TWI686028B - 電池保護架構 - Google Patents

Abstract

本發明係一種電池保護架構，包括功率開關元件、過電流保護設定電阻、保護控制器、第一二極體、第二二極體、切換開關以及電流感測電阻，用以提供電池保護功能。主要是利用定電流流過過電流保護設定電阻，產生過電流電壓臨限值，當作過電流保護的參考位準，使用者可使用最佳的過電流保護設定電阻而彈性調節過電流電壓臨限值。再者，由保護控制器控制切換開關而切換第一二極體、第二二極體，用以在充電或放電期間發生過電流的異常狀態時，關閉充放電迴路，避免損壞功率開關元件，達到過電流保護目的。

Description

電池保護架構

本發明係一種電池保護架構，尤其是針對可充電式電池的保護架構，包括保護控制器、功率開關元件(比如MOSFET)、第一二極體、第二二極體、切換開關以及過電流保護設定電阻，用以實現單晶片完成充電池進行充放電動作時的過充電、過放電的保護。主要由保護控制器控制內部所整合功率開關元件內的第一二極體、第二二極體進行切換，用以在電池進行充電或放電期間發生過度充電、過度放電、過電壓以及過溫的異常狀態時，關閉充放電迴路，避免電池的損壞或傷害及增加對功率開關元件的保護，達到對電池保護目的。再者，利用定電流流過過電流保護設定電阻，產生過電流電壓臨限值，當作過電流保護的參考位準，使用者可使用最佳的過電流保護設定電阻而彈性調節過電流的臨限值。

隨著電子工業技術的不斷進步，使得各種可攜式電子產品的愈加普及，包括手機、平板電腦、筆記型電腦、隨身影音播放器、無線耳機，而所配置的可攜式電源一般包含傳統的乾電池、鹼性電池，但這類的一次性電池只能使用一次，當電力輸出下降到下限值時，即須丟棄，造成大量難以處理的垃圾，所以非常不環保而且很浪費資源。因此，大部分的可攜式電子產品都改用可重負多次充電放電循環的充電電池，比如鋰電池。

眾所周知的是，充電電池所使用的材料相當不穩定，而當充 電電池發生過度充電或過度放電時，便很容易引起爆炸，非常的危險，對使用安全性構成嚴重挑戰。

在習用技術中，為避免發生過度充電或過度放電的問題，如第一圖所示，會利用控制器M、第一一極體D1、第二二極體D2、第一電晶體MOS1以及第二電晶體MOS2以構成保護架構，用以保護充電電池B。具體作法是，在正常充電或放電時，由控制器M導通第一電晶體MOS1以及第二電晶體MOS2，且關閉第一二極體D1、第二二極體D2，而在發生充電過電流時，關閉第一電晶體MOS1，並導通第一二極體D1，如果是放電過電流，則關閉第二電晶體MOS2，並導通第二二極體D2。再者，過電流保護的臨限值是設定為固定的電壓位準，當作是過電流的保護點，比如150mV，一般是透過第一電晶體MOS1以及第二電晶體MOS2的導通電阻，亦即RDS(ON)，來選擇並決定過電流的大小。

然而，上述習用技術的缺點在於第一電晶體MOS1以及第二電晶體MOS2為串接組態，因此在正常操作狀態下，充電電流或放電電流會串流過第一電晶體MOS1以及第二電晶體MOS2而消耗部分電力，造成良費，同時降低系統中正極端BTT+及負極端BTT+之間的跨壓，影響充電電池B的充電放電效率。

此外，習用技術中過電流保護的臨限值在電路硬體上為固定值，使用者無法改變，在需要滿足不同過電流大小的需求時，很明顯的，只能更換相對應的控制器M，因而大幅限縮應用上的方便性。

因此，很需要一種創新的電池保護架構，利用定電源的定電流流過過電流保護設定電阻，並將所產生電壓設定為過電流電壓臨限值， 以供過電流保護的參考位準，因而使用者可依實際需要使用具最佳電阻值的過電流保護設定電阻而到彈性調節過電流電壓臨限值的目的，再者，利用切換開關以切換第一二極體、第二二極體，用以在充電或放電期間發生過電流的異常狀態時，關閉充放電迴路，避免損壞功率開關元件，達到過電流保護目的，藉以解決習用技術的問題。

本發明之主要目的在於提供一種電池保護架構，包括功率開關元件、過電流保護設定電阻、保護控制器、第一二極體、第二二極體、切換開關以及電流感測電阻，用以提供電池保護功能，避免發生過電壓、過電流、過高溫，其中功率開關元件可為金氧半場效電晶體(MOSFET)，並具有汲極、閘極及源極，而保護控制器可為微控制器(MCU)。此外，汲極至源極的跨壓是當作充電導通電壓，而源極至汲極的跨壓是當作放電導通電壓。

具體而言，保護控制器具有電源端、接地端、過電流電壓設定端、控制端、切換端以及電流感測端，其中控制端是連接至功率開關元件的閘極，電源端及接地端是分別連接至充電電池的正極及負極，而功率開關元件的汲極是連接充電電池的負極，保護控制器的過電流電壓設定端連接過電流保護設定電阻的一端，而過電流保護設定電阻的另一端是連接至充電電池的負極。

此外，第一二極體的正極是連接功率開關元件的汲極，第二二極體的負極是連接功率開關元件的汲極。切換開關具有輸入端、第一輸出端及第二輸出端，其中輸入端連接至保護控制器的切換端，第一輸出端 連接至第一二極體的負極，而第二輸出端連接至第二二極體的正極。進一步，電流感測端連接電流感測電阻的一端，而電流感測電阻的另一端是連接至功率開關元件的源極，並由電流感測端產生電流感測電壓。

充電電池的正極連接正極端，且功率開關元件的源極進一步連接負極端，而正極端及負極端進一步連接外部裝置，其中充電電池可為鋰系充電電池，而外部裝置可為充電積體電路(Charger IC)、升壓(Boost)IC或降壓(Buck)IC。

尤其，保護控制器包含定電流源以及處理核心。定電流源產生定電流，並輸出至過電流電壓設定端，此時，過電流電壓設定端的電壓被當作過電流電壓臨限值。處理核心接收並比較過電流電壓臨限值、充電導通電壓以及放電導通電壓，藉以產生並輸出控制信號至控制端，同時產生並輸出切換信號至切換端。當充電導通電壓為正值時，處理核心判斷充電電池是在進行充電，而當放電導通電壓為正值時，處理核心判斷充電電池是在進行放電。

當充電電池進行充電且充電導通電壓大於或等於過電流電壓臨限值時，表示充電電池發生過度充電(過充)，因此，控制信號關閉該功率開關元件，同時該切換開關依據該切換信號以連接該輸入端至該第一輸出端，進而導通該第一二極體，並關閉該第二二極體。

當充電電池進行放電且放電導通電壓大於或等於過電流電壓臨限值時，表示發生過度充電(過放)，則由控制信號關閉功率開關元件，同時切換開關依據切換信號以連接輸入端至第二輸出端，進而關閉第一二極體，並導通第二二極體。

當充電電池進行充電且充電導通電壓小於過電流電壓臨限值時，或當放電電池進行放電且放電導通電壓小於過電流電壓臨限值時，由控制信號導通功率開關元件，並由切換開關依據切換信號關閉該第一二極體及該第二二極體。

因此，本發明可具體實現過充、過放時的保護功能。

此外，處理核心還可監測整體溫度是否超出臨限值而判斷是否發生過度高溫(過溫)，比如功率開關元件或處理核心本身是否過溫，進而實現過溫保護功能。

很明顯，本發明利用定電源的定電流流過過電流保護設定電阻，並將所產生電壓設定為過電流電壓臨限值，以供過電流保護的參考位準，因而使用者可依實際需要使用具最佳電阻值的過電流保護設定電阻而達到彈性調節過電流電壓臨限值的目的，再者，利用切換開關以切換第一二極體、第二二極體，用以在充電或放電期間發生過電流的異常狀態時，關閉充放電迴路，避免損壞功率開關元件，達到過電流保護目的。

10‧‧‧保護控制器

12‧‧‧定電流源

14‧‧‧處理核心

20‧‧‧切換開關

B‧‧‧充電電池

BTT+‧‧‧正極端

BTT-‧‧‧負極端

D1‧‧‧第一二極體

D2‧‧‧第二二極體

I‧‧‧定電流

IN‧‧‧輸入端

M‧‧‧控制器

MOS1‧‧‧第一電晶體

MOS2‧‧‧第二電晶體

OUT1‧‧‧第一輸出端

OUT2‧‧‧第二輸出端

Q‧‧‧功率開關元件

ROV‧‧‧過電流保護設定電阻

RCS‧‧‧電流感測電阻

VCT‧‧‧控制信號

VSW‧‧‧切換信號

X‧‧‧第一節點

Y‧‧‧第二節點

CT‧‧‧控制端

CS‧‧‧電流感測端

GND‧‧‧接地端

OV‧‧‧過電壓設定端

SW‧‧‧切換端

VCC‧‧‧電源端

第一圖顯示習用技術電池保護架構的示意圖。

第二圖顯示依據本發明實施例電池保護架構的示意圖。

以下配合圖示及元件符號對本發明之實施方式做更詳細的說明，俾使熟習該項技藝者在研讀本說明書後能據以實施。

請參考第二圖，本發明實施例電池保護架構的示意圖。如第二圖所示，本發明實施例的電池保護架構包括功率開關元件Q、過電流保護 設定電阻ROV、保護控制器10、第一二極體D1、第二二極體D2、切換開關20以及電流感測電阻RCS，用以提供電池保護功能，避免發生過電壓、過電流、過高溫。功率開關元件Q、保護控制器10、第一二極體D1、第二二極體D2、切換開關20以及電流感測電阻RCS可為分立的元件，也可以較佳的整合成單一的積體電路(IC)。

上述的功率開關元件Q可為金氧半場效電晶體(MOSFET)，並具有汲極、閘極及源極，而保護控制器10可為微控制器(MCU)。

再者，功率開關元件Q的汲極至源極的跨壓是當作充電導通電壓，而源極至汲極的跨壓是當作放電導通電壓。

具體而言，保護控制器10具有電源端VCC、接地端GND、過電壓設定端OV、控制端CT、切換端SW以及電流感測端CS，其中電源端VCC、接地端GND分別連接充電電池B的正極及負極，且保護控制器10是經由電源端VCC、接地端GND感測充電電池B的端電壓，並經由控制端CT輸出控制信號，用以導通或關閉功率開關元件Q，同時，經由切換端SW輸出切換信號，用以導通或關閉第一二極體D1、第二二極體D2。

充電電池B的正極及負極是分別連接正極端BTT+及負極端BTT-，且正極端BTT+及負極端BTT-還進一步連接外部裝置(圖中未顯示)，比如充電積體電路(Charger IC)、升壓(Boost)IC、降壓(Buck)IC。再者，上述的充電電池B可為鋰系充電電池。

此外，保護控制器10的過電流電壓設定端OV連接過電流保護設定電阻ROV的一端，且過電流保護設定電阻ROV的另一端是連接至充電電池B的負極。第一二極體D1的正極是連接功率開關元件Q的汲極，而第 二二極體D2的負極是連接功率開關元件Q的汲極。

切換開關20具有輸入端IN、第一輸出端OUT1及第二輸出端OUT2，其中輸入端IN連接至保護控制器10的切換端SW，第一輸出端OUT1連接至第一二極體D1的負極，而第二輸出端OUT2連接第二二極體D2的正極。進一步，電流感測端CS連接電流感測電阻RCS的一端，而電流感測電阻RCS的另一端是連接至功率開關元件Q的源極，且由電流感測端CS產生電流感測電壓。

更加具體而言，保護控制器10是包含定電流源12以及處理核心14，其中定電流源12產生並輸出定電流I至過電流電壓設定端OV，進而流過過電流保護設定電阻ROV，且在過電流電壓設定端OV的電壓是當作過電流電壓臨限值，而處理核心14接收並比較過電流電壓臨限值、充電導通電壓以及放電導通電壓，藉以產生並輸出控制信號VCT至控制端CT，同時產生並輸出切換信號VSW至切換端SW。

當充電導通電壓為正值時，表示有一電流由節點X流向節點Y，所以處理核心14判斷充電電池B是在進行充電，而當放電導通電壓為正值時，表示有一電流由節點Y流向節點X，所以處理核心14判斷充電電池是在進行放電。

如果充電電池B是在進行充電中而且充電導通電壓是大於或等於過電流電壓臨限值，即表示充電電池B發生異常狀態的過度充電(或簡稱過充)，充電電流過大，因此，控制信號VCT關閉功率開關元件Q，同時切換開關20依據切換信號VSW以連接輸入端IN至第一輸出端OUT1，進而導通第一二極體D1，並關閉第二二極體D2。其功效為將過大的充電電流直接 流過第一二極體D1，而不流過功率開關元件Q，進而保護功率開關元件Q以免損壞。

如果充電電池B在進行放電且放電導通電壓是大於或等於過電流電壓臨限值，即表示發生異常狀態的過度充電(或簡稱過放)，放電電流過大，此時，控制信號VCT關閉功率開關元件Q，同時切換開關20依據切換信號VSW以連接輸入端IN至第二輸出端OUT2，進而關閉第一二極體D1，並導通第二二極體D2。此時，所達成的功效為將過大的放電電流直接流過第二二極體D2，而不流過功率開關元件Q，進而保護功率開關元件Q以免損壞。

如果充電電池B進行充電且充電導通電壓是小於過電流電壓臨限值，亦即正常的充電狀態，或是如果放電電池B進行放電且放電導通電壓是小於過電流電壓臨限值，亦即正常的放電狀態，則控制信號VCT導通功率開關元件Q，並由切換開關20依據切換信號VSW同時關閉第一二極體D1及第二二極體D2。

較佳的，處理核心14在一開機時，所產生的控制信號VCT是用以導通功率開關元件Q，同時，所產生的切換信號VSW是同時關閉第一二極體D1及第二二極體D2，亦即，在啟始狀態下，功率開關元件Q是導通，而第一二極體D1及第二二極體D2是關閉。

另外，處理核心14還可進一步提供過度高溫(過溫)的保護功能，主要是偵測並監視功率開關元件Q的溫度或是整個保護控制器10的溫度，並在溫度超過臨限溫度時，認為發生過溫的異常狀態，此時，處理核心14驅動控制信號以關閉功率開關元件，並驅動切換信號而由切換開關同 時關閉第一二極體及第一二極體。

綜上所述，本發明的特點在於利用定電源的定電流流過過電流保護設定電阻，並將所產生電壓設定為過電流電壓臨限值，供過電流保護的參考位準，可依實際需要使用具最佳電阻值的過電流保護設定電阻，藉以達到彈性調節過電流電壓臨限值的目的。

本發明的另一特點在於利用切換開關而切換第一二極體、第二二極體，用以在充電或放電期間發生過電流的異常狀態時，形成旁通路徑以導引異常的過電流，避免功率開關元件損壞，達到過電流保護目的。尤其，本發明可只使用單一的功率開關元件，大幅簡化系統配置、電路佈局，提升操作的可靠度及穩定性。

以上所述者僅為用以解釋本發明之較佳實施例，並非企圖據以對本發明做任何形式上之限制，是以，凡有在相同之發明精神下所作有關本發明之任何修飾或變更，皆仍應包括在本發明意圖保護之範疇。

10‧‧‧保護控制器

12‧‧‧定電流源

14‧‧‧處理核心

20‧‧‧切換開關

B‧‧‧充電電池

BTT+‧‧‧正極端

BTT-‧‧‧負極端

D1‧‧‧第一二極體

D2‧‧‧第二二極體

I‧‧‧定電流

IN‧‧‧輸入端

OUT1‧‧‧第一輸出端

OUT2‧‧‧第二輸出端

Q‧‧‧功率開關元件

ROV‧‧‧過電流保護設定電阻

RCS‧‧‧電流感測電阻

VCT‧‧‧控制信號

VSW‧‧‧切換信號

X‧‧‧第一節點

Y‧‧‧第二節點

Claims (6)

1. 一種電池保護架構，包括：一功率開關元件，具有一汲極、一閘極及一源極，且該汲極至該源極的跨壓為一充電導通電壓，而該源極至該汲極的跨壓為一放電導通電壓；一保護控制器，具有一電源端、一接地端、一過電流電壓設定端、一控制端、一切換端以及一電流感測端，該控制端是連接至該功率開關元件的閘極，且該電源端及該接地端是分別連接至一充電電池的一正極及一負極，該功率開關元件的汲極連接該充電電池的負極；一過電流保護設定電阻，由該保護控制器的過電流電壓設定端連接該過電流保護設定電阻的一端，而該過電流保護設定電阻的一另一端是連接至該充電電池的負極；一第一二極體，具有一正極及一負極，該正極是連接該功率開關元件的汲極；一第二二極體，具有一正極及一負極，該負極是連接該功率開關元件的汲極；一切換開關，具有一輸入端、一第一輸出端及一第二輸出端，該輸入端連接至該保護控制器的切換端，該第一輸出端連接至該第一二極體的負極，該第二輸出端連接至該第二二極體的正極；以及一電流感測電阻，由該電流感測端連接該電流感測電阻的一端，而該電流感測電阻的一另一端是連接至該功率開關元件的源極，該電流感測端產生一電流感測電壓，其中該充電電池的正極連接一正極端，且該功率開關元件的源極進一步連接一負極端，而該正極端及該負極端進一步連接一外部裝置，該保護控制器包含一定電流源以及一處理核心，該定電流源產生一定電流，並輸出至 該過電流電壓設定端，且該過電流電壓設定端的電壓為一過電流電壓臨限值，該處理核心接收並比較該過電流電壓臨限值、該充電導通電壓以及該放電導通電壓，藉以產生並輸出一控制信號至該控制端，同時產生並輸出一切換信號至該切換端，該充電導通電壓為一正值時，該處理核心判斷該充電電池是在進行充電，該放電導通電壓為一正值時，該處理核心判斷該充電電池是在進行放電，當該充電電池進行充電且該充電導通電壓大於或等於該過電流電壓臨限值時，表示發生過度充電(過充)，該控制信號關閉該功率開關元件，同時該切換開關依據該切換信號以連接該輸入端至該第一輸出端，進而導通該第一二極體，並關閉該第二二極體，當該充電電池進行放電且該放電導通電壓大於或等於該過電流電壓臨限值時，表示發生過度放電(過放)，該控制信號關閉該功率開關元件，同時該切換開關依據該切換信號以連接該輸入端至該第二輸出端，進而關閉該第一二極體，並導通該第二二極體，當該充電電池進行充電且該充電導通電壓小於該過電流電壓臨限值時，或當該放電電池進行放電且該放電導通電壓小於該過電流電壓臨限值時，由該控制信號導通該功率開關元件，並由該切換開關依據該切換信號同時關閉該第一二極體及該第二二極體。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之電池保護架構，其中該充電電池為一鋰系充電電池，而該外部裝置為一充電積體電路(Charger IC)、一升壓(Boost)IC或一降壓(Buck)IC。
3. 依據申請專利範圍第1項所述之電池保護架構，其中該保護控制器是由一微控制器(MCU)而實現。
4. 依據申請專利範圍第1項所述之電池保護架構，其中該功率開關元件為一金氧半場效電晶體(MOSFET)。
5. 依據申請專利範圍第1項所述之電池保護架構，其中該處理核心進一步 在該功率開關元件或該處理核心發生過度高溫(過溫)時，驅動該控制信號以關閉該功率開關元件，並驅動該切換信號而由該切換開關關閉該第一二極體及該第一二極體。
6. 依據申請專利範圍第1項所述之電池保護架構，其中該功率開關元件、該保護控制器、該第一二極體、該二二極體、該切換開關以及該電流感測電阻係整合成一單一的積體電路(IC)。

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