電池保護電路及系統

《電池保護電路及系統》是無錫中感微電子股份有限公司於2013年9月25日申請的發明專利，該專利的申請號為2013104426352，公布號為CN103490389A，授權公布日為，發明人是王釗。

《電池保護電路及系統》包括：開機檢測電路、電源管理電路、第一開關和低壓檢測電路；所述低壓檢測電路，與電池相連線，用於檢測所述電池的電壓是否低於低壓檢測閾值，當檢測到所述電池的電壓低於所述低壓檢測閾值時，斷開所述第一開關，切斷所述電池的漏電通路；所述開機檢測電路，用於當所述第一開關或所述開機按鍵中任意一個處於斷開狀態時，輸出電源關斷信號；所述電源管理電路，與所述開機檢測電路相連線，用於當接收到所述電源關斷信號時，切斷所述電池放電的通路，禁止所述電池放電。

2019年7月15日，《電池保護電路及系統》獲第十一屆江蘇省專利項目獎優秀獎。

（概述圖為《電池保護電路及系統》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：電池保護電路及系統
• 公布號：CN103490389A
• 申請號：2013104426352
• 申請日：2013年9月25日
• 申請人：無錫中感微電子股份有限公司
• 地址：江蘇省無錫市無錫新區太湖國際科技園清源路530大廈A區10層
• 發明人：王釗
• Int.Cl.：H02H7/18(2006.01)、H02J7/00(2006.01)
• 代理機構：北京億騰智慧財產權代理事務所
• 代理人：陳霽
• 類別：發明專利

專利背景

2013年9月前，數位相機、手機、平板電腦、攜帶型影音設備或藍牙設備等攜帶型電子設備越來越多地採用鋰電池作為主要電源。鋰電池具有體積小、能量密度高、無記憶效應、循環壽命高、高電池電壓和自放電率低等優點。由於自身特性，容易爆炸或損壞，必須考慮充電、放電時的安全性。

2013年9月前已有的方式通常是為電池專門設計了保護晶片以及保護板。電池裝配了帶保護晶片的保護板後，為電子設備的整個系統供電。圖1是2013年9月前已有電子設備的電池保護電路的電路圖，如圖1所示，包括電芯BT1、電池保護晶片VM、功率開關MN1、功率開關MN2、電阻R1、電阻R2、電容C1和保護控制電路P1。其中，該保護控制電路P1包括充電電路Charger、電路管理電路Power、開機檢測電路T1、電阻R3、電阻R4。當電芯BT1的電壓高於充電過壓保護閾值，輸出CO為低電平（低電平為VM電壓），關斷功率開關MN2，這樣實現對充電通路的切斷，禁止充電。當電芯電壓低於放電過壓保護閾值，電池保護晶片輸出DO變為低電平（低電平為G端電壓），關斷功率開關MN1，這樣實現對放電通路的切斷，禁止放電，禁止放電後，即使系統控制電路存在放電通路，也無法消耗電芯能量。

由此可見，2013年9月前已有的電池保護電路均需要採用電池保護晶片，而且由於電池放電時，放電電流需要流經功率開關MN1和MN2，需要消耗一定的電量，因而導致電子設備的耗電量增加，供電效率不高。

發明內容

技術方案

《電池保護電路及系統》所述電池保護電路包括：開機檢測電路、電源管理電路、第一開關和低壓檢測電路；

所述第一開關連線於開機按鍵與所述開機檢測電路之間，所述第一開關的控制端與所述低壓檢測電路相連線；

所述低壓檢測電路，與電池相連線，用於檢測所述電池的電壓是否低於低壓檢測閾值，當檢測到所述電池的電壓低於所述低壓檢測閾值時，斷開所述第一開關，切斷所述電池的漏電通路；

所述開機檢測電路，用於當所述第一開關或所述開機按鍵中任意一個處於斷開狀態時，輸出電源關斷信號；

所述電源管理電路，與所述開機檢測電路相連線，用於當接收到所述電源關斷信號時，切斷所述電池放電的通路，禁止所述電池放電。

該發明還提供了一種電池保護系統，所述系統包括：鋰電池和該發明實施例所述的電池保護電路。

改善效果

《電池保護電路及系統》無需採用電池保護晶片，即可實現電池放電通路的切斷，實現電池保護功能，可節省成本，由於放電時無需流經多個功率開關，提高了電池的供電效率，延長電子設備的待機時間。

附圖說明

圖1為2013年9月前已有的電池保護電路的電路圖；

圖2為《電池保護電路及系統》實施例一提供的電池保護電路的電路圖；

圖3為該發明實施例一提供的一種低壓檢測電路的電路原理圖；

圖4為該發明實施例一提供的另一種低壓檢測電路的電路原理圖；

圖5為該發明實施例一提供的一種襯底選擇電路的電路原理圖；

圖6為該發明實施例二提供的電池保護電路的電路圖。

權利要求

1.一種電池保護電路，其特徵在於，所述電池保護電路包括：開機檢測電路、電源管理電路、第一開關和低壓檢測電路；所述第一開關連線於開機按鍵與所述開機檢測電路之間，所述第一開關的控制端與所述低壓檢測電路相連線；所述低壓檢測電路，與電池相連線，用於檢測所述電池的電壓是否低於低壓檢測閾值，當檢測到所述電池的電壓低於所述低壓檢測閾值時，斷開所述第一開關，切斷所述電池的漏電通路；所述開機檢測電路，用於當所述第一開關或所述開機按鍵中任意一個處於斷開狀態時，輸出電源關斷信號；所述電源管理電路，與所述開機檢測電路相連線，用於當接收到所述電源關斷信號時，切斷所述電池放電的通路，禁止所述電池放電。

2.根據權利要求1所述的電池保護電路，其特徵在於，所述低壓檢測電路包括：第一分壓電阻、第二分壓電阻、電流源、開關管、觸發器和反相器；所述電池的電壓經過所述第一分壓電阻與第二分壓電阻分壓後的電壓載入到所述開關管的控制端，所述電流源的輸入端與所述電池相連線，所述電流源的輸出端與所述開關管的集電極相連線，所述開關管的集電極經過所述觸發器、所述反相器後輸出檢測結果，所述低壓檢測閾值由所述第一分壓電阻與第二分壓電阻的阻值比例決定。

3.根據權利要求1所述的電池保護電路，其特徵在於，所述低壓檢測電路包括：第一分壓電阻、第二分壓電阻、電流源（I401）、第一開關管（MP401）、第二開關管（MP402）、第三開關管（MP403）、第四開關管（MN402）、第五開關管（MN403）、第一電阻（R402）、第二電阻（R403）和觸發器；所述電池的電壓經過所述第一分壓電阻與第二分壓電阻分壓後的電壓載入到所述第四開關管（MN402）和第五開關管（MN403）的控制端，所述第一開關管（MP401）和第二開關管（MP402）的柵極相連線構成匹配的電流鏡，所述第四開關管（MN402）和第五開關管（MN403）構成共源放大電路，所述第三開關管（MP403）的柵極通過所述電流源（I401）接地，所述第五開關管（MN403）的源極與所述第三開關管（MP403）的柵極相連線，所述第三開關管（MP403）的漏極經過所述觸發器後輸出結果。

4.根據權利要求1～3任一權項所述的電池保護電路，其特徵在於，所述電池保護電路還包括：充電管理電路、充電開關管；所述充電開關管的一端與所述電池相連線，另一端連線所述充電電源，控制端與所述充電管理電路相連線；所述充電管理電路，與所述電池和所述充電電源分別相連線，用於當檢測到所述充電電源且所述充電電源的電壓高於所述電池的電壓時，控制所述充電開關管導通對所述電池進行充電。

5.根據權利要求4所述的電池保護電路，其特徵在於，所述充電開關管為絕緣柵型場效應管。

6.根據權利要求4所述的電池保護電路，其特徵在於，所述電池保護電路還包括：襯底選擇電路，所述襯底選擇電路連線於所述充電開關管的襯底，並根據所述充電開關管的工作狀態自動切換所述充電開關管的襯底電壓。

7.根據權利要求4所述的電池保護電路，其特徵在於，所述電池保護電路還包括：高壓檢測電路和高壓控制電路，所述高壓檢測電路與所述電池相連線，用於檢測所述電池的電壓是否高於高壓檢測閾值，當檢測到所述電池的電壓高於所述高壓檢測閾值時，輸出充電關斷信號，並通過所述高壓控制電路使所述充電開關管斷開，停止對所述電池進行充電。

8.根據權利要求7所述的電池保護電路，其特徵在於，所述高壓控制電路包括反相器、第二開關和第三開關，所述反相器與所述高壓檢測電路的輸出端相連線，所述第二開關連線於所述充電管理電路的輸出端與所述充電開關管的控制端之間，所述第二開關的控制端與所述反相器的輸出端相連線，所述第三開關連線於所述充電開關管的控制端與所述充電開關管的襯底之間，所述第三開關的控制端與所述高壓檢測電路的輸出端相連線。

9.根據權利要求1所述的電池保護電路，其特徵在於，所述電源管理電路包括直流-直流轉換器、電壓調節器、功率開關、電荷泵中的一個或任意組合。

10.一種電池保護系統，其特徵在於，所述系統包括鋰電池和如權利要求1～9任一權項所述的電池保護電路。

實施方式

《電池保護電路及系統》的電池保護電路及系統可以適用於使用鋰電池的電子設備中，例如可用於藍牙耳機、智慧型手機或平板電腦等攜帶型電子設備中。

實施例一

圖2是該實施例提供的電池保護電路的電路圖，如圖2所示，該電池保護電路包括：開機檢測電路T1、電源管理電路Power、第一開關K1和低壓檢測電路LT1。

第一開關K1連線於開機按鍵Buttom與開機檢測電路T1之間，第一開關K1的控制端與低壓檢測電路LT1相連線。開機按鍵Buttom的另一端與電池BT1相連線。

低壓檢測電路LT1與電池BT1相連線，用於檢測電池BT1的電壓是否低於低壓檢測閾值，當檢測到所述電池的電壓低於所述低壓檢測閾值時，斷開所述第一開關，切斷電池的漏電通路。

開機檢測電路T1用於當第一開關K1或開機按鍵Buttom中任意一個處於斷開狀態時，輸出電源關斷信號。開機檢測電路T1的輸入端一端與電池BT1相連線，另一端通過第一開關K1與開機按鍵Buttom相連線，輸出端與電源管理電路Power相連線。當第一開關K1和開機按鍵Buttom均處於接通狀態時，開機檢測電路T1輸出電源接通信號，電源管理電路Power處於通電狀態。

電源管理電路Power與開機檢測電路T1相連線，用於當接收到開機檢測電路T1輸出的所述電源關斷信號時，切斷所述電池放電的通路，禁止所述電池放電。電源管理電路Power可以包括直流-直流轉換器、電壓調節器、功率開關、電荷泵中的一個或任意組合，以便可以在電池發生異常時，禁止電池放電，從而實現完整的電池保護功能。

所述低壓檢測閾值大於或等於所述電池的過電壓放電保護閾值，且低於最低工作電壓要求（例如2.0伏～2.9伏之間的值），以避免電芯電壓過低時，由於過度放電導致電池損耗。該低壓檢測電路LT1一直保持工作。

當電池BT1的電壓低於低壓檢測閾值時，低壓檢測電路LT1輸出的BATH信號變成低電平，控制第一開關K1斷開，切斷通過電阻R5的漏電通路。同時通過切斷第一開關K1，電阻R5會將開機檢測電路T1的輸入端KON拉低，使KON低於開機檢測閾值，從而開機檢測電路T1輸出的ON信號也為低電平，控制電源管理電路Power為完全關斷，避免對電池BT1的電芯的過度放電。這樣，當電池BT1的電芯電壓低於低壓檢測閾值時，即使開機按鍵Buttom被誤觸發（例如運輸時）而按下，也不會出現晶片被誤觸發工作而產生對電池BT1的電芯過度耗電的問題。同時，誤觸發導致電池BT1通過電阻R5放電的漏電通路也被切斷。這樣，就可以實現電芯電壓過低時，減小漏電的效果。

圖3是該實施例提供的一種低壓檢測電路的電路原理圖，如圖3所示，該低壓檢測電路包括：第一分壓電阻R301、第二分壓電阻R302、電流源I301、開關管Q301、觸發器schmitt和反相器INV301。電池的電壓VBAT經過第一分壓電阻R301與第二分壓電阻R302分壓後的電壓VB載入到開關管Q301的控制端（基極），電流源I301的輸入端與電池BT1的正極VBAT相連線，所述電流源I301的輸出端與開關管Q301的集電極相連線，開關管Q301的集電極經過觸發器schmitt、反相器INV301後輸出檢測結果。所述低壓檢測閾值由所述第一分壓電阻R301與第二分壓電阻R302的阻值比例決定。

電池的電壓VBAT經過第一分壓電阻R301和第二分壓電阻R302分壓產生VB電壓。當VB電壓足夠高使得開關管Q301電流大於電流源I301電流時，開關管Q301的集電極CO變為低電平，經過施密特觸發器schmitt和反相器INV301的信號BATH變為高電平。反之，當VB電壓較低，低於該電路翻轉電壓時，BATH輸出為低電平。電流源I301為正溫度係數電流源，其實現方式可以為基於ΔVbe的電路，即I301=K1·ΔVbe/R。電流源I301的電流流經電阻R303，在電阻R303上也產生正溫度係數電壓，而開關管Q301（可以為NPN電晶體）的Vbe為負溫度係數，經過設計合適的電阻R303的電阻值可以實現較好的溫度補償效果，使得VB節點電壓的翻轉點為零溫度係數的電壓值，這樣翻轉閾值較為準確。VB節點翻轉閾值等於Vbe+R303·I301，其中Vbe為開關管Q301的基極-發射極電壓，R303為電阻R303的電阻值，I301為電流源I301的電流值。VBAT的翻轉閾值等於（Vbe+R303·I301）·（R301+R5）/R301，其中R301為電阻R301的電阻值，R303為電阻R303的電阻值。

圖4是該實施例提供的另一種低壓檢測電路的電路原理圖，如圖4所示，該低壓檢測電路包括：第一分壓電阻R401、第二分壓電阻R404、開關管MP401～MP403、開關管MN402、開關管MN403、電阻R402、電阻R403、電流源I401和觸發器schmitt。該低壓檢測電路採用多個開關管組合的方式來實現。

電池的電壓VBAT經過第一分壓電阻R401與第二分壓電阻R404分壓後的電壓載入到開關管MN402和開關管MN403的控制端。開關管MP401、開關管MP402和開關管MP403的襯底端、漏極與電池的電壓VBAT相連線，開關管MP401和開關管MP402的柵極相連線構成匹配的電流鏡，開關管MN402和開關管MN403構成共源放大電路，開關管MP403的柵極通過電流源I401接地，開關管MN403的源極與開關管MP403的柵極相連線，開關管MP403的漏極經過觸發器schmitt後輸出結果。

第一分壓電阻R401和第二分壓電阻R404形成分壓電路，對VBAT電壓進行分壓。當VB電壓高於翻轉閾值時，VC電壓變為高電平，經過施密特觸發器schmitt的輸出信號BATH也變為高電平。當VB電壓低於翻轉閾值時，VC電壓變為低電平，經過施密特觸發器schmitt的輸出信號也為低電平。設計開關管MP401和開關管MP402為匹配的電流鏡，開關管MP403和電流源I401構成共源放大電路。開關管MN402和開關管MN403的寬長比之比為一定比例（設為N），例如8:1。開關管MN402的寬長比較大。可以設計電阻R403和電阻R402的適當比例來實現零溫度係數的VB翻轉閾值電壓。為了得到較為準確的翻轉閾值，一般將開關管MN402和開關管MN403設計工作在亞閾值區。VB節點的翻轉閾值為Vth+（2R403/R402）.ζ.VT.ln（N），其中Vth為開關管MN403的閾值電壓，為負溫度係數，ζ為亞閾值電流因子，VT為熱電壓，等於kT/q，可見與溫度成正比，N為開關管MN402和開關管MN403的寬長比之比，ln為對數函式。

繼續參見圖2，電池保護電路還包括：充電管理電路Charger和充電開關管MP1。充電開關管MP1的一端與電池BT1相連線，另一端連線充電電源S1，控制端與充電管理電路Charger相連線。其中，充電電源S1可以是數據線USB電源或者適配器Adapter電源。

充電管理電路Charger與電池BT1和充電電源S1分別相連線，充電管理電路Charger的輸入端的一端與電池BT1的正極VBAT相連線，輸入端的另一端與充電電源S1的正極VCHG相連線，輸出端與充電開關管MP1的控制端相連線。充電管理電路Charger用於當檢測到充電電源S1且充電電源S1的電壓VCHG高於電池BT1的電壓VBAT時，控制充電開關管MP1導通對電池BT1進行充電。充電開關管MP1為絕緣柵型場效應管。

可選的，電池保護電路還包括：襯底選擇電路CC1。襯底選擇電路CC1連線於充電開關管MP1的襯底，並根據充電開關管MP1的工作狀態自動切換充電開關管MP1的襯底電壓。一般來說，MOS電晶體一般有四個端:源極、漏極、柵極、襯底。為了讓PMOS電晶體正常工作，其襯底端應接漏極和源極中較高電位（即當漏極電壓大於源極電壓時，襯底應接漏極電壓，當源極電壓大於漏極電壓時，襯底應該接源極電壓）。

具體地，圖5是該實施例提供的一種襯底選擇電路的電路原理圖，如圖5所示，包括：比較器COMP501、反相器INV501、開關K501和開關K502。比較器COMP501的輸入端的一端連線電池BT1的正極VBAT，另一端與充電電源VCHG相連線，輸出端與開關K501的控制端、反相器INV501連線，反相器INV501的輸出端與開關K502的控制端相連線，開關K501連線於電池BT1的正極VBAT與襯底選擇電路的輸出端VMAX之間，開關K502連線於充電電源VCHG與襯底選擇電路的輸出端VMAX之間。襯底選擇電路CC1就是選擇VBAT和VCHG中較高的電壓輸出到VMAX端，即充電開關管MP1的襯底端。

這樣，《電池保護電路及系統》實施例通過充電管理電路Charger實現對電池BT1進行充電。當檢測到USB或適配器（Adapter）插入時，對電池進行充電。充電管理電路Charger一般可包括預充電控制、恆流充電控制和恆壓充電控制電路。充電控制過程一般包括預充電、恆流充電和恆壓充電。當電池電壓低於預充電閾值（例如3伏）時，充電電路（Charger）以較小的預充電電流對電池進行充電，一般為設定的恆流充電電流的十分之一。當電池電壓上升至預充電閾值（例如3伏）以上時，充電電路輸出設定的恆流充電電流對電池進行充電。當電池充電至恆壓充電閾值（例如4.2伏）時，對電池進行恆壓充電，而充電電流逐漸減小，直至電池充滿。該發明中充電電路的恆壓充電閾值要設定比電池充電過壓保護閾值低。對於預充電、恆流充電和恆壓充電的詳細控制方法已由業內技術人員所熟知，於此不再贅述。

這樣，《電池保護電路及系統》通過低壓檢測電路，可以無需採用電池保護晶片，即可實現電池放電通路的切斷，實現電池保護功能，從而節省成本。而且，由於放電時無需流經多個功率開關，提高了電池的供電效率，延長電子設備的待機時間。

實施例二

圖6是該實施例提供的電池保護電路的電路圖，如圖6所示，該實施例的電池保護電路與實施例一中的類似，區別之處在於，該電池保護電路還包括：高壓檢測電路HT1和高壓控制電路。

高壓檢測電路HT1與電池BT1相連線，用於檢測電池BT1的電壓VBAT是否高於高壓檢測閾值，當檢測到電池BT1的電壓VBAT高於所述高壓檢測閾值時，輸出充電關斷信號，並通過所述高壓控制電路使所述充電開關管斷開，停止對所述電池進行充電。

高壓控制電路包括反相器INV、第二開關K2和第三開關K3。反相器INV與高壓檢測電路HT1的輸出端相連線。第二開關K2連線於充電管理電路Charger的輸出端與充電開關管MP1的控制端之間，第二開關K2的控制端與反相器INV的輸出端相連線。第三開關K3連線於充電開關管MP1的控制端與充電開關管MP1的襯底之間，第三開關K3的控制端與高壓檢測電路HT1的輸出端相連線。

當所述高壓檢測電路HT1輸出所述充電關斷信號時，第二開關K2斷開，第三開關K3導通。

由於對電芯來說，充電過壓是非常危險的，嚴重時會導致電芯爆炸。為了進一步增強電芯安全性，額外增加高壓檢測，提供了另一安全保障。即使由於某些異常原因，導致充電電路損壞，高壓檢測電路仍可以獨立正常工作。

當檢測到電池BT1的電芯過壓時（例如4.275伏），高壓檢測電路HT1輸出信號OV將變為高電平，OVB信號變為低電平，控制第二開關K2斷開，第三開關K3導通，第三開關K3導通將充電開關管MP1的柵極電壓拉高至襯底選擇電路CC1輸出VMAX，襯底選擇電路CC1會選擇出VBAT和VCHG中電壓較高的電壓輸出至VMAX。第三開關K3導通將充電開關管MP1的柵極電壓拉高至VMAX，能有效將充電開關管MP1完全關斷，能切斷充電通路，防止電池BT1的電芯被過度充電，提高電芯的安全性。

其中，高壓檢測電路HT1可以採用如圖3和圖4所示的電路實現，通過改變不同的分壓電阻的電阻值比例，即可實現高壓檢測電路，於此不再贅述。

由此可見，《電池保護電路及系統》無需電池保護晶片、功率開關MN1、功率開關MN2等器件，也可以實現電池保護電路的保護功能。而且由於放電時，放電電流無需流經功率開關MN1、MN2，該發明的供電時效率更高，有助於延長電子設備的待機時間。

另外，該發明還可以提供一種電池保護系統，該系統中包括鋰電池和上述實施例一和實施例二所述的電池保護電路。

榮譽表彰

2019年7月15日，《電池保護電路及系統》獲第十一屆江蘇省專利項目獎優秀獎。