一种锂电池保护电路制造技术

本实用新型专利技术公开一种锂电池保护电路，锂电池保护电路包括基准电压产生电路、参考电压产生电路、基准电流产生电路、过充电检测比较器、过放电检测比较器、充电过流检测比较器、放电过流检测比较器、逻辑控制电路、振荡器与计数器电路、短路保护检测电路、CS开路保护电路、OD驱动电路、OC电平转换电路，本实用新型专利技术可以实现对锂电池的保护。

【技术实现步骤摘要】
一种锂电池保护电路
本技术涉及电子电路
，尤其涉及一种锂电池保护电路。
技术介绍
锂离子电池(通常简称为锂电池)，是一种二次电池(充电电池)，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。锂离子电池具有电压高、循环寿命长、充电快速、工作温度范围广的优点，因此可充电锂离子电池是手机、笔记本电脑等现代数码产品中应用最广泛的电池。然而，锂离子电池在使用中如果出现过度充电、过度放电、放电过流等现象，会对锂电池产生不可逆的损坏，甚至引发爆炸、火灾等严重安全事故。因此，锂离子电池在使用的过程中，必须与锂电池保护板搭配使用。一种典型的锂电池保护板电路如图1所示，由电阻、电容、功率MOS管以及锂电池保护芯片组成，其中，锂电池保护芯片是保护板的核心器件。图1中，MN1和MN2是功率MOS管，开启和关断受到锂电池保护芯片控制，用于开通/切断锂电池的充放电回路，D1、D2是功率MOS管MN1、MN2的寄生体二极管。锂电池保护芯片的电源管脚VDD和地管脚VSS之间的电压，也就是锂电池的电压，电池电压经过分压后，与多个参考检测电压进行比较，当电池电压高于过充保护电压时，并且持续时间超过过充电保护延时后，芯片控制充电保护MOS管MN2关断，切断了充电器和电池之间的充电回路；同理当VDD和VSS之间电压的分压值小于过放电检测电压，芯片将控制MN1关断，切断锂电池与负载之间的放电回路。锂电池在对负载放电的过程中，放电电流在MN1和MN2的内阻上形成压降，CS管脚电压极性为正(相对于VSS管脚)，而充电过程中，充电电流在MN1和MN2形成负压降，CS管脚电压极性为负。R1、C1构成低通滤波电路，用于滤除芯片VDD管脚上的高频干扰。在图1中，锂电池保护芯片内部的基准电压产生电路为整颗芯片产生基准电压，参考电压电路用于为芯片内部的比较器产生参考电压；振荡器和分频器电路用于产生检测延时。OD和OC分别是放电MOS和充电MOS管的栅极控制管脚，从图1中可以看出，OD和OC并非由逻辑电路直接驱动，由于功率MOS管有较大的栅极寄生电容，芯片内部的逻辑电路与OD/OC管脚之间，需要插入驱动电路，以提供足够的驱动能力，防止OD和OC的关断/开启时间过长。更需要注意的是，逻辑电路与OC之间，除了驱动电路，还需要增加电平转换电路，这是由于锂电池在充电过程中，CS是负电压，当锂电池出现了过度充电或充电过流的情况，为了将充电MOS管MN2管完全关断，也就是令MN2管的VGS＝0V，必须使OC管脚的输出电压等于VCS，显然，芯片的内部逻辑电路输出的低电平只能是VSS，因此在逻辑电路和OC之间，必须加上VSS到VCS的电平转换电路。从图1还能看出，当芯片发生过充电保护或者充电过流保护后，MN2关断，VDD和CS管脚之间的电压等于充电器开路电压VCH，因此VOC＝VCS＝VDD-VCH，目前市场上主流的充电器，其开路电压从5V到30V不等，而锂电池保护芯片的过充保护电压普遍在3.6～4.5V左右，因此，OC管脚需要能够承受-25V左右的负向高压。因此，OC管脚的电平转换电路，需要兼顾驱动能力、电平转换和耐负高压的性能要求。现有技术中，充电MOS管的驱动电路主要有以下两种结构：1.采用厚栅氧BCD工艺的电平转换电路加输出反相器的结构；2.采用大电阻做下拉器件的输出反相器结构。如上所述现有的第一类OC电平转换电路如图2所示：cout是该模块的控制信号，反相器INV1，高压PMOS管PM1、PM2，高压NMOS管NM1、NM2构成电平转换电路(level-shifter)，高压MOS管PM3和NM3构成输出反相器，R1是OC管脚的限流电阻，与NM4构成静电放电保护电路(ESDProtector)。图2中，cout是芯片内部逻辑电路给出的控制信号，当锂电池的电压和电流都正常时，cout输出高电平，此时PM1导通，PM2断开，则NM2的栅极电位等于VDD，则VGS,NM2＝VDD-VCS，由于正常工作状态下，CS管脚的电压接近于VSS，因此NM2管导通，这就使得NM1管的栅极电位等于VCS，则其VGS,NM1＝0，因此NM1管彻底关断，同时PM3管的VGS＝VDD-VCS，PM3导通，OC输出高电平，充电MOS管开启；当电池出现过充电或者充电过流的情况时，逻辑控制电路使cout信号翻转为低电平，此时PM2导通，则NM1导通，使NM2栅极电位等于VCS，其VGS，NM2＝0，因此NM2管彻底关断，同时PM2导通又令NM3的VGS，NM3＝VDD-VCS，则NM3导通，因此OC管脚输出电压等于CS管脚电压，于是就完成了芯片内部逻辑低电平VSS到OC管脚低电平VCS的电平转换功能。第二种现有的充电MOS管脚驱动电路如图3所示：coutb与图2中的cout是一对反相的信号。PM1和R1构成一种输出反相器结构。PM2是GDPMOS(栅极接电源PMOS)结构的ESD保护管，电阻R2是限流电阻。其工作原理是：芯片正常工作情况下，coutb输出低电平，此时PM1管导通，OC管脚的电压VOC＝VDD*[R1/(R1+Ron,PM1)]，Ron,PM1是PM1的导通阻抗，其值远小于R1，因此OC脚的输出电压就约等于VDD，R1的阻值取的越大，则OC管脚电压与VDD的差值越小。当发生过度充电和充电过流的现象时，逻辑电路控制coutb翻转为高电平，此时PM1关断，OC管脚与CS管脚之间通过电阻R1连接，稳定后OC管脚输出电压等于CS管脚电压，于是也完成了芯片内部低电平VSS到OC管脚低电平VCS的转换。现有技术存在如下问题：1.目前市面上常见的锂电池保护芯片中，OC管脚电平转换电路的工艺要求高，无法兼顾性能与成本：如上文所述，当芯片发生过充电以及充电过流保护时，OC管脚需要输出与CS管脚电位相等的负电平，使得充电保护MOS的VGS＝0V，使之完全关断。如图2所示的电平转换电路，NM1-NM4这四个管子在保护时，VGS需要承受VDD-VCS的负向高压，这就要求芯片采用厚栅工艺，以增加VGS的耐压能力，厚栅工艺需要增加额外的掩膜版制造和光刻工序，增加了芯片的生产成本；如图3所示的OC电平转换电路，虽然避免了厚栅氧工艺的使用，然而这种方案有一个致命的缺陷，为了防止芯片正常工作时，PM1通过的静态电流过大，电阻R1的阻值必须达到兆欧姆级别，这就导致了当OC管脚即将发生关断保护时，图1中功率MOS管MN2的栅极寄生电容，与图3中R1构成了毫秒级别的时间常数，因此MN2的栅极电压从VDD放电到CS，其放电时间将达到毫秒级别，这将严重影响充电过流保护的可靠性。2.目前市面上常见的锂电池保护芯片中，芯片内部比较器的参考电压，通常采用带隙基准加稳压器分压的电路结构来产生，虽然带隙基准电路有良好的温度特性，但带隙基准电路的设计需要应用到运算放大器和双极型晶体管，同时稳压器分压电路也需要应用到运算放大器，二者都需要占据较大的版图面积，并且产生可观的静态电流。锂电池保护芯片直接由锂电池供电，芯片的静态功耗是其一项重要的性能指标，设计时应尽量减小芯片内部电路的静态功耗。3本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂电池保护电路，其特征在于：包括基准电压产生电路、参考电压产生电路、基准电流产生电路、过充电检测比较器、过放电检测比较器、充电过流检测比较器、放电过流检测比较器、逻辑控制电路、振荡器与计数器电路、短路保护检测电路、CS开路保护电路、OD驱动电路、OC电平转换电路，所述基准电压产生电路的输入端与VDD端连接，所述基准电压产生电路的输出端与参考电压产生电路、基准电流产生电路分别连接，参考电压产生电路的输出端与过充电检测比较器的一输入端、过放电检测比较器的一输入端连接，过充电检测比较器的另一输入端与VDD的一分压电路连接，过放电检测比较器的另一输入端与VDD的另一分压电路连接，过充电检测比较器的输出端与逻辑控制电路连接，过放电检测比较器的输出端与逻辑控制电路连接，振荡器与计数器电路与逻辑控制电路连接，短路保护检测电路的输出端、CS开路保护电路的输出端与逻辑控制电路连接，短路保护检测电路的输入端、CS开路保护电路的输入端与CS端连接，逻辑控制电路与OD驱动电路的输入端、OC电平转换电路的输入端连接，OD驱动电路的输出端与OD端连接，OC电平转换电路的输出端与OC端连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种锂电池保护电路，其特征在于：包括基准电压产生电路、参考电压产生电路、基准电流产生电路、过充电检测比较器、过放电检测比较器、充电过流检测比较器、放电过流检测比较器、逻辑控制电路、振荡器与计数器电路、短路保护检测电路、CS开路保护电路、OD驱动电路、OC电平转换电路，所述基准电压产生电路的输入端与VDD端连接，所述基准电压产生电路的输出端与参考电压产生电路、基准电流产生电路分别连接，参考电压产生电路的输出端与过充电检测比较器的一输入端、过放电检测比较器的一输入端连接，过充电检测比较器的另一输入端与VDD的一分压电路连接，过放电检测比较器的另一输入端与VDD的另一分压电路连接，过充电检测比较器的输出端与逻辑控制电路连接，过放电检测比较器的输出端与逻辑控制电路连接，振荡器与计数器电路与逻辑控制电路连接，短路保护检测电路的输出端、CS开路保护电路的输出端与逻辑控制电路连接，短路保护检测电路的输入端、CS开路保护电路的输入端与CS端连接，逻辑控制电路与OD驱动电路的输入端、OC电平转换电路的输入端连接，OD驱动电路的输出端与OD端连接，OC电平转换电路的输出端与OC端连接。


2.根据权利要求1所述的一种锂电池保护电路，其特征在于：所述的OC电平转换电路包括电流镜和由高压PMOS管PM3和高压NMOS管NM1构成的输出反相器，电流镜用于根据基准电流产生电路的电流得到偏置电流，偏置电流与PMOS管PM5的源极连接，PMOS管PM5的栅极与逻辑控制电路的控制信号cout连接，PMOS管PM3的源极与VDD端...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈崴，张荣晶，陈伟新，何巧蓉，郑达真，
申请(专利权)人：福建省福芯电子科技有限公司，
类型：新型
国别省市：福建;35