TW515138B - Secondary battery cell protection circuit - Google Patents

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五、發明說明（1 ) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 發明背景 1 ·發明範圍 本發明係與二次電池電池胞元保護電路有關。更具體 地說，發明與一電路有 關，該電路是用以保護一諸如鋰離子電池之二次電池 電池I元其g電池之過度充電被彳貞測到時中止電池之充 電。 2.相關技藝之說明 與鎳鎘和鎳氫電池相比，鋰離子電池具有約三倍較高 的操作電壓，以 及二倍的能量密度。鋰離子電池之容積能量密度大於 鎳鎘電池和鎳氫電池。因此鋰離子電池之尺寸是較小的， 且電池之重量輕於其他具有相同能量之電池。因此，鋰離 子電池被用來供可攜式電子裝置使用，諸如一攝影機，一 手機，一PHS，以及一膝上型輕便電腦。 對鋰離子電池來說，一保護電路被用來提供安全性且 用以使電池的性此達到最高。保護電路彳貞測電池之放電且 中止電池之放電。第2圖顯示二次電池之傳統保護電路之 範例。在第2圖中，一鋰離子電池14被連接在一正電源供 應端10和一負電源供應端12之間。正端1〇被連接至一比較 器18之反相輸入端，該比較器是位於一積體電路16内。一 標準的電壓VTH1被提供以偵測電池之過度充電，且由一 定電壓源20供應給比較器18之非反相輸入端。比較器“之 輸出訊號在端點10之電壓低於標準電壓VTH1時為高位， 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） L--------------------訂---------線Φ * t (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ' , 4 515138

五、發明說明（2) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 且在端點10之電壓高於VTH1時為低位。 比車乂為18之輸出訊號被提供給一 npn電晶體μ之基極 。電晶體Q1使其射極接地且使其集極連接至一 p叩電晶體 Q2之集極。電晶體q2藉由將其集極與其基極連接在一起 成為二極體式的連接。PnP電晶體Q2亦以其基極連接至一

Pnp電晶體Q3之基極而形成一電流鏡電路。pnp電晶體⑴ 以及pnp電晶體Q3之每個射極被連接至電源供應端丨卜pnp 電晶體Q3之集極被連接至一輸出端22，且輸出端22發出 一過度充電偵測訊號。電晶體q3之集極亦被連接至一電 阻器R1之一端且一過度充電防止M〇s電晶體如之閘極。 電阻器R1之另一端被連接至負的電源供應端點12。過度 充電偵測訊號被供應給過度充電防止M〇s電晶體q5之閘 才系〇 另外，電源供應端10被連接至一過度負載偵測單元24 ’其是位於積體電路16中。過度放電偵測單元24輸出一過 度充電偵測訊號。當端點1〇之電壓高於或等於一標準電壓 VTH2時’過度放電偵測訊號為高位。當端點丨〇之電壓低 於標準電壓VTH2時訊號為低位。然後此過度放電偵測訊 號被供應給一位於積體電路16外部的放電防止M〇S電晶 體Q4之閘極。 4里離子電池14之負極被連接至放電防止m〇S電晶體 Q4之源極。M〇s電晶體卩4之汲極被連接至過度充電防止 MOS電晶體q5之汲極，且M〇s電晶體q5之源極被連接至 負電源供應端點12。另外，在電池14之負極上的能量被設 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） --------^--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 515138 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（3 ) 疋為地端大小。因為閘極在M〇s電晶體卩4和卩5之每個基 體上被連接至一基體，基體二極體D4*D5分別在M0S電 日日體Q4和Q5之汲極和源極之間形成。 田電源供應端1 〇之電壓高於或等於標準電壓VTH2時 ，過度放電偵測訊號是高位，使得過度放電防止M〇s電 曰曰體Q4啟動，除非鐘離子電池14為過度放電的。另外， 當端點ίο之電壓低於或等於標準電壓VTH1時，過度充電 偵測訊號為高位。過度充電防止M〇s電晶體以被啟動， 除非電池14是過度充電的。 另外，若電池14在經由一連接於端點1〇和12之間的充 電器電路充電電池之同時為被過度充電的，則比較器18之 輸出訊號變成低位，且電晶體Q1被中止。因此，電晶體卩2 和Q3被中止，且輸出端點22輸出一低位過度充電债測訊 號。結果，過度充電防止M〇S電晶體Q5被中止且電池14 不再被充電。 在上述的先前電路中，在鋰電池丨4被過度充電且充電 程序被停止後，諸如攝影機，手動，PHs，膝上型輕便電 腦之負載可被連接至電源供應端點1〇和12。當負載被連接 0寸’過度放電防止MOS電晶體Q4啟動，且過度充電彳貞測 MOS電晶體Q5之基體二極體D5將其本身打開以允許一電 流從電池14流經基體二極體D5至負載。 雖然來自電池14之放電電流流經負载不是一問題，但 過度充電防止MOS電晶體Q5之溫度因為電流未流經過充 電防止MOS電晶體Q5卻流經基體二極體D5而增加。因此 (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) --------訂---------線一 6 515138 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（4 ) ’ MOS電晶體Q5會因為其溫度之增加而退化。 發明摘要 因此，本發明之一個一般的目的為提供對一二次電池 之保護電路’其消除相關技藝的缺點之一或更多。 本發明的上述目的是由一二次電池電池胞元保護電路 來完成的，包括： 一偵測一二次電池電池胞元之過度充電之過度充電偵 測電路； 一過度充電防止MO S電晶體，其當二次電池電池胞 元被過度充電時被由過度充電偵測電路供應的訊號中止以 中止二次電池電池胞元之充電，過度充電防止M〇s電晶 體包括一基體二極體； 一偵測二次電池電池胞元經由基體二極體之放電；以 及 一電路，其當放電偵測電路偵測到二次電池電池胞元 之放電時啟動過度充電防止MOS電晶體。 在本發明中，放電偵測電路偵測二次電池電池胞元經 由基體二極體之放電。當這樣的二次電池電池胞元之放電 被偵測到時，過度充電防止MOS電晶體被啟動以便將二 次電池電池胞元放電而不會使一電流流經基體二極體。因 此，過度充電防止MOS電晶體之基體溫度不會因為當負 載連接至過度充電的二次電池電池胞元時，放電電流流經 過度放電防止MOS電晶體之基體二極體而增加。 本發明之其他的目標，特性和優點從下列的詳細說明 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 五、發明說明（5 ) 以及與附圖結合閱讀將會變得明顯。 圖式簡述 第1圖為供說明本發明之一實施例之目的之方塊圖；以 及 5 第2圖為供說明一傳統二次電池電池胞元保護電路之 目的之方塊圖。 較佳實施例之說明 現在將給予本發明之一較佳的實施例之說明，並參考 附圖。 第1圖顯示對一二次電池電池胞元之保護電路之範例 。又，在第1圖中，相同的符號被應用至和第2圖相同的部 份。在第1圖中，鋰離子電池14連接於正端1〇和負載端12 間。立點10亦連接至在半導體積體電路16中的比較器之反 相端。標準電壓VTH1由定電壓源20供應至比較器18之非 反相端以偵測電池之過度充電。當在端點1〇上的電壓低於 或等於標準電壓VTH1時，比較器18輸出一高位訊號，然 後當端點10上的電壓高於標準電壓VTH1時輸出一低位訊 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 來自比較器18之輸出訊號被供應至npri電晶體Q1之基 極。電晶體Q1使其射極接地並使其集極連pnp電晶體q2之 集極。電晶體Q2為二極體型式連接的，其基極與集極被 連接在一起。pnp電晶體Q2之基極被連接至pnp電晶體q3 之基極以形成電流鏡電路。電晶體Q2和q3之射極被連接 至電源供應端1 〇。電晶體Q3之集極連接至輸出一過度充 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 515138 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（6 ) 電偵測訊號之輸出端22。另外，電晶體Q3之集極連接至 電阻器R1之一端以及位於1C 16外的過度充電保護MOS電 晶體Q5之閘極。電阻器幻之另一端被連接至負電源供應 端12 °過度充電偵測訊號被供應至MOS電晶體Q5之閘極 〇 電源供應端1 〇連接至位於1C 16中的過度放電偵測單元 24。當端點1〇上的電壓高於或等於標準電壓vth2時，過 度充電偵測單元24輸出一高位訊號，且在端點1 〇上的電壓 低於VTH2時，輸出一低位訊號。過度放電偵測訊號被供 應至位於1C 16外部的過度放電偵測m〇S電晶體Q4之閘極 〇 另外，負電源供應端12被連接至一提供在IC16内部的 比較為30之非反相輸入端。標準電壓VTH3由一定電壓源32 供應至比較器30之反相輸入端以偵測電池之放電。比較器 30在電源供應端12和鋰離子電池14之負極間的電壓差高於 標準電壓VTH3時輸出一高位訊號。比較器3〇當電壓差低 於或等於VTH3時輸出一低位訊號。 VTH3被設定為高於經過啟動的m〇S電晶體Q4和Q5間 的電壓降，且低於經過啟動的MOS電晶體Q5之基體二極 體D5之電壓降。因此，比較器3〇基體二極體被啟動且放 電電流流動之狀況’並輸出放電偵測訊號。 上述的放電彳貞測訊號被供應至一 npn電晶體qi〇之基 極。電晶體Q10使其集極連接至電晶體Q1之集極，並使其 射極接地。放電彳貞測訊號在偵測到基極二極體D5被啟動 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） I---'h----------------訂---------線· ^ f (請先閱讀背面之注咅？事項再填寫本頁) 9 515138 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 _______B7_____ 五、發明說明（7 ) 且放電電源流經D5時變成高位。當此發生時，即使電晶 體Q1被中止，過度放電偵測訊號會被強迫為高位，因為 電晶體Q10被啟動以使高位訊號通過電晶體卩2和Q3。 鋰離子電池14之負極被連接至MOS電晶體Q4之源極 ，M〇S電晶體Q4之汲極被連接至MOS電晶體Q5之汲極， 而MOS電晶體Q5之源極被連接至負的電源供應端12。另 外’鋰離子電池之負極之能量被設定為一地端能量。因為 閘極在MOS電晶體Q4和Q5之每個基體上連接至基體，基 體二極體D4和D5分別形成於M〇s電晶體Q4和卩5之汲極和 源極之間。 過度放電偵測訊號當在電源供應端點丨〇上的電壓高於 或等於標準電壓VTH2為高位，且M0S電晶體Q4被啟動， 除非鐘離子電池14為過度放電的。過度充電偵測訊號在電 源供應端10之電壓低於或等於標準電壓VTH丨時為低位， 且MOS電晶體Q5啟動，除非鋰離子電池14為過度充電的 〇 再者’當一附加在電源供應點10和丨2之間的充電電路 對鐘離子電池14充電時，電池丨4可為過度充電，且比較器 30的輸出變成低位。因此電晶體Q1被中止。因此，電晶 體Q2和Q3被中止，且輸出端點22之電壓大小因為附加在 1C 16外的電阻器ri而變成低位。當輸出端點22為低位時 ’過度充電防止MOS電晶體Q5被中止以停止鋰離子電池 之充電。 一諸如影機，手機，PHS，以及膝上型輕便電腦之負 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） 10 --------------------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 515138 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 A7 B7 五、發明說明（8 ) 載在鋰離子電池14被過度充電且充電操作被中止後可被連 接至電源供應端點1 〇和12。在此情況中，過度放電防止 MOS電晶體Q4被啟動，且過度充電防止M〇S電晶體q5之 基體一極體D 5亦被啟動。因此，來自鐘離子電池14之電 流流經基體二極體D5流至負載。 然而’因為來自電池14之放電電流流經基體二極體 ’比較器30輸出高位放電偵測訊號。因此，電晶體q1〇被 啟動以將電晶體Q2和Q3打開，使得在輸出端點上的過度 放電偵測訊號被拉高至高位。當此訊號在高位時，過度充 電防止MOS電晶體Q5被啟動，且來自鐘離子電池14之放 電電流流經過度充電防止M0S電晶體Q5至負載。因此， 過度充電防止MOS電晶體Q5之基體之基體溫度未增加， 以防止過度充電防止M0S電晶體Q5惡化。 在上述實施例中，包括過度放電偵測單元24以及過度 放電防止MOS電晶體Q4並非總是必要的，且發明未被限 制於上面的實施例。比較器丨8，比較器13〇，以及電晶體 Q10對應於過度充電偵測電路，放電偵測電路，以及啟動 過度充電防止MOS電晶體之電路，分別在申請專利範圍 中。 本發明未被限制於特別揭示的實施例和變化，且可做 修改而不偏離發明之範圍與精神。 本發明是以1999年7月23曰由曰本專利機關提出的日 本優先應用No. 11-209121為基礎，A之+卹从h , 王口丨4的内容在此以 參考文獻加以合併。 --------、訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 11 515138 A7 B7 五、發明說明（9 ) 10.. .正電源供應端 12.. .負電源供應端 14.. .鋰離子電池 16…積體電路（1C) 18.. .比較器 20.. .定電壓源 22.. .輸出端 24.. .過度放電偵測單 30…比較器 元件標號對照 32...定電壓源 Q1 ...npn電晶體 Q2…Pnp電晶體 Q3…Pnp電晶體 Q4...MOS電晶體 Q5…MOS電晶體 D4，D5...基體二極體 :> R1...電阻器 -------------------，訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 12 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

1. 515138 六、申請專利範圍

   第891 14662號申請案申請專利範圍修正本 91.04.30. 1. 一種二次電池電池胞元保護電路，特徵為包含： 一過度充電偵測電路（1 8)，其偵測一個二次電池 電池胞元之過度充電； 過度充黾防止MOS電晶體（Q5)，其當二次電池 電池胞元被過度充電時，被由該過度充電偵測電路（18) 所供應的汛號來中止以便中止二次電池電池胞元之充 電，該過度充電防止MOS電晶體（Q5)包括一基體二極 體（D5); 一放電偵測電路，其偵測二次電池電池胞元經過 該基體二極體（D5)之放電；以及 黾路，其g ό亥放電偵測電路彳貞測到二次電池電 池胞元之放電時'啟動過度充電防止M〇s電晶體。 2·如申請專利範圍第1項之二次電池電池胞元保護電路， 特徵為過度充電偵測電路（i 8)將二次池電池胞元之充 電電壓與一第一標準電壓（VTH1)比較。 3.如申請專利範圍第丨項之二次電池電池胞元保護電路， 特徵為該放電偵測電路藉由經由該過度充電防止M〇s 電晶體（Q5)將一電壓不降與一第二標準電壓（vth2)比 較來偵測一次電池電池胞元之該放電。 電 次 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、可| 4· 一種積體電路（16)，其是供與一過度充電防止“〇8 晶體（16) 一起使用，其包括一基體二極體（D5)且在 個二次電池電池胞元被過度充電時中止以便中止二 電池電池胞元之充電，該積體電路（16)特徵為包括：

   13 A8 B8 C8 D8 515138 修正I i 補充__ 六、申請專利範圍 一放電偵測電路，其偵測二次電池電池胞元經由 該基體二極體（D5)之放電；以及 一電路，其當該放電偵測電路偵測到二次電池電 池胞元之放電時啟動過度充電防止MOS電晶體（Q5)。 5. 如申請專利範圍第4項之積體電路（16)，特徵為過度充 電偵測電路（1 8)將二次電池電池胞元之充電電壓與一 第二標準電壓（VTH1)比較。 6. 如申請專利範圍第4項之積體電路（16)，特徵為該放電 偵測電路藉由經過該過度充電防止M〇S電晶體（Q5)將 電壓下降與一第二標準電壓（VTH2)比較來偵測二次電 池電池胞元之放電。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210 X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

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