TWI807862B - 應用於電池模組之保護開關上的驅動電路 - Google Patents

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Abstract

本發明提出一種應用於電池模組之保護開關上的驅動電路，其包括一反向開關、一非反向開關、一電容器及一儲能器；以一PWM訊號控制反向開關及非反向開關的導通或關閉；當PWM訊號處在一高電壓準位時，反向開關關閉而非反向開關導通，一電池總電壓向第一電容器充電而在電容器上形成一儲存電壓；當PWM訊號處在一低電壓準位時，反向開關導通而非反向開關關閉，一參考電壓透過反向開關連接至電容器，以在儲能器上形成由一參考電壓及儲存電壓所疊加出的升壓電壓；之後，升壓電壓驅動保護開關導通。

Description

應用於電池模組之保護開關上的驅動電路
本發明係關於一種驅動電路，尤指一種應用於電池模組之保護開關上的驅動電路。
隨著科技的演進，各式各樣的電子裝置逐漸成為人們生活不可或缺的工具。為了方便於電子裝置可以隨時隨地被使用，很多電子裝置的內部通常會設置有一電池模組。電子裝置透過電池模組所提供的能量而進行運作。
為了電池模組使用上的安全性，電池模組在高側(如正極)通常會加裝一個保護開關，以透過保護開關電性連接所應用的電子裝置。當電池模組發生異常(如過電流)或使用不當(如接錯電池正負極)時，透過控制保護開關的斷電，將可以避免電池模組發生異常或使用不當的情況下還繼續充電或放電，造成電池模組的危害。
電池模組以MOS場效電晶體(如NMOS場效電晶體)作為保護開關。以往常利用一集成IC(如驅動IC)來驅動保護開關。集成IC對保護開關的閘極施加一大於電池模組的電池總電壓之控制訊號，以便驅動保護開關的導通而令電池模組可以充放電運作。
集成IC一般只提供一固定式的驅動電流，若集成IC同時要驅動多顆並聯的保護開關時，驅動能力就明顯不足。此外，為了提升電池模組的供電時間，其內部所設置的電池芯之數量越來越多，以致市面上的電池模組其電池總電壓常常超過100V以上。然，受限於半導體材料特性之因素，集成IC的驅動電壓存在有一不易突破的電壓極限，如75V。則，集成IC其驅動電壓常低於電池模組的電池總電壓，以致無法驅動電池模組的保護開關。
本發明提出一種驅動電路，其應用於一電池模組之高側的一保護開關上且包括有一反向開關、一非反向開關、一電容器、一儲能器及一驅動開關；驅動電路運作時，利用PWM訊號控制反向開關及非反向開關的導通或關閉，以執行電容器的充電程序或執行一參考電壓與電容器之儲存電壓的疊加；當參考電壓與電容器之儲存電壓所疊加出的電壓大於電池模組的電池總電壓時，於儲能器上取得一高於電池總電壓的升壓電壓；接著，電容器進一步被充電而使得其儲存電壓相等於電池總電壓時，將在儲能器上取得一係由電池總電壓與參考電壓所疊加出的最終的升壓電壓，這最終的升壓電壓將會高於電池總電壓與保護開關的一閥值電壓的加總，而後最終的升壓電壓即可成為閘極驅動電壓以驅動保護開關導通。
本發明提出一種驅動電路，其電路係在電池模組的電池總電壓之上疊加一高於保護開關的閥值電壓的參考電壓，以使疊加出的升壓電壓始終能夠高於電池總電壓與保護開關的閥值電壓的加總，則，電池模組即使為一超高 壓的電池模組，驅動電路也能適時提供一超高壓的閘極驅動電壓來驅動保護開關導通。
為上述的目的，本發明提出一種應用於電池模組之保護開關上的驅動電路，電池模組連接保護開關，電池模組在保護開關導通時進行充電或放電，驅動電路包括：一反向開關；一非反向開關，一PWM訊號用以控制反向開關及非反向開關的導通或關閉；一第一電容器，其一端與反向開關及非反向開關共連接至一第一節點，而另一端連接至一第二節點；一第一二極體，其正極連接一電池模組的電池總電壓而負極連接至第二節點；一第二二極體，其正極連接第二節點，而負極連接一第三節點；一儲能器，其一端連接至第三節點而另一端連接電池總電壓；及一驅動開關，為一電晶體開關，驅動開關的一第一端連接至保護開關、一第二端連接至第三節點而一控制端連接電池總電壓；其中，當PWM訊號處在一高電壓準位時，反向開關關閉及非反向開關導通，電池總電壓向第一電容器充電，以在第一電容器上形成一儲存電壓；當PWM訊號處在一低電壓準位時，反向開關導通及非反向開關關閉，一參考電壓透過反向開關連接至第一節點以在第二節點上形成一由參考電壓及儲存電壓所疊加出的疊加電壓，疊加電壓高於電池總電壓時，將在儲能器上形成一高於電池總電壓的升壓電壓；當第一電容器被充電而使得儲存電壓相等於電池總電壓時，將在儲能器上形成一係由電池總電壓與參考電壓所疊加出的最終的升壓電壓；當驅動開關導通時，最終的升壓電壓透過驅動開關驅動保護開關導通。。
本發明一實施例中，保護開關為一設於電池模組之高側的N通道場效電晶體。
本發明一實施例中，驅動開關為一P通道場效電晶體或一PNP電晶體。
本發明一實施例中，最終的升壓電壓高於電池總電壓與保護開關的一閥值電壓的加總。
本發明一實施例中，當最終的升壓電壓與電池總電壓間的一電壓差大於驅動開關的一閥值電壓時，驅動開關將會導通。
本發明一實施例中，反向開關包括一第一開關、一第二開關及一第三開關，第一開關、第二開關及第三開關皆為電晶體開關；第一開關的一第一端連接參考電壓、一第二端接地而一控制端接收PWM訊號；第二開關的一第一端接地、一第二端連接參考電壓而一控制端連接至第一開關的第一端；第三開關的一第一端連接至第一節點、一第二端連接參考電壓而一控制端連接至第二開關的第一端；當PWM訊號處在高電壓準位時，第一開關導通、第二開關導通而第三開關關閉；當PWM訊號處在低電壓準位時，第一開關關閉、第二開關關閉而第三開關導通。
本發明一實施例中，第一開關為N通道場效電晶體或NPN電晶體，而第二開關及第三開關分別為P通道場效電晶體或PNP電晶體。
本發明一實施例中，非反向開關為電晶體開關，非反向開關的一第一端連接至第一節點、一第二端接地而一控制端接收PWM訊號；當PWM訊號處在高電壓準位時，非反向開關導通；當PWM訊號處在低電壓準位時，非反向開關關閉。
本發明一實施例中，非反向開關為一N通道場效電晶體或NPN電晶體。
本發明一實施例中，更包括一電壓調節器，電壓調節器連接電池總電壓且利用電池總電壓以調節出參考電壓。
100:電池模組
101:正輸入/輸出
102:負輸入/輸出
11:電池芯
13:保護開關
200:驅動電路
201:PWM訊號
21:反向開關
211:第一開關
212:第二開關
213:第三開關
22:非反向開關
23:第一電容器
24:第一二極體
25:第二二極體
26:儲能器
27:驅動開關
281:第一節點
282:第二節點
283:第三節點
29:電壓調節器
R1:第一電阻
R2:第二電阻
R3:第三電阻
R4:第四電阻
R5:第五電阻
R6:第六電阻
R7:第七電阻
R8:第八電阻
圖1為本發明驅動電路運作在PWM訊號處在高電壓準位時的電路示意圖。
圖2為本發明驅動電路運作在PWM訊號處在低電壓準位時的電路示意圖。
請參閱圖1及圖2，分別為本發明驅動電路運作在PWM訊號處在高電壓準位時的電路示意圖及本發明驅動電路運作在PWM訊號處在低電壓準位時的電路示意圖。本發明驅動電路應用在一電池模組上，以對於電池模組的保護開關進行開關的控制。首先，如圖1所示，電池模組100包括有複數個串接一起的電池芯11。那些電池芯11串接形成有一電池總電壓VBAT。電池模組100的正極連接至一正輸入/輸出(Input+/Output+)101，而負極連接一負輸入/輸出(Input-/Output-)102。一保護開關13設在電池模組100的高側，如保護開關13設在正輸入/輸出(Input+/Output+)101與電池模組100的正極間。在本發明中，保護開關13為一電晶體開關，如N通道場效電晶體(如NMOS場效電晶體)。
接續，驅動電路200包括一反向開關21、一非反向開關22、一第一電容器23、一第一二極體24、一第二二極體25、一儲能器26及一驅動開關27。 驅動電路200接收一PWM訊號201，且利用PWM訊號201控制反向開關21及非反向開關22的導通或關閉。PWM訊號201係可由一電池管理系統(BMS)或一電池管理晶片所產生。當PWM訊號201處在一高電壓準位時，反向開關21關閉，而非反向開關22導通。當PWM訊號201處在一低電壓準位時，反向開關21導通，而非反向開關22關閉。
進一步地，反向開關21包括一第一開關211、一第二開關212及一第三開關213。第一開關211、第二開關212及第三開關213皆為電晶體開關。第一開關211亦可為N通道場效電晶體或NPN電晶體，而第二開關212及第三開關213亦可為P通道場效電晶體(如PMOS場效電晶體)或PNP電晶體。第一開關211的一第一端(汲極或集極)連接參考電壓VREF、一第二端(源極或射極)接地而一控制端(閘極或基極)透過一第一電阻R1接收PWM訊號201。第二開關212的一第一端(汲極或集極)透過一第二電阻R2接地、一第二端(源極或射極)連接參考電壓VREF而一控制端(閘極或基極)透過一第三電阻R3連接至第一開關211的第一端以及透過一第四電阻R4連接第二開關212的第二端。第三開關213的一第一端(汲極或集極)透過一第五電阻R5連接至一第一節點281、一第二端(源極或射極)透過一第六電阻R6連接參考電壓VREF而一控制端(閘極或基極)連接至第二開關212的第一端。
另，非反向開關22為一單一電晶體開關，其亦可為N通道場效電晶體或NPN電晶體。非反向開關22的第一端(汲極或集極)透過一第七電阻R7連接至第一節點281、一第二端(源極或射極)接地而一控制端(閘極或基極)透過一第八電阻R8接收PWM訊號201。
接續，第一電容器23的一端與反向開關21及非反向開關22共連接至第一節點281，而另一端連接至一第二節點282。第一二極體24的正極連接一電池模組100的電池總電壓VBAT而負極連接至第二節點282。第二二極體25的正極連接第二節點282，而負極連接一第三節點283。儲能器26係由至少一電容器所組成，其一端連接至第三節點283而另一端連接電池總電壓VBAT。驅動開關27也是為一電晶體開關，例如：P通道場效電晶體或PNP電晶體，其一第一端(汲極或集極)連接至保護開關13、一第二端(源極或射極)連接至第三節點283而一控制端(閘極或基極)連接電池總電壓VBAT。此外，驅動電路200更包括一電壓調節器29，如電壓轉換器，電壓調節器29連接電池模組100(未顯示)，以利用電池模組100的電池總電壓VBAT調節出參考電壓VREF，例如：電壓調節器29將100V以上的電池總電壓VBAT調節成12V的參考電壓VREF。在本發明中，參考電壓VREF大於或等於保護開關13的一閥值電壓VTH(如VGS)。
具體而言，驅動電路200運作時，將接收PWM訊號201。如圖1所示，當PWM訊號201處在高電壓準位時，反向開關21的第一開關211導通、第二開關212導通而第三開關213關閉，非反向開關22導通，電池總電壓VBAT向第一電容器23充電，以在第一電容器23上儲電形成有一儲存電壓VS。如圖2所示，當PWM訊號201處在低電壓準位時，反向開關21的第一開關211關閉、第二開關212關閉而第三開關213導通，非反向開關22關閉，則，參考電壓VREF透過導通的第三開關213電性連接至第一節點281，以在第二節點282形成一由儲存電壓VS及參考電壓VREF所疊加出的電壓VC=VS+VREF。
接續，PWM訊號201反覆地進行高電壓準位及低電壓準位的切換，第一電容器23持續地被電池總電壓VBAT充電，使得第二節點282上的疊加電壓VC高於電池總電壓VBAT時，將在儲能器26上形成一升壓電壓VB=VS+VREF。
PWM訊號201繼續反覆地進行高電壓準位及低電壓準位的切換，第一電容器23繼續地被電池總電壓VBAT充電，使得第一電容器23上所形成的儲存電壓VS等於電池總電壓VBAT。則，參考電壓VREF疊加至該相等於電池總電壓VBAT的儲存電壓VS=VBAT上，以在第二節點282上形成疊加電壓VC=VBAT+VREF，並在儲能器26上形成一最終的升壓電壓VBF=VBAT+VREF。
最終的升壓電壓VBF=VBAT+VREF形成在儲能器26後，最終的升壓電壓VBF=VBAT+VREF與電池總電壓VBAT間的電壓差Vd=VREF將會大於驅動開關27的一閥值電壓VTH(如VSG)，以使驅動開關27被導通。而後，最終的升壓電壓VBF=VBAT+VREF成為一保護開關13的閘極驅動電壓，以透過驅動開關27驅動保護開關13導通。
於是，本發明驅動電路200以PWM訊號201控制開關21、22的導通或關閉以執行電容器23的充電或參考電壓VREF與電容器23之儲存電壓VS的疊加，並在參考電壓VREF與電容器23之儲存電壓VS所疊加出的電壓Vc大於電池總電壓VBAT時，於儲能器26上取得一高於電池總電壓VBAT的升壓電壓VB。接著，電容器23進一步被充電而使得其儲存電壓VS相等於電池總電壓VBAT時，將在儲能器26上取得一係由電池總電壓VBAT與參考電壓VREF所疊加出的最終的升壓電壓VBF，這最終的升壓電壓VBF將會高於電池總電壓VBAT與保護開關13的閥值電 壓VTH的加總，以使最終的升壓電壓VBF能夠成為閘極驅動電壓來驅動保護開關13導通。
如此據以實施，本發明驅動電路200的電路設計係在電池總電壓VBAT的基礎上進一步地疊加一高於保護開關13的閥值電壓VTH的參考電壓VREF，以使疊加出的最終的升壓電壓VBF始終高於電池總電壓VBAT與保護開關13的閥值電壓VTH的加總。因此，電池模組100即使為一超高壓的電池模組100，本發明驅動電路200也能適時提供一超高壓的閘極驅動電壓來驅動保護開關13導通。
再者，本發明一較佳實施例中，第一電容器23及儲能器26亦可選用一大容量的電容器作為儲電元件，而反向開關21及非反向開關22亦可選用耐壓性高的電晶體作為開關元件，以使本發明驅動電路200能夠應用在一高壓的電池模組100的保護開關13的驅動上。
以上所述者，僅為本發明之一實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，即凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明的申請專利範圍內。
100:電池模組
101:正輸入/輸出
102:負輸入/輸出
11:電池芯
13:保護開關
200:驅動電路
201:PWM訊號
21:反向開關
211:第一開關
212:第二開關
213:第三開關
22:非反向開關
23:第一電容器
24:第一二極體
25:第二二極體
26:儲能器
27:驅動開關
281:第一節點
282:第二節點
283:第三節點
29:電壓調節器
R1:第一電阻
R2:第二電阻
R3:第三電阻
R4:第四電阻
R5:第五電阻
R6:第六電阻
R7:第七電阻
R8:第八電阻

Claims (10)

  1. 一種應用於電池模組之保護開關上的驅動電路，該電池模組連接該保護開關，該電池模組在該保護開關導通時進行充電或放電，該驅動電路包括：一反向開關；一非反向開關，一PWM訊號用以控制該反向開關及該非反向開關的導通或關閉；一第一電容器，其一端與該反向開關及該非反向開關共連接至一第一節點，而另一端連接至一第二節點；一第一二極體，其正極連接該電池模組的一電池總電壓而負極連接至該第二節點；一第二二極體，其正極連接該第二節點，而負極連接一第三節點；一儲能器，其一端連接至該第三節點而另一端連接該電池總電壓；及一驅動開關，為一電晶體開關，該驅動開關的一第一端連接至該保護開關、一第二端連接至該第三節點而一控制端連接該電池總電壓；其中，當該PWM訊號處在一高電壓準位時，該反向開關關閉及該非反向開關導通，該電池總電壓向該第一電容器充電，以在該第一電容器上形成一儲存電壓；當該PWM訊號處在一低電壓準位時，該反向開關導通及該非反向開關關閉，一參考電壓透過該反向開關連接至該第一節點以在該第二節點上形成一 由該參考電壓及該儲存電壓所疊加出的疊加電壓，該疊加電壓高於該電池總電壓時，將在該儲能器上形成一高於該電池總電壓的升壓電壓；當該第一電容器被充電而使得該儲存電壓相等於該電池總電壓時，將在該儲能器上形成一係由該電池總電壓與該參考電壓所疊加出的最終的升壓電壓；當該驅動開關導通時，該最終的升壓電壓透過該驅動開關驅動該保護開關導通。
  2. 如請求項1所述的驅動電路，其中該保護開關為一設於該電池模組之高側的N通道場效電晶體。
  3. 如請求項1所述的驅動電路，其中該驅動開關為一P通道場效電晶體或一PNP電晶體。
  4. 如請求項1所述的驅動電路，其中該最終的升壓電壓高於該電池總電壓與該保護開關的一閥值電壓的加總。
  5. 如請求項1所述的驅動電路，其中當該最終的升壓電壓與該電池總電壓間的一電壓差大於該驅動開關的一閥值電壓時，該驅動開關將會導通。
  6. 如請求項1所述的驅動電路，該反向開關包括一第一開關、一第二開關及一第三開關，該第一開關、該第二開關及該第三開關皆為該電晶體開關；該第一開關的一第一端連接該參考電壓、一第二端接地而一控制端接收該PWM訊號；該第二開關的一第一端接地、一第二端連接該參考電壓而一控制端連接至該第一開關的該第一端；該第三開關的一第一端連接至該第一節點、一第二端連接該參考電壓而一控制端連接至該第二開關的該第 一端；當該PWM訊號處在該高電壓準位時，該第一開關導通、該第二開關導通而該第三開關關閉；當該PWM訊號處在該低電壓準位時，該第一開關關閉、該第二開關關閉而該第三開關導通。
  7. 如請求項6所述的驅動電路，其中該第一開關為N通道場效電晶體或NPN電晶體，而該第二開關及該第三開關分別為P通道場效電晶體或PNP電晶體。
  8. 如請求項1所述的驅動電路，其中該非反向開關為該電晶體開關，該非反向開關的一第一端連接至該第一節點、一第二端接地而一控制端接收該PWM訊號；當該PWM訊號處在該高電壓準位時，該非反向開關導通；當該PWM訊號處在該低電壓準位時，該非反向開關關閉。
  9. 如請求項8所述的驅動電路，其中該非反向開關為一N通道場效電晶體或NPN電晶體。
  10. 如請求項1所述的驅動電路，更包括一電壓調節器，該電壓調節器連接該電池總電壓且利用該電池總電壓以調節出該參考電壓。
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