TWI434484B - 保護電池用的開關嵌入式積體電路及方法 - Google Patents

Description

保護電池用的開關嵌入式積體電路及方法

本發明係有關一種電池保護電路及方法。

使用電池的電源供應器通常配備保護電路來偵測電池的狀況，避免在電池的充放電期間出現不安全的操作，例如，過壓(over-voltage)及欠壓(under-voltage)。圖1係傳統應用在可攜式電子裝置的電池封裝10，其包括電池12及保護電路13。在保護電路13中，MOS電晶體M1及M2各具有基底二極體(body diode)D1及D2，且二者以背對背方式排列，偵測器14監視電池12的電壓並據以切換MOS電晶體M1及M2，以控制流進及流出電池封裝10的電流。在充電操作時，充電器18提供充電電流對電池12充電，在放電操作時，電池提供放電電流給負載16。

在正常操作時，MOS電晶體M1及M2皆閉路，因此允許充電電流及放電電流通過，由於MOS電晶體M1及M2的壓降很小，因此基底二極體D1及D2皆不導通。當偵測器14偵測到電池12發生過壓事件時，MOS電晶體M1開路且MOS電晶體M2閉路，基底二極體D1阻擋充電電流，只有放電電流可以通過。當偵測器14偵測到電池12發生欠壓事件時，MOS電晶體M1閉路且MOS電晶體M2開路，基底二極體D2阻擋放電電流，只有充電電流可以通過。

然而，傳統的保護電路13需要兩個MOS電晶體M1及M2，因此成本及晶粒(die)的面積較多。此外，不論放電電流或充電電流通過基底二極體D1或D2，皆造成過熱及功率損失。

本發明的目的之一，在於提出一種保護電池用的開關嵌入式積體電路及方法。

根據本發明，一種保護電池用的開關嵌入式積體電路包括具有基底二極體的MOS電晶體，以及控制邏輯電路切換該MOS電晶體及該基底二極體的方向，以控制充電電流及放電電流。第一偵測器在偵測到過壓或欠壓時，通知該控制邏輯電路關閉該MOS電晶體。第二偵測器根據電池為連接負載或充電器或浮接，通知該控制邏輯電路選擇過壓保護解除臨界值及過壓保護解除延遲時間。

根據本發明，一種保護電池用的方法包括在充電及放電路徑安排一個具有基底二極體的MOS電晶體，在過壓及欠壓時關閉該MOS電晶體及切換該基底二極體的方向，以控制充電電流及放電電流，以及根據電池為連接負載或充電器或浮接選擇過壓保護解除臨界值及過壓保護解除延遲時間。

根據本發明，一種保護電池用的開關嵌入式積體電路包括具有第一導電型的基底，具有第二導電型的隔離層在該基底上，具有該第一導電型的井在該隔離層內，MOS電晶體在該井上，以及電流最佳化電路連接該隔離層，提供電壓給該隔離層以防止寄生導通。

圖2係用以保護電池的低位側開關嵌入式積體電路20，其包括三隻接腳VDD、GND及VM。電池22連接在接腳VDD及GND之間，負載或充電器24連接在接腳VDD及VM之間。圖3係低位側開關嵌入式積體電路20的實施例，其中MOS電晶體M1連接在接腳GND及VM之間，其具有基底二極體D1，基底二極體D1的陽極經開關S2連接至接腳GND或VM，基底二極體D1的陰極經關關S3連接至接腳GND或VM，藉切換開關S2及S3可改變基底二極體D1的方向，電流最佳化電路30用以防止MOS電晶體M1在大電流操作時發生寄生導通(latch up)，第一偵測器32連接接腳VDD及GND以監視電池22的電壓來決定偵測信號Sp，第二偵測器42連接接腳VM以偵測接腳VM的電壓產生偵測信號SL供判斷接腳VM的狀態為連接充電器或負載或浮接，電流感測器40偵測充電或放電電流而產生電流感測信號Scs，控制邏輯電路34用以控制MOS電晶體M1、開關S2及S3，振盪器36提供時脈CLK，延遲電路38根據時脈CLK提供多個延遲時間tovp1、tovp2及tovp3給控制邏輯電路34。由於只使用一個MOS電晶體M1控制電池22的充放電，因此能降低成本及晶粒面積，而且所有的保護電路整合在同一積體電路20，故能簡化電路板上的電路，如圖2所示。

參照圖3，在正常操作時，MOS電晶體M1全開，因此充電電流或放電電流皆可經MOS電晶體M1流進或流出電池22。當第一偵測器32偵測到欠壓事件時，藉偵測信號Sp通知控制邏輯電路34關閉MOS電晶體M1，並使基底二極體D1的陽極及陰極分別連接至接腳GND及接腳VM，以阻擋放電電流，只允許充電電流通過，因而達成欠壓保護功能。當第一偵測器32偵測到過壓事件時，藉偵測信號Sp通知控制邏輯電路34關閉MOS電晶體M1，並使基底二極體D1的陽極及陰極分別連接至接腳VM及接腳GND，以阻擋充電電流，只允許放電電流通過，因而達成過壓保護功能。

在發生過壓事件後，根據接腳VM的狀態，開關嵌入式積體電路20將有不同的過壓保護解除反應。發生過壓事件後，若接腳VM係連接充電器，則開關嵌入式積體電路20的過壓保護解除反應如圖4所示，其中波形50為電池22的電壓，波形52為接腳VM的電壓，波形54為通過MOS電晶體M1的電流。參照圖3及圖4，在時間t1時，MOS電晶體M1導通，充電器提供充電電流對電池22充電，如波形54所示，因此電池22的電壓上升，如波形50所示。由於MOS電晶體M1的導通電阻，充電電流通過MOS電晶體M1時將產生壓降，故接腳VM的電壓為負壓，如波形52所示。當電池22的電壓大於過壓保護臨界值Vovp且持續一段時間，第一偵測器32藉偵測信號Sp通知控制邏輯電路34關閉MOS電晶體M1，並使基底二極體D1的陽極及陰極分別連接至接腳VM及接腳GND，以截止充電電流，如時間t2所示。此時由於接腳VM連接充電器，因此接腳VM的電壓下降，如波形52所示。舉例來說，假設充電器提供6V電壓而電池電壓為4V，又充電器及電池22均連接接腳VDD，當MOS電晶體M1開路後，接腳VM的電壓將變為-2V。當第二偵測器42偵測到接腳VM的電壓低於負電壓VB2時，藉偵測信號SL告知控制邏輯電路34充電器仍然連接接腳VM，控制邏輯電路34因而送出設定信號Sset給第一偵測器32，以選擇電壓Vovp_hys1作為過壓保護解除臨界值。在MOS電晶體M1開路後，由於電池22的自放電，電池22的電壓將緩緩下降，在其低於過壓保護解除臨界值Vovp_hys1時，如時間t3，第一偵測器32關閉偵測信號Sp以使控制邏輯電路34打開MOS電晶體M1。為了避免誤動作，在偵測信號Sp持續關閉超過過壓保護解除延遲時間後，控制邏輯電路34才打開MOS電晶體M1，如時間t4，此時開關嵌入式積體電路20解除過壓保護。在此實施例中，控制邏輯電路34根據偵測信號SL選擇延遲時間tovp1作為過壓保護解除延遲時間。由於充電器並未移除，故在MOS電晶體M1導通後，充電器再次對電池22充電。當電池22的電壓又大於過壓保護臨界值Vovp時，重覆前述操作。

發生過壓事件後，若接腳VM為浮接，則開關嵌入式積體電路20的過壓保護解除反應如圖5所示。參照圖3及圖5，當充電器將電池22的電壓充到過壓保護臨界值Vovp後，控制邏輯電路34關閉MOS電晶體M1，並使基底二極體D1的陽極及陰極分別連接至接腳VM及接腳GND，以截止充電電流。當充電器被移除時，如時間t5，接腳VM變成浮接，此時開關嵌入式積體電路20的內部電流可能通過接腳VM，故接腳VM的電壓為正電壓。若第二偵測器42偵測到接腳VM的電壓小於正電壓VB1但大於負電壓VB2，則藉偵測信號SL告知控制邏輯電路34充電器已被移除，控制邏輯電路34因而選擇延遲時間tovp2作為過壓保護解除延遲時間，並送出設定信號Sset給第一偵測器32，以選擇電壓Vovp_hys2作為過壓保護解除臨界值。由於電池22的自放電，電池電壓緩緩下降，在其低於過壓保護解除臨界值Vovp_hys2時，如時間t6，第一偵測器32關閉偵測信號Sp，使控制邏輯電路34打開MOS電晶體M1以解除過壓保護。為了避免誤動作，偵測信號Sp持續關閉超過過壓保護解除延遲時間tovp2後，控制邏輯電路34才打開MOS電晶體M1，如時間t7，此時開關嵌入式積體電路20解除過壓保護。在MOS電晶體M1導通後，接腳GND及VM短路，故接腳VM的電壓等於接腳GND的電壓，電池22則持續自放電導致電池電壓持續下降。

發生過壓事件後，若充電器被移除並接上負載，則開關嵌入式積體電路20的過壓保護解放反應如圖6所示。參照圖3及圖6，當充電器將電池22的電壓充到過壓保護臨界值Vovp後，控制邏輯電路34關閉MOS電晶體M1，並使基底二極體D1的陽極及陰極分別連接至接腳VM及接腳GND，以截止充電電流。在MOS電晶體M1關閉後，電池22的電壓因自放電而下降。在將充電器移除並接上負載後，電池22提供放電電流通過MOS電晶體M1的基底二極體D1，因此在基底二極體D1的陽極及陰極之間具有順向偏壓VD，如時間t8所示。電流感測器40因感測到放電電流而產生電流感測信號Scs給控制邏輯電路34，以使其打開MOS電晶體M1，如時間t9所示，此時放電電流不再通過基底二極體D1，而是通過MOS電晶體M1，故能避免過熱及減少功率損失。然而，開關嵌入式積體電路20仍處於過壓保護狀態，因此在MOS電晶體M1導通一段時間ton後，控制邏輯電路34將因偵測信號Sp而再次關閉MOS電晶體M1，如時間t10所示。在MOS電晶體M1關閉一段時間toff後，控制邏輯電路34再次因電流感測信號Scs而打開MOS電晶體M1。換言之，在過壓保護期間，控制邏輯電路34根據偵測信號Sp及電流感測信號Scs反覆切換MOS電晶體M1，故在此期間，基底二極體D1的跨壓之平均值為VA低於順向偏壓VD，因此改善因基底二極體D1的功率消耗以及過熱。在開關嵌入式積體電路20接上負載時，如時間t8所示，第二偵測器42偵測到接腳VM的電壓大於臨界值VB1，因此藉偵測信號SL告知控制邏輯電路34負載已被接上，控制邏輯電路34因而選擇延遲時間tovp3作為過壓保護解除延遲時間，並送出設定信號Sset給第一偵測器32，以選擇電壓Vovp_hys3作為過壓保護解除臨界值。當電池22的電壓低於過壓保護解除臨界值Vovp_hys3時，如時間t11，第一偵測器32關閉偵測信號Sp，以使控制邏輯電路34打開MOS電晶體M1。為了避免誤動作，在持續過壓保護解除延遲時間tovp3皆未收到偵測信號Sp後，控制邏輯電路34才打開MOS電晶體M1，如時間t12，此時開關嵌入式積體電路20解除過壓保護，進入正常操作。

在圖4至圖6中，過壓保護解除臨界值Vovp_hys1小於Vovp_hys2及Vovp_hys3，Vovp_hys2可以等於或不等於過壓保護解除臨界值Vovp_hys3，Vovp_hys2及Vovp_hys3也可以等於過壓保護臨界值Vovp。過壓保護解除延遲時間tovp1不等於tovp2及tovp3，但tovp2可以等於或不等於過壓保護解除延遲時間tovp3。

圖7係開關嵌入式積體電路20的剖面圖以及電流最佳化電路30的實施例，其中MOS電晶體M1包括作為基底的P型井70、作為汲極及源極的N型摻雜區64及66，以及作為閘極的導電體68在N型摻雜區64及66之間的區域上方。由於MOS電晶體M1與其他電路整合在同一積體電路中，因此皆在同一晶片60上，但使用隔離層62將MOS電晶體M1與其他元件隔離，以便切換MOS電晶體M1的基底二極體D1的方向。當MOS電晶體M1操作在大電流，其可能產生寄生導通而使電流由摻雜區64及66經P型井70流向隔離層62。在此實施例中，電流最佳化電路30包括電阻Rco連接在接腳VDD及隔離層62之間，以提供電壓給隔離層62，因而防止寄生導通。

圖8係電流感測器40的實施例，其包括感測電阻Rses與MOS電晶體M1串聯，放電比較器72具有正輸入及負輸入分別連接感測電阻Rses的兩端N2及N1，以及充電比較器74具有正輸入及負輸入分別連接感測電阻Rses的兩端N1及N2。當放電電流通過感測電阻Rses時，N2端的電壓大於N1端的電壓，故放電比較器72的輸出為高準位，以告知控制邏輯電路34有放電電流通過MOS電晶體M1。當充電電流通過感測電阻Rses時，N1端的電壓大於N2端的電壓，故充電比較器74的輸出為高準位，以告知控制邏輯電路34有充電電流通過MOS電晶體M1。

圖9係第二偵測器42的實施例，其包括比較器76及78，比較器76的正輸入接收正電壓VB1，負輸入連接接腳VM，比較器78的正輸入連接接腳VM，負輸入接收負電壓VB2。當接腳VM的電壓低於負電壓VB2時，比較器76的輸出為高準位信號，比較器78的輸出為低準位信號，以告知控制邏輯電路34充電器連接接腳VM。當接腳VM的電壓大於負電壓VB2而小於正電壓VB1時，比較器76及78的輸出均為高準位的信號，以告知控制邏輯電路34接腳VM為浮接。當接腳VM的電壓高於正電壓VB1時，比較器76的輸出為低準位信號，比較器78的輸出為高準位信號，以告知控制邏輯電路34負載連接接腳VM。圖10係延遲電路38的實施例，其包括多個串聯的D型正反器80、82、84及86，根據時脈CLK產生延遲時間tovp1、tovp2及tovp3。

圖11用以說明圖3電路的欠壓保護解除反應。參照圖3及圖11，在時間t13時，開關嵌入式積體電路20連接負載且MOS電晶體M1導通，電池22提供放電電流給負載，如波形54所示，故電池22的電壓下降，如波形50所示，由於MOS電晶體M1的導通電阻，放電電流通過MOS電晶體M1時將產生壓降，故接腳VM的電壓為正壓，如波形52所示。當電池22的電壓小於欠壓保護臨界值Vuvp且持續一段時間，第一偵測器32藉偵測信號Sp通知控制邏輯電路34關閉MOS電晶體M1，並使基底二極體D1的陽極及陰極分別連接至接腳GND及接腳VM，以截止放電電流，如時間t14所示，此時接腳VM的電壓上升。當負載移除且接上充電器時，如時間t15所示，充電器提供充電電流對電池22充電，故電池22的電壓開始上升，此時充電電流通過MOS電晶體M1的基底二極體D1，因此在基底二極體D1的陽極及陰極之間具有順向偏壓VD。接著電流感測器40因感測到充電電流而產生電流感測信號Scs給控制邏輯電路34，以使其打開MOS電晶體M1，如時間t16所示，此時充電電流不再通過基底二極體D1，而是通過MOS電晶體M1，故能避免過熱及減少功率損失。然而，開關嵌入式積體電路20仍處於欠壓保護狀態，因此在MOS電晶體M1導通一段時間ton後，控制邏輯電路34將因偵測信號Sp而再次關閉MOS電晶體M1，如時間t17所示。在MOS電晶體M1關閉一段時間toff後，控制邏輯電路34再次因電流感測信號Scs而打開MOS電晶體M1。換言之，在欠壓保護期間，控制邏輯電路34根據偵測信號Sp及電流感測信號Scs反覆切換MOS電晶體M1，故在此期間，基底二極體D1的跨壓之平均值為VA低於順向偏壓VD，因此改善因基底二極體D1的功率消耗以及過熱。當電池22的電壓高於欠壓保護解除臨界值Vuvp_hys時，如時間t18，第一偵測器32關閉偵測信號Sp，以使控制邏輯電路34打開MOS電晶體M1。為了避免誤動作，在持續欠壓保護解除延遲時間tuvp皆未收到偵測信號Sp後，控制邏輯電路34才打開MOS電晶體M1，如時間t19，此時開關嵌入式積體電路20解除欠壓保護。

圖12係用以保護電池的高位側開關嵌入式積體電路90，其包括三隻接腳VDD、GND及VM。電池22連接在接腳VDD及GND之間，負載或充電器34連接在接腳VM及GND之間。圖13係高位側開關嵌入式積體電路90的實施例，除了與圖3相同的第一偵測器32、控制邏輯電路34、振盪器36、延遲電路38、電流感測器40以及第二偵測器42，MOS電晶體M1係連接在接腳VDD及VM之間，電流最佳化電路30係連接在接腳GND及隔離層62之間。由於只使用一個MOS電晶體M1控制電池22的充放電，因此能降低成本及晶粒面積，而且所有的保護電路整合在同一積體電路30，故能簡化電路板上的電路，如圖12所示。

參照圖13，在正常操作時，MOS電晶體M1全開，因此充電電流或放電電流皆可經MOS電晶體M1流進或流出電池32。當第一偵測器32偵測到過壓事件時，藉偵測信號Sp通知控制邏輯電路34關閉MOS電晶體M1，並使基底二極體D1的陽極及陰極分別連接至接腳VDD及接腳VM，以阻擋充電電流，只允許放電電流通過，因而達成過壓保護功能。當第一偵測器32偵測到欠壓事件時，藉偵測信號Sp通知控制邏輯電路34關閉MOS電晶體M1，並使基底二極體D1的陽極及陰極分別連接至接腳VM及接腳VDD，以阻擋放電電流，只允許充電電流通過，因而達成欠壓保護功能。

在發生過壓事件後，開關嵌入式積體電路90根據接腳VM的狀態而有不同的過壓保護解除反應，其操作與圖3的電路相同。同樣的，開關嵌入式積體電路90的欠壓保護解除反應的操作也與3的電路相同。

以上對於本發明之較佳實施例所作的敘述係為闡明之目的，而無意限定本發明精確地為所揭露的形式，基於以上的教導或從本發明的實施例學習而作修改或變化是可能的，實施例係為解說本發明的原理以及讓熟習該項技術者以各種實施例利用本發明在實際應用上而選擇及敘述，本發明的技術思想企圖由以下的申請專利範圍及其均等來決定。

10．．．電池封裝

12．．．電池

13．．．保護電路

14．．．偵測器

16．．．電阻

18．．．電流源

20．．．開關嵌入式積體電路

22．．．電池

24．．．負載或充電器

30．．．電流最佳化電路

32．．．第一偵測器

34．．．控制邏輯電路

36．．．振盪器

38．．．延遲電路

40．．．電流感測器

42．．．第二偵測器

50．．．電池電壓的波形

52．．．接腳VM的電壓波形

54．．．通過MOS電晶體M1的電流波形

60．．．晶片

62．．．隔離層

64．．．摻雜區

66．．．摻雜區

68．．．導電體

70．．．井

72．．．放電比較器

74．．．充電比較器

76．．．比較器

78．．．比較器

80．．．D型正反器

82．．．D型正反器

84．．．D型正反器

86．．．D型正反器

90．．．開關嵌入式積體電路

圖1係傳統應用在可攜式電子裝置的電池封裝；

圖2係用以保護電池的低位側開關嵌入式積體電路；

圖3係低位側開關嵌入式積體電路的實施例；

圖4用以說明發生過壓事件後，接腳VM仍然連接充電器時，開關嵌入式積體電路的過壓保護解除反應；

圖5用以說明發生過壓事件後，接腳VM為浮接時，開關嵌入式積體電路的過壓保護解除反應；

圖6用以說明發生過壓事件後，充電器被移除並接上負載時，開關嵌入式積體電路的過壓保護解除反應；

圖7係開關嵌入式積體電路的剖面圖以及電流最佳化電路的實施例；

圖8係電流感測器的實施例；

圖9係第二偵測器的實施例；

圖10係延遲電路的實施例；

圖11用以說明圖3電路的欠壓保護解除反應；

圖12係用以保護電池的高位側開關嵌入式積體電路；以及

圖13係高位側開關嵌入式積體電路的實施例。

20．．．開關嵌入式積體電路

30．．．電流最佳化電路

32．．．第一偵測器

34．．．控制邏輯電路

36．．．振盪器

38．．．延遲電路

40．．．電流感測器

42．．．第二偵測器

Claims (14)

1. 一種保護電池用的開關嵌入式積體電路，包括：第一、第二及第三接腳；具有基底二極體的MOS電晶體連接在該第一及第二接腳之間；第一開關連接至該基底二極體的陽極，受控將該基底二極體的陽極連接至該第一或第二接腳；第二開關連接至該基底二極體的陰極，受控將該基底二極體的陰極連接至該第一或第二接腳；控制邏輯電路連接該MOS電晶體、第一及第二開關，根據第一偵測信號控制該MOS電晶體、第一及第二開關；第一偵測器連接該控制邏輯電路、第一及第三接腳，監視該第一及第三接腳之間的電壓而決定該第一偵測信號；以及第二偵測器連接該第二接腳，偵測其電壓而決定第二偵測信號，以供該控制邏輯電路選擇過壓保護解除臨界值及過壓保護解除延遲時間；電流感測器，連接該控制邏輯電路及第二接腳，在偵測到放電電流或充電電流時產生電流感測信號給該控制邏輯電路，以打開該MOS電晶體；其中，該電流感測器包含：感測電阻，與該MOS電晶體串聯；放電比較器，具有正輸入及負輸入分別連接該感測電阻的第一端及第二端，在偵測到放電電流通過該感測 電阻時，觸發該電流感測信號；以及充電比較器，具有正輸入及負輸入分別連接該感測電阻的第二端及第一端，在偵測到充電電流通過該感測電阻時，觸發該電流感測信號。
2. 如請求項1之開關嵌入式積體電路，其中該控制邏輯電路根據該第二偵測信號選擇該過壓保護解除延遲時間，並產生設定信號給該第一偵測器以決定該過壓保護解除臨界值。
3. 如請求項1之開關嵌入式積體電路，其中該第二偵測器包括：第一比較器具有正輸入接收正電壓，以及負輸入連接該第二接腳；以及第二比較器具有正輸入連接該第二接腳，以及負輸入接收負電壓；其中，該第一及第二比較器的輸出組合決定該第二偵測信號。
4. 如請求項1之開關嵌入式積體電路，更包括：振盪器用以提供時脈；以及延遲電路連接該振盪器及控制邏輯電路，根據該時脈提供多個過壓保護解除延遲時間給該控制邏輯電路。
5. 如請求項4之開關嵌入式積體電路，其中該延遲電路包括多個串聯的正反器。
6. 如請求項1之開關嵌入式積體電路，更包括隔離層，用以隔離該MOS電晶體。
7. 如請求項6之開關嵌入式積體電路，更包括電流最佳化電路連接該隔離層，提供電壓給該隔離層以防止寄生導通。
8. 如請求項7之開關嵌入式積體電路，其中該電流最佳化電路包括電阻連接在該第三接腳及隔離層之間。
9. 如請求項1之開關嵌入式積體電路，其中該第一偵測器在偵測到過壓事件時，觸發該第一偵測信號使該控制邏輯電路關閉該MOS電晶體，並切換該第一及第二開關，因而使該基底二極體阻擋充電電流並允許放電電流。
10. 如請求項9之開關嵌入式積體電路，其中該基底二極體的陽極及陰極分別連接至該第二及第一接腳。
11. 如請求項9之開關嵌入式積體電路，其中該基底二極體的陽極及陰極分別連接至該第一及第二接腳。
12. 如請求項1之開關嵌入式積體電路，其中該第一偵測器在偵測到欠壓事件時，觸發該第一偵測信號使該控制邏輯電路關閉該MOS電晶體，並切換該第一及第二開關，因而使該基底二極體阻擋放電電流並允許充電電流。
13. 如請求項12之開關嵌入式積體電路，其中該基底二極體的陽極及陰極分別連接至該第一及第二接腳。
14. 如請求項12之開關嵌入式積體電路，其中該基底二極體的陽極及陰極分別連接至該第二及第一接腳。