TWI505602B - 用來對電池進行充放電的晶片及用來保護電池免於過度充放電傷害的保護電路 - Google Patents

Description

用來對電池進行充放電的晶片及用來保護電池免於過度充放 電傷害的保護電路

本發明係有關於充電器，尤指一種用來對電池進行充放電的晶片及一種用來保護電池免於過度充放電傷害的保護電路。

在傳統的電池充電器中，充電電路、保護電路、及電源管理電路是分別由三個晶片來實作，而這三個晶片所使用的接地電壓不完全是相同的，舉例來說，充電電路及電源管理電路所使用的是來自變壓器(adapter)的系統接地電壓，而保護電路所使用的來自於系統接地電壓和電池的電池接地電壓。當電池正常充放電時，系統接地電壓會透過一開關連接至電池的電池接地電壓。當電池異常充放電時，該開關會斷開使得系統接地電壓不會連接至電池的電池接地電壓。因此，若是要將這三個電路整合在一個晶片中，由於需要使用到兩種不同的接地電壓，且該等接地電壓在上述開關斷開時有可能會大幅變動，故會使得晶片中的元件需要使用高壓元件來實作，增加設計上的成本。

因此，本發明的目的之一在於提供一種用來對電池進行充放電的晶片及一種用來保護電池免於過度充放電傷害的保護電路，其大部分的元件均可以使用低壓元件來實作，且可以避免系統接地電壓大幅變動時對電路造成的影響，以解決先前技術中的問題。

依據本發明一實施例，一種用來對一電池進行充放電的晶片包含 有一工作電壓接點、一電池電壓接點、一系統接地接點、一電池接地接點、一充電電路及一保護電路，其中該保護電路包含一電壓箝制電路。該充電電路耦接於該工作電壓接點與該電池電壓接點之間，用來接收一工作電壓以產生一充電電壓至該電池電壓接點；該保護電路耦接於該電池電壓接點、該系統接地接點以及該電池接地接點之間，其中該保護電路用來保護該電池免於過度充放電的傷害；以及該電壓箝制電路用以在該系統接地接點上的系統接地電壓低於該電池接地接點上的電池接地電壓時，提供一受箝制的輸出電壓。

依據本發明另一實施例，一種用來保護一電池免於過度充放電傷 害的保護電路包含有一核心電路及一電壓箝制電路，其中該核心電路至少接收一電池電壓以及一電池接地電壓；以及該電壓箝制電路至少接收一系統接地電壓以及該電池接地電壓，並在該系統接地電壓低於該電池接地電壓時，提供一受箝制的輸出電壓至該核心電路。

100‧‧‧晶片

102‧‧‧電池

104‧‧‧變壓器

106‧‧‧負載

107、108、M1、M2‧‧‧電晶體

110‧‧‧充電電路

120‧‧‧穩壓電路

130‧‧‧保護電路

P1‧‧‧工作電壓接點

P2‧‧‧電池電壓接點

P3‧‧‧系統接地接點

P4‧‧‧電池接地接點

P5~P6‧‧‧控制接點

210‧‧‧電壓箝制電路

220‧‧‧核心電路

I1‧‧‧電流源

R1、R2‧‧‧電阻

510‧‧‧低壓元件區域

520‧‧‧高壓元件區域

第1圖為依據本發明一實施例之一種用來對一電池進行充放電的晶片的示意圖。

第2圖為依據本發明一實施例之保護電路的示意圖。

第3圖為依據本發明一實施例之電壓箝制電路的示意圖。

第4圖所示為電壓箝制電路中系統接地電壓VSS與電壓V2的模擬示意圖。

第5圖為保護電路中的半導體結構的示意圖。

在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定 的元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的「包含」係為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。此外，「耦接」一詞在此係包含任何直接及間接的電氣連接手段，因此，若文中描述一第一裝置耦接於一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電氣連接於該第二裝置，或者透過其他裝置或連接手段間接地電氣連接至該第二裝置。

請參考第1圖，第1圖為依據本發明一實施例之一種用來對一電池102進行充放電的晶片100的示意圖。如第1圖所示，晶片100包含有六個接點P1~P6以及一充電電路110、一穩壓電路(regulator)120以及一保護電路130，其中六個接點P1~P6包含有一工作電壓接點P1、一電池電壓接點P2、一系統接地接點P3、一電池接地接點P4、以及控制接點P5~P6。在實作上，晶片100可應用於電池充電器，或是行動電源之中。

在晶片100之外，一變壓器(adapter)104用來分別提供一工作電壓VDD與一系統接地電壓VSS至工作電壓接點P1與系統接地接點P3，電池102則是分別提供一電池電壓VBAT與一電池接地電壓GND至電池電壓接點P2與電池接地接點P4，一負載106則是耦接於穩壓電路120。

在晶片100的操作上，當需要對電池102進行充電時，充電電路110會由工作電壓接點P1接收來自變壓器104的一工作電壓VDD，並產生一充電電壓至電池電壓接點P2以對電池102進行充電；另一方面，當晶片100需要使用電池102來對負載106(例如一行動電話)進行供電時，則穩壓電路120 會自電池電壓接點P2接收一電池電壓，並轉換為一電壓Vout至負載106。此外，保護電路130則是用來偵測電池102的電池電壓VBAT或是電池102的充放電電流以判斷是否有過度充放電的問題，並據以決定是否產生控制訊號CO、DO以關閉電晶體107、108，舉例來說，若是電池102有過度充放電的問題，則保護電電路會關閉(disable)電晶體107、108，反之若是電池102沒有過度充放電的問題，則電晶體107、108是開啟的。

當電池102有過度充放電的問題時，充電電路110與穩壓電路120同時也會被關閉，此時由於電晶體107、108是斷開的，這會使得系統接地接點P3不會經由電晶體連接至電池接地接點P4，其將導致系統接地電壓VSS的位準與電池接地電壓GND的位準不相同。舉例來說，假設變壓器104所提供的工作電壓VDD為18V、系統接地電壓VSS為0V，電池所提供的電池電壓VBAT為5V、電池接地電壓GND為0V，若是充電電路110停止操作，工作電壓VDD的電壓值會被拉低至與電池電壓VBAT相同(亦即為5V)，而由於變壓器104的壓降需要維持固定的18V，則此時系統接地電壓VSS會被拉低到(-13V)。在本例中由於系統接地電壓VSS的準位被大幅度的拉低，其可能導致保護電路130的傷害。

為了解決系統接地電壓VSS被拉低到(-13V)的問題，請參考第2圖，第2圖為依據本發明一實施例之保護電路130的示意圖。如第2圖所示，保護電路130至少包含一電壓箝制電路210以及一核心電路220，其中電壓箝制電路210的功用是當系統接地電壓VSS的位準被大幅度的拉低時，提供一受箝制的輸出電壓(亦即，一接近電池接地電壓GND的位準)至核心電路220，以避免當系統接地電壓VSS被拉低到(-13V)時造成核心電路220的損壞；另外，核心電路220則是用來執行保護電路的主要功能，亦即偵測電池電壓VBAT或電池充放電電流來判斷電池102是否有過度充放電的情形，並 據以產生控制訊號CO、DO以開啟/關閉電晶體107、108，由於核心電路220的細節為本領域技術人員所熟知，故細節在此不予贅述。

在本實施例中，電壓箝制電路210係以高壓元件來實作，而核心電路220則是完全以低壓元件來實作。

請參考第3圖，第3圖為依據本發明一實施例之電壓箝制電路210的示意圖。如第3圖所示，電壓箝制電路210包含兩個電晶體M1、M2、一電流源I1、兩個電阻R1、R2，其中電晶體M1、M2的連接方式如圖3所示。在電壓箝制電路210的操作上，當系統接地電壓VSS為0V時，圖示的電壓V1會很接近電池電壓VBAT，而電晶體M1的閘極源極間電壓約等於電池電壓VBAT，因此，電晶體M1為開啟狀態，而電晶體M2為關閉狀態，因此圖示的電壓V2會等於系統接地電壓VSS。另外，在實際的操作時，系統接地電壓VSS是接近0V，但並非是真的等於0V，故核心電路220會由電壓箝制電路210接收實質上等於系統接地電壓VSS的電壓V2，供其內部的電路參考操作。

另一方面，當保護電路130因為電池102有過度充放電的問題而關閉電晶體107、108、充電電路110與穩壓電路120，而造成系統接地電壓VSS的準位逐漸被拉低時，電壓箝制電路210會參考電池接地電壓GND，以提供一接近電池接地電壓GND的位準至核心電路220。參考第3圖，假設當系統接地電壓VSS由0V被拉低到(-1V)時，電晶體M2會開啟而使得電壓V1會等於(-1V)，造成電晶體M1的閘極源極間電壓約等於0V而導致電晶體M1關閉。此時，圖示的電壓V2約會等於電池接地電壓GND。

第4圖所示為電壓箝制電路210中系統接地電壓VSS與電壓V2 的模擬示意圖。如第4圖所示，當系統接地電壓VSS持續下降時，電壓V2會被箝制在一預定電壓值，因此，可以避免核心電路220中的元件受到高壓的損害。

此外，在保護電路130中，由於會使用到兩個接地電壓，因此，為了隔絕這兩個接地電壓，在製程上會使用深層N型井(deep N well)來實作，亦即深層N型井之外的P型基板會連接到系統接地電壓VSS，而深層N型井內的P型井則用來連接到電池接地電壓GND。舉例來說，核心電路220可以製作於深層N型井中，而電壓箝制電路210係以高壓元件製作於該深層N型井以外的區域。參考第5圖，第5圖為保護電路130中的半導體結構的示意圖。如第5圖所示，其主要包含兩個區域，其中區域510是低壓元件區域，用以製作核心電路220中的電晶體元件；而區域520是高壓元件區域，用以製作電壓箝制電路210中的電晶體元件。在區域510中，低壓元件是製作於深層N型井中，亦即低壓元件中的N型電晶體會製作於圖示的P型井中，而低壓元件中的P型電晶體會製作於圖示的N型井中。另外，P型基板是連接到系統接地電壓VSS，深層N型井則連接到電池電壓VBAT與電池接地電壓GND。

簡要歸納本發明，在本發明之用來對電池進行充放電的晶片中，係整合了充電電路、穩壓電路以及保護電路三種功能性電路，且此晶片會具有兩個接地電壓(系統接地電壓及電池接地電壓)，因此晶片中會使用深層N型井來實作元件以隔絕這兩個接地電壓。另外，本發明的保護電路中具有一電壓箝制電路，其用以提供接近電池接地電壓GND的位準至核心電路，以使得保護電路中的核心元件可以使用低壓元件來實作，且不會造成核心元件損壞。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所 做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100‧‧‧晶片

102‧‧‧電池

104‧‧‧變壓器

106‧‧‧負載

107、108‧‧‧電晶體

110‧‧‧充電電路

120‧‧‧穩壓電路

130‧‧‧保護電路

P1‧‧‧工作電壓接點

P2‧‧‧電池電壓接點

P3‧‧‧系統接地接點

P4‧‧‧電池接地接點

P5~P6‧‧‧控制接點

Claims (9)

1. 一種用來對一電池進行充放電的晶片，包含有：一工作電壓接點、一電池電壓接點、一系統接地接點以及一電池接地接點；一充電電路，耦接於該工作電壓接點與該電池電壓接點之間，用來接收來自該工作電壓接點的一工作電壓以產生一充電電壓至該電池電壓接點；以及一保護電路，耦接於該電池電壓接點、該系統接地接點以及該電池接地接點之間，其中該保護電路用來保護該電池免於過度充放電的傷害，且包含有：一電壓箝制電路，連接於該系統接地接點，用以在該系統接地接點上的一系統接地電壓低於該電池接地接點上的一電池接地電壓時，提供一受箝制的輸出電壓。
2. 如申請專利範圍第1項所述的晶片，另包含有：一穩壓電路，耦接於該電池電壓接點，用以產生一電壓至一負載。
3. 如申請專利範圍第1項所述的晶片，其中該保護電路另包含一核心電路，其中該核心電路係製作於一深層N型井(deep N well)中，而該電壓箝制電路係以高壓元件製作於該深層N型井以外的區域。
4. 如申請專利範圍第3項所述的晶片，其中當該晶片對該電池進行正常充放電時，該核心電路接收該系統接地電壓；以及當該晶片對該電池進行異常充放電時，該核心電路接收該受箝制的輸出電壓而非該系統接地電壓，其中該受箝制的輸出電壓實質接近該電池接地電壓的位準。
5. 如申請專利範圍第4項所述的晶片，其中該電壓箝制電路包含有：一第一電晶體，其中該第一電晶體的閘極耦接於該電池電壓接點、該第一電晶體的汲極耦接於該系統接地接點、以及該第一電晶體的源極耦接於該電池接地接點；以及一第二電晶體，其中該第二電晶體的閘極耦接於該電池接地接點、該第二電晶體的汲極耦接於該電池電壓接點、以及該第二電晶體的源極耦接於該系統接地接點；其中該核心電路連接於該第一電晶體的源極。
6. 一種用來保護一電池免於過度充放電傷害的保護電路，包含有：一核心電路，其中該核心電路至少接收一電池電壓以及一電池接地電壓；以及一電壓箝制電路，耦接於該核心電路，其中該電壓箝制電路至少接收一系統接地電壓以及該電池接地電壓，並在該系統接地電壓低於該電池接地電壓時，提供一受箝制的輸出電壓至該核心電路。
7. 如申請專利範圍第6項所述的保護電路，其中核心電路係製作於一深層N型井(deep N well)中，而該電壓箝制電路係以高壓元件製作於該深層N型井以外的區域。
8. 如申請專利範圍第6項所述的保護電路，其中該保護電路係設置於一晶片中，且當該晶片對該電池進行正常充放電時，該核心電路接收該系統接地電壓；以及當該晶片對該電池進行異常充放電時，該核心電路接收該受箝制的輸出電壓而非該系統接地電壓，其中該受箝制的輸出電壓實質接近該電池接地電壓的位準。
9. 如申請專利範圍第8項所述的保護電路，其中該晶片包含有一電池電壓接點、一系統接地接點以及一電池接地接點，且該電壓箝制電路包含有：一第一電晶體，其中該第一電晶體的閘極耦接於該電池電壓接點、該第一電晶體的汲極耦接於該系統接地接點、以及該第一電晶體的源極耦接於該電池接地接點；以及一第二電晶體，其中該第二電晶體的閘極耦接於該電池接地接點、該第二電晶體的汲極耦接於該電池電壓接點、以及該第二電晶體的源極耦接於該系統接地接點；其中該核心電路連接於該第一電晶體的源極。