CN204030643U - 用于电池管理和保护的系统及设备 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种用于电池管理和保护的系统及设备。电池保护电路可包括电源半导体开关和控制集成电路(IC)。所述电池保护电路可用来调节电池的充电和/或放电，并进一步基于所述保护IC的保护跳闸点(例如过流检测点)来防止所述电池在安全工作区域之外运行。所述保护IC可用来校准保护跳闸点，以补偿所述电源半导体开关的导通电阻(RSSon)的工艺和温度变化。
Description
技术领域
本申请涉及电池管理系统，具体涉及包括保护集成电路(IC)的电池保护电路，所述保护集成电路(IC)被配置成可校准保护跳闸点以补偿电池保护电路的电源半导体开关的导通电阻的工艺和温度变化。
背景技术
存在多种电池监测系统。例如，电池管理系统可用来管理电池(单电池或电池组)，例如通过如下方式进行管理：监控电池状态、计算和报告辅助数据、保护电池、控制电池的环境和/或平衡电池的充电/放电。一些电池管理系统可以监测由各种参数表示的电池状态，包括但不限于电压(例如总电压、周期性抽头的电压或各个单元的电压)、温度(例如平均温度、冷却进气温度、冷却出气温度或各个单元的温度)、充电状态(SOC)或放电深度(DOD)，从而指示电池的充电电平以及流入和/或流出电池的电流。
一些电池管理系统包括用来防止电池在预定安全工作范围之外运行的保护机制。电池保护机制变得越来越重要，在技术进步以及许多日常消费品依赖于可充电电池(例如锂离子电池)供电时尤为如此。如果锂离子电池(例如)过充电，可能会发生强烈的放热反应，导致起火的可能性增大，使用户面临危险状况。
实用新型内容
本实用新型提供一种用于电池管理和保护的系统，该系统包括：电源；以及保护该电源的保护电路，该保护电路基于该保护电路中元件的工作特性来进行校准。
本实用新型提供一种用于电池管理和保护的设备，该设备包括：电源半导 体开关；以及用于至少基于保护跳闸点来控制该电源半导体开关的保护集成电路，该保护集成电路基于该电源半导体开关的工作特性来进行校准。
附图说明
从下面对与要求保护的主题相符的实施例的详细描述中，要求保护的主题的特征和优点将变得清楚，应该参照附图来理解这些详细描述，其中：
图1示出了常规电池保护电路图；
图2A-2D示出了常规电池保护电路图的实施例；
图3示出了与本实用新型相符的示例性电池保护电路图；
图4示出了根据一个实施例的示例性多芯片模块(MCM)的透视图，其包括图3中的电池保护电路的保护集成电路(IC)和电源半导体开关；
图5和6示出了图4的MCM的多个部分的不同视图；
图7示出了图3的电池保护电路的示例性保护IC的引脚；
图8示出了图4的MCM的示例性封装引脚。
图9示出了与本实用新型相符的电池保护电路的可选配置；
图10示出了根据一个实施例的示例性MCM的示例性透视图，其包括图9中的电池保护电路的保护IC和电源半导体开关；
图11示出了与本实用新型相符的保护IC的示例性芯片配置；
图12示出了图9的电池保护电路的示例性保护IC引脚；以及
图13示出了与本实用新型相符的电池管理和保护系统的示例性操作。
虽然下面的具体实施方式将参照实例性实施例进行，但是这些实施例的多个替代形式、修改形式和变型对于本领域技术人员来说将是清楚的。
具体实施方式
总体来说，本实用新型涉及电池保护电路，该电池保护电路包括电源半导体开关和电源集成电路(IC)的集成。所述电池保护电路用来调节电池的充电和/或放电，并进一步基于(至少部分地基于)保护IC的保护跳闸点(例如过流检测点)防止电池工作在安全工作区域外。
所述保护IC可用来校准保护跳闸点，以补偿电源半导体开关的源到源导通电阻(RSSon)的工艺和温度变化。电源半导体开关可以包含(例如)双n沟道金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFE)，其包括两个耦接的MOSFET开关，其中保护IC用来控制MOSFET开关从而控制流入和/或流出电池的电流。可以用每个MOSFET开关的RSSon来设计所述保护IC，因为可基于每个MOSFET的实际RSSon对保护跳闸点进行校准(例如通过微调技术)。电池保护电路可用来提供过放电电压保护、过充电电压保护、过放电电流保护、过充电电流保护和短路保护中的至少一者。
如本文更详细地描述的那样，基于每个MOSFET的实际RSS来校准保护跳闸点导致电池充电和/或放电过程中检测电流时的准确性提高，从而导致电池效率和性能提高，例如移动设备的通话时间增长。作为另外的有益效果，与目前通用的电池保护机制相比，与本实用新型相符的电池保护电路可以在尺寸上减小，如本文更详细地描述的那样。
图1示出了常规电池保护电路100。如图所示，电池保护电路100可以包括(除了其他元件以外)含有两个MOSFET开关106(a)、106(b)的双n沟道MOSFET104和保护IC102。在所公开的电路中，除非控制IC102允许，MOSFET106(b)可以防止电流流入电池(例如，接于保护IC102的充电输出(CO))，而MOSFET106(a)可以防止电流流出电池(例如，接于保护IC102的放电输出(DO))。
图2A-2D示出了常规电池保护电路的其他实施例；如图2A所示，电池保护电路200a公开了一种保护电池的分立方法，而图2B的电池保护电路200b通过加入传感电阻器R来提高这种分立的方法。图2C的电池保护电路200c公开了一种MCM方法(例如，其中分立元件(例如MOSFET)包含在单片封装中)，并且图2D的电路200d将MCM方法与外部传感电阻器R相结合。然而，电池保护电路200a-200d各自都存在缺点。例如，电路200a和200c中示出的分立方法通常由于(例如)分立元件的不可预测的实际特性而表现出较差的保护跳闸点准确性。虽然在电路200b和200d中加入传感电阻器R可以改善保护断路的准确性，但加入传感电阻器R也会增加成本，增加制造所需的空间，而且还可能引起总体功率损耗。
一般来讲，使用分立MOSFET开关的客户对于传感电阻器R引起的功率损耗几乎没有或毫无容忍度。此外，该行业由不同的IC供应商和MOSFET供应商提供服务，使得几乎没有(即使有也极少)积极性来解决目前的电池保护电路的准确性不足问题。随着电子设备(例如平板电脑和智能电话)越来越高 的功率需求，对于与保护准确性相关联的损耗的容忍度越来越低。电池供电的移动电子设备的目前趋势是，要求更高的放电和充电电流(例如最高至5A～8A)，这部分地是由于多核系统和针对此类设备的快速充电需求引起的。此外，移动电子设备(例如轻薄的平板电脑和智能手机)在尺寸上更小，因此需要更小的元件，可容纳更少元件等，使得减少元件数量和/或尺寸的集成解决方案变得有价值。。
图3示出了与本实用新型相符的电池保护电路300。如图所示，电路300可以至少包括保护IC 302和包含两个MOSFET开关306(a)和306(b)的双n沟道MOSFET 304。如前所述，电池保护电路300可用来调节电池的充电和/或放电，并进一步基于(至少部分地基于)保护IC 302的保护跳闸点(例如过流检测点)防止电池工作在安全工作区域外。保护IC 302可用来控制MOSFET开关306(a)和306(b)，从而控制流入和/或流出电池的电流。
为清楚起见，现就图3的电路图中示出的连接件(例如引脚)进行说明。VDD表示连接于正电源输入以向保护IC 302供电的连接引脚。VSS用作保护IC 302的参考点，并且可以连接于电池的负端子。VDT表示用于检测过流和/或是否存在电池充电器的引脚。P+是电池组的正端子，P-是电池组的负端子。GDCH是栅极驱动器引脚，用于控制放电MOSFET306(a)，SDCH可以连接到放电MOSFET306(a)的源极。GCHG是栅极驱动器引脚，用于控制充电MOSFET306(b)，SDCG可以连接到充电MOSFET306(b)的源极。T1和T2表示可用于校准保护IC 302的保护跳闸点的测试引脚。例如，T1和T2跳闸点可以接入到保护IC 302，从而可以相对于任何MOSFET开关306(a)和306(b)的RSSon对跳闸点进行编程(例如，由工厂、原始设备制造商(OEM)或其他方)。
保护IC 302可被配置为包括可进行校准以补偿MOSFET开关306(a)和306(b)的RSSon中的工艺和温度变化的保护跳闸点。在实施过程中，MOSFET开关306(a)和306(b)可包括整个工艺和温度中的显著RSSon变化。与本实用新型相一致，可以基于与MOSFET开关306(a)和306(b)中的至少一个相对应的已测量RSSon来设计保护IC 302，其中可对保护跳闸点进行校准(例如，使用微调技术，其中可基于实际RSSon在保护IC 302中对保护跳闸点进行调整)。该校准允许保护IC 302基于工艺和/或温度变化所引起的MOSFETS 306(a)和306(b)工作特性定制其控制，从而提高保护准确性。
保护IC 302校准保护跳闸点来补偿至少RSSon变化的能力使电池保护电路300能够提供增进的保护准确性，这在常规保护电路中是无法实现的。例如，最初可以将过流保护跳闸点设置为2A，使得任何流经IC的大于2A的电流都 导致保护IC 302关闭一个或两个MOSFET开关306(a)和306(b)，从而断开流入和/或流出电池的电流。
为使保护IC 302断路，IC通常需要基于电阻来测量MOSFET开关对两端的电压降。在一个例子中，25℃(摄氏度)时的MOSFET开关306(a)和306(b)可具有10mohm的RSSon。为使保护IC 302在2A时断路，保护IC 302的保护跳闸点可能需要预设为20mV(例如，V＝IR＝2A×10mohm)。在当很少或没有工艺变化和/或温度变化的理想情况下，保护准确性可以接近100％。然而，在实施过程中，MOSFET的实际RSSon可能不会正好为10mohm。在一些MOSFET中，RSSon可能会低至6mohm，而其他MOSFET可能具有12mohm的RSSon。MOSFET与MOSFET之间会有差异。例如，假设MOSFET的实际RSSon为6mohm，而保护IC 302的预设保护跳闸点为20mV，则保护IC 302可能会在3.333A(I＝V/R＝20mV/6mohm)时进入保护模式(例如断开充电和/或放电电流)，导致超出2A目标值66％的容差。而当MOSFET的RSSon为12mohm时，保护IC 302可能在1.66A(I＝V/R＝20mV/12mohm)时进入保护模式，导致低于2A目标值17％的容差。因此，保护IC 302测量并传感MOSFET开关306(a)和306(b)的RSSon继而基于MOSFET开关306(a)和306(b)的实际RSSon来校准保护跳闸点的能力，允许保护IC 302补偿MOSFET开关的任何工艺和/或温度变化，从而提高保护准确性。例如，在上述的6mohm情形中，保护IC 302可用来将保护跳闸点微调在12mV(V＝IR＝2A×6mohm)上，从而形成接近2A的更准确的保护跳闸点。
下表示出了较之于图3中所示的被指定为“校准IC”的与本实用新型相符的电池保护电路的保护准确性，与常规电池保护电路(例如在图1或2A-2D中所示的被指定为“常规”电路的电路)的保护准确性相对应的测试结果。表1的结果基于放电过流保护(OCP)断路电平，以安培(A)为单位，其中最大OCP断路电平设置为3A(例如，电流安全法规不允许断路电平大于3A)，而电池容量假定为2200mAh。
表1
如表所示，常规保护电路最低可在1.6A处断路。如果电池容量为2200mAh，则常规保护电路仅允许负载在1个小时内流过最高1.6A，从而导致在1个小时内浪费600mA电力。因此，电池容量利用率约为73％。对于校准IC，OCP最低可在2.2A处断路。如果电池容量为2200mAh，则校准IC允许负载在1个小时内流过最高2.2A，从而导致在1个小时内浪费0mA电力。因此，电池容量利用率为100％。基于2200mAh电池单元的平均市场价格$4.05，常规电路仅利用电池单元成本$4.05中的$2.95，浪费了$1.10。校准IC电路实现最高利用率100％，从电池单元获得$4.05的完全回报。因此，使用校准IC电路带来$1.10的潜在成本节约。
表2示出的结果基于放电过流保护(OCP)断路电平，以安培(A)为单位，其中具体应用要求1.75A，最低OCP设置为1.75A以确保运行。
表2
如表2所示，常规电路OCP最高可在3.25A处断路。为了满足典型电池单元的放电安全要求，客户需要购买2200mAh容量的电池单元。购买更小容量的电池单元可能无法提供所需的放电OCP电平。校准IC最高可以在2.36A处断路。因此，为了满足典型电池单元的放电安全要求，客户只需要购买1600mAh容量的电池单元。因此，常规电路可能需要2200mAh电池，该电池比校准IC电路所使用的1600mAh电池高出37％。2200mAh电池单元的成本比1600mAh电池单元最多可以高出50％，因此，使用常规电路的设计人员最终只能使用体积较大、昂贵的电池单元。
图4示出了根据一个实施例的示例性MCM 400的透视图，其包括电池保护电路300的保护IC 302和电源半导体开关304(例如，如图3所示)。图5和6示出了MCM 400的多个部分的不同视图。如图所示，保护IC 302和电源半导体开关304可以既以结构方式又以电子方式耦接于引线框结构402。图7示出了图3的电池保护电路的保护IC 302的示例性引脚输出，图8示出了图4的MCM的示例性封装引脚输出。MCM 400可以包括两个电池保护电路300的组件(包括保护IC 302和电源半导体开关304)，导致具有超低导通电阻并具有1.8mm宽度(与电池垂直的边缘)的小型倒装芯片封装。与本实用新型相一 致，MCM 400可导致更薄的电池组和电话，包括最高至8A的单一解决方案，结果使设计更简易且更快地上市。以节约空间的1.8×3.5mm封装拥有总体电源保护电路解决方案，可以提高易用性并简化PCB布局。
图9示出了与本实用新型相符的电池保护电路300’的可选配置。与图3中示出的电池保护电路300的实施例相反(其中控制IC 302包括引脚T1和T2，可用于校准保护跳闸点的测试点)，图9中的保护IC 302’可以基于电源半导体开关304’在内部进行校准。例如，可以在构成电池保护电路300’的MCM的制造过程中执行校准。具体地讲，可以在制造过程中确定(例如测量)MOSFET306a’和306b’的工作特性，并且可以基于最终组装电池保护电路300'前后的工作特性来校准保护IC 302’。电源半导体开关304’的工作特性在电池保护电路302’的运行过程中应该保持基本一致，因为所有元件都是属于同一MCM的部分。以这种方式预先配置保护跳闸点可以使电路设计更为简单，因为不需要动态测定MOSFET的工作特性，并且电池保护电路300’因此尺寸更小和/或成本更低。在电池保护电路300’中，BG引脚可以将电池单元接地到电池保护电路300’中的电池放电MOSFET 306a’的源极，而PG引脚可以将电池块(-)端连接到电池充电MOSFET 306b’的源极。
图10示出了根据一个实施例的示例性MCM 400’的透视图，其包括图9的电池保护电路300’的保护IC 302’和电源半导体开关304’。与图4所公开的实施例类似，在MCM 400’中，保护IC 302’和电源半导体开关304’以结构方式和/或电子方式耦接于引线框结构402’。除了提供结构完整性和电子导电性，引线框402’还可以为电源半导体开关304’产生的热量提供热耗散。例如，大的导电垫(例如图12中示出的BG和PG)使热量能够从MCM 400’中的电源半导体开关304’传导走。
图11示出了与本实用新型相符的保护IC 302”的示例性芯片配置。图11示出了示例性保护IC 302”的图像以及与芯片上的不同输入/输出触点相对应的标识。例如，CHG可以表示电池充电MOSFET的栅极驱动器的触点，SCHG可以表示电池充电MOSFET的源极的触点，DSG可以表示电池放电MOSFET的栅极驱动器的触点，G可以表示接地触点，BAT可以表示电源正极输入的触点。SCL、VIN0、VIN1和SDA可仅供内部使用。例如，基于测定的电源半导体开关304的工作特性对校准保护IC 302”进行校准时可以采用一个或多个SCL、VIN0、VIN1和SDA触点。
图12示出了图3的电池保护电路的示例性保护IC引脚输出。MCM 400”被示出为包括各种导电垫的示例性位置以及可能的垫尺寸。一些导电垫的尺寸 可以定得较大(例如垫BG和PG)，用以应对高于NC和VBAT垫的电压和或电流。较大的导电垫还使热量能够从MCM 400”中的传导走。热传导性能可以便于对电源元件例如电源半导体开关304进行热管理。
图13示出了与本实用新型相符的电池管理和保护系统的示例性操作。在操作1300中，可以组装MCM，其包括(例如)至少一个保护IC和一个电源半导体开关。组装之后，可以在操作1302中确定电源半导体开关的工作特性。例如，可以测量构成电源半导体开关的每个MOSFET的RSSon。在操作1304中，可以至少基于操作1302中测量的工作特性来校准保护IC。例如，可以设定保护跳闸点以补偿操作1302中测得的特定RSSon。以这种方式，MCM可以提供更加准确的电流跳闸点保护，从而实现更高效的运行，和更好的MCM所保护电池的电池使用寿命。
本文所述的某些实施例可以在包括一个或多个机器可读存储介质的系统中实施，在这些存储介质上单独或组合地存储有指令，当一个或多个处理器执行这些指令时，执行本文所述的方法和/或操作。这里，处理器可包括例如系统CPU(例如，核心处理器)和/或可编程电路。因此，意图是，根据本文所述的方法的操作可分布在多个物理装置，诸如在多个不同物理位置的处理结构。
存储介质可以包括：任何类型的有形(例如非暂时性)介质，例如任何类型的磁盘(包括软盘、光盘、只读光盘(CD-ROM)、可重写光盘(CD-RW)、数字通用光盘(DVD)和磁光盘)；半导体器件，例如只读存储器(ROM)、诸如动态和静态RAM之类的随机存取存储器(RAM)、可擦可编程只读存储器(EPROM)、电可擦可编程只读存储器(EEPROM)、闪存、磁卡或光卡)或任何类型的适于存储电子指令的介质。
如本文所述，可以使用硬件元件、软件元件或其任意组合来实施不同的实施例。硬件元件的例子可以包括处理器、微处理器、电路、电路元件(例如晶体管、电阻器、电容器、电感器等)、集成电路、特定于应用的集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件(PLD)、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、逻辑门、寄存器、半导体器件、芯片、微芯片、芯片组等。
另外，如本文的任何实施例中所用的“电路”可包括例如单独的或任意组合的硬连线电路、可编程电路、状态机电路、存储可由可编程电路和/或在较大系统中存在的电路执行的指令的固件，所述较大系统例如可作为分立元件部分而包括在集成电路中。另外，本文所述的任何开关器件可包括任何类型的已知或后开发的开关电路，例如，MOS晶体管、BJT、SiC等。
本说明书通篇中对“一个实施例”或“实施例”之提及意指关于该实施例描述的具体特征、结构或特性被包括在至少一个实施例中。因此，在本说明书通篇中各处出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”并不一定均指相同的实施例。此外，可在一个或多个实施例中以任何合适的方式对具体特征、结构或特性进行组合。
如此，本实用新型涉及用于电池管理和保护的系统。电池保护电路可包括电源半导体开关和控制集成电路(IC)。电池保护电路可用来调节电池的充电和/或放电，并进一步基于保护IC的保护跳闸点(例如过流检测点)防止电池工作在安全工作区域外。所述保护IC可用来校准保护跳闸点，以补偿所述电源半导体开关的导通电阻(RSSon)的工艺和温度变化。
在一个示例性实施例中，提供了一种系统。所述系统可以包括电源和保护所述电源的保护电路，所述保护电路基于所述保护电路中元件的工作特性来进行校准。
在另一个示例性实施例中，提供了一种设备。所述设备可以包括电源半导体开关和用于至少基于保护跳闸点来控制电源半导体开关保护集成电路，所述保护集成电路基于所述电源半导体开关的工作特性来进行校准。
在另一个示例性实施例中，提供了一种方法。所述方法可以包括组装一种设备(所述设备至少包括保护集成电路和电源半导体开关)、至少对于电源半导体开关确定其工作特性以及基于工作特性来校准保护集成电路。
本文中采用的术语和表达方式作为描述而非限制的术语使用，并且在使用这种术语和组装设备(该设备至少包括保护集成电路和电源半导体开关)表达方式的过程中，不旨在排除示出和描述的特征(或其一部分)的任何等同物，并且认识到，各种修改形式可落入权利要求书的范围内。因此，权利要求书旨在涵盖所有这种等同物。已·2在本文中描述了各种特征、方面和实施例。这些特征、方面和实施例容许存在相互组合以及变型形式和修改形式，如本领域技术人员将理解的那样。因此，应该认为本实用新型涵盖这种组合、变型形式和修改形式。
Claims (14)
1.一种用于电池管理和保护的系统，其特征在于，所述系统包括：
电源；以及
保护所述电源的保护电路，所述保护电路基于所述保护电路中元件的工作特性来进行校准。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述保护电路包括多芯片模块。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述多芯片模块至少包括保护集成电路和电源半导体开关。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述保护集成电路至少基于保护跳闸点来控制所述电源半导体开关。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述电源半导体开关包括至少两个金属氧化物半导体场效晶体管开关。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述保护集成电路控制第一金属氧化物半导体场效晶体管开关以控制流向所述电源的电流，并且控制第二金属氧化物半导体场效晶体管开关以控制流出所述电源的电流。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述保护跳闸点基于对所述金属氧化物半导体场效晶体管开关中的至少一者测得的源到源导通状态电阻在所述保护集成电路中设定。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述源到源导通状态电阻由所述保护集成电路在所述保护电路工作过程中测量。
9.根据权利要求7所述的系统，其中所述源到源导通状态电阻在所述多芯片模块制造过程中测量。
10.一种用于电池管理和保护的设备，其特征在于，所述设备包括：
电源半导体开关；以及
用于至少基于保护跳闸点来控制所述电源半导体开关的保护集成电路，所 述保护集成电路基于所述电源半导体开关的工作特性来进行校准。
11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述电源半导体开关包括至少两个金属氧化物半导体场效晶体管开关。
12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述保护集成电路控制第一金属氧化物半导体场效晶体管开关以控制流向所述电源的电流，并且控制第二金属氧化物半导体场效晶体管开关以控制流出所述电源的电流。
13.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述保护跳闸点在所述保护集成电路中设定，所述保护跳闸点的设定是基于对至少一个所述金属氧化物半导体场效晶体管开关测得的源到源导通状态电阻。
14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述源到源导通状态电阻在所述设备的制造过程中测量。
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