CN201022151Y - 自休眠控制电路及电池系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种自休眠控制电路，包括保护IC、第二可控开关电路、休眠使能电路和休眠唤醒电路，休眠使能电路包括第一可控开关电路和休眠检测端，休眠唤醒电路包括微分电路和第三可控开关电路，休眠检测端耦合到电池包的正极和第一可控开关电路的栅极，第一可控开关电路的源漏极接电池电芯电压和微分电路，第一可控开关电路和微分电路的连接点接保护IC的VC脚，第三可控开关电路的栅极接微分电路，源漏接保护IC的VM脚和地，保护IC的VCC脚接电池包的正极，保护IC的DO脚接第二可控开关电路的栅极，第二可控开关电路的源漏极串接在电池包的正极和输出正端子之间或串接在电池包的负极和输出负端子之间。

Description

自休眠控制电路及电池系统

【技术领域】

本实用新型涉及自休眠控制电路，尤其涉及一种控制电池包进行休眠和唤醒的自休眠控制电路及带该自休眠控制电路的电池系统。

【背景技术】

随着电子技术的迅猛发展和电子器件加工制作成本的降低，诸如MP4、数码相机、数码摄相机、笔记本电脑、电动车、电动工具等一类便携式电子产品越来越多的进入了平常百姓生活，人们对这些产品的认识和要求也越来越高。由于这些产品所采用的电池普遍都需要较高的输出电压，如果直接采用单节电池升压的办法得到高电压，就会因为增加电路复杂度，同时导致成本升高，这是当前成本压力很大的情况下是不为设计制造者所能接受的。因此通常通过串联多个电芯的方法来获得高电压。

由于电芯本身的特性，多串电池在使用中通常需要增加过充、过放、过流和短路保护对每个电芯进行相应的保护，以达到提高安全性保护使用者的目的。业界目前一般的做法都是采用保护IC或者带模数转换电路(ADC)的微处理器(MCU)来检测各节电芯过充、过放、过流和短路保护的条件并实施相应的各项保护。这些传统的设计方法使电池包的正负极直接对外开放，这对于一些特殊场合是非常危险的，诸如加油站，采矿，炼油，石化等对电池安全有特殊要求的场合，电池包的正负极的意外短路引起火花就可能造成相当严重的后果。同时，这样的电池包在正常电压的情况下整个线路功耗也相对较大。在电池包长期储存和运输过程中，如此大的功耗和电芯自耗电的存在很可能引起电池包电池容量大幅降低或者电池电压过低，甚至会出现因为电池电压过低而造成的电池包充不进电而报废的情况，这在多节电池包的应用中尤为明显和重要。

【发明内容】

本实用新型为解决一直捆扰设计制造者和广大使用者的电池安全性和使用时间短的问题，提出一种自休眠控制电路，在电池包不接入被供电系统时，使电池包进入休眠状态，在接入被供电系统时，将电池包唤醒，使电池包处于正常供电状态。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种自休眠控制电路，包括：保护IC、第二可控开关电路、休眠使能电路和休眠唤醒电路，所述休眠使能电路包括第一可控开关电路和休眠检测端，所述休眠唤醒电路包括微分电路和第三可控开关电路，所述休眠检测端用于分别耦合到电池包的正极和第一可控开关电路的控制级，所述第一可控开关电路的两个主电流导通级分别用于接电池电芯电压和微分电路，所述第一可控开关电路和微分电路的连接点耦合到保护IC的VC脚，所述第三可控开关电路的控制级和微分电路相连，其两个主电流导通级分别连接保护IC的VM脚和地，所述保护IC的VCC脚用于耦合到电池包的正极，所述保护IC的DO脚耦合到第二可控开关电路的控制级，所述第二可控开关电路的两个主电流导通级用于串接在电池包的正极和输出正端子之间或串接在电池包的负极和输出负端子之间。

所述休眠使能电路还进一步包括休眠触发端，所述休眠触发端的一端耦合到地，另一端用于在需要控制电池包休眠唤醒时连接休眠检测端、在需要控制电池包休眠时与休眠检测端断开。

其中，所述第一可控开关电路可以为PMOS，所述PMOS的栅极耦合到休眠检测端，源极耦合到电池电芯电压，漏极分别耦合到微分电路和保护IC的VC脚。

所述休眠使能电路还进一步包括高压保护电路，所述高压保护电路包括第一电阻和稳压二极管，所述第一电阻串接在第一可控开关电路的漏极和地之间，所述稳压二极管的阳极接地，阴极耦合到第一可控开关电路的栅极。

所述第三可控开关电路为NMOS，所述微分电路包括串联的电容和第二电阻，所述电容的另一端耦合到第一可控开关电路，所述第二电阻的另一端接地，所述NMOS的栅极耦合到电容和第二电阻的连接点，其源极耦合到地，漏极分别耦合到保护IC的VM脚和输出负端子。

所述第二可控开关电路为两个对接的NMOS。

为实现上述目的，本实用新型还提供具有自休眠控制的电池系统，包括电池包，用于保护电池包中的各节电池过充、过放、过流和短路的保护IC，和第二可控开关电路，还包括休眠使能电路和休眠唤醒电路，所述休眠使能电路包括第一可控开关电路和休眠检测端，所述休眠唤醒电路包括微分电路和第三可控开关电路，所述休眠检测端用于分别耦合到电池包的正极和第一可控开关电路的控制级，所述第一可控开关电路的两个主电流导通级分别用于接电池电芯电压和微分电路，所述第一可控开关电路和微分电路的连接点耦合到保护IC的VC脚，所述第三可控开关电路的控制级和微分电路相连，其两个主电流导通级分别连接保护IC的VM脚和地，所述保护IC的VCC脚用于耦合到电池包的正极，所述保护IC的DO脚耦合到第二可控开关电路的控制级，所述第二可控开关电路的两个主电流导通级用于串接在电池包的正极和输出正端子之间或串接在电池包的负极和输出负端子之间。

所述休眠使能电路还进一步包括休眠触发端，所述休眠触发端的一端耦合到地，另一端用于在需要控制电池包休眠唤醒时连接休眠检测端、在需要控制电池包休眠时与休眠检测端断开。

还进一步包括用于连接被供电设备的第二连接器和与第二连接器配合的第一连接器，所述休眠检测端和休眠触发端分别连接第一连接器的两个脚，所述第二连接器的与第一连接器的休眠检测端和休眠触发端对应的两个脚短接。

其中，所述第一可控开关电路为PMOS，所述休眠使能电路还包括高压保护电路，所述第三可控开关电路为NMOS，所述微分电路包括串联的电容和第二电阻；所述第一可控开关电路的栅极耦合到休眠检测端，源极耦合到电池电芯电压，漏极分别耦合到电容的另一端和保护IC的VC脚；所述高压保护电路包括第一电阻和稳压二极管，所述第一电阻串接在第一可控开关电路的漏极和地之间，所述稳压二极管的阳极接地，阴极耦合到第一可控开关电路的栅极；所述第二电阻的另一端接地，所述第三可控开关电路的栅极耦合到电容和第二电阻的连接点，其源极耦合到地，漏极分别耦合到保护IC的VM脚和输出负端子。

本实用新型的有益效果是：本实用新型当休眠使能电路检测到电池包在系统外(即休眠检测端为高电平)时禁止对外放电，并且自动进入休眠省电状态；休眠唤醒电路检测到电池包接入系统(即休眠检测端接地)后，又能使已休眠的电池自动休眠唤醒，重新具备正常电池包的各种功能。从而能使多节电池包在长期储存和运输过程中自休眠，整个电路耗电变得很小，从而能增加储存时间和延长使用寿命。与此同时，该保护电路因为处于休眠状态，这样就使得电池包在系统外时禁止对外放电，在接入系统时又能自动恢复放电功能，从而提高了电池包的安全性。

本实用新型的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

【附图说明】

图1是本实用新型一种实施例的电路结构图；

图2是本实用新型另一种实施例的第二连接器和第一连接器的电路结构图；

图3是本实用新型的第一可控开关电路连接电芯电压的另一种实施例电路图。

【具体实施方式】

本实用新型的自休眠控制电路的一种实施例如图1所示，包括保护IC、第二可控开关电路Q2、休眠使能电路3和休眠唤醒电路1，所述休眠使能电路3包括第一可控开关电路Q1和休眠检测端SYS，还可以进一步包括休眠触发端ID，所述休眠唤醒电路1包括微分电路2和第三可控开关电路Q3。所述休眠检测端SYS用于分别耦合到电池包的正极B1+和第一可控开关电路Q1的控制级，所述休眠触发端ID的一端耦合到地，另一端用于在需要控制电池包休眠唤醒时连接休眠检测端SYS、在需要控制电池包休眠时与休眠检测端SYS断开。所述第一可控开关电路Q1的两个主电流导通级分别用于接电池电芯电压(即一节电池的电压)B2+和微分电路2，所述第一可控开关电路Q1和微分电路2的连接点B2耦合到保护IC的VC脚，所述第三可控开关电路Q3的控制级和微分电路2相连，其两个主电流导通级分别连接保护IC的VM脚和地，所述保护IC的VCC脚用于耦合到电池包的正极B1+，所述保护IC的DO脚耦合到第二可控开关电路Q2的控制级，所述第二可控开关电路Q2的两个主电流导通级用于串接在电池包的正极B1+和输出正端子P+之间或串接在电池包的负极B-和输出负端子P-之间。

所述第一可控开关电路Q1可以采用MOS管或三极管，当第一可控开关电路Q1采用MOS管时，其控制级是指MOS管的栅极，两个主电流导通级指MOS管的源极和漏极。当第一可控开关电路Q1采用三极管时，其控制级是指三极管的基极，两个主电流导通级指三极管的集电极和发射极。在图1中，第一可控开关电路Q1为PMOS，PMOS的栅极耦合到休眠检测端SYS，源极耦合到电池电芯电压B2+，漏极分别耦合到微分电路2和保护IC的VC脚。本领域技术人员可以理解，只要将第一可控开关电路Q1的连接方式或触发方式进行一下变通，第一可控开关电路Q1也可以采用NMOS，将与第一可控开关电路Q1相关的电路进行一下变通，第一可控开关电路Q1也可以采用三极管。

所述第三可控开关电路Q3可以为NMOS，所述微分电路2包括串联的电容C6和第二电阻R7，所述电容C6的另一端耦合到第一可控开关电路Q1，所述第二电阻R7的另一端接地，所述NMOS的栅极耦合到电容C6和第二电阻R7的连接点，其源极耦合到地，漏极分别耦合到保护IC的VM脚和输出负端子P-。

所述第二可控开关电路Q2可以采用两个对接的NMOS组成。

保护IC可根据需要的控制功能写入程序实现，也可以采用现有的作为电池包的防止各节电池过充、过放、过流和短路的保护IC，例如SEIKO公司的型号为S-8232的保护IC、MITSUMI公司的型号为MM1412的保护IC。

通过检测休眠检测端SYS对地电压的高低来开启和关闭休眠使能电路3和休眠唤醒电路1。休眠检测端SYS对地电压的高低则又是通过检测用电器内部接口休眠检测端SYS是否与休眠触发端ID短路来实现。当将休眠检测端SYS悬空时，其因内部电阻R6上拉为高电平，第一可控开关电路MOS管Q1检测这个高电位加在其栅极上就会关断第一可控开关电路Q1来切断对应检测端的电压输出B2，使其被下拉为0伏，这个情况就会被保护IC U1的VC脚检测到，保护IC U1认为电池包里面有一个电芯电压很低，达到了过放保护状态，它会将VM脚的电压拉高到电池电压，同时拉低DO脚的输出从而关闭第二可控开关电路Q2，并自动进入了休眠状态，这样就减小了其在系统外的功耗，同时也提高了安全性。同样的，休眠检测端SYS直接接高时也会出现以上情况。

当将休眠检测端SYS接地(例如与休眠触发端ID短路)时，经过电阻分压后的电压变的很小，它加在MOS管Q1的栅极上使得MOS管Q1开启，Q1的源漏极导通，使得B2电压瞬间由0变为电芯电压B2+，这样保护IC的VC脚就检测到正常的电芯电压。同时休眠唤醒电路检测到B2上电压的瞬时上升，由RC微分电路的特性可知，它会在Q3的栅极瞬时产生一个正脉冲，这个正脉冲电压较高以至高于了MOS管Q3的导通电压使其打开，Q3导通后保护IC的VM脚接地，同时又由于流入流出VM脚的电流很小，即电阻R4上的电压很小，所以IC的VM脚电压下降，当VM脚电压低于电池电压某设定值时，保护IC的DO脚电平会由低变高，控制第二可控开关电路Q2导通，解除休眠。

所述休眠使能电路3还可以进一步包括高压保护电路，所述高压保护电路包括第一电阻R5和稳压二极管ZD1，所述第一电阻R5串接在第一可控开关电路Q1的漏极和地之间，所述稳压二极管ZD1的阳极接地，阴极耦合到第一可控开关电路Q1的栅极。高压保护电路主要防止人为或者其他原因导致ESD出现高压击穿MOS管Q1。

上述自休眠控制电路可直接设计在电池系统中，该电池系统包括电池包，用于保护电池包中的各节电池过充、过放、过流和短路的保护IC，和第二可控开关电路Q2，所述第二可控开关电路Q2的串接在电池包的正极B1+和输出正端子P+之间或串接在电池包的负极B-和输出负端子P-之间，所述保护IC的DO脚耦合到第二可控开关电路Q2的控制级，通过控制第二可控开关电路Q2的导通和断开从而实现电池包和输出正、负端子之间的连接和断开。在此基础上增加休眠使能电路3和休眠唤醒电路1，所述休眠使能电路3和休眠唤醒电路1和上述实施例相同。

为了方便控制电池在脱离被供电设备时休眠和在接入被供电设备时唤醒，设计相配合的第二连接器和第一连接器，即插座和插头，如图2所示，将休眠检测端SYS和休眠触发端ID分别连接第一连接器J1的两个脚，所述第二连接器J2的与第一连接器J1的休眠检测端SYS和休眠触发端ID对应的两个脚短接。第二连接器J2与被供电设备连接并可固定在被供电设备上，第一连接器J1固定在电池系统上，当第一连接器J1插入第二连接器J2时，休眠检测端SYS和休眠触发端ID短接，休眠检测端SYS为低电平。当第一连接器J1从第二连接器J2中拔出时，休眠检测端SYS和休眠触发端ID断开，休眠检测端SYS悬空，检测端SYS为高电平。

上述实施例中，电池包可以是2串或2串以上的电池，图1中是以两节串联的电池为例进行说明，第一可控开关电路Q1的源级接两节电池的中间即可引入电芯电压，当电池包是2串以上的电池时，第一可控开关电路Q1的源级可采用如图3所示的连接引入电芯电压。图中Bn+1、Bn分别为第n+1和n节电芯电压的正极，On+1为输出到n+1电压检测端的电压。其余的电压检测端都通过一个电阻直接连接到各自电芯的正极。

以下为电路参数设置说明：

一、选择分压电阻的电阻值：

根据上述原理分析休眠使能和休眠唤醒电路的动作主要是靠P沟道MOS管Q1的导通和关闭来动作的，而MOS管Q1的开关控制又是根据检测休眠检测端SYS是否与休眠触发端短接来动作的。

如图1所示，当检测休眠检测端SYS悬空，没有与休眠触发端短接或者休眠检测端接高时，MOS管Q1应该处于关断状态，电阻R6两端电压即Q1的GS(栅源极)电压差应该高于MOS管Q1的开启电压VGS(th)，因为稳压二极管ZD1的反向漏电流IR的存在，电阻R6两端电压的电压-R6*IR，这就有：

-R6*IR＞VGS(th)，即R6＜-VGS(th)/IR------------①

另外，当检测休眠检测端SYS与休眠触发端短接时，MOS管Q1应该处于开启状态，电阻R6两端电压即Q1的GS(栅源极)电压差应该低于MOS管Q1的导通电压VGS(th)，电阻R6两端电压经过电阻R6，R8和R9对两节电芯电压的和(Vcell1+Vcell2)的分压获得，其应为-(Vcell1+Vcell2)*R6/(R8+R9)。根据MOS导通的条件有：

-(Vcell1+Vcell2)*R6/(R8+R9)＜VGS(th)，

即R6＞-VGS(th)*(R8+R9)/(Vcell1+Vcell2)----②

结合以上条件①和MOS管Q1以及稳压二极管ZD1的性能参数，先选取R6的阻值。为减小功耗要求R6尽量取大一些。再根据条件②适当选取电阻R8和R9的阻值，同样出于功耗考虑，也要求R8和R9阻值尽量大。

二、微分电路电阻和电容值的选择

微分电路电阻R7，电容C6的取值大小，对于是否能休眠唤醒相当重要，因为如果微分电路产生正脉冲的脉冲时间太短导致N沟道MOS管Q3栅源极因为寄生电容效应来不及打开Q3就恢复到低电平，这样VM端电压一直保持不变，保护IC就不会从休眠模式回到正常模式。因此微分电路的时间常数t＝R7*C6一定要足够大使Q3在脉冲期间能正常打开Q3，具体取值可以根据Q3的栅源极间寄生电容参数调整。

采用此电路的电池包在系统外可以自动进入休眠状态，使线路耗电由一般的几十微安减小到几微安，这样可以大大减小内部线路的耗电。由于电路在系统外休眠自耗电小的特性，它可以大大增加电池储存和使用时间，尤其是对电池长时间储存有很大好处，因此采用此电路可以从一定程度上避免因长时间储存电芯自放电和电路耗电引起电池容量大幅降低或者使电池电压过低、甚至会出现因为电池电压过低而造成的电池包充不进电而报废的情况，这在多节电池包的应用中尤为明显和重要。同时，由于在系统外它不能对外放电，即使直接短路电池包正负极也不会出现电火花的现象，从而大大提高了电池的安全性，这非常适用于诸如加油站，采矿，炼油，石化等对电池安全有特殊要求的场合，从一定程度上能扩大电池产品的应用范围。最后，由于这一电路的特殊性，电池包不会被不了解其机制的人随意拿去做其他用处，这样减少了电池因乱用而引起的安全问题的几率，保证了电池包较高的安全性和可靠性。

Claims (10)

1.一种自休眠控制电路，其特征在于包括：保护IC、第二可控开关电路(Q2)、休眠使能电路(3)和休眠唤醒电路(1)，所述休眠使能电路(3)包括第一可控开关电路(Q1)和休眠检测端(SYS)，所述休眠唤醒电路(1)包括微分电路(2)和第三可控开关电路(Q3)，所述休眠检测端(SYS)用于分别耦合到电池包的正极(B1+)和第一可控开关电路(Q1)的控制级，所述第一可控开关电路(Q1)的两个主电流导通级分别用于接电池电芯电压(B2+)和微分电路(2)，所述第一可控开关电路(Q1)和微分电路(2)的连接点(B2)耦合到保护IC的VC脚，所述第三可控开关电路(Q3)的控制级和微分电路(2)相连，其两个主电流导通级分别连接保护IC的VM脚和地，所述保护IC的VCC脚用于耦合到电池包的正极(B1+)，所述保护IC的DO脚耦合到第二可控开关电路(Q2)的控制级，所述第二可控开关电路(Q2)的两个主电流导通级用于串接在电池包的正极(B1+)和输出正端子(P+)之间或串接在电池包的负极(B-)和输出负端子(P-)之间。

2.如权利要求1所述的自休眠控制电路，其特征在于：所述休眠使能电路(3)还包括休眠触发端(ID)，所述休眠触发端(ID)的一端耦合到地，另一端用于在需要控制电池包休眠唤醒时连接休眠检测端(SYS)、在需要控制电池包休眠时与休眠检测端(SYS)断开。

3.如权利要求2所述的自休眠控制电路，其特征在于：所述第一可控开关电路(Q1)为PMOS，所述PMOS的栅极耦合到休眠检测端(SYS)，源极耦合到电池电芯电压(B2+)，漏极分别耦合到微分电路(2)和保护IC的VC脚。

4.如权利要求3所述的自休眠控制电路，其特征在于：所述休眠使能电路(3)还包括高压保护电路，所述高压保护电路包括第一电阻(R5)和稳压二极管(ZD1)，所述第一电阻(R5)串接在第一可控开关电路(Q1)的漏极和地之间，所述稳压二极管(ZD1)的阳极接地，阴极耦合到第一可控开关电路(Q1)的栅极。

5.如权利要求1至4中任一项所述的自休眠控制电路，其特征在于：所述第三可控开关电路(Q3)为NMOS，所述微分电路(2)包括串联的电容(C6)和第二电阻(R7)，所述电容(C6)的另一端耦合到第一可控开关电路(Q1)，所述第二电阻(R7)的另一端接地，所述NMOS的栅极耦合到电容(C6)和第二电阻(R7)的连接点，其源极耦合到地，漏极分别耦合到保护IC的VM脚和输出负端子(P-)。

6.如权利要求5所述的自休眠控制电路，其特征在于：所述第二可控开关电路(Q2)为两个对接的NMOS。

7.具有自休眠控制的电池系统，包括电池包，用于保护电池包中的各节电池过充、过放、过流和短路的保护IC，和第二可控开关电路(Q2)，其特征在于：还包括休眠使能电路(3)和休眠唤醒电路(1)，所述休眠使能电路(3)包括第一可控开关电路(Q1)和休眠检测端(SYS)，所述休眠唤醒电路(1)包括微分电路(2)和第三可控开关电路(Q3)，所述休眠检测端(SYS)用于分别耦合到电池包的正极(B1+)和第一可控开关电路(Q1)的控制级，所述第一可控开关电路(Q1)的两个主电流导通级分别用于接电池电芯电压(B2+)和微分电路(2)，所述第一可控开关电路(Q1)和微分电路(2)的连接点(B2)耦合到保护IC的VC脚，所述第三可控开关电路(Q3)的控制级和微分电路(2)相连，其两个主电流导通级分别连接保护IC的VM脚和地，所述保护IC的VCC脚用于耦合到电池包的正极(B1+)，所述保护IC的DO脚耦合到第二可控开关电路(Q2)的控制级，所述第二可控开关电路(Q2)的两个主电流导通级用于串接在电池包的正极(B1+)和输出正端子(P+)之间或串接在电池包的负极(B-)和输出负端子(P-)之间。

8.如权利要求7所述的电池系统，其特征在于：所述休眠使能电路(3)还包括休眠触发端(ID)，所述休眠触发端(ID)的一端耦合到地，另一端用于在需要控制电池包休眠唤醒时连接休眠检测端(SYS)、在需要控制电池包休眠时与休眠检测端(SYS)断开。

9.如权利要求8所述的电池系统，其特征在于：还包括用于连接被供电设备的第二连接器(J2)和与第二连接器(J2)配合的第一连接器(J1)，所述休眠检测端(SYS)和休眠触发端(ID)分别连接第一连接器(J1)的两个脚，所述第二连接器(J2)的与第一连接器(J1)的休眠检测端(SYS)和休眠触发端(ID)对应的两个脚短接。

10.如权利要求9所述的电池系统，其特征在于：所述第一可控开关电路(Q1)为PMOS，所述休眠使能电路(3)还包括高压保护电路，所述第三可控开关电路(Q3)为NMOS，所述微分电路(2)包括串联的电容(C6)和第二电阻(R7)；所述第一可控开关电路(Q1)的栅极耦合到休眠检测端(SYS)，源极耦合到电池电芯电压(B2+)，漏极分别耦合到电容(C6)的另一端和保护IC的VC脚；所述高压保护电路包括第一电阻(R5)和稳压二极管(ZD1)，所述第一电阻(R5)串接在第一可控开关电路(Q1)的漏极和地之间，所述稳压二极管(ZD1)的阳极接地，阴极耦合到第一可控开关电路(Q1)的栅极；所述第二电阻(R7)的另一端接地，所述第三可控开关电路(Q3)的栅极耦合到电容(C6)和第二电阻(R7)的连接点，其源极耦合到地，漏极分别耦合到保护IC的VM脚和输出负端子(P-)。

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