一種帶精確延時及休眠功能的單節(jié)鋰電池保護芯片的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種帶精確延時及休眠功能的單節(jié)鋰電池保護芯片，本芯片內(nèi)部包含控制模塊、檢測模塊兩部分。檢測模塊將鋰電池電壓VDD與過充電檢測電壓、過放電檢測電壓相比較，將VM端電壓與過流檢測電壓、短路檢測電壓、充電檢測電壓相比較，得到比較信號?？刂颇K處理比較信號，判斷鋰電池所處于工作狀態(tài)，并按實際情況需要切斷充電或放電開關(guān)以保護鋰電池。當(dāng)鋰電池剛進入過放電狀態(tài)時，檢測VDD端與VM端的電壓差，當(dāng)VDD-VM低于休眠檢測電壓時，且外電路無短路情況時，控制模塊控制芯片進入休眠狀態(tài)，以降低功耗延長工作時間。保持鋰電池進入失常狀態(tài)時所采取的保護措施，當(dāng)鋰電池狀態(tài)恢復(fù)正常時，打開充放電開關(guān)解除失常狀態(tài)。
【專利說明】一種帶精確延時及休眠功能的單節(jié)鋰電池保護芯片
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于鋰電池保護領(lǐng)域，涉及一種鋰電池保護芯片，特別涉及一種帶精確延時及休眠功能的單節(jié)鋰電池保護芯片。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著社會的發(fā)展以及石化能源的不斷消耗，人們正在積極的尋找新能源，以代替終有一天會耗盡的石化能源。電能是石化能源的理想代替品之一，因此近些年來人們對電能的需求也越來越高。隨著無人電子裝備、便攜數(shù)碼設(shè)備、電動工具、電動汽車等的發(fā)展普及，其動力核心——蓄電池正受到越來越多的關(guān)注。鋰電池以其高比能量、長循環(huán)壽命、自放電小、無記憶效應(yīng)和綠色環(huán)保等優(yōu)點備受廠家青睞，是動力電池研究的熱點之一。但由于鋰電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、充放電化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜，作為動力電源來使用，還存在不少問題。首先，鋰電池不能承受過充電與過放電；其次，當(dāng)鋰電池串并聯(lián)數(shù)目較多時，電池組中會出先電池放電不均衡等問題，必須對電池組進行均衡充放電管理；同時鋰電池只能工作在一定范圍電流及一定溫度范圍以內(nèi)。當(dāng)鋰電池工作在不適宜的條件下時，比如溫度過高、過度充電、過度放電、工作電流過大、外部電路短路等情況，輕則降低鋰電池工作效率，縮短鋰電池使用壽命，重則直接損壞鋰電池。因此為了保證鋰電池正常工作，需要保護電路保護鋰電池。完善的鋰電池保護電路，可以保護鋰電池不被損壞、提高鋰電池工作效率、延長鋰電池使用壽命。
實用新型內(nèi)容
[0003]本實用新型主要是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的技術(shù)問題；提供了一種能在電池電量極低不能為外電路供電時，進入休眠狀態(tài)降低芯片功耗，以節(jié)能并延長芯片工作時間；包含精度極聞的時鐘1旲塊，為每個失常事件判斷提供了極聞精度的延時；芯片提供了極聞的電壓檢測步進精度；以上特征保證芯片能準(zhǔn)確可靠保護鋰電池。芯片采用了較好的集成電路工藝，是正常工作溫度范圍較寬的一種帶精確延時及休眠功能的單節(jié)鋰電池保護芯片。
[0004]本實用新型的上述技術(shù)問題主要是通過下述技術(shù)方案得以解決的:
[0005]一種帶精確延時及休眠功能的單節(jié)鋰電池保護芯片，其特征在于，典型的情況下，保護芯片的工作電路只需要極少的器件，就能對鋰電池進行保護；芯片內(nèi)部包含控制模塊、檢測模塊兩部分；其中，除控制模塊以外的內(nèi)部電路均屬于檢測模塊；所述檢測模塊包括第一過流檢測比較器、第二過流檢測比較器、充電檢測單元、過充電比較器、過放電比較器、負載短路比較器、基準(zhǔn)源模塊以及檢測模塊附屬電路；所述檢測模塊中，第一過流檢測比較器、第二過流檢測比較器，充電檢測單元、過充電比較器、過放電比較器、負載短路比較器以及檢測模塊附屬電路均連接在控制模塊上。
[0006]在上述的一種帶精確延時及休眠功能的單節(jié)鋰電池保護芯片，鋰電池保護芯片包含以下5根引腳:電源引腳VDD;地引腳VSS ;放電開關(guān)控制引腳D0;充電開關(guān)控制引腳CO;過流檢測電壓輸入引腳VM。所述鋰電池保護芯片的特征還在于，典型工作電路連接如下，EB+端為外部充電源的正極端，EB-端為外部充電源的負極端，同時EB+端與EB-端分別作為鋰電池為外電路供電的正負極輸出端；鋰電池正極通過電阻RO接源引腳VDD，同時鋰電池正極接EB+端；電源引腳VDD通過電容CO接地，電阻RO與電容CO組成低通濾波器以濾除鋰電池中的高頻雜波；鋰電池負極與鋰電池保護芯片的地引腳VSS相連后接地，鋰電池負極接放電開關(guān)FETl的源極，放電開關(guān)FETl的漏極接充電開關(guān)FET2的漏極，充電開關(guān)FET2源極接EB-端；放電開關(guān)控制引腳DO接放電開關(guān)FETl柵極，充電開關(guān)控制引腳CO接充電開關(guān)FET2柵極，過流檢測電壓輸入引腳VM，通過電阻Rl接EB-端。
[0007]在上述的一種帶精確延時及休眠功能的單節(jié)鋰電池保護芯片，內(nèi)部電路中保護模塊與檢測模塊的連接如下，電源引腳VDD通過電阻R2與R3串聯(lián)后接地，過充電比較器正輸入端接電阻R2與R3公共端，過充電比較器負輸入端接基準(zhǔn)源模塊VO輸出端，過充電比較器輸出端接控制模塊VOC輸入端；電源引腳VDD通過電阻R4與R5串聯(lián)后接地，過放電比較器正輸入端接電阻R4與R5公共端，過放電比較器負輸入端接基準(zhǔn)源模塊VD輸出端，過放電比較器輸出端接控制模塊VOD輸入端；VM引腳通過充電檢測模塊接控制模塊Charge輸入端；VM引腳分別接第一過流檢測比較器、第二過流檢測比較器、負載短路比較器正輸入端；第一過流檢測比較器的負輸入端接基準(zhǔn)源模塊VCl輸出端，第一過流檢測比較器輸出端接控制模塊VOCl輸入端；第二過流檢測比較器的負輸入端接基準(zhǔn)源模塊VC2輸出端，第二過流檢測比較器輸出端接控制模塊V0C2輸入端；負載短路比較器的負輸入端接基準(zhǔn)源模塊VS輸出端,負載短路比較器輸出端接控制模塊Short輸入端；開關(guān)MOS管Mvmd的源極接電源VDD，M_柵極接控制模塊VMS輸出端，Mvm的漏極通過電阻Rvffil接VM引腳；開關(guān)MOS管Mvms的源極地，Mvms的柵極接控制模塊VMS輸出端；Mvms的漏極通過電阻Rvms接VM引腳；輸出引腳DO與CO受ESD電路保護，以防止靜電損壞芯片；
[0008]所述過充電比較器比較電源電壓VDD與過充電檢測電壓，得到過充電比較信號VOC ;過放電比較器比較電源電壓VDD與過充電檢測電壓，得到過放電比較信號VOD ;第一過流檢測比較器比較VM端電壓與第一過流檢測比較器檢測電壓，得到過流比較信號VOCl ；第二過流檢測比較器比較VM端電壓與第二過流檢測比較器檢測電壓，得到過流比較信號V0C2 ;負載短路比較器比較VM端電壓與負載短路檢測電壓，得到短路比較信號Short ;充電檢測模塊輸出充電比較信號Charge?？刂颇K接收并處理上述6個比較信號，以控制鋰電池充放電。
[0009]在上述的一種帶精確延時及休眠功能的單節(jié)鋰電池保護芯片，所述控制模塊由狀態(tài)檢測模塊、OSC模塊、分頻器及延時模塊、整形電路模塊、優(yōu)先級判斷模塊、輸出控制模塊、禁止充電模塊、待機控制模塊等組成；OSC模塊的時鐘輸出端接整形電路模塊輸入端，整形電路模塊輸出端接到分頻器及延時模塊的時鐘輸入端，OSC模塊的使能端接休眠控制模塊的輸出端EN ;狀態(tài)檢測模塊的比較信號輸入端接檢測模塊中各檢測子模塊的輸出端，狀態(tài)檢測模塊事件信號輸出端Delay_sig接分頻器及延時信號的延時信號輸入端，狀態(tài)檢測模塊延時信號輸入端Delay_time接分頻器及延時模的延時信號輸出端；狀態(tài)檢測模塊的短路狀態(tài)輸出端Short_De、過放電狀態(tài)輸出端V0D_De接休眠模塊；狀態(tài)檢測模塊的狀態(tài)信號輸出端通過優(yōu)先級判斷模塊后接輸出控制模塊，輸出控制模塊連接基準(zhǔn)源模塊，還與禁止充電模塊相連。
[0010]在上述的一種帶精確延時及休眠功能的單節(jié)鋰電池保護芯片，所述OSC模塊采用了環(huán)形振蕩器結(jié)構(gòu)；OSC模塊為一個由5級反相器級聯(lián)而成的環(huán)形振蕩器。P型MOS管Mn源極接鋰電池電壓VDD，Mn漏極通過恒流源In接地，輸出電容Cn并聯(lián)在Qn的漏極與源極上，MOS管Qn、電容Cn與電流源In構(gòu)成第η級反相器INn (η=1、……、4)，MOS管Qn的柵極為INn的輸入端，MOS管Qn漏極為INn的輸出端；Ρ型MOS管Μ5源極接鋰電池電壓VDD，MOS管Μ5的柵極接比較器COMP的負輸入端，比較器COMP的正輸入端與Μ5的漏極相連后通過恒流源15接地，MOS管Μ5、恒流源15與比較器COMP組成第級反相器IN5，M0S管M5的柵極為IN5輸入端，比較器COMP輸出端為IN5的輸出端；反相器INl的輸出端接反相器IN2輸入端，反相器IN2的輸出端接反相器IN3輸入端，反相器IN3的輸出端接反相器IN4輸入端，反相器IN4的輸出端接反相器IN5輸入端，反相器IN5的輸出端CK與休眠控制模塊的EN輸出端接與門AND輸入端，與門AND的輸出端接INl的輸入端，形成一個由5級反相器級聯(lián)而成的環(huán)形振蕩器。
[0011]在上述的一種帶精確延時及休眠功能的單節(jié)鋰電池保護芯片，所述待機控制模塊包括一個由放大器AMP與多個電阻構(gòu)成的減法器，電源引腳VDD通過電阻R8、R9串聯(lián)后接地，放大器AMP的正輸入端接電阻R8與R9的公共端；VM端通過電阻R7與Rf串聯(lián)后接放大器AMP輸出端，放大器AMP的負輸入端接電阻R7與Rf的公共端；電阻R7、R8、R9、Rf與放大器AMP構(gòu)成減法器，當(dāng)四個電阻阻值相同，輸出電壓Vmc=VDD-VM。放大器AMP的輸出端接比較器C0MP_2的負輸入端，C0MP_2的正輸入端接基準(zhǔn)源模塊的休眠檢測電壓輸出端。比較器C0MP_2的輸出端接MOS管PMl的柵極，比較器C0MP_2的輸出端通過反相器INV后接MOS管PM2的柵極，PMl源極與PM2源極相連后接VDD ；PM1漏極與MOS管匪I漏極相連后接MOS管匪2柵極，PM2漏極與匪2漏極相連后接匪I柵極，匪I源極與匪2源極相連后接地。PM2漏極與狀態(tài)檢測模塊的過放電狀態(tài)信號端V0D_De接與非門NANDl的輸入端，NANDl輸出端與狀態(tài)檢測模塊的短路狀態(tài)信號Short_De接與非門NAND2的輸入端，NAND2輸出休眠控制信號EN。
[0012]因此，本實用新型具有如下優(yōu)點:1.應(yīng)用電路結(jié)構(gòu)簡單，需要外圍器件較少，無需復(fù)雜的MCU控制，成本較低；2.帶有休眠功能有助于降低功耗節(jié)約能源，同時延長了芯片在鋰電池電量較低時的工作時間；3.具有較高的檢測電壓步進精度，以及精確的延時時間，有助于快速而準(zhǔn)確地保護鋰電池，同`時可靠地解除失常狀態(tài)回到正常工作狀態(tài)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]附圖1所示為帶精確延時及休眠功能的單節(jié)鋰電池保護芯片典型工作電路圖。
[0014]附圖2所示為所設(shè)計鋰電池保護芯片的工作流程示意圖。
[0015]附圖3所示為所設(shè)計鋰電池保護芯片的內(nèi)部拓撲圖。
[0016]附圖4所示為所設(shè)計鋰電池保護芯片內(nèi)部控制模塊的功能模塊圖。
[0017]附圖5所示為所設(shè)計鋰電池保護芯片內(nèi)部OSC模塊的電路圖。
[0018]附圖6所示為所設(shè)計鋰電池保護芯片內(nèi)部過流比較器的電路圖。
[0019]附圖7所示為所設(shè)計鋰電池保護芯片內(nèi)部分頻器及延時模塊電路圖。
[0020]附圖8所示為所設(shè)計鋰電池保護芯片內(nèi)部休眠控制模塊電路圖。
【具體實施方式】[0021]下面通過實施例，并結(jié)合附圖，對本實用新型的技術(shù)方案作進一步具體的說明。
[0022]實施例:
[0023]為了更加清楚明白地解釋本實用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點，下面結(jié)合附圖和實例對本實用新型進行進一步的說明。
[0024]附圖1所示為帶有精確延時及待機功能的單節(jié)鋰電池保護芯片的典工作電路圖。其特征在于鋰電池正極接外部充電源的正極端EB+，鋰電池正極通過電阻RO接鋰電池保護芯片的電源引腳VDD，為鋰電池保護芯片供電；引腳VDD通過電容CO接地，電阻RO與電容CO組成低通濾波器以濾除鋰電池中的高頻雜波。鋰電池負極與鋰電池保護芯片的地引腳VSS相連后接地，鋰電池負極接放電開關(guān)FETl的源極，F(xiàn)ETl的漏極接充電開關(guān)FET2的漏極，F(xiàn)ET2源極接外部充電源負極端EB-，EB+與EB-也是外部電路的電源接口 ；鋰電池保護芯片的放電開關(guān)控制引腳DO接放電開關(guān)FETl柵極，鋰電池保護芯片的充電開關(guān)控制引腳CO接充電開關(guān)FET2柵極；鋰電池保護芯片的VM引腳為過流檢測電壓輸入引腳，通過電阻Rl接EB-，VM端的電壓作為保護芯片過流(第一過流檢測比較器、第二過流檢測比較器、外電路短路)保護的判斷依據(jù)。接入負載時VM的電壓恒為VDD，當(dāng)負載斷開或者放電開關(guān)FETl切斷時，VM電平由鋰電池保護芯片內(nèi)部電路決定。從附圖1可見所設(shè)計的鋰電池保護芯片只需要5個外圍器件就能對單節(jié)鋰電池進行保護，無需MCU等復(fù)雜器件，簡化了設(shè)計難度降低了成本。經(jīng)測試得，所設(shè)計芯片可以對單節(jié)鋰電池進行過放電保護、過充電保護、過流保護以及短路保護，所設(shè)計芯片工作溫度范圍能達到_40°C?+80°C。
[0025]附圖2所示為所設(shè)計鋰電池保護芯片的工作流程示意圖，其特征在于芯片通過檢測電源電壓VDD以及VM端電壓，來判斷電池所處的狀態(tài)，并控制鋰電池充放電開關(guān)保護鋰電池。平時系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，即電池電壓VDD高于過放電檢測電壓V11但低于過充電檢測電壓Vcu，且VM端電壓高于充電檢測電壓Vqia但高低于過流檢測電壓Vrav時，充放電開關(guān)均打開鋰電池可以自由充放電的狀態(tài)。
[0026]過流狀態(tài)(過電流1、過電流2、負載短路)指:由于鋰電池工作電流在額定值以上，導(dǎo)致VM端子的電壓超過過流檢測電壓VIW，且持續(xù)時間超過過電流檢測延時tIW，需要關(guān)閉充放電開關(guān)停止充放電的狀態(tài)。切斷充放電開關(guān)解除負載后，芯片內(nèi)部電路通過下拉電阻Rvis使VM與地端VSS短路，當(dāng)檢測到VM端電壓低于過流檢測電壓Viqv時，打開充放電開關(guān)解除過流狀態(tài)回到正常工作狀態(tài)。
[0027]過充電狀態(tài)指:鋰電池在充電過程中電池電壓VDD超過過充電檢測電壓Vcu，且持續(xù)時間超過過充電檢測延遲時tcu，需要切斷充電開關(guān)FET2停止充電的狀態(tài)。過充電狀態(tài)解除有兩種方法:1.等待電池電壓VDD自行下降到過充電解除電壓Vot以下，且持續(xù)時間超過過充電解除延時tOT ；2.加載負載開始放電后，當(dāng)電池電壓下降到過充電檢測電壓Vcu以下。滿足條件1.2.后，打開充電FET2解除過充電狀態(tài)恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。
[0028]過放電狀態(tài)指:在放電過程中電池電壓VDD低于過放電檢測電壓Vm且持續(xù)時間超過過放電檢測延遲時間tm，需要切斷放電開關(guān)FETI停止放電的狀態(tài)。切斷放電開關(guān)FETI后，芯片內(nèi)部電路通過上拉電阻R.控制VM端子電壓上升，在經(jīng)過休眠檢測時間tSH后，檢測VDD與VM端間的電壓差，1.若VDD-VM低于休眠電壓Vsh時，鋰電池電量過低系統(tǒng)將進入休眠狀態(tài)，電流將減少至休眠電流Ipdn ；2.若VDD VM高于休眠電壓Vsh時，鋰電池進入過放電狀態(tài)。[0029]充電檢測指:當(dāng)處于過放電或休眠狀態(tài)的鋰電池與充電器連接時，1.若VM端子電壓低于充電器檢測電壓Vqia,電池電壓VDD只需上升到過放電檢測電壓V11以上，便可打開放電開關(guān)FETl解除過放電狀態(tài)；2.若VM端子電壓高于充電器檢測電壓Vqia，那么電池電壓VDD需要上升到過放電解除電壓VDm以上，才可解除過放電狀態(tài)。
[0030]附圖3所示為所設(shè)計鋰電池保護芯片的內(nèi)部拓撲結(jié)構(gòu)。其主拓撲包含控制模塊、檢測模塊兩部分。虛線框所示為控制模塊，控制模塊以外的拓撲結(jié)構(gòu)都屬于檢測模塊。檢測模塊包含第一過流檢測比較器、第二過流檢測比較器，充電檢測、過充電檢測、過放電檢測、短路檢測六個部分。電源引腳VDD通過電阻R2與R3串聯(lián)后接地，過充電比較器正輸入端接電阻R2與R3公共端，過充電比較器負輸入端接基準(zhǔn)源模塊VO輸出端；電源引腳VDD通過電阻R4與R5串聯(lián)后接地，過放電比較器正輸入端接電阻R4與R5公共端，過放電比較器負輸入端接基準(zhǔn)源模塊VD輸出端，過充電比較器與過放電比較器的輸出端接控制模塊；VM引腳通過充電檢測模塊接控制模塊，VM引腳分別接第一過流檢測比較器、第二過流檢測比較器、負載短路比較器正輸入端；第一過流檢測比較器的負輸入端接基準(zhǔn)源模塊VCl輸出端，第二過流檢測比較器的負輸入端接基準(zhǔn)源模塊VC2輸出端，負載短路比較器的負輸入端接基準(zhǔn)源模塊VS輸出端，第一過流檢測比較器、第二過流檢測比較器、負載短路比較器的輸出端接入控制模塊；P型開關(guān)MOS管Mvm的源極接電源VDD，M0S管Mvm柵極接控制模塊VMS輸出端，Mvb的漏極通過電阻Rvffil接VM引腳；N型開關(guān)MOS管Mvms的源極地，Mvms的柵極接控制模塊VMS輸出端；M0S管Mvms的漏極通過電阻Rvms接VM引腳；輸出引腳DO與CO經(jīng)過ESD處理，以防止靜電損壞芯片。過充電比較器比較電源電壓VDD與過充電檢測電壓，得到過充電比較信號VOC ；過放電比較器比較電源電壓VDD與過充電檢測電壓，得到過放電比較信號VOD ;第一過流檢測比較器比較VM端電壓與第一過流檢測比較器檢測電壓，得到過流比較信號VOCl ;第二過流檢測比較器比較VM端電壓與第二過流檢測比較器檢測電壓，得到過流比較信號V0C2;負載短路比較器比較VM端電壓與負載短路檢測電壓，得到短路比較信號Short ;充電檢測模塊輸出充電比較信號Charge。控制模塊接收并處理上述6個比較信號，以控制鋰電池充放電。當(dāng)鋰電池處于過流狀態(tài)且負載斷開時，控制模塊VMS引腳輸出高電平打開Mvms，VM與VSS通過Rvms短路以解除過流狀態(tài)。當(dāng)鋰電池處于過放電狀態(tài)時，控制模塊VMD引腳輸出低電平打開M.，通過電阻R.上拉VDD VM以判斷是否需要進入休眠狀態(tài)?；鶞?zhǔn)源模塊受控制模塊控制，調(diào)整各檢測電路的參考電壓。
[0031]附圖4所示為所設(shè)計鋰電池保護芯片內(nèi)部控制模塊的功能模塊圖?？刂颇K包含OSC模塊、整形電路模塊、分頻器模塊及延時模塊、狀態(tài)檢測模塊、優(yōu)先級判斷模塊、休眠控制模塊、輸出控制模塊、禁止充電模塊、基準(zhǔn)源控制模塊共8個部分。OSC模塊的時鐘輸出端接整形電路模塊輸入端，整形電路模塊輸出端接到分頻器及延時模塊的時鐘輸入端，OSC模塊的使能端接休眠控制模塊的EN輸出端；分頻器及延時模塊的延時信號輸入端接狀態(tài)檢測模塊事件信號輸出端Delay_sig，分頻器及延時模的延時信號輸出端接狀態(tài)檢測模塊延時信號輸入端Delayjime ;狀態(tài)檢測模塊的比較信號輸入端接檢測模塊的輸出端。狀態(tài)檢測模塊的短路狀態(tài)輸出端Short_De、過放電狀態(tài)輸出端V0D_De接休眠模塊；狀態(tài)檢測模塊的狀態(tài)信號輸出端通過優(yōu)先級判斷模塊后接輸出控制模塊，輸出控制模塊控制著基準(zhǔn)源模塊與禁止充電模塊相連，并輸出VMS與VMD信號；禁止充電模塊輸出COC與DOC信號。
[0032]OSC模塊采用環(huán)形振蕩器結(jié)構(gòu)，利用恒流源對電容充電到來控制輸出波形的周期；整形電路模塊由反相器組成，整形并增加OSC模塊輸出的波形的驅(qū)動能力后，作為分頻器及延時電路模塊的時鐘輸入。狀態(tài)檢測模塊由一系列邏輯門組成，接收檢測檢測電路輸出的比較信號，做初步處理后生成事件信號Delay_sig ;分頻器及延時模塊由D觸發(fā)器組成，對OSC模塊輸出的精確時鐘進行不同分頻，對事件信號Delay_sig的不同成分進行不同時間的精確延時后，生成延時信號Delay_time并反饋回狀態(tài)檢測模塊；狀態(tài)檢測模塊綜合Delay_sig信號與Delay_time信號，得到鋰電池所處的工作狀態(tài)信號；優(yōu)先級判斷模塊接收并處理狀態(tài)檢測模塊輸出的鋰電池工作狀態(tài)信號，將優(yōu)先級最高的鋰電池狀態(tài)信號輸送到輸出控制模塊。
[0033]輸出控制模塊接收到鋰電池狀態(tài)信號后，根據(jù)狀態(tài)信號類型，輸出DOC信號通過DO引腳控制放電開關(guān)；輸出COC信號通過CO引腳控制充電開關(guān)，以保護鋰電池或者解除失常狀態(tài)；控制基準(zhǔn)調(diào)整檢測模塊的參考電壓，精確可靠地保護鋰電池或者解除失常狀態(tài)。禁止充電模塊可以禁止向OV的鋰電池充電，以防止產(chǎn)生無法預(yù)測的不良后果發(fā)生。狀態(tài)檢測模塊可接收以下六個比較信號:0C1第一過流檢測比較器比較信號、0C2第二過流檢測比較器比較信號、VOD過放電比較信號、VOC過充電比較信號、Short負載短路比較信號、Charge充電檢測信號。VMS引腳在鋰電池處于過流狀態(tài)且無負載時，打開N型MOS管Mvms，通過Rvms將VM與VSS短接以解除過放電狀態(tài)。VMD信號在鋰電池處于過放電狀態(tài)時，打開P型MOS管Mvm，通過電阻Rvm上拉VM端電壓，在負載未短路且鋰電池處于過放電情況時，休眠控制模塊比較VDD-VM電壓與休眠檢測電壓VSH，決定是否進入休眠狀態(tài)。
[0034]附圖5所示為所設(shè)計單節(jié)鋰電池保護芯片內(nèi)部OSC模塊的電路圖。OSC模塊采用環(huán)形振蕩器結(jié)構(gòu)，利用上一級反相器的恒流源對輸出電容充電到下一級反相器閾值的時間，來作為反相器間的信號傳輸延時，從而精確的控制振蕩器輸出信號的周期。附圖5中P型MOS管Mn源極接鋰電池電壓VDD，Mn漏極通過恒流源In接地，輸出電容Cn并聯(lián)在Qn的漏
極與源極上，Qn、Cn與In構(gòu)成第η級反相器INn (n=l、......、4), Qn的柵極為INn的輸入
端，Qn漏極為INn的輸出端；Ρ型MOS管Μ5源極接鋰電池電壓VDD，Μ5柵極接比較器COMP的負輸入端，COMP的正輸入端與Μ5的漏極相連后通過恒流源15接地，Μ5，15與COMP組成第級反相器ΙΝ5，Μ5的柵極為ΙΝ5輸入端，COMP輸出端為ΙΝ5的輸出端；ΙΝ1的輸出端接ΙΝ2輸入端，ΙΝ2的輸出端接ΙΝ3輸入端，ΙΝ3的輸出端接ΙΝ4輸入端，ΙΝ4的輸出端接ΙΝ5輸入端，ΙΝ5的輸出端CK與休眠控制模塊的EN輸出端接與門AND輸入端，AND的輸出端接INl的輸入端，形成由5級反相器級聯(lián)而成的環(huán)形振蕩器。休眠控制模塊EN輸出端經(jīng)過一系列邏輯模塊后，產(chǎn)生恒流源控制信號CT，當(dāng)EN為低電平時CT關(guān)閉所有恒流源，當(dāng)EN為高電平時CT打開所有恒流源。
[0035]由恒流源對電容的充電公式U=I*t/C，U為電容充電產(chǎn)生的電壓差，t為充電時間，I為恒流源電流，C為電容值；C4為小電容且恒流源14為大電流，因此可以信號由第四級反相器IN4與傳送到第5級反相器IN5的延時可忽略，第四級反相器IN4只用于整形。由于CLK對P型MOS管Ml的控制不經(jīng)過電容的充放電，信號第五級反相器IN5反饋回第一級反相器INl的延時也可以忽略。則時鐘周期為Il對Cl充電到第二級反相器IN2閾值(反相器INl到反相器IN2的傳輸延遲)；12對C2充電到第三級反相器IN3閾值(反相器IN2到反相器IN3的傳輸延遲);13對C3充電到第四級反相器IN4閾值(反相器IN3到反相器IN4的傳輸延遲)3個充電時間之和。設(shè)計時取恒流源電流值11=12=13=1，因此CLK的時鐘周期T=3 (Vdd-Vth)/I, Vth為反相器ΙΝ2，ΙΝ3, ΙΝ4的閾值。初始時EN為低電平，CLK為低電平，芯片處于休眠狀態(tài)，OSC模塊未工作。當(dāng)EN跳變?yōu)楦唠娖綍r，CLK保持低電平，Ml漏極為高點平VDD，電容Cl未充電；Μ2漏極為低電平；Μ3漏極為高電平VDD，CLK由低電平變?yōu)楦唠娖?。?dāng)CLK由低電平到高電平時，Ml關(guān)斷Il開始對Cl充電使得Ml漏極電壓下降，當(dāng)Ml漏極電平下降到反相器ΙΝ2的閾值時；Μ2打開C2迅速完成放電，M2的漏極變?yōu)楦唠娖絍DD ;此時M3關(guān)斷13開始對C3充電使得M3的漏極電壓開始下降，當(dāng)M3的漏極電壓下降反相器ΙΝ4的閾值時，CK輸出低電平使得CLK由高電平變?yōu)榈碗娖?，即CLK高電平持續(xù)了反相器INl到反相器ΙΝ2、反相器ΙΝ3到反相器ΙΝ4共兩個延時。當(dāng)CLK由高電平轉(zhuǎn)換為低電平時，Ml打開使得Ml漏極電平迅速變?yōu)閂DD ；Μ2被關(guān)斷12開始對C2充電，使得M2漏極電平開始下降，當(dāng)M2漏極電壓降低到反相器ΙΝ3閾值時，M3打開使得M3漏極變?yōu)楦唠娖?，此時CK輸出高電平使CLK由低電平變?yōu)楦唠娖剑患碈LK低電平持續(xù)為反相器ΙΝ2到反相器ΙΝ3的傳輸延遲，可得CLK信號高電平的占空比為2/3。OSC模塊受休眠控制信號EN控制，當(dāng)EN為低電平時CLK保持低電平，同時關(guān)斷所有電流源及其偏置電路。
[0036]附圖6所示為所設(shè)計的帶精確延時及休眠功能的單節(jié)鋰電池保護芯片內(nèi)部過流比較器電路圖。虛線框中的6個皿^管16^7、18、19、110、111構(gòu)成一個反相輸出的施密特觸發(fā)器Smit。反相輸出向的施密特觸發(fā)器接在比較器C0MP_I做整形。由于施密特觸發(fā)器的雙門限特性，因此在對過流保護的檢測信號做整形時，其抗干擾能力強有助與控制模塊精確地對鋰電池進行過流保護。
[0037]附圖7所示為所設(shè)計單節(jié)鋰電池保護芯片的分頻器及延時模塊的電路圖。各個分頻器由D觸發(fā)器構(gòu)成，CLK信號為OSC模塊輸出的經(jīng)過整形模塊整形并增強驅(qū)動能力后的時鐘信號，分頻器對CLK進行分頻得到不同分頻比的分頻信號。延時模塊由采用鎖存器接法的D觸發(fā)器構(gòu)成，延時模塊在分頻器輸出的分頻信號的驅(qū)動下，對狀態(tài)檢測模塊輸出的事件信號恥lay_sig中不同的組成信號，進行不同時間的延時鎖存，得到精確的延時信號Delay_time。之后將延遲信號Delay_time反饋回狀態(tài)檢測模塊。由于Delay_sig與Delay_time并非單獨的一個信號,對Del`ay_sig中各組成信號的延時時間不同，而是有多個單元信號組成的信號集合，因此采用多組鎖存器來處理這兩組信號。
[0038]附圖8所示為所設(shè)計鋰電池保護芯片休眠控制模塊的電路圖。電源引腳VDD通
過電阻R8、R9串聯(lián)后接地，放大器AMP的正輸入端接電阻R8與R9的公共端；VM端通過電
阻R7與Rf串聯(lián)后接放大器AMP輸出端，放大器AMP的負輸入端接電阻R7與Rf的公共端。
放大器AMP的輸出端接比較器C0MP_2的負輸入端，C0MP_2的正輸入端接基準(zhǔn)源模塊的休
眠檢測電壓輸出端。比較器C0MP_2的輸出端接MOS管PMl的柵極，比較器C0MP_2的輸出
端通過反相器INV后接MOS管PM2的柵極，PMl源極與PM2源極相連后接VDD ；PM1漏極與
MOS管匪I漏極相連后接MOS管匪2柵極，PM2漏極與匪2漏極相連后接匪I柵極，匪I源
極與匪2源極相連后接地。PM2漏極與狀態(tài)檢測模塊的過放電狀態(tài)信號端V0D_De接與非門
NANDl的輸入端，NANDl輸出端與狀態(tài)檢測模塊的短路狀態(tài)信號Short_De接與非門NAND2
的輸入端，NAND2輸出休眠控制信號EN。電阻R7、R8、R9、Rf與放大器AMP構(gòu)成減法器，輸
出電壓
【權(quán)利要求】
1.一種帶精確延時及休眠功能的單節(jié)鋰電池保護芯片，其特征在于，芯片內(nèi)部包括控制模塊、檢測模塊兩部分；其中，除控制模塊以外的內(nèi)部電路均屬于檢測模塊；所述檢測模塊包括第一過流檢測比較器、第二過流檢測比較器、充電檢測單元、過充電比較器、過放電比較器、負載短路比較器、基準(zhǔn)源模塊以及檢測模塊附屬電路；所述檢測模塊中，第一過流檢測比較器、第二過流檢測比較器，充電檢測單元、過充電比較器、過放電比較器、負載短路比較器以及檢測模塊附屬電路均連接在控制模塊上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶精確延時及休眠功能的單節(jié)鋰電池保護芯片，其特征在于，所述鋰電池保護芯片包含以下5根外部引腳:電源引腳VDD ;地引腳VSS;放電開關(guān)控制引腳DO ;充電開關(guān)控制引腳CO ;過流檢測電壓輸入引腳VM ;所述保護芯片典型的工作電路連接如下:EB+端為外部充電源的正極端，EB-端為外部充電源的負極端，同時EB+端與EB-端分別作為鋰電池為外電路供電的正負極輸出端；鋰電池正極通過電阻RO接源引腳VDD,同時鋰電池正極接EB+端；電源引腳VDD通過電容CO接地；鋰電池負極與鋰電池保護芯片的地引腳VSS相連后接地，鋰電池負極接放電開關(guān)FETl的源極，放電開關(guān)FETl的漏極接充電開關(guān)FET2的漏極，充電開關(guān)FET2源極接EB-端；放電開關(guān)控制引腳DO接放電開關(guān)FETl柵極，充電開關(guān)控制引腳CO接充電開關(guān)FET2柵極，過流檢測電壓輸入引腳VM，通過電阻Rl接EB-端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種帶精確延時及休眠功能的單節(jié)鋰電池保護芯片，其特征在于，所述控制模塊與檢測模塊的連接如下，電源引腳VDD通過電阻R2與R3串聯(lián)后接地，過充電比較器正輸入端接電阻R2與R3公共端，過充電比較器負輸入端接基準(zhǔn)源模塊VO輸出端，過充電比較器輸出端接控制模塊VOC輸入端；電源引腳VDD通過電阻R4與R5串聯(lián)后接地，過放電比較器正輸入端接電阻R4與R5公共端，過放電比較器負輸入端接基準(zhǔn)源模塊VD輸出端，過放電比較器輸出端接控制模塊VOD輸入端；VM引腳通過充電檢測模塊接控制模塊Charge輸入端；VM引腳分別接第一過流檢測比較器、第二過流檢測比較器、負載短路比較器正輸入端；第一過流檢測比較器的負輸入端接基準(zhǔn)源模塊VCl輸出端，第一過流檢測比較器輸出端接控制模塊VOCl輸入端；第二過流檢測比較器的負輸入端接基準(zhǔn)源模塊VC2輸出端，第二過流檢測比較器輸出端接控制模塊V0C2輸入端；負載短路比較器的負輸入端接基準(zhǔn)源模塊VS輸出端,負載短路比較器輸出端接控制模塊Short輸入端；開關(guān)MOS管Mvm的源極接電源VDD，Mvm柵極接控制模塊VMS輸出端，Mvffil的漏極通過電阻Rvffil接VM引腳；開關(guān)MOS管Mvms的源極地，Mvms的柵極接控制模塊VMS輸出端；Mvms的漏極通過電阻Rvms接VM引腳；輸出引腳DO與CO受ESD電路保護，以防止靜電損壞芯片；所述過充電比較器比較電源電壓VDD與過充電檢測電壓，得到過充電比較信號VOC ；過放電比較器比較電源電壓VDD與過充電檢測電壓，得到過放電比較信號VOD ;第一過流檢測比較器比較VM端電壓與第一過流檢測比較器檢測電壓，得到過流比較信號VOCl ;第二過流檢測比較器比較VM端電壓與第二過流檢測比較器檢測電壓，得到過流比較信號V0C2 ；負載短路比較器比較VM端電壓與負載短路檢測電壓，得到短路比較信號Short ;充電檢測模塊輸出充電比較信號Charge ;控制模塊接收并處理上述6個比較信號，以控制鋰電池充放電。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種帶精確延時及休眠功能的單節(jié)鋰電池保護芯片,其特征在于，所述控制模塊包括狀態(tài)檢測模塊、OSC模塊、分頻器及延時模塊、整形電路模塊、優(yōu)先級判斷模塊、輸出控制模塊、禁止充電模塊、待機控制模塊；OSC模塊的時鐘輸出端接整形電路模塊輸入端，整形電路模塊輸出端接到分頻器及延時模塊的時鐘輸入端，OSC模塊的使能端接休眠控制模塊的輸出端EN ;狀態(tài)檢測模塊的比較信號輸入端接檢測模塊中各檢測子模塊的輸出端，狀態(tài)檢測模塊事件信號輸出端Delay_sig接分頻器及延時信號的延時信號輸入端，狀態(tài)檢測模塊延時信號輸入端Delay_time接分頻器及延時模塊的延時信號輸出端；狀態(tài)檢測模塊的短路狀態(tài)輸出端Short_De、過放電狀態(tài)輸出端V0D_De接休眠模塊，狀態(tài)檢測模塊的狀態(tài)信號輸出端通過優(yōu)先級判斷模塊后接輸出控制模塊；輸出控制模塊與基準(zhǔn)源模塊相連接，輸出控制模塊還與禁止充電模塊相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種帶精確延時及休眠功能的單節(jié)鋰電池保護芯片,其特征在于，所述OSC模塊采用了環(huán)形振蕩器結(jié)構(gòu)；0SC模塊為一個由5級反相器級聯(lián)而成的環(huán)形振蕩器；P型MOS管Mn源極接鋰電池電壓VDD，Mn漏極通過恒流源In接地，輸出電容Cn并聯(lián)在Qn的漏極與源極上，MOS管Qn、電容Cn與電流源In構(gòu)成第η級反相器INn，其中，η=1、……、4 ；M0S管Qn的柵極為INn的輸入端，MOS管Qn漏極為INn的輸出端；P型MOS管M5源極接鋰電池電壓VDD，MOS管M5的柵極接比較器COMP的負輸入端，比較器COMP的正輸入端與M5的漏極相連后通過恒流源15接地，MOS管M5、恒流源15與比較器COMP組成第級反相器IN5，MOS管M5的柵極為IN5輸入端，比較器COMP輸出端為IN5的輸出端；反相器INl的輸出端接反相器IN2輸入端，反相器IN2的輸出端接反相器IN3輸入端，反相器IN3的輸出端接反相器IN4輸入端，反相器IN4的輸出端接反相器IN5輸入端，反相器IN5的輸出端CK與休眠控制模塊的EN輸出端接與門AND輸入端，與門AND的輸出端接INl的輸入端，形成一個由5級反相器級聯(lián)而成的環(huán)形振蕩器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種帶精確延時及休眠功能的單節(jié)鋰電池保護芯片,其特征在于，所述待機控制模塊包括一個由放大器AMP與多個電阻組成的減法器，電源引腳VDD通過電阻R8、R9串聯(lián)后接地，放大器AMP的正輸入端接電阻R8與R9的公共端；VM端通過電阻R7與Rf串聯(lián)后接放大器AMP輸出端，放大器AMP的負輸入端接電阻R7與Rf的公共端；電阻R7、R8、R9、Rf與 放大器AMP構(gòu)成減法器，當(dāng)四個電阻阻值相同，輸出電壓Vmc為VDD-VM ；放大器AMP的輸出端接比較器C0MP_2的負輸入端，C0MP_2的正輸入端接基準(zhǔn)源模塊的休眠檢測電壓輸出端；比較器C0MP_2的輸出端接P型MOS管PMl的柵極，比較器C0MP_2的輸出端通過反相器INV后接P型MOS管PM2的柵極，PMl源極與PM2源極相連后接VDD ；PM1漏極與N型MOS管匪I漏極相連后接N型MOS管匪2柵極，PM2漏極與匪2漏極相連后接匪I柵極，匪I源極與匪2源極相連后接地；PM2漏極與狀態(tài)檢測模塊的過放電狀態(tài)信號端V0D_De接與非門NANDl的輸入端，NANDl輸出端與狀態(tài)檢測模塊的短路狀態(tài)信號Short_De接與非門NAND2的輸入端，NAND2輸出休眠控制信號EN。
【文檔編號】H02H7/18GK203522161SQ201320691111
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年11月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月4日
【發(fā)明者】江金光, 譚高建 申請人:武漢大學(xué)