專利名稱：一種鋰電池保護(hù)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體集成電路，更具體地說涉及一種鋰離子電池的保護(hù)電路。
背景技術(shù)：
一般而言，鋰離子電池有三部分構(gòu)成:l.鋰離子電芯2.保護(hù)電路(PCM)3.外殼。鋰 離子電芯的負(fù)極為石墨晶體，正極通常為二氧化鋰。充電時(shí)鋰離子由正極向負(fù)極運(yùn) 動而嵌入石墨層中。放電時(shí)，鋰離子從石墨晶體內(nèi)負(fù)極表面脫離移向正極。所以， 在該電池充放電過程中鋰總是以鋰離子形態(tài)出現(xiàn)，而不是以金屬鋰的形態(tài)出現(xiàn)。因 而這種電池叫做鋰離子電池，簡稱鋰電池。鋰電池具有體積小、容量大、重量輕、 無污染、單節(jié)電壓高、自放電率低、電池循環(huán)次數(shù)多等優(yōu)點(diǎn)，鋰電池的充放電有一 定的要求，根據(jù)鋰電池的結(jié)構(gòu)特性，最高充電終止電壓應(yīng)為4.2V，不能過充，否則 會因正極的鋰離子拿走太多，而使電池報(bào)廢。因鋰電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)所致，放電時(shí)鋰 離子不能全部移向正極，必須保留一部分鋰離子在負(fù)極，以保證在下次充電時(shí)鋰離 子能夠暢通地嵌入通道。否則，電池壽命就相應(yīng)縮短。為了保證石墨層中放電后留 有部分鋰離子，就要嚴(yán)格限制放電終止最低電壓，也就是說鋰電池不能過放電。為 了達(dá)到鋰離子電芯的充放電要求，鋰電池都配有保護(hù)電路，用于控制外部的充放電 電流。如圖l所示，現(xiàn)有的鋰電池保護(hù)電路一般由兩個場效應(yīng)管和保護(hù)集成塊組成， 過充電控制管Ml和過放電控制管M2串聯(lián)于電路，由保護(hù)IC監(jiān)視電池電壓并進(jìn)行 控制，保護(hù)集成塊中包括過充電保護(hù)電路，過放電保護(hù)電路和過電流保護(hù)電路。保 護(hù)IC檢測電池電壓，當(dāng)電池電壓上升至電池過充點(diǎn)(假定為《2V)時(shí)，啟動過度 充電保護(hù)，過充電保護(hù)管M1截止，停止充電。當(dāng)電池處于放電狀態(tài)下，保護(hù)IC檢 測電池電壓，電池電壓降至其過放電電壓檢測點(diǎn)(假定為2.55V)時(shí)，啟動過放電 保護(hù)，過放電控制管M2截止，停止向負(fù)載供電，當(dāng)鋰電池接上充電器，且此時(shí)鋰電池電壓高于過度放電電壓時(shí)，過度放電保護(hù)功能方可解除。過電流保護(hù)是在當(dāng)負(fù) 載上有較大電流流過時(shí)，控制M2使其截止，停止向負(fù)載放電，目的是為了保護(hù)電 池和場效應(yīng)管。過電流檢測是利用場效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻作為檢測電阻，監(jiān)視它的電 壓降，當(dāng)電壓降超過設(shè)定值時(shí)就停止放電。當(dāng)用不同電壓規(guī)格的充電器給鋰電池充電時(shí)，保護(hù)IC在VDD—V-端的會加載 到不同的電壓范圍。如果用高壓充電器給電池充電，電池充飽后保護(hù)IC的V-腳會 有較高的負(fù)電壓，如果保護(hù)IC內(nèi)部的MOSFET晶體管按照低電壓(5V及其5V以下) 工藝設(shè)計(jì)，其柵極的耐壓值不夠。通常的設(shè)計(jì)是對保護(hù)IC內(nèi)部與V-腳相連接的M0S 采用高壓管，這樣就不能使用普通的5V及其5V以下的CMOS工藝來生產(chǎn)保護(hù)IC， 而必須采用更高耐壓的工藝，增大了成本。即保護(hù)IC在VDD—V-端的耐壓值限制 了鋰電池在不同規(guī)格的充電器的使用范圍，如果按照低電壓工藝設(shè)計(jì)的保護(hù)IC在 VDD—V-端的耐壓能夠大于12V或以上高壓，其應(yīng)用范圍將擴(kuò)大，使得鋰電池的成 本降低。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種鋰電池保護(hù)電路，該電路采用 低電壓(5V及其5V以下)工藝制造的CMOS集成電路塊，其VDD—V-端具有18V 以上耐壓，該電路既能在5V耐壓中使用又能在高壓中使用，使鋰電池的制造成本 降低。實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的的技術(shù)方案是 一種鋰電池保護(hù)電路，由過充電控制管、過 放電控制管和保護(hù)IC (即保護(hù)集成塊)組成，所述過充電控制管和過放電控制管 由保護(hù)IC監(jiān)視電池電壓并進(jìn)行控制，所述保護(hù)IC為CMOS集成電路塊，其中包括 過充電保護(hù)電路，過放電保護(hù)電路和過電流保護(hù)電路，所述保護(hù)IC中，在輸出負(fù) 極和與輸出負(fù)極連接的MOS晶體管的柵極之間設(shè)有鉗位電路，在輸出負(fù)極的電壓 在較大范圍內(nèi)變化時(shí)，鉗位電路承受大部分的負(fù)壓，使得MOS晶體管的柵極承受 電壓限制在-3V以內(nèi)，并且不影響所述過充電保護(hù)電路，過放電保護(hù)電路和過電流 保護(hù)電路的功能。上述鉗位電路的功能可以采用多種結(jié)構(gòu)形式實(shí)現(xiàn)。作為鉗位電路的一種具體實(shí)現(xiàn)，該電路由控制電路和分壓電路組成，控制電路 和分壓電路串聯(lián)；控制電路根據(jù)輸出負(fù)極的電壓控制鉗位電路的開啟，分壓電路用于承受負(fù)壓。本發(fā)明通過在保護(hù)IC的輸出負(fù)極和內(nèi)部MOS晶體管的柵極之間加設(shè)鉗位電 路，MOS晶體管的柵極與鉗位電路的電壓控制點(diǎn)連接，鉗位電路將電壓控制點(diǎn)的 電壓控制在-2.5V以內(nèi)，使得MOS晶體管的柵極不需要承受高壓，解決了保護(hù)IC 輸出負(fù)極V-的MOSFET晶體管柵極耐壓值不夠的問題，這樣使用普通的5V及其 5V以下的CMOS工藝生產(chǎn)出來的保護(hù)IC,就能夠用于在鋰電池使用不同電壓規(guī)格 的充電器充電時(shí)的保護(hù)。


圖1是本發(fā)明背景技術(shù)電路2是本發(fā)明的電路框3是本發(fā)明實(shí)施例1的電路結(jié)構(gòu)4是本發(fā)明實(shí)施例2的鉗位電路5是本發(fā)明實(shí)施例1的計(jì)算機(jī)仿真圖具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖做進(jìn)一步說明。 實(shí)施例1一種鋰電池保護(hù)電路1，由過充電控制管Ml和過放電控制管M2和保護(hù)IC1 組成，過充電控制管Ml和過放電控制管M2串聯(lián)于電路，過充電控制管Ml和過 放電控制管M2由保護(hù)IC1監(jiān)視電池電壓并進(jìn)行控制。保護(hù)IC1為CMOS集成電路 塊，包括過充電控制電路2、過放電控制電路3、過電流保護(hù)電路4和邏輯控制電 路5。在輸出負(fù)極V-和與輸出負(fù)極V-連接的MOS晶體管的柵極之間設(shè)有鉗位電路6， 在輸出負(fù)極V-的電壓在較大范圍內(nèi)變化時(shí)，鉗位電路承受了大部分的負(fù)壓，使得過 電流保護(hù)電路4中的MOS晶體管的柵極承受電壓限制在-3V以內(nèi)，并且不影響所 述保護(hù)IC中過充電保護(hù)電路，過放電保護(hù)電路、過電流保護(hù)電路和邏輯控制電路 的功能。如圖3所示，在過電流保護(hù)電路4中M0S晶體管P3、 ^的柵極和輸出負(fù)極￥-之間設(shè)有鉗位電路6，過電流保護(hù)電路4中M0S晶體管P3、 N2的柵極與鉗位電路6 的電壓控制點(diǎn)B連接。鉗位電路6由控制電路61和分壓電路62組成，控制電路61和分壓電路62串 聯(lián)，其中，控制電路61由恒流源Il ，第一NM0S管N1、第二NM0S管N3， PNP晶 體管Ql，第一 PMOS管Pl、第二 PMOS管P2組成，分壓電路62為電阻Rl。第一 NMOS 管Nl、第一 PMOS管Pl、第二 PMOS管P2的柵漏短接，PNP晶體管Ql的集電極基極 短接，恒流源II的一端與電源連接，另一端A與N3的柵極和第一麗OS管的柵漏 極連接，第一 NM0S管的源極與PNP晶體管Ql的發(fā)射極連接，PNP晶體管Ql的基極 集電極接地，第二 NM0S管N3的漏極接電源，第二 NM0S管N3的源極與第一 PM0S 管Pl的源極相連，第一 PM0S管Pl的漏極與P2的源極相連，P2的漏極接電阻Rl 的一端B，電阻R1的另外一端接輸出負(fù)極V-端。鉗位電路6的原理是第一畫OS管是一個二極管接法的NMOS， PNP晶體管Q1 是一個二極管接法的PNP晶體管，從電源到A點(diǎn)連接一個恒流源II，因?yàn)殡娏骱愣ǎ?A點(diǎn)的電壓固定是一個基準(zhǔn)電壓，約等于1.4V。VA=Vbe—Ql+Vgs—Nl， VA是A點(diǎn)電壓值，Vbe—Ql是Ql的BE結(jié)電壓，Vgs—Nl 是第一 NMOS管的Vgs電壓。當(dāng)V-端沒有出現(xiàn)負(fù)電壓時(shí)， 一般是大于0V的。假設(shè)V-X)V，從電源VDD、 N3、 Pl、 P2、 Rl到V-端，此時(shí)是沒有電流流過，不形成通路，對原電路的工作不 影響。因?yàn)閂-X)V,那么VA—V-<1.4V< I VthPl I + I VthP2 | + | VthN3 I ， 這里VthPl、 VthP2、 VthN3分別是Pl、 P2、 N3的開啟電壓。 當(dāng)V-端出現(xiàn)負(fù)電壓的時(shí)，且VA—V-> I VthP5 I + I VthP6 I + | VthN3 | ， 從電源VDD、 N3、 Pl、 P2、 Rl到V-端的支路會導(dǎo)通，Rl兩端的壓降VRK XRl，由于R1的阻值較大，流過該支路的電流 I=[VA— (Vgs一N3+Vgs—Pl+Vgs一P2) — V-]/Rl(Vgs_N3+Vgs—Pl+Vgs—P2)相對于電阻R1兩端壓降而言VR1是電流的弱函數(shù)， 換句話說， 一旦該支路導(dǎo)通后，即滿足條件VA—V- > I VthPl I + I VthP2 I + I VthN3 I ， V-電壓變化大部分都將落在Rl的兩端，那么B點(diǎn)電壓不會因?yàn)閂-電壓 變化而有很大變化，被限制在一定負(fù)壓范圍內(nèi)，解決了過電流保護(hù)電路中N2、 P3 的Vgs不能耐負(fù)高壓問題。而且，采用該電路結(jié)構(gòu)，在電源VDD和輸出負(fù)極V-端接上充電器時(shí)，不會出現(xiàn)從VDD—鋰電池一GND—V-的電流，可以確保過充電壓保護(hù)后，不會有充電電 流流過電池。參考圖5的計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果，X軸為V-端電壓，Y軸為圖3中B點(diǎn)電壓，B點(diǎn) 跟內(nèi)部電路MOSFET的柵極相連?？梢钥吹?，當(dāng)V-電壓為-25—-0V之間變化時(shí)， B點(diǎn)電壓只在大約2.5V—--0V之間變化。因此內(nèi)部MOSFET的柵極不會承受負(fù)高壓。 這樣就解決5V CMOS工藝中MOSFET柵極不能承受V-端負(fù)18V高壓的技術(shù)問題。實(shí)施例2本實(shí)施例是鉗位電路的另一種結(jié)構(gòu)。如圖4所示，在過流保護(hù)電路4中的晶體管N2、 P3的柵極和輸出負(fù)極V-之 間有鉗位電路7。鉗位電路7由控制電路71和分壓電路72組成，控制電路71和分 壓電路72串聯(lián)?？刂齐娐?1由第一PNP晶體管至第十PNP晶體管QO、 Ql、 Q2、 Q3、 Q4、 Q5、 Q6、 Q7、 Q8、 Q9組成，分壓電路72為電阻R1。第一 PNP晶體管至 第十PNP晶體管Q0—Q9分別將各自的集電極和基極短路，接成二極管形式，然后 串接起來，第一PNP晶體管QO的發(fā)射極接電源，第十PNP晶體管Q9的集電極接 電阻R1的一端B， B在與在過流保護(hù)電路4中的晶體管N2、 P3的柵極相連，電阻 的另外一端接輸出負(fù)極V-。鉗位電路7的工作原理是當(dāng)V-端沒有出現(xiàn)負(fù)電壓時(shí)， 一般是大于0V的。假 設(shè)電源電壓二4.2V， V- >0V，從電源Q0—Q9， Rl到V-端，此時(shí)是沒有電流流過， 不形成通路，對原電路的工作不影響。當(dāng)V-端出現(xiàn)負(fù)電壓時(shí)，且VDD—V->10XVbe_Q0時(shí)，這里Vbe—Q0是二極管的 正向?qū)妷?，從電源Q0—Q9， Rl到V-端的支路導(dǎo)通，有電流流過該支路。這樣 B點(diǎn)的電壓被鉗制在VDD—10XVbe_Q0=4. 2-10X0. 7=-2. 8V，假設(shè)Vbe—Q0=0. 7V所以過流保護(hù)電路4中的晶體管N2、 P3的柵極最多承受了-2.8V的負(fù)壓，多 余的電壓被電阻所承受。該方法同樣能解決過流保護(hù)電路4中的晶體管N2、 P3的 耐壓問題。
權(quán)利要求
1、一種鋰電池保護(hù)電路，由過充電控制管、過放電控制管和保護(hù)IC組成，所述過充電控制管和過放電控制管由保護(hù)IC監(jiān)視電池電壓并進(jìn)行控制，所述保護(hù)IC為CMOS集成電路塊，其中包括過充電保護(hù)電路，過放電保護(hù)電路和過電流保護(hù)電路，其特征是，所述保護(hù)IC中，在輸出負(fù)極(V-)和與輸出負(fù)極(V-)連接的MOS晶體管的柵極之間設(shè)有鉗位電路，在輸出負(fù)極(V-)的電壓在較大范圍內(nèi)變化時(shí)，鉗位電路承受大部分的負(fù)壓，使得MOS晶體管的柵極承受的電壓限制在-3V以內(nèi)，并且不影響所述過充電保護(hù)電路、過放電保護(hù)電路和過電流保護(hù)電路的功能。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰電池保護(hù)電路，其特征是，所述鉗位電路設(shè)在輸 出負(fù)極(V-)和過電流保護(hù)電路的MOS晶體管的柵極之間。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰電池保護(hù)電路，其特征是，所述鉗位電路由控制 電路和分壓電路串聯(lián)組成；控制電路根據(jù)輸出負(fù)極(V-)的電壓控制鉗位電路的開 啟，分壓電路用于承受負(fù)壓。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的鋰電池保護(hù)電路，其特征是，所述控制電路(61) 由恒流源(II)，第一麗0S管(Nl)、第二蘭0S管(N3)， PNP晶體管(Ql)，第 一PM0S管(Pl)、第二PM0S管(P2)組成，分壓電路(62)為電阻(Rl);第一麗0S 管(Nl)、第一PM0S管(Pl)、第二PM0S管(P2)的柵漏短接，PNP晶體管(Ql) 的集電極基極短接，恒流源(II)的一端與電源連接，另一端(A)與第二NM0S管(N3)的柵極和第一麗OS管(Nl)的柵漏極連接，第一NM0S管(Nl)的源極與PNP 晶體管(Ql)的發(fā)射極連接，PNP晶體管(Ql)的基極集電極接地，第二畫0S管(N3) 的漏極接電源，第二NM0S管(N3)的源極與第一PMOS管(Pl)的源極相連，第一 PM0S管(Pl)的漏極與第二PMOS管(P2)的源極相連，第二PM0S管(P2)的漏極 接電阻(Rl)的一端(B)，電阻(Rl)的另外一端接輸出負(fù)極(V-)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的鋰電池保護(hù)電路，其特征是，所述控制電路(71)由 第一 PNP晶體管至第十PNP晶體管(Q0、 Ql、 Q2、 Q3、 Q4、 Q5、 Q6、 Q7、 Q8、 Q9) 組成，分壓電路(72)為電阻(R1);第一PNP晶體管至第十PNP晶體管(QO、 Ql、 Q2、 Q3、 Q4、 Q5、 Q6、 Q7、 Q8、 Q9)分別將各自的集電極和基極短路，接成二極管形式， 然后串接起來，第一 PNP晶體管(Q0)的發(fā)射極接電源，第十PNP晶體管(Q9)的集電極接電阻(R1)的一端(B),電阻(R1)的另外一端接輸出負(fù)極(V-)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鋰電池保護(hù)電路，目的在于提供一種采用低壓工藝制造、能夠適用于各種充電電壓值的鋰電池保護(hù)電路，其技術(shù)方案是一種鋰電池保護(hù)電路，由過充電控制管、過放電控制管和保護(hù)IC組成，過充電控制管和過放電控制管由保護(hù)IC監(jiān)視電池電壓并進(jìn)行控制，保護(hù)IC為CMOS集成電路塊，其中包括過充電保護(hù)電路，過放電保護(hù)電路和過電流保護(hù)電路，保護(hù)IC中，在輸出負(fù)極V-和與輸出負(fù)極V-連接的MOS晶體管的柵極之間設(shè)有鉗位電路，在輸出負(fù)極V-的電壓在較大范圍內(nèi)變化時(shí)，鉗位電路承受大部分的負(fù)壓，使得MOS晶體管的柵極承受電壓限制在-2.5V以內(nèi)，并且不影響所述過充電保護(hù)電路，過放電保護(hù)電路和過電流保護(hù)電路的功能。
文檔編號H02H7/18GK101404406SQ20081002247
公開日2009年4月8日 申請日期2008年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月15日
發(fā)明者川 袁 申請人:無錫華潤上華科技有限公司