TWI418109B - 電池設備、用於電池系統之積體電路及電池保護方法 - Google Patents

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    • H02J7/00304—Overcurrent protection

Description

電池設備、用於電池系統之積體電路及電池保護方法
揭露之實施係有關於電子電路。
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(例如一微控制器、類比前端等等)以供提供電池胞管理與保護以及建立電量剩餘測量。
許多傳統電池組包括一鋰離子電池胞，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。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，並保護使用者遠離爆炸電池及其他危險事件。
當一電池組被連接至一裝置時，或者當該裝置具有高電源消耗之一特性(例如一螢幕)時，一高電流可自該電池組汲取一段時間。這些事件為正常電池操作之部分，且應被管理而使得該電池組及裝置可維持穩定操作。理想地，一電池組應作用以保護電池胞不具有高電流維持於一段長時間(即長於正常高電流事件)，因為此電流對於該使用者有潛在危險且會損害該電池胞。此不正常高電流事件可藉由停止該高電流流動而防止。然而，停止該電流流動可造成該電池組之輸出電壓降至零或接近零，導致該電池系統的不穩定操作。因此，辨別正常操作導致之高電流以及潛在危險及/或損害之高電流是重要的。
傳統電池組並不辨別正常操作導致之高電流以及潛在危險及/或損害的高電流。高電流通常被視為潛在危險及/或損害的，即使其係由正常操作所致。
傳統電池保護解決方案的缺點可由關於在過電流及短路狀態中的電源突波過濾所克服。
在某些實施中，一電池系統包括一電池胞、耦接至該電池胞的一電池保護電路、以及耦接至該電池保護電路之一處理器以供判定一電池保護事件是否已發生。該電池系統亦包括耦接至該電池胞及該處理器之一電壓調整器電路。該電壓調整器電路可設置成提供電源至該處理器。一能量儲存裝置被耦接至該電壓調整器且可設置以於該電池保護事件之過程中提供該處理器電源。一切換器被耦接於該能量儲存裝置及該電池胞之間，且可設置以選擇性地在該電池保護事件之過程中自該電池胞斷開該能量儲存裝置。
在某些實施中，用於一電池系統之一積體電路包括一電池保護電路用以被耦接至一電池胞。一處理器被耦接至該電池保護電路以判定一電池保護事件是否已發生。一電壓調整器電路被耦接至該處理器且可設置成提供電源至該處理器。一能量儲存裝置被耦接至該電壓調整器且可設置以於該電池保護事件之過程中提供該處理器電源。一切換器被耦接於該能量儲存裝置以及該電池胞之間，且可設置以於該電池保護事件之過程中自該電池胞斷開該能量儲存裝置。
在某些實施中，一電池保護方法包括：自一電壓調整器提供電源至一電池系統中的一處理器，其中該電壓調整器被耦接至一電池胞並調整自該電池胞所接收之該電壓以提供電源至該電池系統；接收指示一電池保護事件之信號；在該電池保護事件之過程中，選擇性地自該電池胞斷開該電壓調整器；以及自耦接至該電池胞之一能量儲存裝置提供電源至該處理器。
在某些實施中，用於一電池系統之一積體電路包括一電池保護電路用以被耦接至一電池胞。一處理器被耦接至該電池保護電路且可設置以自該電池保護電路接收信號以判定一電池保護事件是否已發生。一電壓調整器電路被耦接至該處理器且可設置以於電池保護事件之外的時間過程中提供電源至該處理器。一能量儲存裝置被耦接至該電壓調整器，且可設置以於該電池保護事件之過程中提供電源至該處理器。
在某些實施中，一電池保護方法包含：接收指示一電池保護事件之信號；提供一中斷信號至該處理器；以及回應該中斷信號改變該處理器為一低電源消耗模式。
其他揭露之實施係指具有下述一或多個各種特徵的系統、方法及裝置。
第1A圖為用於一應用50之一示範電池組100的一方塊圖。該電池組100可被耦接至一裝置102或一充電器104。當耦接至該充電器104時，該電池組之終端(即正極與負極以及通信終端)由一媒體106被耦接至該充電器104之對應終端(即正極與負極以及通信終端)以允許關於該電池組100之電池胞的充電。該媒體106可為電線、導線、針腳或任何其他電子連接方式。
類似地，當被耦接至一裝置102時，該電池組100之終端(即正極與負極以及通信終端)由一導電媒體108被耦接至該裝置102之對應終端(即正極與負極以及通信終端)以允許該裝置102之操作。該媒體108可為電線、導線、針腳或其他電子連接方式。在某些實施中，該電池組100被選擇性地於一通信埠C耦接至裝置102及充電器104。通信埠允許資訊(例如命令及控制)於該裝置102、該充電器104以及該電池組100之間的傳輸。可被交換之資訊的一範例包括該電池充電位準(例如容量)。
第1B圖為該電池組之一更詳細概要圖。在某些實施中，該電池組100包括一或多個電池胞120、個別電晶體110、112、一電流感測電阻114以及一電池管理系統130。該電池管理系統130可包括一或多個積體電路(即晶片或晶片組)。該個別電晶體110、112及/或該電流感測電阻114可被實施於相同封裝(例如一積體電路)中及/或於相同矽中。
在某些實施中，該個別電晶體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，個別電晶體110、112被說明為場效電晶體(FET)裝置。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、尺寸等方面具有優勢。在圖示之實施中，該個別電晶體110、112亦分別被稱為充電及放電電晶體。該充電電晶體110被用於啟動該電池胞120之安全充電。該放電電晶體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被顯示為串聯的。
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(亦即該串聯電晶體被耦接至該電池胞之高側，而非該電池胞之低側)加以耦接。在該高側配置中，該充電電晶體110之一終端(例如一NFET裝置之源極)被耦接至該電池胞120－1的正極。放電電晶體112之一終端(例如一NFET裝置之源極)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耦接(例如當使用NFET裝置時形成一汲－汲節點)。該充電電晶體110以及放電電晶體112之閘極分別於輸入OC及OD被耦接至該電池管理系統130。類似地，該電晶體110、112之間的節點於一晶片供應電壓輸入(此處亦稱為Vfet )被耦接至該電池管理系統130。該晶片供應電壓輸入提供電源至該電池管理系統130。
在圖示之實施中，該電晶體110、112被用於阻擋該電池胞120與該裝置102或充電器104之間兩方向之電流流動。若該電晶體110、112為FETs，則其將各自包括一寄生二極體(分別標示為110－1、112－1)。因此，具有單一FET將不允許關閉兩方向的電流流動。當兩FETs被串聯(源極對源極或汲極對汲極)使用時，流進及流出該電池胞120的電流可被開啟或關閉。舉例來說，當使用兩電晶體時，該電晶體可被選擇性地控制(例如藉由應用控制電壓至其閘極)以允許電流於一特定時間(例如允許充電但於足夠電量已被置入該電池胞前不允許放電)僅於單一方向中流動。
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。當提供多個電池胞時，該電池胞120可被串聯。在圖示之多電池胞實施中，該電池胞120－1之一最頂部正極被耦接至該電池管理系統130(例如以允許該電池電壓位準的偵測)以及該個別電晶體之一(即該充電電晶體110)。該串聯中最底部電池胞120－2被耦接至該電池管理系統130(例如以允許該電池電壓位準之偵測)以及該電流感測電阻114之一端。該電流感測電阻114之另一端被耦接至區域地面(電池區域地面)、該電池管理系統130(以允許流過該電流感測電阻114的測量)以及該電池組100的外部負極140。該電池胞120－1的負極以及該電池胞120－2的正極被耦接在一起。在一實施中，該電池胞120－1、120－2之間的中心點170被耦接至該電池管理系統130。
雖然第1B圖顯示以汲極對汲極連接之兩NFET裝置，其他裝置及配置亦為可能的。舉例來說，可藉由適合配置使用PFET裝置，例如源極對源極。
電池管理系統
第2圖為用於該電池組100中之一示範電池管理系統130的一方塊圖。該電池管理系統130一般包括一處理器202(例如依據RISC結構之一低電源、CMOS 8位元微控制器)、一電池保護電路204、一電池保護電路/處理器介面230、一電流流動控制器206、一電源監督器210、一充電偵測器212、一時脈建立器214、埠216、記憶體218、一參考電壓220以及一監控(watchdog)計時器222。該處理器202、埠216、電池保護電路204級參考電壓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，其為了簡潔目的已自第2圖移除。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平衡電路(例如電池胞平衡FETs)、雜訊抑制電路、一喚醒計時器等等。
記憶體218可被寫入指令，其可被該處理器202所執行以實行各種任務，例如電池胞平衡、電池保護以及用於判定剩餘電源之電流測量。
在某些實施中。該電流流動控制器206具有數個輸出(例如OC、OD)被耦接至外部電晶體裝置(例如電晶體110、112)，其可由該電流流動控制器206所配置以控制在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、閘等等)以於該輸出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 110之閘極以開啟或關閉該充電FET 110以控制在一充電事件過程中的電流流動。該OC輸出為一高電壓輸出，其被耦接至一放電FET 112之閘極以完全或部分開啟或關閉該放電FET 112以控制在一放電事件過程中的電流流動。第1B圖說明FET裝置之一示範配置，以供回應該電池管理系統130之控制電壓而控制電流流動。
電池保護電路
該電流流動控制器206被耦接至該電池保護電路204(例如透過介面205)。該電池保護電路204包括電路(例如一差動放大器)以供監控及偵測該電池胞電壓以及關於電池保護事件的充電/放電電流，以及起始動作(例如關閉充電及/或放電FETs)以保護電池組100不致損壞。電池保護事件之範例包括但不限於：在放電過程中的過低電壓、放電過程中的短路以及充放電過程中的過高電流。
在某些實施中，一電流感測電阻(R)可被耦接跨越該電池保護電路204之PPI及NNI輸入，其中PPI為源自該電流感測電阻114之一未過濾正輸入，而NNI為源自該電流感測電阻114之未過濾負輸入。該電流感測電阻114可被耦接至該電池管理系統130，如第1B圖中所述。
該電池保護電路/處理器介面230提供該電池保護電路204及該處理器202之間的一可程式化介面。
偵測高電流狀態
通過該電流感測電阻114之高電流將導致跨越該電流感測電阻114的一電壓降低，其係由該電池保護電路204所偵測。在某些實施中，該電池保護電路204中的一不同操作放大器以一適當增益放大該電壓。源自該差動操作放大器的輸出係使用一類比比較器而與一參照信號(例如由一正確、可程式化晶片上參考電壓所建立)。若該偵測電流之一可程式化範例數量N 1 (例如N 1 ＝1)高於一特定限制，一早期警示中斷旗標被設置於該處理器202中。此對該處理器202指示一潛在危險狀況正在發生，而該處理器202可採取適當動作。
放電過高電流警告及保護
若該放電電流之一可程式化範例數量N 2 高於一預定放電過電流限制一段長於一預定過高電流保護反應時間之時間，該電池管理系統130啟動放電過高電流保護措施。在某些實施中，當該放電過高電流保護措施被啟動時，該外部放電電晶體112被關閉以關閉電流流動。在某些實施中，該使用者可連接一充電器至該電池組100以重新開啟該放電電晶體112。在其他實施中，一電流保護計時器於例如該電池保護電路204中被啟動。該電流保護計時器確保該放電電晶體112在被重新開啟前被關閉於一最小期間(例如至少1秒)。於記憶體218(例如EEPROM、RAM、Flash ROM等等)中由該處理器202所執行之應用軟體可被用於在該電流保護計時器逾時後重新啟動正常操作。舉例來說，該應用軟體可啟動於該電流流動控制器206中控制及狀態暫存器中的控制位元，其導致輸出OC及OD的電壓改變。在某些實施中，若該放電電晶體112被重新啟動時該電池之負載仍然過大，該放電過高電流保護措施可被再次啟動。在某些實施中，該感測電阻114由該電池保護電路204檢查放電過高電流。若偵測到放電過高電流，則僅於偵測到一充電器時開啟該放電電晶體112。
充電過高電流警告及保護
若該充電電流之一可程式化範例數量N 3 高於一預定充電過高電流偵測位準一段長於一預定過電流反應時間之時間，該電池管理系統130啟動充電過高電流保護措施。在某些實施中，當該充電過高電流保護措施被啟動時，該外部充電電阻被關閉且一電流保護計時器於例如該電池保護電路204中被啟動。該計時器確保該電晶體110被關閉一段預定期間(例如至少1秒)。於記憶體218中由該處理器202執行之應用軟體可提供該電流流動控制器206之控制及狀態暫存器中的控制位元以再啟動正常操作。若該充電電晶體110被重新開啟且該充電器持續供應過高電流，則該充電過高電流保護可被再次啟動。
短路警示及保護
在某些實施中，提供高電流偵測之一第二位準以提供對大放電電流的一快速回應時間，例如發生於一短路事件中者。該回應時間係由短於M微秒(例如100微秒)之一短路取樣間隔所判定。若該放電電流之一可程式化範例數量N 4 (例如N 4 ＝1)高於一預定短路偵測限制一段長於一預定短路反應時間之期間，該電池管理系統130啟動短路保護措施。在某些實施中，當短路保護被啟動時，可利用用於放電過電流保護之相同方式關閉該放電電晶體112。
某些應用需要一典型的100－500微秒之反應時間。然而，某些應用需要較長的反應時間，典型地為5微秒以允許更穩定操作狀況以於該裝置自該電池組汲取100一大量電流之情形中供該裝置102連接至該電池組100。
在某些實施中，該電池保護措施之啟動可造成一中斷由該電池保護電路204送至該處理器202。舉例來說，該電池保護電路204可於資料匯流排224上送出電池保護中斷至該處理器202。該電池保護中斷可由該處理器202所關閉，因而該處理器202不回應該電池保護中斷。當該處理器202接收該電池保護中斷時，其可執行各種動作，因而改變為一低電源消耗模式或送出控制命令至該電流流動控制器206以控制通過電晶體110、112之電流流動。
一旦偵測到一潛在短路違反，則設置該短路早期警示中斷。一中斷於該短路中斷被啟動時可由該處理器202所接收。在接收該中斷後，該處理器202可最小化該時間過程中的電源消耗，直到該短路保護措施被執行或直到建立該危險之來源被移除。最小化電源之一有效方式可為使該處理器202進入一睡眠模式直到一安全操作狀況可被建立。當該電流已回到一安全位準時，該處理器202可自睡眠模式中喚醒。一外部能量儲存裝置可被耦接至該電池管理系統130(例如第3圖中的能量儲存裝置308)並適當地微調以於該短路保護期間中支援該電池管理系統130。
前述用於監控、偵測及回應該電池保護之實施僅為示範性質，其他實施亦為可能的。舉例來說，其他電池保護方案為可能的，例如由專屬硬體及/或該處理器202執行之軟體所實施之過充或過放保護。
電源監督器
該電源監督器(supervisor)210藉由管理用於該電池管理系統130之各種低電源模式而協助降低系統電源消耗，其亦稱為“睡眠模式”。在某些實施中，該電源監督器210管理四種睡眠模式，允許該使用者依據需求微調該電池管理系統130之電源消耗。在一閒置模式中，該處理器202被停止，但所有周邊功能持續運作。在一省電模式中，快速震盪器被停止，僅有電池保護電路204及慢速震盪器持續運作，以及電流管理電路(例如類比至數位轉換器等等)以及一非同步計時器以供維持一即時時脈。在一低電源模式中，該時脈建立器214被停止。該電池保護電路204、該監控計時器222或一外部中斷可喚醒該電池管理系統130。在一電源關閉模式中，該處理器202指示該電源調整器208關閉該處理器202之電源，僅留下該電壓調整器208及該充電器偵測電路212為操作中的。該電源關閉模式最小化電源消耗以確保該電池胞若被儲存一段長時間未充電而不會損壞。
在某些實施中，當該充電器被偵測時，該電池組100自該電源關閉模式中醒來並執行一電源開啟重置以開始正常操作。
該電源監督器210被耦接至一供應電壓(VCC )。在某些實施中，該供應電壓為該電壓調整器208所提供之一調整電壓(VReg )。該電源監督器210亦可具有一RESET輸入。舉例來說，若在此輸入上有一低位準超過一預定最小脈衝長度，則該電池管理系統130將重置，即使該時脈建立器214未運行。
該電源監督器210亦被耦接至該監控計時器222、該充電偵測器212以及該電壓調整器208。該監控計時器222於操作於一低電源模式時提供一喚醒信號至該電源監督器210。該充電器偵測器212被耦接至一輸入(BATT)以偵測一充電器何時被連接並將此事件通知該電源監督器210，因而其可進入一適合的模式以供充電。該電壓調整器208提供該電源監督器210該調整電壓VReg 。
結合線性/步升電壓調整器
第3圖為用於第2圖中所示之電池管理系統130之一示範結合線性/步升電壓調整器300的一方塊圖。該電壓調整器300接收一輸入電壓Vfet 並提供一調整輸出電壓VREG 以供該電池管理系統130以及耦接至該電池管理系統130之外部電路所使用。Vfet 為對於該電池管理系統130之電源輸入且係由該電池胞120或一外部充電器104之一透過該電晶體110、112所提供。由於現代半導體典型地於約2－5伏特之範圍的一電源供應上執行，因而例如高達約8.4伏特之一電池胞供應不可直接供應該電池管理系統130。該電壓調整器300可調低該電池胞電壓至適於晶片上邏輯、低電壓I/O線路以及類比電路之一位準(例如約3.3伏特)。
該電壓調整器300包括一步升電壓調整器304以及一線性電壓調整器306。在某些實施中，僅有該步升電壓調整器304及該線性電壓調整器306之一可於一時間中啟動。一控制器302分別於線路上提供開啟信號318、320至該電壓調整器306、304。該開啟信號318、320判定該電壓調整器306、304中何者將被開啟或關閉，如關於第6圖中所述。
在某些實施中，當一短路發生，則該電壓調整器300偵測該輸入電壓(Vfet )已降至一特定臨界位準，如關於第6圖中所述。若該電壓降低過多，則該電壓調整器300將停止提供一調整電壓。該電壓調整器300隻輸出被耦接至一能量儲存裝置308(例如一大儲存電容)，其被用於在正常操作中移除漣波電壓且支援大電流尖峰。然而在短路事件中，該能量儲存裝置中的剩餘電力可被用於取代該電壓調整器300供應電源至該電池管理系統130(例如當該電壓調整器300不再提供調整電壓)。該能量儲存裝置308可被微調(例如1－10μF)以於該能量儲存裝置308供應該電池管理系統(例如在一短路事件中)之期間中符合該電池系統之電流供應需求。若該能量儲存裝置308由於任何因素無法供應該所需電流，則該電池管理系統130可被配置以自我重置，以確保安全操作限制可被滿足。
線性電壓調整器
第4圖為用於第3圖中所示之結合電壓調整器300中的一示範線性電壓調整器306的一方塊圖。在某些實施中，該線性電壓調整器306包括一錯誤放大器402、切換器404(M1)、405(M3)、406(M4)以及408(M2)、一電阻網路410以及一儲存電容412。該錯誤放大器402之非反相輸入於線路312上接收一穩定參考電壓(例如參考電壓220)。該錯誤放大器402(例如一差動放大器)比較該穩定參考電壓與一電阻網路410之一回授電壓Vfb ，並輸出一錯誤電壓。在某些實施中，該電阻網路410為包括電阻器R1及R2之一分壓器，其取得切換器406(M4)之輸出電壓的一比例並將其送入該錯誤放大器402之反相輸入。
該錯誤放大器402之輸出為進入該切換器404(M1)(例如一PFET)之輸入，其被耦接至由切換器405(M3)及408(M2)所組成之一電流鏡像配置。通過該電流鏡像配置之切換器408(M2)的電流被反射於該切換器405(M3)中。該切換器406(M4)之輸入被耦接至該切換器405(M3)之輸出。一開啟信號318係由例如模式選擇邏輯(第6圖)所提供以開啟/關閉該線性調整器306之輸出(例如開啟/關閉切換器406(M4))。該切換器406(M4)之輸出被耦接至該儲存電容412以及一負載(RLOAD)。
藉由第4圖中所示之配置，該電壓調整器300可藉由偵測供應電壓Vin (Vfet )已降至一預定臨界電壓位準之下而偵測一短路，如關於第6圖所述。該臨界電壓位準於單電池胞及多電池胞操作中可為不同的。當偵測到一短路時，該外部電晶體110、112可被關閉以便從該輸入電壓Vin (Vfet )斷開該電壓調整器300。在某些實施中，該外部電晶體110、112可於一時間延遲後(例如一短或長延遲)被關閉。該時間延遲可依據該裝置102(例如對一相機與一攝影機不同)加以程式化。在一短路狀態中，該電池胞120可被拉至一低電位，因而該短路狀態將從所有可用的電源尋求電力，包括第3圖中所示之能量儲存裝置308。理想上，該切換器405(M)將避免該能量儲存裝置308透過該低電位輸入Vin (Vfet )汲取。然而若以一傳統PFET實施該切換器405(M3)，則可自該能量儲存裝置308透過PFET裝置中固有之一寄生二極體汲取電流。為了避免此電流洩漏，可以另一PFET裝置實施該切換器406(M4)並反向與該切換器405(M3)結合，因而該切換器406(M4)中固有之寄生二極體以及該切換器405(M3)中固有之寄生二極體係以相反方向傳導。舉例來說，該切換器405(M3)及406(M4)可被源極對源極相連接，其個別之寄生二極體朝向遠離彼此之相反方向。在某些實施中，該切換器406(M4)於短路狀態中可由第3圖中所示之控制器302提供之信號線路318所關閉。
在其他實施中，該切換器405(M3)可使用不同處理技術加以製造以降低一寄生二極體之不良電流汲取特性。替代地，切換器405(M3)之大部分可被切換以便不需切換器406(M4)而確保該線性調整器306之關閉。
第5圖為用於第3圖中所示之結合電壓調整器300之一示範步升電壓調整器電路304的一方塊圖。該步升電壓調整器304包括一錯誤放大器502、切換器504(M1)、506(M2)以及508(M3)、充電幫浦510、電阻網路512以及一儲存電容514。該步升電壓調整器304與該線性電壓調整器306不同之處在於其可提供高於該電壓輸入之電壓輸出。此升壓電壓能力係由充電幫浦510以及如第3圖所示耦接至該步升電壓調整器304之“泵”電容(“fly”capacitor)所提供。
該錯誤放大器502(例如一差動放大器)之非反相輸入被耦接至一穩定參照電壓(例如第2圖中所示之參考電壓220)。該錯誤放大器502之反相輸入被耦接至該電阻網路512，其提供該充電幫浦510之輸出的一比例。在某些實施中，該電阻網路512為由電阻R1及R2組成之一分壓器。該充電幫浦510之輸出(VReg )被耦接至該儲存電容514以供平穩該輸出電壓。該錯誤放大器502依據其非反相及反相輸入之一比較而提供一錯誤電壓。該錯誤電壓被提供至切換器504(M1)之輸入，其被耦接至由切換器506(M2)及508(M3)所組成之一電流鏡像配置。該電流鏡像配置提供一輸入電壓Vcp 至該電壓幫浦510，其被升壓至所需電壓位準並輸入至該儲存電容514以提供該調整電壓VReg 。
與該線性電壓調整器306相反，切換器508(M3)中的寄生二極體效應可由簡單地停止線路322上的時脈信號而解決。當該充電幫浦510被停止時，於該輸入電壓Vin (VREF )在一電池保護事件過程中降低時，電流無法透過該充電幫浦510自該能量儲存裝置(例如儲存電容514)加以汲取。
模式選擇邏輯
第6圖為用於第3圖所示之電壓調整器300之控制器302中的示範模式選擇邏輯600的一方塊圖。在某些實施中，該電壓調整器300可操作於四種模式中：在一線性調整器模式中、在一結合模式中(亦即線性及升壓兩種模式)、在一步升調整器模式中以及在一短路保護模式中。在一多電池胞電池應用之某些實施中，選擇該線性電壓調整器模式(亦即僅使用線性電壓調整器306以提供VReg )。在一單電池胞電池應用之某些實施中，選擇該結合模式(亦即線性電壓調整器306及該步升電壓調整器304兩者可同時調整電壓)。其他調整器模式亦為可能的。
多電池胞電池應用
在一多電池胞電池應用中，若Vfet 高於比較器602之短路偵測位準(例如約3.2－3.3伏特(降低/升高))，則該線性電壓調整器306被啟動且該電池管理系統130係操作於線性模式中。更特言之，比較器602之輸出為高，反相器604之輸出為低而反相器606之輸出為高，藉以啟動線性電壓調整器306。該反相器606之輸出為應用於第3圖中之線路318的linear_enable信號。若該信號為高，則該線性電壓調整器400被啟動。
若Vfet 低於該比較器602之電流偵測位準，則一短路保護事件已發生。在該短路保護事件之過程中，該線性電壓調整器306自Vfet 斷開而被耦接至電壓調整器300之輸出的能量儲存裝置308提供電源至該電池管理系統130，如關於第3圖所述。更特言之，該比較器602之輸出降低、該反相器604之輸出升高而反相器606之輸出降低，關閉該線性電壓調整器306。
注意對於此多電池胞應用而言，該Linear_Only_Mode信號324避免該步升電壓調整器304於該短路保護事件中啟動。更特言之，在僅使用該線性模式之多電池胞應用中，該Linear_Only_Mode信號324為高而反相器610之輸出為低，迫使AND閘612之輸出為低並關閉該步升電壓調整器304。注意AND閘612之輸出為第3圖中所示之set_up_enable信號320。
單電池胞電池應用
在一單電池胞電池應用中，若Vfet 高於該比較器602之短路偵測位準，則該線性電壓調整器306如前所述被開啟。若Vfet 降至低於該比較器602之短路偵測位準，但保持高於比較器608之短路偵測位準(例如約為1.7－1.8伏特(降低/升高))，則該線性電壓調整器306被關閉而該步升電壓調整器304被啟動。更特言之，比較器608之輸出為高、反相器604之輸出為高且反相器610之輸出為高。由於對於該AND閘612之所有三個輸入均為高，線路320上的set_up_enable信號為高，導致該步升電壓調整器304被啟動，如第3圖中所示。注意該線性電壓調整器306由於反相器606之輸出為低(亦即該linear_enable信號318為低)而被關閉。
若Vfet 持續降至低於此單電池胞電池應用之短路偵測位準，則該線性電壓調整器306維持被關閉而該步升電壓調整器304亦被關閉。該線性電壓調整器306及該步升電壓調整器304兩者之關閉有效地停止該電壓調整器300供應調整電壓至晶片202。當該電壓調整器300不再供應調整電壓至該電池管理系統130時，耦接至該電壓調整器300之輸出的能量儲存裝置308可供應電源至該電池管理器系統130。
電池保護處理
第7圖為一示範電池保護處理700的一流程圖。該處理700之步驟不必然須以任何順序發生，且至少部分步驟可同時發生。
該處理700由監控電池保護事件之電池電壓及充電/放電電流開始(702)。此可使用該電池保護電路204及電流感測電阻R所達成，如關於第2圖所述。該處理700偵測一電池保護事件(704)並相應地使該電池胞自該電壓調整器斷開(706)。電池保護事件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放電過程中的過高電流。注意該電池偵測步驟(704)提供一電池保護事件的預先指示。
在一短路狀態之過程中，一多電池胞應用中的每個電池胞可降低至1伏特。若該電池系統必須支援單電池胞應用，則此電壓為過低的。為了這些保護事件，該電壓調整器可自我從該電池胞斷開以避免該能量儲存裝置透過該輸入電壓線路汲取電壓，如關於第4－6圖所述。在某些實施中，當電池保護被啟動時，該電池保護電路可傳送一電池保護中斷至該處理器(例如處理器202)以啟動一第電源模式之操作(708)。若該電池保護事件在一預定時期後(例如5 ms)仍然為動作中的(712)，則該電池胞將自該裝置或充電器斷開，且該處理器將被通知該電池保護事件(718)。若該電池保護事件不再動作或於預定時期已經過前被移除(712)，則該處理器將被通知且該正常操作將回復(714)。
該些習知技藝人士將瞭解前述實施僅為示範性質，且可做出許多改變而不會偏離本發明之實際精神及範圍。因此，該附加申請專利範圍意圖涵蓋所有符合本發明之實際精神及範圍之此種改變及修改。
50．．．應用
100．．．電池組
102．．．裝置
104．．．充電器
106．．．媒體
108．．．導電媒體
110,112．．．電晶體
114．．．電流感測電阻
120．．．電池胞
130．．．電池管理系統
140．．．負極
150．．．正極
170．．．中心點
202．．．處理器
204．．．電池保護電路
206．．．電流流動控制器
210．．．電源監管器
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．．．控制器
304．．．步升電壓調整器
306,400．．．線性電壓調整器
308．．．能量儲存裝置
312．．．線路
318,320．．．啟動信號
324．．．信號
402,502．．．錯誤放大器
404,405,406,408,504,506,508．．．切換器
410,512．．．電阻網路
412,514．．．儲存電容
510．．．充電幫浦
602．．．比較器
604,606,610．．．反相器
612．．．AND閘
700．．．電池保護處理
第1A圖為一示範電池組之一方塊圖；第1B圖為第1A圖之電池組的一更詳細概要圖；第2圖為一示範電池晶片的一方塊圖；第3圖為用於第2圖中所示之電池晶片的一示範結合線性及步升電壓調整器；第4圖為用於第3圖中所示之結合電壓調整器的一示範線性電壓調整器；第5圖為用於第3圖中所示之結合電壓調整器的一示範步升電壓調整器；第6圖為用於第3圖中所示之電壓調整器的示範模式選擇邏輯的一方塊圖；及第7圖為一示範電池保護處理的一流程圖。
50．．．應用
100．．．電池組
102．．．裝置
104．．．充電器
106．．．媒體
108．．．導電媒體

Claims (18)

  1. 一種電池設備，其包含：一電池組，其可操作以耦接至一裝置，其中該電池組包括：一電池胞；一電池保護電路，其耦接至該電池胞；一處理器，其耦接至該電池保護電路以判定一電池保護事件是否已發生；一電壓調整器電路，其耦接至該電池胞及該處理器，該電壓調整器電路可用於提供電源至該處理器，該電壓調整器電路包括耦接至一步升電壓調整器及一線性電壓調整器之一電壓調整器控制電路，該電壓調整器控制電路可操作以開啟或關閉該步升電壓調整器及該線性電壓調整器，該電壓調整器控制電路可操作以使該電壓調整器電路進入一線性調整器模式、一步升調整器模式、一結合模式或一保護模式；一能量儲存裝置，其耦接至該電壓調整器電路，且可被用於在該電池保護事件之過程中提供電源至該處理器；及一切換器，其耦接於該能量儲存裝置以及該電池胞之間，該切換器可被用於選擇性地於該電池保護事件之過程中自該電池胞斷開該能量儲存裝置，其中該切換器係包括於該電壓調整器電路。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該電池保護事 件為包括放電過程中短路以及充放電過程中過高電流之多個電池保護事件之一。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該能量儲存裝置為一電容。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該切換器被包括於該電壓調整器中。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該切換器為一場效電晶體(FET)裝置。
  6. 一種用於一電池系統之一積體電路，其至少包含：一電池保護電路，其用以被耦接至一電池胞；一處理器，其耦接至該電池保護電路以判定一電池保護事件是否已發生；一電壓調整器電路，其耦接至該處理器且可用於提供電源至該處理器，該電壓調整器電路包括耦接至一步升電壓調整器及一線性電壓調整器之一電壓調整器控制電路，該電壓調整器控制電路可操作以開啟或關閉該步升電壓調整器及該線性電壓調整器，該電壓調整器控制電路可操作以使該電壓調整器電路進入一線性調整器模式、一步升調整器模式、一結合模式或一保護模式；一能量儲存裝置，其耦接至該電壓調整器電路，其可被用於在該電池保護事件之過程中提供電源至該處理器；及一切換器，其耦接於該能量儲存裝置以及該電池胞之間，該切換器可被用於選擇性地於該電池保護事件之 過程中自該電池胞斷開該能量儲存裝置，其中該切換器係包括於該電壓調整器電路。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之積體電路，其中該電池保護事件為包括放電過程中短路、充放電過程中過高電流以及在電池胞電壓中一瞬間降低之多個電池保護事件之一。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之積體電路，其中該能量儲存裝置為一電容。
  9. 一種電池保護方法，其至少包含以下步驟：自一電壓調整器提供電源至一電池系統中的一處理器，其中該電壓調整器被耦接至一電池胞並調整自該電池胞接收之電壓以提供該電源至該電池系統，該電壓調整器包括耦接至一步升電壓調整器及一線性電壓調整器之一電壓調整器控制電路，該電壓調整器控制電路可操作以開啟或關閉該步升電壓調整器及該線性電壓調整器，該電壓調整器控制電路可操作以使該電壓調整器進入一線性調整器模式、一步升調整器模式、一結合模式或一保護模式；接收指示一電池保護事件的信號；在該電池保護事件之過程中：選擇性地自該電池胞斷開該電壓調整器；及自耦接至該電池胞之一能量儲存裝置提供電源至該處理器。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之方法，更包含以下步驟： 在該電池保護事件之過程中，自該電池胞斷開該能量儲存裝置。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之方法，更包含以下步驟：送出一中斷(interrupt)至該處理器；及因應該中斷而改變該處理器之一電源模式。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中改變該電源模式之步驟包括改變為一低電源消耗模式。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中改變該電源模式之步驟包括改變該電源模式為包括閒置、省電、低電源及關閉電源之多個電源模式中的一電源模式。
  14. 一種用於一電池系統的積體電路，其至少包含：一電池保護電路，其用以被耦接至一電池胞；一處理器，其被耦接至該電池保護電路且可被用於自該電池保護電路接收信號以判定一電池保護事件是否已發生；一電壓調整器電路，其被耦接至該處理器且可被用於在電池保護事件外的時間過程中提供電源至該處理器，該電壓調整器電路包括耦接至一步升電壓調整器及一線性電壓調整器之一電壓調整器控制電路，該電壓調整器控制電路可操作以開啟或關閉該步升電壓調整器及該線性電壓調整器，該電壓調整器控制電路可操作以使該電壓調整器電路進入一線性調整器模式、一步升調整器模式、一結合模式或一保護模式；及一能量儲存裝置，其耦接至該電壓調整器，其可被 用於在該電池保護事件之過程中提供電源至該處理器。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之積體電路，其中該電池保護電路於偵測一電池保護事件時送出一中斷至該處理器，而該處理器因應該中斷信號改變為一低電源消耗模式。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之積體電路，更包含：一切換器，其耦接於該能量儲存裝置及該電池胞之間，該切換器可被用於在該電池保護事件之過程中自該電池胞斷開該能量儲存裝置。
  17. 如申請專利範圍第14項所述之積體電路，其中該電池保護事件為包括放電過程中短路及充放電過程中過高電流之多個電池保護事件中的一者。
  18. 一種電池保護方法，其至少包含以下步驟：接收指示一電池保護事件之信號；提供一中斷信號至一處理器；因應該中斷信號而改變該處理器為一低電源消耗模式；及自一電壓調整器提供電源至該處理器，其中該電壓調整器被耦接至一電池胞並調整自該電池胞接收之電壓以提供該電源至該電池管理系統，該電壓調整器包括一切換器，其可被用於在該電池保護事件過程中切換一能量儲存裝置至該處理器，該電壓調整器包括耦接至一步升電壓調整器及一線性電壓調整器之一電壓調整器控制電路，該電壓調整器控制電路可操作以開啟或關閉 該步升電壓調整器及該線性電壓調整器，該電壓調整器控制電路可操作以使該電壓調整器進入一線性調整器模式、一步升調整器模式、一結合模式或一保護模式。
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