DE102008027428A1

DE102008027428A1 - Verbesserter Ladegerät-Überspannungsschutz-FET

Info

Publication number: DE102008027428A1
Application number: DE102008027428A
Authority: DE
Inventors: Ivo Huber; Andreas Fes
Original assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Current assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Priority date: 2008-06-09
Filing date: 2008-06-09
Publication date: 2009-12-10
Anticipated expiration: 2028-06-10
Also published as: US20090303649A1; US8559151B2; DE102008027428B4

Abstract

Eine integrierte Batterieladegerät-Schutzschaltung umfasst einen Leistungs-FET zur Ladesteuerung für eine Reihenschaltung im Batterieladestrompfad von einem Gleichstromversorgungseingangsanschluss zu einem geregelten Gleichstromausgangsanschluss. Die Schaltung hat einen Gate-Ansteuereingangsanschluss, der mit dem Gate des Leistungs-FETs zur Ladesteuerung verbunden ist, und weist ferner eine Schutzschaltungsanordnung auf, die den Gleichstromausgangsanschluss bei einem in der integrierten Schaltung erfassten Störungszustand sperren kann. Der geregelte Gleichstromausgangsanschluss und der Gate-Ansteuerungseingangsanschluss können auf die gleiche Weise wie entsprechende Anschlüsse eines diskreten Leistungs-FETs, insbesondere eines p-Kanal-Leistungs-FETs, mit der externen Host-Schaltung zur Ladesteuerung verbunden werden. Somit werden mit lediglich geringfügigen Konstruktionsänderungen und ohne jegliche Änderung des Ladealgorithmus und der Software bestehende Lösungen auf einfache Weise auf höhere Sicherheitsstandards verbessert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte Batterieladegerät-Schutzschaltung.
Mobile Anwendungen, wie etwa Telefone und sonstige handgehaltene Vorrichtungen oder Kopfsprechhörer sind zwangsläufig mit Batterieladesteuerungsschaltungsanordnungen ausgestattet. Ein Überspannungs- und Überstromschutz gehören zu den Voraussetzungen für die sichere Benutzung dieser Geräte. Der Ladepfad ist üblicherweise mit einem oder zwei diskreten, von einer Ladesteuerungsschaltung angesteuerten p-Kanal-Leistungs-Feldeffekttransistor(en) (FETs) implementiert. Der mit dieser Lösung erhaltene maximale Überspannungsschutz beträgt etwa 20 V. Neuere Anwendungen fordern einen höheren Überspannungsschutz bis zu 30 V oder sogar 40 V und weitere Sicherheitseigenschaften. Dies kann mit einer separaten Schutzschaltung erreicht werden, die vor den diskreten Leistungs-FETs angeordnet ist und einen im Ladepfad angeschlossenen Hochspannungs-FET aufweist. Für die Aufnahme dieser weiterentwickelten Sicherheitseigenschaften ist jedoch eine erhebliche Umgestaltung bestehender Lösungen erforderlich.
Erfindungsgemäß ist eine integrierte Batterieladegerät-Schutzschaltung vorgesehen, die einen Leistungs-FET zur Ladesteuerung für eine Reihenschaltung im Batterieladestrompfad von einem Gleichstromversorgungseingangsanschluss zu einem geregelten Gleichstromausgangsanschluss aufweist. Die Schaltung hat einen Gate-Ansteuereingangsanschluss, der mit dem Gate des Leistungs-FET zur Ladesteuerung verbunden ist, und weist ferner eine Schutzschaltungsanordnung auf, die den Gleichstromausgangsanschluss bei einem in der integrierten Schaltung erfassten Störungszustand sperren kann. Der geregelte Gleichstromausgangsanschluss und der Gate-Ansteuereingangsanschluss können auf die gleiche Weise wie entsprechende Anschlüsse eines diskreten Leistungs-FETs, insbesondere eines p-Kanal-Leistungs-FETs, mit der externen Host-Schaltung zur Ladesteuerung verbunden werden. Somit werden mit lediglich geringfügigen Konstruktionsänderungen und ohne jegliche Änderung des Ladealgorithmus und der Software bestehende Lösungen auf einfache Weise auf höhere Sicherheitsstandards verbessert. Bei der bevorzugten Ausführungsform kann der geregelte Gleichstromausgangsanschluss, genauso wie ein diskreter Leistungs-FET herkömmlicherweise mit dem Stromerfassungseingang der Ladesteuerungsschaltung verbunden wäre, mit dem Stromerfassungseingang der Host-Schaltung zur Ladesteuerung verbunden werden. Für die Aufnahme der weiterentwickelten Sicherheitseigenschaften ist es im Grunde lediglich erforderlich, den/die diskreten Ladesteuerungs-FET(s) durch die erfindungsgemäße integrierte Batterieladegerät-Schutzschaltung zu ersetzen.
Die bevorzugte Ausführungsform enthält weitere Sicherheitseigenschaften. Insbesondere werden sowohl die Eingangsversorgungsspannung als auch die Batteriespannung permanent überwacht. Ein Hochspannungsschutz-Leistungs-FET ist mit dem Leistungs-FET zur Ladesteuerung in Reihe geschaltet, und sein Gate ist mit einem Steuerausgang der Schutzschaltungsanordnung verbunden. Jedes Mal, wenn ein Störungszustand erfasst wird, wird der Schutz-Leistungs-FET abgeschaltet. Der erfasste Störungszustand kann ein Eingangsüberspannungszustand, ein Eingangsüberstromzustand oder eine übermäßige Chiptemperatur sein.
Ein zusätzliches Merkmal der bevorzugten Ausführungsform ist das Vorsehen eines gesteuerten Spannungsversorgungsausgangs, der mit einem Versorgungseingang der externen Host-Schaltung zur Ladesteuerung verbunden sein kann. Somit ist ein separater Spannungsregler für die Versorgung der externen Host-Schaltung zur Ladesteuerung nicht erforderlich.
Die Erfindung kann auch als bidirektionale Lösung mit einem zusätzlichen Leistungs-FET zur Ladesteuerung und einem zusätzlichen Anschluss zur Verbindung mit der Host-Schaltung zur Ladesteuerung implementiert sein.
Eine beispielhafte Ausführungsform der integrierten Batterieladegerät-Schutzschaltung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
In den Zeichnungen zeigen:
1 ein vereinfachtes Blockschaltbild, das die integrierte Batterieladegerät-Schutzschaltung in einer typischen Anwendung zeigt;
2 ein detaillierteres Blockschaltbild der integrierten Batterieladegerät-Schutzschaltung;
3 ein schematisches Blockschaltbild einer herkömmlichen bidirektionalen Ladegerätlösung; und
4 ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen bidirektionalen Ladegerätlösung.
Bezugnehmend zunächst auf 1 ist eine integrierte Batterieladegerät-Schutzschaltung 10 in einer typischen mobilen Anwendung, wie etwa einem Smartphone mit einer Host-Schaltung zur Ladesteuerung 12 gezeigt. An der Eingangsseite weist die Schaltung 10 einen Gleichstromversorgungseingangsanschluss ACIN und einen Masseanschluss GND auf. Ein Ladestrompfad verläuft von dem Anschluss ACIN durch einen Hochspannungsschutz-Leistungs-FET Q1 und einen Leistungs-FET zur Ladesteuerung Q2 zu einem Ausgangsanschluss OUT. Das Gate des FETs Q2 ist mit einem Gate-Ansteuereingangsanschluss GATDRV verbunden. Die Schaltung 10 weist einen linearen Spannungsregler mit geringem Spannungsabfall LDO auf, bei dem ein Versorgungseingang mit dem Abgriff zwischen den FETs Q1 und Q2 verbunden ist und ein regulierter Spannungsausgang mit dem Anschluss CHGIN verbunden ist. Ein Batteriespannungserfassungsanschluss VBAT bildet einen weiteren Eingang zur Schaltung 10.
Der FET Q1 wird durch die Schutzschaltungsanordnung angesteuert, von der einige Details in 2 zu sehen sind.
Der Ladestromausgangsanschluss OUT der Schaltung 10 ist über einen Widerstand R1 mit geringem Wert (beispielsweise 0,2 Ohm) mit einer aufladbaren Batterie BAT und mit einem Stromerfassungseingang ISENS der Schaltung 12 verbunden, genauso als wäre er mit einem externen diskreten Leistungs-FET zur Ladesteuerung verbunden. Die Schaltung 10 mit ihrem internen FET Q2 wird nämlich von der Schaltung 12 genau auf die gleiche Weise „gesehen” wie ein externer diskreter p-Kanal-FET. Ebenso liefert die Schaltung 12 ein Gate-Ansteuersignal an einem Anschluss GATDRV genau auf die gleiche Weise, als wäre es für einen externen diskreten Ladesteuerungs-FET vom Typ p-Kanal-FET vorgesehen, doch bei der gezeigten Anwendung ist der Anschluss GATDRV der Schaltung 12 selbstverständlich mit dem Anschluss GATDRV der Schaltung 10 verbunden.
Der Anschluss CHGIN der Schaltung 10 ist mit einem Versorgungsanschluss CHGIN der Schaltung 12 verbunden.
Beide Schaltungen 10 und 12 überwachen die Batteriespannung. Der Anschluss VBAT der Schaltung 10 ist über einen Widerstand R2 mit relativ hohem Wert (beispielsweise 200 kOhm) mit der Batterie BAT verbunden, und der Anschluss VBAT der Schaltung 12 ist direkt mit der Batterie BAT verbunden.
Anhand von 2 ist zu sehen, dass das Gate des FETs Q1 von einer Schutzschaltungsanordnung mit einer Steuerlogik und einigen Komparatoren angesteuert wird, die die relevanten Spannungen an verschiedenen internen Knoten der Schaltung 10 erfassen. Die Steuerlogik hat auch einen Eingang zu einer thermischen Abschaltschaltung.
Im Betrieb ist eine externe Gleichstromversorgungsquelle AC mit dem Anschluss ACIN der Schaltung 10 verbunden. Solange von der Steuerlogik kein Störungszustand erfasst wird, bleibt der FET Q1 in einem EIN-Zustand. Der FET Q2 empfängt ein entsprechendes Gate-Ansteuersignal von der Schaltung 12, die den Spannungsabfall über den Widerstand R1 aufgrund des Ladestroms und auch die Batteriespannung erfasst. Der Betrieb der Host-Schaltung zur Ladesteuerung 12 ist herkömmlich und wird nicht weiter erläutert.
Bei einer Störung, wie etwa einer Eingangsüberspannung, einer Batterieüberspannung, einem Überstrom oder einer übermäßigen Chiptemperatur der Schutzschaltung 10, entfernt die Steuerlogik das Ansteuersignal vom Gate des FETs Q1, der dann gesperrt ist. Die Schutzschaltung 10 stellt auch einen Rückstromschutz (kurzgeschlossener Ladegeräteingang ACIN) bereit.
Die abstrakten Blockschaltbilder in 3 und 4 zeigen eine herkömmliche bidirektionale Ladegerätpfadlösung bzw. die erfindungsgemäße bidirektionale Ladegerätpfadlösung. Die herkömmliche Lösung verwendet eine Schutzschaltung 20 mit einem internen Hochspannungsschutz-FET und zwei diskreten Leistungs-FETs zur Ladesteuerung Q11, Q12 vom Typ p-Kanal-FET, die von einer Ladesteuerungsschaltung 22 angesteuert werden. Die bidirektionale Ladefunktion erfordert eine Verbindung der Ladesteuerungsschaltung 22 mit dem Knoten zwischen den Transistoren Q11 und Q12. Bei der erfindungsgemäßen Lösung von 4 sind die Ladesteuerungs-FETs, die den externen diskreten Transistoren Q11 und Q12 entsprechen, in der integrierten Ladeschutzschaltung 30 aufgenommen, die von der Ladesteuerungsschaltung 32 genauso „gesehen” wird, als wären ihre internen Ladesteuerungs-FETs die herkömmlichen externen diskreten FETs.

Claims

Integrierte Batterieladegerät-Schutzschaltung, die einen Leistungs-FET zur Ladesteuerung für eine Reihenschaltung im Batterieladestrompfad von einem Gleichstromversorgungseingangsanschluss zu einem geregelten Gleichstromausgangsanschluss und einen Gate-Ansteuereingangsanschluss aufweist, der mit dem Gate des Leistungs-FETs zur Ladesteuerung verbunden ist, und die ferner eine Schutzschaltungsanordnung aufweist, die den Gleichstromausgangsanschluss bei einem in der integrierten Schaltung erfassten Störungszustand sperren kann, wobei der geregelte Gleichstromausgangsanschluss und der Gate-Ansteuereingangsanschluss auf die gleiche Weise wie entsprechende Anschlüsse eines diskreten Leistungs-FETs mit einer externen Host-Schaltung zur Ladesteuerung verbunden werden können.
Schaltung nach Anspruch 1, bei der die Host-Schaltung zur Ladesteuerung einen Stromerfassungseingang aufweist und der geregelte Gleichstromausgangsanschluss mit dem Stromerfassungseingang der Host-Schaltung zur Ladesteuerung verbunden werden kann.
Schaltung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, die ferner einen Batteriespannungserfassungsanschluss aufweist, mit dem ein Eingang der Schutzschaltungsanordnung verbunden ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die ferner einen Hochspannungsschutz-Leistungs-FET aufweist, der mit dem Leistungs-FET zur Ladesteuerung in Reihe geschaltet ist und dessen Gate mit einem Steuerausgang der Schutzschaltungsanordnung verbunden ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welcher der erfasste Störungszustand einer der folgenden Zustände sein kann: – ein Eingangsüberspannungszustand, – ein Eingangsüberstromzustand, – eine übermäßige Chiptemperatur, – ein Batterieüberspannungszustand, – ein Rückstromflusszustand.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die ferner einen gesteuerten Spannungsversorgungsausgang hat, der mit einem Versorgungseingang der externen Host-Schaltung zur Ladesteuerung verbunden sein kann.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die ferner einen weiteren Leistungs-FET zur Ladesteuerung und einen Ladepfadanschluss zur Verbindung mit der Host-Schaltung zur Ladesteuerung aufweist.