CN1153325C

CN1153325C - 充电及放电控制电路

Info

Publication number: CN1153325C
Application number: CNB981070566A
Authority: CN
Inventors: ��Ʒ¡֮; 高品隆之; ��һ; 吉田信一; ־; 向中野浩志
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1997-02-04
Filing date: 1998-02-03
Publication date: 2004-06-09
Anticipated expiration: 2018-02-03
Also published as: JPH10225007A; US5959436A; CN1201287A; TW423194B; JP3157121B2; HK1017511A1

Abstract

充放电控制电路包括：充放电控制电路102，监控二次电池101的电压，以便输出控制二次电池充放电的信号；开关电路103，接收充放电控制电路的输出信号，以便在过充电状态或过放电状态下分别停止充电或放电；及低压检测电路107，接收充放电控制电路的输出信号，检测至少一个二次电池的电压，当该电压小于过放电状态下的电压及为预定电压时，使充电停止，并控制开关电路103，因此停止对二次电池的充电。

Description

充电及放电控制电路

技术领域

本发明涉及控制二次电池充电及放电的充电及放电控制电路，及使用它的可充电电源装置。

背景技术

一种可充电的电源装置在现有技术中已经公开，如图2的电路框图所示。这种如图2的结构例如描述在定期出版文献NO.H4-74530，“一种可充电的电源装置”中。一个二次电池201通过开关电路203与外部端子205或204相连接。此外，一个充放电控制电路202与二次电池201相并联。该充放电控制电路202具有检测二次电池201的功能。由该充放电路控制电路202产生一个信号，以使得在二次电池201的电压有任何过充电状态(电池电压高于一预定电压)和过放电状态(电池电压低于一预定电压)时使开关电路203关断。当外部端子204达到一定电压时停止放电，就可能限制流过开关电路203的电流。这意味着当流过过电流时使放电停止(过电流控制)。以下称该状态为过电流保护状态。

标号210表示二次电池210的正极及标号211表示二次电池201的负极。

标号206及207分别表示信号线。标号208表示充电器及标号209表示负载。

作为包括二次电池的现有技术的充放电电源装置的另一例子，已公知如在图3电路框图中所示的电源装置。在该电路中，开关电路303与二次电池301的负极311相串联。

但是，如上构成的充放电控制电路处于这样的状态，即电池电压小于MOS晶体管的阀值电压，并当充电器被连接时产生以下的故障。

标号310表示二次电池301的正极。

标号302表示充放电控制电路。

标号304和305分别表示外部端子。

标号306及307分别表示信号线。

标号309表示负载。

通常使用两个FETs(场效应晶体管)作为开关电路。作为使用开关电路的另一例子，已知以电路框表示的电源装置。在图4的例中，开关电路403包括两个FETs。

该开关电路的操作是使得在过放电状态时关断FET412及在过充电状态时关断FET413。因为开关电路的控制信号线被分成两路，即407A及407B。即使在过电流状态时，该电路的操作是使FET412关断。

在这种电路中，当充电器在电池电压的过放电状态时被接入时，充电电流流经FET412的寄生二极管，以便对二次电池401充电，因为这时FET412关断及FET413导通。这是在常规电池状态下的普通电路操作。但是，即使电池电压小于MOS晶体管的阀值电压时，该电路的操作是使充电电流流过并使电池充电，而不管电池有故障。对故障电池充电具有损坏电池的可能性。

标号404表示二次电池401的正极，及标号411表示二次电池401的负极。

标号404及405分别表示外部端子。

标号406表示信号线，及标号409表示负载。

发明内容

为了解决现有的上述问题，本发明的目的是提供高可靠性及安全的充放电控制电路，当电池电压小于MOS晶体管阀值电压及充电器接入时，不允许充电电流流过电池进行充电。

根据本发明的一个方面，一种可充电电源装置，包括：

用于监控至少一个二次电池电压、并输出用于控制该至少一个二次电池充放电的信号的充放电控制电路；

一个开关电路，用于接收充放电控制电路的输出信号，在该至少一个二次电池处于过充电状态和过放电状态其中之一时，防止对该至少一个二次电池进行充电或放电；以及

一个低压检测电路，用于接收充放电控制电路的输出信号，检测至少一个二次电池的电压是否低于要防止二次电池充电的预定值，该预定值是低于与过充电状态相关的电压，而低压检测电路还用于控制开关电路，以防止对二次电池的充电。

为了解决上述问题，本发明的充放电控制电路具有关断开关电路的电路结构，用以当二次电池的电压小于MOS晶体管的阈值电压且连接充电器时，不让电流流入。该电路结构不会对有故障的电池充电并保护电池免于破坏。

如上所述地构成的充放电电路，因为当电池电压小于MOS晶体管的阈值电压及充电器接入时该电路切断了充电电流，由此不能对二次电池充电，这使整个装置的可靠性增高并改善了保护二次电池免于被破坏的安全性。

附图说明

图1是本发明的可充电电源装置的电路框图。

图2是现有的可充电电源装置的电路框图。

图3是表示现有可充电电源装置的另一例的电路框图。

图4是表示现有可充电电源装置的另一例的电路框图。

图5是本发明的可充电电源装置的一部分的电路图。

图6是表示本发明的可充电电源装置另一部分的电路图。

图7是本发明的可充电电源装置另一例的电路图。

图8是本发明另一可充电电源装置的一部分的电路图。

图9是表示本发明的可充电电源装置一部分的另一例的电路图。

图10是表示本发明的可充电电源装置一部分的又一例的电路图。

图11是表示本发明的可充电电源装置一部分的另一例的电路图。

具体实施方式

参照图1来描述本发明的一个实施例。

图1是本发明的充放电控制电路的电路框图。

二次电池101通过开关电路103连接到外部端子104及105上。开关电路103包括两个N沟道FETs。二次电池101的电压通过充放电控制电路102及低压检测电路107来监控。充放电控制电路102用信号线114A与FET110相连接，控制FET110的开/关，并通过低压检测电路107用信号线114B与FET111相连接，及控制FET111的开/关。低压检测电路107在外部端子104和105之间通过过电流检测端子113与充电器并联连接，以便用电源的电压操作。

用于对二次电池101充电的充电器108或由二次电池101驱动的装置连接在外部端子104和105之间。FET110和FET111与外部端子105或104串联连接。在该实施例中，FET110及FET111串联到外部端子105。

首先，将参照图1来描述低压检测电路107的结构。

来自充放电控制电路102的信号被输入到电平移动电路501。电平移动电路501的输出被输入到波形整形反相器502。反相器502的输出连接到P沟道MOS晶体管503的栅极及N沟道晶体管505的栅极。P沟道MOS晶体管503的源极连接到外部端子104，它的漏极连接到MOS晶体管504的源极。P沟道MOS晶体管504的源极连接到P沟道晶体管503的漏极，它的栅极连接到二次电池101的负端，及它的漏极连接到N沟道MOS晶体管505的漏极及下偏元件506的一端。此外，P沟道MOS晶体管504的漏极从过电压信号输出端112B通过信号线114B连接到FET111的栅极。N沟道MOS晶体管505的源极通过过电源检测端113用信号线106连接到外部端子105，它的栅极连接到波形整形反相器502的输出端，及它的漏极连接到P沟道MOS晶体管504的漏极及下偏元件506的一端。此外，N沟道MOS晶体管505的漏极从过充电信号输出端112B通过信号线114B连接到开关电路103中的FET111栅极。包括在低压检测电路107中的每个元件，即电平移动电路501、波形整形反向器502、P沟道MOS晶体管503及504、N沟道MOS晶体管505及下偏元件506的电源从外部端子104和105提供。

接着，参照图1来描述低压检测电路107的操作。当输入信号即充放电控制电路102的输入出为高电平时，电平移动电路501将一高电平电压(以下称“H”)输出到外部端子104，而当充放电电路102的输出信号为低电平时输出一低电平电压(以下称“L”)给外部端子105。电平移动电路501的输出被波形整形反相器502整形成更加矩形的波形，并当电平移动电路501的输出为“H”时，波形整形反相器502输入“L”；而当电平移动电路501的输出为“L”时，波形整形反相器502输出“H”。P沟道晶体管504检测二次电池101的电压，当二次电池101的电压高于P沟道MOS晶体管504的阀值电压时该晶体管导通，而当二次电池101的电压低于P沟道MOS晶体管504的阀值电压时，该晶体管关断。如果波形整形反相器502的输出为“L”，则由于在P沟道MOS晶体管504为导通时，P沟道MOS晶体管503为导通及N沟道MOS晶体管505为关断，在输出端112B上包括P沟道MOS晶体管503及504和N沟道MOS晶体管505的最后输出级输出“H”。如果波形整形反相器502的输出为“H”，则由于P沟道MOS晶体管503关断及N沟道MOS晶体管505导通，在输出端子112B上该最后输出级输出“L”。这意味着，如果二次电池101的电压高于P沟道MOS晶体管504的阀值电压时，将根据充放电控制电路的输出信号使输出端112B的电压转换为“H”或“L”。

另一方面，在P沟道MOS晶体管504关断的情况下，如果波形整形反相器502的输出为“H”，则因为N沟道晶体管505导通及P沟道MOS晶体管503关断，在输出端112B上最后输出级输出“L”。如果波形整形反相器502的输出为“L”，虽然N沟道MOS晶体管505关断及P沟道MOS晶体管503导通，但因为P沟道MOS晶体管504保持关断并与下偏元件506相连接，在输出端112B上最后输出级输出“L”。因此，在二次电池101的电压低于P沟道MOS晶体管504的阀值电压时，最后输出级将与充放电控制电路102的输出电平无关地被迫输出“L”。

接着，将描述整个电路的操作。

P沟道MOS晶体管504的阀值电压被设在低于过放电电压的电压及二次电池101不再被充电的上限电压上。充放电控制电路102监测二次电池101的电压，当二次电池101的电压为过充电状态时输出高电平信号，使FET110导通，并将低电平信号输出给低压检测电路107。当二次电池101处于过充电状态时，当然该电池的电压高于P沟道MOS晶体504的阀值电压。因此P沟道晶体管504导通，及低压检测电路将“L”作为来自充放电控制电路102的过充电信号输出到开关电路103中的FET111。由于FET111的栅极和源极之间的电压变为OV，该FET111关断。因此，来自充电器108的充电电流被切断，由此使二次电池101的充电停止。

在二次电池101的电压为过放电状态时，充放电控制电路102输出低电平给输出端112A，由此使FET110关断，并输出高电平给低压检测电路107。P沟道晶体管504保持导通，因为正是在过放电状态下二次电池101的电压高于P沟道晶体管504的阀值电压。因而，低压检测电路107根据充放电控制电路102的信号输出“H”给输出端112B，并使FET111导通。由于该操作，对负载109的放电电流停止及二次电池101的放电也停止。在此状态下，用充电器108来代替负载109，FET111保持导通，FET110的寄生二极管在正向上导通，从充电器108到二次电池101的充电电源通路被接通，并开始充电。这意味着，上述保护电路的操作被保证。当过放电状态中二次电池101的电压由于自放电等原因小于P沟道MOS晶体管的阀值电压时，充放电控制电路102输出过放电信号，即将低电平给输出端112A，及高电平给低压检测电路107。但是，在开关电路103中的FET111的栅极和源极之间的电压变为OV及FET111变为关断，这是因为低压检测电路107与充放电控制电路102的输出无关地将“L”输出给输出端112B。虽然FET110的寄生二极管保护正向导通，如果充电器108在此状态下连接到外部端子104及105，对二次电池101的充电电流被切断，并因为FET111关断及其寄生二极管保持反向，故该二次电池不被充电。

因此，当二次电池101的电压小于过放电电压及小于P沟道MOS晶体管的阀值电压的异常状态时能够停止充电。

虽然以上的操作是参照图1的低压检测电路107描述的，但图5取自于图1中的低压检测电路107，而图6的低压检测电路其操作相似。

在图5及6中，标号507表示输入端及标号510表示输出端。

标号508表示正电源端及标号509表示负电源端。

标号511表示检测端。

即使图1中串联连接的P沟道MOS晶体管503和504被图6中的P沟道MOS晶体管603及604取代，也能实现操作。

当P沟道MOS晶体管的阀值电压通过改变高杂质浓度而受到调节时，停止充电的电压是易于设定的。

由于下偏元件506是用于固定FET111的栅极和源极之间电压的元件，即使该元件连接在不是在低压检测电路107中的外部端子105和输出端112B之间，它也可以类似地工作。

现在参照图7来描述本发明的另一实施例。它和图1不同之处在于：开关电路包括P沟道FET而非N沟道FET。二次电池702通过开关电路703连接在外部端子704和705之间。该开关电路包括两个P沟道FETs。二次电池701的电压被充放电控制电路702及低压检测电路707监控。充放电控制电路702通过信号线714A与FET710相连接，并控制FET710的开/关，通过信号线714B经由低压检测电路707与FET711相连接并控制FET711的开/关。低压检测电路707在端子704和705之间通过过电流检测端713与充电器并联，由此用电源的电压工作。

用于对二次电池701充电的充电器708或被二次电池驱动的装置(从二次电池方面看为负载709)连接在外部端子704和705之间。FET710及FET711串联在外部端子705或704上。在该实施例中，FET710和FET711串联在外部端子704上。

现在参照图7来描述低压检测电路707的结构。

来自充放电控制电路702的信号被输入电平移动电路501。电平移动电路501的输出被输入到波形整形反向器502。反向器502的输出连接到P沟道MOS晶体管503的栅极及N沟道MOS晶体管505的栅极。P沟道MOS晶体管503的源极连接到外部端子704，它的漏极与N沟道MOS晶体管512及上偏元件513的一端相连接。P沟道MOS晶体管503的源极从充电信号输出端712B通过信号线714B与开关电路703中的FET711的栅极相连接。N沟道MOS晶体管512的源极与N沟道MOS晶体管505的漏极相连接，前者的栅极与二次电池701的正端相连接，它的漏极与P沟道晶体管503的漏极及上偏元件513的一端相连接。此外，N沟道MOS晶体管512的源极从过充电信号输出端712B通过信号线714B与开关电路703中的FET711的栅极相连接。N沟道MOS晶体管505的源极连接到外部端子705，它的栅极连接到波形整形反相器502的输出端，及它的漏极与P沟道MOS晶体管512的源极相连接。包括在低压检测电路707中的每个元件，即电平移动电路501、波形整形反相器502、P沟道MOS晶体管503、N沟道MOS晶体管505及512及上偏元件513的电源从外部端子704和705供给。

标号706表示信号线。

接着，参照图7来描述低电压检测电路707的操作。当输入信号，即充放电控制电路702的输出信号为高电位时，电平移动电路501将高电平电压(以下称“H”)输出到外部端子704，而当充放电控制电路702的输出信号为低电平时，将低电平电压(以下称“L”)输出到外部端子705。电平移动电路501的输出被波形整形反相器502整形成更加矩形的波形，当电平移动电路501的输出为“H”时波形整形反相器502输出“L”，及当电平移动电路501的输出为“L”时输出“H”。N沟道晶体管512监控二次电池701的电压，当二次电池701的电压高于N沟道MOS晶体管512的阀值电压时该晶体管导通，及当二次电池701的电电压小于N沟道MOS晶体管512的阀值电压时该晶体管关断。如果波形整形反相器502的输出为“L”，则因为在N沟道MOS晶体管512导通的情况下，P沟道MOS晶体管503导通及N沟道MOS晶体管505关断，在输出端712B上包括P沟道MOS晶体管503及N沟道MOS晶体管505和512的最后输出级输出“H”。如果波形整形反相器502的输出为“H”，则因为P沟道MOS晶体管503关断及N沟道MOS晶体管505导通，在输出端子712B上最后输出级输出“L”。这意味着，如果二次电池701的电压高于N沟道MOS晶体管512的阀值电压，输出端子712B的电压根据充放电控制电路702的输出信号输出“H”或“L”。另一方面，在N沟道MOS晶体管512关断的情况下，如果波形整形反相器502的输出为“L”，因为N沟道MOS晶体管505关断及P沟道MOS晶体管503导通，最后输出级输出“H”。如果波形整形反向器502的输出为“H”，虽然N沟道MOS晶体管505导通及P沟道MOS晶体管503关断，因为N沟道MOS晶体管512保持关断连接与上偏元件513，故在输出端子712B上最后输出级输出“H”。因此在二次电池701的电压低于N沟道MOS晶体管512的阀值电压的情况下，最后输出级将与充电控制电路702输出电平无关地被迫输出“H”。

接着，将描述图7中整个电路的操作。

N沟道MOS晶体管512的阀值电压设成低于过放电电压的电压上，并设在二次电池701不被充电的上限电压上。充放电控制电路702监测二次电池701的电压，当二次电池701的电压为过充电状态时输出低电压以使FET710导通，并输出高电平信号给低压检测电路707。当二次电池701处于过充电状态，当然电池的电压高于N沟道MOS晶体管512的阀值电压。因此，N沟道晶体管512导通及低压检测电路707将“H”作为来自充放电控制电路702的过充电信号输出给开关电路703中FET-B711。由于FET711的栅极和源极之间的电压变为0V，FET711关断。因此，来自充电器708的充电电源被切断，以使得二次电池701的充电停止。

在二次电池701电压的过放电状态时，充放电控制电路702输出高电平给输出端子712A，以使得FET710关断，及输出高电平给低电压检测电路707。因为正在过放电状态中二次电池701的电压高于N沟道晶体管512的阀值电压，P沟道晶体管512保持导通。因而，低电压检测电路707根据充放电控制电路702的信号将“H”输出给输出端子712B，以使FET711导通。通过操作，对负载709的放电电流停止及二次电池701的放电也停止。在此状态下用充电器708取代负载709，FET711保持导通，FET710的寄生二极管在正向导通，使由充电器708对二次电池701的充电电流通路接通并开始充电。这意味着，上述保护电路的操作被保证。当过放电状态中二次电池701的电压小于N沟道MOS晶体管阀值电压时，充放电控制电路702输出过放电信号，即将高电平给输出端712A，及低电平给低压检测电路707。但是，在开关电路703中FET711的栅极和源极之间的电压变为0V及FET711变为关断，这是因为低压检测电路707与充放电控制电路702的输出无关地将“H”输出给输出端712B。虽然FET710的寄生二极管保持正向导通，如果充电708在此状态下连接到外部端子704和705，对二次电池701的充电电流被切断，并因为FET711关断及其寄生二极管保持反向，故该二次电池不能被充电。

因此，当二次电池701的电压小于过放电电压及小于N沟道MOS晶体管的阀值电压的异常状态时能够停止充电。

虽然以上的操作是参照图7的低压检测电路707描述的，但图8取自图7中的低压检测电路707，而图9的低压检测电路其操作相似。即使图7中串联连接的N沟道MOS晶体管512及505被9中的N沟道MOS晶体管612和605取代，也能实现操作。

当N沟道MOS晶体管的阈值电压通过改变高杂质浓度而受到调节时，停止充电的电压是易于设定的。

由于上偏元件513是用于固定FET711的栅极和源极之间电压的元件，即使该元件连接在+VO704及不是在低压检测电路707中的输出端子712B之间，它也可以类似地工作。

虽然以上全是描述一个二次电池的情况，但当如图11所示地多于两个二次电池串联时也可用类似电路类似地工作，这些电池的总电压受到MOS晶体管阀值电压的监控，及该电压少于MOS晶体管的阀值电压。

可以使用MOS晶体管的阀值电压监控每个次电池的电压。以下将参照图10来描述该电路。

P沟MOS晶体管116及N沟道MOS晶体管118的阀值电压被设在低于过放电电压的电压及二次电池101及115将不再被充电的上限电压上。

P沟道MOS晶体管116的源极连接于二次电池101的正电源端，它的漏极连接在下偏元件117的一端并输入到“OR”发生电路120，及它的栅极连接在二次电池101的负电源端上。下偏元件117的另一端连接在二次电池115的负电源端。N沟道MOS晶体管118的源极连接在二次电池115的负电源端，它的漏极与上偏元件119的一端相连并输入到“OR”发生电路120，及它的栅极与二次电池115的正电源端相连接。“OR”发生电路120的输出与P沟道MOS晶体管504的栅极相连接。另外的电路连接类似于图1中所给的连接。

包括P沟道MOS晶体管116及下偏元件117的电路监测二次电池101的电压。当二次电池101的电压低于P沟道晶体管116的阀值电压时，P沟道晶体管116关断及通过下偏元件117使低电平输入到“OR”发生电路120。当二次电池101的电压高于P沟道晶体管116的阀值电压时，P沟道晶体管116导通，并通过下偏元件117将高电平输入到“OR”发生电路120。包括N沟道MOS晶体管118及上偏元件119的电路监测二次电池115的电压。当二次电池115的电压低于N沟道晶体管118的阀值电压时，N沟道晶体管118关断，并通过上偏元件119将低电平输入到“OR”发生电路120。在包括P沟道MOS晶体管116及下偏元件117的电路输出低电平或包括N沟道MOS晶体管118及上偏元件119的电路输出高电平的任一情况下，“OR”发生电路120在其输出端输出“H”。仅在“OR”发生电路120的输出为“H”的情况下P沟道MOS晶体管504关断。该低压检测电路的工作类似于图1中所述的情况。

因此，当二次电池101及15的任一电压小于MOS晶体管116及118的阀值电压时，低压检测电路107在其输出端112B上输出“L”，关断FET111，并切断从充电器108到二次电池101的充电电源，由此停止充电。

虽然以上参照图10描述了包括两个N沟道FETs的开关电路103，但电源、低压检测电路107的输入及输出的关系与图1所描述的没有区别，因为串联连接的二次电池数目增加了并仅对图1的实施例增加了P沟道晶体管116、N沟道晶体管118，下偏元件117，上偏119主“OR”发生电路来监测每个电压。因此，如果开关电路包括两个P沟道FETs，将上述5个元件(P沟道晶体管116、N沟道晶体管118、下偏元件117、上偏元件119及“OR”发生电路120)加到图7中，及图7的N沟道晶体管512的栅极设在“OR”发生电路的输出端，以便可以作类似的操作。虽然在图10的说明中是两个二次电池相串联，也可以由MOS晶体管的阀值电压监测每个二次电池的电压，它的输出将输入到“OR”发生电路，及后者的输出连接地低压检测电路的检测端。

如上所述，当在二次电池的电压小于MOS晶体管的阀值电压的状态下接入充电器时，通过附加简单电路，本发明将使开关电路关断，由此切断充电电流并停止对异常电池的充电。因此，本发明具有保护二次电池免于破坏并改进整个装置的可靠性和安全性的优点。

Claims

1.一种可充电电源装置，包括：

用于监控至少一个二次电池电压、并输出用于控制该至少一个二次电池充放电的信号的充放电控制电路(102；702)；

一个开关电路(103；703)，用于接收充放电控制电路的输出信号，在该至少一个二次电池处于过充电状态和过放电状态其中之一时，防止对该至少一个二次电池进行充电或放电；以及

一个低压检测电路(107；707)，用于接收充放电控制电路的输出信号，检测至少一个二次电池的电压是否低于要防止二次电池充电的预定值，该预定值是低于与过充电状态相关的电压，而低压检测电路还用于控制开关电路，以防止对二次电池的充电。

2.根据权利要求1的可充电电源装置，其特征在于，所述低压检测电路还包括MOS晶体管(504)，该MOS晶体管的栅极与所述二次电池的第一电极相连接，该MOS晶体管的漏极与所述二次电池的第二电极相连接，该MOS晶体管的源极则输出用以对所述二次电池充电的控制信号，该预定值为MOS晶体管的阈值电压，从而当二次电池的电压低于MOS晶体管的阈值电压时，低压检测电路通过输出控制信号而停止对二次电池的充电。