TWI410019B - 用於電池管理之方法及設備及充電及放電ㄧ電池系統的方法 - Google Patents

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Description

用於電池管理之方法及設備及充電及放電一電池系統的方法
本發明係有關於電子電路。
許多現代可攜裝置(例如筆記型電腦、行動電話、數位相機、視訊攝影機、媒體播放器、個人數位助理(PDAs)、遊戲控制器等等)包括電池組。傳統電池組的一特定類型包括一或多個電池胞耦接至一或多個積體電路(IC)晶片。該晶片典型地包括一控制器(例如一微控制器)及電路以至少提供電池胞管理與保護。
許多傳統電池組包括一Li－ion(鋰離子)電池胞，其本質上為一依電性化學反應封裝於一柱狀體中。位能被儲存於每個電池胞中，且若該電池胞暴露於其規格外的狀態中，該電池胞可過熱、燃燒或爆炸。配有這些依電性電池胞的傳統電池組典型地包括故障安全電路以供偵測不安全狀態(例如過電流充電或放電、短路等等)，且用於採取修正動作以預防該電池胞及/或裝置的損害，並保護使用者。
在某些傳統電池組中，兩外部電晶體(例如場效電晶體(FETs))被與該電池胞串聯並被開啟及關閉以允許該電池胞之充電與放電。該電晶體允許該電池胞依據一或多個監控之狀態自該充電器或一裝置斷開以避免不當或危險操作。該FETs之關閉可由特定事件所觸發，例如短路、過放電、偵測一過長期間之過高電流的不正確電池充電、過高或過低電池胞電壓或者過高溫度。當認為潛在危險狀態並未發生或已被解決時，該FETs之開啟亦由特定其他事件所觸發。
在稱為一高側解決方案的一配置中，該兩電晶體被串聯於該電池胞之正極以及一電池組正極(例如耦接至一裝置的外部正極介面)之間。在一低側解決方案中，該兩電晶體被串聯於該電池胞之負極以及一電池組負極(例如耦接至一裝置的外部負極介面)之間。
在一實施中，提供一設備、方法及電腦程式產品以供電池管理。一般而言於一態樣中提供一種方法。該方法包括允許判定一充電器是否被耦接至一電池系統。該電池系統包括一或多個電池胞以及一充電開啟電晶體。該方法亦包括實質完全開啟該充電開啟電晶體，其包括以實質上大於該電池胞之一電位的一電位驅動一充電開啟電晶體閘極。
該方法之態樣可包括一或多個以下特徵。驅動可包括升壓一在該胞電位之一位準處所提供之驅動信號。驅動步驟可更包括升高該驅動信號為一升壓信號位準以驅動該充電開啟電晶體閘極。升高該該驅動信號之步驟可包括電容性耦接一升壓信號至位於該電池胞之電位的驅動信號。
升壓該驅動信號可包括升壓該驅動信號至實質上等於該電池胞之電位加上一常數的一位準。該常數可實質上等於或大於一調整電壓之兩倍，該調整電壓係由該電池胞所送出。該常數可實質上等於或大於該調整電壓之兩倍減去關於阻擋二極體之電壓降。驅動步驟可包括以一升壓器電路升壓一驅動信號，該方法進一步整合該升壓器電路以及該充電電晶體於一積體電路中。整合該升壓器電路及該充電電晶體之步驟可包括使用一高電壓CMOS處理之整合步驟。驅動步驟可包括以一驅動器電路升壓一驅動信號，該方法進一步整合該驅動器電路、一微控制器、記憶體及充電電晶體於一積體電路中。該整合步驟可包括使用一高電壓CMOS處理之整合步驟。
一般而言於一態樣中提供一方法。該方法包括允許判定一裝置是否被耦接至一電池系統，該電池系統包括一或多個電池胞以及一放電開啟電晶體。該方法亦包括實質上完全開啟該放電開啟電晶體，其包括將該放電開啟電晶體驅動到大於該電池胞之一電位的一電位，以允許由該裝置正常放電。
一般而言於一態樣中提供一種用於充電及放電一電池系統的方法。該方法包括允許判定用於充電一電池系統之一或多個電池胞的一開啟觸發器是否存在。若用於充電之開啟觸發器存在，則該方法包括將關於該電池系統之一充電電晶體實質完全開啟至一完全開啟狀態，其包括將該充電電晶體驅動到大於該電池胞之一電位的一電位。該方法包括允許判定用於放電該電池系統之電池胞的一開啟觸發器是否存在。若用於放電之開啟觸發器存在，則該方法包括將關於該電池系統之一放電電晶體實質完全開啟至一完全開啟狀態，其包括將該放電電晶體之一電位驅動到大於該電池胞之一電位。
一般而言在一態樣中提供一設備。該設備包括可用於啟動一電池組之一或多個電池胞之充電步驟的一充電電晶體以及可用於驅動該充電電晶體的一驅動電路。該驅動電路包括一驅動信號來源，其提供一驅動信號及一信號升壓器以用於將該驅動信號驅動到大於該電池組之電池胞之一電位的一升壓位準。
一般而言於一態樣中提供一設備。該設備包括一高側NFET充電或放電電晶體以及一驅動電路以供驅動該高側NFET充電或放電電晶體。該驅動電路包括一驅動信號來源，其提供一驅動信號及一信號升壓器以將該驅動信號驅動到大於該電池組之電池胞之一電位的一升壓位準。
一般而言於一態樣中提供一設備。該設備包括一驅動信號來源以供驅動一電池組之一充電或放電電晶體，並包括一信號升壓器以驅動一驅動信號至大於關於該電池組之一電位的一升壓位準。
本發明之態樣可包括一或多個以下特徵。鎖提出之一電池管理系統允許充電及放電電晶體之完全開啟及關閉，不論該電池胞或任何耦接參與之充電器或裝置之狀態為何。所提供之一閘極升壓信號高於對該電池管理系統之輸入電壓的位準，且因而亦高於該電池胞電位，以便能於需要時確保完全關閉或開啟功能。在一實施中，一提出之電池管理系統允許高側NFET電晶體之完全開啟及關閉，因而更具成本效益且得以利用一高成本效益之高電壓CMOS處理加以製造。再者，NFETs相較於類似尺寸之PFETs具有較小開啟電阻。因此，包括高側NFET之該所提出系統可利用較便宜及較少的電晶體加以實施。
一提出之解決方案包括整合高電壓輸出驅動器於一電池管理系統中。在一解決方案中，被提出之NFET驅動器可驅動外部n通道FET電晶體之閘極至一夠高位準以達成一適當的開啟狀態，以及至一夠低位準以達成一適當關閉狀態。在一解決方案中，該NFET之關閉狀態係以實際上等於該電池管理系統之地面位準之一輸出電壓而加以實現，而該開啟狀態係以實際上高於對該電池管理系統之一供應電壓的一輸出電壓加以實現。
該提出之解決方案可被實施為一單晶片電池管理解決方案之部分，其中該閘極驅動器、微控制器以及非依電性記憶體被整合於一整合晶片(“IC”或晶片)中。該晶片可被實施於一高成本效益之高電壓CMOS處理中。
在一提出之高側NFET解決方案中，一驅動器對該充電及放電電晶體的一輸出位準可擺動於該電池管理系統之實質地面以及實質上等於該電池管理系統供應電壓加上一常數之一電位位準之間。對該閘極驅動器信號的額外升壓提供該NFETs之一更穩定及彈性驅動狀態，由於該NFETs之閘－源電壓將為穩定的且自動調整至用於不同供應電壓之正確位準(亦即不同的電池胞及充電器狀態)。該閘－源位準之自動調整提供所有操作帶上該NFETs的正確及完全控制。
該提出之高側解決方案亦較傳統低側解決方案更為有利。低側FET解決方案之傳統驅動器由於需要遠低於地面之輸出電壓以關閉該FETs而不易被實施於CMOS中。具有低側FETs之傳統電池組需要雙極性或BiCMOS技術。相較於一完全整合之CMOS解決方案，一雙極性解決方案無法提供一微控制器單元及非依電性記憶體的一高成本效益整合。BiCMOS技術的執行更為昂貴許多。
包括一通信埠而被提出之一電池管理系統可利用一高側解決方案被輕易實施，而不具有低側解決方案關於該通信信號位準及該電池管理系統之地面所呈現的難題。然而，若一低側解決方案仍為需要的，此文中關於升壓該充電及放電電晶體之閘極驅動信號的說明亦可提供揭露之優點。再者，雖然僅描述NFET解決方案，但升壓驅動信號亦可被用於PFET解決方案中。
本發明之一或多個實施例被提出於以下之附加圖示及描述中。本發明之其他特徵、目標及優點將可由該描述及圖示以及附加申請專利範圍中所明瞭。
現在將參照一單晶片電池管理系統，其中一閘極驅動器、一微控制器、非依電性記憶體以及其他電路元件被整合於單一積體電路中。替代地，該提出之方法及系統可被實施於一多晶片解決方案中。該些習知技藝人士將瞭解揭露之方法及系統可被實施於這些及其他結構中。描述之設備及系統係用於開啟及關閉該電池組中的充電及放電電晶體，其方式確保回應該電池管理系統監控電路而完全開啟或關閉該元件。
包括電池管理系統之電池組
現在參照第1A圖，該圖顯示用於一應用50之一電池組100。電池組100可被耦接至一裝置102或一充電器104之一。當被耦接至該充電器104時，該電池組100之終端(即正極、負極以及選擇性之通信終端)由一媒體106被耦接至該充電器104之對應終端(即正極、負極以及選擇性之通信終端)以允計關於該電池組100之電池胞的充電。媒體106可為有線、導線、針角或其他電子連接方式。下文將更詳細討論充電。
類似地，當被耦接至一裝置102時，該電池組100之終端(即正極、負極以及選擇性之通信終端)係由一媒體108被耦接至該裝置之對應終端(即正極與負極)以允許該裝置102之操作。媒體108可為有線、導線、針腳或其他電子連接方式。在某些實施中，電池組100亦於個別通信埠被耦接至裝置102或充電器104。通信埠允許在該裝置102/充電器104及電池組100之間的資訊(例如命令與控制)傳輸。可被交換之資訊的一範例包括該電池充電位準(即容量)。
現在參照第1B圖，該圖提供該電池組100的一更詳細概要圖。電池組100包括一或多個電池組120、個別電晶體110、112、一分流電阻114以及電池管理系統130。下文將討論之電池管理系統130包括多個元件，其可被整合於一單一封裝中(例如整合於一單一積體電路中)。替代地，電池管理系統130元件可被獨立封裝。個別電晶體110、112可與電池管理系統130分離並被包括於一獨立封裝中(例如一雙晶片或三晶片解決方案)，或者可與該電池管理系統130元件一起被封裝。
個別電晶體110、112被用於自該外部電池組終端(外部電池組正極150以及負極140)斷開該電池胞120。在圖示之實施中，顯示之兩個別電晶體可為場效電晶體(FETs)之形式。雖然可使用其他電晶體技術，但FETs在處理、效能(例如開啟電阻)、成本、尺寸等方面呈現優勢。在圖示之實施中，兩電晶體被提供並表示個別充電110及放電112電晶體。充電電晶體110被用於啟動該電池胞120之安全充電。放電電晶體112被用於啟動該電池胞120之安全放電。該充電及放電電晶體110、112被串聯。在一實施中，兩NFET電晶體被使用且以一串聯配置耦接汲極與汲極。替代地，兩PFET電晶體可被使用及源極與源極耦接。在一PFET解決方案中，可需要未顯示之額外二極體以提供電源至該電池管理系統130(例如用以供給Vfet )。
在圖示之實施中，該充電及放電電晶體110、112係以一高側配置(即該串聯電晶體被耦接至該電池胞之高側，而非一低側配置)加以耦接。在圖示之高側配置中，該充電電晶體110之一終端(在一NFET實施中為一源極)被耦接至該電池胞120－1的正極。放電電晶體112之一終端(亦為一NFET實施中的一源極)被耦接至該外部電池組正極150。該充電及放電電晶體110、112之個別第二終端被彼此相連(在一NFET實施中形成一汲極－汲極接面)。充電電晶體110及放電電晶體112之閘極分別於輸入OC及OD被耦接至電池管理系統130。類似地，該電晶體110、112之間的接面於一電池管理系統輸入(此文中有時稱之並於第1B圖中標示為Vfet )被耦接至該電池管理系統130。該電池管理系統輸入提供操作電源至該電池管理系統130。
在圖示之實施中，需要兩電晶體以阻擋兩方向的電流流動。更特言之，FETs包括一寄生二極體(分別被標示為110－1及112－1)，且因而具有一單一FET無法允許關閉兩方向中的電流流動。當兩FETs被串聯使用時，(源極對源極或汲極對汲極)，流進及流出該電池胞的電流可被關閉。類似地，當使用兩電晶體時，可執行選擇性控制以允許一特定時間中僅有一單一方向中的電流流動(例如允許充電但不允許放電，直到足夠充電已被至於該電池胞中)。
電池胞120為可再充電電池且可為鋰離子(Li－ion)或鋰聚合物(Li－polymer)之形式。其他電池技術類型亦為可能的。在提供多個電池胞時，該電池胞120被串聯。在圖示之兩電池胞實施中，電池胞120－1之最頂端正極被耦接至該電池管理系統130(例如用以允許該電池電壓位準之偵測)以及該個別電晶體之一(即該充電電晶體110)。該最頂端電池胞120－1之負極以及該最底端電池胞120－2之正極被彼此耦接且於輸入170被耦接至該電池管理系統130。該串聯中最底端電池胞120－2之負極被耦接至該電池管理系統130(例如以允許該電池管理位準之偵測)以及至該分流電阻114之一終端。雖然圖中顯示一兩電池胞實施，其他數量的電池胞可被包括於該電池組100中，包括一單一電池胞以及其他多電池胞配置。該分流電阻114之第二終端被耦接至區域地面(電池管理系統區域地面)、該電池管理系統130(以允許通過該分流電阻114之電流流動的偵測)以及至該電池組100之外部電池組負極140。
電池管理系統130包括監管電子以保護該電池組避免不正確操作、監控電子以估計剩餘電池容量、一控制器(例如一微控制器)以供系統控制及與耦接至該電池組之裝置及/或該充電器以及記憶體(例如EEPROM、快閃ROM、EPROM、RAM等等)間的通信。如前所述，特定電池技術若被不當使用可造成危險狀態。舉例來說，Li－ion及Li－polymer電池若被過度充電或過快放電便可能過熱、爆炸或自燃。再者，Li－ion及Li－polymer電池若被過度放電則可損失大量的充電容量。電池管理系統130包括監管電子以確保無錯誤操作，其至少一者為完全開啟及關閉該充電電晶體(即充電電晶體110)以確保不當充電不會發生。再者，提供該充電電晶體之完全開啟以啟動該電池胞之快速充電。類似地，該電池管理系統130包括監管電子以提供該放電電晶體(即放電電晶體112)的完全開啟及關閉以確保當耦接至一裝置時的適當放電特性。該充電及放電電晶體之開啟與關閉將於下文更詳細地加以討論。
為電池管理系統130之部分的監控電子可被用於估計剩餘電池容量。電池容量資訊可透過一通信埠終端160於該電池管理系統130與一連接之裝置/充電器之間通信。如下文之更詳細討論，一微控制器(以及相關記憶體)可被包括於電池管理系統130中且可提供系統控制以及與一連接裝置之通信。
電池管理系統
第2圖顯示用於該電池組100中一示範電池管理系統130之一方塊圖。該電池管理系統130一般包括一處理器202(例如植基於一RISC結構之一低電源、CMOS 8位元微處理器)、一電池保護電路204、一電流流動控制器206、電壓調整器208、電源監督器210、充電偵測器212、時脈建立器214、埠216、記憶體218、參考電壓220以及監控計時器222。該處理器202、埠216、電池保護電路204以及參考電壓220各自被耦接至一資料匯流排224。
該電池管理系統130之一實際實施可包括其他元件及子系統，為了簡潔目的已將其自第2圖中移除。舉例來說，該電池管理系統130可包括用於電池監控之電路(例如類比至數位轉換器)、用於平衡電池胞電壓之電池胞平衡電路(例如電池胞平衡FETs)、用於與一外部裝置通信之一通信裝置、雜訊抑制電路、喚醒計時器、以及其他監控或控制電路。
該記憶體218可被寫入由該處理器202執行以執行各種任務之指令，例如電池胞平衡、電池保護以及用於判定充電位準之電流測量。
在某些實施中，該電流流動控制器206具有被耦接至外部裝置的數個輸出(例如OC、OD)，該電流流動控制器206配置該外部裝置以控制該電池胞與一裝置或充電器之間的電流流動。該電流流動控制器206包括各種電路及邏輯(例如操作放大器、控制及狀態暫存器、電晶體、電容、二極體、反相器、閘極等等)以供於該輸出(例如OC及OD)建立電壓。在某些實施中，該OC輸出為一高電壓輸出，其被耦接至一充電FET(例如充電電晶體110)之閘極以完全或部分開啟或關閉該充電FET，以控制一充電事件過程中的電流流動。該OD輸出為一高電壓輸出，其被耦接至一放電電晶體(例如放電電晶體112)之閘極以完全或部分開啟或關閉該放電FET，以控制一放電事件過程中的電流流動。第1B圖顯示一高側實施之FET裝置的一示範配置，其用於回應源自該電流流動控制器206之控制電壓而控制電流流動。
該電流流動控制器206透過介面240被耦接至該電池保護電路204。該電池保護電路204包括用於監控該電池胞電壓及充電/放電電流之電路(例如一差動放大器)以偵測錯誤狀態，且用以起始動作(例如關閉或部分關閉充電及放電FETs)以保護該電池組100不被損壞。錯誤狀態之範例包括但不限於：放電過程中的過低電壓、放電過程中的短路以及充電及放電過程中的過高電流。在某些實施中，一電流感測電阻(Rsense ，即分流電阻114)可被耦接跨過該電池保護電路204之PPI及NNI輸入，其中PPI為該電流感測電阻之一未過濾正輸入，而NNI為該電流感測電阻之一未過濾負輸入。該電流感測電阻可被耦接至該電池胞以及電池管理系統130，如關於第1B圖所示。
閘極驅動器
現在參照第3圖，該圖顯示關於該電池組100之高電壓前端中該充電電晶體(OC FET)的一驅動電路300。驅動電路300形成第2圖之電流流動控制器之部分並包括閘極驅動器302。閘極驅動器302可用於提供一驅動信號至該充電電晶體(即充電電晶體110)之輸入閘極。該閘驅動器302之另一實例可用於提供一驅動信號至該放電電晶體(即電晶體112)之輸入閘極。在一實施中，該閘極驅動器302提供之驅動信號之特性為：其被關閉時表示實質上位於該電池管理系統130之地面位準之一低狀態位準。在一實施中，該閘極驅動器302提供之驅動信號之特性為：其被開啟時表示實質上等於該電池管理系統操作供應加上一常數(該”升壓”)的一高狀態位準。在一實施中，該常數為一位能，其被升降以確保該充電電晶體之完全開啟。藉由提供該額外升壓，閘極驅動器302可被確保完全開啟該充電電晶體並允許該電池胞的快速充電。
閘極驅動器302包括輸入，其分別包括高及低啟動信號304、306以及一時脈信號308。閘極驅動器302之實例提供一輸出信號310，其驅動該充電FET(OC FET，即充電電晶體110)以及該放電電晶體(即電晶體112)。閘驅動器302包括一充電幫浦303以及關閉開關350。充電幫浦303可用於提供一驅動信號(開啟信號)至該充電電晶體110。該充電幫浦303係由時脈信號308以及高啟動信號304所控制。該充電幫浦303之控制將於下文更詳細地加以描述。該關閉開關350可用於提供一第二類型之驅動信號(該關閉信號)至該充電電晶體110。該關閉開關350係由低開啟信號306所控制且將於下文更詳細地加以描述。
充電幫浦
在一實施中，充電幫浦303包括一驅動信號來源320、升壓邏輯330、信號升壓器340－1及340－2以及多個阻擋二極體342、344、346。
驅動信號來源320提供一初始位準驅動信號，其由充電幫浦303之操作所升高。在圖示之實施中，驅動信號來源320為一位準移位器，其包括互補電晶體324、326。如圖所示，互補電晶體324及326具有互補的閘極，亦即在一特定時間僅有一者被開啟。對於互補電晶體324、326之閘極輸入係由一反相器322所提供。對反相器322之輸入係由高開啟信號304所提供。因此，隨著高開啟信號304被升高，對反相器322之輸入亦被升高。隨後，反相器322之輸出被降低且被提供至互補電晶體324、326之閘極輸入。低輸入被開啟之高側電晶體324係由反相器322提供之低信號所開啟，造成該電池管理系統供應電位(即Vfet )被提供至該驅動信號來源320之輸出。替代地，若該高開啟信號304被降低(即對於反相器322之輸入為低)，則反相器322之輸出被升高且被提供至互補電晶體324、326之閘極輸入。在此狀態中，高輸入被開啟之低側電晶體326係由反相器322提供之高信號所開啟，造成該電池管理系統地面電位(即GND)被提供至該驅動信號來源320之輸出。在此方式中，該驅動信號來源320依據該高開啟信號304被配置以提供實質之一地面或實質之一操作電位信號至該充電幫浦電路之剩餘者，如下文之進一步討論。
驅動信號來源320之輸出被提供至阻擋二極體342的一輸入。阻擋二極體342允許該驅動信號來源320之輸出信號傳送至充電幫浦303之輸出，同時阻擋任何回傳信號。阻擋二極體342之輸出被耦接至一第二阻擋二極體344之輸入，如下文之進一步討論。
提供升壓邏輯330以選擇性地控制一升壓信號加入該驅動信號來源320所提供之驅動信號。在圖示之實施中，升壓邏輯330包括AND閘332以及反相器334、336。對AND閘332之一輸入為該高開啟信號304。對AND閘332之一第二輸入為一時脈信號308。在一實施中，時脈信號308為一快速時脈信號，其允許該充電幫浦快速達到該正確電位位準(例如一3.6 MHz)。替代地，消耗較少功率之一慢速時脈信號(例如131 kHz)可被使用。在一實施中，充電幫浦303於該時脈信號輸入308依據該電池管理系統130之一操作模式而被提供一快速或慢速時脈信號之一者。舉例來說，若該電池管理系統130處於一低電源或睡眠模式中，則該慢速時脈信號可被提供至該充電幫浦303。替代地，若該電池管理系統130不處於一低電源模式中，則一快速時脈信號可被提供至該時脈信號輸入308。在另一實施中，一快速時脈信號可於一預定時期中(例如初始地)被提供至該充電幫浦303，即使在該低電源模式中。如此可確保該FET驅動器(即閘極驅動器302)即使於低電源模式中仍能快速到達該正確充電位準。
AND閘332之輸出被提供至反相器334之輸入。反相器334之輸出被提供至反相器336之輸入以及信號升壓器340－1的輸入。反相器336之輸出被提供至信號升壓器340－2的輸入。在一實施中，該升壓邏輯閘之電源分別被該電池管理系統130提供之一調整電壓所提供。該調整電壓(VREG )係由該電池管理系統130之一電壓調整器208(升壓、線性調整器之一或兩者)所提供。
信號升壓器340可為電容元件之形式。在一實施中，每個信號升壓器340為實質上容量為10微法拉的一電容。信號升壓器340－1之輸出被耦接至第二阻擋二極體344的輸入。該第二阻擋二極體344之輸出被耦接至一第三阻擋二極體346之輸入。第一阻擋二極體342阻止該第一信號升壓器340－1的輸出被傳回該驅動信號來源320。信號升壓器340－2的輸出被耦接至該第三阻擋電阻346的輸入。第二阻擋電阻344阻止信號升壓器340－2的輸出被傳回至該驅動信號來源320(或在該事件進入信號升壓器340－1)。第三阻擋電阻346允許在該信號升壓器340－2被升高時升壓該輸出信號並阻止該電容負載上的結果高信號位準於該信號升壓器340－2被降低時被傳回至該信號升壓器340－2。第三阻擋二極體346之輸出被耦接至建立輸出信號310之閘極驅動器302的輸出。典型地，該輸出信號310被耦接至一大電容負載。充電幫浦303之操作以及其各種元件將於下文中更詳細加以討論。
在一實施中，充電幫浦303包括一箝位器(clamp)360。箝位器360保護該電池管理系統130之內部電路並可提供一箝位以確保在具有一高充電電壓時可關閉充電。在圖示之實施中，箝位器360為耦接於充電幫浦303之輸出以及電池管理系統地面(GND)之間的一穩壓二極體(zener diode)形式，其尺寸及比例被適當調整以確保該充電幫浦提供之開啟驅動信號足以開啟該充電電晶體之輸入閘極。
關閉開關
關閉開關350亦被耦接至該閘極驅動器之輸出以建立一關閉輸出信號310。關閉開關350係由低開啟信號306所開啟。在圖示之實施中，關閉開關為耦接於該充電幫浦303及電池管理系統地面(GND)之間的一電晶體形式。該低開啟信號306被提供為對該電晶體之閘極的一輸入以控制該關閉開關350的開啟及關閉。當被開啟時(即低開啟信號306被設置時)，關閉開關提供一直接信號路徑至晶片地面，因而提供一地面信號至該充電電晶體之閘極(例如完全關閉一NFET充電電晶體之閘極)。高開啟信號304及低開啟信號306為互補的，因而在任一特定時間僅有一者被開啟。依據何者被開啟，該關閉開關350或充電幫浦303之一者提供該輸出信號310，藉以控制該充電電晶體之開啟與關閉。
操件
閘極驅動器302操作於至少兩模式之一者中：高(開啟的)或低(關閉的)。在高(開啟的)模式中，充電幫浦303提供一輸出信號310，其位準實質上等於該電池管理系統加上一常數。在一實施中，該常數等於2乘以一調整電壓輸入減去二極體電壓降(Voc＝VFET ＋2VREG －diodes)。
在第3圖所示之實施中，該常數係由下述所建立。當該閘極驅動器302被開啟時，該高啟動信號304依據前述加以設置。提供至該輸入至AND閘332之時脈信號308之時脈頻率切換於高低之間。一開始，當該閘極驅動器被啟動，且未提供時脈信號時，可做出以下觀察：第3圖上的A點實質上位於Vfet 減去一二極體電壓降的一電位，B點實質上位於Vfet 減去二二極體電壓降的一電位而C點實質上位於Vfet 減去三二極體電壓降的一電位。當該時脈信號308轉變為高時(該高啟動信號308將被設置)，AND閘332之輸出為高。AND閘332之高輸出被提供至輸出降低的反相器334。反相器336之高輸出提供一電位(VREG )至信號升壓器340－2的輸入(例如該電容元件340－2的較低平板遇見VREG )。回應至反相器336提供之輸入電位，該信號升壓器340－2的輸出(例如該電容元件340－2的反面平板)由該VREG 電位所升高。在圖示之實施中，該電容元件係由等於該反相器336提供之電位的一數量所充電，於節點B建立一升高信號(於該充電幫浦303之輸出上)。更特言之，當該時脈信號升高時可做成以下觀察：第3圖上的節點A一開始降低(由於反相器334之輸出所建立的低電位)但隨後由該驅動信號來源320回升至Vfet 減去一二極體電壓降的位準；B點實質上位於Vfet 加上VREG 的一電位；而C點位於Vfet 加上VREG 減去一二極體電壓降的一電位。當該時脈信號改變狀態並再次降低時，藉以關閉該反相器336，而一類似升壓發生。
更特言之，當該時脈信號308為低(該高啟動信號304再次將被設置)，AND閘332之輸出為低。AND閘332之低輸出被提供至輸出升高的反相器334。反相器334的高輸出提供一電位(VREG )至信號升壓器340－1的輸入(例如該電容元件340之較低平板遇見VREG )。回應反相器334提供之輸入電位，該信號升壓器340－1的輸出(例如該電容元件340－1的反面平板)由該VREG 電位所升高。在圖示之實施中，該電容元件係由等於該反相器提供之電位的一數量所充電，因而於節點A建立一升高信號(在該充電幫浦303之輸出上)。更特言之，當該時脈信號降低時，可做成以下觀察：第3圖上的A點升高至減去一二極體電壓降加上(由於反相器334之輸出所建立的高信號位準)；B點實質上位於Vfet 加上兩倍VREG 減去一二極體電壓降的一電位：而C點位於Vfet 加上兩倍VREG 減去兩倍二極體電壓降的一電位。
因此，藉由提供該時脈信號從高至低的震盪，信號升壓器340－1及340－2被替代地開啟(例如充電)以便升高充電幫浦303提供的輸出信號310。於節點A，開啟時(例如當該高開啟信號304被設置時)的信號位準實質上等於該電池管理系統供應(即VFET )加上VREG (源自信號升壓器340－1的升壓)減去一二極體(例如阻擋二極體342)。於節點B，當開啟時的信號位準實質上等於該電池管理系統供應(亦即VFET )加上兩倍VREG (一升壓源自信號升壓器340－1而一升壓源自信號升壓器340－2)減去兩二極體(阻擋二極體342及344)。於該充電幫浦303之輸出(節點C)，當開啟時的信號位準實質上等於該電池管理系統供應(亦即VFET )加上兩倍VREG 減去三二極體(阻擋二極體342、344、346)。如前所述，在某些實施中，於節點提供之輸出信號310可被箝位，例如藉由箝位器360。
雖然第3圖說明一閘極驅動器302之一實施，但其他配置亦為可能的。舉例來說，超過兩信號升壓器340可被包括於該閘極驅動器302中。在一實施中，多個信號升壓器(340－1、...、以及340－n)、相關阻擋二極體以及反相器邏輯被用於建立一預定位準之一升壓開啟信號(例如建立一輸出信號實質上等於Vfet 加上n*VREG 減去n二極體電壓降)。
在某些實施中，其他電路可與該閘極驅動器302相連。舉例來說，可提供控制電路以部分開啟該充電電晶體之閘極，例如可被需要以管理從該電池之一過低電壓狀態中回復。為了簡潔之目的，這些其他電路元件僅被留下顯示之驅動電路300。再者，顯示高及低開啟信號304及306之開啟及關閉已被省略。形成電池管理系統130之部分的監管電路可提供高及低開啟信號304、306之一者或兩者。舉例來說，電池管理系統130可包括用於偵測一適當或不正常充電器之連接的一獨立輸入。若偵測到一不正常(即有害的)充電器，可設置該低開啟信號306。高及低開啟信號304、306之設置可由該微控制器(即處理器202)之監管、電池保護模組204或該電池管理系統130中的其他元件所建立或監管。
第3圖說明關於該電池組之一充電電晶體之一閘極驅動器的一配置。對於該放電電晶體可包括一相似的閘極驅動器。亦即在一實施中，一獨立閘極驅動器被提供給該電池組之放電電晶體以便允許該個別充電及放電電晶體的獨立或完全控制。該些習知技藝人士將瞭解前述關於與該充電電晶體相關之閘極驅動器(例如閘極驅動器302)的所有變化可用於提供給該放電電晶體之閘極驅動器，其包括升壓該開啟信號以供完全開啟該放電電晶體。
雖然已建立升壓一開啟信號的參照(例如升壓使用之信號位準以完全開啟一充電或放電電晶體之一)，前述說明於適當之處可被用於升壓一關閉信號之信號位準(例如當使用PFETs以及使用具有升壓之一閘極驅動器以便關閉該PFETs時)。
閘極驅動器方法
現在參照第4圖，該圖提供用於一方法400之一流程圖以供驅動一充電或放電電晶體之一者的閘極。驅動方法400包括三明確部分：一升壓階段402、一開啟階段404以及一關閉階段406。
該升壓階段402可於該開啟階段之前或同時發生。亦即，該驅動信號之升壓可於一充電/放電電晶體之開啟前或者與開啟同時發生。該升壓階段包括提供可變化之一驅動信號(410)(例如該驅動信號為該電池管理系統供應Vfet ，其可隨著該電池胞之電位或者於具有一充電器時變化)並升壓該驅動信號(412)。
該開啟階段404包括偵測一開啟觸發(420)。該開啟觸發可包括一適當充電器之偵測。此外，該開啟觸發可包括指示該電池胞可被安全充電之一適當狀態信號的偵測。在偵測到該開啟觸發後，一充電開啟信號可被提供(422)且升壓驅動開啟信號可被提供(424)至一充電電晶體以開啟快速及完全充電。
該關閉階段406包括一關閉觸發之偵測(430)。該關閉觸發可包括指示該電池胞無法被安全充電之一適當狀態信號的偵測。替代地，該關閉觸發可包括指示任何不安全狀態之一適當狀態信號的偵測。在一實施中，充電及放電電晶體於一潛在危險狀態之偵測時被關閉，例如短路。替代地，該關閉觸發器可為一預設設定，其被維持於一開啟觸發不存在時。在偵測該關閉觸發之後，一充電關閉信號可被提供(432)且一關閉信號可被提供(434)至一充電電晶體以完全關閉充電。一推知方法可被用於開啟及關閉該放電電晶體(亦即類似於升壓以提供適當驅動開啟之形式，但推知該放電電晶體係以完全不同之觸發所開啟與關閉)。如前所述，在需要時可使用該關閉信號之升壓以確保該充電及放電電晶體的完全關閉。
前文已描述本發明之數種實施例。然而，將瞭解可做成各種修改而不會偏離本發明之精神及範圍。因此，其他實施例亦位於以下申請專利範圍中。
50．．．應用
100．．．電池組
102．．．裝置
104．．．充電器
106,108．．．媒體
110,112．．．電晶體
110－1,112－1．．．寄生二極體
114．．．分流電阻
120．．．電池胞
130．．．電池管理系統
140．．．負極
150．．．正極
160．．．通信埠終端
170．．．中心點
202．．．處理器
204．．．電池保護電路
206．．．電流流動控制器
210．．．電源監督器
212．．．充電偵測器
214．．．時脈建立器
216．．．埠
218．．．記憶體
220．．．參考電壓
222．．．監控計時器
224．．．資料匯流排
230．．．介面
300,600．．．電壓調整器
302．．．閘驅動器
303．．．充電幫浦
304,306．．．啟動信號
308．．．時脈信號
324,326．．．互補電晶體
330．．．升壓邏輯
332．．．AND閘
334,336．．．反相器
340－1,340－2．．．信號升壓器
342,344,346．．．阻擋二極體
350．．．關閉開關
360．．．箝位器
第1A圖為包括一電池組之一應用的一概要圖；第1B圖為一電池組之一概要圖；第2圖為一電池管理系統之一方塊圖；第3圖為用於驅動一充電電晶體之一驅動電路的一方塊圖；及第4圖為一升壓驅動方法的一流程圖。
相似的參照編號在各圖示中係指相似元件。
50．．．應用
100．．．電池組
102．．．裝置
104．．．充電器
106．．．媒體
108．．．導電媒體

Claims (15)

  1. 一種用於電池管理之方法，其至少包含以下步驟：判定一充電器耦接至一電池系統，該電池系統包括一或多個耦接至一高側NFET充電開啟(enable)電晶體之電池胞，該電池系統進一步包括一耦接至該高側NFET充電開啟電晶體之驅動電路；及開啟該充電開啟電晶體，其包括在一電位大於該一或多個電池胞之一電位時，使用該驅動電路驅動該高側NFET充電開啟電晶體之一閘極。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中驅動步驟包括升壓一在該電池胞電位之一位準處所提供之驅動信號。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之方法，更包含升高該驅動信號至一升壓信號位準以驅動該高側NFET充電開啟電晶體之該閘極。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中升高該驅動信號之步驟包括電容性耦接一升壓信號至位於該電池胞之電位的驅動信號。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中升壓該驅動信號之步驟包括升壓該驅動信號至實質上等於該電池胞之電位加上一常數的一位準。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中該常數實質上等於一調整電壓之兩倍，該調整電壓係源自該電池胞。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中該常數實質上等於該調整電壓之兩倍減去關於阻擋二極體之電壓降。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中該常數約大於一調整電壓之兩倍。
  9. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中該常數約大於一調整電壓之兩倍減去關於阻擋二極體之電壓降。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中驅動步驟包括以一升壓器電路升壓一驅動信號。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中：該驅動電路包括一充電幫浦且該充電幫浦包括一升壓邏輯電路、一驅動信號來源、一或多個信號升壓器、及一箝位器；該升壓邏輯電路可操作以選擇性地控制將一升壓信號加至該驅動信號；該驅動信號來源包括一位準移位器，該位準移位器包括一或多個互補電晶體；該驅動信號來源可操作以提供一由該充電幫浦升高之初始位準驅動信號，其中該初始位準驅動信號係提供在該胞電位之一位準處；該一或多個信號升壓器包含一或多個電容元件；且該箝位器包含一耦接於該充電幫浦之輸出及該電池系統之一地面電位節點之間之穩壓二極體(zener diode)。
  12. 一種用於電池管理之方法，其至少包含以下步驟：允許判定一裝置是否耦接至一電池系統，該電池系統包括一或多個耦接至一高側NFET放電開啟電晶體之 電池胞，該電池系統進一步包括一耦接至該高側NFET放電開啟電晶體之驅動電路；及開啟該放電開啟電晶體，其包括使用該驅動電路將該高側NFET放電開啟電晶體之一閘極驅動至大於該一或多個電池胞之一電位的一電位以允許該裝置的放電。
  13. 一種充電及放電一電池系統的方法，其至少包含以下步驟：偵測用於充電一電池系統之一或多個電池胞的一第一開啟觸發是否存在；若該第一開啟觸發存在，則將關於該電池系統之一高側NFET充電開啟電晶體開啟到至一開啟狀態，其包括將該高側NFET充電開啟電晶體之一第一閘極驅動至大於該一或多個電池胞之一第三電位的一第一電位；偵測用於放電該電池系統之該一或多個電池胞的一第二開啟觸發是否存在；若該第二開啟觸發存在，則將關於該電池系統之一高側NFET放電開啟電晶體開啟到一開啟狀態，其包括將該高側NFET放電開啟電晶體之一第二閘極驅動至大於該一或多個電池胞之一第四電位的一第二電位。
  14. 一種用於電池管理之設備，其至少包含：一高側NFET充電開啟電晶體，其可被用於開啟一電池組之一或多個電池胞的充電步驟；及一耦接至該高側NFET充電開啟電晶體且可用於驅動該充電開啟電晶體之一閘極之驅動電路，該驅動電路 包括：一驅動信號來源，其提供一驅動信號以驅動該高側NFET充電開啟電晶體之一閘極；及一信號升壓器，其耦接至該驅動信號來源且可操作用於將該驅動信號驅動至大於該電池組之該一或多個電池胞之一電位的一升壓位準。
  15. 如請求項14之設備，其中：該驅動電路包括一充電幫浦且該充電幫浦包括一升壓邏輯電路、該驅動信號來源、該信號升壓器、及一箝位器；該升壓邏輯電路可操作以選擇性地控制將一升壓信號加至該驅動信號；該驅動信號來源包括一位準移位器，該位準移位器包括一或多個互補電晶體；該驅動信號來源可操作以提供一由該充電幫浦升高之初始位準驅動信號，其中該初始位準驅動信號係提供在該電池組之一或多個電池胞之位準處；該信號升壓器包含至少一個電容元件；且該箝位器包含一耦接於該充電幫浦之輸出及該電池系統之一地面電位節點之間之穩壓二極體(zener diode)。
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