联实现(如为了获得2V的钳位电压，可以采用3个薄栅氧MOSFET器件串联结构，在小电流时，从VCC到A11的压降是3个寄生二极管的导通电压，约为2.1V，从A11到VCC的压降是3*Vth，也约为2.1V，其中Vth为薄栅氧MOSFET器件的导通阈值)。
所述识别限压模块113连接所述钳位模块112的输出端，用于根据所述钳位模块112输出电压的大小识别所述上一级放电驱动信号的电平高低，并基于参考电压Vref1来减小所述上一级放电驱动信号的高低电平转换窗口电压。
作为示例，所述识别限压模块113包括：第二PMOS管P21、第一电阻R11、第一NMOS管N11及第一电流源I11；所述第二PMOS管P21的栅极接入偏置电压，源极连接所述钳位模块112的输出端，漏极通过所述第一电阻R11连接所述第一NMOS管N11的漏极；所述第一NMOS管N11的栅极接入参考电压Vref1，源极通过所述第一电流源I11连接芯片参考端VSS，并作为所述识别限压模块113的输出端。可选地，所述第一电流源I11中的电流由电流镜提供。
本实施例中，在节点A11处的电压为VCC-Vclamp时，所述第二PMOS管P21关断，此时，所述第一电流源I11仍会试图抽取电流，并将节点A21处的电压拉低至0V，也即，所述识别限压模块113识别出所述上一级放电驱动信号为低电平并进行低电平输出；在节点A11处的电压为VCC+Vclamp时，所述第二PMOS管P21导通，所述第一NMOS管N11在所述参考电压Vref1的控制下导通，并使节点A21处的电压上升至Vref1-Vth_N11，其中，Vth_N11为所述第一NMOS管N11在其漏源电流等于I11时的栅源电压，也即，所述识别限压模块113识别出所述上一级放电驱动信号为高电平，并利用所述参考电压Vref1减小该高电平，将上一级放电驱动信号的高低电平转换窗口电压减小至适合驱动薄栅氧MOSFET器件的高低电平转换窗口电压；其中，所述参考电压Vref1＝Vdda+Vth_N11，Vdda为适合驱动薄栅氧MOSFET的高电平。
所述偏置电压产生模块114用于为所述识别限压模块113提供偏置电压，以使所述识别限压模块113中的所述第二PMOS管P21在节点A11处的电压为VCC-Vclamp时关断，在节点A11处的电压为VCC+Vclamp时导通。
作为示例，所述偏置电压产生模块114包括：第三PMOS管P31、第二电阻R21及第二电流源I21；所述第三PMOS管P31的栅极连接其漏极，源极连接芯片电源端VCC，漏极连接所述第二电阻R21的第一端；所述第二电阻R21的第二端通过所述第二电流源I21连接芯片参考端VSS，并作为所述偏置电压产生模块114的输出端，用以输出所述偏置电压。可选地，所述第二电流源I21中的电流由电流镜提供。
本实施例中，所述第二电流源I21提供的电流经过所述第三PMOS管P31和所述第二电阻R21，在节点A01处产生大小为|Vgs_P31|+I21*R21的压降并作为所述偏置电压输出，其中，Vgs_P31为所述第三PMOS管在其漏源电流等于I21时的栅源电压，I21为所述第二电流源提供的电流，R21为所述第二电阻的阻值；通过调节Vgs_P31、I21和R21，使该偏置电压满足：在节点A11处的电压为VCC-Vclamp时，所述第二PMOS管P21关断，在节点A11处的电压为VCC+Vclamp时，所述第二PMOS管P21导通。
所述抗尖峰脉冲模块115连接所述识别限压模块113的输出端，用于滤除毛刺电压，防止误触发。
作为示例，所述抗尖峰脉冲模块115由电容和延时电路组成，电容具有滤波稳压作用，结合延时电路，可以防止毛刺电压造成误触发。需要注意的是，现有任何一种由电容和延时电路组成，具有滤除毛刺电压功能的电路均适用于本实施例。
如图6所示，所述充电限压检测电路12用于检测上一级电池保护芯片输出的上一级充电驱动信号，并根据充电检测信号的电流流向识别所述上一级充电驱动信号的电平高低，以及，减小所述上一级充电驱动信号的高低电平转换窗口电压，使减小后信号的电平适用于驱动薄栅氧MOSFET器件，有利于降低芯片成本。本实施例所述充电限压检测电路12通过所述充电检测信号的电流流向识别所述上一级充电驱动信号的电平高低，仅对电流流向敏感，对大小不敏感，避开了电阻分压问题，功耗较低。
具体的，所述充电限压检测电路12至少包括：检测模块121、钳位模块122及识别限压模块123。进一步的，所述充电限压检测电路12还包括偏置电压产生模块124和/或抗尖峰脉冲模块125。本实施例中，所述充电限压检测电路12包括：检测模块121、钳位模块122、识别限压模块123、偏置电压产生模块124及抗尖峰脉冲模块125。
所述检测模块121用于检测所述上一级充电驱动信号，并产生所述充电检测信号。
作为示例，所述检测模块121包括：限流电阻Rcl2；其中，所述限流电阻Rcl2的第一端接入所述上一级充电驱动信号，所述限流电阻Rcl2的第二端作为所述检测模块121的输出端，用以输出所述充电检测信号。进一步的，所述检测模块121还包括：短路保护电阻Rsp2，串联于所述限流电阻Rcl2的第二端，用于防止所述限流电阻Rcl2短路时因过流损坏芯片。需要注意的是，在所述检测模块121同时包括所述限流电阻Rcl2和所述短路保护电阻Rsp2时，所述短路保护电阻Rsp2的第一端连接所述限流电阻Rcl2的第二端，所述短路保护电阻Rsp2的第二端作为所述检测模块121的输出端，此时，所述限流电阻Rcl2的第二端将不再作为所述检测模块121的输出端。实际应用中，所述限流电阻Rcl2可以设置在所述电池保护芯片10的内部，也可以设置在所述电池保护芯片10的外部，这对本实施例没有影响；可选地，将所述限流电阻Rcl2设置于所述电池保护芯片10的外部，以便于调节阻值。
所述钳位模块122连接于芯片电源端VCC和所述检测模块121的输出端之间，用于根据所述充电检测信号的电流流向进行双向电压钳位，使电流流入端口比电流流出端口的电压高出一个钳位电压Vclamp。
本实施例中，所述充电检测信号的电流大小对应所述上一级充电驱动信号的电平高、低，同时也决定了所述钳位模块122中电流的流向，以此在输出端(也即节点A12处)得到与所述上一级充电驱动信号电平高、低相关的电压值；若所述上一级充电驱动信号为低电平，所述充电检测信号的电流小于I12甚至为0，此时，所述钳位模块122中的电流流向为VCC到A12，那么节点A12处的电压钳位在VCC-Vclamp；若所述上一级充电驱动信号为高电平，所述充电检测信号的电流大于I12，此时，所述钳位模块122中的电流流向为A12到VCC，那么节点A12处的电压钳位在VCC+Vclamp。
作为一示例，所述钳位模块122包括：第一二极管D12及第二二极管D22；其中，所述第一二极管D12的正极连接所述第二二极管D22的负极及所述芯片电源端VCC，所述第一二极管D12的负极连接所述第二二极管D22的正极及所述检测模块121的输出端，并作为所述钳位模块122的输出端(如图7所示)。本示例利用两个二极管实现双向电压钳位，并使电流流入端口比电流流出端口的电压高出一个二极管的导通电压。
作为另一示例，所述钳位模块122包括：至少一个第一PMOS管P12；其中，在所述第一PMOS管P12的数量为1个时，所述第一PMOS管P12的栅极连接其漏极及所述芯片电源端VCC，源极连接所述检测模块121的输出端，并作为所述钳位模块122的输出端(如图8所示)；在所述第一PMOS管P12的数量大于等于2个时，每个所述第一PMOS管P12的栅极均连接其漏极，且前一个所述第一PMOS管P12的源极连接后一个所述第一PMOS管P12的漏极，第一个所述第一PMOS管P12的漏极连接所述芯片电源端VCC，最后一个所述第一PMOS管P12的源极连接所述检测模块121的输出端，并作为所述钳位模块122的输出端(如图9所示)。本示例中，采用二极管接法的PMOS进行双向电压钳位，为了获得较高的钳位电压Vclamp，可以将图8中的PMOS管采用厚栅氧MOSFET器件实现，当然，也可以如图9所示，采用多个薄栅氧MOSFET器件串联实现(如为了获得2V的钳位电压，可以采用3个薄栅氧MOSFET器件串联结构，在小电流时，从VCC到A12的压降是3个寄生二极管的导通电压，约为2.1V，从A12到VCC的压降是3*Vth，也约为2.1V，其中Vth为薄栅氧MOSFET器件的导通阈值)。
所述识别限压模块123连接所述钳位模块122的输出端，用于根据所述钳位模块122输出电压的大小识别所述上一级充电驱动信号的电平高低，并基于参考电压Vref2来减小所述上一级充电驱动信号的高低电平转换窗口电压。
作为示例，所述识别限压模块123包括：第二PMOS管P22、第一电阻R12、第一NMOS管N12及第一电流源I12；所述第二PMOS管P22的栅极接入偏置电压，源极连接所述钳位模块122的输出端，漏极通过所述第一电阻R12连接所述第一NMOS管N12的漏极；所述第一NMOS管N12的栅极接入参考电压Vref2，源极通过所述第一电流源I12连接芯片参考端VSS，并作为所述识别限压模块123的输出端。可选地，所述第一电流源I12中的电流由电流镜提供。
本实施例中，在节点A12处的电压为VCC-Vclamp时，所述第二PMOS管P22关断，此时，所述第一电流源I12仍会试图抽取电流，并将节点A22处的电压拉低至0V，也即，所述识别限压模块123识别出所述上一级充电驱动信号为低电平并进行低电平输出；在节点A12处的电压为VCC+Vclamp时，所述第二PMOS管P22导通，所述第一NMOS管N12在所述参考电压Vref2的控制下导通，并使节点A22处的电压上升至Vref2-Vth_N12，其中，Vth_N12为所述第一NMOS管N12在其漏源电流等于I12时的栅源电压，也即，所述识别限压模块123识别出所述上一级充电驱动信号为高电平，并利用所述参考电压Vref2减小该高电平，将上一级充电驱动信号的高低电平转换窗口电压减小至适合驱动薄栅氧MOSFET器件的高低电平转换窗口电压；其中，所述参考电压Vref2＝Vdda+Vth_N12，Vdda为适合驱动薄栅氧MOSFET的高电平。
所述偏置电压产生模块124用于为所述识别限压模块123提供偏置电压，以使所述识别限压模块123中的所述第二PMOS管P22在节点A12处的电压为VCC-Vclamp时关断，在节点A12处的电压为VCC+Vclamp时导通。
作为示例，所述偏置电压产生模块124包括：第三PMOS管P32、第二电阻R22及第二电流源I22；所述第三PMOS管P32的栅极连接其漏极，源极连接芯片电源端VCC，漏极连接所述第二电阻R22的第一端；所述第二电阻R22的第二端通过所述第二电流源I22连接芯片参考端VSS，并作为所述偏置电压产生模块124的输出端，用以输出所述偏置电压。可选地，所述第二电流源I22中的电流由电流镜提供。
本实施例中，所述第二电流源I22提供的电流经过所述第三PMOS管P32和所述第二电阻R22，在节点A02处产生大小为|Vgs_P32|+I22*R22的压降并作为所述偏置电压输出，其中，Vgs_P32为所述第三PMOS管在其漏源电流等于I22时的栅源电压，I22为所述第二电流源提供的电流，R22为所述第二电阻的阻值；通过调节Vgs_P32、I22和R22，使该偏置电压满足：在节点A12处的电压为VCC-Vclamp时，所述第二PMOS管P22关断，在节点A12处的电压为VCC+Vclamp时，所述第二PMOS管P22导通。
所述抗尖峰脉冲模块125连接所述识别限压模块123的输出端，用于滤除毛刺电压，防止误触发。
作为示例，所述抗尖峰脉冲模块125由电容和延时电路组成，电容具有滤波稳压作用，结合延时电路，可以防止毛刺电压造成误触发。需要注意的是，现有任何一种由电容和延时电路组成，具有滤除毛刺电压功能的电路均适用于本实施例。
所述放电逻辑电路13连接所述放电限压检测电路11的输出端，用于在所述放电限压检测电路11输出高电平时，根据所述电池保护芯片的放电监测结果产生相应的控制逻辑，在所述放电限压检测电路11输出低电平时，产生放电异常的控制逻辑。
本实施例中，所述放电限压检测电路11输出高电平，即上一级电池保护芯片输出的上一级放电驱动信号为高电平，也即上一级电池保护芯片监测放电正常，此时，所述放电逻辑电路13根据本级电池保护芯片的监测结果来产生相应的控制逻辑，如本级电池保护芯片监测放电异常，则所述放电逻辑电路13产生放电异常的控制逻辑，反之，产生放电正常的控制逻辑；所述放电限压检测电路11输出低电平，即上一级电池保护芯片输出的上一级放电驱动信号为低电平，也即上一级电池保护芯片监测放电异常，此时，所述放电逻辑电路13直接产生放电异常的控制逻辑。
所述充电逻辑电路14连接所述充电限压检测电路12的输出端，用于在所述充电限压检测电路12输出高电平时，根据所述电池保护芯片的充电监测结果产生相应的控制逻辑，在所述充电限压检测电路12输出低电平时，产生充电异常的控制逻辑。
本实施例中，所述充电限压检测电路12输出高电平，即上一级电池保护芯片输出的上一级充电驱动信号为高电平，也即上一级电池保护芯片监测充电正常，此时，所述充电逻辑电路14根据本级电池保护芯片的监测结果来产生相应的控制逻辑，如本级电池保护芯片监测充电异常，则所述充电逻辑电路14产生充电异常的控制逻辑，反之，产生充电正常的控制逻辑；所述充电限压检测电路12输出低电平，即上一级电池保护芯片输出的上一级充电驱动信号为低电平，也即上一级电池保护芯片监测充电异常，此时，所述充电逻辑电路14直接产生充电异常的控制逻辑。
所述放电驱动电路15连接所述放电逻辑电路13的输出端，用于根据所述放电逻辑电路13输出的控制逻辑产生相应的本级放电驱动信号。
本实施例中，在所述放电逻辑电路13产生放电异常的控制逻辑时，所述放电驱动电路15产生低电平的本级放电驱动信号，以控制放电MOS管关断；在所述放电逻辑电路13产生放电正常的控制逻辑时，所述放电驱动电路15产生高电平的本级放电驱动信号，以控制放电MOS管导通。
作为示例，所述放电驱动电路15采用开漏结构或推挽结构实现；对于开漏结构，在芯片发生放电异常保护时，电路没有电流流出，在芯片正常工作时，电路有大电流流出；对于推挽结构，在芯片发生放电异常保护时，电路有小电流流出，在芯片正常工作时，电路有大电流流出；其中，小电流是指小于I11的电流，大电流是指大于I11的电流。需要注意的是，开漏结构和推挽结构均为本领域的公知结构，故此处不再对两种结构做具体介绍。
所述充电驱动电路16连接所述充电逻辑电路14的输出端，用于根据所述充电逻辑电路14输出的控制逻辑产生相应的本级充电驱动信号。
本实施例中，在所述充电逻辑电路14产生充电异常的控制逻辑时，所述充电驱动电路16产生低电平的本级充电驱动信号，以控制充电MOS管关断；在所述充电逻辑电路14产生充电正常的控制逻辑时，所述充电驱动电路16产生高电平的本级充电驱动信号，以控制充电MOS管导通。
作为示例，所述充电驱动电路16采用开漏结构或推挽结构实现；对于开漏结构，在芯片发生充电异常保护时，电路没有电流流出，在芯片正常工作时，电路有大电流流出；对于推挽结构，在芯片发生充电异常保护时，电路有小电流流出，在芯片正常工作时，电路有大电流流出；其中，小电流是指小于I12的电流，大电流是指大于I12的电流。需要注意的是，开漏结构和推挽结构均为本领域的公知结构，故此处不再对两种结构做具体介绍。
相应的，本实施例还提供一种电池系统，所述电池系统包括：至少两个电池包及至少两个如上所述的电池保护芯片10，所述电池保护芯片10与所述电池包一一对应；其中，上一级电池保护芯片输出的放电驱动信号接入下一级电池保护芯片的放电限压检测电路11，上一级电池保护芯片输出的充电驱动信号接入下一级电池保护芯片的充电限压检测电路12，最后一级电池保护芯片输出的放电驱动信号控制放电MOS管，最后一级电池保护芯片输出的充电驱动信号控制充电MOS管。
下面以图5和图6所示的级联结构对本实施例所述电池系统的工作原理进行说明，由于放电过程和充电过程的原理相同，故此处仅以放电过程为例进行说明。
如图5所示，两个电池包级联，两个电池保护芯片级联并与对应电池包连接；电池包电压Vpack1和Vpack2的范围均为18V-40V，电池保护芯片1的芯片电源端电压VCC1与电池保护芯片2的芯片参考端电压VSS2电势一致。对于电池保护芯片2而言，放电驱动电路输出的放电驱动信号的低电势为VSS2，高电势为VSS2+Vhigh，Vhigh≈Vpack2；由于放电驱动信号电势的高低差可达40V，远超薄栅氧MOSFET器件的工作范围(一般在5V左右)。
对于放电驱动电路为开漏结构：
当电池保护芯片2发生放电异常时，放电驱动电路的电流源关闭，没有电流从电池保护芯片2输出；由于电池保护芯片1中有大小为I11的电流，故该电流只能从VCC1流入，即从左向右流经所述钳位模块112，此时，节点A11处的电势为VCC1-Vclamp，所述第二PMOS管P21关断，所述第一电流源I11仍试图抽取电流，并将节点A21处的电压拉低至0V(如图10所示)。此时，所述放电逻辑电路13直接产生放电异常的控制逻辑，所述放电驱动信号15则产生低电平的放电驱动信号，以控制放电MOS管关断，实现放电异常保护。
当电池保护芯片2监测放电正常时，放电驱动电路中有大于I11的电流输出，此时有电流从右向左流经所述钳位模块112，节点A11处的电势为VCC1+Vclamp，所述第二PMOS管P21导通，并利用所述第一NMOS管N11使节点A21处的电压上升至Vref1-Vth_N11，也即Vdda(如图10所示)。此时，所述放电逻辑电路13根据电池保护芯片1的监测结果产生相应的控制逻辑，所述放电驱动信号15则根据所述放电逻辑电路13的控制逻辑产生相应的放电驱动信号，以控制放电MOS管导通或关断。
对于放电驱动电路为推挽结构：
当电池保护芯片2发生放电异常时，放电驱动电路中有小于I11的电流输出，此时有电流从左向右流经所述钳位模块112，节点A11处的电势为VCC1-Vclamp，所述第二PMOS管P21关断，所述第一电流源I11仍试图抽取电流，并将节点A21处的电压拉低至0V(如图10所示)。此时，所述放电逻辑电路13直接产生放电异常的控制逻辑，所述放电驱动信号15则产生低电平的放电驱动信号，以控制放电MOS管关断，实现放电异常保护。
当电池保护芯片2监测放电正常时，放电驱动电路中有大于I11的电流输出，此时有电流从右向左流经所述钳位模块112，节点A11处的电势为VCC1+Vclamp，所述第二PMOS管P21导通，并利用所述第一NMOS管N11使节点A21处的电压上升至Vref1-Vth_N11，也即Vdda(如图10所示)。此时，所述放电逻辑电路13根据电池保护芯片1的监测结果产生相应的控制逻辑，所述放电驱动信号15则根据所述放电逻辑电路13的控制逻辑产生相应的放电驱动信号，以控制放电MOS管导通或关断。
相应的，本实施例还提供一种级联电池保护芯片实现电池保护的方法，所述方法包括：
1)电池保护芯片监测对应电池包中各电池在充放电过程中的电池电压。需要注意的是，采用电池保护芯片监测电池电压为本领域的公知技术，此处不做赘述。
2)下一级电池保护芯片检测上一级电池保护芯片输出的上一级驱动信号，根据检测信号的电流流向识别上一级驱动信号的电平高低，并减小上一级驱动信号的高低电平转换窗口电压，使之适合于驱动薄栅氧MOSFET器件。
具体的，可采用图5和图6所示电路来实现；在上一级放电/充电驱动信号为低电平时，放电/充电检测信号的电流小于I11/I12，此时，有从左向右的电流流经所述钳位模块112/122，节点A11/A12处的电压为VCC-Vclamp，所述第二PMOS管P21/P22关断，所述第一电流源I11/I12试图抽取电流，并将节点A21/A22处的电压拉低至0V；在上一级放电/充电驱动信号为高电平时，放电/充电检测信号的电流大于I11/I12，此时，有从右向左的电流流经所述钳位模块112/122，节点A11/A12处的电压为VCC+Vclamp，所述第二PMOS管P21/P22导通，并利用所述第一NMOS管N11使节点A21/A22处的电压上升至Vref1-Vth_N11，也即Vdda。
3)下一级电池保护芯片根据减小后信号的电平高低及其监测结果产生下一级驱动信号。
具体的，在减小后信号的电平为低电平时，说明上一级电池保护芯片发生放电/充电异常，此时，下一级电池保护芯片直接产生低电平的下一级驱动信号，以控制放电/充电MOS管关断，实现放电/充电异常保护；在减小后信号的电平为高电平时，说明上一级电池保护芯片放电/充电正常，此时，下一级电池保护芯片根据其自身监测结果来产生下一级驱动信号，如其自身监测放电/充电异常，则产生低电平的下一级驱动信号，以控制放电/充电MOS管关断，实现放电/充电异常保护，反之，则产生高电平的下一级驱动信号，以控制放电/充电MOS管导通。
综上所述，本发明的一种电池保护芯片、电池系统及电池保护方法，通过放电限压检测电路和充电限压检测电路的设计，减小了上一级放电/充电驱动信号的高低电平转换窗口电压，使之适合于薄栅氧MOSFET器件构成的逻辑电路，从而降低芯片成本。此外，本发明通过电流流向来判断上一级放电/充电驱动信号的电平高低，仅对电流流向敏感，对大小不敏感，因此可以在一个较宽的电压范围内正常工作，避开了电阻分压问题；而且，本发明通过MOSFET控制电流，电路面积较小且电流较小，功耗较低。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (13)

1.一种电池保护芯片，其特征在于，所述电池保护芯片至少包括：放电限压检测电路及充电限压检测电路，其中，
所述放电限压检测电路用于检测上一级电池保护芯片输出的放电驱动信号，并根据放电检测信号的电流流向识别所述放电驱动信号的电平高低，以及，减小所述放电驱动信号的高低电平转换窗口电压；
所述充电限压检测电路用于检测上一级电池保护芯片输出的充电驱动信号，并根据充电检测信号的电流流向识别所述充电驱动信号的电平高低，以及，减小所述充电驱动信号的高低电平转换窗口电压。
2.根据权利要求1所述的电池保护芯片，其特征在于，所述放电限压检测电路和所述充电限压检测电路的电路结构相同，至少包括：检测模块、钳位模块及识别限压模块，其中，
所述检测模块用于检测上一级电池保护芯片输出的相应驱动信号，并产生相应检测信号；
所述钳位模块连接于芯片电源端和所述检测模块的输出端之间，用于根据相应检测信号的电流流向进行双向电压钳位，使电流流入端口比电流流出端口的电压高出一钳位电压；
所述识别限压模块连接所述钳位模块的输出端，用于根据所述钳位模块输出电压的大小识别相应驱动信号的电平高低，并基于参考电压来减小相应驱动信号的高低电平转换窗口电压。
3.根据权利要求2所述的电池保护芯片，其特征在于，还包括：偏置电压产生模块和/或抗尖峰脉冲模块；其中，所述偏置电压产生模块用于为所述识别限压模块提供偏置电压；所述抗尖峰脉冲模块连接所述识别限压模块的输出端，用于滤除毛刺电压。
4.根据权利要求2或3所述的电池保护芯片，其特征在于，所述检测模块包括：限流电阻，第一端接入上一级电池保护芯片输出的相应驱动信号，第二端作为所述检测模块的输出端。
5.根据权利要求4所述的电池保护芯片，其特征在于，所述检测模块还包括：短路保护电阻，串联于所述限流电阻的第二端。
6.根据权利要求2或3所述的电池保护芯片，其特征在于，所述钳位模块包括：第一二极管及第二二极管；所述第一二极管的正极连接所述第二二极管的负极及所述芯片电源端，所述第一二极管的负极连接所述第二二极管的正极及所述检测模块的输出端，并作为所述钳位模块的输出端。
7.根据权利要求2或3所述的电池保护芯片，其特征在于，所述钳位模块包括：至少一个第一PMOS管，其中，
在所述第一PMOS管的数量为1个时，所述第一PMOS管的栅极连接其漏极及所述芯片电源端，源极连接所述检测模块的输出端，并作为所述钳位模块的输出端；
在所述第一PMOS管的数量大于等于2个时，每个所述第一PMOS管的栅极均连接其漏极，且前一个所述第一PMOS管的源极连接后一个所述第一PMOS管的漏极，第一个所述第一PMOS管的漏极连接所述芯片电源端，最后一个所述第一PMOS管的源极连接所述检测模块的输出端，并作为所述钳位模块的输出端。
8.根据权利要求2或3所述的电池保护芯片，其特征在于，所述识别限压模块包括：第二PMOS管、第一电阻、第一NMOS管及第一电流源；所述第二PMOS管的栅极接入偏置电压，源极连接所述钳位模块的输出端，漏极通过所述第一电阻连接所述第一NMOS管的漏极；所述第一NMOS管的栅极接入参考电压，源极通过所述第一电流源连接芯片参考端，并作为所述识别限压模块的输出端。
9.根据权利要求3所述的电池保护芯片，其特征在于，所述偏置电压产生模块包括：第三PMOS管、第二电阻及第二电流源；所述第三PMOS管的栅极连接其漏极，源极连接芯片电源端，漏极连接所述第二电阻的第一端；所述第二电阻的第二端通过所述第二电流源连接芯片参考端，并作为所述偏置电压产生模块的输出端。
10.根据权利要求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：放电逻辑电路、充电逻辑电路、放电驱动电路及充电驱动电路，其中，
所述放电逻辑电路连接所述放电限压检测电路的输出端，用于在所述放电限压检测电路输出高电平时，根据所述电池保护芯片的放电监测结果产生相应的控制逻辑，在所述放电限压检测电路输出低电平时，产生放电异常的控制逻辑；
所述放电驱动电路连接所述放电逻辑电路的输出端，用于根据所述放电逻辑电路输出的控制逻辑产生相应的放电驱动信号；
所述充电逻辑电路连接所述充电限压检测电路的输出端，用于在所述充电限压检测电路输出高电平时，根据所述电池保护芯片的充电监测结果产生相应的控制逻辑，在所述充电限压检测电路输出低电平时，产生充电异常的控制逻辑；
所述充电驱动电路连接所述充电逻辑电路的输出端，用于根据所述充电逻辑电路输出的控制逻辑产生相应的充电驱动信号。
11.根据权利要求10所述的电池保护芯片，其特征在于，所述放电驱动电路和所述充电驱动电路均采用开漏结构或推挽结构实现。
12.一种电池系统，其特征在于，所述电池系统包括：至少两个电池包及至少两个如权利要求1-11任一项所述的电池保护芯片，所述电池保护芯片与所述电池包一一对应；其中，上一级电池保护芯片输出的放电驱动信号接入下一级电池保护芯片的放电限压检测电路，上一级电池保护芯片输出的充电驱动信号接入下一级电池保护芯片的充电限压检测电路，最后一级电池保护芯片输出的放电驱动信号控制放电MOS管，最后一级电池保护芯片输出的充电驱动信号控制充电MOS管。
13.一种级联电池保护芯片实现电池保护的方法，其特征在于，所述方法包括：
电池保护芯片监测对应电池包中各电池在充放电过程中的电池电压；
下一级电池保护芯片检测上一级电池保护芯片输出的上一级驱动信号，根据检测信号的电流流向识别上一级驱动信号的电平高低，并减小上一级驱动信号的高低电平转换窗口电压；
下一级电池保护芯片根据减小后信号的电平高低及其监测结果产生下一级驱动信号。
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