电池组的栅极驱动器的制作方法

专利名称：电池组的栅极驱动器的制作方法
技术领域：
本发明涉及电路。
背景技术：
许多现代便携式装置(例如，膝上型计算机、移动电话、数码相机、视频摄像机、 媒体播放器、个人数字助理(PDA)、游戏台等)包括电池组。 一种特定类型的常规电 池组包括耦合到一个或一个以上集成电路(IC)芯片的一个或一个以上电池单元。所述 芯片通常包括控制器(例如，微控制器)及电路且除其它以外提供电池单元管理及保 护。
某些常规电池组包括锂离子(Lithiumion)电池单元，其实质上是封装到圆筒内 的挥发性化学反应。位能存储在每一单元中，且如果所述电池单元暴露到其规格以外 的条件中，那么所述单元可过热、着火或爆炸。配置有这些挥发性单元的常规电池组 通常包括用于检测不安全状况(例如，充电或放电过电流、短路等)且用于采取补救 行动以防止对电池单元及/或装置造成损害且保护端用户的故障安全电路。
在某些常规电池组中，两个外部晶体管(例如，场效晶体管(FET))与所述电池 单元串联连接且被启用及停用以允许对所述单元进行充电及放电。所述晶体管允许基 于一个或一个以上所监视的状况将所述单元从充电器或所述装置断开以避免不当或 危险的操作。所述FET的停用可由某些事件触发，例如短路、放电太深或不正确的 电池充电(由于检测到过高电流的时间周期过长、电池单元电压过高或过低或温度过 高)。当认为潜在危险的状况不存在或已被解决时，所述FET的启用也由某些其它 事件触发。
在一种称作高侧解决方案的配置中，将两个晶体管串联耦合在所述单元的正端子
与正电池组端子(例如，到装置的外部正端子接口)之间。在低侧解决方案中，将两 个晶体管串联耦合在所述单元的负端子与负电池组端子(例如，到装置的外部负端子
接口)之间。

发明内容
在一个实施方案中，提供一种用于电池管理的设备、方法及计算机程序产品。一 般来说，在一个方面，提供一种方法。所述方法包括实现确定充电器是否耦合到电池 系统。所述电池系统包括一个或一个以上单元及一充电启用晶体管。所述方法还包括大致完全启用所述充电启用晶体管，其中包括以大致比所述单元的电位高的电位驱动 充电启用晶体管栅极端子。
本发明的方面可包括以下特征中的一者或一者以上。驱动可包括对以单元电位的 电平提供的驱动信号进行升压。驱动可进一步包括将所述驱动信号泵送到经升压的信 号电平以驱动所述充电启用晶体管栅极端子。泵送所述驱动信号可包括以电容方式将 升压信号耦合到处于单元电位的驱动信号。
对所述驱动信号进行升压可包括将所述驱动信号升压到大致等于所述单元的电
位加上一常数的电平。所述常数可大致等于或大于经调节电压的两倍，所述经调节电 压由所述单元供应。所述常数可大致等于或大于所述经调节电压的两倍减去与阻塞二
极管相关联的电压降。驱动可包括用升压器电路对驱动信号进行升压，所述方法进一 步将所述升压器电路及所述充电晶体管集成于集成电路中。集成所述升压器电路及所 述充电晶体管可包括使用高电压CMOS工艺进行集成。集成可进一步包括将微控制 器及存储器集成于所述集成电路中以协助单元充电功能。
驱动可包括用升压器电路对驱动信号进行升压，所述方法进一步将所述升压器电 路及所述充电晶体管集成于集成电路中。所述集成可包括使用高电压CMOS工艺进
行集成。驱动可包括用升压器电路对驱动信号进行升压，所述方法进一步将所述升压 器电路、微控制器、存储器及所述充电晶体管集成于集成电路中。所述集成可包括使
用高电压CMOS工艺进行集成。
一般来说，在一个方面，提供一种方法。所述方法包括实现确定装置是否耦合到 电池系统，所述电池系统包括一个或一个以上单元及一放电启用晶体管。所述方法还 包括大致完全启用所述放电启用晶体管，大致完全启用所述放电启用晶体管包括将所 述放电启用晶体管驱动到比所述单元的电位高的电位以允许所述装置进行正常放电。
一般来说，在一个方面，提供一种用于对电池系统进行充电及放电的方法。所述 方法包括实现确定用于对电池系统的一个或一个以上单元进行充电的启用触发器是 否存在。如果用于充电的启用触发器存在，那么所述方法包括将与所述电池系统相关 联的充电晶体管大致完全启用到完全启用状态，其包括将所述充电晶体管驱动到比所 述单元的电位高的电位。所述方法包括实现确定用于将所述电池系统的单元放电的启 用触发器是否存在。如果用于放电的启用触发器存在，那么所述方包括将与所述电池 系统相关联的放电晶体管大致完全启用到完全启用状态，其包括将所述放电晶体管驱 动到比所述单元的电位高的电位。
一般来说，在另一方面，提供一种设备。所述设备包括可操作以启用电池组的一 个或一个以上单元的充电的充电晶体管及可操作以驱动所述充电晶体管的驱动电路。 所述驱动电路包括提供驱动信号的驱动信号源及用于将所述驱动信号驱动到比所述 电池组的所述单元的电位高的经升压电平的信号升压器。
一般来说，在一个方面，提供一种设备。所述设备包括高侧NFET充电或放电晶 体管及用于驱动所述高侧NFET充电或放电晶体管的驱动电路。所述驱动电路包括提供驱动信号的驱动信号源及用于将所述驱动信号驱动到比所述电池组的所述单元的 电位高的经升压电平的信号升压器。
一般来说，在一个方面，提供一种设备。所述设备包括用于驱动电池组的充电或 放电晶体管的驱动信号源及用于将驱动信号驱动到比与所述电池组相关联的单元的 电位高的经升压电平的信号升压器。
本发明的方面可包括以下特征中的一者或一者以上。人们提议一种电池管理系 统，其允许完全启用或停用充电或放电晶体管，而不管电池单元或任何耦合的附带充 电器或装置的状态。提供高于到电池管理系统的输入电压的电平的栅极升压信号，且 因此也高于电池单元电位，从而能够在需要时保证完全停用或启用功能。在一个实施 方案中，所提议的电池管理系统允许完全启用及停用高侧NFET晶体管，这样以来成 本更高效且能够在成本高效的高电压CMOS工艺中生产。此外，NFET具有比类似大 小的PFET更小的接通电阻。因此，可用更便宜或更少的晶体管来实施包括高侧NFET 晶体管的所提议系统。
所提议的解决方案包括电池管理系统中的集成高电压输出驱动器。在一个解决方 案中，提供能够将外部n-沟道FET晶体管的栅极驱动到充分高的电平以实现适当的 接通状态及充分低的电平以实现适当的关断状态的NFET驱动器。在一个解决方案 中，用大致等于所述电池管理系统的接地电平的输出电压实现所述NFET的关断状 态，且用显著高于到所述电池管理系统的供应电压的输出电压来实现所述接通状态。
可将所提议的解决方案实施为单芯片电池管理解决方案的部分，在所述单芯片电 池管理解决方案中所述栅极驱动器、微控制器及非易失性存储器集成于一个集成芯片 ("IC"或芯片)中。可在成本高效的高电压CMOS工艺中实施所述芯片。
在所提议的高侧NFET解决方案中，到充电及放电晶体管的驱动器的输出电平可 在所述电池管理系统的大致接地与大致等于所述电池管理系统供应电压加上一常数 的电位电平之间摆动。对栅极驱动信号的额外升压提供所述NFET的更稳定且更灵活 的驱动状况，因为所述NFET的栅极-源极电压将稳定且针对不同的供应电压(即， 不同的电池单元及充电器状况)自动调整到正确的电位。所述栅极-源极电平的自动 调整提供对跨越所有操作带的NFET的精确及完全控制。
所提议的高侧解决方案也比常规低侧解决方案有利。低侧FET解决方案的常规 驱动器不容易在CMOS中实施，因为需要显著低于接地的输出电压来停用所述FET。 具有低侧FET的常规电池组需要双极或双CMOS技术。与全集成CMOS解决方案相 比，双极解决方案不能够实现微控制器单元与非易失性存储器的成本高效的集成。双 CMOS技术执行起来明显更昂贵。
可容易地在高侧解决方案中实施包括通信端口的所提议电池管理系统，而不存在 低侧解决方案所呈现的与通信信号电平及电池管理系统的接地相关联的困难。然而， 如果仍需要低侧解决方案，那么本文中所说明的涉及对充电及放电晶体管的栅极驱动 信号进行升压的教示仍可提供如所揭示的优点。此外，虽然说明了NFET解决方案，
6但也可在PFET解决方案中使用升压驱动信号。
在附图及以下说明中论述本发明的一个或一个以上实施例的细节。根据本说明 书、图式及权利要求书将明了本发明的其它特征、目的及优点。


图1A是包括电池组的应用的示意图。
图1B是电池组的示意图。
图2是电池管理系统的框图。
图3是用于驱动充电晶体管的驱动电路的框图。
图4是升压驱动方法的流程图。
在各图式中，相同的参考符号指示相同的元件。
具体实施例方式
将参考其中栅极驱动器、微控制器、非易失性存储器及其它电路组件集成于单个 集成电路中的单芯片电池管理系统。另一选择为，可在多芯片解决方案中实现所提议 的方法及系统。如所属技术领域中的技术人员将了解，可在这些及其它架构中实施所 揭示的方法及系统。说明一种用于以确保响应于电池管理系统监视器电路完全启用或 停用电池组中的充电及放电晶体管的方式启用及停用所述充电及放电晶体管的方法、 设备及系统。
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现在参照图1A，其显示用于应用50中的电池组100。电池组100可耦合到装置 102或充电器104。当耦合到充电器104时，电池组100的端子(即，正、负及(视 情况)通信端子)通过媒介106耦合到充电器104的对应端子(即，正、负及通信端 子)以允许对与电池组IOO相关联的单元进行充电。媒介106可以是电线、引线、引 脚或其它电连接构件的形式。在下文中更加详细地论述充电。
同样，当耦合到装置102时，电池组100的端子(即，正、负及通信端子)通过 媒介108耦合到装置102的对应端子(即，正及负)以允许装置102的操作。媒介 108可以是电线、引线、引脚或其它电连接构件的形式。在某些实施方案中，电池组 IOO还在相应的通信端口处耦合到装置102或充电器104。通信端口允许在装置102/ 充电器104与电池组IOO之间转移信息(例如，命令及控制)。可交换的信息的一个 实例包括电池充电电平(即，容量)。
现在参照图1B，提供电池组100的更加详细的示意图。电池组100包括一个或 一个以上电池单元120、离散晶体管110、 112、分流电阻器114及电池管理系统130。 电池管理系统130包括多个组件(如下所述)，所述组件可集成于单个封装中(例如， 集成于单个集成电路中)。另一选择为，可单独地封装电池管理系统130组件。离散晶体管110、 112可与电池管理系统130分离且包括于单独的封装(例如，两芯片或 三芯片解决方案)中或可与电池管理系统130组件封装在一起。
离散晶体管IIO、 112用于将电池单元120从外部电池组端子(外部电池组正端 子150及负端子140)断开。在所显示的实施方案中，显示两个可呈场效晶体管(FET) 形式的离散晶体管。虽然可使用其它晶体管技术，但FET呈现工艺、性能(例如， 接通电阻)、成本、大小等方面的优点。在所显示的实施方案中，提供两个晶体管且 其表示分离的充电110及放电112晶体管。充电晶体管10用于实现电池单元120的 安全充电。放电晶体管112用于实现电池单元120的安全放电。充电与放电晶体管 110、 112串联耦合。在一个实施方案中，使用两个NFET晶体管且其在串联配置中 漏极-漏极地耦合。另一选择为，可使用两个PFET晶体管且其可源极-源极地耦合。 在PFET解决方案中，可能需要未显示的额外二极管来向电池管理系统130提供电力
(即，以馈入Vfet)。
在所显示的实施方案中，充电及放电晶体管110、 112耦合在高侧配置中(即， 所述串联晶体管耦合到所述电池单元的高侧，此与低侧配置相反)。在所显示的高侧 配置中，充电晶体管IIO的一个端子(NFET实施方案中的源极)耦合到电池单元120-1 的正端子。放电晶体管112的一个端子(也是NFET实施方案中的源极)耦合到外部 电池组正端子150。充电及放电晶体管110、 112的相应第二端子彼此耦合(在NFET 实施方案中形成漏极-漏极结)。充电晶体管110及放电晶体管112的栅极分别在输 入OC及OD处耦合到电池管理系统130。同样，晶体管IIO、 112之间的结在电池管 理系统输入(或在本文中有时称作Vfet且在图1B中标记为Vfet)处耦合到电池管理系 统130。所述电池管理系统输入向电池管理系统130提供操作功率。
在所显示的实施方案中，需要两个晶体管以能够阻挡两个方向上的电流。更具体 来说，FET包括寄生二极管(分别标记为110-l及112-1)且因此具有单个FET将不 允许停用两个方向上的电流。当串联(源极到源极或漏极到漏极)使用两个FET时， 可停用进入电池单元的电流或从所述电池单元流出的电流。同样，当使用两个晶体管 时，可应用选择性控制以在给定时间允许仅单个方向上的电流(即，允许充电，但直 到已将充足的电荷置于电池单元中才进行放电)。
电池单元120为可再充电电池且可以是锂离子(Li离子)或锂聚合物(Li聚合 物)的形式。其它电池技术类型也是可能的。当提供多个单元时，电池单元120串联 耦合。在所显示的两个单元的实施方案中，电池单元120-1的最顶部正端子耦合到电 池管理系统130(例如，以允许检测电池电压电平)且耦合到离散晶体管中的一者(即， 充电晶体管110)。最顶部的电池单元120-1的负端子及最底部电池单元120-2的正 端子耦合在一起且在输入170处耦合到电池管理系统120。所述串联中的最底部电池 单元120-2的负端子耦合到电池管理系统130 (例如，以允许检测电池电压电平)且 耦合到分流电阻器114的一个端子。虽然显示两个电池单元的实施方案，但电池组 IOO可包括其它数量的电池单元，包括单个电池单元及其它多个单元的配置。所述分流电阻器的第二端子耦合到局部接地(电池组局部接地)、电池管理系统130 (以允 许测量穿过分流电阻器114的电流)且耦合到电池组100的外部电池组负端子140。
电池管理系统130包括监督电子装置，其用以在不正确操作的情况下保护电池 组；监视电子装置，其用以估计剩余电池容量；控制器(例如，微控制器)，其用于
系统控制及与耦合到电池组的装置及/或充电器进行通信；及存储器(例如，EEPROM、 快闪ROM、 EPROM、 RAM等)。如上所述，如果使用不当，某些电池技术可产生 危险状况。举例来说，如果充电过度或充电太快，锂离子及锂聚合物电池可过热、爆 炸或自燃。此外，如果锂离子及锂聚合物电池放电太深，那么其可丢失其显著量的充 电容量。电池管理系统130包括用以确保无故障操作的监督电子装置，其中至少一者 是完全启用及停用充电晶体管(例如，充电晶体管110)以确保不会发生不当充电。 此外，提供所述充电晶体管的完全启用以启用电池单元的快速充电。同样，电池管理 系统130包括监督电子装置以提供放电晶体管(例如，放电晶体管112)的完全启用 及停用以便在耦合到装置时确保适当的放电特性。在下文中更加详细地论述充电及放 电晶体管的启用及停用。
可使用作为电池管理系统130的部分的监视电子装置来估计剩余电池容量。可经 由通信端口端子160在电池管理系统130与所连接的装置/充电器之间传送电池容量 信息。如下文将更加详细地论述，微控制器(及相关联的存储器)可包括在电池管理 系统130中且可提供系统控制及与所连接装置的通信。
敏潘,湮,统
图2显示用于电池组100中的实例性电池管理系统130的框图。电池管理系统 130通常包括处理器202 (例如，基于RISC架构的低功率、CMOS8位微控制器)、 电池保护电路204、电流控制器206、电压调节器208、功率监督器210、充电检测器 212、时钟发生器214、端口216、存储器218、电压参考220及监视计时器222。处 理器202、端口 216、电池保护电路204及电压参考220均耦合到数据总线224。
电池管理系统130的实际实施方案可包括其它组件及子系统，出于清楚的目的已 从图2中移除所述组件及子系统。举例来说，电池管理系统130可包括用于电池监 视的电路(例如，模拟到数字转换器)；用于平衡单元电压的单元平衡电路(例如， 单元平衡FET):用于与外部装置进行通信的通信装置；噪声抑制电路；醒来计时器； 及其它监视器或控制电路。
可用可由处理器202执行的指令对存储器218进行编程以执行各种任务，例如单 元平衡、电池保护及用于确定充电电平的电流测量等。
在某些实施方案中，电流控制器206具有耦合到外部装置的若干输出(例如， OC、 OD)，其可由电流控制器206配置以控制电池单元与装置或充电器之间的电流。 电流控制器206包括用于在输出(例如，OC及OD)处产生电压的各种电路及逻辑 (例如，运算放大器、控制及状态寄存器、晶体管、电容器、二极管、变换器、栅极 等)。在某些实施方案中，所述OC输出是耦合到充电FET (例如，充电晶体管110)的栅极的高电压输出以完全或部分地启用或停用所述充电FET以在充电事件期间控 制电流。所述OC输出是耦合到放电FET (例如，放电晶体管112)的栅极的高电压 输出以完全或部分地启用或停用所述放电FET以在放电事件期间控制电流。图1B显 示高侧实施方案中的FET装置的实例性配置，其用于响应于来自电流控制器206的 控制电压而控制电流。
电流控制器206经由接口 240耦合到电池保护电路204。电池保护电路204包括 用于监视电池单元电压及充电/放电电流的电路(例如，差分放大器)以检测错误状 况，并起始用以保护电池组100不受损害的动作(例如，停用或部分地停用充电及放 电FET)。错误状况的实例包括但不限于放电期间的深欠压、放电期间的短路及充 电及放电期间的过电流。在某些实施方案中，电流感测电阻器(Rsense，即分流电阻器 114)可经耦合跨越电池保护电路204的PPI及NNI输入，其中PPI是来自所述电流 感测电阻器的未经过滤的正输入，而NNI是来自所述电流感测电阻器的未经过滤的 负输入。所述电流感测电阻器可耦合到电池单元及电池管理系统130，如参照图1B 所说明。
撒微动器
现在参照图3，其显示与电池组100的高电压前端中的充电晶体管(OC FET) 相关联的驱动电路300。驱动电路300形成图2的电流控制器206的部分且包括栅极 驱动器302。栅极驱动器302可操作以向所述充电晶体管(即，充电晶体管IIO)的 输入栅极提供驱动信号。栅极驱动器302的另一实例可操作以向放电晶体管(即，晶 体管112)的输入栅极提供驱动信号。在一个实施方案中，栅极驱动器302所提供的 驱动信号被表征为被停用，从而表示低状态，所述低状态处于大致处于电池管理系统 130的接地电平的电平。在一个实施方案中，栅极驱动器302所提供的驱动信号被表 征为被启用，从而表示高状态，所述高状态处于大致处于所述电池管理系统操作供 应加上一常数("升压")的电平。在一个实施方案中，所述常数是大小经确定以确 保完全启用所述充电晶体管的电位。通过提供额外升压，可确保栅极驱动器302完全 启用所述充电晶体管并允许电池单元的快速充电。
栅极驱动器302包括输入(分别包括高及低启用信号304、 306)及时钟信号308。 栅极驱动器302的实例提供驱动充电FET (OCFET，即充电晶体管110)及放电晶体 管(即，晶体管112)的输出信号310。栅极驱动器302包括电荷泵303及停用开关 350。电荷泵303可操作以向充电晶体管IIO提供驱动信号(启用信号)。电荷泵303 由时钟信号308及高启用信号304控制。在下文中更加详细地说明对电荷泵303的控 制。停用开关350可操作以向充电晶体管IIO提供第二类型的驱动信号(停用信号)。 停用开关350由低启用信号306控制且将在下文中更加详细地加以说明。
冶齊i
在一个实施方案中，电荷泵303包括驱动信号源320、升压逻辑330、信号升压 器340-1及340-2及多个阻塞二极管342、 344、 346。驱动信号源320提供由电荷泵303的操作泵送的初始电平驱动信号。在所显示的 实施方案中，驱动信号源320呈包括互补晶体管324、 326的电平切换器的形式。如 图所示，互补晶体管324及326具有互补的栅极，也就是说，在给定的时间仅启用一 者。到互补晶体管324、 326的栅极输入由变换器322提供。到变换器322的输入由 高启用信号304提供。因此，当高启用信号304被驱动为高时，到变换器322的输入 被驱动为高。其后，变换器322的输出被驱动为低且被呈现到互补晶体管324、 326 的栅极输入。高侧晶体管324通过其低输入启用而由变换器322所呈现的低信号启用， 从而导致电池管理系统供应电位(即，Vfet)被呈现到驱动信号源320的输出。另一 选择为，如果高启用信号304被驱动为低(即，到变换器322的输入为低)，那么变 换器322的输出被驱动为高且被呈现到互补晶体管324、 326的栅极输入。在此情况 下，低侧晶体管326通过其高输入启用而由变换器322所呈现的高信号启用，从而导 致电池管理系统接地电位(即，GND)被呈现到驱动信号源320的输出。以此方式， 驱动信号源320经配置以根据高启用信号304向电荷泵电路的剩余部分提供大致接地 或大致操作电位信号，如下文中将更加详细地论述。
将驱动信号源320的输出提供到阻塞二极管342的输入。阻塞二极管342允许驱 动信号源320的输出信号向电荷泵303的输出传播，同时阻挡任何返回信号。阻塞二 极管342的输出耦合到第二阻塞二极管344的输入，如将在下文中更加详细地论述。
提供升压逻辑330以选择性地控制升压信号到驱动信号源320所提供的驱动信号 的添加。在所显示的实施方案中，升压逻辑330包括AND门332及变换器334、 336。 到AND门332的一个输入是高启用信号304。到AND门332的第二输入是时钟信号 308。在一个实施方案中，时钟信号308是允许所述电荷泵快速达到正确的电位电平 (例如，3.6 MHz)的快速时钟信号。另一选择为，可使用消耗较少电力的慢速时钟 信号(例如，131 kHz)。在一个实施方案中，向电荷泵303提供时钟信号输入308 处的快速或慢速时钟信号中的一者，此取决于电池管理系统130的操作模式。举例来 说，如果电池管理系统130处于低功率或睡眠模式，那么可向电荷泵303提供慢速时 钟信号。另一选择为，如果电池管理系统130并非处于低功率模式，那么可向时钟信 号输入308提供快速时钟信号。在另一实施方案中，即使处于低功率模式，也可向电 荷泵303提供快速时钟信号达预定的时间周期(即，初始)。进行此操作确保FET 驱动器(即，栅极驱动器302)即使处于低功率模式也快速达到正确的充电电平。
将AND门332的输出提供到变换器334的输入。将变换器334的输出提供到变 换器336的输入且提供到信号升压器340-1的输入。将变换器336的输出提供到信号 升压器340-2的输入。在一个实施方案中，升压逻辑门中的每一者由电池管理系统130 所提供的经调节电压供电。所述经调节电压(V^。由电池管理系统130的电压调节器 208 (步进、线性调节器或两者)提供。
信号升压器340可呈电容元件的形式。在一个实施方案中。每一信号升压器340 是大小大致确定为IO皮法的电容器。信号升压器340-1的输出耦合到第二阻塞二极管344的输入。第二阻塞二极管344的输出耦合到第三阻塞二极管346的输入。第一 阻塞二极管342防止第一信号升压器340-1的输出返回到驱动信号源320中。信号升 压器340-2的输出耦合到第三阻塞二极管346的输入。第二阻塞二极管344防止信号 升压器340-2的输出返回到驱动信号源320中(或进而进入信号升压器340-1中)。 第三阻塞二极管346允许在信号升压器340-2被驱动为高时对输出信号进行升压并防 止容性负载上的所得高信号电平在信号升压器340-2被驱动为低时返回到信号升压器 340-2。第三阻塞二极管346的输出耦合到栅极驱动器302的输出，从而产生输出信 号310。通常，输出信号310耦合到大的容性负载。将在下文中更加详细地论述电荷 泵303及其各种组件的操作。
在一个实施方案中，电荷泵303包括箝位电路360。箝位电路360保护电池管理 系统130的内部电路且可提供箝位电路以确保存在高充电器电压的情况下可停用充 电。在所显示的实施方案中，箝位电路360呈耦合在电荷泵303的输出与电池管理系 统接地(GND)之间的齐纳二极管的形式，所述齐纳二极管大小及额定值经适当确定以 确保所述电荷泵所提供的启用驱动信号足以启用所述充电晶体管的输入栅极。
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停用开关350也耦合到所述栅极驱动器的输出以产生停用的输出信号310。停用 开关350由低启用信号306启用。在所显示的实施方案中，停用开关呈耦合在电荷泵 303的输出与电池管理系统接地(GND)之间的晶体管的形式。将低启用信号306提供 为到所述晶体管的栅极的输入以用于控制停用开关350的启用及停用。当启用(即， 设定低启用信号306)时，停用开关350向芯片接地提供直接信号路径，从而向充电 晶体管的栅极提供接地信号(例如，完全停用NFET充电晶体管的栅极)。高启用信 号304及低启用信号306互补，且因此在任何给定时间仅启用一者。取决于启用哪一 者，停用开关350或电荷泵303中的一者提供输出信号310，从而控制所述充电晶体 管的启用及停用。
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栅极驱动器302在至少两个模式中的一者中操作高(启用)或低(停用)。在 高(启用)模式中，电荷泵303提供处于大致等于所述电池管理系统供应加上一常数 的电平的输出信号310。在一个实施方案中，所述常数等于经调节电压输入的两(2)
倍减去二极管电压降(V0C-VPET+2VREG- 二极管)。
在图3中所示的实施方案中，所述常数如下产生。当启用栅极驱动器302时，如 上文所论述的那样设定高启用信号304。提供到AND门332的输入的时钟信号308 以时钟频率在高与低之间切换。起初，当启用所述栅极驱动器且不存在时钟信号时，
可进行以下观察图3上的点A处于大致Vfet减去二极管电压降的电位，点B处于大 致Vfet减去两个二极管电压降的电位，而点C处于Vfet减去三个二极管电压降的电位。
当时钟信号308转换为高(假设将要设定高启用信号304)时，AND门332的输出为 高。将AND门332的高输出提供到其输出变为低的变换器334。变换器334的低输出耦合到其输出为高的变换器336。变换器336的高输出向信号升压器340-2的输入 (例如，电容元件340-2的较低极板经历VREG)提供电位(VREG)。响应于变换器336 所提供的输入电位，信号升压器340-2的输出(例如，电容元件340-2的相反极板) 由VREG电位升高。在所显示的实施方案中，所述电容元件由等于变换器336所提供 的电位的量充电，从而在节点B (在电荷泵303的输出上)处产生经泵送的信号。更 具体来说，当所述时钟信号变为高时，可进行以下观察图3上的点A起初下降(由 变换器334的输出所产生的低)，但然后上升回到来自驱动信号源320的输出的Vfet
减去二极管电压降的电平；点B处于大致Vfet加上V服G的电位；而点C处于Vfet加 上V^c减去二极管电压降的电位。当所述时钟信号改变状态且再次下降时，从而停
用变换器336，小的升压发生。
更具体来说，当时钟信号308为低(再次假设将要设定高启用信号304)时，AND 门332的输出为低。将AND门332的低输出提供到其输出变为高的变换器334。变 换器334的高输出向到信号升压器340-1的输入(例如，电容元件340的较低极板经 历V細)提供电位(VREG)。响应于变换器334所提供的输入电位，信号升压器340-1 的输出(例如，电容元件340-1的相反极板)由V^cj电位升高。在所显示的实施方 案中，所述电容元件由等于变换器334所提供的电位的量充电，从而在节点A(在电 荷泵303的输出上)处产生经泵送的信号。更具体来说，当所述时钟信号下降时，可 进行以下观察图3上的点A上升到Vfet减去二极管电压降加上VREC (由于变换器
334的输出所产生的高信号电平)；点B处于大致Vfet加上VREG的两倍减去二极管的 电位；而点C处于Vfet加上VREC的两倍减去两个二极管电压降的电位。
因此，通过提供所述时钟信号从高到低的摆动，交替启用(例如，充电)信号升
压器340-1及340-2，以便泵送电荷泵303所提供的输出信号310。在节点A处，所 述信号电平在启用时(即，当设定高启用信号304时)大致等于电池管理系统供应(即， Vfet)加上Vreg (来自信号升压器340-1的升压)减去一个二极管(例如，阻塞二极 管342)。在节点B处，所述信号电平在启用时大致等于电池管理系统供应(即，VreT) 加上VREG的两倍(来自信号升压器340-1的一个升压及来自信号升压器340-2的一个 升压)减去两个二极管(阻塞二极管342及344)。在到电荷泵303的输出(节点C) 处，所述信号电平在启用时大致等于电池管理系统供应(即，Vfet)加上V虹g的两 倍减去三个二极管(阻塞二极管342、 344、 346)。如上所述，在某个实施方案中， 可通过(举例来说)箝位电路360箝位在节点C处提供的输出信号310。
虽然图3显示栅极驱动器302的一个实施方案，但其它配置是可能的。举例来说， 栅极驱动器302中可包括两个以上信号升压器340。在一个实施方案中，使用多个信 号升压器(340-l…及340-n)、相关联的阻塞二极管及变换器逻辑来产生处于预定电 平的经升压启用信号(例如，产生大致等于Vfet加上nn^eg减去n个二极管电压降 的输出信号)。
在某些实施方案中，其它电路可与栅极驱动器302相关联。举例来说，可提供控
13制电路来部分地启用充电晶体管的栅极，例如可能需要管理从电池的深欠压状况的恢 复。出于简明的目的，己从所显示的驱动电路300省略这些其它电路元件。此外，已 删除显示高及低启用信号304及306的启用及停用的细节。形成电池管理系统130的 部分的监督电路可提供高及低启用信号304、 306中的一者或其两者。举例来说，电 池管理系统130可包括用于检测适当或不正常充电器的连接的分离输入。如果检测到 不正常(即，有害)的充电器，那么可设定低启用信号306。高及低启用信号304、 306的设定可通过微控制器(即，处理器202)、电池保护模块204或电池管理系统 130中的其它元件或处于其监督之下。
图3显示用于与电池组相关联的充电晶体管的栅极驱动器的配置。放电晶体管可 包括类似的栅极驱动器。也就是说，在一个实施方案中，为电池组的放电晶体管提供 分离的栅极驱动器，以便允许单独并完全控制相应的充电及放电晶体管。所属技术领 域中的技术人员将认识到上文参照与充电晶体管相关联的栅极驱动器(例如，栅极驱 动器302)论述的所有变化形式适用于针对放电晶体管提供的栅极驱动器，包括用于 完全启用所述放电晶体管的启用信号的升压。
虽然，己参照对启用信号进行升压(即，对所施加的信号电平进行升压以完全启 用充电或放电晶体管中的一者)，但以上教示可用于在适当时(例如，当使用PFET 并使用具有升压的栅极驱动器以便停用所述PFET时)对停用信号的信号电平进行升 压。
凝微动器方法
现在参照图4，提供一种用于驱动充电或放电晶体管中的一者的栅极的方法400 的流程图。驱动方法400包括三个不同部分，升压阶段402、启用阶段404及停用阶 段406。
升压阶段402可在所述启用阶段之前发生或与所述启用阶段同时发生。也就是 说，所述驱动信号的升压可在所述启用之前发生或与充电/放电晶体管的启用同时发 生。所述升压阶段包括提供可变化的驱动信号(410)(例如，所述驱动信号是可随电池 单元的电位而变化或在存在充电器的情况下变化的电池管理系统供应Vfet)及对所述 驱动信号进行升压(412)。
启用阶段404包括检测启用触发器(420)。所述启用触发器可包括检测适当的充 电器。此外，所述启用触发器可包括检测指示可安全地对所述单元进行充电的适当状 况信号。在检测到所述启用触发器之后，可提供充电启用信号(422)且可将经升压的驱 动启用信号提供(424)到充电晶体管以启用快速及完全充电。
停用阶段406包括检测停用触发器(430)。所述停用触发器可包括检测指示无法 安全地对所述单元进行充电的适当状况信号。另一选择为，所述停用触发器可包括检 测指示任何不安全状况的适当状况信号。在一个实施方案中，在检测到潜在危险状况 (例如，短路)时停用充电及放电晶体管两者。另一选择为，所述停用触发器可以是 在缺乏启用触发器的情况下维持的默认设定。在检测到停用触发器之后，可提供充电停用信号(432)且可将停用信号提供(434)到充电晶体管以完全停用充电。 一种推论方
法可用于启用及停用所述放电晶体管(即，在升压以提供充足的驱动启用方面类似， 但系推论在于用完全不同的触发器启用及停用所述放电晶体管)。如上所述，所述停 用信号的升压是可能的，其中需要确保完全停用所述充电或放电晶体管。
已说明了本发明的多个实施例。然而，应了解，可在不背离本发明的精神及范围 的情况下做出各种修改。因此，其它实施例归属于以上权利要求书的范围内。
权利要求
1、一种方法，其包含实现确定充电器是否耦合到电池系统，所述电池系统包括一个或一个以上单元及一充电启用晶体管；及大致完全启用所述充电启用晶体管，其中包括以大致比所述单元的电位大的电位驱动充电启用晶体管栅极端子。
2、 如权利要求l所述的方法，其中驱动包括对以所述单元电位的电平提供的驱 动信号进行升压。
3、 如权利要求2所述的方法，其进一步包含将所述驱动信号泵送到经升压的信 号电平以驱动所述充电启用晶体管栅极端子。
4、 如权利要求3所述的方法，其中泵送所述驱动信号包括以电容方式将升压信 号耦合到处于所述单元的所述电位的所述驱动信号。
5、 如权利要求1所述的方法，其中对所述驱动信号进行升压包括将所述驱动信 号升压到大致等于所述单元的所述电位加上一常数的电平。
6、 如权利要求5所述的方法，其中所述常数大致等于经调节电压的两倍，所述 经调节电压由所述单元供应。
7、 如权利要求5所述的方法，其中所述常数大致等于所述经调节电压的两倍减 去与阻塞二极管相关联的电压降。
8、 如权利要求5所述的方法，其中所述常数大于经调节电压的两倍，所述经调 节电压由所述单元供应。
9、 如权利要求5所述的方法，其中所述常数大于所述经调节电压的两倍减去与 阻塞二极管相关联的电压降。
10、 如权利要求1所述的方法，其中驱动包括用升压器电路对驱动信号进行升压， 所述方法进一步将所述升压器电路、微控制器及存储器集成于集成电路中。
11、 如权利要求IO所述的方法，其中集成包括使用高电压CMOS工艺进行集成。
12、 如权利要求11所述的方法，其中集成进一步包括将微控制器及存储器集成 于所述集成电路中以协助单元充电功能。
13、 如权利要求1所述的方法，其中驱动包括用升压器电路对驱动信号进行升压， 所述方法进一步将所述升压器电路及所述充电晶体管集成于集成电路中。
14、 如权利要求13所述的方法，其中集成包括使用高电压CMOS工艺进行集成。
15、 如权利要求1所述的方法，其中驱动包括用升压器电路对驱动信号进行升压， 所述方法进一步将所述升压器电路、微控制器、存储器及所述充电晶体管集成于集成 电路中。
16、 如权利要求15所述的方法，其中集成包括使用高电压CMOS工艺进行集成。
17、 一种方法，其包含实现确定装置是否耦合到电池系统，所述电池系统包括一个或一个以上单元及一 放电启用晶体管；及大致完全启用所述放电启用晶体管，其中包括将所述放电启用晶体管驱动到比所 述单元的电位大的电位以,允许所述装置进行正常放电。
18、 一种用于对电池系统进行充电及放电的方法，其包含实现确定用于对电池系统的一个或一个以上单元进行充电的启用触发器是否存在；如果存在，那么将与所述电池系统相关联的充电晶体管大致完全启用到完全启用 状态，其中包括将所述充电晶体管驱动到比所述单元的电位大的电位；实现确定用于对所述电池系统的所述单元进行放电的启用触发器是否存在；及 如果存在，那么将与所述电池系统相关联的放电晶体管大致完全启用到完全启用 状态，其中包括将所述放电晶体管驱动到比所述单元的电位大的电位。
19、 一种设备，其包含充电晶体管，其可操作以启用对电池组的一个或一个以上单元的充电；及驱动电路，其可操作以驱动所述充电晶体管，所述驱动电路包括驱动信号源，其提供驱动信号；及信号升压器，其用于将所述驱动信号驱动到比所述电池组的所述单元的电位 大的经升压电平。
20、 一种设备，其包含高侧NFET充电或放电晶体管；及驱动电路，其用于驱动所述高侧NFET充电或放电晶体管，所述驱动电路包括 驱动信号源，其提供驱动信号；及信号升压器，其用于将所述驱动信号驱动到比所述电池组的所述单元的电位 大的经升压电平。
21、 一种设备，其包含驱动信号源，其用于驱动电池组的充电或放电晶体管；及信号升压器，其用于将驱动信号驱动到比与所述电池组相关联的单元的电位大的 经升压电平。
全文摘要
本发明提供用于电池管理的设备、方法及计算机程序产品。在一个实施方案中，提供一种方法。所述方法包括实现确定充电器是否耦合到电池系统。所述电池系统包括一个或一个以上单元及一充电启用晶体管。所述方法还包括大致完全启用所述充电启用晶体管，其中包括以大致比所述单元的电位高的电位驱动充电启用晶体管栅极端子。
文档编号H02J7/04GK101432945SQ200780014854
公开日2009年5月13日 申请日期2007年3月8日 优先权日2006年3月10日
发明者居纳尔·甘斯托, 阿尔内·阿斯 申请人:爱特梅尔公司