一种电池充放电保护电路及电池保护芯片的制作方法

本实用新型涉及电池的充放电保护技术领域，具体涉及一种用于电池充放电的保护电路。

背景技术：

电池在日常生活中不可或缺，随着数码产品如手机、笔记本电脑等产品的广泛使用，锂离子电池以其优异的性能在电池产品中得到广泛应用，并在逐步向其他产品应用领域发展。

电池芯在电压过充或过放时都会破坏电池的材料，让电池的容量产生永久性的下降，更甚会使电池外壳破裂；锂离子电池内部发生化学反应，令电池正负极短路，引发爆炸。因此，电池充电与放电时，一定要设定充电电压上限与过放电电压下限，才可以同时兼顾到电池的寿命、容量和安全性。电池在充放电时，除了电压的限制，电流的限制也有其必要。电流过大时，锂离子来不及进入储存格，会聚集于材料表面，同样会造成爆炸危险。

因此一般电池组内，除了电池芯外，都会设置有用于防止电池芯电压过充或过放的保护电路，对锂离子电池提供保护。目前常见的电池充放电保护电路中常需要两个功率管来分别控制电池的充电与放电保护。如图1所示, 电池保护芯片A1通过OD引脚控制放电控制管M1，通过OC引脚控制充电控制管M2，通过VDD引脚与VSS引脚来检测电池两端电压。正常充电时，放电控制管M1和充电控制管M2都导通，充电器正极CHARGER+往电池BATTERY充电，通过放电控制管M1和充电控制管M2回到CHARGER-，形成充电回路。电池充满后，电池保护芯片A1控制OC 管脚来关断充电控制管M2，M2寄生二极管反偏来截断充电回路，防止电池过充。正常放电时，放电控制管M1和充电控制管M2导通，负载LOAD+从电池BATTERY正极往外拉电流到LOAD-, 通过充电控制管M2和放电控制管M1回到电池BATTERY负极，形成电池放电回路，当电池发生过放时，电池保护芯片A1通过OD引脚控制放电控制管M1关断，M1寄生二极管反偏来截断放电回路，防止电池过放。

电池保护芯片应用时外围需要两个功率管，放电控制管M1和充电控制管M2，若两个功率管集成于芯片内部，电池的充放电电流高达安培级，功率管的导通阻抗要很低才能减小损耗，两个功率管的芯片版图面积将很大，芯片成本也高，不利于集成。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题在于避免上述技术方案的不足，而提出了一种电池充放电保护电路。

本实用新型解决所述技术问题所采用的技术方案是一种电池充放电保护电路，包括用于充放电保护的复合功率管、用于驱动复合功率管的驱动控制模块和用于控制驱动电路的地电位工作在较低电压以保证复合功率管完全截止的地电位控制模块；所述复合功率管包括第一功率管、第一偏置管和第二偏置管；所述第一功率管的衬底通过所述第一偏置管和所述第一功率管的漏极电连接，所述第一功率管的衬底同时通过所述第二偏置管和所述第一功率管的源极电连接；所述第一偏置管的衬底和所述第一功率管的衬底电连接，所述第一偏置管的漏极和所述第一功率管的漏极电连接，所述第一偏置管的栅极与第一偏置管控制端电连接；所述第二偏置管的衬底和所述第一功率管的衬底电连接，所述第二偏置管的漏极和所述第一功率管的源极电连接，所述第二偏置管的栅极与第二偏置管控制端电连接；所述第一偏置管的源极和所述第二偏置管的源极电连接，并且都和所述第一功率管的衬底电连接；所述第一功率管的栅极作为复合功率管的栅极与复合功率管控制端电连接，所述第一功率管的漏极作为复合功率管的漏极，所述第一功率管的源极作为复合功率管的源极；所述驱动控制模块的输入端接电池充放电保护信号，所述驱动控制模块的输出端和所述第一偏置管控制端、所述第二偏置管控制端以及所述复合功率管控制端电连接；所述地电位控制模块的输入端和所述第一功率管的漏极以及第一功率管的源极电连接，所述地电位控制模块的输出端和所述电池充放电保护电路的地电位电连接。

进一步地，所述驱动控制模块包括根据所述电池充放电保护信号来控制所述复合功率管导通或截止的功率管控制模块和根据所述电池充放电保护信号来控制所述第一偏置管和所述第二偏置管导通或截止的偏置管控制模块；所述功率管控制模块的输入端接电池充放电保护信号，所述功率管控制模块的输出端和所述复合功率管控制端电连接；所述偏置管控制模块的输入端接电池充放电保护信号，所述偏置管控制模块的输出端和所述第一偏置管控制端以及所述第二偏置管控制端电连接。

进一步地，所述功率管控制模块包括第一或非逻辑门、第一电平移位器和第一反相器模块；所述第一或非逻辑门的输入端接电池充放电保护信号，所述第一或非逻辑门的输出端和所述第一电平移位器的输入端电连接，所述第一电平移位器的输出端和所述第一反相器模块电连接，所述第一反相器模块的输出端和所述复合功率管控制端电连接；所述第一反相器模块包括第一反相器和第二反相器，所述第一电平移位器的输出端和所述第一反相器的输入端电连接，所述第一反相器的输出端和所述第二反相器的输入端电连接，所述第二反相器的输出端和所述复合功率管控制端电连接。

进一步地，所述偏置管控制模块包括第二或非逻辑门、第二电平移位器和第二反相器模块；所述第二或非逻辑门的输入端接电池充放电保护信号，所述第二或非逻辑门的输出端和所述第二电平移位器的输入端电连接，所述第二电平移位器的输出端和所述第二反相器模块电连接；所述第二反相器模块包括第三反相器和第四反相器；所述第二电平移位器的输出端和所述第三反相器的输入端电连接，所述第三反相器的输出端和所述第一偏置管控制端以及所述第四反相器的输入端电连接，所述第四反相器的输出端和所述第二偏置管控制端电连接。

进一步地，所述地电位控制模块包括用来比较所述复合功率管的漏极电压信号和所述复合功率管的源极电压信号的VM检测模块、第三电平移位器、第三反相器模块和功率管模块；所述VM检测模块的输入端接收来自所述复合功率管的漏极电压信号和所述复合功率管的源极电压信号；所述VM检测模块的输出端和所述第三电平移位器的输入端电连接，所述第三电平移位器的输出端和所述第三反相器模块电连接；所述第三反相器模块包括第五反相器和第六反相器；所述第三电平移位器的输出端和所述第五反相器的输入端电连接，所述第五反相器的输出端和所述第六反相器的输入端电连接，所述第六反相器的输出端和所述功率管模块电连接；所述功率管模块包括第二功率管和第三功率管；所述第六反相器的输出端和所述第二功率管的栅极电连接，所述第二功率管的漏极和所述复合功率管的源极电压信号电连接，所述第二功率管的源极和所述驱动控制模块的地电位电连接；所述第五反相器的输出端和所述第三功率管的栅极电连接，所述第三功率管的漏极和所述复合功率管的漏极电压信号电连接，所述第三功率管的源极和所述驱动控制模块的地电位电连接。

进一步地，所述电池充放电保护信号包括在电池放电时的放电保护信号和在电池充电时的充电保护信号；所述放电保护信号包括过放电流保护信号和过放电压保护信号；所述充电保护信号包括过充电流保护信号和过充电压保护信号。

进一步地，所述电池充放电保护信号包括过充电流保护信号和过充电压保护信号。

进一步地，所述第一功率管、所述第一偏置管和所述第二偏置管都是N型MOSFET管。

进一步地，所述第一偏置管和所述第二偏置管的面积小于所述第一功率管的面积。

本实用新型解决所述技术问题所采用的技术方案还可以是一种电池保护芯片，包括上述电池充放电保护电路；所述电池保护芯片为所述功率管控制模块、所述偏置管控制模块和所述地电位控制模块提供电源。

同现有技术相比较，本实用新型的有益效果是：1、节约了电路实现的面积；2、降低成本；3、有利于芯片的集成，简化芯片封装操作。

附图说明

图1是常见的电池充放电保护电路、电池保护芯片及其外围电路；

图2是本实用新型优选实施例之一的电池充放电保护电路中的复合功率管的具体结构示意图；

图3是本实用新型电池充放电保护电路中功率管控制模块的电路结构示意图；

图4是本实用新型电池充放电保护电路中偏置管控制模块的电路结构示意图；

图5是本实用新型电池充放电保护电路中地电位控制模块的电路结构示意图；

图6是包含本实用新型优选实施例之一的电池充放电保护电路的电池保护芯片及其外围电路示意图；

图7是本实用新型中的复合功率管在电池正常充放电时的工作状态示意图；

图8是本实用新型中的复合功率管在电池充电保护状态下的工作状态示意图；

图9是本实用新型中的复合功率管在电池放电保护状态下的工作状态示意图。

具体实施方式

以下结合各附图对本实用新型的实施方式做进一步详述。

如附图2所示，本实用新型一种电池充放电保护电路中的复合功率管MA主要由三部分组成：第一功率管M1、第一偏置管MC和第二偏置管MD。第一功率管M1的衬底VB通过第一偏置管MC和第一功率管M1的漏极电连接，第一功率管M1的衬底VB同时通过第二偏置管MD和第一功率管M1的源极电连接；第一偏置管MC的衬底和第一功率管M1的衬底VB电连接，第一偏置管MC的漏极和第一功率管M1的漏极电连接，第一偏置管MC的栅极与第一偏置管控制端OA电连接；第二偏置管MD的衬底和第一功率管M1的衬底VB电连接，第二偏置管MD的漏极和第一功率管M1的源极电连接，第二偏置管MD的栅极与第二偏置管控制端OB电连接；第一偏置管MC的源极和所述第二偏置管MD的源极电连接，并且都和所述第一功率管M1的衬底电连接。第一功率管M1的栅极作为复合功率管MA的栅极与复合功率管控制端VG电连接，第一功率管M1的漏极作为复合功率管MA的漏极，第一功率管M1的源极作为复合功率管MA的源极。

如附图3所示，本实用新型的功率管控制模块包括第一或非逻辑门、第一电平移位器和第一反相器模块；第一或非逻辑门的输入端接电池充放电保护信号，第一或非逻辑门的输出端和第一电平移位器的输入端电连接，第一电平移位器的输出端和第一反相器模块电连接，第一反相器模块的输出端和所述复合功率管控制端VG电连接；第一反相器模块包括第一反相器和第二反相器，第一电平移位器的输出端和第一反相器的输入端电连接，第一反相器的输出端和第二反相器的输入端电连接，第二反相器的输出端和复合功率管控制端VG电连接。第一或非逻辑门、第一电平移位器、第一反相器和第二反相器的电源由电池保护芯片的芯片电源VDD提供，功率管控制模块的地电位PGND由地电位控制模块提供。提供给功率管控制模块的电池充放电保护信号包括放电保护信号和充电保护信号。当电池正常充放电时，放电保护信号和充电保护信号都为逻辑低电平信号；当电池处于放电保护状态时，放电保护信号为逻辑高电平信号；当电池处于充电保护状态时，充电保护信号为逻辑高电平信号。放电保护信号和充电保护信号只要有一个为高电平信号就触发功率管控制模块控制复合功率管控制端VG为低电平，即控制复合功率管MA截止。

如附图4所示，本实用新型的偏置管控制模块包括第二或非逻辑门、第二电平移位器和第二反相器模块；第二或非逻辑门的输入端接电池充放电保护信号，第二或非逻辑门的输出端和第二电平移位器的输入端电连接，第二电平移位器的输出端和第二反相器模块电连接；第二反相器模块包括第三反相器和第四反相器；第二电平移位器的输出端和第三反相器的输入端电连接，第三反相器的输出端和第一偏置管控制端OA以及第四反相器的输入端电连接，第四反相器的输出端和第二偏置管控制端OB电连接。第二或非逻辑门、第二电平移位器、第三反相器和第四反相器的电源由电池保护芯片的芯片电源VDD提供，功率管控制模块的地电位PGND由地电位控制模块提供。提供给偏置管控制模块的电池充放电保护信号包括过充电流保护信号和过充电压保护信号。当电池正常充放电时，过充电流保护信号和过充电压保护信号都为逻辑低电平信号；当电池处于过充电流保护状态时，过充电流保护信号为逻辑高电平信号；当电池处于过充电压保护状态时，过充电压保护信号为逻辑高电平信号。过充电流保护信号和过充电压保护信号只要有一个为高电平信号就触发偏置管控制模块控制第一偏置管控制端OA为高电平、第二偏置管控制端OB为低电平，即控制第一偏置管MC导通、第二偏置管MD截止。

如附图5所示，本实用新型的地电位控制模块包括用来比较复合功率管MA的漏极电压信号VM和复合功率管MA的源极电压信号VSS的VM检测模块、第三电平移位器、第三反相器模块和功率管模块；VM检测模块的输入端接收来自复合功率管MA的漏极电压信号VM和复合功率管MA的源极电压信号VSS；VM检测模块的输出端和第三电平移位器的输入端电连接，第三电平移位器的输出端和第三反相器模块电连接；第三反相器模块包括第五反相器和第六反相器；第三电平移位器的输出端和第五反相器的输入端电连接，第五反相器的输出端和第六反相器的输入端电连接，第六反相器的输出端和功率管模块电连接；功率管模块包括第二功率管和第三功率管；第六反相器的输出端和第二功率管的栅极电连接，第二功率管的漏极和复合功率管MA的源极电压信号VSS电连接，第二功率管的源极和驱动控制模块的地电位PGND电连接；第五反相器的输出端和第三功率管的栅极电连接，第三功率管的漏极和复合功率管MA的漏极电压信号VM电连接，第三功率管的源极和驱动控制模块的地电位PGND电连接。

VM检测模块可以是一个比较器，当VM电位比VSS低一些时，VM检测模块输出低电平VSS，通过第三电平移位器LS及第五反相器逻辑门控制第五反相器的输出端SB端为高电平，第六反相器的输出端SBN端为低电平，使第二功率管截止，第三功率管导通，从而将PGND与VM端相接；若VM比VSS电位高时，则将PGND与VSS端相接。本地电位控制模块的功能在于，通过比较复合功率管MA的漏极电压信号VM和复合功率管MA的源极电压信号VSS，选择二者当中较低的电压信号作为本电路的地电位PGND，使用第三电平移位器将VDD与VSS电源域转变成VDD与PGND电源域，使驱动控制模块工作在VDD和PGND的电源域，将PGND作为VG、OA和OB的驱动控制地电位，从而保证PGND始终和较低的电压信号连接，使复合功率管MA、第一偏置管MC和第二偏置管MD在需要被截止的时候可以完全关死，避免关不死的问题。

如附图6所示，A2是包含本实用新型一种电池充放电保护电路的电池保护芯片，在对电池BATTERY进行充放电的电路中的应用。CHARGER+/LOAD+是充放电正极，CHARGER-/LOAD-是充放电负极。充放电正极和电池正极BATTERY+电连接，充放电负极和复合功率管MA的漏极电连接；电池正极BATTERY+通过一个100欧姆的电阻和电池保护芯片A2的芯片电源VDD管脚电连接；电池负极BATTERY-和复合功率管MA的源极电连接，并通过0.1μF的电容C1和电池保护芯片A2的芯片电源VDD管脚电连接。复合功率管MA的源极和电池保护芯片A2的VSS管脚电连接，即复合功率管MA的源极电压VSS等于电池负极电压。附图6中，电池保护芯片A2的NC管脚为预留管脚。

如附图7所示，在电池正常充放电的情况下，功率管控制模块的两个输入信号，即放电保护信号和充电保护信号，都是低电平。第一或非逻辑门输出高电平信号，功率管控制模块将复合功率管控制端VG拉高到芯片电源VDD，充分打开复合功率管MA的沟道。偏置管控制模块的两个输入信号，即过充电流保护信号和过充电压保护信号都是低电平，第二或非逻辑门输出高电平信号，偏置管控制模块控制第一偏置管控制端OA为低电平，令第一偏置管MC截止，偏置管控制模块控制第二偏置管控制端OB为高电平，令第二偏置管MD导通。此时，复合功率管MA的衬底VB接电池负极电压VSS端。

当电池正常充电时，充电正极CHARGER+向电池正极BATTERY+充电，到电池负极BATTERY-,经过复合功率管MA的导通沟道，回到CHARGER-构成充电回路。此时，复合功率管MA的漏极电压信号VM相对低于电池负极电压VSS，如果此时的地电位PGND=VSS,则输出到第一偏置管控制端OA的低电平信号比复合功率管MA的漏极电压信号VM要高，会导致第一偏置管MC不能完全被截止，发生关不死的问题。因此，当VM比VSS低一定值时，例如：约0.3V时，地电位控制模块就控制PGND和VM电连接，即PGND=VM。

当电池正常放电时，负载LOAD+从电池正极BATTERY+拉出电流到负载LOAD-，经过大功率管MA的导通沟道，回到电池负极BATTERY-构成放电回路。此时，复合功率管MA的漏极电压信号VM相对高于电池负极电压VSS，地电位控制模块控制PGND和VSS连接，即PGND=VSS。

如附图8所示，当电池充满电时，电池保护芯片根据芯片电源电压VDD和电池负极电压VSS的差值来判断电池是否电压过充，根据复合功率管MA的漏极电压信号VM来判断电池是否电流过充，从而得到过充电压保护信号或过充电流保护信号。根据该信号，功率管控制模块的第一或非逻辑门输出低电平VSS，第一电平移位器将电源域从VDD和VSS切换到VDD和PGND，再通过第一反相器模块加强驱动能力将复合功率管控制端VG的电压拉低到地电位PGND，使复合功率管MA截止。此时，偏置管控制模块的两个输入信号，即过充电流保护信号和过充电压保护信号中，至少有一个是高电平。偏置管控制模块的第二或非逻辑门输出低电平VSS，第二电平移位器将电源域从VDD和VSS切换到VDD和PGND，再通过第二反相器模块加强驱动能力将第一偏置管控制端OA的电压拉高到芯片电源VDD，使第一偏置管MC导通，偏置管控制模块将第二偏置管控制端OB的电压拉低到地电位PGND，使第二偏置管MD截止,复合功率管MA的衬底VB接VM端，复合功率管MA衬底寄生二极管反偏，充电回路被截断，停止充电。

如附图9所示，当电池放电截止时，电池保护芯片根据芯片电源电压VDD和电池负极电压VSS的差值来判断电池是否电压过放，根据复合功率管MA的漏极电压信号VM来判断电池是否电流过放，从而得到过放电压保护信号或过放电流保护信号。根据该信号，功率管控制模块的第一或非逻辑门输出低电平VSS，第一电平移位器将电源域从VDD和VSS切换到VDD和PGND，再通过第一反相器模块加强驱动能力将将复合功率管控制端VG的电压拉低到地电位PGND，使复合功率管MA截止。放电截止时，VM电位相对高于电池负极电压VSS，偏置管控制模块工作在VDD和VSS电源域。此时，偏置管控制模块的输入信号和电池正常充放电时是一样的，过充电流保护信号和过充电压保护信号都为低电平，第二偏置管控制端OB的电压拉高到芯片电源VDD，使第二偏置管MD导通，偏置管控制模块将第一偏置管控制端OA的电压拉低到地电位PGND，使第一偏置管MC截止,复合功率管MA衬底VB接VSS端，复合功率管MA衬底寄生二极管反偏，放电回路被截断，停止放电。

本实用新型电路中所包括的复合功率管MA、驱动控制模块和地电位控制模块可以集成在电池保护芯片中。本实用新型电路中的第一功率管M1、第一偏置管MC和第二偏置管MD都是N型MOSFET管。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。