CN107134822B

CN107134822B - 一种电池充电过流保护电路

Info

Publication number: CN107134822B
Application number: CN201710277207.7A
Authority: CN
Inventors: 李育超
Original assignee: Fujian Fuxin Electronic Technology Co ltd
Current assignee: Fujian Fuxin Electronic Technology Co ltd
Priority date: 2017-04-25
Filing date: 2017-04-25
Publication date: 2023-05-16
Anticipated expiration: 2037-04-25
Also published as: CN107134822A

Abstract

一种电池充电过流保护电路，包括P型场效应管PM1、PM4、PM5；N型场效应管NM3、NM4、NM5；所述PM1的源极接VDD、栅极与bias连接，漏极与NM5的栅极连接；所述PM1的漏极还与PM4的源极连接，所述PM4的栅极与CS连接、漏极接地；所述NM5的漏极与VDD连接、源极与NM3的漏极连接；所述NM3的栅极与NM4的栅极连接、源极接地；所述bias还与PM5的栅极连接、源极与VDD连接、漏极与NM4的漏极连接，PM5的漏极还与NM4的栅极连接；所述NM4的源极接地；达到优化电池充电过流保护的效果。

Description

一种电池充电过流保护电路

技术领域

本发明涉及电池充电技术领域，尤其涉及一种电池充电过流保护的电路设计。

背景技术

随着锂电池的广泛应用以及对锂电池充电速度的提升，与锂电池包配套的锂电池保护IC的功能和性能要求也在同步发展。其中锂电池充电过流保护功能已经成为较高端锂电池保护IC不可或缺的一项功能。

现在使用的一些电路具有如下几个明显缺点：对工艺的要求比较高，不适合大批量生产，可能由于失配导致检测失灵，以及检测阈值电压工艺偏差很大，检测精度差，也不能满足不同充电过流阈值规格系列化等。

发明内容

为此，需要提供一种新的电池充电电路，达到优化电池充电过流保护的效果。

为实现上述目的，发明人提供了一种电池充电过流保护电路，包括P型场效应管PM1、PM4、PM5；N型场效应管NM3、NM4、NM5；

所述PM1的源极接VDD、栅极与bias连接，漏极与NM5的栅极连接；所述PM1的漏极还与PM4的源极连接，所述PM4的栅极与CS连接、漏极接地；所述NM5的漏极与VDD连接、源极与NM3的漏极连接；所述NM3的栅极与NM4的栅极连接、源极接地；所述bias还与PM5的栅极连接、源极与VDD连接、漏极与NM4的漏极连接，PM5的漏极还与NM4的栅极连接；所述NM4的源极接地；

所述VDD还与电流源的一端，所述电流源的另一端与比较器vn极连接；所述电流源的另一端还与参考电压修调电路的一端连接，所述参考电压修调电路的另一端接地；

所述NM5的源极还与比较器的vp极连接。

其中VDD是电源电压，可以是芯片电路上的外接电压，bias是偏置电压。

区别于现有技术，上述技术方案具有如下优点：(1)本发明所述的充电过流保护检测实现电路与现有实现电路相比，本发明对所选工艺的器件间匹配要求不高；

(2)本发明所述的充电过流保护检测实现电路与现有实现电路相比，所用比较器的共模输入电压>0V，常规比较器即可实现高匹配和高增益，从而提高充电过流保护阈值点的检测精度；

(3)本发明所述的充电过流保护检测实现电路与现有实现电路相比，灵活性更高，可以通过修调就可以得到不同的充电过流保护点，适用性更广；

(4)本发明所述的充电过流保护检测实现电路与现有实现电路相比，精度更高，各个芯片之间过流保护点差异更小，批量一致性好；

(5)本发明所述的充电过流保护检测实现电路与现有实现电路相比，本发明对工艺要求不高，电路的适用范围更广。

附图说明

图1为本发明具体实施方式所述的锂电池包中锂电池保护IC内部及IC***应用电路示意图；

图2为本发明具体实施方式所述的第一类实现充电过流保护检测的电路示意图；

图3为本发明具体实施方式所述的第二类实现充电过流保护检测的电路示意图；

图4为本发明具体实施方式所述的充电过流检测电路。

具体实施方式

为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。

请参阅图1，为本发明随着锂电池的广泛应用以及对锂电池充电速度的提升，与锂电池包配套的锂电池保护IC的功能和性能要求也在同步发展。其中锂电池充电过流保护功能已经成为较高端锂电池保护IC不可或缺的一项功能。如图1为高端锂电池保护IC内部及***应用的一种示意框图：

图1中，B+为电池包正极，充电时通常与外部充电器正极输出端相连；B-为电池包负极，充电时通常与外部充电器负极相连。正常充电过程中B-电压为负值，一般在-0.05V～-0.3V之间，通过电阻R2将B-电压传到保护IC的CS输入脚，且电压不变，即正常充电过程中CS输入脚电压也是在-0.05V～-0.3V之间。然后CS电压传输到IC内部充电过流检测模块VD4，当CS的负电压低于VD4设定的阈值电压，且维持超过一定延迟时间后会将芯片输出脚COUT置为低电平，停止***充电功能，即发生充电过流保护。

在高端锂电池保护IC内部如何实现稳定可靠的充电过流保护功能已成为当前设计的关键之一。具体来讲，充电过流保护是指锂电池包在连接充电器充电过程中，由于一些异常原因，导致充电电流过大，当充电电流大于某个设定值后，***切断充电回路停止充电的功能。因为充电回路中的电流很难检测到，所以普遍的做法都是通过检测CS端的电压来判断是否发生充电过流。在充电过程中，CS端的电压为负值，充电电流越大，CS端电压负的越多，故充电过流保护功能可以这样设置：当***检测到CS的电压低于某个阈值(电压值为负)后，***判断为发生充电过流，触发充电过流保护动作，切断充电回路。

而要实现上述VD4模块的充电过流检测功能，理论上我们就需要一个负电压比较器和一个负参考电压产生电路，而一种简单、经济、可行的负参考电压的电路又不是很容易实现。现有技术基本都回避了直接设计出负电压产生电路，采用其他可行的方法来实现充电过流检测功能。

现有技术有如下两种实现方法：1、利用双差分对比较器来实现负电压的比较。2、利用过零比较器来实现负电压的比较。

如上所述传统的第一类实现充电过流保护示意图如图2所示；

图2中电路是在普通差分对电路上又增加了一差分对，差分对中四输入端口中两输入端(M0和M3)接零电位，另两个输入端中信号中M1接正的参考电压(VCIP)，M2接CS端，信号OUT为输出信号。

工作原理如下：因为器件PM0、PM1、PM2的宽长比相同，构成电流镜排布，因而流过它们三者的电流相同，即：I0＝I1＝I2＝2I，针对差分对管M0和M1而言，因为M0的栅极为0电位，M1的栅极电位为正电位，而它们的源极电位相同，得到器件M0流过的电流大于器件M1流过的电流，即：I0＝Im0+Im1，Im0＝I+δI，Im1＝I-δI，Im0>Im1；针对差分对管M2和M3而言，因为M3的栅极电位为0电位，M2的栅极电位正常情况下为负电位，而它们的源极电位相同，得到器件M2流过的电流大于器件M3流过的电流，即：I1＝Im2+Im3，Im2＝I+δI1，Im3＝I-δI1，Im2>Im3。

这样，流过器件NM0的电流为：Inm0＝Im0+Im3＝I+δI+I-δI1＝2I+(δI-δI1)，流过器件NM1的电流为：Inm1＝Im1+Im2＝I-δI+I+δI1＝2I+(δI1-δI)，由上面两个公式可知，当δI＝δI1，

流过器件NM0的电流Im0和流过器件NM1的电流Im1相等，而要使得δI＝δI1成立，需要器件M2的栅极电位CS＝-VCIP，此时比较器处于平衡态，当CS的电位大于-VCIP时，器件NM1将进入线性区，输出信号OUT输出高电平；当CS的电位小于-VCIP时，器件M1将进入线性区，输出信号OUT输出低电平。这样就实现翻转点为-VCIP的比较器功能了，可以通过改变VCIP的值来得到所需的充电过流保护值。这个电路巧妙的利用了一个双差分对，并让其中两输入端接地、一个输入端接正参考电压这么一个结构实现了负电压比较，避免了使用负参考电压产生电路。

第二类实现充电过流保护检测示意图如图3所示：在图3所示的正常充电过程中，CS端电压是一个比较小的负值，一般在-0.05V～-0.30V。CS端的电压与充电电流的关系是：充电电流越大，CS电压负的越多。当CS端的电压会低于某个负电压值，***判断为发生充电过流状态。为此设计了一个过零比较器，通过在其输入端引入升压电路来实现。图中器件P1和器件N1的栅极均接地，在正常情况下(未发生充电过流时)，CS电压是一个较小的负值，N1的栅源电压小于它的阈值电压，N1处于截止状态，而P1始终处于导通状态，这样比较器的N端就会被拉至电源电压，比较器输出低电平，当发生充电过流时，CS电压变得更负，N1导通，设计了N1的驱动能力要远强于P1的驱动能力，故N1导通后处于线性区，N端电位被拉到低于零电位，比较器发生翻转，输出高电平。触发充电过流保护动作。

先看第一类实现充电过流保护检测电路的缺点。仔细分析后，这个电路具有如下几个明显缺点的：对工艺的要求比较高，不适合大批量生产，可能由于失配导致检测失灵等。关于这些缺点具体分析如下：在前面的分析过程中，我们假设了I0＝I1＝2I，即默认为PM0和PM1完全匹配，但在实际中不可能做到这点，电流镜间的匹配满足如下条件：

在锂电池保护IC中，电流Id为nA级，这样MOS管过驱动电压Vgs-Vth值很小，一般在100mV以下；而PM0和PM1的阈值电压Vth失配满足下面条件：

σVth＝0.1*tox/sqr(W*L) (2)

得到器件的阈值电压失配同样为mv级，这样就导致电流镜PM0和PM1之间匹配不是很理想，直观上来看就是电流I0和I1不相等，并且会相差很大，而电流I0和I1相差很大的情况下，比较器可能会不能正常工作。

为了更好说明电流镜PM0和PM1的失配(mismatch)程度及如何导致比较器不能正常工作的，这里带入具体的数据进行计算分析，查阅工艺资料得到：tox＝200A，PM0和PM1的宽长比设定为W/L＝3um/12um，电流镜电流Id＝52nA，将上面具体数据带入公式(2)中得到：

σVth＝0.1*tox/sqr(W*L)＝0.1*200A/sqr(3um*12um)＝3.34mV (3)

δVth服从高斯分布，意味着有0.5％的晶体管的Vth偏移平均值3个δ以上。当Vth偏移3δVth时，由公式(1)得到电流镜间的电流失配电流为：

由上面的公式可知，即使在电流镜尺寸完全匹配的情况下，由于器件间的阈值电压(Vth)的失配(mismatch)，大约有0.5％的电流镜的电流失配(mismatch)达到40％，在失配(mismatch)如此严重的情况下，负电压比较器可能处于不能正常工作状态，***的充电过流保护功能就会失效，下面详细分析了***在电流镜的电流失配(mismatch)达到40％的情况可能会导致不能正常工作的原因。

由前面的数据可知电流镜PM0的电流为I0＝52nA，由于PM1和PM0存在40％的mismatch，

得到电流镜PM1的电流为I1＝I0*(1-40％)＝52nA*60％＝31.2nA，如之前分析，器件M0和器件M1的电流分别为：Im0＝I+δI，Im1＝I-δI，它们流过的电流相差2δI，当它们差值电流2δI>31.2nA时，即使B部分中器件PM1的电流全部流过M2所在的支路，即Im2＝I1，器件NM1仍会处于线性区，这样输出信号OUT会一直维持在高电平。即无论M2的栅极电位有多低，输出信号OUT都不能翻转为低电平。这样比较器就不能判断***是否发生了充电过流，进而不能进行有效的保护。以上情况还仅仅只考虑阈值电压失配(mismatch)带来的电流镜间电流的失配，并没有将器件间尺寸的失配也考虑进去。故使用这种电路结构来实现充电过流保护功能，在芯片批量化生产后，带来的问题就是会有部分芯片充电过流保护功能失效，产品良率会大打折扣，不具备经济性。

因为具有这个缺点，所以这种结构的电路在商用化产品中并不具备稳定和安全，可行性不高。

再看第二类实现充电过流保护检测电路的缺点。第二类电路具有结构简单的特点，很容易的实现了充电过保护功能，但也存在一些缺点和局限性:检测阈值电压工艺偏差很大，检测精度差，也不能满足不同充电过流阈值规格系列化等。至于原因，首先它是利用nmos器件的阈值电压作为参考电压来进行判断的，而器件的阈值电压vth和工艺导致的偏差有关，这样带来的结果就是各个芯片之间的充电过流保护点会存在差异，精度很难得到保证。其次，器件的阈值是固定的，很难去通过一个简单的修调电路来修调得到一系列不同的充电过流保护点，以满足不同的规格实际需要，由于存在以上两个方面的不足，使得这种电路结构的适用性有很大局限，在批量商业化生产中也不能被采用。

从以上两种现有的充电过流检测实现方式来看，技术仍不完善，具有明显缺点，1、对器件匹配设计的要求高。2、所需比较器工作时的共模输入电压在0V左右，简单电路能得到高增益。3、充电过流阈值检测精度很难保证。4、不能通过简单的修调来得到不同规格的充电过流保护点。

本发明的目的在于提出一种新型充电过流保护检测实现方式，相对于现有技术有如下优点：

A、对器件间的匹配设计要求没有那么苛刻，可以有效提高芯片量产后的产品良率；B、比较器工作时的共模输入电压>0V，很容易实现高增益比较器；C、对工艺的要求不高，电路的通用性更好，采用普通工艺制程即可实现。D、通过修调电路很容易得到不同规格的充电过流保护点。E、能够满足高精度的需要。

在图4所示的实施例中，本发明提出了一种电池充电过流保护电路，包括P型场效应管PM1、PM4、PM5；N型场效应管NM3、NM4、NM5；

所述NM5的源极还与比较器的vp极连接。

已经知道，在充电过程中，CS端的电压为负值，检测是否发生充电过流保护，就是检测CS电压是否低于某个负值电压，如果直接使用一个普通的比较器来实现，那么***就需要一个可以通过修调获得不同数值负电压的电路，这样比较器一端接入所需要的负电压，另一端接入CS端，可以实现充电过流检测和保护功能，这个功能实现的关键在于产生一系列所需要的负压模块，目前来看，很难找到一种简单、有效、经济的方法，用来产生所需要的负值电压。为此本发明提出了一种简单、有效、经济的电路结构来实现负电压检测，从而有效的实现充电过流检测和保护。具体实现原理如下：比较器的负输入端连接一个固定的正电压(可以通过trim得到不同的电压值)，正输入端通过电平移位电路(level_shift)后与CS端相连，这样就可以将CS端采样到的电压进行了一个电位的提升后，得到一个正电压值，再利用得到的正电压值与比较器负端电位相比较，这样就避免了直接用负压进行比较，比较器正输入端电位为：

vp＝Vcs+Vsg4-Vgs5＝Vcs+(Vsg4-Vgs5) (5)

其中vp为差分对正输入端电压；Vcs即为CS端的电压值，为负值；Vsg4为器件PM4的源栅电压值；Vgs5为nmos器件的栅源电压值；Vsg4和Vgs5的大小与各自的宽长比和流过的电流有关。在实际电路中，可以根据需要来设定Vsg4和Vgs5的具体大小，继而得到合适的Vsg4-Vgs5差值，将CS端的负电平移位到一个恰当的正电压值，这样就可以避免直接进行负电压比较。

I₅＝(1/2)*μ_nC_ox(W/L)(V_gs5-V_thn)² (6)

得到

I₄＝(1/2)*μ_pC_ox(W/L)(|V_gs4|-|V_thp|)² (8)

得到

将Vsg4和Vgs5分别带入公式(5)得到：

进一步整理得到：

由上面公式可以看到Vcs经过电平移位后的电压vp与Vthp-Vthn差值有关，而Vthp-Vthn这两个值是与工艺相关的，在不同的工艺corner下，Vthp和Vthn的值也是不一样的，就是说电平移位后得到的电压值vp与工艺有关，对于某个规格的芯片的来说充电过流保护点是一致的，即对应的Vcs值是一致的，这样同一规格的芯片对应的vp值是不一致的，然而这个问题可以在测试的时候通过修调电路来解决。修调电路也是独创设计，用于调整上述工艺导致的误差区别，通过修调得到不同的vn值来消除工艺corner产生偏差，获得一致的充电过流保护点。在一些简化的实施例中，修调电路可以直接使用等效的可调电阻进行替代，能够起到降低成本的技术效果。

另外，电路设计上设置vp和vn节点的电压>0V，比较器工作时的共模输入电压为正。这样采用较常规的比较器电路，比较器内部及工艺匹配无需特殊处理，就可以得到较高的电压增益，从而提高了充电过流检测阈值电压的精度。

综上所述，这个电路更具适用性，对工艺要求和比较器设计要求都不高，而且通过简单修调电路可以保证精度。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。

本领域内的技术人员应明白，上述各实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。这些实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。上述各实施例涉及的方法中的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于计算机设备可读取的存储介质中，用于执行上述各实施例方法所述的全部或部分步骤。所述计算机设备，包括但不限于：个人计算机、服务器、通用计算机、专用计算机、网络设备、嵌入式设备、可编程设备、智能移动终端、智能家居设备、穿戴式智能设备、车载智能设备等；所述的存储介质，包括但不限于：RAM、ROM、磁碟、磁带、光盘、闪存、U盘、移动硬盘、存储卡、记忆棒、网络服务器存储、网络云存储等。

上述各实施例是参照根据实施例所述的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到计算机设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机设备以特定方式工作的计算机设备可读存储器中，使得存储在该计算机设备可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机设备上，使得在计算机设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims

1.一种电池充电过流保护电路，其特征在于，包括P型场效应管PM1、PM4、PM5；N型场效应管NM3、NM4、NM5；

所述PM1的源极接VDD、栅极与bias连接，漏极与NM5的栅极连接；所述PM1的漏极还与PM4的源极连接，所述PM4的栅极与CS连接、漏极接地；所述NM5的漏极与VDD连接、源极与NM3的漏极连接；所述NM3的栅极与NM4的栅极连接、源极接地；所述bias还与PM5的栅极连接、PM5的源极与VDD连接、漏极与NM4的漏极连接，PM5的漏极还与NM4的栅极连接；所述NM4的源极接地；其中，VDD是电源电压、bias是偏置电压；

所述VDD还与电流源的一端连接，所述电流源的另一端与比较器vn极连接；所述电流源的另一端还与参考电压修调电路的一端连接，所述参考电压修调电路的另一端接地；

所述NM5的源极还与比较器的vp极连接。