CN117277753A - 应用于电池模块的保护开关上的驱动电路 - Google Patents

应用于电池模块的保护开关上的驱动电路 Download PDF

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Abstract

本发明公布一种应用于电池模块的保护开关上的驱动电路，包括反向开关、非反向开关、电容器及储能器；以一脉冲宽度调制信号控制反向开关及非反向开关的导通或关闭；当脉冲宽度调制信号处在高电平时，反向开关关闭而非反向开关导通，电池总电压向第一电容器充电而在电容器上形成存储电压；当脉冲宽度调制信号处在低电平时，反向开关导通而非反向开关关闭，参考电压通过反向开关连接至电容器，以在储能器上形成由参考电压及存储电压所叠加出的升压电压；之后，升压电压驱动保护开关导通。

Description

应用于电池模块的保护开关上的驱动电路
技术领域
本发明涉及一种驱动电路，特别是涉及一种应用于电池模块的保护开关上的驱动电路。
背景技术
随着科技的演进，各式各样的电子装置逐渐成为人们生活不可或缺的工具。为了方便于电子装置可以随时随地被使用，很多电子装置的内部通常会设置有电池模块。电子装置通过电池模块所提供的能量而进行运作。
为了电池模块使用上的安全性，电池模块在高侧(如正极)通常会加装一个保护开关，以通过保护开关电性连接所应用的电子装置。当电池模块发生异常(如过电流)或使用不当(如接错电池正负极)时，通过控制保护开关的断电，将可以避免电池模块发生异常或使用不当的情况下还继续充电或放电，造成电池模块的危害。
电池模块以MOS场效晶体管(如NMOS场效晶体管)作为保护开关。以往常利用集成IC(如驱动IC)来驱动保护开关。集成IC对保护开关的闸极施加大于电池模块的电池总电压的控制信号，以便驱动保护开关的导通而令电池模块可以充放电运作。
集成IC一般只提供固定式的驱动电流，若集成IC同时要驱动多颗并联的保护开关时，驱动能力就明显不足。此外，为了提升电池模块的供电时间，其内部所设置的电池芯的数量越来越多，以致市面上的电池模块其电池总电压常常超过100V以上。然，受限于半导体材料特性的因素，集成IC的驱动电压存在有一不易突破的电压极限，如75V。则，集成IC其驱动电压常低于电池模块的电池总电压，以致无法驱动电池模块的保护开关。
发明内容
基于上述现有技术中的技术问题，本发明提出一种驱动电路，其应用于电池模块的高侧的保护开关上且包括有反向开关、非反向开关、电容器、储能器及驱动开关；驱动电路运作时，利用脉冲宽度调制信号控制反向开关及非反向开关的导通或关闭，以执行电容器的充电程序或执行参考电压与电容器的存储电压的叠加；当参考电压与电容器的存储电压所叠加出的电压大于电池模块的电池总电压时，于储能器上取得高于电池总电压的升压电压；接着，电容器进一步被充电而使得其存储电压相等于电池总电压时，将在储能器上取得一由电池总电压与参考电压所叠加出的最终的升压电压，这最终的升压电压将会高于电池总电压与保护开关的阈值电压的加总，而后最终的升压电压即可成为闸极驱动电压以驱动保护开关导通。
本发明提出一种驱动电路，其电路是在电池模块的电池总电压之上叠加高于保护开关的阈值电压的参考电压，以使叠加出的升压电压始终能够高于电池总电压与保护开关的阈值电压的加总，则，电池模块即使是超高压的电池模块，驱动电路也能适时提供超高压的闸极驱动电压来驱动保护开关导通。
为上述的目的，本发明提出一种应用于电池模块的保护开关上的驱动电路，电池模块连接保护开关，电池模块在保护开关导通时进行充电或放电，驱动电路包括：反向开关；非反向开关，一脉冲宽度调制信号用以控制反向开关及非反向开关的导通或关闭；第一电容器，其一端与反向开关及非反向开关共连接至第一节点，而另一端连接至第二节点；第一二极管，其正极连接电池模块的电池总电压而负极连接至第二节点；第二二极管，其正极连接第二节点，而负极连接第三节点；储能器，其一端连接至第三节点而另一端连接电池总电压；及驱动开关，是晶体管开关，驱动开关的第一端连接至保护开关、第二端连接至第三节点而控制端连接电池总电压；其中，当脉冲宽度调制信号处在高电平时，反向开关关闭及非反向开关导通，电池总电压向第一电容器充电，以在第一电容器上形成存储电压；当脉冲宽度调制信号处在低电平时，反向开关导通及非反向开关关闭，参考电压通过反向开关连接至第一节点以在第二节点上形成由参考电压及存储电压所叠加出的叠加电压，叠加电压高于电池总电压时，将在储能器上形成高于电池总电压的升压电压；当第一电容器被充电而使得存储电压相等于电池总电压时，将在储能器上形成由电池总电压与参考电压所叠加出的最终的升压电压；当驱动开关导通时，最终的升压电压通过驱动开关驱动保护开关导通。
优选地，保护开关是设于电池模块的高侧的N通道场效晶体管。
优选地，驱动开关是P通道场效晶体管或PNP晶体管。
优选地，最终的升压电压高于电池总电压与保护开关的阈值电压的加总。
优选地，当最终的升压电压与电池总电压间的电压差大于驱动开关的阈值电压时，驱动开关将会导通。
优选地，反向开关包括第一开关、第二开关及第三开关，第一开关、第二开关及第三开关都是晶体管开关；第一开关的第一端连接参考电压、第二端接地而控制端接收脉冲宽度调制信号；第二开关的第一端接地、第二端连接参考电压而控制端连接至第一开关的第一端；第三开关的第一端连接至第一节点、第二端连接参考电压而控制端连接至第二开关的第一端；当脉冲宽度调制信号处在高电平时，第一开关导通、第二开关导通而第三开关关闭；当脉冲宽度调制信号处在低电平时，第一开关关闭、第二开关关闭而第三开关导通。
优选地，第一开关是N通道场效晶体管或NPN晶体管，而第二开关及第三开关分别是P通道场效晶体管或PNP晶体管。
优选地，非反向开关是晶体管开关，非反向开关的第一端连接至第一节点、第二端接地而控制端接收脉冲宽度调制信号；当脉冲宽度调制信号处在高电平时，非反向开关导通；当脉冲宽度调制信号处在低电平时，非反向开关关闭。
优选地，非反向开关是N通道场效晶体管或NPN晶体管。
进一步地，应用于电池模块的保护开关上的驱动电路，还包括电压调节器，电压调节器连接电池总电压且利用电池总电压以调节出参考电压。
附图说明
图1是本发明驱动电路运作在脉冲宽度调制信号处在高电平时的电路示意图。
图2是本发明驱动电路运作在脉冲宽度调制信号处在低电平时的电路示意图。
附图标记说明：
100:电池模块
101:正输入/输出
102:负输入/输出
11:电池芯
13:保护开关
200:驱动电路
201:脉冲宽度调制信号
21:反向开关
211:第一开关
212:第二开关
213:第三开关
22:非反向开关
23:第一电容器
24:第一二极管
25:第二二极管
26:储能器
27:驱动开关
281:第一节点
282:第二节点
283:第三节点
29:电压调节器
R1:第一电阻
R2:第二电阻
R3:第三电阻
R4:第四电阻
R5:第五电阻
R6:第六电阻
R7:第七电阻
R8:第八电阻
具体实施方式
请参阅图1及图2，分别是本发明驱动电路运作在脉冲宽度调制(PWM，Pulse-widthmodulation)信号处在高电平时的电路示意图及本发明驱动电路运作在脉冲宽度调制信号处在低电平时的电路示意图。本发明驱动电路应用在电池模块上，以对于电池模块的保护开关进行开关的控制。首先，如图1所示，电池模块100包括有多个串接一起的电池芯11。那些电池芯11串接形成有电池总电压VBAT。电池模块100的正极连接至正输入/输出(Input+/Output+)101，而负极连接负输入/输出(Input-/Output-)102。保护开关13设在电池模块100的高侧，如保护开关13设在正输入/输出(Input+/Output+)101与电池模块100的正极间。在本发明中，保护开关13是晶体管开关，如N通道场效晶体管(如NMOS场效晶体管)。
驱动电路200包括反向开关21、非反向开关22、第一电容器23、第一二极管24、第二二极管25、储能器26及驱动开关27。驱动电路200接收脉冲宽度调制信号201，且利用脉冲宽度调制信号201控制反向开关21及非反向开关22的导通或关闭。脉冲宽度调制信号201可由电池管理系统(BMS)或电池管理芯片所产生。当脉冲宽度调制信号201处在高电平时，反向开关21关闭，而非反向开关22导通。当脉冲宽度调制信号201处在低电平时，反向开关21导通，而非反向开关22关闭。
进一步地，反向开关21包括第一开关211、第二开关212及第三开关213。第一开关211、第二开关212及第三开关213都是晶体管开关。第一开关211也可以是N通道场效晶体管或NPN晶体管，而第二开关212及第三开关213也可以是P通道场效晶体管(如PMOS场效晶体管)或PNP晶体管。第一开关211的第一端(汲极或集极)连接参考电压VREF、第二端(源极或射极)接地而控制端(闸极或基极)通过第一电阻R1接收脉冲宽度调制信号201。第二开关212的第一端(汲极或集极)通过第二电阻R2接地、第二端(源极或射极)连接参考电压VREF而控制端(闸极或基极)通过第三电阻R3连接至第一开关211的第一端以及通过第四电阻R4连接第二开关212的第二端。第三开关213的第一端(汲极或集极)通过第五电阻R5连接至第一节点281、第二端(源极或射极)通过第六电阻R6连接参考电压VREF而控制端(闸极或基极)连接至第二开关212的第一端。
另，非反向开关22是单晶体管开关，其也可以是N通道场效晶体管或NPN晶体管。非反向开关22的第一端(汲极或集极)通过第七电阻R7连接至第一节点281、第二端(源极或射极)接地而控制端(闸极或基极)通过第八电阻R8接收脉冲宽度调制信号210。
第一电容器23的一端与反向开关21及非反向开关22共连接至第一节点281，而另一端连接至第二节点282。第一二极管24的正极连接电池模块100的电池总电压VBAT而负极连接至第二节点282。第二二极管25的正极连接第二节点282，而负极连接第三节点283。储能器26由至少电容器所组成，其一端连接至第三节点283而另一端连接电池总电压VBAT。驱动开关27也是是晶体管开关，例如：P通道场效晶体管或PNP晶体管，其第一端(汲极或集极)连接至保护开关13、第二端(源极或射极)连接至第三节点283而控制端(闸极或基极)连接电池总电压VBAT。此外，驱动电路200还包括电压调节器29，如电压转换器，电压调节器29连接电池模块100(未显示)，以利用电池模块100的电池总电压VBAT调节出参考电压VREF，例如：电压调节器29将100V以上的电池总电压VBAT调节成12V的参考电压VREF。在本发明中，参考电压VREF大于或等于保护开关13的阈值电压VTH(如VGS)。
具体而言，驱动电路200运作时，将接收脉冲宽度调制信号201。如图1所示，当脉冲宽度调制信号201处在高电平时，反向开关21的第一开关211导通、第二开关212导通而第三开关213关闭，非反向开关22导通，电池总电压VBAT向第一电容器23充电，以在第一电容器23上储电形成有存储电压VS。如图2所示，当脉冲宽度调制信号201处在低电平时，反向开关21的第一开关211关闭、第二开关212关闭而第三开关213导通，非反向开关22关闭，则，参考电压VREF通过导通的第三开关213电性连接至第一节点281，以在第二节点282形成一由存储电压VS及参考电压VREF所叠加出的电压VC＝VS+VREF。
接续，脉冲宽度调制信号201反复地进行高电平及低电平的切换，第一电容器23持续地被电池总电压VBAT充电，使得第二节点282上的叠加电压VC高于电池总电压VBAT时，将在储能器26上形成升压电压VB＝VS+VREF。
脉冲宽度调制信号201继续反复地进行高电平及低电平的切换，第一电容器23继续地被电池总电压VBAT充电，使得第一电容器23上所形成的存储电压VS等于电池总电压VBAT。则，参考电压VREF叠加至所述相等于电池总电压VBAT的存储电压VS＝VBAT上，以在第二节点282上形成叠加电压VC＝VBAT+VREF，并在储能器26上形成最终的升压电压VBF＝VBAT+VREF。
最终的升压电压VBF＝VBAT+VREF形成在储能器26后，最终的升压电压VBF＝VBAT+VREF与电池总电压VBAT间的电压差Vd＝VREF将会大于驱动开关27的阈值电压VTH(如VSG)，以使驱动开关27被导通。而后，最终的升压电压VBF＝VBAT+VREF成为保护开关13的闸极驱动电压，以通过驱动开关27驱动保护开关13导通。
于是，本发明驱动电路200以脉冲宽度调制信号201控制开关21、22的导通或关闭以执行电容器23的充电或参考电压VREF与电容器23的存储电压VS的叠加，并在参考电压VREF与电容器23的存储电压VS所叠加出的电压Vc大于电池总电压VBAT时，于储能器26上取得一高于电池总电压VBAT的升压电压VB。接着，电容器23进一步被充电而使得其存储电压VS相等于电池总电压VBAT时，将在储能器26上取得一由电池总电压VBAT与参考电压VREF所叠加出的最终的升压电压VBF，这最终的升压电压VBF将会高于电池总电压VBAT与保护开关13的阈值电压VTH的加总，以使最终的升压电压VBF能够成为闸极驱动电压来驱动保护开关13导通。
如此据以实施，本发明驱动电路200的电路设计是在电池总电压VBAT的基础上进一步地叠加一高于保护开关13的阈值电压VTH的参考电压VREF，以使叠加出的最终的升压电压VBF始终高于电池总电压VBAT与保护开关13的阈值电压VTH的加总。因此，电池模块100即使是一超高压的电池模块100，本发明驱动电路200也能适时提供一超高压的闸极驱动电压来驱动保护开关13导通。
再者，本发明一较佳实施例中，第一电容器23及储能器26亦可选用大容量的电容器作为储电元件，而反向开关21及非反向开关22亦可选用耐压性高的晶体管作为开关元件，以使本发明驱动电路200能够应用在高压的电池模块100的保护开关13的驱动上。
以上所述者，仅是本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明请求保护的范围，即凡依本发明权利要求所述的形状、构造、特征及精神所为的等同变化与修饰，均应包括于本发明的权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种应用于电池模块的保护开关上的驱动电路，所述电池模块连接所述所述保护开关，所述电池模块在所述保护开关导通时进行充电或放电，其特征在于，所述驱动电路包括：
反向开关；
非反向开关，脉冲宽度调制信号用以控制所述反向开关及所述非反向开关的导通或关闭；
第一电容器，其一端与所述反向开关及所述非反向开关共连接至第一节点，而另一端连接至第二节点；
第一二极管，其正极连接所述电池模块的电池总电压而负极连接至所述第二节点；
第二二极管，其正极连接所述第二节点，而负极连接第三节点；
储能器，其一端连接至所述第三节点而另一端连接所述电池总电压；及
驱动开关，为晶体管开关，所述驱动开关的第一端连接至所述保护开关、第二端连接至所述第三节点而控制端连接所述电池总电压；
其中，当所述脉冲宽度调制信号处在高电平时，所述反向开关关闭及所述非反向开关导通，所述电池总电压向所述第一电容器充电，以在所述第一电容器上形成存储电压；当所述脉冲宽度调制信号处在低电平时，所述反向开关导通及所述非反向开关关闭，参考电压通过所述反向开关连接至所述第一节点以在所述第二节点上形成由所述参考电压及所述存储电压所叠加出的叠加电压，所述叠加电压高于所述电池总电压时，将在所述储能器上形成高于所述电池总电压的升压电压；当所述第一电容器被充电而使得所述存储电压相等于所述电池总电压时，将在所述储能器上形成由所述电池总电压与所述参考电压所叠加出的最终的升压电压；当所述驱动开关导通时，所述最终的升压电压通过所述驱动开关驱动所述保护开关导通。
2.根据权利要求1所述的应用于电池模块的保护开关上的驱动电路，其特征在于，所述保护开关为设于所述电池模块的高侧的N通道场效晶体管。
3.根据权利要求1所述的应用于电池模块的保护开关上的驱动电路，其特征在于，所述驱动开关是P通道场效晶体管或PNP晶体管。
4.根据权利要求1所述的应用于电池模块的保护开关上的驱动电路，其特征在于，所述最终的升压电压高于所述电池总电压与所述保护开关的阈值电压的加总。
5.根据权利要求1所述的应用于电池模块的保护开关上的驱动电路，其特征在于，当所述最终的升压电压与所述电池总电压间的电压差大于所述驱动开关的阈值电压时，所述驱动开关将导通。
6.根据权利要求1所述的应用于电池模块的保护开关上的驱动电路，其特征在于，所述反向开关包括第一开关、第二开关及第三开关，所述第一开关、所述第二开关及所述第三开关都是所述晶体管开关；所述第一开关的第一端连接所述参考电压、第二端接地而控制端接收所述脉冲宽度调制信号；所述第二开关的第一端接地、第二端连接所述参考电压而控制端连接至所述第一开关的所述第一端；所述第三开关的第一端连接至所述第一节点、第二端连接所述参考电压而控制端连接至所述第二开关的所述第一端；当所述脉冲宽度调制信号处在所述高电平时，所述第一开关导通、所述第二开关导通而所述第三开关关闭；当所述脉冲宽度调制信号处在所述低电平时，所述第一开关关闭、所述第二开关关闭而所述第三开关导通。
7.根据权利要求6所述的应用于电池模块的保护开关上的驱动电路，其特征在于，所述第一开关是N通道场效晶体管或NPN晶体管，而所述第二开关及所述第三开关分别是P通道场效晶体管或PNP晶体管。
8.根据权利要求1所述的应用于电池模块的保护开关上的驱动电路，其特征在于，所述非反向开关是所述晶体管开关，所述非反向开关的第一端连接至所述第一节点、第二端接地而控制端接收所述脉冲宽度调制信号；当所述脉冲宽度调制信号处在所述高电平时，所述非反向开关导通；当所述脉冲宽度调制信号处在所述低电平时，所述非反向开关关闭。
9.根据权利要求8所述的应用于电池模块的保护开关上的驱动电路，其特征在于，所述非反向开关是N通道场效晶体管或NPN晶体管。
10.根据权利要求1所述的应用于电池模块的保护开关上的驱动电路，其特征在于，还包括电压调节器，所述电压调节器连接所述电池总电压且利用所述电池总电压以调节出所述参考电压。
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