TWI436541B - 具有電池充電保護功能之控制器 - Google Patents

Description

具有電池充電保護功能之控制器

本揭示內容是有關於一種控制電路，且特別是有關於一種具有電池充電保護功能之控制器。

隨著電子技術的發展以及消費性電子產品的普及，各式各樣可攜式電子產品已日漸普及。其中，影響可攜式電子產品的機動性、執行效率以及行動續航力的主要因素，便包括可攜式電子產品是否具有良好的電源供給，目前可攜式電子產品的電源供給主要依賴各種電池模組。

目前市面上的電池模組，大致上可分為一次性電池、充電電池及燃料電池等種類。一般來說，在一般消費性電子產品上常見的電池以較經濟、環保之充電電池為主。充電電池顧名思義，即可利用充電方式讓電池內的活性物質再度回復到原來的狀態，而獲得可重複被使用之特性，常見的種類例如鉛酸電池(lead acid battery)、鎳鎘電池(nickel cadmium battery)、鎳氫電池(nickel hydrogen battery)、鋰電池(lithium battery)以及鋰離子電池(lithium ion battery)等。

然而，電池使用的安全性和使用壽命與使用者的操作習慣息息相關。舉例來說，在鋰離子充電電池的充電過程中，可能會由於使用者將其長時間放置於充電座上而造成過充，產生電池溫度上升，當電池溫度過高或過充電力過大時，可能導致電解液分解而產生瓦斯，使其內部壓力上升以及金屬鋰等洩漏，因而造成有起火、破裂或重金屬汙染等危險。或者，當鋰離子過放電時，鋰電池無法以正常程序充電，否則會造成電池結構的損壞。

為了避免充電過程可能遭遇的安全性問題，並防止電池特性劣化，在電池或充電裝置上需設置充電保護用的控制器(如控制電路或控制晶片)，控制器可偵測電池模組的電力狀態並進行相對應操作(例如充電監控、過充電時進行中斷保護等)。請參閱第1圖，其繪示一種習知的充電裝置中的控制器100，控制器100包含電壓檢測單元101、控制邏輯單元102和電流檢測單元103。

電壓檢測單元101用以耦接於電池模組200的兩端，用以監控電池模組200的電壓狀態。舉例來說，電壓檢測單元101用以偵測電池模組200的兩端電壓差，則控制邏輯單元102可據以得知電池模組200的狀態。電池模組200透過充電正端203及充電負端204連接一充電器進行充電，當電池模組200已充滿時，控制邏輯單元102可通知充電裝置中的充電開關單元201關閉，切斷電池模組200到充電負端204的充電迴路L1，藉以避免可能的危險發生。

須注意的是，雖然電池模組200到充電負端204的外部充電迴路L1已中斷，然而，控制器100內部仍可能有其他迴路存在，導致在保護情況下，仍有洩漏的電流對電池模組200持續充電。

其可能的原因例如，此類習知的控制器100中通常具有用以進行電壓調整(如pull-high或pull-low等)的採樣開關單元104與採樣電阻105，以形成電流檢測單元103所需的電流採樣節點103a用以將關閉的外部充電開關單元201恢復成導通。其中，採樣開關單元104具有一寄生極體104a，當電池處於過充電狀態下，雖然外部充電開關單元201關閉並切斷外部充電迴路L1，但此時充電負端204的電壓低於電池模組200的負端，電流採樣節點103a的電位大致等同於充電負端204故低於電池模組200的負端電壓，從而有洩漏的電流通過內部迴路L2(即經過採樣開關單元104的寄生二極體104a以及採樣電阻105)，並可持續對電池模組200充電，造成電池模組200無法受到過充電保護，形成安全隱患。

為了解決上述充電保護機制啟動時發生電流洩漏使電池模組持續過充電的問題，本發明提出一種控制器，其可透過洩流電路方式確保洩漏的電流繞過(bypass)電池模組，或透過鉗位方式以避免發生電流洩漏的情況發生，藉此提高電池充電的安全性。

因此，本發明內容之一態樣是在提供一種具有電池充電保護功能之控制器。此控制器包含第一腳位、第二腳位、第三腳位以及充電保護電路。其中，第一腳位耦接充電正端。第二腳位耦接電池模組之正端。第三腳位耦接電池模組之負端。充電保護電路耦接第一腳位及第三腳位，於電池模組處於保護狀態時，充電保護電路導通使經流入第一腳位之電流流經充電保護電路而由第三腳位流出。

根據本發明內容之一實施例，其中充電保護電路包含鉗位單元，於充電保護電路導通時，鉗位單元使第一腳位之電位等於或低於第二腳位電位與預定電位差之和，其中預定電位差為正值。

根據本發明內容之另一實施例，控制器包含靜電防護電路耦接第一腳位及第二腳位之間。

本發明內容之另一態樣是在提供具有電池充電保護功能之控制器。此控制器包含第一腳位、第二腳位、第三腳位以及充電保護電路。其中，第一腳位耦接充電負端。第二腳位耦接電池模組之正端。第三腳位耦接電池模組之負端。充電保護電路耦接第一腳位及第二腳位，於電池模組處於過保護狀態時，該充電保護電路導通，使流出該第一腳位之一電流係由該第二腳位流入並經該充電保護電路而由該第一腳位流出。

根據本發明內容之一實施例，充電保護電路包含鉗位單元，於充電保護電路導通時，該鉗位單元使該第三腳位之電位等於或小於該第一腳位電位與一預定電位差之和，其中預定電位差為正值。

根據本發明內容之另一實施例，控制器更包含靜電防護電路耦接於第一腳位及第三腳位之間。

此外，本發明內容之再一態樣是在提供一種具有電池充電保護功能之控制器，其包含第一腳位、第二腳位、第三腳位以及鉗位電路，第一腳位耦接充電正端，第二腳位耦接電池模組之正端，第三腳位耦接電池模組之負端，鉗位電路耦接第一腳位及第三腳位。其中，鉗位電路用以使第一腳位之電位維持在等於或小於第二腳位之電位與預定電位差之和，其中預定電位差為正值。

根據本發明內容之一實施例，其中鉗位電路包含鉗位單元及開關單元，開關單元於第一腳位之電位高於第二腳位之電位達到預定電位差時導通。

根據本發明內容之另一實施例，其中開關單元導通時，流入該第一腳位之電流流經鉗位電路後由第三腳位流出。

此外，本發明內容之又一態樣是在提供一種具有電池充電保護功能之控制器，其包含第一腳位、第二腳位、第三腳位以及鉗位電路。第一腳位耦接一充電負端，第二腳位耦接電池模組之正端，第三腳位耦接電池模組之負端，鉗位電路耦接第一腳位及第二腳位。其中，鉗位電路用以使該第一腳位之電位大於或等於該第三腳位之電位減去一預定電位差，其中預定電位差為正值。

根據本發明內容之一實施例，其中鉗位電路包含鉗位單元及開關單元，開關單元於第一腳位之電位低於第三腳位之電位達到預定電位差時導通。

根據本發明內容之另一實施例，其中開關單元導通時，流出該第一腳位之電流係由該第二腳位流入並流經鉗位電路後由第一腳位流出。

應用本揭示內容之優點在於藉由充電保護電路導引不必要的洩漏電流，或利用鉗位電路控制特定的節點電壓以避免洩漏電流的產生，藉此可避免電池模組或控制器本身被非預期的電流或電壓影響，進而提高電池模組的使用壽命與穩定性。

為達到前述效果，本發明的控制器藉由在電路架構中設置洩流及/或鉗位電路，來避免非預期的電流或電壓對電池模組造成負面影響，其詳細設置實施方式說明如下。

請參照第2A圖，其繪示根據本發明之第一具體實施例中一種用於保護電池模組400的控制器300之功能方塊圖。當電池模組400與市電電源或特定充電裝置連接並充電時，控制器300本身用以保護電池模組400，實際應用中，控制器300可為一控制晶片或控制單元，整合設置於充電裝置、市電插座或電池模組400上，亦可獨立設置，本發明並不以此為限。

如第2A圖所示，電池模組400的正端耦接至市電電源或特定充電裝置的充電正端403，電池模組400的負端耦接至市電電源或特定充電裝置的充電負端404，藉此形成一充電路徑(即第2A圖中的外部充電迴路L1)，在充電路徑上可進一步包含充電開關單元401關閉，藉此開啟或中斷電池模組400到充電負端404的充電迴路L1。

於此實施例中，控制器300對外連接介面可具有第一腳位P1、第二腳位P2、第三腳位P3以及第四腳位P4。第一腳位P1對外耦接至充電負端404，第二腳位P2對外耦接至電池模組400的正端與充電正端403之間，第三腳位P3對外耦接至電池模組400的負端與充電開關單元401之間，而第四腳位P4對外用以控制充電開關單元401。

此外，控制器300內部可包含有電壓檢測單元301、控制邏輯單元302、電流檢測單元303以及充電保護電路306。

電壓檢測單元301透過第二腳位P2與第三腳位P3耦接於電池模組400的兩端，用以監控電池模組400的電壓狀態以判斷電池模組是否應進行保護。舉例來說，電壓檢測單元301用以偵測電池模組400的兩端電壓差，則控制邏輯單元302可據以得知電池模組400的電力是否已充滿或者電池模組400處於過放電狀態，當電池模組400已充滿或過放電時，控制邏輯單元302可透過第四腳位P4切換充電開關單元401使其關閉，進而切斷電池模組400到充電負端404的充電迴路L1，藉以避免對已充滿或者過放電的電池模組400進行充電。

於此實施例中，控制器300可進一步包含有其他內部的工作電路，須注意的是，可能存在部份的工作電路係耦接於第一腳位P1與第三腳位P3之間，如第2A圖中所示的工作電路(即採樣開關單元304與採樣電阻305)。

也就是說，雖然電池模組400到充電負端404的外部充電迴路L1已中斷，然而，控制器300內部的第一腳位P1與第三腳位P3之間的工作電路仍可能形成其他迴路(如採樣開關單元304的寄生二極體304a與採樣電阻305)，形成電池模組400持續被充電的風險。

須特別說明的是，此實施例中控制器300的充電保護電路306可用以解決上述風險。充電保護電路306耦接第一腳位P1及第二腳位P2，於電池模組400處於保護狀態時，充電保護電路306便可配合進行電池模組400的保護。於此實施例中，所謂保護狀態即電壓檢測單元301量測到第二腳位P2與第三腳位P3之電壓差大於一特定的第一電壓值(如電池模組400的額定電壓，代表電池模組400已充滿)或者第二腳位P2與第三腳位P3之電壓差小於一特定的第二電壓值(代表電池模組400已過放電)。

於電池模組400處於保護狀態時，控制邏輯單元302導通充電保護電路306中的開關單元306a導通，使經流入第二腳位P2(其耦接至電池模組400之正端)之電流可經充電保護電路306的開關單元306a及電阻306b，並由第一腳位P1流出回到充電負端404(如第2A圖中的洩流路徑L3所示)。如此一來，充電正端403出發的充電電流可避開電池模組400，被導引流經第二腳位P2、充電保護電路306、第一腳位P1並回到充電負端404，藉由充電保護電路306在控制器300中形成避開電池模組400的洩流路徑L3。

此外，本發明上述內容提出以洩流方式確保電池模組400的安全性，然而本發明並不以洩流方式為限，可用以限定第一腳位P1之電位，進而將第一腳位P1之電位與第三腳位P3電位之差鉗位至一預定電位差之內而達到保護電池模組400以避免非預期充電之問題。

請參閱第2B圖，其繪示根據本發明之第二具體實施例中控制器300'之功能方塊圖，於第二具體實施例中的控制器300'與第一實施例中的控制器300最大不同之處在於，第2B圖的控制器300'係包含鉗位電路306'，鉗位電路306'耦接第一腳位P1及第二腳位P2，鉗位電路306'以使第一腳位P1之電位大於或等於第三腳位P3之電位減去一預定電位差之範圍，即Vp1≧Vp3-Vset，其中Vp1為第一腳位P1之電位、Vp3為第三腳位P3之電位，以及Vset為預定電位差且Vset為正值，實際應用中，Vset可對應到採樣開關單元304其寄生二極體304a的臨界電壓(threshold voltage)。

鉗位電路306'透過將限制第一腳位P1與第三腳位P3之間的電位差，可確保控制器300內的工作電路(如採樣開關單元304其寄生二極體304a與採樣電阻305)不會形成非預期內的漏電流路徑。

於此實施例中，鉗位電路306'中可進一步包含鉗位單元306b'及開關單元306a'。鉗位單元306b'偵測第一腳位P1及第三腳位P3之電位，於判斷第一腳位P1低於第三腳位P3達到該預定電位差時導通開關單元306a'並調整開關單元306a'之等效阻值，藉此可拉高第一腳位P1的電位，使第一腳位P1不致過度低於第三腳位P3之電位。

也就是說，藉由上述實施例，本發明可透過洩流或鉗位方式保護電池模組，上述實施例中開關單元(如採樣開關單元304、開關單元306a、開關單元306a'等)係以N型金氧半場效電晶體(NMOS)，充電開關單元401係耦接於電池模組400之負端與充電負端404之間，而第一腳位P1以耦接充電負端404為舉例說明，然而本發明並不以此為限。

於另一實施例中，上述開關單元亦可採用P型金氧半場效電晶體(PMOS)，而充電開關單元可耦接於電池模組之正端與充電正端之間，且此時本發明所提出的控制器僅需簡單地調整相對的正負連接邏輯，便可達到類似效果。

請參閱第3A圖與第3B圖，第3A圖繪示根據本發明之第三具體實施例中一種用於保護電池模組600的控制器500之功能方塊圖，第3B圖繪示根據本發明之第四具體實施例中一種用於保護電池模組600的控制器500'之功能方塊圖。

如第3A圖所示，控制器500包含第一腳位P1、第二腳位P2、第三腳位P3、第四腳位P4、第五腳位P5、電壓檢測單元501、控制邏輯單元502、電流檢測單元503以及充電保護電路506。此外，控制器500還包含一部份耦接於第一腳位P1與第二腳位P2之間的內部工作電路，如採樣開關單元504與採樣電阻505。在本實施例中，電池模組600包含兩個電池單元，電壓檢測單元501透過第二腳位P2、第三腳位P3與第五腳位P5耦接於電池模組600的各電池單元之正端及負端，用以監控電池模組600的各電池單元之電壓狀態以判斷電池模組是否應進行保護。

於此實施例中，充電開關單元601耦接於電池模組600之正端與充電正端603之間。其中，第一腳位P1耦接充電正端603。第二腳位P2耦接於電池模組600之正端與充電開關單元601之間。第三腳位P3耦接於電池模組600之負端與充電負端604之間。

充電保護電路506耦接第一腳位P1及第三腳位P3，於電池模組600處於保護狀態時，充電保護電路506中的開關單元506a導通使經流入第一腳位P1之電流流經充電保護電路506的開關單元506a及電阻506b而由第三腳位P3流出，進而回到充電負端604(如第3A圖中的洩流路徑L3所示)，如此一來，充電正端603出發的充電電流可避開電池模組600，被導引流經第一腳位P1、充電保護電路506、第三腳位P3並回到充電負端604，藉由充電保護電路506在控制器500中形成避開電池模組600的洩流路徑L3。

其中，第三具體實施例中的控制器500的其他電路構造與作動原理，大致與第一具體實施例中的控制器300具有正負邏輯的相對關係，其為習知技藝之人所能簡單對應，在此不另贅述。

另一方面，如第3B圖所示，於第四具體實施例中，控制器500'採用鉗位電路506'，鉗位電路506'耦接第一腳位P1及第三腳位P3，鉗位電路506'以將第一腳位P1之電位維持在第二腳位P2之電位加上一預定電位差之範圍內，即Vp1≦Vp2+Vset，其中Vp1為第一腳位P1之電位、Vp2為第二腳位P2之電位，以及Vset為預定電位差且Vset為正值。其中，實際應用中，Vset可對應到採樣開關單元504其寄生二極體504a的臨界電壓(threshold voltage)。

藉此達到避免非預期充電電流產生的效果。第四具體實施例中的控制器500'的其他電路構造與作動原理，請參考第二具體實施例的控制器300'，在此不另贅述。

在上述實施例中，已說明了本發明的控制器可用以進行電池模組的充電保護。然而，必須要強調說明的是，常見的一些積體電路設計在應用於電池充電時，可能會造成如上述具體實施例中所希望預防的非預期充電。舉例來說，積體電路中會設計靜電放電防護電路以避免靜電放電現象所造成的一個高能量的靜電放電脈衝訊號(例如大電壓突波訊號)毀損控制器內部的電路。而靜電放電防護電路於電池充電過程中仍會維持運作，因此當充電正端的電位高於電池模組正端預定電位差以及當充電負端的電位低於電池模組負端預定電位差時均會造成靜電放電防護電路啟動而使電池模組進入保護狀態時，仍有非預期的電流流經靜電放電防護電路而對電池模組充電。而本發明透過上述具體實施例中充電保護電路的洩流作用或鉗位電路的鉗位作用，即可防止控制器內部電路造成對電池模組的非預期充電問題。

綜上所述，藉由充電保護電路導引不必要的洩漏電流，或利用鉗位電路控制特定的節點電壓以避免洩漏電流的產生，藉此可避免電池模組或控制器本身被非預期的電流或電壓影響(如過度充電、過度放電或靜電放電現象)，進而提高電池模組的使用壽命與穩定性。

雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭示內容，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．控制器

101．．．電壓檢測單元

102．．．控制邏輯單元

103．．．電流檢測單元

103a．．．電流採樣節點

104．．．採樣開關單元

104a．．．寄生二極體

105．．．採樣電阻

200．．．電池模組

201．．．充電開關單元

203．．．充電正端

204．．．充電負端

L1．．．充電迴路

L2．．．內部迴路

300．．．控制器

301．．．電壓檢測單元

302．．．控制邏輯單元

303．．．電流檢測單元

303a．．．電流採樣節點

304．．．採樣開關單元

304a．．．寄生二極體

305．．．採樣電阻

306．．．充電保護電路

306a．．．開關單元

306b．．．電阻

400．．．電池模組

401．．．充電開關單元

403．．．充電正端

404．．．充電負端

L3．．．洩流路徑

300'．．．控制器

306'．．．充電保護電路

306a'．．．開關單元

306b'．．．鉗位單元

500．．．控制器

501．．．電壓檢測單元

502．．．控制邏輯單元

503．．．電流檢測單元

503a．．．電流採樣節點

504．．．採樣開關單元

504a．．．寄生二極體

505．．．採樣電阻

506．．．充電保護電路

506a．．．開關單元

506b．．．電阻

600．．．電池模組

601．．．充電開關單元

603．．．充電正端

604．．．充電負端

500'．．．控制器

506'．．．充電保護電路

506a'．．．開關單元

506b'．．．鉗位單元

P1．．．第一腳位

P2．．．第二腳位

P3．．．第三腳位

P4．．．第四腳位

P5．．．第五腳位

為讓本揭示內容之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖繪示一種習知的充電裝置中的控制器的功能方塊圖；第2A圖繪示根據本發明之第一具體實施例中一種用於保護電池模組的控制器之功能方塊圖； 第2B圖繪示根據本發明之第二具體實施例中控制器300'之功能方塊圖；

第3A圖繪示根據本發明之第三具體實施例中一種用於保護電池模組的控制器之功能方塊圖；以及

第3B圖繪示根據本發明之第四具體實施例中一種用於保護電池模組的控制器之功能方塊圖。

300．．．控制器

301．．．電壓檢測單元

302．．．控制邏輯單元

303．．．電流檢測單元

303a．．．電流採樣節點

304．．．採樣開關單元

304a．．．寄生二極體

305．．．採樣電阻

306．．．充電保護電路

306a．．．開關單元

306b．．．電阻

400．．．電池模組

401．．．充電開關單元

403．．．充電正端

404．．．充電負端

L1．．．充電迴路

L3．．．洩流路徑

P1．．．第一腳位

P2．．．第二腳位

P3．．．第三腳位

P4．．．第四腳位

Claims (10)

1. 一種具有電池充電保護功能之控制器，包含：一第一腳位，耦接一充電正端；一第二腳位，耦接一電池模組之正端；一第三腳位，耦接該電池模組之負端；以及一充電保護電路，耦接該第一腳位及該第三腳位，於該電池模組處於一保護狀態時，該充電保護電路導通，用以使經流入該第一腳位之一電流流經該充電保護電路而由該第三腳位流出；其中，該充電保護電路包含一鉗位單元，於該充電保護電路導通時，該鉗位單元使該第一腳位之電位等於或低於該第二腳位電位與一預定電位差之和，其中該預定電位差為正值。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具有電池充電保護功能之控制器，更包含一靜電防護電路耦接該第一腳位及該第二腳位。
3. 一種具有電池充電保護功能之控制器，包含：一第一腳位，耦接一充電負端；一第二腳位，耦接一電池模組之正端；一第三腳位，耦接該電池模組之負端；以及一充電保護電路，耦接該第一腳位及該第二腳位，於該電池模組處於一保護狀態時，該充電保護電路導通，使流出該第一腳位之一電流係由該第二腳位流入並經該充電保護電路而由該第一腳位流出；其中，該充電保護電路包含一鉗位單元，於該充電保護電 路導通時，該鉗位單元使該第一腳位之電位等於或大於該第三腳位電位減去一預定電位差，其中該預定電位差為正值。
4. 如申請專利範圍第3項所述之具有電池充電保護功能之控制器，更包含一靜電防護電路耦接該第一腳位及該第三腳位。
5. 一種具有電池充電保護功能之控制器，包含：一第一腳位，耦接一充電正端；一第二腳位，耦接一電池模組之正端；一第三腳位，耦接該電池模組之負端；以及一鉗位電路，耦接該第一腳位及該第三腳位，用以將該第一腳位之電位維持在等於或小於該第二腳位之電位與一預定電位差之和，其中該預定電位差為正值。
6. 如申請專利範圍第5項所述之具有電池充電保護功能之控制器，其中該鉗位電路包含一鉗位單元及一開關單元，該開關單元於該第一腳位之電位高於該第二腳位之電位該預定電位差時導通。
7. 如申請專利範圍第6項所述之具有電池充電保護功能之控制器，其中該開關單元導通時，流入該第一腳位之一電流流經該鉗位電路後由該第三腳位流出。
8. 一種具有電池充電保護功能之控制器，包含：一第一腳位，耦接一充電負端；一第二腳位，耦接一電池模組之正端；一第三腳位，耦接該電池模組之負端；以及一鉗位電路，耦接該第一腳位及該第二腳位，用以使該第 一腳位之電位大於或等於該第三腳位之電位減去一預定電位差，其中該預定電位差為正值。
9. 如申請專利範圍第8項所述之具有電池充電保護功能之控制器，其中該鉗位電路包含一鉗位單元及一開關單元，該開關單元於該第一腳位之電位低於該第三腳位之電位該預定電位差時導通。
10. 如申請專利範圍第9項所述之具有電池充電保護功能之控制器，其中該開關單元導通時，流出該第一腳位之一電流係由該第二腳位流入並流經該鉗位電路後由該第一腳位流出。