CN1497817A

CN1497817A - 充放电控制电路及充电型电源装置

Info

Publication number: CN1497817A
Application number: CNA031649378A
Authority: CN
Inventors: 张炜
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Ablic Inc
Priority date: 2002-09-27
Filing date: 2003-09-27
Publication date: 2004-05-19
Anticipated expiration: 2023-09-27
Also published as: TW200417068A; KR20040027466A; KR100837015B1; TWI272736B; JP2004119267A; US20040104708A1; JP3926718B2; CN100449905C; US7012407B2

Abstract

本发明包括：一种充放电控制电路，其包括一种还具有测试功能的充放电控制端子，其能执行正常使用状态，充放电禁止状态和测试状态的转变；还包括一充电型电源装置。采用充放电控制端子和测试熔断器选择输入到充放电控制端子的电压为电压电平“L”，“H”或“M”的任何一个，以允许转变到正常使用状态、充放电禁止状态或测试状态。而在测试状态中，依据测试熔断器是否切断实现用于缩短测试延迟时间的两种模式。

Description

充放电控制电路及充电型电源装置

技术领域

本发明一般涉及一种具有用于充放电控制的端子的充放电控制电路及一种充电型电源装置。尤其是，本发明涉及一种充放电控制电路，其中使充放电控制端子还具有测试功能，使得单一外部端子既具有充放电控制功能又具有测试功能，而且本发明涉及一种充电型电源装置。

本发明涉及一种同时具有充放电控制功能和测试功能的二次电池保护电路，及一种减少用于充电型电源装置的测试时间的大规模生产技术，在该充电型电源装置中包括二次电池保护电路。

背景技术

锂离子二次电池的特点在于它的尺寸小，重量轻，而且容量大。这种锂离子二次电池极大的有助于例如移动电话和PHS等移动设备的推广。那些特点已经实现了移动设备的长时间驱动和轻巧。然而，由于二次电池重复的充放电，很可能出现过充电状态或者过放电状态。如果二次电池成为过充电状态，电池温度升高使得二次电池的内部压力增加，由于电解液的分解所导致的气体产生而使得金属Li沉淀下来。因此，存在电池起火或爆炸的危险。相反地，如果二次电池成为过放电状态，电解液分解而使电池特性恶化。为了防止这些情况出现，在电池组中包括一保护电路。

对于保护电路来说，在二次电池和移动设备主体之间的充放电路径内提供一种充放电控制开关电路，通过充放电电路检测二次电池的充电上升到一个等于或高于预定电压的电平，二次电池的放电下降到等于或低于预定电压的电平和二次电池以过电流形式的放电，为了防止二次电池成为过充电状态、过放电状态和过电流状态中的任何一种而关断充放电控制开关，已经成为主要技术。

为了处理电池组从移动设备的主体中脱离的情况和移动设备主体需要充放电禁止控制的情况，在许多二次电池保护电路中提供一种充放电控制端子。

由于锂离子二次电池具有大的内阻抗，因此由于充电电流和放电电流而改变表观电池电压。当充电电流开始流动时，表观电池电压高。另一方面，当放电电流开始流动时，表观电池电压低。为了达到有效使用该电池的目的，必须提供一个用于每一个过充电检测和过放电检测的延迟时间。另外，为了达到防止由于噪声的错误解除，必须提供一个解除延迟时间。这在JP2001-283932A(第1到6页及图1)中得以披露，例如，通过一个内部延迟电路提供上述的延迟时间以缩短过充电和过放电的测试时间。由于该内部延迟电路提供了所有的延迟时间，因此不必提供用于确定延迟时间的外部电容，结果是，可以减少用于保护电路所需的外部元件或部件的数量。

然而，在采用内置延迟电路的充放电控制电路中，不能很容易的从外部改变延迟时间。因此，花费大量的时间来估计由于延迟时间所导致的充放电控制电路的特性。由于用于过电流检测和过放电检测的延迟时间一般在约几毫秒(msec)到几百毫秒(msec)之间的范围内，因而不会在测试时间上施加太大的影响。然而，由于用于过充电检测延迟时间一般设置在几秒，因而需要花费许多时间来完成测试。因此，需要在采用内置延迟电路的充放电控制电路中提供一种适合缩短延迟时间的测试模式。

在JP2001-283932A(第1到6页，及图1)中，公开了一种充放电控制电路，其当等于或高于指定电压的电压施加到充电器连接端子上时进入测试模式，该测试模式中内部控制电路的延迟时间被缩短了，并公开了一种充电型电源装置。图3示出了在JP2001-283932A中描述的发明的一个实施例。当二次电池成为过充电状态时，来自过充电检测比较器113的输出信号为高电平，内部控制电路120输出控制信号给内部延迟电路121。在由输出电压指定为一输入信号的延迟时间t1过去后，内部延迟电路121输出用于控制开关电路102的信号。

更进一步的，当在过电流检测端子上的电压上升到一个等于或高于指定电压V1的电平时，来自电压检测比较器115的输出信号为高电平。当来自电压检测比较器115的输出信号达到该高电平时，内部控制电路120进入一个状态并保持该状态，该状态中内部控制电路120准备输出一个用于缩短在内部延迟电路121中的延迟时间的控制信号。当二次电池成为过充电状态，来自过充电检测比较器113的输出信号上升为高电平，然后内部控制电路120输出控制信号给内部延迟电路121。在由输出电压指定为一输入信号的延迟时间t2过去后，内部延迟电路121输出用于控制开关电路102的信号。结果是，一旦在过电流检测端子上的电压变成等于或高于指定电压的电压，延迟时间保持缩短。此后，过充电检测电压可在过充电延迟时间保持缩短的情况下进行测量。

另一方面，当在过电流检测端子上的电压下降到等于或小于指定电压V2的电平时，电压检测比较器114的输出信号上升为高电平。当电压检测比较器114的输出信号变成高电平时，内部控制电路120解除该状态，该状态中内部控制电路输出用于缩短由内部延迟电路121所提供的延迟时间的控制信号，因此将该电流延迟时间返回到正常延迟时间t1。结果是，一旦在过电流检测端子的电压成为一等于或低于指定电压V2的电平时，解除测试模式以提供正常状态。

在JP2001-283932A中公开的发明中，通过采用过电流检测端子缩短内部延迟时间对于成本的降低是有效的。然而，该系统比其中为了控制用于测试的延迟时间(以后称为“测试延迟时间”)而具有单独的用于测试的外部端子(以后称为“测试端子”)的系统更不方便。尤其是，当该系统用于消费者执行二次电池组的测试时更加不方便。另外，在有必要将过电流检测电压分割成控制的多个等级时，采用上述的技术，遇到的问题是电路结构变得复杂，不可能处理这种情况。

然而，如果在其中具有充放电控制端子的二次电池保护电路中还单独包括测试端子，那么控制管脚的数量增加，从而增加成本。

另外，在当在工厂执行用于调整以设置用于过充放电检测的电压及其解除的初始测量时要精确测量过充电检测电压的情况下，无论何时输入电压步进时，需要等于或大于几秒的等待时间。因此，即使检测电压能在25级中进行测量，当假定等待时间为5秒时，需要用于测量过充电检测电压的时间为125秒。即使该系统具有一测试模式，该模式中延迟时间缩短到其时间的1/50，每一芯片的测量需要花费2.5秒。因此，花费了太多的时间去大规模生产控制电路，因此在测试成本方面成了一个严重的问题。

也就是说，需要更进一步缩短对于内置延迟电路的二次电池充放电控制电路在工厂所作的初始测量的检测延迟时间。同时，消费者方所进行的二次测量和评估均需要正常使用中的延迟时间和用于缩短延迟时间的测试模式。用很少的外部端子实现这样的控制功能是一个急待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于使一种用于充放电控制的端子还具备测试功能，使得单个管脚既具有充放电控制功能也具有测试功能，从而降低了成本。因此，本发明的目的是在采用上述的充放电控制端子的测试功能的充放电控制电路中控制检测延迟时间，并且为了实现成本降低还提供多个测试时间缩短模式。

为了实现上述目的，本发明具有下面的结构。

根据本发明的第一方面，在充电型电源装置中包括：与外部电源端子串联的一开关电路和一二次电池；为了控制开关电路而与二次电池并联的一充放电控制电路，该充放电控制电路具有一充放电控制端子，该控制电路具有一个单元，该单元根据输入到控制端子的电压电平监测二次电池的电压和电流中的一个或两个以控制该开关电路转接到下面任一状态：控制二次电池的充放电的正常使用状态(以后称为正常状态)，强行禁止二次电池的充放电的充放电禁止状态(以后称为充放电禁止状态)，和评估控制电路的特性的测试状态(以后称为测试状态)。

另外，充放电控制电路具有包括振荡器和计数器的内置延迟电路，当输入到充放电控制端子中的电压为某个电平时变为正常状态。在检测到充放电控制电路为在该状态中二次电池的过充电，过放电，或过电流之后，该控制电路在由内置延迟电路所产生的延迟时间过去后关断开关电路。

另外，当输入到充放电控制端子的电压为某个电平时充放电控制电路处于充放电禁止状态。该状态中，充放电控制电路关断开关电路，从而强行禁止二次电池的充放电。

同样，当输入到充放电控制端子中的电压为某个电平时，充放电控制电路变为测试状态。该充放电控制电路具有一个在测试状态中用于加速构成内置延迟电路的振荡器的振荡频率的加速单元。

另外，充放电控制电路具有一用于测试的熔断器(以后称为“测试熔断器”)。当输入到该充放电控制端子的电压为某个电平时该充放电控制电路变为测试状态。该充放电控制电路具有一单元，该单元用于将检测延迟时间模式转变到如下任何一个延迟时间模式：通过内置延迟电路的计数器不执行在充放电控制电路中的延迟的一部分的延迟时间模式(以后称为延迟时间模式1)，在该测试状态中通过内置延迟电路的计数器执行充放电控制电路中的所有延迟的延迟时间模式(以后称为延迟时间模式2)。

当在工厂中执行用于调整以设置用于过充电、过放电和解除的检测的电压的初始测量时，将处于某个电平上的电压输入到充放电控制端子，因此使得充放电控制电路变为测试状态，这样测试熔断器不切断。结果是，检测延迟时间的模式变为延迟时间模式1。在这种状态中，构成内置延迟电路的振荡器的振荡频率增加，用于过充电检测和过放电检测的延迟不通过计数器执行，电路的周期直接变为振荡器的振荡周期。即使为了精确测量过充电和过放电检测电压而步进输入电压，但由于等待时间极大的缩短，因而测试时间大大的缩短了。当在延迟时间模式1中通过计数器执行其他延迟(用于过电流检测的延迟和所有解除延迟)时，所有的这些延迟由于振荡器振荡频率的加速而缩短。

当在消费者方执行二次测试和评估时，处于某个电平的电压施加到该充放电控制端子，使得该充放电控制电路变为测试状态以切断测试熔断器。结果是，检测延迟时间模式变为延迟时间模式2。在这种状态中，构成内置延迟电路的振荡器的振荡频率增加。当所有的延迟，包括过充电和过放电延迟时间，通过计数器执行时，这些延迟由于振荡器振荡频率的加速而全部缩短。在延迟时间模式2中，不仅测量过充电、过放电和过电流检测电压所需的测试时间能缩短，而且每个延迟时间也可计算出来。

另一方面，输入某个电平的电压到充放电控制端子允许充放电控制电路的运行状态为正常状态。结果是，构成内置延迟电路的振荡器的振荡频率为正常振荡频率。由于在这种状态中通过计数器和其延迟的信号传送到控制电路的信号来执行包括过充电和过放电检测延迟时间的所有的检测延迟和解除延迟，延迟时间为正常使用中的延迟时间。

附图说明

在附图中：

图1是一部分为方框图的电路图，示出了本发明的一个实施例。

图2为表示信号CTLm和CTLh与施加到端子CTL上的电压之间的关系的图形。

图3是一部分为方框图的电路图，示出了传统的充放电控制电路的一个实施例；及

表1示出了由CTL端子进行的控制模式的详细情况。

具体实施方式

下面将参照附图详细描述本发明的一个实施例。图1是一电路图，其中一部分为方框图，用于解释本发明的一个实施例。在该图中，附图标记101表示一过充电、过放电和过电流检测电路。附图标记102表示一具有时钟周期Tclk的振荡电路。附图标记103表示一计数器。另外，附图标记104表示一充放电控制单元。由于具有控制单元104，通过充电控制的输出端子COP和放电控制的输出端子DOP，基于从过充电、过放电和过电流检测电路101中得到的关于电池状态、充电、放电电流等信息，可实现接通/关断充放电控制开关的功能，充放电控制开关安装在位于二次电池和移动设备的主体之间的充放电路径中，从而保护该二次电池。

同样，在该图中，附图标记105表示用于检测施加到用于过充电和过放电控制的端子CTL的输入电压。通过检测电路105检测输入到端子CTL的电压电平“H”，“L”或“M”以传送信号CTLh及CTLm，其分别表示输入到端子CTL，充放电控制单元和延迟电路的电压电平。图2示出了信号CTLh和CTLm与输入到端子CTL的电压之间的关系。当输入到端子CTL的电压比(Vss+Vw)小时，每一个信号CTLm和CTLh为电平“L”。在这种情况下，在端子CTL上的电压为电平“L”。当在端子CTL上的电压比(Vss+Vw)大，但小于“Vdd-Vw”时，信号CTLm为电平“H”，而信号CTLh为电平“L”。在这种情况下，在端子CTL上的电压为电平“M”。当端子CTL上的电压比“Vdd-Vw”大时，信号CTLm为电平“L”，而信号CTLh为电平“H”。在这种情况下，在端子CTL上的电压为电平“H”。

如图2所示，当端子CTL上的电压为电平“H”时，信号CTLh为电平“H”。结果是，充放电控制电路变为充放电禁止状态。然后，充放电控制单元104通过用于充电控制的输出端子COP和用于放电控制的输出端子DOP不仅关断用于充电控制的外部开关，而且关断用于放电控制的外部开关，从而成为充放电禁止状态。

另一方面，当在端子CTL上的电压为电平“L”时，每一个信号CTLh和CTLm为电平“L”。结果是，充放电控制电路变为正常状态。在这种情况下，充放电控制单元104通过用于充电控制的输出端子COP和用于放电控制的输出端子DOP，基于从过充电、过放电和过电流检测电路101可得到的关于电池状态、充电电流、放电电流等信息，打开/关断用于充电控制的外部开关和用于放电控制的外部开关。由于信号CTLm为电平“L”，导致振荡器102在正常振荡频率振荡。时钟周期为Tclk。另外，由于来自NAND108的逻辑输出信号为电平“H”，用于过充电和过放电检测的延迟时间变为从计数器103中得到的延迟时间。例如，如果检测电路101检测到二次电池处于过充电状态，使得振荡器102振荡以发送一具有时钟周期Tclk的时钟信号给计数器103。由于过充电检测延迟时间从与计数器的第m级(stage)相应的端子Qm得到，过充电检测延迟时间Tc表示如下：

Tc＝2^m-1×Tclk(表达式1)

在该延迟时间过去后，充放电控制单元104通过用于充电控制的输出端子COP关断用于充电控制的外部开关。同样地，由于过放电检测延迟时间从与计数器的第n级(stage)相应的端子Qn得到，过放电检测延迟时间Td表示如下：

Td＝2^n-1×Tclk(表达式2)

如果检测电路101检测到二次电池的过放电状态，然后在过放电检测延迟时间过后，充放电控制单元104通过用于放电控制的输出端子DOP关断用于充电控制的外部开关。例如，如果振荡器102的周期Tclk为300微秒(usec)，过充电检测延迟时间从与计数器103的第15级(stage)对应的端子Q15得到，过放电延迟时间从与计数器的第10级(stage)对应的端子Q10得到，然后从表达式1和2中可分别得出过充电检测延迟时间Tc和过放电检测延迟时间Td为4.9秒(sec)和154毫秒(msec)。

当端子CTL上的电压为电平“M”时，信号CTLh为电平“L”，信号CTLm为电平“H”。在这种情况下，充放电控制单元104通过用于充电控制的输出端子COP和用于放电控制的输出端子DOP，基于从过充电、过放电和过电流检测电路101中得到的关于电池状态、充电电流、放电电流等信息，打开/关断用于充电控制的外部开关和用于放电控制的外部开关。然而，由于信号CTLm为电平“H”，使得振荡器102以加速的振荡频率振荡。如果振荡器的振荡频率被加速了K倍，那么时钟周期为Tclk/K。另外，由于NAND108的逻辑输出信号依赖于附图标记106所表示的熔断器1是否断开，用于过充电检测和过放电检测的延迟时间既可从振荡器102的输出信号直接得出，也可从计数器103间接得到。

当在工厂中执行用于调整以设置用于过充电、过放电、和解除检测的电压的初始测量时，由于不切断测试熔断器1(106)，来自NAND108的逻辑输出信号为电平“L”。在这种情况下，由于用于过充电检测和过放电检测的延迟时间直接从振荡器102的输出信号中直接得出，过充电检测延迟时间Tc表述如下：

Tc＝Tclk/K(表达式3)

同样，过放电检测延迟时间Td表述如下：

Td＝Tclk/K(表达式4)

另外，由于用于过电流的延迟时间和所有解除延迟时间从计数器103得到，这些延迟时间仅仅取决于振荡器的振荡频率加速。检测延迟时间的该模式是上述的延迟时间模式1。例如，如果振荡器的周期Tclk是300微秒(usec)，振荡器的加速倍数K为50，那么每一个过充电检测延迟时间Tc和过放电检测延迟时间Td从表达式3和4分别得出为6微秒。因此，当在正常状态中的过充电检测延迟时间等于几秒时，每一个上述延迟时间仅为几微秒。结果是，当要精确测量过充电检测电压值时，可以极大的节省测试时间。

当消费者方执行二次测试和评估时，由于106所表示的测试熔断器1为切断状态，来自NAND108的逻辑输出信号为电平“H”。在这种情况下，用于过充电检测和过放电检测的延迟时间变为从计数器103中得出的近似为正常状态的延迟时间。但是，此时，由于信号CTLm为电平“H”，因此振荡器的振荡频率被加速了K倍，过充电检测延迟时间Tc表述如下：

Tc＝2^m-1×Tclk/K(表达式5)

同样，过放电延迟时间Td表示如下：

Tc＝2^n-1×Tclk/K(表达式6)

另外，过电流延迟时间和所有的解除延迟时间也由于振荡器的振荡频率的加速而缩短。检测延迟时间的这种模式为上述的延迟时间模式2。例如，如果振荡器的周期Tclk是300微秒(usec)，振荡器的加速倍数K为50，那么过充电检测延迟时间Tc和过放电检测延迟时间Td从表达式5和6分别得出为98毫秒(msec)和3毫秒(msec)。结果是，不仅用于过充电电压值和过放电电压值的测量的延迟时间缩短，而且每一个延迟时间可计算出来。

表1给出了详细的关于根据充放电控制端子CTL上的电压电平“H”，“L”，或“M”怎样控制充放电禁止功能和测试功能的概述。通过实现这样的控制，测试时间可缩短，也能确保长的延迟时间，在工厂中进行初始测量的延迟时间可以省略。

如前所述，根据本发明，使单一一个充放电控制端子也有测试功能，同样可选择输入到控制端子中的三个电压电平的任何一个以允许将运行状态转变为正常状态、充放电禁止状态和测试状态中的任何一种。另外，可实现将充放电控制电路的检测延迟时间模式及充电型电源单元转换到延迟时间模式1和延迟时间模式2的任何一种的单元，该转换依据测试状态中测试熔断器是否被切断。结果是，在依据本发明设计出的充放电控制电路和充电型电源单元中，充放电控制功能和测试功能用很少的外部端子实现。同样，在测试功能中，提供了多个延迟时间模式，因此实现了测试时间的高效率。从而，本发明极大的有助于在大规模生产中成本的降低。

表1由CTL端子所进行的控制的详细经过

CTL电压	延迟时间模式1(熔断器1未切断)	延迟时间模式2(熔断器1切断)
CTL电压	延迟时间模式1(熔断器1未切断)	延迟时间模式2(熔断器1切断)	L：正常状态	振荡器在正常振荡频率下振荡过充电检测延迟时间Tc＝2^n-1Tclk过放电检测延迟时间Td＝2^n-1Tclk其它延迟时间Tx＝2^x-1*Tclk	振荡器在正常振荡频率下振荡过充电检测延迟时间Tc＝2^n-1Tclk过放电检测延迟时间Td＝2^n-1Tclk其它延迟时间Tx＝2^x-1*Tclk
M：测试状态	振荡器振荡频率被加速K倍过充电检测延迟时间Tc＝Tclk/K过放电检测延迟时间Td＝Tclk/K其它延迟时间Tx＝2^x-1*Tclk/K	振荡器振荡频率被加速K倍过充电检测延迟时间Tc＝2^n-1Tclk/K过放电检测延迟时间Td＝2^n-1Tclk/K其它延迟时间Tx＝2^x-1*Tclk/K	L：正常状态
M：测试状态			H：充放电禁止状态	充放电禁止	充放电禁止

Claims

1.一种充放电控制电路，包括：

一用于检测二次电池状态的检测电路，一用于响应检测电路的输出而产生延迟时间的延迟电路，一用于响应检测电路和延迟电路的输出而控制开关电路的开关控制电路，及

一用于根据接收到的信号将充放电控制电路的状态转变为控制二次电池的充放电的正常使用状态、强行禁止二次电池的充放电的充放电禁止状态及评估计算充放电控制电路的特性的测试状态中的任何一种状态的电路，所述的接收到的信号是检测电路响应二次电池电压而输出的信号。

2.根据权利要求1的充放电控制电路，其中通过开关控制电路控制开关电路响应来自检测电路的信号而关断，从而实现充放电禁止状态。

3.根据权利要求1的充放电控制电路，其中延迟电路包括一振荡电路和一加速装置，该加速装置在测试状态中加速振荡电路以增加振荡周期。

4.根据权利要求3的充放电控制电路，其中该充放电控制电路还包括一熔断器，该延迟电路包括一计数器电路，当熔断器在测试状态中处于断开状态时，来自振荡电路的信号通过计数器电路输出到开关控制电路中。

5.一种充电型电源装置，包括：一包括用于检测二次电池状态的检测电路的充放电控制电路，一用于响应自检测电路的输出而产生延迟时间的延迟电路，一用于响应自检测电路和延迟电路的输出而控制开关电路的开关控制电路和一用于根据接收到的信号将充放电控制电路的状态转变为控制二次电路的充放电的正常使用状态、强行禁止二次电池的充放电的充放电禁止状态及评估充放电控制电路的特性的测试状态中的任何一种状态的电路，所述的接收到的信号是检测电路响应二次电池电压而输出的信号，及

一外部电源端子，其中二次电池和开关电路与外部电源端子串联，二次电池和充放电控制电路并联以控制开关电路。

6.根据权利要求5的充电型电源装置，其中通过开关控制电路控制开关电路响应来自检测电路的信号而关断，从而实现充放电禁止状态。

7.根据权利要求5的充电型电源装置，其中延迟电路包括一振荡电路和一加速装置，该加速装置在测试状态中加速振荡电路以增加振荡周期。

8.根据权利要求7的充电型电源装置，其中该充放电控制电路还包括一熔断器，该延迟电路包括一计数器电路，当熔断器在测试状态中处于断开状态时，来自振荡电路的信号通过计数器电路输出到开关控制电路中。