專利名稱：用于電池組保護(hù)的涓流放電的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電池^/放電電路和電池組f尉戶，尤其涉及倉的多進(jìn)行涓流預(yù)充電 禾口/或涓流放電的電池形放電電路。本發(fā)明的實(shí)用性可以在用于可便攜電子設(shè)備
中的^/放(%/{*^系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)，例如，膝上型計(jì)#1幾，PDA,手機(jī)，和/或具有可
再充電電池的任意類型的電子設(shè)備。
背景技術(shù)：
可再充電電池，尤其是鋰離子電池，需要從電量^l^態(tài)進(jìn)行涓流預(yù)充電 (恢復(fù)充電)以避 電池產(chǎn)生損壞。當(dāng)可再充電電池被IW并且其電池 電壓變得低于閾值電壓Vuv時(shí)，不能{頓大的充電電》縱行直接的充電。相反， 需要預(yù)充電模式。在預(yù)充電模式，使用小的充電電流，直到電池電壓被充電到 大于電壓Vuv，然后它才可以以正常模式被充電，也就是，通過較大的充電電 、艦行充電。對(duì)于鋰離子電池， 一個(gè)單元電芯的閾值電壓 魏2.4￥ 3.(^，取決 于電池類型和制造者。預(yù)充電電流大約10mA 100mA。然而，正常的充電電流 可以是幾百毫安至幾安培，取決于電池容量。
圖1A示出了鋰離子可再充電電池的充電分布圖50。當(dāng)電池電壓高于V, 電池進(jìn)入恒定電流(CC)充電模式，大的恒定電流用于對(duì)電^it行快速充電(電 池電壓也隨著電池電量增加而增加)。當(dāng)電池電壓增加到V(w，其代 電壓(對(duì) 于鋰離子電池正常的過壓電壓大約在4.2V左右)，電 t^SA恒定電壓(CV)充電 模式。在這種模式中，充電器保持在電壓Vov，充電電》HM漸減少。當(dāng)充電電 流減少到預(yù)定最小值，例如50mA，充電禾ij^停止。在CV充電模式中，充電器 必須將電壓精確地調(diào)整到Vov (，在+Z-0.005V)。如果，充電輸出大于Vov， 那么將會(huì)發(fā)tot電池的過充電，這會(huì)導(dǎo)致鋰離子電池的安全問題。
圖1B中示出了實(shí)現(xiàn)預(yù)充電的傳統(tǒng)電路10。與電阻14串聯(lián)的預(yù)充電 MOSFET 12用于預(yù)充電。在預(yù)充電的時(shí)刻，充電FET16關(guān)閉，預(yù)充電FET12 開啟。因此，預(yù)充電電流大致是由充電器輸入電壓VPACK+和總單元電壓Vce11
之間的壓差除以串聯(lián)電阻14 Rpre決定。當(dāng)存在八<:適配對(duì)未示出)并且\^^(^+ 高于單元電壓V^，充電或預(yù)充電將基于每一單元的初始電壓而開始。如果任意 單元中的電壓低于閾值Vw，電池組將i4A預(yù)充電模式。否則將開始正常充電。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將承認(rèn)圖1B中的電路10包括電池監(jiān)視器IC20，其包括監(jiān) 視電池組22的每一單元(Celll,Ce112.....Cel14)的電壓和電流的電路。這樣的電 路可以包括用以采樣每一單元電壓的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)24。為了控制預(yù)充電MOSFET 12 的操作，傳統(tǒng)電路10包括一比較器26，其可以M開關(guān)30將直定參考電壓28 (Vuv)與每一單元的電壓進(jìn)行比較。
然而，圖1B中示出的電路的一^^夫陷是需要一額外的MOSFET(也就是， MOSFET12)和電阻14，它們會(huì)增加額外的成本并且增加了 PCB的面積。另夕卜， 這種電路拓?fù)渲?，較低的單元電壓導(dǎo)致更大的預(yù)充電電流。而且，預(yù)充電電流 隨著單元電壓的增加而減少，這意0 要完成預(yù)充電需要更長(zhǎng)的時(shí)間。
另外，電阻14的值通常是固定的，預(yù)充電電流的最大和最小值通常也是固 定的，因此不能被調(diào)M以掛共不同的電池組需要。
該拓?fù)涞牧硪蝗毕菔请姵亟M22和MOSFETs容易在異常瞎況下被損壞，例 如VPACK+端被短接到VPACK-端，或者外部的充電器被反向加到VPACK+和 VPACK-端。這種拓?fù)渲?，放電FET18或者被開啟以允i午放電或者被關(guān)閉而不 能放電。當(dāng)放電FET 18被開啟時(shí)，如果發(fā)生了異常瞎況，從電池組22流出的 大電流^^放電FET 18和充電FET 16，這將依次破壞電池組22和/或MOSFET。
此外，當(dāng)電池組22從電子系統(tǒng)中被移除，例如，放在一支架上，放電FET 18可以被關(guān)閉用以保護(hù)電池組22 ，異常瞎況。然而，由于放電FET 18被關(guān) 閉，當(dāng)電池組22被插回到電子系統(tǒng)中時(shí)電池組22將不倉泣即對(duì)電子系統(tǒng)通電， 因此需要一機(jī)l肪法或電子電路鄉(xiāng)知電路10來開啟放電FET 18。額外的機(jī)械 方法或者電子電路將增加電路10的缺性，價(jià)格和MX寸。另外，電池組在被 插進(jìn)電子系統(tǒng)中后仍然會(huì)由于異常瞎況容易被損壞。
用于電池組保護(hù)的傳統(tǒng)辦法是關(guān)閉放電FET 18以避免當(dāng)發(fā)生異常情況時(shí)產(chǎn) 生的大電流。被關(guān)閉一 頁定時(shí)間后，例如30秒，放電FET 18被再次開啟。如 果當(dāng)放電FET 18被重新開啟后異常瞎況仍然存在，大電流將流經(jīng)放電FET 18 并且再7効蟲發(fā)電池組《尉戶。因此，放電FET 18被再次關(guān)閉。否貝U，電^t^且22 將隨著放電FET18的開啟而工作在一正常放電模式。然而，如果異常瞎況在一
個(gè)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)都存在，大電流將連續(xù)地》魅勁文電FET18，這將最終破壞電池組 22禾口/或MOSFET。
因此，需魏一種電路和其方法能夠進(jìn)行涓流預(yù)充電和/或涓流放電，本發(fā) 明主要提出了這樣一種電路和方法。

發(fā)明內(nèi)容
在一實(shí)施例中，M共了用以f尉戶電池組避免大電^l流或短路瞎況的方法。 該方、 ^括在導(dǎo)通控制電路產(chǎn)生一控制信號(hào)的步驟，以及如果大電流過流或短 路情況發(fā)生，在控制信號(hào)的控制下產(chǎn)生一涓流放電電流的步驟。涓流放電電流 會(huì)^I鄰M:大電流從電池組中、，。
在另一實(shí)施例中，樹共了另一種f尉戶電池組避免電流過流或短路瞎況的方 法。該方fefe括步驟a)當(dāng)大電流過流或短路情況發(fā)生時(shí)關(guān)閉放電開關(guān)，b)在 開關(guān)控制電路產(chǎn)生一控制信號(hào)，控制信號(hào)具有一預(yù)定最力K平，c)在控制信號(hào) 控制下產(chǎn)生一涓流放電電流，涓流放電電流具有一閾值電流7K平并且能夠防止 電池組的大電流艦，d)根據(jù)涓流放電電流，閾值電^/K平和預(yù)定最大控制水 平檢測(cè)是否大電驗(yàn)流或短路瞎況臓存在，e)如果大電流過流或短路瞎況仍 然存在重復(fù)步驟a)至d)，以及f)如果大電流過流或短路瞎況消除則完全開啟 放電開關(guān)。


盡管本領(lǐng)域技術(shù)人員知道以下的詳細(xì)描述所使用的是，實(shí)施例和方法， 但本發(fā)明并不受限于這對(duì)，實(shí)施例和方法。本發(fā)明的權(quán)利要求范圍是由附屬 木又利要求所定義。
本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將隨著下面的詳細(xì)描述并參考附圖變得更加明 確，其中相同的數(shù)剖戈表相同的部分，并且其中
圖1A是鋰離子電池的典型充電過程電流、電壓示意圖1B是傳統(tǒng)的電池預(yù)充電電路；
圖2A是根據(jù)本發(fā)明的一種典型涓流預(yù)充電電路；
圖2B是根據(jù)本發(fā)明的一種典型涓流放電電路；
圖3A是根據(jù)本發(fā)明的另一種典型涓流預(yù)充電電路；
圖3B是根據(jù)本發(fā)明的另一種典型涓流放電電路； 圖4是根據(jù)本發(fā)明的另一種典型涓流預(yù)充電電路； 圖5是一典型可編程電流源； 圖6是一典型涓流預(yù)充電和涓流方文電電路；
圖7是基于本發(fā)明其中一實(shí)施例的電池組短路/過電流{尉戶的控制流程圖。 具體實(shí)駄式
圖2A示出了根據(jù)本發(fā)明的一典型涓流預(yù)充電電路100。在該實(shí)施例中，使 用了兩個(gè)MOSFET 104和102 (充電FET CHG—FET和放電FETDSG—FET)。 在該實(shí)施例中，充電FET 104和放電FET 102以描述的方式背對(duì)背串i^S。 在涓流預(yù)充電模式，放電FET 102是關(guān)閉的(不導(dǎo)電的)，但是如果充電FET (CHG—FET) 104開啟(導(dǎo)電)，電流仍然流經(jīng)其體二極管到電池組電池。如果 CHG—FET104關(guān)閉，那么沒有電流^S4或者流出電池組電池。
除了兩個(gè)MOSFET，電路100也可以包括一參考二極管D1 110， 一放電驅(qū) 動(dòng)器106， 一充電驅(qū)動(dòng)器108，以及一參考電流源Iref112。充電驅(qū)動(dòng)器108和放 電驅(qū)動(dòng)器106每一個(gè)都包括各自的比較器。在常規(guī)的充電模式，開關(guān)K1和K2 (114和116)被設(shè)置到位置2。在這個(gè)位置，充電驅(qū)動(dòng)電壓CHG被驅(qū)動(dòng)到參 考電壓CHG—REF，該電壓可以完全開啟充電FET 104。因此，參考電壓 CHG—REF應(yīng)根據(jù)充電FET 104的開啟電壓 擇。
招,流預(yù)充電模式，開關(guān)K1114和K2116可以被體至^體1。當(dāng)AC適 配器連接上時(shí)，VPACK+電壓會(huì)升高。充電FET104可以被充電驅(qū)動(dòng)器108驅(qū) 動(dòng)到飽和工作區(qū)，這也意口賴充電FET 104可以作為一可變電阻，涓流充電電 流可以流經(jīng)充電FET 104。充電驅(qū)動(dòng)器108動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)充電FET(CHG—FET) 104 使電壓Vc等于Vd， Vd由二極管D1 110和參考電流源Irefll2設(shè)置。
Vc為MOSFET102和104之連接點(diǎn)的電壓。Vc可以被設(shè)為充電驅(qū)動(dòng)器108 中的比較器的(-)負(fù)端的輸入，同時(shí)Vd (由Iref和Dl設(shè)置)可以被設(shè)為(+) 正端的輸入。輸出信號(hào)CHG是Vd-Vc。當(dāng)Vc幾乎等于Vd，充電驅(qū)動(dòng)器108 的比較器的增益可以驅(qū)使充電FET104在飽和區(qū)域工作。這樣，充電驅(qū)動(dòng)器108 招昌流預(yù)充電期間動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)Vc使之相等于固定信號(hào)Vd。
在前述的偏置瞎況下，流經(jīng)二極管D1 110的DC電^ffl過下式給出
Iref=Al*ISl*(exp(Vdl/Vt)-l)
其中Al是二極管Dl的結(jié)面積，IS1是二極管單元反向飽和電流， Vdl=Vd-Vcell ;^fil二極管Dl 110的電壓降，Vt是二極管閾值電壓。放電FET 102中的體二極管的DC電i;IWl下式給出
Ipch=A2*IS2*(exp(Vd2/VtH)
其中A2是體二極管結(jié)面積，IS2是體二極管單元反向飽和電流， Vd2二Vc-Vcell^S夸過放電FET體二極管的電壓降。IS1和IS2由戶腿擇的半導(dǎo) 體類型確定。如果Vd和Vc被強(qiáng)制實(shí)質(zhì)相等，那么涓流預(yù)充電電流與參考電流 Iref成比例，由下式給出
Ipch=A2/A1 *(IS2/IS l)*Iref
雌的，雖然對(duì)于本發(fā)明不是必須的，充電和放電FET 102和104的體二 極管的結(jié)面積A2通常比較大以達(dá)到低的開啟電阻和大電流能力，同時(shí)為了節(jié)省 芯片面積，二極管D1的結(jié)面積A1較小。因此，由于A2》A1， 一小電流Iref (幾十微安)可以被用于控制更大的電流Ipch (幾十到幾百毫安)。
圖2B示出了根據(jù)本發(fā)明的一涓流放電扭各200。本實(shí)施例類似于圖2A中 描述的電路100，除了參考電流源112和二極管110連接到放電FET 102端。在 涓流放電時(shí)期，充電FET 104關(guān)閉，涓流放電電流流經(jīng)其體二極管。電路200 的工作原理參考圖2A在上面已詳細(xì)描述。
圖3A示出了根據(jù)本發(fā)明的另一典型涓流預(yù)充電電路300。在該實(shí)施例中， 充電FET302和放電FET304面對(duì)麗不是背對(duì)背(如圖2A)串 ^文置。圖3A 的實(shí)施例還包括一參考二極管D1 310，在該實(shí)施例中充電驅(qū)動(dòng)器306可以被開 關(guān)K1和K2(314和316腔制。
在正常的充電模式，開關(guān)K1和K2可以被設(shè)到位置2，從而充電FET302 的柵極電壓被驅(qū)動(dòng)到CHG—REF，完全開啟充電FET302。在涓流預(yù)充電模式， 放電FET 304關(guān)閉，K1和K2被設(shè)到位置1。這樣充電驅(qū)動(dòng)器306可以動(dòng)態(tài)調(diào) 節(jié)充電FET 302從而強(qiáng)制電壓Vc基本上等于Vd。在前述的偏置^f牛下，二極 管Dl 310的DC電^CM:下式給出
Iref=Al *IS1 *(exp(Vdl/Vt)-l)
其中Al是二極管Dl結(jié)面積，IS1是二極管Dl單元反向飽和電流， VdbVPAK+-Vd是^31二極管Dl的電壓降，Vt是二極管閾值電壓。放電FET
304的體二極管的DC電流為
Ipch=A2*IS2(exp(Vd2/Vt)-l)
其中A2是體二極管結(jié)面積，IS2是體二極管單元反向飽和電流， ￥^=\^八(^+-￥(^是跨過放電？￡丁體二極管的電壓降。IS1和IS2由所選擇的 半導(dǎo)體類型確定。如果Vd和Vc強(qiáng)制相同，那么涓流預(yù)充電電^U1過下式給出
Ipch=A2/Al*(IS2/ISl)*Iref
圖3B示出了根據(jù)本發(fā)明的一典型涓流放電電路400。該實(shí)施例類似于圖3A 中示出的電路300，除了參考電流源312和二極管310是連接到充電FET 302 端。在涓流放電期間，充電FET302是關(guān)閉的，放電電流可以》魅5充電FET302 的體二極管。電路400的工作原理參考圖3A在上面已詳細(xì)描述。
為了力口速涓流預(yù)充電過程，涓流預(yù)充電電流Ipch可以基于電池電壓被ffi3i 地調(diào)節(jié)。電池電壓越高，涓流預(yù)充電電^Iil編程參考電流Iref會(huì)被設(shè)置的越 大。圖5中電路可用于基于電池電壓的可編程參考電流源。
圖4中還描述了另一典型涓流預(yù)充電電路500。在該實(shí)施例中，充電FET504 和放電FET 502可以以描述的這種方式背對(duì)背串聯(lián)放置。在涓流預(yù)充電模式， 放電FET502關(guān)閉(不導(dǎo)電)，但是如果充電FET(CHG—FET)504開啟(導(dǎo)電)， 那么電流JM^^其體二極管到電池組電池。如果CHG—FET504關(guān)閉，那么沒 有電流^4或流出電池組電池。
該實(shí)施例還包括一參考電阻R1， 一放電驅(qū)動(dòng)器506， 一充電驅(qū)動(dòng)器508以 及一參考電流源Irefl 512。充電驅(qū)動(dòng)器508和放電驅(qū)動(dòng)器506可以包括各自的 比較器。在常規(guī)的充電模式，開關(guān)K1和K2 (520和518)被設(shè)置至U隨1。在 這個(gè)位置，柵極驅(qū)動(dòng)電壓CHG被驅(qū)動(dòng)至嘮于參考電壓CHG—REF的工作點(diǎn)，以 完全開啟充電FET 504。因此，應(yīng)根據(jù)充電FET 504的開啟特性選擇參考電壓 CHG—REF。
當(dāng)需要涓流充電(也就是，涓流 頁充電)時(shí)，開關(guān)K1和K2連接到節(jié)點(diǎn)2。 這樣充電驅(qū)動(dòng)器508中的比較器的輸入^^過Rsens (+)的電壓和跨過R1的 電壓降(由Irefl 512產(chǎn)生的)(-)。充電驅(qū)動(dòng)器508中的比較器的增益應(yīng)設(shè)計(jì)得 較大(例如80dB)以便使Irefl離電阻R1的電壓降近似等于涓流充電電流Ipch 跨過激則電阻Rsens的電壓降。
涓流預(yù)充電電流M:下式給出
Ipch:Irefl *R1 /Rsens
其中Irefl是一可編程電流參^M。通常Rsens非常小(例如類似10到20 毫歐)，同時(shí)R1可以被選擇在10歐姆的范圍內(nèi)。因此，Rl對(duì)Rsens的比率可 以非常大，從而可以應(yīng)用一很小的參考電流Irefl以產(chǎn)生相對(duì)大的涓流預(yù)充電電流。
在圖4的實(shí)施例中，在涓流預(yù)充電模式期間，放電FET 502可以被完全開 啟，從而消除VPACK+和電池組電壓之間的二極管前向的偏置電壓降。在該模 式中，開關(guān)K4 514和K3 516可以被設(shè)至^體1從而驅(qū)動(dòng)放電FET的柵壓到放 電參考電壓DSG—REF以完全開啟放電FET502。
仍然參考圖4，在正常的放電模式，開關(guān)K3和K4可以分別連接到節(jié)點(diǎn)1 。 這樣，放電驅(qū)動(dòng)器506驅(qū)動(dòng)放電FET 502完全開啟。當(dāng)在涓流放電模式，開關(guān) K3和K4可以連接到節(jié)點(diǎn)2。由于放電驅(qū)動(dòng)器506的高增益環(huán)路，由IreG跨過 電阻R2的電壓降近似等于S敬敏則電阻Rsens的電壓降。這樣，涓流放電電流 由下式纟合出
Ids『IreG承R2/Rsens
其中Iref2是一可編程電流參考源。通常Rsens可以非常小，這樣R2對(duì)Rsens 的比率可以非常大，因此一小的參考電流Iref2可以產(chǎn)生相對(duì)大的涓流放電電流。 由于在放電期間電流方向被反轉(zhuǎn)，跨過li^則電阻Rsens的電壓降和跨SR2的電 壓降具有反極性。因此，極性反轉(zhuǎn)電路522用于反轉(zhuǎn)S敏Rsens的電壓的極性。
在該實(shí)施例中，在涓流充電期間，放電FET 502可以被完全開啟。這樣在 VPACK+和電池組電壓之間的二極管的前向偏置電壓被消除。同樣的，在涓流 放電期間，充電FET 504可以被完全開啟以消除電池組電壓和VPACK+之間的
二極管的前向偏置電壓降。
在本發(fā)明中， 一旦MOSFET和二極管被固定，Ipch仍然可以被可編程電流 源(Iref)112， 312， 510和/或512調(diào)整。圖5中描述了一可編程電流源的一典型 電路拓?fù)?。圖5的電路適于產(chǎn)生具有比率電流鏡的電流Iref。當(dāng)然，除了圖5中 的電路，可編程參考電流源在本領(lǐng)域中是公知的并且可以M多種方式實(shí)現(xiàn)。
圖6中描述了一典型涓流預(yù)充電和涓流放電電路600。在該實(shí)施例中，充電 FET604和放電FET602以描述的方式背對(duì)背串聯(lián)方燈，或者可替代的以前述的 面對(duì)面串聯(lián)放置。在該實(shí)施例中，第rt辦換器電路(DAC)616可以被用于產(chǎn)生一
FET驅(qū)動(dòng)電壓，下面進(jìn)行更全面的描述。
該實(shí)施例包括一模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路(ADC) 614,—控制器612以及fdi轉(zhuǎn)換 器電^(DAC)616組成的控制環(huán)路。,感測(cè)電阻Rsens 618的電流可以通過 ADC 614檢測(cè)到。ADC 614，反過來，可以產(chǎn)生代表電流的數(shù)字信號(hào)并且發(fā)送 這對(duì)言號(hào)到控制器612。在操作中，如^ffil感則電阻618的電流小于預(yù)定的閾 值，控制器可以發(fā)送數(shù)據(jù)到DAC 616以增加相應(yīng)的FET驅(qū)動(dòng)電壓。反之，它 將發(fā)送,到DAC 616以M^、FET驅(qū)動(dòng)電壓直到敏則電流和預(yù)定電、^S似相 等。
在正常的充電或放電模式，DAC 616被禁用(通過由DAC 616接收的 DAC—EN信號(hào)控制)，充電FET 604和放電FET 602完全導(dǎo)通。充電驅(qū)動(dòng)器608 驅(qū)動(dòng)充電FET 604的柵極電壓到CHG—REF值，并且完全開啟充電FET 604。放 電驅(qū)動(dòng)器606驅(qū)動(dòng)放電FET 602的柵極電壓到DSG—REF值，并且完全開啟放 電FET602。
在涓流放電模式，開關(guān)Kl 620連接到節(jié)點(diǎn)1。放電驅(qū)動(dòng)器606被禁用 (DSG—EN為低電平)輸出為高阻，此時(shí)放電FET602的導(dǎo)電狀態(tài)可以被DAC 616控制。這樣，放電FET602，感測(cè)電阻Rsens618， ADC614和DAC616可 以組成控制環(huán)路。艦控制放電FET 602的開啟電P且，本發(fā)明育巨夠調(diào)整涓流放 電電流到一預(yù)設(shè)的值(可以預(yù)編程至啦制器612)。 MOSFET的開啟電阻可以通 過調(diào)整柵極驅(qū)動(dòng)電壓而被調(diào)整。
在一實(shí)施例中，如果需要的涓流放電電流被設(shè)置到Itd，那么^柳SAR(逐 次逼近寄存器)方式可以獲得控制DAC 616的相應(yīng)的控制代碼。DAC的MSB
(最高位)首先被設(shè)為高，如果通過敏則電阻Rsens 618的電流Isen大于Itd， 那么MSB位被設(shè)為低，否則它將保持為高。然后第二MSB位被設(shè)為高，如果 Isen>Itd，第二MSB位被設(shè)為低，否貝lj，它將^J寺為高。這種逐次皿的方式 將持續(xù)到DAC的LSB (最低位)被設(shè)定。相應(yīng)的控制代碼可以被保存在寄存 器中(未示出)從1W以被控制器612存取。如果為一給定的電池組設(shè)定Itd， 那么控制代碼也可以被設(shè)定。無論何時(shí)需要涓流放電，控制器612可以發(fā)送被 編程的控制代碼到DAC616，因此，電池組將可以傳送Itd至拼部負(fù)載。如果涓 流放電電流需要被調(diào)整，戰(zhàn)的控制環(huán)路可以被相應(yīng)地用于增加或者減少控制 代碼。在涓流放電模式，充電驅(qū)動(dòng)器608可以被啟用或禁用。區(qū)別就是涓流放電電流將分別涼L^充電FET 604或者其體二極管。
在涓流充電模式，開關(guān)Kl 620連接到節(jié)點(diǎn)2。充電驅(qū)動(dòng)器608被禁用 (CHG—EN為低)。充電FET604的導(dǎo)電狀態(tài)可以被DAC616控制。在這種模 式，充電FET 604,感測(cè)電阻Rsens 618， ADC 614和DAC 616組成控制環(huán)路。 通過控制充電FET 604的開啟電阻，本實(shí)施例能夠調(diào)整涓流充電電流到一設(shè)定 值。預(yù)充電電^ii常是一固定值。在這種模式中，本實(shí)施例可以產(chǎn)生一控制代 碼GOT，的SAR方法)并在存儲(chǔ)器中保存控制代碼。對(duì)于涓流預(yù)充電電流， 其值可以在某一上限到下限之間變化，因此，相應(yīng)地控制代碼在Ctch和CTCl 之間變化，從而允許涓流充電電流被相應(yīng)地調(diào)節(jié)。在涓流充電模式，放電驅(qū)動(dòng) 器606也可以被啟用或禁用。區(qū)別就是涓流充電電流分別流經(jīng)放電FET 602或 者其體二極管。
上面所述的涓流放電模式可以被進(jìn)一步應(yīng)用以實(shí)現(xiàn)電池組短路/過電流保 護(hù)。當(dāng)電池組被從電子系統(tǒng)中取出時(shí)(也即電池組處于空閑狀態(tài)時(shí))下述的第 一種對(duì)電池組傲戶的實(shí)施例是有效的。不像保持放電FET602關(guān)閉的傳統(tǒng)方法， 該實(shí)施例將放電FET 602設(shè)置成一種可控制的導(dǎo)電狀態(tài)。當(dāng)放電FET 602處于 可控制的導(dǎo)電狀態(tài)時(shí)，即使發(fā)生短路瞎況，也就是VPACK+端短接到VPACK-端，大電流沖擊被放電FET 602開啟電阻阻止。類似的，當(dāng)過電流情況發(fā)生時(shí) 大電流沖擊也被Slh。實(shí)際上，當(dāng)短路/過電流瞎況發(fā)生時(shí)，涓流放電電流將流 經(jīng)放電FET 602，涓流放電電流可以被設(shè)置到一設(shè)定的值以便確保電池組和 MOSFET的安全。例如，設(shè)定涓流放電電流為100mA，育g夠驅(qū)動(dòng)i^A在電子系 統(tǒng)中的外部控制器(其不同于圖6中示出的控制器612)。當(dāng)電池組被插入到電 子系統(tǒng)中，嵌入控制器即能檢測(cè)到電池組的插入并且通知電池組進(jìn)入正常的放 電模式。這樣，就不需要額外的機(jī)械方法或者電子電路來檢測(cè)電池組的插入。
然而，當(dāng)電池組被插入到電子系統(tǒng)中時(shí)，該實(shí)施例沒有進(jìn)一步iif共電池短路/過
電流保護(hù)。這樣，只有當(dāng)電池組l^人電子系統(tǒng)中取出時(shí)該實(shí)施例是有益的。
圖7中示出的流程圖700描述了電池紐尉戶的第二種實(shí)施例。當(dāng)電池組被 從電子系統(tǒng)中取出以及當(dāng)電池組被插入到電子系統(tǒng)中時(shí)均是有效的。開始，如 步驟702中所示，電池組或者在空閑狀態(tài)(例如，它l鈔人電子系統(tǒng)中取出)，或 者在正常的放電模式(例如，它被插入到電子系統(tǒng)中)。不管電池組處于哪種模 式，步驟704判斷短路敏電流發(fā)生的行為。如果沒有發(fā)生短路/過電流情況，那
么電池組將停留在空閑或者放電模式。如果存在短路敏電流瞎況，那么步驟706 立即關(guān)閉放電FET602。通常，放電FET602可以在幾微秒內(nèi)關(guān)閉。那么，在步 驟708中，如果放電FET 602已經(jīng)被關(guān)閉預(yù)定的時(shí)間，例如，25秒，不像傳 統(tǒng)的方法，馬上完全開啟放電FET602，放電FET602將被驅(qū)動(dòng)到可控的導(dǎo)電狀 態(tài)。當(dāng)放電FET 602處于可控導(dǎo)電狀態(tài)，隨著在步驟710中涓流放電電流流經(jīng) 放電FET 602，電池組將工作在涓流放電模式。如果預(yù)定時(shí)間沒有過期，放電 FET 602仍然停留在關(guān)閉狀態(tài)。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到為了實(shí)現(xiàn)步驟708，圖6中示出的實(shí)施例可以包括 一電池管理固件和一定時(shí)器。電池管理固件能夠監(jiān)視硬件動(dòng)作。定時(shí)器具有一 預(yù)置時(shí)間(例如25秒)。如果發(fā)生短路/過電流情況，電池管理固件將被告知放 電FET 602已被關(guān)閉，然后啟動(dòng)定時(shí)器。如果定時(shí)器的 頁置時(shí)間過期，管理固 件就會(huì)被告知放電FET602己關(guān)閉了預(yù)定時(shí)間長(zhǎng)度。
在涓流放電模式，圖6中的DAC 616 J^共柵極驅(qū)動(dòng)電壓給放電FET 602。 從而I鼓文電FET 602工作于可控導(dǎo)電狀態(tài)。通過調(diào)節(jié)柵極驅(qū)動(dòng)電壓，放電FET 602的開啟電阻被調(diào)節(jié)，因此流經(jīng)放電FET 602的涓流放電電流被相應(yīng)地調(diào)節(jié)。
在涓流放電模式中，可以包括下面的分步。開始，在控制器612的控制下， 來自DAC616的柵極驅(qū)動(dòng)電壓控制碼在步驟712中被設(shè)置到0。然后，在步驟 714中柵極驅(qū)動(dòng)電壓控制碼逐漸增力口。根據(jù)MOSFET的特性，本領(lǐng)域技術(shù)人員 容易理解，放電FET 602的開啟電阻將隨著柵極驅(qū)動(dòng)電壓控制碼的增加而逐漸 斷氐，反過來》魅勁文電FET 602的涓流放電電流將逐鵬加。每一次柵極驅(qū)動(dòng) 電壓控制碼增加，相應(yīng)的涓流放電電^^!電阻Rsens618的電壓被檢測(cè)到，然 后IM于確定是否存在短路/過電流情況。
尤其是，在步驟716中，涓流放電電流與預(yù)定的電流相比，例如，40毫安， 用于確定是否存在短路敏電流瞎況。如果涓流放電電流大于預(yù)定電流，可以推 斷出短路/過電流情況仍然存在。然后，圖6中示出的系統(tǒng)Mil步驟706的操作 重啟電池組f尉戶。如敷昌流放電電流小于預(yù)定電流，在步驟718中柵極驅(qū)動(dòng)電 壓控制碼將與預(yù)定最大控制碼相比。實(shí)際上，柵極驅(qū)動(dòng)電壓控制碼將不鼓限 制增加，而會(huì)限于預(yù)定最大控制碼。在步驟718中，如果柵極驅(qū)動(dòng)電壓控制碼 達(dá)到預(yù)定最大控制碼，可以推斷出在步驟702中短路/過電流瞎況不再存在，電 池組將返回空閑模式或者正常放電模式。否則，電池組將重復(fù)執(zhí)行步驟714， 716
和718直到由于在步驟716中判定存在短路/過電流瞎況或在步驟718中判定不 存在短路敏電流瞎況而退出涓流放電模式。
這里的預(yù)定電^M過考慮MOSFET的功率耗散性肖諫設(shè)定。對(duì)于圖6中示 出的具有四個(gè)電池的電池組，預(yù)定電流可以被設(shè)置為40毫安，從而放電FET602 的最大功率耗散接近680毫瓦，^!"于功率MOSFET來說是一安全值。
此外，在VPACK+端的電壓也可以被應(yīng)用于確定是否存在短路/過電流情 況。在步驟716中，VPACK+端的電壓被檢測(cè)并且與預(yù)定電壓相比，例如，100 毫伏。如果VPACK+端的電壓小于預(yù)定電壓，可以斷定短路/過電流情況仍然存 在。否則，在步驟718中柵極驅(qū)動(dòng)電壓將與預(yù)定最娥制碼進(jìn)行比較。VPACK+ 端的預(yù)定電壓的設(shè)置要考慮噪音和電池內(nèi)阻。對(duì)于圖6的實(shí)施例，預(yù)定電壓被 設(shè)置為100毫伏，這是考慮短路/過電流瞎況和噪音以及電池內(nèi)阻的數(shù)量之間的 較好的折衷值。
從圖1A中，我們知道在預(yù)充電期間和恒定電壓(CV)充電期間，充電電流 需要被控制。在傳統(tǒng)電路中，需要一額外的預(yù)充電FET來控制預(yù)充電電流。在 這樣的傳統(tǒng)電路中，CV充電必須完全依靠充電器來精確的調(diào)節(jié)充電電壓到 Vov，然后充電電流將^I減。
在本實(shí)施例中，沒有額外的預(yù)充電FET預(yù)充電功能也可以實(shí)現(xiàn)。另外，為 了加速預(yù)充電過程，預(yù)充電電流Ipch基于電池電壓可以被容易地調(diào)節(jié)。電池電 壓越高，預(yù)充電電^Ml編程參考電流Iref被設(shè)置得越大，例如這里描述的參 考圖2A,圖3A和圖4或者圖6中描述的控制代碼方法。
更進(jìn)一步地，如在這里的眾多實(shí)施例所描述的，涓流充電電流控制也可以 在CV期間內(nèi)被利用，在這期間涓流充電電路會(huì)的多基于電池電壓成生涓流充電 電流。如此，CV充電電、鵬減不需要4繊充電器賺確地調(diào)節(jié)電壓Vov。因此， 本發(fā)明提供的幾個(gè)實(shí)施例都可以不需要昂貴的，精確的電壓調(diào)節(jié)充電器。實(shí)際 上，簡(jiǎn)易的AC適配器可以I鵬用于給鋰離子電池充電。由于在CV充電期間， 即使充電器不能將恒定電壓固定在Vov，但是充電電流被限于基于電池電壓而 確定的預(yù)編程涓流電流值。所以，不會(huì)發(fā)生過充電。該充電電流限制可以被用 作第二層過電壓保護(hù)(m將電流限設(shè)置得比在電壓Vov時(shí)實(shí)際的觀測(cè)電流值 稍微大一些)，或者作為第一層過電壓^J戶(通過調(diào)節(jié)充電電流直到獲得精確的 預(yù)期的Vov)。
運(yùn)用本發(fā)明的涓流放電性能，對(duì)于電池組的^l子的短路/過電流f斜戶是可能
的。在現(xiàn)有技術(shù)中，放電FET或者完全地開啟以允許放電或者完全地關(guān)閉以禁 止放電。當(dāng)電池組被從電子系統(tǒng)中取出，例如，放在支架上，那么放電FET或 者保持開啟以準(zhǔn)備在任何時(shí)候電池組插進(jìn)電子系統(tǒng)時(shí)為電子系統(tǒng)供電。在這種 情況下，如果發(fā)生了異常情況，例如VPACK+端被短接到VPACK-端，大電流 從電池中泄出，如此一來，將破壞電池；或者放電FET保持關(guān)閉以防止電^3f
受短路/過電流瞎況。但是這將使當(dāng)電池組被插進(jìn)系統(tǒng)中時(shí)aih電池向系統(tǒng)供電。
需要一些技術(shù)方法通知電池返回到開啟放電FET狀態(tài)。這將導(dǎo)致客戶的不便并 增加成本。
使用本發(fā)明劍門可以將電池組設(shè)置至鵬流放電模式，當(dāng)電池l彭人電子系統(tǒng)
中取出時(shí)。涓流放電電流值可以被選擇徵艮大，假定ioo毫安，當(dāng)電Mia被插
進(jìn)電子系統(tǒng)中時(shí)足夠?yàn)榍度肟刂破鞯南到y(tǒng)供電。然后嵌入控制器系統(tǒng)將檢測(cè)電 池的存在并且通知電池轉(zhuǎn)變到正常放電模式。隨著放電FET將電流限制到預(yù)定 涓流放電電流，假定100毫安，即使VPACK+端被短接到VPACK-端，大電流
浪涌也會(huì)鄉(xiāng)Ilh。
而且，不管電池組是否從電子系統(tǒng)中取出或者是在電子系統(tǒng)中，本發(fā)明的 電池組可以防止遭受異常瞎況，例如，短路/過電流瞎況。開始，當(dāng)發(fā)生異常瞎 況時(shí)關(guān)閉放電FET。然后，在預(yù)定時(shí)間的關(guān)閉期間過后，放電FET被驅(qū)動(dòng)到可 控的導(dǎo)電狀態(tài)，而不是如傳統(tǒng)方法中完全開啟。因此，電池組將在涓流放電模 式中進(jìn)行操作。柵極驅(qū)動(dòng)電壓逐漸增加，相應(yīng)的涓流放電電流相應(yīng)增加。在這 個(gè)過程中，如果相應(yīng)的涓流放電電流變得大于預(yù)定電流，假定40毫安，可以推 斷出異常瞎船賠^ 在，因此放電FET將再次關(guān)閉并且電池組將重復(fù)，操作。 如果柵極驅(qū)動(dòng)電壓增加到一預(yù)定最大控制電壓，相應(yīng)的涓流放電電流還沒有達(dá) 至頓定電流，可以確定異常情況已經(jīng)消除并且電池組可以在正常放電模式進(jìn)行 工作。
涓流放電和涓流充電性f樹于支持多電池的系統(tǒng)是非常有用的。當(dāng)電子系 統(tǒng)需要有更多電力和更多特性時(shí)，多電池組將變得更加普及。當(dāng)多電池組同時(shí) 進(jìn)行放電，它們可以提供更多的電力給系統(tǒng)，而且由于多個(gè)電池組并行它也將 減少電池內(nèi)阻以提高效率。但是多電池組同時(shí)放電具有一嚴(yán)格的前提，這些電 池組必須精確地具有相同的電壓。否則，即使兩個(gè)電池組只是具有很小的電壓
差，假定10毫伏，由于電源總線的電阻很小，假定2毫歐，那么它也將具有一 大的電流，5安培，它將從具有較高電壓的電池組》腿具有較低電壓的電池組。
實(shí)際上，多電池組l歐隹具有相同電壓，而且即使兩個(gè)電池組具有一很精確的ADC 來監(jiān)視電池電壓也很難假定它們具有相同的電壓，因?yàn)殡姵亟M電壓隨著放電電 流而變化。隨著涓流放電功能的應(yīng)用，我們可以解決下面的問題(劍門以兩個(gè) 電池組為例)。
系統(tǒng)具有兩個(gè)電池組，電池組A和電池組B。開始，電 tMaA電壓高于電 池組B電壓；電池組A首先供電給系統(tǒng)，電池組A電壓逐漸降低。電池組B 的放電FET被關(guān)閉以禁止放電；當(dāng)電池組A電壓降到與電池組B電壓相同時(shí)， 我們將電池組B設(shè)置到涓流充電模式或者涓流放電模式。如果我們將電池組B 設(shè)置到涓流充電模式，我們可以完全開啟放電FET，而驅(qū)動(dòng)充電FET到其飽和 工作區(qū)并且把充電FET作為一限流電阻；如果我們將電池組B設(shè)置到涓流放電 模式，我們完全開啟充電FET，并且驅(qū)動(dòng)放電FET至唭飽和工作區(qū)并且把放電 FET作為限流電阻。出于很多安全因素的考慮，劍門可以將涓流充電控制碼CTc 或者涓流放電控制碼CTO設(shè)置到一小電流值。從而充電FET或者放電FET的等 效電阻變得較大。因?yàn)殡婛i且A放電但是電池組B處于空閑模式，即使它們的 被測(cè)電壓是相同的，而實(shí)際的電池組A電壓將高于電池組B電壓。因此，電池 組A將向電池組B充電。然而，充電電流被充電FET (如果將電池組B設(shè)置到 涓流充電模式)或者放電FET (如果將電池組B設(shè)置到涓流放電模式)的電阻 所限制。受限電流值由控制碼Ctc或者Cto碗定。劍門iBM:電池組B中的 ADC監(jiān)測(cè)該充電電流；當(dāng)電池組A和B的電壓差變得^5越小時(shí)，從電池組A 到電池組B的充電電流將變得越來越小。當(dāng)該充電電流小于預(yù)定值時(shí)，假定IO 毫安，我們可以將電池組B從涓流充電模式或者涓流放電模式轉(zhuǎn)變到正常的放 電模式。
因此，本發(fā)明所公開的可編程涓流預(yù)充電和/或涓流放電電路和方法與傳統(tǒng) 的電路結(jié)構(gòu)相比可以提供更多的靈活性，更少的組件和更高的效率來完成預(yù)充 電。基于電池組電池的電荷量(深度放電的電池需要涓流充電纟莫式)，在圖2A 和2B中，開關(guān)(Kl，K2和/或K3和K4)可以iM:電M視器IC所控制，將可編
程涓流充電電路設(shè)置到涓流預(yù)充電模式或者正常充電模式。進(jìn)一步理解，這里 描述的電路結(jié)構(gòu)可以使用離散的器件和/^成電路來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明適于〗ii可使
用了可再充電電池的便攜電子設(shè)備(便攜式計(jì)^m，手機(jī)，PDA等等)。
在這里提到的具體的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只是典型例子，其他的涓流充^/放電電 路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也可以應(yīng)用。同樣的，基于這里提到的典型涓流充私放電電路也可 以有許多的電路變形及改進(jìn)，但都沒有脫離本發(fā)明的精神。所有這些改進(jìn)都認(rèn) 為是在本發(fā)明的范圍之內(nèi)，都受限于本發(fā)明的權(quán)利要求。
權(quán)利要求
1、一種用于保護(hù)電池組避免大電流過流或短路情況的方法，其特征在于，包括以下步驟在導(dǎo)通控制電路產(chǎn)生一控制信號(hào)；以及如果發(fā)生大電流過流或短路情況，在控制信號(hào)的控制下產(chǎn)生一涓流放電電流，其中涓流放電電流能夠防止大電流從電池組中流通。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1戶脫的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括步驟 在控帝幅號(hào)的控制下調(diào)^j5脫涓流放電電流。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2戶，的方法，其特征在于，調(diào)整戶，涓流放電電^a—步包括以下步驟在控制信號(hào)的控制下將放電開關(guān)設(shè)為可控導(dǎo)電狀態(tài)； 根據(jù)控帝賠號(hào)調(diào)整放電開關(guān)的電阻；以及 根據(jù)放電開關(guān)的電阻調(diào)徵昌流放電電流。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1戶腿的方法，其特征在于，戶服涓流放電電流能夠向嵌 入在電子系統(tǒng)中的夕卜部控制器提供電力。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4戶鵬的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括^^M外部控制 器的控制下產(chǎn)生一正常放電電流的步驟。
6、 一種f尉戶電池組避免電流過流或短路情況的方法，其特征在于，包括以 下步驟a) 、當(dāng)發(fā)生大電流過流或短路時(shí)關(guān)閉放電開關(guān)；b) 、在開關(guān)控制電路產(chǎn)生一控制信號(hào)，該控制信號(hào)具有一預(yù)定最高電平；c) 、在控制信號(hào)的控制下產(chǎn)生一涓流放電電流，該涓流放電電流具有一閾 值電流電平并且會(huì)的鄰M:電池組發(fā)生大電流^1;d) 、根據(jù)涓流放電電流，閾值電流電平和預(yù)定最高電平檢測(cè)是否存在大電 流過流或短路瞎況；e) 、如果大電流過流或短路瞎況依然存在則重復(fù)步驟a)到d);f) 、如果大電流過流或短路瞎況消除則開啟放電開關(guān)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括以下步驟 設(shè)置一定時(shí)器；以及 當(dāng)定時(shí)器過期時(shí)產(chǎn)生涓流放電電流。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述產(chǎn)生涓流放電電流的步 馬驗(yàn)一步包括在控帝瞻號(hào)的控制下將放電開關(guān)設(shè)為可控導(dǎo)電狀態(tài)。
9、 根據(jù)權(quán)利要求6戶腿的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括根據(jù)戶;MS帝瞻號(hào)調(diào)整爿員涓流放電電流。
10、 t艮據(jù)豐又利要求9戶，的方法，^rn正在于，戶;M調(diào)整涓流放電電流的步職一步包括根據(jù)戶;f^制信號(hào)調(diào)整放電開關(guān)的電阻；以及 根據(jù)放電開關(guān)的電阻調(diào)整戶;M涓流放電電流。
11、 根據(jù)權(quán)利要求6戶脫的方法，其特征在于，如果戶，涓流放電電流至少等于閾值電流電平則存在大電流過流或短路情況。
12、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，如果控制信號(hào)至少等于預(yù) 定最高電平3卩么大電涼過流或短路瞎況將會(huì)消除。
13、 根據(jù)權(quán)利要求6戶，的方法，其特征在于，步驟(d)進(jìn)一步包括步驟a) 檢測(cè)涓流放電電流；b) 比較涓流放電電流與閾值電流電平；c) 如果涓流放電電流小于閾值電流電平貝吡較控制信號(hào)與預(yù)定最高電 平；d) 如果控制信號(hào)小于預(yù)定最高電平則增加控制信號(hào)；e) 如果涓流放電電流小于閾值電流電平并且控制信號(hào)小于預(yù)定最高電 平則重復(fù)步驟a)到d)。
14、 根據(jù)權(quán)利要求6戶欣的方法，其特征在于，戶脫步驟(d)進(jìn)一步包括步驟a) 在電池組的正極端檢測(cè)電壓；b) 比較電壓和閾值電壓電平；c) 如果電壓高于閾值電壓電平則比較控制信號(hào)和預(yù)定最高電平；d) 如果控制信號(hào)小于預(yù)定最高電平則增加控制信號(hào)；e) 如果電壓大于閾值電壓電平并且控制信號(hào)小于預(yù)定最高電平則重復(fù)步驟3a)到d)。
15、根據(jù)權(quán)利要求14戶皿的方法，其特征在于，如果電壓至多等于閾值電 壓電平則存在大電^31流或短路瞎況。
全文摘要
本發(fā)明公開了電池保護(hù)電路和方法。通過將放電開關(guān)設(shè)置為可控導(dǎo)電狀態(tài)電池會(huì)被保護(hù)避免大電流過流或短路情況。放電開關(guān)處于可控導(dǎo)電狀態(tài)后，涓流放電電流在導(dǎo)通控制信號(hào)的控制下將逐漸產(chǎn)生。涓流放電電流可以用于確定是否存在大電流過流或短路情況。當(dāng)大電流過流或短路情況消除時(shí)，放電開關(guān)重新開啟。
文檔編號(hào)H02J7/00GK101179200SQ200710152100
公開日2008年5月14日 申請(qǐng)日期2007年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月29日
發(fā)明者劉柳勝, 布魯斯·丹寧 申請(qǐng)人:美國凹凸微系有限公司