CN112018732A - 二次电池保护装置、保护电路及其控制方法、电池组 - Google Patents
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Abstract
本发明提供二次电池保护装置、保护电路及其控制方法、电池组。抑制对低電圧状態的二次电池的充电效率的降低。二次电池保护电路使用被串联地插入到二次电池的正极与负载以及充电器的高电位侧电源端子之间的电流路径中的充电控制NMOS晶体管和放电控制NMOS晶体管,来保护上述二次电池,该二次电池保护电路具备:低电压检测电路,其检测低于比过放电检测电压设定得低的低电压检测电压的上述二次电池的电压;以及开关电路,其在上述低电压检测电路检测到低于低电压检测电压的上述二次电池的电压时,使上述充电控制NMOS晶体管的栅极固定在上述高电位侧电源端子的电位。
Description
技术领域
本发明涉及一种二次电池保护电路、二次电池保护装置、电池组以及二次电池保护电路的控制方法。
背景技术
以往,已知一种使用被串联地插入到二次电池的正极与负载以及与充电器的高电位侧电源端子连接的正端子之间的电流路径中的一对NMOS(N-channel Metal OxideSemicond uctor)晶体管,来保护二次电池的保护电路(例如参见专利文献1)。
图1是专利文献1公开的以往电池组的电路图。图1所示的电池组具有二次电池113、用于保护二次电池113的保护电路117、以及连接有未示出的充电装置和负载装置的端子111、112。保护电路117包括串联连接到二次电池113的正极与+端子111之间的N沟道型MOSFET 114、115以及用于控制MOSFET 114、115的控制部116。
控制部116包括使电源线119和接地线120之间的电压升压的电荷泵121。此外,控制部116包括将电荷泵121的升压电压分别施加到MOSFET 114、115的栅极的P沟道型MOSFET122、123以及使MOSFET 114、115的栅极分别为接地线120的电位的N沟道型MOSFET 124、125。MOSFET 122、124的公共栅极以及MOSFET 123、125的公共栅极与控制部116的未图示的内部电路连接。
控制部116还包括电源切换电路126。电源切换电路126包括P沟道型MOSFET 128、129和逆变器127。通过向电源切换电路126输入栅极信号,使MOSFET 128或129成为导通状态,并将电源线119的电压供给源切换为二次电池113或+端子111。
接下来,对图1所示的电池组的动作进行说明。当电池组的端子111、112与负载装置连接时,经由MOSFET 128施加到电源线119的二次电池113的电压通过电荷泵121而得到升压。由于MOSFET 122、123为导通状态、MOSFET 124、125为截止状态,因此,通过该升压电压,MOSFET 114、115成为导通状态,二次电池113成为放电状态。
当放电继续进行,使得二次电池113的电压值低于过放电检测电压时,MOSFET 115成为截止状态,从而二次电池113的放电停止,保护二次电池113免于过放电。此时,由于MOSFET 128切换为截止状态,MOSFET 129切换为导通状态,因此,从二次电池113到电源线119的电压被切断。由此,电荷泵121成为断开状态,因此,MOSFET 114也成为截止状态。
接着,当充电装置在二次电池113的电压值低于过放电检测电压的状态下与端子111、112连接时,来自充电装置的电压经由+端子111、MOSFET 115的寄生二极管、以及电源切换电路126的MOSFET 129被施加到电源线119。当电压被施加到电源线119时,该电压通过电荷泵121而得到升压。通过经电荷泵121升压后的电压,MOSFET 114成为导通状态,二次电池113成为充电状态。
在图1所示的结构中,在二次电池113的电压值远低于过放电检测电压的状态(例如,二次电池113的电压值接近0伏的状态)下,MOSFET 114通过电荷泵121的停止而截止。在该状态下,当充电装置与端子111、112连接时,+端子111的电压提升至充电装置的输出电压VCHG。此时,如果将MOSFET 115的寄生二极管的正向电压设为Vf115,则向电荷泵121的输入电压VcpIN(电源线119的电压)为“VcpIN=VCHG-Vf115”。
当+端子111的电压提升直至输入电压VcpIN成为电荷泵121的最低工作电压VcpL以上时,电荷泵121启动。启动后的电荷泵121的升压电压被供给到MOSFET 114的栅极,使MOSFET 114成为导通状态。
MOSFET 114成为导通状态后,MOSFET 114的漏极-源极间电压约为0伏,因此,输入电压VcpIN下降到二次电池113的电压VB。如果“VcpIN=VB<VcpL”,则电荷泵121再次停止,MOSFET 114也再次成为截止状态。也就是说,电荷泵121重复启动和停止直到“VB>VcpL”,这可能会导致对二次电池113的充电效率的降低。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开平11-178224号公报
发明内容
因此,本发明将提供一种能够抑制对低電圧状態的二次电池的充电效率的降低的二次电池保护电路、二次电池保护装置、电池组以及二次电池保护电路的控制方法。
本发明提供一种二次电池保护电路,其使用被串联地插入到二次电池的正极与负载以及充电器的高电位侧电源端子之间的电流路径中的充电控制NMOS晶体管和放电控制NMOS晶体管,来保护上述二次电池,该二次电池保护电路具备:
升压电路,其通过使上述二次电池的电压升压来生成控制电压;
驱动电路,其将上述控制电压供给到上述充电控制NMOS晶体管的栅极以及上述放电控制NMOS晶体管的栅极;
过放电检测电路,其检测低于预定的过放电检测电压的上述二次电池的电压;
控制电路,其在上述过放电检测电路检测到低于上述过放电检测电压的上述二次电池的电压时,使上述驱动电路工作以使上述放电控制NMOS晶体管的栅极成为低电平;
低电压检测电路,其检测低于比上述过放电检测电压设定得低的低电压检测电压的上述二次电池的电压;
切断电路,其在上述低电压检测电路检测到低于上述低电压检测电压的上述二次电池的电压时,切断将上述控制电压供给到上述充电控制NMOS晶体管的栅极的节点而成为高阻抗;以及
开关电路,其在上述低电压检测电路检测到低于上述低电压检测电压的上述二次电池的电压时,使上述充电控制NMOS晶体管的栅极固定在上述高电位侧电源端子的电位。
此外,本发明还提供一种二次电池保护装置,其具备:
充电控制NMOS晶体管,其被串联地插入到二次电池的正极与负载以及充电器的高电位侧电源端子之间的电流路径中;
放电控制NMOS晶体管,其被串联地插入到上述电流路径中;
升压电路,其通过使上述二次电池的电压升压来生成控制电压;
驱动电路,其将上述控制电压供给到上述充电控制NMOS晶体管的栅极以及上述放电控制NMOS晶体管的栅极;
过放电检测电路,其检测低于预定的过放电检测电压的上述二次电池的电压;
控制电路,其在上述过放电检测电路检测到低于上述过放电检测电压的上述二次电池的电压时,使上述驱动电路工作以使上述放电控制NMOS晶体管的栅极成为低电平;
低电压检测电路,其检测低于比上述过放电检测电压设定得低的低电压检测电压的上述二次电池的电压;
切断电路,其在上述低电压检测电路检测到低于上述低电压检测电压的上述二次电池的电压时,切断将上述控制电压供给到上述充电控制NMOS晶体管的栅极的节点而成为高阻抗;以及
开关电路,其在上述低电压检测电路检测到低于上述低电压检测电压的上述二次电池的电压时,使上述充电控制NMOS晶体管的栅极固定在上述高电位侧电源端子的电位。
此外,本发明还提供一种电池组,其具备:
二次电池;
充电控制NMOS晶体管,其被串联地插入到上述二次电池的正极与负载以及充电器的高电位侧电源端子之间的电流路径中;
放电控制NMOS晶体管,其被串联地插入到上述电流路径中;
升压电路,其通过使上述二次电池的电压升压来生成控制电压;
驱动电路,其将上述控制电压供给到上述充电控制NMOS晶体管的栅极以及上述放电控制NMOS晶体管的栅极;
过放电检测电路,其检测低于预定的过放电检测电压的上述二次电池的电压;
控制电路,其在上述过放电检测电路检测到低于上述过放电检测电压的上述二次电池的电压时,使上述驱动电路工作以使上述放电控制NMOS晶体管的栅极成为低电平;
低电压检测电路,其检测低于比上述过放电检测电压设定得低的低电压检测电压的上述二次电池的电压;
切断电路,其在上述低电压检测电路检测到低于上述低电压检测电压的上述二次电池的电压时,切断将上述控制电压供给到上述充电控制NMOS晶体管的栅极的节点而成为高阻抗;以及
开关电路,其在上述低电压检测电路检测到低于上述低电压检测电压的上述二次电池的电压时,使上述充电控制NMOS晶体管的栅极固定在上述高电位侧电源端子的电位。
此外,本发明还提供一种二次电池保护电路的控制方法,上述二次电池保护电路具备:
升压电路,其通过使二次电池的电压升压来生成控制电压;
驱动电路,其将上述控制电压供给到被串联地插入到上述二次电池的正极与负载以及充电器的高电位侧电源端子之间的电流路径中的充电控制NMOS晶体管的栅极以及被串联地插入到上述电流路径中的放电控制NMOS晶体管的栅极;
过放电检测电路,其检测低于预定的过放电检测电压的上述二次电池的电压;以及
控制电路,其在上述过放电检测电路检测到低于上述过放电检测电压的上述二次电池的电压时,使上述驱动电路工作以使上述放电控制NMOS晶体管的栅极成为低电平,
上述二次电池保护电路的控制方法检测低于比上述过放电检测电压设定得低的低电压检测电压的上述二次电池的电压,
当检测到低于上述低电压检测电压的上述二次电池的电压时,切断将上述控制电压供给到上述充电控制NMOS晶体管的栅极的节点而成为高阻抗,
当检测到低于上述低电压检测电压的上述二次电池的电压时,使上述充电控制NMOS晶体管的栅极固定在上述高电位侧电源端子的电位。
发明的效果
根据本发明的技术,能够抑制对低電圧状態的二次电池的充电效率的降低。
附图说明
图1是表示以往的电池组结构的图。
图2是表示一个实施方式中的电池组结构的图。
图3是表示充电电流变化的一例的图。
图4是表示一个实施方式中的电池组的动作的时序图。
图5是表示低电压检测电路的第一结构例的图。
图6是表示低电压检测电路的第二结构例的图。
图7是表示低电压检测电路的第三结构例的图。
图8是表示开关结构例的图。
图9是表示一个比较方式中的电池组结构的图。
图10是表示第二实施方式中的电池组结构的图。
符号说明
1 充电控制晶体管;
2 放电控制晶体管;
3 开关电路部;
5 正端子;
10、10A、10B 电池保护电路;
13 接地端子;
15 电源端子;
18 监视端子;
20 检测电路;
30 电荷泵(升压电路的一例);
32 高电源电位部;
33 低电源电位部;
40 控制电路;
50 驱动电路;
51~54 驱动开关;
61、61A、61B、61C 低电压检测电路;
62 切断电路;
63A、63B 电平转换电路;
65 开关;
68 电流源;
69 开关电路;
70 二次电池;
80 电池保护装置;
91 充电器;
100 电池组;
110A、110B 电池保护电路。
具体实施方式
以下,参照附图对本发明的实施方式进行说明。
图2是表示第一实施方式中的电池组结构的图。图2所示的电池组100在内部具备二次电池70和电池保护装置80。
二次电池70是可充放电的电池的一例。二次电池70将电力供给到与正端子5(P+端子)和负端子6(P-端子)连接的负载90。二次电池70能够通过与正端子5和负端子6连接的充电器91充电。作为二次电池70的具体例,可以举出锂离子电池、锂聚合物电池等。电池组100既可以内置也可以外置于负载90。
负载90是以电池组100的二次电池70为电源的负载的一例。作为负载90的具体例,可以举出电动工具等电动设备、便携式移动终端装置等电子设备。作为电子设备的具体例,可以举出手机、智能手机、计算机、游戏机、电视机、摄像机等。负载90不仅限于这些设备。
电池保护装置80是以二次电池70为电源来工作的二次电池保护装置的一例,其通过控制二次电池70的充放电来保护二次电池70免于过充电、过放电等。电池保护装置80具备正端子5(P+端子)、负端子6(P-端子)、正极端子7(B+端子)、负极端子(B-端子)、开关电路部3、以及电池保护电路10。
正端子5是能够连接负载90以及充电器91的高电位侧电源端子的端子的一例。负端子6是能够连接负载90以及充电器91的低电位侧电源端子的端子的一例。正极端子7是用于将正侧电流路径9a与二次电池70的正极71连接的端子,负极端子8是用于将负侧电流路径9b与二次电池70的负极72连接的端子。
二次电池70的正极71与正端子5通过正侧电流路径9a连接,二次电池70的负极72与负端子6通过负侧电流路径9b连接。正侧电流路径9a是二次电池70的正极71与正端子5之间的充放电电流路径的一例,负侧电流路径9b是二次电池70的负极72与负端子6之间的充放电电流路径的一例。
开关电路部3串联地插入到二次电池70的正极71和能够与负载90以及充电器91的高电位侧电源端子连接的正端子5之间的正侧电流路径9a中。
开关电路部3例如具备充电控制晶体管1和放电控制晶体管2。充电控制晶体管1是用于切断二次电池70的充电路径的充电路径切断部的一例,放电控制晶体管2是用于切断二次电池70的放电路径的放电路径切断部的一例。在图1中,充电控制晶体管1切断二次电池70的充电电流流过的电流路径9a,放电控制晶体管2切断二次电池70的放电电流流过的电流路径9a。晶体管1、2是用于切换电流路径9a的导通/切断的开关元件,被串联地插入到电流路径9a中。晶体管1、2例如是NMOS晶体管。
充电控制晶体管1具有寄生在栅极-源极间的输入电容以及寄生在栅极-漏极间的输入电容。放电控制晶体管2具有寄生在栅极-源极间的输入电容以及寄生在栅极-漏极间的输入电容。充电控制晶体管1在漏极和源极之间具有以与二次电池70的充电电流方向相反的方向为正向的寄生二极管。放电控制晶体管2在漏极和源极之间具有以与二次电池70的放电电流方向相反的方向为正向的寄生二极管。
电池保护电路10是二次电池保护电路的一例。电池保护电路10使用被串联地插入到二次电池70的正极71和与负载90以及充电器91的高电位侧电源端子连接的正端子5之间的电流路径109a中的一对NMOS晶体管,来保护二次电池70免于过放电等。电池保护电路10通过断开开关电路部3来进行二次电池70的保护动作。电池保护电路10是利用二次电池70的正极71和负极72之间的电池电压(也称“单元(cell)电压”)来工作的集成电路(IC)。电池保护电路10例如具备充电控制端子11(COUT端子)、放电控制端子12(DOUT端子)、监视端子18(V+端子)、电源端子15(VDD端子)以及接地端子13(VSS端子)。
COUT端子与充电控制晶体管1的栅极连接,输出使充电控制晶体管1导通和截止的信号。DOUT端子与放电控制晶体管2的栅极连接,输出使放电控制晶体管2导通和截止的信号。
V+端子用于监视正端子5的电位,与正端子5连接。V+端子例如用于控制电路40监视负载90或充电器91有无连接,在晶体管1、2和正端子5之间经由电阻14与正侧电流路径9a连接。
VDD端子是电池保护电路10的电源端子,与二次电池70的正极71以及正侧电流路径9a连接。VSS端子是电池保护电路10的接地端子,与二次电池70的负极72以及负侧电流路径9b连接。电阻4a和电容器16的串联电路以与二次电池70并联连接的方式,连接在正侧电流路径9a和负侧电流路径9b之间。VDD端子由于与电阻4a和电容器16之间的连接节点连接,因此能够抑制VDD端子的电位的波动。
电池保护电路10通过使充电控制晶体管1截止,保护二次电池70免于过充电等充电异常,并通过使放电控制晶体管2截止,保护二次电池70免于过放电等放电异常或短路异常。电池保护电路10是具备检测电路20、电荷泵30、驱动电路50、控制电路40、低电压检测电路61、切断电路62以及开关电路69的集成电路(IC)。
检测电路20检测二次电池70的状态,并输出该检测状态。检测电路20监控VDD端子与VSS端子之间的电压即电源电压Vd。由于VDD端子与二次电池70的正极71连接,VSS端子与二次电池70的负极72连接,因此,电源电压Vd大致与二次电池70的单元电压VBAT相等。因此,检测电路20能够通过监控电源电压Vd,来检测二次电池70的单元电压VBAT。此外,检测电路20监控以VDD端子为基准电位的V+端子的电压即监视电压V+。
检测电路20例如在检测到比预定的过充电检测电压Vdet1高的电源电压Vd时,输出表示检测到了比过充电检测电压Vdet1高的电源电压Vd的过充电检测信号。此外,检测电路20例如在检测到比预定的过充电恢复电压Vrel1低的电源电压Vd时,输出表示检测到了比过充电恢复电压Vrel1低的电源电压Vd的过充电恢复检测信号。过充电检测电压Vdet1是用于检测过充电的阈值,过充电恢复电压Vrel1是用于检测过充电恢复的阈值。过充电恢复电压Vrel1被设定为低于过充电检测电压Vdet1的电压值。
检测电路20例如在检测到比预定的过放电检测电压Vdet2低的电源电压Vd时,输出表示检测到了比过放电检测电压Vdet2低的电源电压Vd的过放电检测信号。此外,检测电路20例如在检测到比预定的过放电恢复电压Vrel2高的电源电压Vd时,输出表示检测到了比过放电恢复电压Vrel2高的电源电压Vd的过放电恢复检测信号。过放电检测电压Vdet2是用于检测过放电的阈值,过放电恢复电压Vrel2是用于检测过放电恢复的阈值。过放电恢复电压Vrel2被设定为高于过放电检测电压Vdet2的电压值。
检测电路20例如在检测到比预定的放电过电流检测电压Vdet3低的监视电压V+时,输出表示检测到了比放电过电流检测电压Vdet3低的监视电压V+的放电过电流检测信号。此外,检测电路20例如在检测到比预定的放电过电流恢复电压Vrel3高的监视电压V+时,输出表示检测到了比放电过电流恢复电压Vrel3高的监视电压V+的放电过电流恢复检测信号。放电过电流检测电压Vdet3是用于检测放电过电流的阈值,放电过电流恢复电压Vrel3是用于检测放电过电流恢复的阈值。放电过电流恢复电压Vrel3被设定为高于放电过电流检测电压Vdet3的电压值。
检测电路20例如在检测到比预定的充电过电流检测电压Vdet4高的监视电压V+时,输出表示检测到了比充电过电流检测电压Vdet4高的监视电压V+的充电过电流检测信号。此外,检测电路20例如在检测到比预定的充电过电流恢复电压Vrel4低的监视电压V+时,输出表示检测到了比充电过电流恢复电压Vrel4低的监视电压V+的充电过电流恢复检测信号。充电过电流检测电压Vdet4是用于检测充电过电流的阈值,充电过电流恢复电压Vrel4是用于检测充电过电流恢复的阈值。充电过电流恢复电压Vrel4被设定为低于充电过电流检测电压Vdet4的电压值。
电荷泵30是通过使电源电压Vd升压,来生成电压值比电源电压Vd高的控制电压Vcp的升压电路。电荷泵30例如生成使用充电控制晶体管1以及放电控制晶体管2的输入电容作为电荷泵30的输出电容而进行了升压的控制电压Vcp。电荷泵30也可以是通过其他公知结构使电压升压的电路。电荷泵30通过重复进行将以电源电压Vd对飞跨电容器(Flyingcapacitors)31充电而获得的电荷传输到充电控制晶体管1和放电控制晶体管2的输入电容的操作,来生成两倍于电源电压Vd的控制电压Vcp。飞跨电容器31既可以内置也可以外置于电池保护电路10。
驱动电路50将控制电压Vcp供给到充电控制晶体管1的栅极和放电控制晶体管2的栅极。
驱动电路50使用控制电压Vcp从COUT端子输出使充电控制晶体管1导通的信号。即,驱动电路50将控制电压Vcp供给到COUT端子从而使COUT端子的输出状态设置为高电平。另一方面,驱动电路50从DOUT端子输出使放电控制晶体管2导通的信号。即,驱动电路50将控制电压Vcp供给到DOUT端子从而使DOUT端子的输出状态设置为高电平。
驱动电路50使用VSS端子的接地电位或VDD端子的电源电位,从COUT端子输出使充电控制晶体管1截止的信号。即,驱动电路50将VSS端子的接地电位或VDD端子的电源电位供给到COUT端子从而使COUT端子的输出状态为低电平。另一方面,驱动电路50使用VSS端子的接地电位或V+端子的电位,从DOUT端子输出使放电控制晶体管2截止的信号。即,驱动电路50将VSS端子的接地电位或V+端子的电位供给到DOUT端子从而使DOUT端子的输出状态为低电平。
驱动电路50例如具有充电控制侧驱动电路,该充电控制侧驱动电路具备源极与高电源电位部32连接的P沟道型驱动开关51和源极与低电源电位部33连接的N沟道型驱动开关52串联连接的CMOS(Complementary MOS)逆变器结构。驱动开关51是PMOS晶体管,驱动开关52是NMOS晶体管。高电源电位部32是与电荷泵30的输出部连接的导电部位,用于输出由电荷泵30生成的控制电压Vcp。低电源电位部33是在未检测到二次电池70的过放电的状态下,电位低于高电源电位部32的导电部位,在图2的示例中,与VSS端子连接。此外,在图2的示例中,切断电路62与驱动开关52之间的连接节点(充电控制侧CMOS逆变器的输出节点55)与COUT端子连接。
驱动电路50例如具有放电控制侧驱动电路,该放电控制侧驱动电路具备源极与高电源电位部32连接的P沟道型驱动开关53和源极与低电源电位部33连接的N沟道型驱动开关54串联连接的CMOS逆变器结构。驱动开关53是PMOS晶体管,驱动开关54是NMOS晶体管。驱动开关53与驱动开关54之间的连接节点(放电控制侧CMOS逆变器的输出节点56)与DOUT端子连接。
当检测电路20检测到二次电池70的过充电或充电过电流时,控制电路40在经过预定的延迟时间后,使驱动电路50工作以使COUT端子的输出状态从高电平变为低电平。通过COUT端子的输出状态变为低电平,充电控制晶体管1截止,从而禁止对二次电池70充电的方向的电流流过电流路径9a。由此,能够停止二次电池70的充电,保护二次电池70免于过充电或充电过电流。
例如,当未检测到比预定的过充电检测电压Vdet1高的电源电压Vd时,控制电路40将低电平信号L输出到驱动开关51、52的各栅极。由此,驱动开关51导通,驱动开关52断开,因此,只要通过低电压检测电路61使切断电路62导通,COUT端子的输出状态即变为高电平。另一方面,当检测到比过充电检测电压Vdet1高的电源电压Vd时,控制电路40判定是否已从检测电路20检测到该电源电压Vd起经过了预定的过充电检测延迟时间tVdet1。当高于过充电检测电压Vdet1的电源电压Vd直到经过了过充电检测延迟时间tVdet1为止持续被检测电路20检测到时,控制电路40向驱动开关51、52的各栅极输出高电平信号。由此,驱动开关51断开,驱动开关52导通,从而COUT端子的输出状态变为低电平。
另一方面,当检测电路20检测到二次电池70的过放电或放电过电流时,控制电路40在经过预定的延迟时间后,使驱动电路50工作以使DOUT端子的输出状态从高电平变为低电平。通过DOUT端子的输出状态变为低电平,放电控制晶体管2截止,从而禁止使二次电池70进行放电的方向的电流流过电流路径9a。由此,能够停止二次电池70的放电,保护二次电池70免于过放电或放电过电流。
例如,当检测电流20未检测到比预定的过放电检测电压Vdet2低的电源电压Vd(≒单元电压VBAT)时,控制电路40将低电平信号输出到驱动开关53、54的各栅极。由此,驱动开关53导通,驱动开关54断开,从而DOUT端子的输出状态变为高电平。另一方面,当检测电路20检测到比预定的过放电检测电压Vdet2低的电源电压Vd(≒单元电压VBAT)时,控制电路40判定是否已从检测电路20检测到该电源电压Vd起经过了预定的过放电检测延迟时间tVdet2。当低于过放电检测电压Vdet2的电源电压Vd直到经过了过放电检测延迟时间tVdet2为止持续被检测电路20检测到时,控制电路40向驱动开关53、54的各栅极输出高电平信号H。由此,驱动开关53断开,驱动开关54导通,从而DOUT端子的输出状态变为低电平。
之后,当检测电路20检测到比预定的过放电恢复电压Vrel2高的电源电压Vd(≒单元电压VBAT)时,控制电路40判定是否已从检测电路20检测到该电源电压Vd起经过了预定的过放电恢复延迟时间tVrel2。当高于过放电恢复电压Vrel2的电源电压Vd直到经过了过放电恢复延迟时间tVrel2为止持续被检测电路20检测到时,控制电路40向驱动开关53、54的各栅极输出低电平信号。由此,驱动开关53导通且驱动开关54关闭,从而DOUT端子的输出状态变为高电平。通过DOUT端子的输出状态变为高电平,放电控制晶体管2从截止变为导通,从而解除二次电池70的放电停止。
控制电路40例如使用多个模拟逻辑电路形成,而非使用CPU(Central ProcessingUnit)形成。
低电压检测电路61检测低于比过放电检测电压Vdet2设定得低的低电压检测电压Vst的电源电压Vd。低电压检测电压Vst是用于检测低电压的阈值,被设定得高于电荷泵30的最低工作电压VcpL。低电压检测电路61在未检测到比低电压检测电压Vst低的电源电压Vd时,输出低电平信号。由此,切断电路62导通,开关电路69的驱动开关64以及开关65断开。另一方面,低电压检测电路61在检测到比低电压检测电压Vst低的电源电压Vd时,输出高电平信号H。由此,切断电路62关闭,开关电路69的驱动开关64以及开关65导通。
当低电压检测电路61检测到比低电压检测电压Vst低的电源电压Vd时,切断电路62切断将控制电压Vcp供给到充电控制晶体管1的栅极的节点而成为阻抗。
接下来,作为切断电路62的切断方式例,对第一切断方式和第二切断方式进行说明。
第一切断方式是控制电路40被设定为在二次电池70的电压低于低电压检测电压Vst的状态下,将低电平信号L输出到驱动开关52和驱动开关52的各栅极时的方式。例如,控制电路40在未检测到比预定的过充电检测电压Vdet1高的电源电压Vd时(即,二次电池70的电压比低电压检测电压Vst低的状态下),向驱动开关51、52的各栅极输出低电平信号L。
在第一切断方式中,切断电路62切断CMOS逆变器的输出节点55和高电源电位部32之间的高侧路径。图2中示出了切断电路62具有作为切断该高压侧路径的PMOS晶体管的开关元件,且该开关元件串联地插入到输出节点55和驱动开关51的漏极之间的电路形式。另外,该开关元件也可以串联地插入到驱动开关51的源极和高电源电位部32之间。
在第一切断方式中,由于在二次电池70的电压低于低电压检测电压Vst的状态下,低电平信号L被输入到驱动开关51、52的各栅极,所以驱动开关51为导通状态,驱动开关52为断开状态。因此,在第一切断方式中,能够利用高压侧的切断电路62将导通状态的驱动开关51从输出节点55分离,从而将驱动电路50的充电控制侧驱动电路从充电控制晶体管1的栅极以及COUT端子分离。也就是说,切断电路62能够切断输出节点55和高电源电位部32之间而使输出节点55为高阻抗。
另一方面,第二切断方式是控制电路40被设定为在二次电池70的电压低于低电压检测电压Vst的状态下,将高电平信号输入到驱动开关52和驱动开关52的各栅极时的方式。例如,控制电路40在低电压检测电路61检测到比低电压检测电压Vst低的电源电压Vd时(即,二次电池70的电压比低电压检测电压Vst低的状态下),向驱动开关51、52的各栅极输出高电平信号。
在第二切断方式中,尽管图2中未示出,但切断电路62切断CMOS逆变器的输出节点55和低电源电位部33之间的低压侧路径。例如,切断电路62具有用于切断该低压侧路径的开关元件,且该开关元件被串联地插入到输出节点55和驱动开关52的漏极之间。另外,该开关元件也可以串联地插入到驱动开关52的源极和低电源电位部33之间。
在第二切断方式中,由于在二次电池70的电压低于低电压检测电压Vst的状态下,高电平信号被输入到驱动开关51、52的各栅极,所以驱动开关51为断开状态,驱动开关52为导通状态。因此,在第二切断方式中,能够利用未图示的低压侧的切断电路62将导通状态的驱动开关52从输出节点55分离,从而将驱动电路50的充电控制侧驱动电路从充电控制晶体管1的栅极以及COUT端子分离。也就是说,切断电路62能够切断输出节点55和低电源电位部33之间,使输出节点55为高阻抗。
开关电路69在低电压检测电路61检测到比低电压检测电压Vst低的电源电压Vd时,将充电控制晶体管1的栅极固定在充电器91的高电位侧电源端子的电位。例如,开关电路69在低电压检测电路61检测到比低电压检测电压Vst低的电源电压Vd时,使COUT端子与V+端子之间的连接成为导通状态。开关电路69在低电压检测电路61未检测到比低电压检测电压Vst低的电源电压Vd时,使COUT端子与V+端子之间的连接成为断开状态。
开关电路69例如具有驱动开关64以及开关65。驱动开关64是NMOS晶体管,开关65是PMOS晶体管。通过驱动开关64的导通,低电平信号L被输入到开关65的栅极,从而使开关65导通。连接节点57是连接COUT端子与开关65的节点。
接下来,对低电压检测电路61和开关电路69的功能进行更详细的说明。
当电源电压Vd高于低电压检测电压Vst时,开关65断开,电荷泵30进行升压动作。通过电荷泵30的升压动作,两倍于电源电压Vd的控制电压Vcp被供给到COUT端子,从而使充电控制晶体管1导通。因此,只要连接充电器91,即可对二次电池70进行充电。
另一方面,当电源电压Vd低于低电压检测电压Vst时,开关65通过低电压检测电路61而导通。由此,由于放电控制晶体管2处于截止状态,因此COUT端子的电位与P+端子的电位一致。在该状态下,如果连接充电器91,则P+端子的电压提升至VDD+Vf+Vds,如图3所示,确定充电控制晶体管1的漏极-源极间的电压Vds,以使充电电流Ichg流过。在图3中,纵轴表示充电控制晶体管1的漏极-源极间的电流Ids,横轴表示充电控制晶体管1的栅极-源极间的电压Vgs。Vf表示放电控制晶体管2的寄生二极管的正向电压。VDD表示电源电压Vd。
这样,能够通过开关65的导通,利用充电器91的输出电压使充电控制晶体管1持续导通。因此,能够防止充电控制晶体管1如以往技术那样反复导通截止,从而能够抑制对低電圧状態的二次电池的充电效率的降低。
这里,驱动电路50优选在低电压检测电路61检测到比低电压检测电压Vst低的电源电压Vd时,通过断开切断电路62来切断向COUT端子供给控制电压Vcp的路径。由此,能够将COUT端子从驱动电路50分离,防止COUT端子的电位不稳定,并且能够确保COUT端子的电位与P+的电位一致。
此外,优选低电压检测电路61在检测到比低电压检测电压Vst低的电源电压Vd时,使电荷泵30停止。由此,能够停止控制电压Vcp的产生,防止由于电荷泵30在低電圧状態下的工作而导致的错误操作。
图4是表示一个实施方式中的电池组的动作的时序图。当电源电压Vd低于低电压检测电压Vst时,由于开关65为导通状态且放电控制晶体管2为截止状态,因此COUT端子的电位与P+的电位一致。在该状态下,如果连接充电器91(Connect CHG),则P+端子和COUT端子的电压提升至VDD+Vf+Vds,二次电池70通过充电电流Ichg充电。充电电流Ichg流过放电控制晶体管2的寄生二极管和导通状态的充电控制晶体管1。
当电源电压Vd高于低电压检测电压Vst(0V CHG Release)时,低电压检测电路61重新开始电荷泵30的升压动作,使切断电路62导通,并使开关65断开。由此,升压后的控制电压Vcp(=2×VDD)被供给到COUT端子,P+端子的电压变为VDD+Vf。
当电源电压Vd高于过放电恢复电压Vrel2时(UVP Release),控制电路40使驱动电路50工作,从而将DOUT端子设为高电平。由此,放电控制晶体管2导通,P+端子的电压与VDD端子的电源电压Vd一致。
图5是表示低电压检测电路的第一结构例的图。图5所示的低电压检测电路61A具有NMOS晶体管61a和电阻61b的串联电路,从该串联电路的中间点输出信号。NMOS晶体管61a的栅极与VDD端子连接,源极接地,漏极与电阻61b的一端连接。电阻61b的另一端与V+端子连接。在低电压检测电路61A中,低电压检测电压Vst根据NMOS晶体管61a的阈值电压来设定。低电压检测电路61A具有将低电压检测电路61A的输出信号的电位电平转换为充电器91的高电位侧电源端子(V+端子的电位电平)的电平转换电路63A。电平转换电路63A具有插入到低电压检测电路61A的输出节点和V+端子之间的电阻61b,通过电阻61b进行电平转换。
图6是表示低电压检测电路的第二结构例的图。图6所示的低电压检测电路61B具有通过与电阻61c、61d之间的电阻比来变更低电压检测电压Vst的结构。通过电阻61c、61d对电源电压Vd分压而得到的电压被供给到NMOS晶体管61a的栅极。低电压检测电路61B具有与图5结构相同的电平转换电路63A。
图7是表示低电压检测电路的第三结构例的图。图7所示的低电压检测电路61C是将图6的电阻61b置换为耗尽型NMOS晶体管61e的电路。耗尽型NMOS晶体管61e作为电流源发挥作用。低电压检测电路61C具有将低电压检测电路61C的输出信号的电位电平转换为充电器91的高电位侧电源端子(V+端子的电位电平)的电平转换电路63B。电平转换电路63B具有连接在低电压检测电路61C的输出节点和V+端子之间的耗尽型NMOS晶体管61e,通过NMOS晶体管61e进行电平转换。
图8是表示开关结构例的图。图8所示的开关65具有PMOS晶体管66、67的串联电路以及连接在PMOS晶体管66、67的连接中间点和公共栅极之间的电流源68。通过该结构,能够在COUT端子和V+端子之间防止电流的逆流。
驱动开关64是通过前述电平转换电路的输出来控制栅极的NMOS晶体管。PMOS晶体管66、67的栅极公共连接且源极公共连接,其中,栅极由驱动开关64控制。PMOS晶体管66的漏极与COUT端子连接,PMOS晶体管67的漏极与V+端子连接。电流源68连接在PMOS晶体管66、67中的公共连接栅极和公共连接源极之间。
图9是表示一个比较方式中的电池组结构的图。为了提高电池组的安全性,增加了由第一电池保护电路110A和第二电池保护电路110B串联连接而成的双重保护结构。第一电池保护电路110A和第二电池保护电路110B分别独立检测过放电。第一电池保护电路110A在检测到过放电时,使放电控制晶体管DFETa截止,并将自身的V+端子下拉至VSS端子。第二电池保护电路110B在检测到过放电时,使放电控制晶体管DFETb截止,并将自身的V+端子下拉至VSS端子。
然而,当第二电池保护电路110B检测到过放电并使DFETb截止,从而禁止放电时,第一电池保护电路110A的VDD端子和VSS端子之间的电源电压变为0伏。此时,如果第一电池保护电路110A检测到电源电压的低電圧状態(0伏)并使充电控制晶体管CFETa截止,则电池组禁止放电。其结果是,即使连接充电器也无法重新充电,因此电池组将无法再使用。
与此相对,图10是表示第二实施方式中的电池组结构的图。第一电池保护电路10A与第二电池保护电路10B均具有与上述电池保护电路10(图2)相同的结构。图10所示的开关65a、65b与上述开关65相对应。
在图10的结构中,第二电池保护电路10B通过检测到过放电使DFETb截止,通过检测到低電圧状態使开关65b导通。因此,在将充电器连接到P+端子和P-端子之间时,能够将充电器的电压施加到CFETb的栅极,因此,从充电器输出的充电电流经由导通状态的DFETa、导通状态的CFETa、截止状态的DFETb的寄生二极管、以及导通状态的CFETb,流过二次电池70。这样,可以防止电池组无法再使用。
以上,通过实施方式对二次电池保护电路、二次电池保护装置以及电池组进行了说明,但本发明并不仅限于上述实施方式。在本发明的范围内可以进行与其他实施方式的一部分或全部之间的组合、置换等各种变形和改良。
例如,充电控制晶体管1与放电控制晶体管2的配置位置也可以相对于图示的位置互相置换。
Claims (10)
1.一种二次电池保护电路,其使用被串联地插入到二次电池的正极与负载以及充电器的高电位侧电源端子之间的电流路径中的充电控制NMOS晶体管和放电控制NMOS晶体管,来保护上述二次电池,该二次电池保护电路的特征在于,具备:
升压电路,其通过使上述二次电池的电压升压来生成控制电压;
驱动电路,其将上述控制电压供给到上述充电控制NMOS晶体管的栅极以及上述放电控制NMOS晶体管的栅极;
过放电检测电路,其检测低于预定的过放电检测电压的上述二次电池的电压;
控制电路,其在上述过放电检测电路检测到低于上述过放电检测电压的上述二次电池的电压时,使上述驱动电路工作以使上述放电控制NMOS晶体管的栅极成为低电平;
低电压检测电路,其检测低于比上述过放电检测电压设定得低的低电压检测电压的上述二次电池的电压;
切断电路,其在上述低电压检测电路检测到低于上述低电压检测电压的上述二次电池的电压时,切断将上述控制电压供给到上述充电控制NMOS晶体管的栅极的节点而成为高阻抗;以及
开关电路,其在上述低电压检测电路检测到低于上述低电压检测电压的上述二次电池的电压时,使上述充电控制NMOS晶体管的栅极固定在上述高电位侧电源端子的电位。
2.根据权利要求1所述的二次电池保护电路,其特征在于,
上述低电压检测电路在检测到低于上述低电压检测电压的上述二次电池的电压时,使上述升压电路停止。
3.根据权利要求1或2所述的二次电池保护电路,其特征在于,
上述低电压检测电路具有:电平转换电路,其将上述低电压检测电路的输出电位转换为上述高电位侧电源端子的电位,
上述开关电路具有:
第一NMOS晶体管,其栅极由上述电平转换电路的输出控制;
多个第一PMOS晶体管,其栅极公共连接且源极公共连接,其中,栅极由上述第一NMOS晶体管控制;以及
电流源,其连接在上述多个第一PMOS晶体管中的公共连接栅极与公共连接源极之间。
4.根据权利要求3所述的二次电池保护电路,其特征在于,
上述电平转换电路具有连接在上述低电压检测电路的输出节点与上述高电位侧电源端子之间的耗尽型NMOS晶体管。
5.根据权利要求1或2所述的二次电池保护电路,其特征在于,
上述驱动电路具有由源极与供给上述控制电压的高电源电位部连接的第二PMOS晶体管和源极与电位低于上述高电源电位部的低电源电位部连接的第二NMOS晶体管构成的CMOS逆变器,
当上述控制电路是在上述二次电池的电压低于上述低电压检测电压的状态下,向上述第二PMOS晶体管和上述第二NMOS晶体管的各栅极输出低电平信号的设定时,上述切断电路切断上述CMOS逆变器的输出节点与上述高电源电位部之间而使上述输出节点为高阻抗,
当上述控制电路是在上述二次电池的电压低于上述低电压检测电压的状态下,向上述第二PMOS晶体管和上述第二NMOS晶体管的各栅极输出高电平信号的设定时,上述切断电路切断上述CMOS逆变器的输出节点与上述低电源电位部之间而使上述输出节点为高阻抗。
6.根据权利要求1或2所述的二次电池保护电路,其特征在于,
上述驱动电路具有由源极与供给上述控制电压的高电源电位部连接的第二PMOS晶体管和源极与电位低于上述高电源电位部的低电源电位部连接的第二NMOS晶体管构成的CMOS逆变器,
当上述控制电路是在上述二次电池的电压低于上述低电压检测电压的状态下,向上述第二PMOS晶体管和上述第二NMOS晶体管的各栅极输出低电平信号的设定时,上述切断电路切断上述CMOS逆变器的输出节点与上述高电源电位部之间而使上述输出节点为高阻抗,
上述切断电路具有PMOS晶体管,
上述PMOS晶体管被插入到上述CMOS逆变器的输出节点与上述高电源电位部之间。
7.根据权利要求1或2所述的二次电池保护电路,其特征在于,
上述低电压检测电路具有MOS晶体管,
上述低电压检测电压根据上述MOS晶体管的阈值电压来设定。
8.一种二次电池保护装置,其特征在于,具备:
充电控制NMOS晶体管,其被串联地插入到二次电池的正极与负载以及充电器的高电位侧电源端子之间的电流路径中;
放电控制NMOS晶体管,其被串联地插入到上述电流路径中;
升压电路,其通过使上述二次电池的电压升压来生成控制电压;
驱动电路,其将上述控制电压供给到上述充电控制NMOS晶体管的栅极以及上述放电控制NMOS晶体管的栅极;
过放电检测电路,其检测低于预定的过放电检测电压的上述二次电池的电压;
控制电路,其在上述过放电检测电路检测到低于上述过放电检测电压的上述二次电池的电压时,使上述驱动电路工作以使上述放电控制NMOS晶体管的栅极成为低电平;
低电压检测电路,其检测低于比上述过放电检测电压设定得低的低电压检测电压的上述二次电池的电压;
切断电路,其在上述低电压检测电路检测到低于上述低电压检测电压的上述二次电池的电压时,切断将上述控制电压供给到上述充电控制NMOS晶体管的栅极的节点而成为高阻抗;以及
开关电路,其在上述低电压检测电路检测到低于上述低电压检测电压的上述二次电池的电压时,使上述充电控制NMOS晶体管的栅极固定在上述高电位侧电源端子的电位。
9.一种电池组,其特征在于,具备:
二次电池;
充电控制NMOS晶体管,其被串联地插入到上述二次电池的正极与负载以及充电器的高电位侧电源端子之间的电流路径中;
放电控制NMOS晶体管,其被串联地插入到上述电流路径中;
升压电路,其通过使上述二次电池的电压升压来生成控制电压;
驱动电路,其将上述控制电压供给到上述充电控制NMOS晶体管的栅极以及上述放电控制NMOS晶体管的栅极;
过放电检测电路,其检测低于预定的过放电检测电压的上述二次电池的电压;
控制电路,其在上述过放电检测电路检测到低于上述过放电检测电压的上述二次电池的电压时,使上述驱动电路工作以使上述放电控制NMOS晶体管的栅极成为低电平;
低电压检测电路,其检测低于比上述过放电检测电压设定得低的低电压检测电压的上述二次电池的电压;
切断电路,其在上述低电压检测电路检测到低于上述低电压检测电压的上述二次电池的电压时,切断用于将上述控制电压供给到上述充电控制NMOS晶体管的栅极的节点而成为高阻抗;以及
开关电路,其在上述低电压检测电路检测到低于上述低电压检测电压的上述二次电池的电压时,使上述充电控制NMOS晶体管的栅极固定在上述高电位侧电源端子的电位。
10.一种二次电池保护电路的控制方法,上述二次电池保护电路具备:
升压电路,其通过使二次电池的电压升压来生成控制电压;
驱动电路,其将上述控制电压供给到被串联地插入到上述二次电池的正极与负载以及充电器的高电位侧电源端子之间的电流路径中的充电控制NMOS晶体管的栅极以及被串联地插入到上述电流路径中的放电控制NMOS晶体管的栅极;
过放电检测电路,其检测低于预定的过放电检测电压的上述二次电池的电压;以及
控制电路,其在上述过放电检测电路检测到低于上述过放电检测电压的上述二次电池的电压时,使上述驱动电路工作以使上述放电控制NMOS晶体管的栅极成为低电平,
上述二次电池保护电路的控制方法的特征在于,
检测低于比上述过放电检测电压设定得低的低电压检测电压的上述二次电池的电压,
当检测到低于上述低电压检测电压的上述二次电池的电压时,切断用于将上述控制电压供给到上述充电控制NMOS晶体管的栅极的节点而成为高阻抗,
当检测到低于上述低电压检测电压的上述二次电池的电压时,使上述充电控制NMOS晶体管的栅极固定在上述高电位侧电源端子的电位。
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