CN210629090U - 电池保护电路 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种电池保护电路。该电池保护电路包括：开关管，位于电池的电流路径上；栅极控制模块，与所述开关管相连接，根据所述电池的电池电压和工作电流产生保护信号，以及根据所述保护信号产生栅极驱动信号，控制所述开关管的导通状态，从而控制所述电流路径的通断；以及偏置控制模块，与所述栅极控制模块相连接以获得所述保护信号，以及根据所述保护信号切换所述开关管的衬底偏置状态。该电池保护电路将保护信号提供至偏置模块以触发衬底的偏置切换，使得开关管在保护动作时处于与电流路径相对应的偏置状态，从而提高电池保护电路的可靠性。

Description

电池保护电路

技术领域

本申请涉及电池供电技术，具体地，涉及电池保护电路。

背景技术

锂电池之类的电池已经广泛地用于便携电子设备和电动车等产品中。电池在寿命期中反复经历充放电过程，在充电状态电流从外部电流供给到电池，在放电状态电流从电池供给至外部负载。电池保护电路在充放电过程中对电池提供双向保护，例如过压保护、欠压保护、过流保护、短路保护，以防止充放电过程的异常情形对电池的使用寿命和性能造成损害。

图1示出根据现有技术的电池保护电路的示意图。电池保护电路100包括在电池101的正负供电端之间与负载102串联连接的开关管M1、M2，以及控制开关管M1、M2的导通状态的栅极控制模块110。进一步地，电池保护电路100还包括串联连接在电池101的正负端之间电阻R1和电容C1，用于根据电池101的电池电压Vdd产生栅极控制模块110正常工作所需的供电电压Vcc。

在电池101的正常充电状态下，开关管M1、M2均处于导通状态。如果在充电过程中检测到异常发生，则开关管M2关断以终止充电过程。在电池101的正常放电状态下，开关管M1、M2均处于导通状态。如果在放电过程中检测到异常发生，则开关管M1关断以终止充电过程。该电池保护电路100中使用两个开关管M1、M2，其中，开关管M1的衬底偏置于电池负端，开关管M2的衬底偏置于的外部电源负端。

上述现有的电池保护电路101在电流路径上使用两个开关管分别用于充放电的保护性断开，导致保护电路的芯片面积过大且成长增加。

进一步改进的电池保护电路在电流路径上采用单个开关管，以及根据开关管的源漏电压切换衬底的连接路径以实现充放电过程的不同偏置状态。该改进的方法可以减小芯片面积以及降低成本。然而，用于偏置控制的源漏电压容易受到外部电源的干扰，使得开关管处于错误的偏置状态，导致电池保护芯片误动作而损伤电池。

在双向电流路径上使用单个开关管的电池保护电路中，期待进一步改进衬底偏置切换方式以提高电池保护电路的可靠性。

实用新型内容

鉴于上述问题，本实用新型的目的在提供一种电池保护电路，其中，根据栅极控制模块的保护信号切换开关管的衬底偏置状态，从而提高电池保护电路的可靠性。

根据本实用新型，提供一种电池保护电路，其特征在于，包括：开关管，位于电池的电流路径上；栅极控制模块，与所述开关管相连接，根据所述电池的电池电压和工作电流产生保护信号，以及根据所述保护信号产生栅极驱动信号，控制所述开关管的导通状态，从而控制所述电流路径的通断；以及偏置控制模块，与所述栅极控制模块相连接以获得所述保护信号，以及根据所述保护信号切换所述开关管的衬底偏置状态。

优选地，所述开关管包括经由第一线路与所述电池的负供电端连接的第一电流端，以及经由第二线路与外部负载的接地端或外部电源的负输入端相连接的第二电流端，所述栅极控制模块获得的工作电流包括在所述第一线路上获得的充电电流检测信号，以及在所述第二线路上获得的放电电流检测信号。

优选地，所述栅极控制模块包括：第一逻辑模块，用于根据充电过程的充电过压信号、充电过流信号中的至少一个产生禁止充电信号；第二逻辑模块，用于根据放电过程的放电欠压信号、放电过流信号、以及短路信号中的至少一个产生禁止放电信号；或非门，与所述第一逻辑模块和所述第二逻辑模块相连接，根据所述禁止充电信号和所述禁止放电信号产生栅极控制信号；以及驱动模块，将所述栅极控制信号转换成栅极驱动信号，其中，所述保护信号为所述禁止充电信号和所述禁止放电信号之一。

优选地，所述栅极控制模块还包括：串联连接在所述电池的正负供电端之间的第一电阻和第二电阻，所述第一电阻和所述第二电阻的中间节点提供用于表征所述电池电压的第一电压检测信号；第一比较器，所述第一比较器的同相输入端接收所述第一电压检测信号，反相输入端接收电压参考信号，所述第一比较器将所述第一电压检测信号和所述电压参考信号相比较，在输出端提供所述充电过压信号。

优选地，所述栅极控制模块还包括：串联连接在所述电池的正负供电端之间的第三电阻和第四电阻，所述第三电阻和所述第四电阻的中间节点提供用于表征所述电池电压的第二电压检测信号；第二比较器，所述第二比较器的反相输入端接收所述第二电压检测信号，同相输入端接收电压参考信号，所述第二比较器将所述第二电压检测信号和所述电压参考信号相比较，在输出端提供所述放电欠压信号。

优选地，所述栅极控制模块还包括：第三比较器，所述第三比较器的同相输入端接收所述充电电流检测信号，反相输入端接收第一电流参考信号，所述第三比较器将所述充电电流检测信号与所述第一电流参考信号相比较，在输出端提供所述充电过流信号。

优选地，所述栅极控制模块还包括：第四比较器，所述第四比较器的同相输入端接收所述放电电流检测信号，反相输入端接收第一电流参考信号，所述第四比较器将所述放电电流检测信号与所述第一电流参考信号相比较，在输出端提供所述放电过流信号。

优选地，所述栅极控制模块还包括：第五比较器，所述第五比较器的反相输入端接收所述放电电流检测信号，反相输入端接收第二电流参考信号，所述第二比较器将所述放电电流检测信号与所述第二电流参考信号相比较，在输出端提供所述短路信号。

优选地，还包括：第一开关，连接在所述开关管的衬底和第一电流端之间；以及第二开关，连接在所述开关管的衬底和第二电流端之间，其中，所述偏置控制模块产生所述第一开关的第一开关控制信号、以及所述第二开关的第二开关控制信号，从而改变所述开关管与所述第一电流端、所述第二电流端的连接路径以切换衬底偏置状态。

优选地，所述偏置控制模块包括：依次串联连接在供电端和地之间的第一晶体管、第五电阻、第二晶体管，所述第五电阻与所述第二晶体管的中间节点提供所述第一开关控制信号；依次串联连接在供电端和地之间的第三晶体管、第六电阻、第四晶体管，所述第六电阻与所述第四晶体管的中间节点提供所述第二开关控制信号；以及反相器，将所述保护信号反相以获得反相信号，其中，所述第一晶体管和所述第二晶体管的栅极接收所述保护信号，所述第三晶体管的栅极接收所述反相信号，所述第四晶体管的栅极接收所述第一开关控制信号。

优选地，所述保护信号为所述禁止充电信号。

优选地，所述开关管为NMOS晶体管，所述第一晶体管和所述第三晶体管为PMOS晶体管，所述第二晶体管和所述第四晶体管为NMOS晶体管。

根据本实用新型实施例的电池保护电路，偏置控制模块与所述栅极控制模块相连接以获得所述保护信号，以及根据所述保护信号切换所述开关管的衬底偏置状态。该电池保护电路的偏置控制模块无需检测开关管的源漏电压，而是利用栅极控制模块的逻辑信号触发衬底偏置状态的切换。该开关管的偏置状态切换方式不受外部电源的干扰的影响，在保护动作时可处于与电流路径相对应的偏置状态，从而提供了电池保护电路的可靠性。

附图说明

通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出根据现有技术的电池保护电路的示意图。

图2示出根据本实用新型实施例的电池保护电路的示意图。

图3示出图2所示电池保护电路中栅极控制模块的内部电路示意图。

图4示出图2所示电池保护电路中偏置控制模块的内部电路示意图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本实用新型的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

图2示出根据本实用新型实施例的电池保护电路的示意图。电池保护电路200包括在电池101的正负供电端之间与负载102串联连接的开关管M1，控制开关管M1的导通状态的栅极控制模块210，以及控制开关管M1的衬底连接路径的偏置控制模块220。

如图所示，该电池保护电路200中使用单个开关管M1，例如NMOS晶体管。开关管M1的栅极与栅极控制模块210的输出端相连接，以获得栅极驱动信号Vg，开关管M1的第一电流端经由第一线路连接至电池101的负供电端，第二电流端经由第二线路连接到外部负载的接地端或外部电源的负输入端。开关管M1的衬底经由开关K1连接至第一电流端，经由开关K2连接至第二电流端。

栅极控制模块210在第一线路和第二线路上分别获得充电电流检测信号Ichg和放电电流检测信号Idis。例如，采用第一线路上串联连接的电阻获得充电电源检测信号Ichg，采用第二线路上串联连接的电阻获得放电电流检测信号Idis。进一步地，栅极控制电路210获得电池电压Vdd，根据电池电压Vdd、充电电流检测信号Ichg和放电电流检测信号Idis，以产生栅极驱动信号Vg。此外，栅极控制模块210将保护动作相关的保护信号Vc提供至偏置模块220以触发衬底的偏置切换。

偏置控制模块220根据保护信号Vc产生开关控制信号Vk1、Vk2，分别控制开关K1、K2的导通状态，从而切换开关管M1的衬底连接路径，使得在放电过程中开关管M1的衬底偏置于电池101的负供电端，在充电过程中开关管M1的衬底偏置于的外部电源的负输入端。因此，在第一开关K1和第二开关K2之一导通的情形下，开关管M1的第一电流端和第二电流端中的相应电流端作为开关管M1的源极。

在电池101的正常充电状态下，开关管M1处于导通状态。如果在充电过程中检测到异常发生，则开关管M1关断以终止充电过程。在电池101的正常放电状态下，开关管M1处于导通状态。如果在放电过程中检测到异常发生，则开关管M1关断以终止充电过程。

根据本实用新型实施例的电池保护电路，采用栅极控制模块的保护信号触发偏置控制模块的偏置切换。与现有技术中检测开关管的源漏电压而切换偏置状态的方案相比，本实用新型的电池保护电路开关管的保护动作与偏置切换大致同步，使得开关管在保护动作时处于与电流路径相对应的偏置状态，从而提高电池保护电路的可靠性。

图3示出图2所示电池保护电路中栅极控制模块的内部电路示意图。栅极控制模块210包括比较器A11至A15、逻辑模块211和212、或非门213、驱动模块214、电阻R11和R12、以及电阻R21和R22。在该实施例中，电池101的负供电端接地。

电阻R11和R12串联连接在电池101的正负供电端之间，以获得电压检测信号Vk1。比较器A11的同相输入端连接到电阻R11和R12的中间节点以接收电压检测信号Vk1，反相输入端接收电压参考信号Vref。比较器A11将电压检测信号Vk1和电压参考信号Vref相比较，在输出端提供充电过压信号COV。

电阻R13和R14串联连接在电池101的正负供电端之间，以获得电压检测信号Vk2。比较器A12的反相输入端连接到电阻R13和R14的中间节点以接收电压检测信号Vk2，同相输入端接收电压参考信号Vref。比较器A12将电压检测信号Vk2和电压参考信号Vref相比较，以获得放电欠压信号DUV。

比较器A13的同相输入端接收充电电流检测信号Ichg，反相输入端接收电流参考信号Iref2，将二者进行比较，在输出端提供充电过流信号COC。

比较器A14的同相输入端接收放电电流检测信号Idis，反相输入端接收电流参考信号Iref2，将二者进行比较，在输出端提供放电过流信号DOC。

比较器A15的反相输入端接收放电电流检测信号Idis，同相输入端接收电流参考信号Iref2，将二者进行比较，在输出端提供放电短路信号DSC。

逻辑模块211的第一输入端与比较器A11的输出端相连接，以获得充电过压信号COV，第二输入端与比较器A13的输出端相连接，以获得充电过流信号COC。逻辑模块211的输出端提供禁止充电信号FC。逻辑模块211例如是或门。在充电过程中，如果出现过压或过流，则禁止充电信号FC有效。

逻辑模块21的第一输入端与比较器A12的输出端相连接，以获得放电欠压信号DUV，第二输入端与比较器A14的输出端相连接，以获得放电过流信号DOC，第三输入端与比较器A15的输出端相连接，以获得放电短路信号DSC。逻辑模块212的输出端提供禁止充电信号FC。逻辑模块212例如是或门。在放电过程中，如果出现欠压或过流或短路，则禁止放电信号FD有效。

或非门213的第一输入端连接至逻辑模块211的输出端，以获得禁止充电信号FC，第二输入端连接至逻辑模块212的输出端，以获得禁止放电信号FD。或非门213的输出端提供栅极控制信号，经由驱动模块214提高驱动能力从而转换成栅极驱动信号Vg。

根据本实用新型实施例的电池保护电路，栅极控制模块210内部的禁止充电信号FC和禁止放电信号FD分别为充电过程和放电过程的保护信号。在充电过程和放电过程出现上述任一项异常的情形下，禁止充电信号FC和禁止放电信号FD之一有效，使得开关管M1断开，从而实现保护动作。

与现有技术的电池保护电路不同，栅极控制模块210将内部的保护信号，例如，禁止充电信号FC和禁止放电信号FD之一，作为触发开关管M1的衬底偏置切换的保护信号Vc提供至偏置控制模块220，使得开关管M1在保护动作时处于与电流路径相对应的偏置状态，从而提高电池保护电路的可靠性。

图4示出图2所示电池保护电路中偏置控制模块的内部电路示意图。偏置控制模块220包括反相器221、晶体管M21至M24、电阻R21至R24。如上所述，偏置控制模块220从栅极控制模块210接收触发开关管M1的衬底偏置切换的保护信号Vc。晶体管M21和M23例如为PMOS晶体管，晶体管M22和M24例如为NMOS晶体管。

晶体管M21、电阻R21和晶体管M22依次串联连接在供电端和地之间。在电阻R21和晶体管M21的中间节点提供开关控制信号Vk1。晶体管M23、电阻R22和晶体管M24依次串联连接在供电端和地之间。在电阻R22和晶体管M24的中间节点提供开关控制信号Vk2。该供电端例如连接至电池101的正供电端，以获得电源电压Vdd。

晶体管M21和M22的栅极接收保护信号Vc作为控制信号，晶体管M23的栅极经由反相器221接收保护信号Vc的反相信号作为控制信号，晶体管M24的栅极接收开关控制信号Vk1作为控制信号。电阻R23和R24分别对开关控制信号Vk1和Vk2限流。

在电池101的正常充电、正常放电状态、放电异常状态下，保护信号Vc无效，晶体管M21和M24导通，晶体管M22和M23断开。开关控制信号Vk1为高电平且Vk2为低电平。相应地，开关K1导通且K2断开，使得开关管M1的衬底与开关管M1的第一电流端相连接。因此，开关管M1的第一电流端作为源极。

在电池101的充电过程出现异常时，保护信号Vc有效，晶体管M22和M23导通，晶体管M21和M24断开，其余晶体管均导通。开关控制信号Vk1为低电平且Vk2为高电平。相应地，开关K1断开且K2导通，使得开关M1的衬底与开关管M1的第二电流端相连接，开关管M1的第二电流端作为源极。

因此，该电池保护电路的偏置控制模块，根据开关管的保护动作大致同步地控制偏置切换步，使得开关管在保护动作时处于与电流路径相对应的偏置状态，从而提高电池保护电路的可靠性。

本实用新型的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本实用新型以及在本实用新型基础上的修改使用。本实用新型的保护范围应当以本实用新型权利要求所界定的范围为准。

Claims (12)

1.一种电池保护电路，其特征在于，包括：

开关管，位于电池的电流路径上；

栅极控制模块，与所述开关管相连接，根据所述电池的电池电压和工作电流产生保护信号，以及根据所述保护信号产生栅极驱动信号，控制所述开关管的导通状态，从而控制所述电流路径的通断；以及

偏置控制模块，与所述栅极控制模块相连接以获得所述保护信号，以及根据所述保护信号切换所述开关管的衬底偏置状态。

2.根据权利要求1所述的电池保护电路，其特征在于，所述开关管包括经由第一线路与所述电池的负供电端连接的第一电流端，以及经由第二线路与外部负载的接地端或外部电源的负输入端相连接的第二电流端，

所述栅极控制模块获得的工作电流包括在所述第一线路上获得的充电电流检测信号，以及在所述第二线路上获得的放电电流检测信号。

3.根据权利要求2所述的电池保护电路，其特征在于，所述栅极控制模块包括：

第一逻辑模块，用于根据充电过程的充电过压信号、充电过流信号中的至少一个产生禁止充电信号；

第二逻辑模块，用于根据放电过程的放电欠压信号、放电过流信号、以及短路信号中的至少一个产生禁止放电信号；

或非门，与所述第一逻辑模块和所述第二逻辑模块相连接，根据所述禁止充电信号和所述禁止放电信号产生栅极控制信号；以及

驱动模块，将所述栅极控制信号转换成栅极驱动信号，

其中，所述保护信号为所述禁止充电信号和所述禁止放电信号之一。

4.根据权利要求3所述的电池保护电路，其特征在于，所述栅极控制模块还包括：

串联连接在所述电池的正负供电端之间的第一电阻和第二电阻，所述第一电阻和所述第二电阻的中间节点提供用于表征所述电池电压的第一电压检测信号；

第一比较器，所述第一比较器的同相输入端接收所述第一电压检测信号，反相输入端接收电压参考信号，所述第一比较器将所述第一电压检测信号和所述电压参考信号相比较，在输出端提供所述充电过压信号。

5.根据权利要求3所述的电池保护电路，其特征在于，所述栅极控制模块还包括：

串联连接在所述电池的正负供电端之间的第三电阻和第四电阻，所述第三电阻和所述第四电阻的中间节点提供用于表征所述电池电压的第二电压检测信号；

第二比较器，所述第二比较器的反相输入端接收所述第二电压检测信号，同相输入端接收电压参考信号，所述第二比较器将所述第二电压检测信号和所述电压参考信号相比较，在输出端提供所述放电欠压信号。

6.根据权利要求3所述的电池保护电路，其特征在于，所述栅极控制模块还包括：

第三比较器，所述第三比较器的同相输入端接收所述充电电流检测信号，反相输入端接收第一电流参考信号，所述第三比较器将所述充电电流检测信号与所述第一电流参考信号相比较，在输出端提供所述充电过流信号。

7.根据权利要求3所述的电池保护电路，其特征在于，所述栅极控制模块还包括：

第四比较器，所述第四比较器的同相输入端接收所述放电电流检测信号，反相输入端接收第一电流参考信号，所述第四比较器将所述放电电流检测信号与所述第一电流参考信号相比较，在输出端提供所述放电过流信号。

8.根据权利要求3所述的电池保护电路，其特征在于，所述栅极控制模块还包括：

第五比较器，所述第五比较器的反相输入端接收所述放电电流检测信号，反相输入端接收第二电流参考信号，所述第二比较器将所述放电电流检测信号与所述第二电流参考信号相比较，在输出端提供所述短路信号。

9.根据权利要求3所述的电池保护电路，其特征在于，还包括：

第一开关，连接在所述开关管的衬底和第一电流端之间；以及

第二开关，连接在所述开关管的衬底和第二电流端之间，

其中，所述偏置控制模块产生所述第一开关的第一开关控制信号、以及所述第二开关的第二开关控制信号，从而改变所述开关管与所述第一电流端、所述第二电流端的连接路径以切换衬底偏置状态。

10.根据权利要求9所述的电池保护电路，其特征在于，所述偏置控制模块包括：

依次串联连接在供电端和地之间的第一晶体管、第五电阻、第二晶体管，所述第五电阻与所述第二晶体管的中间节点提供所述第一开关控制信号；

依次串联连接在供电端和地之间的第三晶体管、第六电阻、第四晶体管，所述第六电阻与所述第四晶体管的中间节点提供所述第二开关控制信号；以及

反相器，将所述保护信号反相以获得反相信号，

其中，所述第一晶体管和所述第二晶体管的栅极接收所述保护信号，所述第三晶体管的栅极接收所述反相信号，所述第四晶体管的栅极接收所述第一开关控制信号。

11.根据权利要求10所述的电池保护电路，其特征在于，所述保护信号为所述禁止充电信号。

12.根据权利要求10所述的电池保护电路，其特征在于，所述开关管为NMOS晶体管，所述第一晶体管和所述第三晶体管为PMOS晶体管，所述第二晶体管和所述第四晶体管为NMOS晶体管。

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