TWI445272B - 保護電池用的開關嵌入式積體電路及方法 - Google Patents

保護電池用的開關嵌入式積體電路及方法 Download PDF

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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。
在使用電池的電源供應器(battery-based power supply)中，通常包括保護電路來偵測電池的狀況，進而避免在電池的充放電期間出現不安全的操作，例如，過充(over charging)、過放(over discharging)及過電流(over current)操作。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、MOS電晶體M1及M2以及保護電路14。MOS電晶體M1及M2各具有一基底二極體(body diode)D1及D2，而且MOS電晶體M1及M2以背對背方式排列。保護電路14偵測電池12的電壓並據以控制MOS電晶體的開關，進而控制流進及流出電池封裝10的電流。電阻16及電流源18分別為負載及充電器，在充電操作下，由電流源18提供充電電流對電池12充電，在放電操作下，電池提供放電電流給電阻16。
在正常的充電或放電操作下，MOS電晶體M1及M2都打開(turn on)，因此充電電流的路徑跟放電電流的路徑一樣都通過MOS電晶體M1及M2，由於MOS電晶體M1及M2上的壓降很小，因此基底二極體D1及D2都不會導通。當保護電路14偵測到電池12發生過充事件時，MOS電晶體M1關閉(turn off)而MOS電晶體M2打開，此時充電電流被基底二極體D1阻擋，只有放電電流可以通過。當保護電路14偵測到電池12發生過放事件時，MOS電晶體M1打開而MOS電晶體M2關閉，此時放電電流被基底二極體D2阻擋，只有充電電流可以通過。
然而，傳統的方法需要使用二個MOS電晶體M1及M2，這將使得成本及晶粒(die)的面積增加。此外，當放電電流或充電電流通過基底二極體D1或D2時，將造成過熱情況及功率損失。
因此，一種降低成本、減少晶粒面積、避免過熱及減少功率損失的電池保護裝置，乃為所冀。
本發明的目的，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一MOS電晶體連接在該開關嵌入式積體電路的第一接腳及第二接腳之間，具有一基底二極體，一第一開關連接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接腳或第二接腳，一第二開關連接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接腳或第二接腳，一控制邏輯電路根據一偵測信號控制該MOS電晶體、第一開關及第二開關，以及一偵測電路連接該控制邏輯電路，監視該開關嵌入式積體電路的第一接腳及第三接腳之間的電壓而決定該偵測信號。其中，該第一接腳連接該電池的一端，該第二接腳連接負載或充電器，該第三接腳連接該電池的另一端。在該偵測電路偵測到過充事件時，觸發該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。在該偵測電路偵測到過放事件時，觸發該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。
根據本發明，一種保護電池用的方法包括監視該電池的電壓而決定偵測信號，接著根據該偵測信號打開或關閉MOS電晶體以及切換該MOS電晶體的基底二極體的方向，其中該MOS電晶體的第一端連接該電池，該MOS電晶體的第二端連接負載或充電器。當偵測到過充事件時，關閉該MOS電晶體並切換該基底二極體的方向以阻擋充電電流及允許放電電流。當偵測到過放事件時，關閉該MOS電晶體並切換該基底二極體的方向以阻擋對放電電流及允許充電電流。
由於本發明只使用單個MOS電晶體控制電池的充放電，因此能降低成本以及減少晶粒面積，而且MOS電晶體與控制邏輯電路及偵測電路整合在同一積體電路中，故能簡化電路板上的電路。
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GND之間。圖3係圖2中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，藉由切換開關S2及S3可以改變基底二極體D1的方向，偵測電路2002連接接腳VDD及GND以監視電池22上的電壓來決定偵測信號SP，控制邏輯電路2004根據偵測信號SP產生控制信號CS_M1、CS_S2及CS_S3分別控制MOS電晶體M1、開關S2及開關S3，比較器2006比較接腳VM上的電壓及臨界值VB2產生比較信號COMP2給控制邏輯電路2004，比較器2008比較接腳VM上的電壓及臨界值VB1產生比較信號COMP1給控制邏輯電路2004。由於只使用單個MOS電晶體M1控制電池22的充放電，因此能降低成本及減少晶粒面積，而且保護電路及MOS電晶體M1整合在同一積體電路20中，故能簡化電路板上的電路，如圖2所示。
在正常充電或放電操作時，MOS電晶體M1全開，因此充電電流或放電電流可以經由MOS電晶體M1流進或流出電池22。當偵測電路2002偵測到過放事件時，偵測電路2002送出偵測信號SP給控制邏輯電路2004以關閉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，此時，基底二極體D1阻擋放電電流，只允許充電電流通過，因而達成過放保護功能。在過放保護期間，若開始對電池22充電，充電電流通過基底二極體D1，因而在基底二極體D1上產生約為0.7V的壓降，這將導致基底二極體D1發熱及功率消耗，在開始充電一段時間後，接腳VM上的電壓小於臨界值VB2，比較器2006因而送出比較信號COMP2給控制邏輯電路2004以打開MOS電晶體M1，進而結束過放保護。由於MOS電晶體M1的跨壓遠小於0.7V，因此充電電流不再通過基底二極體D1而是通過MOS電晶體M1，故能避免過熱情況及減少功率損失。
當偵測電路2002偵測到過充事件時，偵測電路2002送出偵測信號SP給控制邏輯電路2004以關閉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，此時，基底二極體D1阻擋充電電流，只允許放電電流通過，因而達成過充保護功能。同樣的，在過充保護期間，若電池22開始放電，放電電流通過基底二極體D1，因此導致基底二極體D1發熱及功率消耗，在開始放電一段時間後，接腳VM上的電壓大於臨界值VB1，因此比較器2008送出比較信號COMP1給控制邏輯電路2004以打開MOS電晶體M1，進而結束過充保護。由於MOS電晶體M1的跨壓遠小於0.7V，因此放電電流不再通過基底二極體D1而是通過MOS電晶體M1，故能避免過熱情況及減少功率損失。
圖4係用以保護電池的高位側開關嵌入式積體電路30，其包括三隻接腳VDD、GND及VM。電池32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5係圖4中高位側開關嵌入式積體電路30的實施例，其中MOS電晶體M1連接在接腳VDD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VDD或VM，基底二極體D1的陰極經關關S3連接至接腳VDD或VM，藉由切換開關S2及S3可以改變基底二極體D1的方向，偵測電路3004連接接腳VDD及GND以監視電池32上的電壓並決定偵測信號SP，控制邏輯電路3002根據偵測信號SP產生控制信號CS_M1、CS_S2及CS_S3分別控制MOS電晶體M1、開關S2及開關S3，比較器3006比較接腳VM上的電壓及臨界值VB1產生比較信號COMP1給控制邏輯電路3002，比較器3008比較接腳VM上的電壓及臨界值VB2產生比較信號COMP2給控制邏輯電路3002。由於只使用單個MOS電晶體M1控制電池32的充放電，因此能降低成本及減少晶粒面積，而且保護電路及MOS電晶體M1整合在同一積體電路30中，故能簡化電路板上的電路，如圖4所示。
在正常充電或放電操作時，MOS電晶體M1全開，因此充電電流或放電電流可以經由MOS電晶體M1流進或流出電池32。當偵測電路3004偵測到過充事件時，偵測電路3004送出偵測信號SP給控制邏輯電路3002以關閉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，此時，基底二極體D1阻擋充電電流，只允許放電電流通過，因而達成過充保護功能。在過充保護期間，若電池32開始放電，放電電流通過基底二極體D1，因此在基底二極體上產生壓降，進而導致基底二極體D1發熱及功率消耗，在開始放電一段時間後，接腳VM上的電壓小於臨界值VB2，因此比較器3008送出比較信號COMP2給控制邏輯電路3002打開MOS電晶體M1以結束過充保護，在MOS電晶體M1打開後，放電電流不再通過基底二極體D1而是通過MOS電晶體M1，故能避免過熱情況及減少功率損失。
當偵測電路3004偵測到過放事件時，偵測電路3004送出偵測信號SP給控制邏輯電路3002以關閉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，此時，基底二極體D1阻擋放電電流，只允許充電電流通過，因而達成過放保護功能。在過放保護期間，若開始對電池32充電，充電電流通過基底二極體D1，因此導致基底二極體D1發熱及功率消耗，在開始充電一段時間後，接腳VM上的電壓大於臨界值VB1，因此比較器3006送出比較信號COMP1給控制邏輯電路3002打開MOS電晶體M1以結束過放保護，在MOS電晶體M1打開後，充電電流不再通過基底二極體D1而是通過MOS電晶體M1，進而避免過熱情況及減少功率損失。
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
14．．．電池保護電路
16．．．電阻
18．．．電流源
20．．．開關嵌入式積體電路
2002．．．偵測電路
2004．．．控制邏輯電路
2006．．．比較器
2008．．．比較器
22．．．電池
24．．．負載或充電器
30．．．開關嵌入式積體電路
3002．．．控制邏輯電路
3004．．．偵測電路
3006．．．比較器
3008．．．比較器
32．．．電池
34．．．負載或充電器
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係圖2中低位側開關嵌入式積體電路的實施例；
圖4係用以保護電池的高位側開關嵌入式積體電路；以及
圖5係圖4中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
2002．．．保護電路
2004．．．控制邏輯電路
2006．．．比較器
2008．．．比較器

Claims (22)

  1. 一種保護電池用的開關嵌入式積體電路，包括：MOS電晶體，連接在該開關嵌入式積體電路的第一接腳及第二接腳之間，其具有基底二極體，該第一接腳供連接電池的一端，該第二接腳供連接負載或充電器；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接腳或第二接腳；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接腳或第二接腳；控制邏輯電路，連接該MOS電晶體、第一開關及第二開關，根據偵測信號控制該MOS電晶體、第一開關及第二開關；以及偵測電路，連接該控制邏輯電路、該第一接腳以及該開關嵌入式積體電路的第三接腳，監視該第一接腳及第三接腳之間的電壓而決定該偵測信號，該第三接腳連接該電池的另一端。
  2. 如請求項1之開關嵌入式積體電路，其中該偵測電路在偵測到過充事件時，觸發該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。
  3. 如請求項2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接腳及該第一接腳。
  4. 如請求項3之開關嵌入式積體電路，更包括比較器連接該控制邏輯電路，比較該第二接腳上的電壓及臨界值，在該第二接腳上的電壓大於該臨界值時，提供比較信號至該控制邏輯電路以打開該MOS電晶體。
  5. 如請求項2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接腳及該第二接腳。
  6. 如請求項5之開關嵌入式積體電路，更包括比較器連接該控制邏輯電路，比較該第二接腳上的電壓及臨界值，在該第二接腳上的電壓低於該臨界值時，提供比較信號至該控制邏輯電路以打開該MOS電晶體。
  7. 如請求項1之開關嵌入式積體電路，其中該偵測電路在偵測到過放事件時，觸發該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。
  8. 如請求項7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接腳及該第二接腳。
  9. 如請求項8之開關嵌入式積體電路，更包括比較器連接該控制邏輯電路，比較該第二接腳上的電壓及臨界值，在該第二接腳上的電壓小於該臨界值時，提供比較信號至該控制邏輯電路以打開該MOS電晶體。
  10. 如請求項7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接腳及該第一接腳。
  11. 如請求項10之開關嵌入式積體電路，更包括比較器連接該控制邏輯電路，比較該第二接腳上的電壓及臨界值，在該第二接腳上的電壓大於該臨界值時，提供比較信號至該控制邏輯電路以打開該MOS電晶體。
  12. 一種保護電池用的方法，包括下列步驟：(a)監視該電池的電壓而決定偵測信號；以及(b)根據該偵測信號打開或關閉MOS電晶體以及切換該MOS電晶體的基底二極體的方向，該MOS電晶體的第一端供連接該電池，且該MOS電晶體的第二端供連接負載或充電器。
  13. 如請求項12之方法，其中該步驟b包括在偵測到過充事件時，關閉該MOS電晶體，並切換該基底二極體的方向以阻擋充電電流及允許放電電流。
  14. 如請求項13之方法，其中該基底二極體的陽極及陰極分別連接至該MOS電晶體的第二端及第一端。
  15. 如請求項14之方法，更包括比較該MOS電晶體第二端上的電壓及臨界值，在該MOS電晶體第二端上的電壓大於該臨界值時打開該MOS電晶體。
  16. 如請求項13之方法，其中該基底二極體的陽極及陰極分別連接至該MOS電晶體的第一端及第二端。
  17. 如請求項16之方法，更包括比較該MOS電晶體第二端上的電壓及臨界值，在該MOS電晶體第二端上的電壓低於該臨界值時打開該MOS電晶體。
  18. 如請求項12之方法，其中該步驟b包括在偵測到過放事件時，關閉該MOS電晶體，並切換該基底二極體的方向以阻擋放電電流及允許充電電流。
  19. 如請求項18之方法，其中該基底二極體的陽極及陰極分別連接至該MOS電晶體的第一端及第二端。
  20. 如請求項19之方法，更包括比較該MOS電晶體第二端上的電壓及臨界值，在該MOS電晶體第二端上的電壓小於該臨界值時打開該MOS電晶體。
  21. 如請求項18之方法，其中該基底二極體的陽極及陰極分別連接至該MOS電晶體的第二端及第一端。
  22. 如請求項21之方法，更包括比較該MOS電晶體第二端上的電壓及臨界值，在該MOS電晶體第二端上的電壓大於該臨界值時打開該MOS電晶體。
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