一种用于多节锂电池保护芯片的断线检测系统的制作方法

本发明涉及多节锂电保护芯片，尤其是一种用于多节锂电池保护芯片的断线检测系统。

背景技术：

近年来，电动工具、电动车等逐渐融入我们的生活，分析其供电系统发现基本都是采用多节锂电池来当作它的主要电源，究其原因不外乎其体积小、能量密度高、无记忆效应、循环寿命高、电池电压高、自放电率低等优点。但是锂电池本身也存在安全隐患，过度的充电会使电池电压升高，电池膨胀发生爆炸，过度放电会损坏电池特性，严重影响电池的使用寿命，这种情况在多节锂电池供电的系统中尤为严重。普通的锂电池保护芯片针对电池的过度充电、过度放电等已有相应的保护机制，但是当电池与保护芯片之间连线发生断开时，系统没法检测出这种状态，整个电池组仍然在充电或是放电，存在严重的安全隐患。

技术实现要素：

为解决多节锂电保护芯片中电池与保护芯片连接断开，系统无法识别出这种状态，仍继续充电或放电的问题，特提出一种多节锂电池保护芯片的断线检测系统，以便当电池与保护芯片连接断开时候，系统能检测出这种断线状态，终止电池组的充电或是放电，防止电池过度充电或过度放电造成的安全隐患，提升系统的安全性。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：一种用于多节锂电池保护芯片的断线检测系统，保护芯片的供电电源为至少4节锂电池，其特征在于：断线检测系统包括依次连接的逻辑时序电路、电平移位电路和断线检测电路，逻辑时序电路产生初始的断线检测时序信号输出给电平移位电路，经电平移位电路后得到最终的断线检测时序信号传递给断线检测电路，该断线检测电路设有与电池节数对应数量的断线检测单元，每个检测单元对应一个输出信号，各断线检测单元的输出信号分别输入至断线检测信号输出单元，断线检测信号输出单元将输出控制信号连接保护芯片ic的充电控制端子cout和放电控制端子dout，正常状态没有发生断线保护时，充电控制端子cout和放电控制端子dout输出高电平，对应控制的充放电nmos管开启，能进行正常的充电和放电，任一节电池发生断线现象时，断线检测信号输出单元的输出控制信号控制充电控制端子cout和放电控制端子dout输出低电平，对应控制的充放电nmos管关闭，实现断线状态下系统的充电及放电保护。

所述逻辑时序电路包括nmos管nm4、比较器comp1和comp2、反相器inv1、inv2、inv3和inv4、与非门nand1和nand1以及d触发器dff、电容c1和电流源；电流源的正端连接vcc，电流源的负端连接电容c1的一端以及nmos管nm4的漏极、比较器comp1的正端和比较器comp2的正端，电容c1的另一端连接nmos管nm4的源极并接地，比较器comp1的负端连接基准电压vstart，比较器comp2的负端连接基准电压vend，比较器comp1的输出连接反相器inv1的输入以及非门nand1的输入端b和与非门nand2的输入端a，反相器inv1的输出连接d触发器dff的时钟端clk，d触发器dff的输出端q与输入端d互连并连接反相器inv2输入和与非门nand1的另一个输入端a，比较器comp2的输出连接nmos管nm4的栅极，反相器inv2的输出连接与非门nand2的另一个输入端b，与非门nand1的输出信号odd连接反相器inv3的输入，反相器inv3输出信号odd_n，与非门nand2的输出信号even连接反相器inv4的输入，反相器inv4输出信号even_n；

所述电平移位电路包括两个结构相同的电平移位单元，只是两个电平移位单元中的输入信号和输出信号不一样，每个电平移位单元均包括两个pmos管和两个nmos管；

第一电平移位单元包括pmos管pm1和pm2以及nmos管nm5和nm6，pmos管pm1的源极与pmos管pm2的源极互连并连接vdd，pmos管pm1的栅极连接pmos管pm2的漏极和nmos管nm6的漏极并作为第一电平移位单元的输出端，输出信号为even_sw，pmos管pm2的栅极连接pmos管pm1的漏极和nmos管nm5的漏极，nmos管nm5的栅极为第一电平移位单元的输入端连接逻辑时序电路中与非门nand2的输出信号even，nmos管nm5的源极与nmos管nm6的源极互连并接地，nmos管nm6的栅极为第一电平移位单元的另一个输入端连接输出信号even经反相器inv4后的输出信号even_n；

第二电平移位单元包括pmos管pm100和pm200以及nmos管nm500和nm600，pmos管pm100的源极与pmos管pm200的源极互连并连接vdd，pmos管pm100的栅极连接pmos管pm200的漏极和nmos管nm600的漏极并作为第二电平移位单元的输出端，输出信号为odd_sw，pmos管pm200的栅极连接pmos管pm00的漏极和nmos管nm500的漏极，nmos管nm500的栅极为第二电平移位单元的输入端连接逻辑时序电路中与非门nand1的输出信号odd，nmos管nm500的源极与nmos管nm600的源极互连并接地，nmos管nm600的栅极为第二电平移位单元的另一个输入端连接输出信号odd经反相器inv3后的输出信号odd_n。

所述断线检测电路设有与电池节数对应数量的断线检测单元和一个断线检测信号输出单元，每个断线检测单元均包括三个电阻、一个比较器、两个nmos管和一个pmos管。从第一节电池开始，第一电阻的一端和第二电阻的一端以及比较器的电源端和pmos管的源极均连接本节电池的正极电压，第一电阻的另一端连接第一nmos管的漏极，第一nmos管的栅极连接第二电平移位单元的输出信号odd_sw，第二电阻的另一端连接第三电阻的一端和比较器的负输入端，比较器的正输入端连接基准电压，第三电阻的另一端连接比较器的接地端和第一nmos管的源极并连接下一节电池的正极电压，比较器的输出连接pmos管的栅极，pmos管的漏极连接第二nmos管的漏极并作为本节电池断线检测单元的输出端，第二nmos管的栅极连接配置电压，第二nmos管的源极接地vss；第二节电池、第三节电池…以此类推，但需要注意的是，奇数节电池断线检测电路中的第一nmos管的栅极连接第二电平移位单元的输出信号odd_sw，偶数节电池断线检测电路中的第一nmos管的栅极连接第一电平移位单元的输出信号even_sw，即奇数节电池断线检测电路中的第一nmos管的栅极共用odd_sw检测信号，偶数节电池断线检测电路中的第一nmos管的栅极共用even_sw检测信号，且最后一节电池断线检测电路中的第三电阻的另一端连接比较器的接地端以及第一nmos管的源极并接地vss；

断线检测信号输出单元中设有与电池节数及断线检测电路数量相同的nmos管和一个pmos管，各nmos管的栅极分别对应依次连接各节电池断线检测单元的输出信号，各nmos管的源极连接在一起并接地vss，各nmos管的漏极连接在一起并连接pmos管的漏极作为断线检测电路的断线检测信号输出端，连接保护芯片ic的充电控制端子cout和放电控制端子dout，pmos管的栅极连接偏置电压，pmos管的源极连接vdd。

所述保护芯片的供电电源可采用5节锂电池。

本发明具有如下优点及有益效果：多节锂电保护的应用中，当电池与保护芯片之间连线断开时，本发明系统能够检测出这种状态，终止电池组的充电或是放电，防止电池过度充电或过度放电造成的安全隐患，提升了系统的安全性和可靠性。

附图说明

图1是多节锂电保护系统简化应用图；

图2是本发明断线检测系统框图；

图3是本发明断线检测系统中的逻辑时序电路图；

图4a是本发明断线检测系统中的一个电平移位电路图；

图4b是本发明断线检测系统中的另一个电平移位电路图；

图5是本发明断线检测系统中的断线检测电路图；

图6是本发明的检测时序图一；

图7是本发明的检测时序图二。

具体实施方式

图1为已知的一种5节锂电保护系统简化应用图。电池充电、放电电路包括锂电池1、锂电池2、锂电池3、锂电池4、锂电池5，齐纳二极管zd1、电阻rvc1、rvc2、rvc3、rvc4、rvc5、rvdd、rse、rsens、rdrain、rco1、rco2、rvmp，电容cvc1、cvc2、cvc3、cvc4、cvc5、cvdd，nmos管nm1、nm2、nm3和保护芯片ic，保护芯片ic的vdd(电源端子)端口连接电容cvdd的一端、zd1正极、电阻rvdd的一端，电容cvdd的另一端、zd1的负极接地，电阻rvdd的另一端连接锂电池1的正极和pb+(充电器和负载正极)，保护芯片ic的vc1(电池1电压监测端子)端口连接电容cvc1的一端和电阻rvc1的一端，电容cvc1的另一端连接保护芯片ic的vc2(电池2电压监测端子)，电阻rvc1的另一端连接锂电池1的正极，保护芯片ic的vc2(电池2电压监测端子)端口连接电容cvc2的一端和电阻rvc2的一端，电容cvc2的另一端连接保护芯片ic的vc3(电池3电压监测端子)，电阻rvc2的另一端连接锂电池2的正极和锂电池1的负极，保护芯片ic的vc3(电池3电压监测端子)端口连接电容cvc3的一端和电阻rvc3的一端，电容cvc3的另一端连接保护芯片ic的vc4(电池4电压监测端子)，电阻rvc3的另一端连接锂电池3的正极和锂电池2的负极，保护芯片ic的vc4(电池4电压监测端子)端口连接电容cvc4的一端和电阻rvc4的一端，电容cvc4的另一端连接保护芯片ic的vc5(电池5电压监测端子)，电阻rvc4的另一端连接锂电池4的正极和锂电池3的负极，保护芯片ic的vc5(电池5电压监测端子)端口连接电容cvc5的一端和电阻rvc5的一端，电容cvc5的另一端连接保护芯片ic的vss(芯片的地)，电阻rvc5的另一端连接锂电池5的正极和锂电池4的负极，电池5负极节vss，保护芯片ic的电阻rsens一端接vss，另一端接rse和nm1源级，rse另一端接保护芯片ic的sens(电流检测端子)，nm1栅极接保护芯片ic的dout(放电控制端子)，nm1漏级接nm2漏级和电阻rdrain的一端，rdrain的另一端接nm3的漏级，nm3的源级接vss，栅极接保护芯片ic的drain(过流保护解除端子)，nm2栅极接电阻rco1一端、电阻rco2一端，电阻rco1另一端接保护芯片ic的cout(充电控制端子)，电阻rco2另一端接nm2源级、rvmp一端和pb-(充电器、负载负极)，rvmp另一端接保护芯片ic的vmp(充电器、负载检测端子)。

如果没有断线保护，电池处于正常状态时，例如vss＝0v，vc5＝3.5v，vc4＝7.0v，vc3＝10.5v，vc2＝14.0v，vc1＝17.5v，vdd＝17.5v时，能进行正常的充电和放电，系统充电的时候，如果发生断线，由于没有断线检测电路，断线电池电压不能被系统实时正确监测，电池电压可以被充电到很高的电位，容易发生爆炸，系统放电的时候，如果发生断线，由于没有断线检测电路，断线电池电压不能被系统实时正确监测，电池电压可以被放电到很低的电位，对电池造成损伤，降低电池的使用寿命。

如图2，本发明断线检测系统包括依次连接的逻辑时序电路、电平移位电路和断线检测电路，逻辑时序电路产生初始的断线检测时序信号odd、odd_n、even和even_n输出给电平移位电路，经电平移位电路后得到最终的断线检测时序信号odd_sw和even_sw传递给断线检测电路，当任一节电池发生断线现象时，断线检测电路输出的断线保护控制信号out控制保护芯片ic的充电控制端子cout和放电控制端子dout的输出，实现断线状态下系统的充电及放电保护。

如图3，逻辑时序电路中电容c1上极板与电流源、比较器comp1、comp2的正向输入端以及nm4的漏极连接，电容c1下极板和nm4的源极接地vss，comp1负向输入端接基准电压vstart，comp1输出信号连接反相器inv1输入以及与非门nand1的b输入端和与非门nand2的a输入端，comp2的负向输入端接基准电压vend，comp2输出端接nm4的栅极，inv1输出接d触发器时钟clk端，d触发器输出端q和输入端d相连，同时和反相器inv2输入、与非门nand1的a输入端相连，反相器inv2输出信号和与非门nand2的b输入端相连，nand1输出odd信号并和反相器inv3输入连接，inv3输出odd_n信号，nand2输出even信号并和反相器inv4输入连接，inv4输出even_n信号。

电平移位电路包括两个结构相同的电平移位单元，只是两个电平移位单元中的输入信号和输出信号不一样，每个电平移位单元均包括两个pmos管和两个nmos管；

图4a为第一电平移位单元，pm1与pm2源极接vdd电位，pm1漏极接pm2栅极和nm5漏极，nm5栅极接even信号，nm5源极和nm6源级接地vss电位，pm1栅极、pm2漏极、nm6漏极连接到一起输出信号even_sw，nm6栅极接even的反向信号even_n，实现输入信号even、even_n到输出信号even_sw的电平移动。

图4b为第二电平移位单元，pm100与pm200源极接vdd电位，pm100漏极接pm200栅极、nm500漏极，nm500栅极接odd信号，源极和nm600源级相连接vss电位，pm100栅极、pm200漏极、nm600漏极连接到输出信号odd_sw，nm6栅极接odd的反向信号odd_n，实现输入信号odd、odd_n到输出信号odd_sw的电平移动。

以odd_sw的移位为例，当输入odd信号为低电平时，odd_n信号为高电平(3.7v)，此时输出odd_sw信号为低电平，当odd信号为高电平(3.7v)，odd_n信号为低电平，此时输出odd_sw信号为高电平(vdd电平)，实现了电平移位，even_sw的移位与此类似。

参看图5，以5节电池为例，断线检测电路设有与电池节数对应数量的5个断线检测单元和一个断线检测信号输出单元，每个断线检测单元均包括三个电阻、一个比较器、两个nmos管和一个pmos管。

第一节电池的断线检测单元包括电阻r1、r2和r3，比较器comp3，pmos管pm3以及nmos管nm7和nm8，电阻r1的一端连接电阻r2的一端以及比较器comp3的电源端和pmos管pm3的源极并连接第一节电池的正极电压vc1，电阻r1的另一端连接nmos管nm7漏极，nmos管nm7的栅极连接第二电平移位单元的输出信号odd_sw，电阻r2的另一端连接比较器comp3的负输入端和电阻r3的一端，比较器comp3的正输入端连接基准电压vref1，电阻r3的另一端连接nmos管nm7的源极和比较器comp3的接地端并连接第二节电池的正极电压vc2，比较器comp3的输出连接pmos管pm3的栅极，pmos管pm3的漏极连接nmos管nm8的漏极并作为第一节电池断线检测电路的输出端，nmos管nm8的栅极连接偏置电压vbias，nmos管nm8的源极接地vss；

第二节电池的断线检测电路包括电阻r4、r5和r6，比较器comp4，pmos管pm4以及nmos管nm9和nm10，电阻r4的一端连接电阻r5的一端以及比较器comp4的电源端和pmos管pm4的源极并连接第二节电池的正极电压vc2，电阻r4的另一端连接nmos管nm9漏极，nmos管nm9的栅极连接第一电平移位单元的输出信号even_sw，电阻r5的另一端连接比较器comp4的负输入端和电阻r6的一端，比较器comp4的正输入端连接基准电压vref2，电阻r6的另一端连连接nmos管nm9的源极和比较器comp4的接地端并连接第三节电池的正极电压vc3，比较器comp4的输出连接pmos管pm4的栅极，pmos管pm4的漏极连接nmos管nm10的漏极并作为第二节电池断线检测电路的输出端，nmos管nm10的栅极连接偏置电压vbias，nmos管nm10的源极接地vss；

第三节电池的断线检测电路包括电阻r7、r8和r9，比较器comp5，pmos管pm5以及nmos管nm11和nm12，电阻r7的一端连接电阻r8的一端以及比较器comp5的电源端和pmos管pm5的源极并连接第三节电池的正极电压vc3，电阻r7的另一端连接nmos管nm11漏极，nmos管nm11的栅极连接第二电平移位单元的输出信号odd_sw，电阻r8的另一端连接比较器comp5的负输入端和电阻r9的一端，比较器comp5的正输入端连接基准电压vref3，电阻r9的另一端连连接nmos管nm11的源极和比较器comp5的接地端并连接第四节电池的正极电压vc4，比较器comp5的输出连接pmos管pm5的栅极，pmos管pm5的漏极连接nmos管nm112的漏极并作为第三节电池断线检测电路的输出端，nmos管nm12的栅极连接偏置电压vbias，nmos管nm12的源极接地vss；

第四节电池的断线检测电路包括电阻r10、r11和r12，比较器comp6，pmos管pm6以及nmos管nm13和nm14，电阻r10的一端连接电阻r11的一端以及比较器comp6的电源端和pmos管pm6的源极并连接第四节电池的正极电压vc4，电阻r10的另一端连接nmos管nm13漏极，nmos管nm13的栅极连接第一电平移位单元的输出信号even_sw，电阻r11的另一端连接比较器comp4的负输入端和电阻r12的一端，比较器comp6的正输入端连接基准电压vref4，电阻r12的另一端连连接nmos管nm13的源极和比较器comp6的接地端并连接第五节电池的正极电压vc5，比较器comp6的输出连接pmos管pm6的栅极，pmos管pm6的漏极连接nmos管nm14的漏极并作为第四节电池断线检测电路的输出端，nmos管nm14的栅极连接偏置电压vbias，nmos管nm14的源极接地vss；

第五节电池的断线检测电路包括电阻r13、r14和r15，比较器comp7，pmos管pm7以及nmos管nm15和nm16，电阻r13的一端连接电阻r14的一端以及比较器comp7的电源端和pmos管pm7的源极并连接第五节电池的正极电压vc5，电阻r13的另一端连接nmos管nm15漏极，nmos管nm15的栅极连接第二电平移位单元的输出信号odd_sw，电阻r14的另一端连接比较器comp7的负输入端和电阻r15的一端，比较器comp7的正输入端连接基准电压vref5，电阻r15的另一端连连接nmos管nm15的源极和比较器comp7的接地端并接地vss，比较器comp7的输出连接pmos管pm7的栅极，pmos管pm7的漏极连接nmos管nm16的漏极并作为第五节电池断线检测电路的输出端，nmos管nm16的栅极连接偏置电压vbias，nmos管nm16的源极接地vss；

断线检测信号输出单元包括nm17、nm18、nm19、nm20和nm21五个nmos管以及pmos管pm8，nmos管nm17、nm18、nm19、nm20和nm21的漏极与pmos管pm8的漏极连接在一起并作为整个断线检测电路的断线检测信号输出端out连接保护芯片的充电控制端子cout和放电控制端子dout，pmos管pm8的栅极连接偏置电压vbiasp，pmos管pm8的源极连接vdd，nmos管nm17、nm18、nm19、nm20和nm21的源极连接在一起并接地vss。

如果图1增加了本发明系统，断线保护的原理及过程如下：电池处于正常状态时，例如vss＝0v，vc5＝3.5v，vc4＝7.0v，vc3＝10.5v，vc2＝14.0v，vc1＝17.5v，vdd＝17.5v时，内部电路开始工作，能进行正常的充电和放电，产生内部低压供电电压vcc，输出为3.7v给低压模块供电，基准偏置电流开始建立，逻辑时序电路模块电流开始给电容c1充电，一旦c1电压超过comp1负极输入基准电压vstart，comp1输出信号从0变到高电平(vcc电平)，断线检测开启，直到c1电压超过comp2负极基准电压vend，comp2输出翻转为高电平(vcc电平)，nmos管nm4开启把c1电压重置为0，新一轮断线检测重新开始，由上述可知通过设置c1的大小可以调整检测周期，基准电压vend和vstart之间电压差值决定了有效检测时间。comp1输出信号经过d触发器和相关逻辑电路处理后，得到断线检测时序信号odd、odd_n、even、even_n，由于此处的供电电压是低压的vcc为3.7v，而电池最高电压此时是17.5v，需要将信号经过电平移位电路进行转化，得到的odd_sw、even_sw为最终断线检测时序信号，输出低电平时为vss电压，输出高电平时为vdd电压，其中电池1、电池3、电池5共用odd_sw检测信号，电池2、电池4共用even_sw检测信号。如图5所示，正常状态电池与保护板之间连线没有断开，开始时even_sw、odd_sw为低电平，电池1、电池2、电池3、电池4、电池5之间的低阻抗通路nmosnm7、nm9、nm11、nm13、nm15关闭，各节电池电压保持不变，随后even_sw、odd_sw交替开启，相应的低阻抗通路mos开启，然而电池与保护板连接完好，电压还是不发生变化，能正常进行充电、放电，当电池与保护板之间连线断开。以第五节电池vc5发生断线为例，断线发生后等待相应断线检测时序的到来，当even_sw为高电平(vdd电位)时，nm13开启，和r10组成低阻抗通路，由于电池4连接完好，电池5连线断开，vc5电压被上拉到接近vc4的电压，当vc5电压超过一定值时，r14、r15分压超过基准电压vref5，比较器comp7输出翻转，从vc5电平跳变到vss电平，pmospm7开启，out5输出翻转，从vss电平跳变到vc5电平，与之对应nmosnm21开启，输出信号out从vcc高电平跳变到vss电平，经过相关逻辑处理后控制图1中多节保护系统中的cout、dout输出为低电平，关闭充电nm2、放电nm1，从而关闭相应的充电、放电回路，实现电池断线保护。

断线检测信号传递过程如下：电池各节电压正常上电后，基准电压、偏置电压、电流源开始正常工作，逻辑时序开始工作，输出信号odd、odd_n、even、even_n，其中odd、odd_n为反向信号，even、even_n为反向信号，上面4个信号传递到电平移位电路(2个一样的模块电路)，得到电平移位输出信号odd_sw、even_sw，上面2个信号传递到断线检测电路，检测各节电池是否发生了断线状态，断线检测电路输出信号out经过逻辑处理后控制保护芯片ic的cout、dout端子输出，实现断线状态下系统的充电、放电保护。

断线检测过程如下：正常状态电池与保护板之间连线没有断开，在断线检测电路中，开始时even_sw、odd_sw为低电平，电池1、电池2、电池3、电池4、电池5之间的低阻抗通路nmosnm7、nm9、nm11、nm13、nm15关闭，各节电池电压保持不变，随后even_sw、odd_sw交替开启，相应的低阻抗通路mos开启，然而电池与保护板连接完好，电压还是不发生变化，能正常进行充电、放电，当电池与保护板之间连线断开，以第五节电池vc5发生断线为例，断线发生后等待相应断线检测时序来临，当even_sw为高电平(vdd电位)时，nm13开启，和r10组成低阻抗通路，由于电池4连接完好，电池5连线断开，vc5电压被上拉到低于vc4的电压，当vc5电压超过一定值时，r14、r15分压超过vref5，比较器comp7输出翻转，从vc5电平跳变到vss电平，pmospm7开启，漏极输出翻转，从vss电平跳变到vc5电平，从而nmosnm21开启，输出信号out从vdd电平跳变到vss电平，逻辑信号处理后，最终关闭保护芯片ic的充电控制cout、放电控制dout，从而终止系统的充放电。

如图6所示，ct1电压周期性升高或降低，经过逻辑处理得到断线检测低压时序信号even、even_sw、odd、odd_n，信号经过电平移位后转化为even_sw、odd_sw信号，周期性开启或关闭断线检测支路。

如图7所示，当vc5处发生断线，且相应的断线检测信号到来时，低阻抗断线检测支路开启，此时vc4没有断线，电压保持恒定，vc5电位被上拉到vc4电位，此情况被内部vc5断线检测电路检测出，最终逻辑处理使得图5中输出信号out从高电平变为低电平，此信号逻辑处理后控制图1多节锂电保护系统中cout、dout输出变为低电平，关闭充电、放电的mosnm2、nm1，从而关闭系统充电、放电回路，确保了系统的安全，提升了系统可靠性。