CN1945924A

CN1945924A - 一种电池充电/放电控制电路

Info

Publication number: CN1945924A
Application number: CN 200610140674
Authority: CN
Inventors: 刘仕强; 肖安全; 栗国星; 刘柳胜
Original assignee: O2Micro Inc
Current assignee: OMicro Technology (China) Co.,Ltd.
Priority date: 2005-10-04
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2007-04-11
Anticipated expiration: 2026-09-29
Also published as: CN100405698C

Abstract

本发明提供了一种用于控制电池充电和放电的电路。该电路包括一个第一金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)用于控制给电池放电，包括一个与电池和第一MOSFET串联的第二MOSFET用于控制充电回路。第一和第二MOSFET各自含有体二极管，第一MOSFET中的第一体二极管与第二MOSFET中的第二体二极管反向相连。一个负载连接在电池和第一第二MOSFET的共同节点之间，使得第一MOSFET打开时电池给该负载供电。该电路还包括一个与第二开关串联的电源，当第一和第二MOSFET打开时，该电源给电池供电。

Description

一种电池充电/放电控制电路

技术领域

本发明系关于一种电池充电和放电电路，具体为低成本高效率的电池充电和放电电路。

背景技术

在电池保护应用中，通常使用两个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)来控制充电和放电回路。一个用于开关放电回路，另一个用于开关充电回路。如当前技术图1和2所示，此中晶体管含有固有寄生体二极管。

当前技术图1为串联结构100。该串联结构有两个MOSFET 104和102，二者串联。MOSFET 104含有体二极管114，用于开关充电回路。MOSFET 102含有体二极管112，用于开关放电回路。与节点140和142相连的还有一个负载或一个电源130。

由于承载相同的电流，MOSFET 102和104需要满足一定的标准，如电流容量高，导通状态电阻(Ron)低。由于MOSFET 102和104须达到以上要求，串联结构100的成本甚高，难以承受。

另外，当MOSFET 104打开使充电回路工作时，MOSFET 102也要打开以减少功率损失。与之类似，放电回路工作时两个MOSFET也都要打开。由于MOSFET 102和MOSFET 104一直打开，插入阻抗为(Ron₂+Ron₃)，其中Ron₂为MOSFET 102的导通状态电阻，Ron₃为MOSFET 104的导通状态电阻。因此，阻抗相对较高，功率耗散较多。

当前技术图2为当前技术之另一连接结构200，为并联结构。功率较高时，通常使用此类结构。

并联结构200包括MOSFET 204和MOSFET 202，二者并联。MOSFET204含有体二极管214，用于开关充电回路。MOSFET 202含有体二极管212，用于开关放电回路。充电回路与放电回路彼此独立。

放电回路中，负载222连接至节点240和242。放电电流流过负载222和MOSFET 202。插入阻抗仅为MOSFET 202的导通状态电阻(Ron₂)。因此，放电回路的功率耗散较低。与之类似，充电回路中外部电源220连接至节点240和244，充电电流流过MOSFET 204。插入阻抗仅为MOSFET 204的导通状态电阻(Ron₃)。需要注意的是，充电电流和放电电流分别流过MOSFET 204和MOSFET 202。因此，MOSFET 204和202可以使用不同类型的MOSFET。举例来说，由于使用外部电源供电，电源在充电时不是主要的考虑因素，并联结构200中的MOSFET 204可以有较高的导通状态电阻，以节约成本。

然而，电源220可能失效。例如，图2所示的并联结构200中，节点240和244为输出端口，可能短接路，如当前技术图3a所示的电路201，或者二者可能插反，如当前技术图3b所示的电路203。两种情况下，电池210都会通过MOSFET 204中的体二极管214放电，即使MOSFET 204关闭也无济于事。也就是说，图3a和图3b所示的两种情况下，充电回路都无法完全断开。另外，由于图2中放电回路和充电回路彼此独立，充电电流和放电电流不能由一个回馈信号来检测，使得成本增加。

发明内容

本发明的主旨之一在于提供一种电路或方案，用于控制电池的充电和放电，其成本低、效率高，并具有保护功能。

为达到上述目标，本发明给出了一种串-并联混合结构用于控制电池的充电和放电。该电路包括一个第一MOSFET，用于控制电池放电，一个与电池和第一MOSFET串联的第二MOSFET，用于控制电池充电。第一和第二MOSFET各自都包含体二极管，第一MOSFET的第一体二极管和第二MOSFET的第二体二极管方向相反。还包括一个负载，一端连接至电池，另一端连接至第一和第二MOSFET之间的共同节点，使得第一MOSFET打开时电池可以给负载供电。该电路还包括一个电源，电源与第二开关串联，当第一和第二MOSFET都打开时，电源给电池供电。

附图说明

参考相应附图，其中类似数字表示类似部件，以下详细说明使得本发明之特性和优点显而易见。

当前技术图1为当前技术用于控制电池充电和放电的串联结构电路。

当前技术图2为当前技术用于控制电池充电和放电的并联结构电路。

当前技术图3a为图2结构失效的一种情况。

当前技术图3b为图2结构失效的另一种情况。

图4为使用本发明实施例的一种充电和放电电路。

图5a为使用本发明实施例的图4中电路的放电回路。

图5b为使用本发明实施例的图4中电路的充电回路。

[0021]图6为使用本发明实施例的一种充电和放电电路。

图7为使用本发明实施例的一种控制电池充电和放电的方案。

具体实施方式

以下将详细描述本发明，即一种电池充电/放电控制电路。本发明以下的描述将结合实施例进行，但本发明并不限于此中的实施例。相反，本发明应该包括后附权利要求所界定发明主旨以及发明范围内的所有变更、修改和等同物。

另外，以下说明中牵涉大量具体细节以便于理解。本领域技术人员应该理解，本发明在不使用这些细节的情况下仍可实现。另外一些情况下，熟知的方案、程序、元件和电路将不作详细描述，以凸现本发明之主旨。

图4为使用本发明实施例的一种用于电池310充电和放电控制的串—并联结构电路300。电路300包括一个电池和两个开关，即MOSFET302和304，二者串联。在一个实施例中，两个MOSFET都为N型，彼此通过共漏接法相连。

参见图4和图5b，在充电时，充电回路303工作，如图5b所示，电路300的电池310连接至电源320。参见图4和图5a，在放电时，放电回路301工作，如图5a所示，电池310连接至负载330。以下对充电回路和放电回路作详细描述。

本领域技术人员显然理解，MOSFET通常有一个固有寄生二极管，即漏和源之间形成的一个体二极管。对于N型MOSFET而言，其体二极管的阴极在漏上，阳极在源上。P型MOSFET则与之相反。如图4所示，MOSFET 304有一个体二极管314，MOSFET 302有一个体二极管312。

如图4和图5b所示，N型MOSFET 304用于开关充电回路303。如果MOSFET 304的栅电压为高于其源电压的一个阈值，MOSFET 304打开，充电回路工作。如果不是，则充电回路不工作。

与之类似，图4和图5a中MOSFET 302用于开关放电回路301。如果MOSFET 302的栅电压为高于其源电压的一个阈值，MOSFET 302打开，放电回路301工作。如果不是，则放电回路301不工作。

如图4所示，电路300还包括一个控制器350，控制器350连接至MOSFET302和304的栅极，用于开关MOSFET 302和304。具体来说，通过调整MOSFET302和304的栅电压，控制器350可以分别使得充电回路和放电回路工作或失效。

在本发明的一个实施例中，从MOSFET 302和304的一个公共节点可传输一个信号给控制器。该信号为电流检测信号，用于监测电路300的充电或放电过程，起过电流保护的作用。

图5a为电路300的放电回路301。如图所示，负载330连接在电路300的节点340和344。MOSFET 304作为放电回路301的一部分图中没有示出。MOSFET 302打开，使得放电电流从其漏极流至源极。本领域技术人员显然理解，放电回路中放电电流仅仅流过MOSFET 302。这样，插入阻抗仅为MOSFET302的导通状态电阻(Ron₂)。相对于当前技术图1的串联结构，300的放电功率损失较低。在此实施例中，可以获得较高的效率且发热较低。

图5b为电路300的充电回路303。如图所示，电源320连接在节点340和342之间。在充电回路303中，MOSFET 304打开，充电电流从其漏极流至源极。

另外，充电回路303中充电电流也流经MOSFET 302。为将电压损失降至最低，MOSFET 302也打开。如果充电回路303中MOSFET 302关闭，电流流经体二极管312，正向压降等于一个二极管的正向压降，通常为0.7伏。如果MOSFET 302打开，压降则降低至100毫伏以下。

在本发明的一个实施例中，充电回路303和放电回路301彼此独立工作。

在本发明的另一个实施例中，充电回路303和放电回路301可同时工作以提高效率。如图4所示，在同一时间，电源320和负载330分别连接在节点340与342之间、节点340与344之间。

图4之电路300能够处理充电回路或放电回路引起的电池异常放电，例如，当节点340与342短接或340和344短接时引起的短路放电或当电源320反相插入节点340和342时引起的反相充电即正向放电。在本发明的一个实施例中，以上两种情况下控制器350将关闭MOSFET 302和304。由于体二极管312和放电电流的方向相反，电池310无法通过MOSFET 302中的体二极管312放电。防止了电池310异常放电。

在本发明的一个实施例中，MOSFET 302可用作电路300的充电/放电电流感应器，如图4。具体来说，MOSFET 302和304能承载由控制器350预设大小的电流。如果电源320的输出电流太大，使得流经MOSFET 302的电流大过此预设电流值，或负载330太大使得流经MOSFET 302的电流大过此预设电流值，MOSFET 302和304就可能损坏。因此，需要一个充电/放电电流感应器(图中未示出)来起过电流保护作用。在本发明的一个实施例中，该充电/放电电流感应器存在于控制器350中。当控制器350判断由该感应器检测到的电流超过预设值时，控制器350就会关闭MOSFET 302和304以保护电路300。

具体来说，MOSFET 302在放电回路301和充电回路303中都打开，使得其导通状态电阻在两个回路中都存在。控制器检测流经MOSFET 302的充电电流和放电电流以监控整个电路300中的电流大小并控制MOSFET 302和304的开关。在充电回路303中，电流流经MOSFET 302。充电电流大小计算如方程(1)所示：

I＝V_DS/Ron (1)

在方程(1)中，V_DS为MOSFET 302的漏极和源极之间的压降。Ron为MOSFET302的导通状态电阻。在此实施例中，控制器350通过检测电压信号V_DS从而获得充电回路的电流值。

与之类似，在放电回路301中，电流也流经MOSFET 302，放电电流的值也可通过相同方法得到。

这样，MOSFET 302可用作放电回路301或充电回路303的电流检测电阻。在本发明的一个实施例中，在节点344获得一个电流检测信号。在此实施例中，省掉了电流检测电阻所需的成本。

多数情况下，放电电流大于充电电流。即使充电过程中充电电流流经MOSFET 302和304且功率损失相对较大，充电性能也尚可。电源320负责供电，包括给310充电和提供损失的功率。因此，在本发明的一个实施例中，MOSFET 304可以为一个较为便宜、中等电流强度的MOSFET，而MOSFET 302则为较为昂贵的、高电流强度、低导通电阻的MOSFET。图1所示传统的串联电路中，两个MOSFET承载相同的电流强度所以必须都为高标准的功率MOSFET，与之相比，该实施例中充电和放电电路的成本又得以降低。

图6所示电路400为本发明的另一实施例。电路400与图4所示电路300类似，其中类似部件采用类似数字标号。简便起见，此前在图3中已描述的此类部件，在此不再详细描述。

如图6所示，电路400包括两个P型MOSFET 402和404。需要注意的是，P型MOSFET中的体二极管的连接与N型MOSFET不同。其体二极管的阴极在MOSFET的源极，阳极在漏极，如图中MOSFET 402和404的两个体二极管412和414。

图6中电路400用于给电池410充电和放电，其包括两个开关，即P-MOSFET 402和404，两者串联。P-MOSFET 404用于开关电池410的充电回路。在充电过程中，电路400的电池410通过充电回路中的P-MOSFET 404和402连接至节点440和442，与电源420相连。

P-MOSFET 402用于开关电池410的放电回路。放电过程中，电池410通过节点440和444连接至负载430，并在放电回路中连接至P-MOSFET 402。在本发明的一个实施例中，充电和放电回路可同时工作以提高效率。

同前面的描述，当充电回路或放电回路异常放电，例如，电路400的节点440和442或440和444可能短接，或者电源420反相插入节点440和442时引起的异常放电，在本实施例的控制器450将关闭MOSFET 402。这样，由于体二极管412和放电电流的方向相反，电池410将无法通过MOSFET 402的体二极管412放电。从而防止了电池异常放电。

电路400还包括一个控制器450，该控制器连接到MOSFET 402和404的栅极来开关MOSFET 402和404，以起到开关电池410的充电和放电回路的作用。从MOSFET 402和404的一个公共节点传输一个信号给该控制器。在本发明的一个实施例中，该信号为电流检测信号，以用于监控电路400的充电和放电。

图7为使用本发明实施例的用于控制电池充电和放电的方案500。如图7所示，在步骤510中，一个第一MOSFET和一个第二MOSFET与电池串联。第一和第二MOSFET通过共漏连接方法相连。第一MOSFET用于控制放电回路，第二MOSFET用于控制充电回路。

步骤512中，连接一个控制器至第一和第二MOSFET的栅极上来控制第一和第二MOSFET的栅电压以执行放电和充电。以本发明的一个实施例为例，第一和第二MOSFET为N型MOSFET。如果第二MOSFET的栅电压为一个高于其源电压的阈值，则打开第二MOSFET，使充电回路工作。如果不是，则使充电回路不工作。与之类似，控制器通过控制第一MOSFET的栅电压使得放电回路工作或不工作。

步骤514中，控制器连接至电池和第一与第二MOSFET之间的共同节点来检测一个电流信号以保护电池避免过电流状态。控制器从第一MOSFET的漏极和源极之间得到压降信号，并根据压降信号和第一MOSFET的导通状态电阻计算流经第一MOSFET的电流大小。当计算所得电流大小大于控制器预先设定的电流值时，控制器将关闭第一和第二MOSFET以避免第一和第二MOSFET损坏。

步骤516中，连接一个负载至电池和第一与第二MOSFET之间的共同节点以形成放电回路，电池可以给负载供电。需要注意的是，在放电回路中，放电电流仅仅流经第一MOSFET。这样，插入阻抗仅为第一MOSFET的导通状态电阻。相比于当前技术使用的串联结构，本发明的一个实施例其放电损失较低。

步骤518中，控制器打开第一MOSFET，放电回路工作。电池给负载供电。或者，控制器关闭第一MOSFET，放电回路不工作。

步骤520中，电源与第一和第二MOSFET以及电池串联连接，形成充电回路，电源给电池供电。

步骤522中，控制器打开第二MOSFET，充电回路工作。电源给电池供电。为使电压损失降至最小，第一MOSFET也打开。在充电回路中，如果第一MOSFET关闭，电流流经第一MOSFET，第一MOSFET的正向压降等于一个二极管的正向压降，通常为0.7伏左右。如果充电回路中第一MOSFET打开，其正向压降就会降低至100毫伏以下。控制器关闭第一和第二MOSFET，使得充电回路不工作。另外，当电路失效时，例如电路短接，或电源反向插入，第一MOSFET的体二极管能够避免异常放电。在以上两种异常放电的情况下，由于体二极管的方向与放电电流方向相反，电池无法通过第一MOSFET的体二极管放电。从而避免了异常放电。

以上描述和附图仅为本发明之常见实施例，在不背离后附权利要求所界定的本发明精神和发明范围的前提下，可能存在多种增补、修改和替代物。本领域技术人员将发现，在本发明的实际应用中，根据具体环境和操作要求，可能在形式、结构、安排、比例、材料、要素和元件及其它诸多方面有所修改，而不背离本发明之原则。因此，在此公开之实施例应视为例证性而非限制性，本发明之范围由后附权利要求及其合法等同物界定，而不限于此前之描述。

Claims

1.一种用于电池充电和放电的电路，其特征在于，包括：

一个第一金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，其中包括一个第一体二极管，可连接至电池以控制其放电；

一个第二MOSFET，其中包括第二体二极管，可与第一MOSFET串联以控制所述电池的充电，第一MOSFET的第一体二极管与第二MOSFET的第二体二极管连接方向相反；

一个负载，连接至第一和第二MOSFET之间的共同节点，并可连接至上述电池，使得第一MOSFET打开时电池给该负载供电。

2.根据权利要求1所述之电路，其特征在于，还包括：

一个与第二MOSFET串联的电源，当第一和第二MOSFET都打开时该电源给上述电池供电。

3.根据权利要求1所述之电路，其特征在于，还包括：

一个控制器，连接至第一和第二MOSFET的栅极以控制第一和第二MOSFET的运行。

4.根据权利要求3所述之电路，其特征在于，所述控制器连接到上述共同节点以检测流经第一MOSFET的电流信号，起到过电流保护的作用。

5.根据权利要求4所述之电路，其特征在于，所述流经第一MOSFET的电流信号为充电电流。

6.根据权利要求4所述之电路，其特征在于，所述流经第一MOSFET的电流信号为放电电流。

7.根据权利要求1所述之电路，其特征在于，所述第一MOSFET包括一个固有体二极管，在连接至第二MOSFET用于给电池充电的回路或放电回路短路或电源反相插入充电回路时，该MOSFET及其固有体二极管能够防止异常放电即短路放电或反相充电。

8.一种用于给电池充电和放电的方法，其特征在于，包括：

将一个第一MOSFET与电池串联；

将一个第二MOSFET与第一MOSFET串联；

使用一个与第二MOSFET串联的电源通过第一和第二MOSFET给电池充电；

使用连接在第一第二MOSFET的一个公共节点和电池之间的一个负载通过第一MOSFET给电池放电。

9.根据权利要求8所述之方法，其特征在于，还包括：

将一个控制器连接至第一和第二MOSFET的栅极上，通过控制第一和第二MOSFET的栅电压使得放电或充电操作进行。

10.根据权利要求9所述之方法，其特征在于，还包括：

将所述控制器连接至第一和第二MOSFET之间的共同节点以检测流经第一MOSFET的电流信号，起到过电流保护的作用。

11.根据权利要求10所述之方法，其特征在于，所述检测电流信号包括：

检测第一MOSFET的漏极和源极之间的压降信号；

通过该压降信号和第一MOSFET的导通状态电阻来判断流经第一MOSFET的电流大小；

如果该电流信号大于预设电流值，则关闭第一和第二MOSFET。

12.根据权利要求8所述之方法，其特征在于，所述给电池充电包括：

打开第二MOSFET。

13.根据权利要求12所述之方法，其特征在于，还包括：

打开第一MOSFET以减小电压损失。

14.根据权利要求13所述之方法，其特征在于，还包括：

使用第一MOSFET及其固有的体二极管来防止异常放电，该固有体二极管与第二MOSFET内的固有体二极管反向相连。

15.根据权利要求8所述之方法，其特征在于，所述给电池充电还包括：

关闭第一和第二MOSFET以终止充电。

16.根据权利要求8所述之方法，其特征在于，所述放电包括：

打开第一MOSFET；

关闭第一MOSFET。

17.一种用于给电池充电和放电的电路，其特征在于，包括：

一个充电回路，用于电源给所述电池充电，该充电回路包括：

一个连接至所述电池的第一开关；

一个与所述电源和第一开关串联的第二开关，用于控制该充电回路；

一个放电回路，用于电池给负载供电，该负载与电池和第一开关串联，该第一开关用于控制放电回路。

18.根据权利要求17所述之电路，其特征在于，还包括：

一个连接至第一和第二MOSFET的栅极的控制器，用于控制第一和第二MOSFET的栅电压以控制充电和放电回路。

19.根据权利要求18所述之电路，其特征在于，所述控制器连接至第一和第二MOSFET的一个共同节点以检测流经第一MOSFET的电流信号，对充电和放电回路起到过电流保护的作用。

20.根据权利要求17所述之电路，其特征在于，所述第一开关包括一个固有体二极管，当连接至第二开关用于给电池充电的回路或放电回路短路或电源反相插入充电回路时，该MOSFET及其固有体二极管可以防止异常放电即短路放电和反相充电。