充电电池保护芯片
所属技术领域
本发明涉及用于充电电池的保护集成电路芯片。特别地,它涉及一种将过充电压检测控制、过放电压检测控制、过充电流检测控制、过放电流检测控制、短路保护、温度传感器、精确时钟控制、MOS管功率开关和涓流充电控制等功能块集成在同一块集成电路芯片上,并用常规封装实现超大电流技术的充电电池保护芯片,对充电电池起到很好的保护作用。
背景技术
众所周知充电电池具有能量高、电压高、寿命长等其他电源无法比拟的优点,在以电池供电的便携式电子产品特别在移动电话和笔记本电脑等等领域中,充电电池如锂离子电池更是占绝对优势。以锂离子充电电池为例,它的工作过程为:当电压低于2.4V时,锂离子电池进入过放电模式;当电压在2.5V至4.4V时,锂离子电池进入正常工作模式;当电压高于4.4V时,锂离子电池进入过放电模式。而过放电和过充电对锂离子充电电池来说是有害的,应该避免.
已有的充电电池保护电路如图1所示,它由控制IC芯片1与MOSFET功率开关管芯片(由10和11组成)两块芯片以及一些外围电阻、电容组成,电池保护电路的控制IC监视电池的电压,并控制两只MOSFET的栅极,通过两只MOSFET分别进行过充电控制,过放电控制和过电流控制,没有将控制IC与MOSFET功率开关管集成在同一个集成块中,同时对延时控制部分的控制是采用外接电容来实现,这样芯片外围元件多,生产工序多,生产周期长,成本高,可靠性低,保护电路体积大,性能较差。
发明内容
本发明就是为了解决前述问题提出的,本发明提出了芯片功能模块化结构的单一芯片集成方案,即将过充电压检测控制、过放电压检测控制、过充电流检测控制、过放电流检测控制、短路保护、温度传感器、精确时钟控制、MOS管功率开关和涓流充电控制等功能块集成在一块芯片上,同时用常规封装实现超大电流技术,在增加和增强了芯片功能的同时减少了外围电路元件,保护电路体积减小,可靠性提高,生产工序减小,生产周期短,成本降低。
本发明提供的充电电池保护芯片基本结构包括:第一控制IC部分,第二MOS功率开关管;其中控制IC部分包括:第三涓流充电控制电路模块;第四固定参考电压产生电路模块,它的一端与充电电池正极相连,另一端与充电电池负极相连,输出一个或几个基本上与充电电池电压无关的固定电压;第五相对参考电压产生电路模块,它的一端与充电电池正极相连,另一端与充电电池负极相连,输出一个或几个基本上随充电电池电压变化而变化的相对参考电压;第六过充电压检测控制电路模块,它的输入端的一端与固定参考电压产生电路模块的一个输出端相连,另一端与相对参考电压产生电路模块的一个输出端相连;第七过放电压检测控制电路模块,它的输入端的一端与固定参考电压产生电路模块的一个输出端相连,另一端与相对参考电压产生电路模块的一个输出端相连;第八过充电流检测控制电路模块,它的输入端与固定参考电压产生电路模块的一个输出端相连;第九过放电流检测控制电路模块,它的输入端与固定参考电压产生电路模块的一个输出端相连;第十短路电流检测控制电路模块,它的输入端与固定参考电压产生电路模块的一个输出端相连;第十一充电检测电路模块,它的输入端与固定参考电压产生电路模块的一个输出端相连;第十二延迟电路模块,它的一端与第六过充电压检测控制电路模块相连,另一端与第七过放电压检测控制电路模块相连,另一端与第八过充电流检测控制电路模块相连,另一端与第九过放电流检测控制电路模块相连;第十三逻辑控制电路,它的一端与第三涓流充电控制电路模块的一端相连,另一端与第四固定参考电压产生电路模块的一端相连,另一端与第六过充电压检测控制电路模块的一端相连,另一端与第七过放电压检测控制电路模块相连的一端,另一端与第八过充电流检测控制电路模块的一端相连,另一端与第九过放电流检测控制电路模块的一端相连,另一端与第十短路电流检测控制电路模块的一端相连,另一端与第十一充电检测电路模块的一端相连,另一端与第十二延迟电路模块的一端相连;第十四低压高控电路模块,它的一端与第十三逻辑控制电路相连,另一端与第二MOS功率开关管相连;第十五温度传感器电路模块,它的一端与第十三逻辑控制电路相连;第十六精确时钟产生与控制电路模块,它的一端与第十三逻辑控制电路相连。
本发明提供的充电电池保护芯片基本结构与已有的充电电池保护芯片结构完全不相同:本发明将如下功能块——过充电压检测控制、过放电压检测控制、过充电流检测控制、过放电流检测控制、短路保护检测控制、温度传感器、精确时钟控制和涓流充电控制等功能块构造在第一控制IC内,并且将第一控制IC和第二MOS功率开关管集成在同一个芯片上,能实现对充电电池的过放电保护,避免充电电池深度放电;过充电保护,避免充电电池充满后继续充电,导致充电电池电压过大;过电流保护和短路保护,避免充电电流、放电电流过大而影响充电电池寿命;温度过高保护,防止充电电池在充电放电过程中由于温度过高而损坏。
本发明提供的充电电池保护芯片具有涓流充电控制电路模块,其作用是当保护芯片处于过放电状态时,采用比较细微的电流对充电电池进行充电,防止大电流充电对充电电池造成的损害,提高了电池的寿命。在已有的充电电池保护电路方案中通常没有涓流充电控制电路模块,如果要有的话,必须增加外围器件,增大整个保护电路的体积,增加成本,导致生产周期加长,可靠性降低。
在已有的充电电池保护电路方案中都是采用控制IC芯片和双MOSFET管芯片为主体的双芯片方案。而本发明将功率开关元件与控制IC集成在单一集成电路芯片内部,可用单一NMOS管或单一PMOS管做MOSFET功率开关管代替双MOSFET管芯片做控制开关;或者可用两个或多个NMOS管,或者两个或多个PMOS管做MOSFET功率开关管代替双MOSFET管做控制开关,对过放电、过充电或短路等现象进行控制。由于将功率开关元件与控制IC集成在单一集成电路芯片内部,降低了造价,减少了芯片外围电路控制器件,减小了保护电路体积,同时也增加了可靠性,提高了性能。特别是在已有的充电电池双芯片保护电路方案中,当控制IC的负电源端或地与本应该相连的充电电池的负电源端Cell-断开时,会发生无法控制另一芯片上双MOSFET开关管的关断和导通,导致该方案的保护芯片无法起到保护功能的问题;而在单一芯片解决方案中,由于功率开关元件与控制IC集成在单一集成电路芯片内部,它们的负电源端或地是全部连接在一起的,如果与本应该相连的充电电池的负电源端Cell-断开时,MOSFET功率开关管也是断开的,不会发生充电或放电,从而保护了充电电池。
本发明提供了第一控制IC和第二MOS功率开关管单一芯片集成的设计,控制IC与功率管在芯片内部放置的位置很灵活,如图三所示。既可以将MOS功率开关管放在充电电池的正端Cell+和充电器的正电源端Batt+的中间,也可以将MOS功率开关管放在充电电池的负电源端Cell-和充电器的负电源端Batt-的中间,它们在低压高控电路模块的控制下随着充电放电的状态变化而导通或关断,在正常导通时展现出近似于恒定电阻的特性。
本发明提供了常规封装的超大电流技术,封装时,通过在芯片上连到MOS功率开关管某一端的多个管脚到封装框架上的同一引脚上多打一到几根金属线,这样一来使通过MOS功率开关管的总电流最大可以达到若干安培。使常规封装的集成电路可以流过很大的电流,而不会烧毁管脚的封装引线。采用常规封装,节省了器件的成本。
本发明提供了精确时钟产生和控制电路,在芯片内置电容。可以由RC振荡器构成,也可以由任何其他类型的振荡器构成,通过在物理上电容和电流的定义式Q=VC,I=Q\t可知t=VC\I。由于芯片内置电容面积是设计时确定的,只要所用的工艺确定,那么电容C即可确定;电压值V和电流值I在充、放电过程中也能被确定,因此在充电放电过程中所需要的不同的延时的精确时钟控制是可以实现的。精确时钟产生后作为延迟电路模块产生延迟时间的基准,使第十二延迟电路模块产生的延迟时间变化在一定的范围内。这一设计由于在芯片内部集成了电容,在芯片的外围电路中就不在需要外加电容来调整延时,减少了芯片外围电路控制器件。
本发明提供了第十四低压高控电路模块,它可以由电平移位电路(level shift)或者电荷泵电路(charge pump)实现。当外部电压在2.2V到5V之间变化时,低压高控电路模块使MOS功率开关管的栅、漏(源)极的相对电压始终维持在恒定电压,不随外加电压变化产生波动,而使MOS功率开关管的导通电阻近似于处于恒阻的状态,使得在放电过程中充电电池可以看作是线性电压源,在充电过程中充电器也可以看作是线性电阻。该电路模块在已有的充电电池保护电路方案中并不存在,并且MOS功率开关管在充电放电过程中的导通电阻是随着电压变化的。
本发明提供了第十五温度传感器与第十三逻辑控制电路相连的设计,能够很好的解决将控制IC与MOS功率开关管单一芯片集成中,由于MOS功率开关管和其它电路功能模块产生的热量导致控制系统出现错误操作或故障的问题;同时由于本充电电池保护芯片将与充电电池共同封装在同一电池盒中,温度传感器还能随时检测充电电池的温度,当充电电池温度过高时,温度传感器将与逻辑控制电路共同作用,使MOS功率开关管处于关断状态,将充电电池与负载或充电器断开,以保护充电电池。该电路模块在已有的充电电池保护电路方案中并不存在。
附图说明
参照附图会更好地理解下面公开的本发明,其中:
图一为已有充电电池保护电路图;
图二为本发明充电电池保护芯片第一实施例内部系统结构图;
图三为本发明充电电池保护芯片第二实施例内部控制IC与MOS功率开关管的放置示意图;
图一中1.电池保护电路,2.充电电池正电源端,3.充电电池负电源端,4.过放电控制端,5.过充电检测控制端,6.过电流检测控制端,7.充电器,8.负载,9.充电电池,10.过放电检测控制,11.过充电检测控制。
图二中1.控制IC,2.MOS功率开关管,3.过充电压检测控制电路模块,4.过放电压检测控制电路模块,5.延时控制电路模块,6充电器检测电路模块,7.短路检测电路模块,8.过充电流检测控制电路模块,9.过放电流检测控制电路模块,10.精确时钟控制电路模块,11.温度传感器,12.逻辑控制电路,13.低压高控电路模块,14.电池正电源端Cell+,15.\16.电池负电源端Cell-,17\18.负载或充电器负极接点Batt-,19.相对参考电压产生电路模块,20.固定参考电压产生电路模块,21、涓流充电控制电路模块,22、上电复位电路模块。
图三中1.控制IC,2.负载或充电器。
具体实施方式
现在考察附图,图2为显示本发明充电电池保护芯片内部系统结构图。如图2所示发明中,充电电池保护芯片内部包括MOS功率开关管2,过充电压检测控制电路模块3,过放电压检测控制电路模块4,延时控制电路模块5,充电检测电路模块6,短路检测控制电路模块7,过充电流检测控制电路模块8,过放电流检测控制电路模块9,精确时钟产生控制电路模块10,温度传感器11,逻辑控制电路12,低压高控电路模块13,电池正电源引脚14,电池负电源引脚15\16,负载或充电器负极接点17\18,相对参考电压产生电路模块19,固定参考电压产生电路模块20,涓流充电控制电路模块21,上电复位电路模块22。
由于对电压检测的要求精度很高,在第一实施例中对过充电、过放电检测控制电路模块提供分压的支路19、20上的电阻可以采用熔丝烧断、激光修正或者其它调整方法来获得精确的分压电阻;在条件异常的情况下MOS管2将关断,使负载或充电器负极接点Batt-与充电电池的负电源引脚Cell-断开,以保护充电电池。
在图三中,在正常情况下,控制IC1通过低压高控控制电路13保持MOS功率开关管2处于导通状态,充电电池正常地进行充电或放电。过充电压检测控制电路模块3、过放电压检测控制电路模块4、充电检测电路模块6、短路检测控制电路模块7、过充电流检测控制电路模块8、过放电流检测控制电路模块9等都处于检测监控状态,根据相对参考电压产生电路模块产生的相对参考电压19和固定参考电压产生电路模块20产生的固定参考电压的值,判断保护芯片处于的电路状态和即将发生的状态转变。
在充电检测电路模块6检测到保护芯片处于正常状态下继续充电或放电期间,短路检测控制电路模块7检测到外接负载发生短路,通过逻辑控制电路12的判断和控制,使保护芯片进入过放电流模式,并且控制低压高控电路13使MOS功率开关管2处于关断状态,不能充电,也不能放电,而当短路检测控制电路模块7检测到外接负载被断开后,保护芯片回到正常状态。
精确时钟产生和控制电路10在保护芯片的两端接上充电电池后,除了处于低功耗模式以外,时钟通过RC振荡器、环路振荡器或任何其他类型的振荡器构成的时钟发生器产生周期性的精确时钟,作为延迟电路模块5产生延迟时间的基准,使延迟电路模块5产生的延迟时间在一定的范围内变化。
上电复位电路模块22在保护芯片的两端接上充电电池后产生复位信号,通过逻辑控制电路12的判断和控制,使保护芯片中所有功能电路模块重新复位。
在充电检测电路模块6检测到保护芯片处于正常状态下继续充电或放电期间,根据相对参考电压产生电路模块19产生的相对参考电压和固定参考电压产生电路模块20产生的固定参考电压的值,当过放电压检测控制电路模块4检测到充电电池电压低于某设定电压VOD时,通过逻辑控制电路12的判断和控制,延时控制电路模块5启动延时达到一段设定值的时间tOD后,使保护芯片进入过放电压状态,低压高控电路13使MOS功率开关管2处于单向导通状态,只能充电,不能放电,同时保护芯片进入低功耗状态;此时若再将充电电池接到充电器上,通过逻辑控制电路12的判断和控制,涓流充电控制电路模块21使保护芯片进入涓流充电模式。但是如果延时控制电路模块5启动的延时没有达到一段设定值的时间,通过逻辑控制电路12的判断和控制,保护芯片仍然处于正常状态下继续充电或放电。
在保护芯片处于涓流充电模式期间,根据相对参考电压产生电路模块19产生的相对参考电压和固定参考电压产生电路模块20产生的固定参考电压的值,当过放电压检测控制电路模块3检测到充电电池电压不低于设定电压VOD时,逻辑控制电路12使保护芯片进入正常状态,通过低压高控电路13使MOS功率开关管2处于双向导通状态,既可以充电,也可以放电。
根据相对参考电压产生电路模块19产生的相对参考电压和固定参考电压产生电路模块20产生的固定参考电压的值,当过放电压检测控制电路模块4检测到充电电池电压不低于设定电压VOD时,逻辑控制电路12使保护芯片进入/处于正常状态,并且通过低压高控电路13使MOS功率开关管2处于双向导通状态,既可以充电,也可以放电。
在充电检测电路模块6检测到保护芯片处于正常状态下继续充电期间,根据固定参考电压产生电路模块20产生的固定参考电压的值,过充电流检测控制电路模块8检测到充电电流高于某个设定值IOC时,通过逻辑控制电路12的判断和控制,延时控制电路模块5启动延时达到一段设定值的时间tOC后,使保护芯片进入过充电流模式,使低压高控电路13控制MOS功率开关管2处于单向导通状态,不能充电,但可以放电。此时如果接上负载,充电电池开始发生放电流,通过逻辑控制电路12的判断和控制,使保护芯片回到正常状态,通过低压高控电路13使MOS功率开关管2处于双向导通状态,既可以充电,也可以放电。但是如果延时控制电路模块5启动延时没有达到一段设定值的时间,通过逻辑控制电路12的判断和控制,保护芯片仍然处于正常状态下继续充电或放电。
保护芯片处于过充电流模式时,根据固定参考电压产生电路模块20产生的固定参考电压的值,如果短路检测控制电路模块7检测到外接负载短路,通过逻辑控制电路12的判断和控制,使保护芯片进入过放电流模式,并且控制低压高控电路13使MOS功率开关管2处于关断状态,不能充电,也不能放电,而当短路检测控制电路模块7检测到外接负载被断开后,保护芯片回到正常状态。
在充电检测电路模块6检测到保护芯片处于正常状态下继续放电期间,根据固定参考电压产生电路模块20产生的固定参考电压的值,当过放电流检测控制电路模块8检测到放电电流高于某个设定值IODC时,通过逻辑控制电路12的判断和控制,延时控制电路模块5启动延时达到一段设定值的时间tOD后,使保护芯片进入过放电流模式,并且控制低压高控电路13使MOS功率开关管2处于关断状态,不能充电,也不能放电,而当过放电流检测控制电路模块8检测到外接负载被断开后,保护芯片回到正常状态。但是如果延时控制电路模块5启动的延时没有达到一段设定值的时间,通过逻辑控制电路12的判断和控制,保护芯片仍然处于正常状态下继续充电或放电。
保护芯片处于正常充电模式中继续充电,根据相对参考电压产生电路模块19产生的相对参考电压和固定参考电压产生电路模块20产生的固定参考电压的值,当过充电压检测控制电路模块3检测到充电电压高于某个设定值VOC时,通过逻辑控制电路12的判断和控制,延时控制电路模块5启动延时达到一段设定值的时间tOC后,使保护芯片进入过充电压模式,并且控制低压高控电路13使MOS功率开关管2处于单向导通状态,不能充电,但可以放电。如果过充电压检测控制电路模块3检测到负载被连接上,充电电池通过MOS功率开关管2发生放电流,并且充电电池电压低于定值VOC时,通过逻辑控制电路12的判断和控制,使保护芯片回到正常状态。
在保护芯片处于过充电压模式下时,MOS功率开关管2处于单向导通状态,不能充电,但可以放电。如果此时短路检测控制电路模块7检测到外接负载发生短路,通过逻辑控制电路12的判断和控制,使保护芯片进入过放电流模式,并且控制低压高控电路13使MOS功率开关管2处于关断状态,不能充电,也不能放电,而当短路检测控制电路模块7检测外接负载被断开后,保护芯片回到正常状态。
无论保护芯片处于过放电流模式、过放电压模式、过充电流模式、过充电压模式、涓流充电模式,还是处于正常状态,当温度传感器11检测到保护芯片温度过高时,通过逻辑控制电路12的判断和控制,使MOS功率开关管2处于关断状态,不能充电,也不能放电。只有当温度传感器11检测到保护芯片温度降低到某个设定温度时,通过逻辑控制电路12的判断和控制,使保护芯片回到正常状态,通过低压高控电路13使MOS功率开关管2处于双向导通状态,既可以充电,也可以放电。
上述实施实例只是应用中的有限的一部分,其他实施实例还包括但不限于所述控制IC由以上所述功能块中的某一个功能块、某几个功能块或者全部功能块的组合构成,并且本发明不局限于这些实施形态,而由权利要求的范围示出,与权利要求的范围均等的内容和权利要求的范围之内的所有变更或变化都包含在本发明要求的权利范围之内。
工业上利用和应用的可能性
本发明的电池保护芯片可以应用于但不限于手机、便携式电话机、MP3、PDA、便携式电脑、字处理机、数码像机、液晶电视、DV、掌上游戏机、便携式影像机、手持测量测试仪等等设备和仪器之中。