CN102204060B - 保护电路及电池包 - Google Patents

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Abstract

本发明所提供的保护电路，包含：检测部，通过连接电池的电源端子的电压而检测所述电池的过充电或过放电；控制部，当由所述检测单元进行的对所述电池的过充电或过放电的检测持续了预定时间时，生成用于停止所述电池的充电或放电的控制信号；电流变化部，当由所述检测单元检测到所述电池的过充电或过放电时，在一定时间内使在所述电源端子上流动的电流变化。

Description

保护电路及电池包
技术领域
本发明涉及一种在检测到电池的过充电或过放电时，通过停止充电或放电来保护电池的保护电路及具有这种保护电路的电池包。
背景技术
近些年，锂离子电池作为二次电池而搭载在数码相机等便携设备中。由于锂离子电池难以承受过充电和过放电，通常以具备过充电和过放电保护电路的电池包的形态来使用。
电池包中设有保护集成电路(IC：Integrated Circuit)。保护IC包含过充电检测电路、过放电检测电路、过电流检测电路等。当检测到过放电时，过放电检测电路关掉电池包内的开关，停止锂离子电池的放电。当检测到过电流时，过电流检测电路关掉电池包内的开关，停止锂离子电池的放电。当检测到过充电时，过充电检测电路关掉电池包内的开关，停止锂离子电池的充电。
在上述的过充电检测电路、过放电检测电路、过电流检测电路中，计算各自的检测时间，当检测时间超过预定时间(延迟时间)时，确定检测出过充电、过放电、过电流而关掉上述开关，由此防止误操作。即，检测确定过充电、过放电、过电流需要预定时间(延迟时间)。
但是，在生产时对保护IC进行试验时，由于上述的过充电检测、过放电检测、过电流检测需要预定的时间(延迟时间)，存在试验时间变长的问题。因此，目前在做试验时，设法在保护IC中设定缩短时间模式而缩短上述预定时间(延迟时间)或去掉预定时间(延迟时间)。
例如，专利文献1中提出了如下电路的技术方案，即判断测试用端子的输入电平是在高电平(VDD)、中间电平(VDD/2)还是在低电平(VSS)，然后将比较器输出的延迟时间切换到通常的延迟时间模式、延迟时间缩短模式、无延迟时间的模式中的任意一个。
专利文献1：日本专利公开2002-186173号公报。
在上述所提出的电路中，通过将测试用端子的输入电平设定在高电平(VDD)、中间电平(VDD/2)、低电平(VSS)中的任意一个，从而可以设定通常的延迟时间模式、延迟时间缩短模式、无延迟时间模式这三种缩短时间模式。为此，在上述所提出的电路中，需要设置测试用端子。并且，由于需要判定输入电平为高电平(VDD)、中间电平(VDD/2)还是低电平(VSS)，需要两个变换器、一个或非电路、三个与非电路，因此电路构成变得复杂，电路成本变高。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而提供的，其目的在于提供一种无需测试用端子的保护电路及电池包。
根据本发明的一个观点，提供一种保护电路，包含：检测单元，通过连接有电池的电源端子的电压而检测所述电池的过充电或过放电；控制单元，当由所述检测单元进行的对所述电池的过充电或过放电的检测持续了预定时间时，生成用于停止所述电池的充电或放电的控制信号；电流变化单元，当由所述检测单元检测到所述电池的过充电或过放电时，在一定时间内使在所述电源端子上流动的电流变化。
根据本发明的一个观点，提供一种电池包，包含电池和具有连接有所述电池的电源端子的保护电路，所述保护电路包含：检测单元，通过所述电源端子的电压检测所述电池的过充电或过放电；控制单元，当由所述检测单元进行的对所述电池的过充电或过放电的检测持续了预定时间时，生成用于停止所述电池的充电或放电的控制信号；电流变化单元，当由所述检测单元检测到所述电池的过充电或过放电时，在一定时间内使在所述电源端子上流动的电流变化。
根剧本发明，不需要使用测试用端子。
附图说明
图1为表示在本发明的一个实施例中应用了保护电路的电池包的框图。
图2为表示计数器电路的一个例子的电路构成图。
图3为表示图1的各部分的信号的信号波形图。
图4为表示图1的各部分的信号的信号波形图。
图5为表示在本发明的另一个实施例中应用了保护电路的电池包的框图。
图6为表示充电装置的保护电路的一个例子的框图。
具体实施方式
下面，基于附图说明本发明的各实施例。
<一个实施例中的保护IC>
图1为表示在本发明的一个实施例中应用了保护电路的电池包的框图。与锂离子电池52并联地连接电阻R11和电容器C11的串联电路。锂离子电池52的正极通过配线连接于电池包50的外部端子(P+)53，锂离子电池52的负极由配线通过构成电流遮断用开关电路的n沟道MOS(Metal OxideSemiconductor)晶体管M11、M12而连接于电池包50的外部端子(P-)54。
MOS晶体管M11、M12的漏极共通连接，MOS晶体管M11的源极连接于锂离子电池52的负极，MOS晶体管M12的源极连接于外部端子54。
保护IC55是当检测到锂离子电池52的过充电或过放电时，停止锂离子电池52的充电或放电来保护锂离子电池52的电路。保护IC55由锂离子电池52的正极通过电阻R11在电源端子55a上供应电源电压VDD，同时从锂离子电池52的负极向接地端子55c供应电源电压(或，接地电压)VSS而运行。
并且，保护IC55在端子55f上连接电阻R12的一端，电阻R12的另一端连接于外部端子54。保护IC55将DOUT输出端子55d连接于MOS晶体管M11的栅极，将COUT输出端子55e连接于MOS晶体管M12的栅极。
保护IC55包含过充电检测电路56、过放电检测电路57、充电过电流检测电路58、放电过电流检测电路59以及短路检测电路60。过充电检测电路56从端子55a、55c的电压检测出锂离子电池52的过充电，将检测信号供应到振荡器61和逻辑电路63上。过放电检测电路57从端子55a、55c的电压检测出锂离子电池52的过放电，将检测信号供应到振荡器61和逻辑电路65中。过充电检测电路56和过放电检测电路57构成从电源端子55a的电压检测出锂离子电池52的过充电或过放电的检测部或检测单元。
充电过电流检测电路58通过端子55f的电压检测出在MOS晶体管M11和MOS晶体管M12流动的电流过大的过电流，将检测出的检测信号供应到振荡器61和逻辑电路63。放电过电流检测电路59通过端子55f的电压检测出在MOS晶体管M11和MOS晶体管M12流动的电流过大的过电流，将检测信号供应到振荡器61和逻辑电路65。短路检测电路60通过端子55f的电压检测出外部端子53、54之间的短路，将检测信号通过延迟电路66供应到逻辑电路65。
端子55a连接于过充电检测电路56和过放电检测电路57的同时，连接于n沟道MOS晶体管M20的漏极。MOS晶体管M20的源极通过电阻R13连接于端子55c，栅极连接于计数器电路62的控制输出端子。
<计数器电路>
图2为表示计数器电路62的一个例子的电路构成图。在图中，端子70上供应由振荡器输出的时钟信号。计数器电路62由级联连接的启动型双稳态触发器(T-FF)71-1～71-n构成，通过端子70输入的时钟信号供应到启动型双稳态触发器71-1的输入端子，启动型双稳态触发器71-n的输出信号例如从端子72供应到逻辑电路63、65。并且，启动型双稳态触发器71-4的输出信号例如从端子73供应到MOS晶体管M20的栅极。需要说明的是，不仅限于触发器71-4，触发器71-5或71-6等其他触发器的输出也可以从端子73进行输出。
计数器电路62通常被清零，从端子72、73输出低电平。并且，当从振荡器61接收到时钟信号时，计数器电路62在一定时间内(如果设定时钟信号的一个周期为τ，则23×τ＝T1)从端子73输出高电平信号，并且在预定时间内(2n-1×τ＝T2)从端子72输出高电平信号。
这里，在充电时(MOS晶体管M11、M12处于打开(on)状态)，如果过充电检测电路56或充电过电流检测电路58输出检测信号，则振荡器61振荡而发出时钟信号，计数器电路62在预定时间(T2)内计数时钟信号之后，向逻辑电路63供应低电平输出。逻辑电路63接收到上述检测信号后，如果接收到计数器电路62的低电平输出，则为了停止充电而使供应到MOS晶体管M12的栅极的控制信号变为低电平，在电平转换电路64中进行将该控制信号减小预定值的电平转换，然后从端子55e供应到MOS晶体管M12的栅极。由此，停止锂离子电池52的充电。需要说明的是，该电平转换是由于外部端子54的电位低于端子55c而进行的。
并且，在放电时(MOS晶体管M11、M12处于打开(on)状态)，如果过放电检测电路57或放电过电流检测电路59输出检测信号，则振荡器61振荡而输出时钟信号，计数器电路62在预定时间(T2)内计数时钟信号后，向逻辑电路65供应低电平输出。逻辑电路65接收到上述检测信号后，如果接收到计数器电路62的低电平输出，则为了停止放电而使供应到MOS晶体管M11的栅极的控制信号变为低电平，将该控制信号从端子55d供应到MOS晶体管M11的栅极。
在此，短路检测电路60的检测信号在延迟电路66中，与计数器电路62引起的延迟相同地被延迟而供应到逻辑电路65。为了停止放电，逻辑电路65将供应到MOS晶体管M11的栅极的控制信号变为低电平，将该控制信号从端子55d供应到MOS晶体管M11的栅极。由此，停止锂离子电池52的放电。
由上述检测部或检测单元进行的对锂离子电池52的过充电或过放电之检测持续预定时间时，振荡器61、计数器电路62、逻辑电路63、电平转换电路64以及逻辑电路65构成用于生成停止锂离子电池52的充电或放电的控制信号的控制部或控制单元。并且，振荡器61、计数器电路62、MOS晶体管M20以及电阻R13构成在上述检测部或检测单元检测到锂离子电池52的过充电或过放电时，暂时(一定时间)改变电源端子55a上流动的电流的电流变化部或电流变化单元。电流变化部或电流变化单元如下所述，也可以增加电源端子55a上流动的电流。
<过充电检测电路的试验>
图3为表示图1的各部分的信号的信号波形图。在图3(A)、图3(C)中，纵轴表示任意单位的电压，在图3(B)中，纵轴表示任意单位的电流，在图3(A)～图3(C)中，横轴表示任意单位的时间t。在制造保护IC55时，在端子55a上连接试验装置(未图示)，一边将施加在端子55a上的电源电压VDD如图3(A)所示那样逐步提高，一边测定端子55a上流动的电流。当过充电检测电路56检测到过充电时，从该检测至一定时间(T1)内，向MOS晶体管M20的栅极供应高电平信号，MOS晶体管M20变成打开状态。因此，端子55a上流通的电流IDD如图3(B)所示，只在一定时间(T1)内增加，然后由于MOS晶体管M20被关闭，因此变为对应于端子55a的施加电压的值。并且，检测到过充电后经过预定时间(T2)时，从端子55e供应到MOS晶体管M12的栅极的控制信号COUT变为如图3(C)所示的低电平。
如果采用上述专利文献1中所提供的电路，将会在端子55a、55e上连接试验装置，将施加到端子55a的电压如图3(A)所示那样逐步提高，在试验装置中测定端子55e的电平，以此测定过充电检测电路56的检测电压。因此，会发生时间T2的延迟时间，为了缩短该延迟时间，设置了测试用端子来设定无延迟时间的模式。
相对于此，在本实施例中无需设置测试用端子，通过增加MOS晶体管M20的简单的构成，基本上就可以测定过充电检测电路56的检测电压。即，电流IDD急剧增加时端子55a上所施加的电压成为过充电检测电路56的检测电压。
<过放电检测电路的试验>
图4为表示图1的各部分中的信号的信号波形图。在图4(A)、图4(C)中，纵轴表示任意单位的电压，在图4(B)中，纵轴表示任意单位的电流，在图4(A)～图4(C)中，横轴表示任意单位的时间t。在制造保护IC55时，在端子55a上连接试验装置(未图示)，一边将施加在端子55a上的电压VDD如图4(A)所示那样逐步降低，一边测定端子55a上流动的电流。当过放电检测电路57检测到过放电时，从该检测至一定时间(T1)内，向MOS晶体管M20的栅极供应高电平信号，MOS晶体管M20变成打开状态。因此，端子55a上流通的电流IDD如图4(B)所示，只在一定时间(T1)内增加，然后由于MOS晶体管M20被关闭，因此变为对应于端子55a的施加电压的值。并且，检测到过放电后经过预定时间(T2)时，从端子55d供应到MOS晶体管M11的栅极的控制信号变为如图4(C)所示的低电平。
如果采用上述专利文献1中所提供的电路，将会在端子55a、55e上连接试验装置，将施加到端子55a的电压如图4(A)所示那样逐步提高，测定端子55e的电平，以此测定过放电检测电路57的检测电压。因此，会发生时间T2的延迟时间，为了缩短该延迟时间，设置了测试用端子来设定无延迟时间的模式。
相对于此，在本实施例中无需设置测试用端子，通过增加MOS晶体管M20的简单的构成，基本上就可以测定过放电检测电路57的检测电压。即，电流IDD急剧增加时端子55a上所施加的电压成为过放电检测电路57的检测电压。
但是，也可以设置一种在端子55f与充电过电流检测电路58和放电过电流检测电路59之间连接源极和漏极，将计数器电路62的端子73的输出供应到栅极的MOS晶体管(未图示)。此时，在端子55f上连接试验装置，一边将施加在端子55f的电压逐步提高或降低，一边测定端子55f上流动的电流，从而可以像上述实施例那样，可以无延迟地测定充电过电流检测电路58或放电过电流检测电路59的检测电流。
在此，在测定过充电检测电路56、过放电检测电路57、充电过电流检测电路58以及放电过电流检测电路59各自的检测电压之后，基于测定结果，通过对分别设置在过充电检测电路56、过放电检测电路57、充电过电流检测电路58以及放电过电流检测电路59的修调电阻(未图示)进行激光修调，可以将过充电检测电路56、过放电检测电路57、充电过电流检测电路58以及放电过电流检测电路59的各阈值设定为目标值。
<过充电检测电路的试验>
过充电检测电路56的试验可以按照上述实施例相同的方法进行。
需要说明的是，在测定过充电检测电路56的检测电压之后，基于测定结果，通过对设置在过充电检测电路56的修调电阻进行激光修调，从而将过充电检测电路56的阈值设定为目标值。此后，用激光切断保险丝80。由此，在切断保险丝80的产品中，在端子55a上流动的电流IDD不会像图3(B)中示出的那样在一定时间(T1)内增加，而成为对应于端子55a上所施加的电压的值。
<过放电检测电路的试验>
过放电检测电路57的试验可以按照与上述实施例相同的方法进行。
<充电保护电路>
图6为在本发明的其他实施例中，表示串联连接多个电池而进行充电的充电装置的保护电路的模块图。该保护电路为用于控制串联连接的二次电池BTA、BTB、BTC、BTD的充电的电路，形成在保护IC90内。进行充电时，二次电池BTA连接于外部端子(或，电源端子)91A、91B之间，二次电池BTB连接于外部端子(或，电源端子)91B、91C之间，二次电池BTC连接于外部端子(或，电源端子)91C、91D之间，二次电池BTD连接于外部端子(或，电源端子与接地端子)91D、91E之间。
外部端子91E接地，外部端子91A连接于n沟道MOS晶体管M30的漏极。MOS晶体管M30的源极通过直流电源100接地，MOS晶体管M30的栅极连接于保护IC90的外部端子91F上。
在保护IC90中，过充电检测电路92A在外部端子91A、91B之间的电压差超过检测电压时，输出高电平的检测信号。并且，过充电检测电路92B在外部端子91B、91C之间的电压差超过检测电压时，输出高电平的检测信号。同样，过充电检测电路92C在外部端子91C、91D之间的电压差超过检测电压时，输出高电平的检测信号，过充电检测电路92D在外部端子91D、91E之间的电压差超过检测电压时，输出高电平的检测信号。
各个过充电检测电路92A～92D所输出的检测信号被供应到或电路93，或电路93将过充电检测电路92A～92D中的任意一个输出的检测信号供应到振荡器94和计数器95中。
外部端子91A连接于过充电检测电路92A，同时连接于n沟道MOS晶体管M31的漏极。MOS晶体管M31的源极通过电阻R20连接于外部端子91E，MOS晶体管M31的栅极上由计数器电路95供应控制信号。
计数器电路95具有与图2相同的构成，计数器电路95通常被清零，从端子72、73输出低电平。并且，当从振荡器94接收到时钟信号时，计数器电路95将在一定时间(T3)内为高电平的信号供应到MOS晶体管M31的栅极，并且将在预定时间(T4＞T3)内为高电平的信号供应到逻辑电路96。
这里，在充电时(MOS晶体管M30为打开状态)，如果过充电检测电路92A～92D中的任意一个输出过充电检测信号时，振荡器94振荡而输出时钟信号，计数器电路95在预定时间(T4)内计数时钟信号后，将低电平输出供应到逻辑电路96。逻辑电路96接收到上述检测信号后，如果接收到计数器电路95的低电平输出，则为了停止充电而将供应到MOS晶体管M30的栅极的控制信号设为低电平。
在制造保护IC90时，在外部端子91A、91B之间(或者91B与91C之间，或者91C与91D之间，或者91D与91E之间)连接试验装置，如图3(A)那样一边提高施加在外部端子91A、91B之间(或者91B与91C之间，或者91C与91D之间，或者91D与91E之间)的电压，一边测定外部端子91A(或91B，或91C，或91D)上流动的电流。当过充电检测电路92A(或92B，或92C，或92D)检测出过充电时，由该检测至一定时间(T3)内，MOS晶体管M31的栅极上被供应高电平信号，MOS晶体管M31处于打开状态。因此，在外部端子91A(或91B，或91C，或91D)上流动的电流IDD在一定时间(T3)内增加，此后由于MOS晶体管M31被关闭，因此变为对应于外部端子91A、91B之间(或者91B与91C之间，或者91C与91D之间，或者91D与91E之间)的施加电压的值。并且，检测到过充电后经过预定时间(T4)时，从端子91F供应到MOS晶体管M30的栅极的控制信号成为低电平。
过充电检测电路92A～92D构成通过电源端子91A～91D的电压来检测电池A～D的过充电的检测部或检测单元。当由所述检测部或检测单元进行的对电池A～D的过充电之检测持续预定时间时，振荡器94、计数器电路95、逻辑电路96以及或电路93构成用于产生停止电池A～D的充电的控制信号的控制部或控制单元。并且，当所述检测部或检测单元检测出电池A～D的过充电时，振荡器94、计数器电路95、MOS晶体管M31以及电阻R20构成在一定时间内使电源端子92A～92D上流动的电流变化的电流变化部或电流变化单元。
需要说明的是，在上述实施例中，在过充电检测电路56或过放电检测电路57进行检测时，使端子55a的电流增加，但在检测时也可以使端子55a的电流减少。
本申请以2008年11月14日向日本特许厅申请的专利申请2008-292226作为主张优先权的基础，并引用该申请的全部内容。
综上所述，通过实施例说明了本发明，但本发明并不限定于上述实施例，在本发明的范围内可以进行各种变形和改良。
主要符号说明：
50为电池包，52为锂离子电池，55为保护IC，56为过充电检测电路，57为过放电检测电路，58为充电过电流检测电路，59为放电过电流检测电路，60为短路检测电路，61为振荡器，62为计数器电路，63、65为逻辑电路，66为延迟电路，71-1～71-n为启动型双稳态触发器，80为保险丝，M11、M12、M20为MOS晶体管。

Claims (10)

1.一种保护电路，其特征在于，包含:
检测单元，根据与电池相连接的电源端子的电压，来检测所述电池的过充电或过放电;
控制单元，当由所述检测单元进行的对所述电池的过充电或过放电的检测持续了预定时间时，生成用于停止所述电池的充电或放电的控制信号;
电流变化单元，当由所述检测单元检测到所述电池的过充电或过放电时，在一定时间内使在所述电源端子上流动的电流变化。
2.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述电流变化单元使所述电源端子上流动的电流增加。
3.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，进一步包含连接于所述电源端子与所述电流变化单元之间的保险丝。
4.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述检测单元具有用于检测所述电池的过充电的过充电检测电路和用于检测所述电池的过放电的过放电检测电路。
5.根据权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所述控制单元根据所述控制信号而控制开关电路的打开和关闭状态，以停止所述电池的充电或放电。
6.一种电池包，包含电池和具有连接所述电池的电源端子的保护电路，所述保护电路包含:
检测单元，通过所述电源端子的电压检测所述电池的过充电或过放电;
控制单元，当由所述检测单元进行的对所述电池的过充电或过放电的检测持续了预定时间时，生成用于停止所述电池的充电或放电的控制信号;
电流变化单元，当由所述检测单元检测到所述电池的过充电或过放电时，在一定时间内使在所述电源端子上流动的电流变化。
7.根据权利要求6所述的电池包，其特征在于，进一步包含连接于所述电池与所述保护电路之间的开关电路，以根据所述控制信号而停止所述电池的充电或放电。
8.根据权利要求6所述的电池包，其特征在于，所述电流变化单元使所述电源端子上流动的电流增加。
9.根据权利要求6所述的电池包，其特征在于，所述保护电路进一步包含连接于所述电源端子与所述电流变化单元之间的保险丝。
10.根据权利要求6所述的电池包，其特征在于，所述检测单元具有用于检测所述电池的过充电的过充电检测电路和用于检测所述电池的过放电的过放电检测电路。
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