CN112398096B - 一种超低功耗的锂电池保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超低功耗的锂电池保护电路，包括电池、滤波电路、锂电池保护芯片和充电器或负载，其中：锂电池保护芯片包括方波产生电路、第一或门、基准电路、检测电路、驱动电路、开关管，其中：方波产生电路用于产生方波信号，控制基准电路和检测电路工作的时间；基准电路用于产生锂电池保护芯片内部不随电压变化的电压和电流；检测电路用于判断锂电池保护芯片的工作状态，所述工作状态包括正常状态、过充电压状态、过放电压状态、放电过流状态、充电过流状态；驱动电路用于根据锂电池保护芯片内部产生的开关信号控制开关管开启或关断。本发明在正常工作时，通过间隔开启至少部分电路来降低锂电池保护电路消耗的平均电流。

Description

一种超低功耗的锂电池保护电路

技术领域

本发明涉及锂电池保护技术领域，具体涉及一种超低功耗的锂电池保护电路。

背景技术

随着二十世纪电子技术的发展，锂电池随之进入了大规模的实用阶段，小型化的设备日益增多，要求锂电池的容量越来越小，特别是在TWS、智能手环手表等应用中，锂电池的容量可能只有几十mAH，甚至低至几个mAH。

现有技术中，锂电保护电路可以分成4个模块：基准电路、检测电路、驱动电路、开关管。其中驱动电路为逻辑控制电路，正常工作时不消耗电流；开关管为MOS管，稳定在开启或关断时都不消耗电流。因此消耗电流的模块则为基准电路和检测电路。在锂电池和锂电池保护芯片连接好后，锂电池保护芯片就一直在消耗锂电池的电流，由于锂电池的容量越来越小，则要求锂电池保护芯片的工作电流越来越小，否则容易导致锂电池的电压下降过快，导致电池的容量下降，影响客户的体验，严重时影响电池的使用性能和寿命。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种超低功耗的锂电池保护电路，在正常工作时，通过间隔开启电路的功能来降低锂电池保护消耗的电流。

本发明采用的技术方案是：

本申请提供了一种超低功耗的锂电池保护电路，包括电池、滤波电路、锂电池保护芯片和充电器或负载，其中：

所述锂电池保护芯片包括方波产生电路、第一或门、基准电路、检测电路、驱动电路和开关管，其中：

所述方波产生电路用于产生方波信号，控制基准电路或检测电路中至少一个模块的工作时间；

所述基准电路用于产生不随电压变化的电压或电流；

所述检测电路用于判断锂电池保护芯片的工作状态，所述工作状态包括正常状态、过充电压状态、过放电压状态、放电过流状态、充电过流状态及其他工作状态；

所述驱动电路用于根据锂电池保护芯片内部产生的开关信号控制开关管开启或关断；

所述开关管用于控制电池的充电或放电。

优先地，所述方波产生电路的输出端连接第一或门的第一输入端；

所述基准电路包括多个输出端，所述输出端包括VOC1端、VCHOC端、VOCV端、VODV端；

所述检测电路包括放电过流判断电路、充电过流判断电路、过放电压判断电路、过充电压判断电路、第一延时电路、第二延时电路、第三延时电路、第四延时电路、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第二非门、第三与非门、第四与门和PMOS管，其中：

所述PMOS管的源极连接VDD端，所述PMOS管的漏极连接第二电阻一端，所述PMOS管的栅极连接第二非门输出端，所述第二非门的输入端连接使能端后连接放电过流判断电路、充电过流判断电路、过放电压判断电路和过充电压判断电路；

所述第二电阻另一端连接第三电阻一端和过放电压判断电路的同相端，所述第三电阻另一端连接第四电阻的一端和过充电压判断电路的反相端，所述第四电阻另一端连接接地端；

所述放电过流判断电路的同相端连接基准电路的VOC1端，所述放电过流判断电路的反相端连接充电过流判断电路的同相端、充电器或负载的负极和开关管的第三端，所述充电过流判断电路的反相端连接基准电路的VCHOC端，所述过放电压判断电路的反相端连接基准电路的VODV端，所述过充电压判断电路的同相端连接基准电路的VOCV端，所述放电过流判断电路的输出端连接第四延时电路的输入端和第三与非门的第一输入端，所述充电过流判断电路的输出端连接第三延时电路的输入端和第三与非门的第二输入端，所述过放电压判断电路的输出端连接第二延时电路的输入端和第三与非门的第三输入端，所述过充电压判断电路的输出端连接第一延时电路的输入端和第三与非门的第四输入端；

所述第四延时电路的输出端、第三延时电路的输出端、第二延时电路的输出端和第一延时电路的输出端均连接第四与门的输入端；

所述第三与非门的输出端连接第一或门的第二输入端，所述第四与门的输出端连接驱动电路的输入端，所述驱动电路的输出端连接开关管的第一端，所述第一或门的输出端连接检测电路的使能端和基准电路的第一输入端，即基准电路和检测电路均受方波产生电路控制。

本发明还提出一种改进方案，所述检测电路的使能端与基准电路的第一输入端的连接断开，即只有检测电路受到方波产生电路控制。

优先地，所述放电过流判断电路、充电过流判断电路、过放电压判断电路和过充电压判断电路均采用比较器。

优先地，所述滤波电路包括第一电阻和第一电容，所述电池正极连接第一电阻一端和充电器或负载的正极，所述第一电阻另一端连接第一电容一端、VDD端和基准电路的第二输入端，所述第一电容另一端连接基准电路的第三输入端、检测电路的接地端和开关管的第二端。

优先地，所述方波产生电路包括第八触发器、第九触发器、第十触发器、第十一触发器、第十三与门、第十二与非门、第五非门、第六非门、第七非门、第二电容和第三电容，其中：

所述第八触发器的D端连接第八触发器的Q非端，所述第八触发器的时钟端连接第五非门的输入端和第七非门的输出端，所述第八触发器的Q端连接第九触发器的时钟端和第十三与门的第一输入端；所述第九触发器的D端连接第九触发器的Q非端，所述第九触发器的Q端连接第十触发器的时钟端和第十二与非门的第一输入端；所述第十触发器的D端连接第十触发器的Q非端，所述第十触发器的Q端连接第十一触发器的时钟端；所述第十一触发器的D端连接第十一触发器的Q非端，所述第十一触发器的Q端连接第十三与门的第二输入端和第十二与非门的第二输入端，所述第八触发器的重置端、第九触发器的重置端、第十触发器的重置端和第十一触发器的重置端连接后连接第十二与非门的输出端。

优先地，所述第五非门的输出端连接第六非门的输入端和第二电容一端，所述第六非门的输出端连接第七非门的输入端和第三电容一端，所述第二电容的另一端连接第三电容的另一端后接地。

优先地，所述第八触发器、第九触发器、第十触发器和第十一触发器均为高电平触发。

本发明的有益效果是：增设方波产生电路，利用方波电路产生一个方波信号，当方波信号为高时，控制基准电路和检测电路工作并消耗电流，当方波信号为低时，基准电路和检测电路不工作，不消耗电流，进而实现超低平均功耗的目的。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的锂电池保护电路的电路图；

图2是本发明的另一种锂电池保护电路的电路图；

图3是本发明的检测电路的电路图；

图4是本发明的方波产生电路的电路图。

图中标记为：1.电池，2.滤波电路，3.方波产生电路，4.基准电路，5.检测电路，51.放电过流判断电路，52.充电过流判断电路，53.过放电压判断电路，54.过充电压判断电路，55.第一延时电路，56.第二延时电路，57.第三延时电路，58.第四延时电路，6.驱动电路，7.开关管，8.充电器或负载，9.锂电池保护芯片。

具体实施方式

实施例一

如图1所示，本申请提供了一种超低功耗的锂电池保护电路，包括电池1、滤波电路2、锂电池保护芯片9和充电器或负载8，其中：

滤波电路2包括第一电阻R1和第一电容C1，电池1正极连接第一电阻R1一端和充电器或负载8的正极P+，第一电阻R1另一端连接第一电容C1一端、VDD端和基准电路4的第二输入端，第一电容C1另一端连接基准电路4的第三输入端、检测电路5的接地端和开关管7的第二端。

锂电池保护芯片9包括方波产生电路3、第一或门I1、基准电路4、检测电路5、驱动电路6和开关管7，其中：

方波产生电路3用于产生方波信号，控制基准电路4或检测电路5工作的时间，方波产生电路3的输出端连接第一或门I1的第一输入端。

基准电路4用于产生不随电压变化的电压和电流，基准电路4包括多个输出端，输出端包括VOC1端、VCHOC端、VOCV端、VODV端。

检测电路5用于判断锂电池保护芯片9的工作状态，工作状态包括正常状态、过充电压状态、过放电压状态、放电过流状态、充电过流状态及其他工作状态；检测电路5包括放电过流判断电路51、充电过流判断电路52、过放电压判断电路53、过充电压判断电路54、第一延时电路55、第二延时电路56、第三延时电路57、第四延时电路58、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第二非门I2、第三与非门I3、第四与门I4和PMOS管M1，放电过流判断电路51、充电过流判断电路52、过放电压判断电路53和过充电压判断电路54均采用比较器，其中：

PMOS管M1的源极连接VDD端，PMOS管M1的漏极连接第二电阻R2一端，PMOS管M1的栅极连接第二非门I2输出端，第二非门I2的输入端连接使能端EN后连接放电过流判断电路51、充电过流判断电路52、过放电压判断电路53和过充电压判断电路54。

第二电阻R2另一端连接第三电阻R3一端和过放电压判断电路53的同相端，第三电阻R3另一端连接第四电阻R4的一端和过充电压判断电路的反相端，第四电阻R4另一端连接接地端。

放电过流判断电路51的同相端连接基准电路4的VOC1端，放电过流判断电路51的反相端连接充电过流判断电路52的同相端、充电器或负载8的负极P-和开关管7的第三端，充电过流判断电路52的反相端连接基准电路4的VCHOC端，过放电压判断电路53的反相端连接基准电路4的VODV端，过充电压判断电路54的同相端连接基准电路4的VOCV端，放电过流判断电路51的输出端连接第四延时电路58的输入端和第三与非门I3的第一输入端，充电过流判断电路52的输出端连接第三延时电路57的输入端和第三与非门I3的第二输入端，过放电压判断电路53的输出端连接第二延时电路56的输入端和第三与非门I3的第三输入端，过充电压判断电路54的输出端连接第一延时电路55的输入端和第三与非门I3的第四输入端，第四延时电路58的输出端、第三延时电路57的输出端、第二延时电路56的输出端和第一延时电路55的输出端均连接第四与门I4的输入端。

第三与非门I3的输出端连接第一或门I1的第二输入端，第四与门I4的输出端连接驱动电路6的输入端，驱动电路6的输出端连接开关管7的第一端，第一或门I1的输出端连接检测电路5的使能端EN和基准电路4的第一输入端，即基准电路4和检测电路5均受方波产生电路3控制，驱动电路6用于根据锂电池保护芯片9内部产生的开关信号控制开关管7，开关管7用于控制电池1能否充电或放电。

如图1所示，本发明中实现低功耗的原理为：通过方波产生电路3控制基准电路4和检测电路5只工作部分时间来降低平均工作电流，例如：传统的锂电保护电路工作电流为1uA时，即基准电路4加检测电路5消耗的电流为1uA。本申请中，超低功耗的锂电池保护电路，若方波产生电路3的平均电流为0.1uA，产生一个10%时间为高电平、90%时间为低电平的方波，这样，基准电路4和检测电路5只有10%的时间消耗电流，剩下90%的时间不消耗电流，基准电路4和检测电路5消耗的平均电流为0.1uA。则总共消耗的电流为方波产生电路3产生的电流0.1uA加上基准电路4和检测电路5产生的电流0.1uA，总电流为0.2uA，远小于传统方案中的1uA。

如图1和图3所示，放电过流判断电路51、充电过流判断电路52、过放电压判断电路53、过充电压判断电路54处于正常状态时，同相端输入电压高于反相端输入电压时，输出均为高电平，在同相端输入电压低于反相端输入电压时，要经过延时电路的延时后才会输出低电平，其中，第四延时电路58延时一般设置为10ms，第三延时电路57延时一般设置为10ms，第二延时电路56延时一般设置40ms至100ms，第一延时电路55延时一般设置为1s，上述的持续时间可根据经验进行设置，方波产生电路3每1ms产生一个高脉冲给检测电路5工作，则检测电路5就能正常的判断，不影响芯片的工作性能。

如图4所示，方波产生电路3包括第八触发器I8、第九触发器I9、第十触发器I10、第十一触发器I11、第十三与门I13、第十二与非门I12、第五非门I5、第六非门I6、第七非门I7、第二电容C2和第三电容C3，第八触发器I8、第九触发器I9、第十触发器I10和第十一触发器I11均为高电平触发，其中：

第八触发器I8的D端连接第八触发器I8的Q非端，第八触发器I8的时钟端连接第五非门I5的输入端和第七非门I7的输出端，第八触发器I8的Q端连接第九触发器I9的时钟端和第十三与门I13的第一输入端；第九触发器I9的D端连接第九触发器I9的Q非端，第九触发器I9的Q端连接第十触发器I10的时钟端和第十二与非门I12的第一输入端；第十触发器I10的D端连接第十触发器I10的Q非端，第十触发器I10的Q端连接第十一触发器I11的时钟端；第十一触发器I11的D端连接第十一触发器I11的Q非端，第十一触发器I11的Q端连接第十三与门I13的第二输入端和第十二与非门I12的第二输入端，第八触发器I8的重置端Reset、第九触发器I9的重置端Reset、第十触发器I10的重置端Reset和第十一触发器I11的重置端Reset连接后连接第十二与非门I12的输出端，第五非门I5的输出端连接第六非门I6的输入端和第二电容C2一端，第六非门I6的输出端连接第七非门I7的输入端和第三电容C3一端，第二电容C2的另一端连接第三电容C3的另一端后接地。

如图4所示，初始上电时第五非门I5的输入端NET1为低电平，第五非门I5的输入端NET1经过第五非门I5后对第二电容C2充电，直至第五非门I5的输出端NET2为高电平，再通过第六非门I6对第三电容C3放电，直至第六非门I6的输出端NET3为低电平，经过第七非门I7后输出将第五非门I5的输入端NET1拉高，第五非门I5的输入端NET1拉高后又会将第五非门I5的输出端NET2拉低、第六非门I6的输出端NET3拉高、第五非门I5的输入端NET1拉低，因此循环震荡，产生一个时钟信号CLK，时钟信号的周期信号如下表所示，其中，第一个CLK至第十一个CLK为第八触发器I8、第九触发器I9、第十触发器I10、第十一触发器I11、VSQ端、重置端Reset的电平电压。

从上表可知，第十一个CLK的输出和第一个CLK的输出一样，即周期为10个CLK，VSQ端只在一个CLK时钟内输出高电平，其他时钟均输出低电平，因此，只有10%的时间输出为高电平。

实施例二

如图2所示，本实施例与实施例的区别之处在于：检测电路5的使能端EN与基准电路4的第一输入端的连接断开，即只有检测电路5受到方波产生电路3控制，本实施例中的锂电池保护芯片9的工作电流高于实施例一的工作电流，但低于传统的锂电保护电路工作电流。

本实施例一与实施例二为单节的负极锂电保护***，同时，本申请还适用于单节正极锂电保护***和多节锂电保护***。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种超低功耗的锂电池保护电路，其特征在于：包括电池、滤波电路、锂电池保护芯片和充电器或负载，其中：

所述锂电池保护芯片包括方波产生电路、第一或门、基准电路、检测电路、驱动电路和开关管，其中：

所述方波产生电路用于产生方波信号，控制基准电路或检测电路中至少一个模块的工作时间；

所述基准电路用于产生不随电压变化的电压或电流；

所述检测电路用于判断锂电池保护芯片的工作状态，所述工作状态包括正常状态、过充电压状态、过放电压状态、放电过流状态、充电过流状态；

所述驱动电路用于根据锂电池保护芯片内部产生的开关信号控制开关管开启或关断；

所述开关管用于控制电池的充电或放电；

所述方波产生电路的输出端连接第一或门的第一输入端；

所述基准电路包括多个输出端，所述输出端包括VOC1端、VCHOC端、VOCV端、VODV端；

所述检测电路包括放电过流判断电路、充电过流判断电路、过放电压判断电路、过充电压判断电路、第一延时电路、第二延时电路、第三延时电路、第四延时电路、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第二非门、第三与非门、第四与门和PMOS管，其中：

所述PMOS管的源极连接VDD端，所述PMOS管的漏极连接第二电阻一端，所述PMOS管的栅极连接第二非门输出端，所述第二非门的输入端连接使能端后连接放电过流判断电路、充电过流判断电路、过放电压判断电路和过充电压判断电路；

所述第二电阻另一端连接第三电阻一端和过放电压判断电路的同相端，所述第三电阻另一端连接第四电阻的一端和过充电压判断电路的反相端，所述第四电阻另一端连接接地端；

所述放电过流判断电路的同相端连接基准电路的VOC1端，所述放电过流判断电路的反相端连接充电过流判断电路的同相端、充电器或负载的负极和开关管的第三端，所述充电过流判断电路的反相端连接基准电路的VCHOC端，所述过放电压判断电路的反相端连接基准电路的VODV端，所述过充电压判断电路的同相端连接基准电路的VOCV端，所述放电过流判断电路的输出端连接第四延时电路的输入端和第三与非门的第一输入端，所述充电过流判断电路的输出端连接第三延时电路的输入端和第三与非门的第二输入端，所述过放电压判断电路的输出端连接第二延时电路的输入端和第三与非门的第三输入端，所述过充电压判断电路的输出端连接第一延时电路的输入端和第三与非门的第四输入端；

所述第四延时电路的输出端、第三延时电路的输出端、第二延时电路的输出端和第一延时电路的输出端均连接第四与门的输入端；

所述第三与非门的输出端连接第一或门的第二输入端，所述第四与门的输出端连接驱动电路的输入端，所述驱动电路的输出端连接开关管的第一端，所述第一或门的输出端连接检测电路的使能端和基准电路的第一输入端，即基准电路和检测电路均受方波产生电路控制；

所述方波产生电路包括第八触发器、第九触发器、第十触发器、第十一触发器、第十三与门、第十二与非门、第五非门、第六非门、第七非门、第二电容和第三电容，其中：

所述第八触发器的D端连接第八触发器的Q非端，所述第八触发器的时钟端连接第五非门的输入端和第七非门的输出端，所述第八触发器的Q端连接第九触发器的时钟端和第十三与门的第一输入端；所述第九触发器的D端连接第九触发器的Q非端，所述第九触发器的Q端连接第十触发器的时钟端和第十二与非门的第一输入端；所述第十触发器的D端连接第十触发器的Q非端，所述第十触发器的Q端连接第十一触发器的时钟端；所述第十一触发器的D端连接第十一触发器的Q非端，所述第十一触发器的Q端连接第十三与门的第二输入端和第十二与非门的第二输入端，所述第八触发器的重置端、第九触发器的重置端、第十触发器的重置端和第十一触发器的重置端连接后连接第十二与非门的输出端。

2.根据权利要求1所述的超低功耗的锂电池保护电路，其特征在于：所述检测电路的使能端与基准电路的第一输入端的连接断开，即只有检测电路受到方波产生电路控制。

3.根据权利要求1所述的超低功耗的锂电池保护电路，其特征在于：所述放电过流判断电路、充电过流判断电路、过放电压判断电路和过充电压判断电路均采用比较器。

4.根据权利要求1所述的超低功耗的锂电池保护电路，其特征在于：所述滤波电路包括第一电阻和第一电容，所述电池正极连接第一电阻一端和充电器或负载的正极，所述第一电阻另一端连接第一电容一端、VDD端和基准电路的第二输入端，所述第一电容另一端连接基准电路的第三输入端、检测电路的接地端和开关管的第二端。

5.根据权利要求1所述的超低功耗的锂电池保护电路，其特征在于：所述第五非门的输出端连接第六非门的输入端和第二电容一端，所述第六非门的输出端连接第七非门的输入端和第三电容一端，所述第二电容的另一端连接第三电容的另一端后接地。

6.根据权利要求1所述的超低功耗的锂电池保护电路，其特征在于：所述第八触发器、第九触发器、第十触发器和第十一触发器均为高电平触发。

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