电池保护电路

技术领域

本申请涉及电池供电技术，具体地，涉及一种电池保护电路。

背景技术

锂电池之类的电池已经广泛地用于便携电子设备和电动车等产品中。电池在寿命期中反复经历充放电过程，在充电状态电流从外部电流供给到电池，在放电状态电流从电池供给至外部负载。电池保护电路在充放电过程中对电池提供双向保护，例如过压保护、欠压保护、过流保护、短路保护，以防止充放电过程的异常情形对电池的使用寿命和性能造成损害。

图1示出根据现有技术的电池保护电路的示意图。电池保护电路100包括在电池101的正负供电端之间与负载102串联连接的开关管M1、M2，以及控制开关管M1、M2的导通状态的栅极控制模块110。进一步地，电池保护电路100还包括串联连接在电池101的正负端之间电阻R1和电容C1，用于根据电池101的电池电压Vdd产生栅极控制模块110正常工作所需的供电电压Vcc。

在电池101的正常充电状态下，开关管M1、M2均处于导通状态。如果在充电过程中检测到异常发生，则开关管M2关断以终止充电过程。在电池101的正常放电状态下，开关管M1、M2均处于导通状态。如果在放电过程中检测到异常发生，则开关管M1关断以终止充电过程。该电池保护电路100中使用两个开关管M1、M2，其中，开关管M1的衬底偏置于电池负端，开关管M2的衬底偏置于的外部电源负端。

上述现有的电池保护电路101在电流路径上使用两个开关管分别用于充放电的保护性断开，导致保护电路的芯片面积过大且成长增加。

进一步改进的电池保护电路在电流路径上采用单个开关管，以及根据开关管的源漏电压切换衬底的连接路径以实现充放电过程的不同偏置状态。这种方法一般在开关管衬底不同的连接路径上分别设置两个开关，通过控制两个开关的导通和关断来实现充放电过程的不同偏置状态。该改进的方法虽然可以减小芯片面积以及降低成本。然而，当电池电压小于一定阈值(例如开关的导通阈值)时，可能出现两个开关无法及时导通和关断的情形，使得开关管处于错误的偏置状态，导致电池保护芯片误动作而损伤电池。

在双向电流路径上使用单个开关管的电池保护电路中，期待进一步改进衬底偏置切换方式以提高电池保护电路的可靠性。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在提供一种电池保护电路，其中，衬底切换模块可在电池电压过低时基于电池的负供电端电压和外部电源的负输入端电压之间的电压差切换开关管的衬底偏置状态，从而提高电池保护电路的可靠性。

根据本发明实施例，提供了一种电池保护电路，包括：开关管，包括与电池的负供电端连接的第一端，以及与外部负载的接地端或外部电源的负输入端相连接的第二端；以及衬底切换模块，基于所述电池的负供电端电压和所述外部电源的负输入端电压之间的电压差控制所述开关管的衬底偏置状态。

优选地，所述电池保护电路还包括：第一开关，连接在所述开关管的衬底和第一端之间；第二开关，连接在所述开关管的衬底和第二端之间；以及偏置控制模块，用于根据保护信号、所述负供电端电压以及负输入端电压产生所述第一开关的第一开关控制信号、以及所述第二开关的第二开关控制信号，从而改变所述开关管与所述第一端、所述第二端的连接路径以切换衬底偏置状态。

优选地，所述衬底切换模块包括：第三开关，连接在所述开关管的衬底和第一端之间；第四开关，连接在所述开关管的衬底和第二端之间；第一电阻，第一端与所述第三开关的控制端连接，第二端与所述开关管的第二端连接；以及第二电阻，第一端与所述第四开关的控制端连接，第二端与所述开关管的第一端连接。

优选地，所述保护信号包括禁止充电信号、关断控制信号以及衬底切换控制信号。

优选地，所述偏置控制模块包括：比较单元，用于将所述负供电端电压和所述负输入端电压进行比较，以产生第一比较信号和第二比较信号；逻辑控制单元，用于根据所述禁止充电信号、所述关断控制信号、所述衬底切换控制信号和所述第二比较信号产生第一衬底选择信号和第二衬底选择信号；以及输出单元，用于根据所述第一比较信号、所述第一衬底选择信号和所述第二衬底选择信号产生所述第一开关控制信号和所述第二开关控制信号。

优选地，所述比较单元包括：连接于供电电压和所述负输入端电压之间的第一晶体管；连接于所述供电电压和所述负输入端电压之间的第二晶体管和第三晶体管；连接于所述供电电压和所述负供电端电压之间的第四晶体管和第五晶体管；以及连接于所述供电电压和所述负供电端电压之间的第六晶体管和第七晶体管，其中，所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第四晶体管和所述第六晶体管构成电流镜，所述第三晶体管、所述第五晶体管和所述第七晶体管构成电流镜，所述第四晶体管的第二端用于提供所述第一比较信号，所述第六晶体管的第二端用于提供所述第二比较信号。

优选地，所述逻辑控制单元包括：第一或非门，其具有用于接收所述关断控制信号的第一输入端、用于接收所述衬底切换控制信号的第二输入端和输出端；第一反相器，其具有用于接收所述第二比较信号的输入端和输出端；与非门，其具有用于接收所述禁止充电信号的第一输入端、与所述第一反相器的输出端连接的第二输入端和输出端；第二反相器，其具有与所述与非门的输出端连接的输入端和输出端；第二或非门，其具有与所述第一或非门的输出端连接的第一输入端、与所述第二反相器的输出端连接的第二输入端和输出端；以及第三反相器，其具有与所述第二或非门的输出端连接的输入端和输出端，其中，所述第三反相器的输出端用于提供所述第一衬底选择信号，所述第二或非门的输出端用于提供所述第二衬底选择信号。

优选地，所述逻辑控制单元还包括：施密特触发器，其具有用于接收所述第二比较信号的输入端以及与所述第一反相器的输入端连接的输出端，所述施密特触发器用于对所述第二比较信号进行整形。

优选地，所述输出单元包括：依次串联连接于供电电压和开关管衬底电位之间的第八晶体管、第九晶体管、第十晶体管和第十一晶体管；以及依次串联连接于所述供电电压和开关管衬底电位之间的第十二晶体管、第十三晶体管、第十四晶体管和第十五晶体管，其中，所述第九晶体管和所述第十三晶体管的控制端与所述负供电端电压连接，所述第十晶体管和所述第十一晶体管的控制端彼此连接且都连接至所述第十四晶体管的第一端，所述第十四晶体管和所述第十五晶体管的控制端彼此连接且都连接至所述第十晶体管的第一端，所述第八晶体管的控制端用于接收所述第二衬底选择信号，所述第十二晶体管的控制端用于接收所述第一衬底选择信号，所述第十晶体管的第一端用于接收所述第一比较信号，所述第十四晶体管的第一端用于提供所述第一开关控制信号，所述第十晶体管的第一端用于提供所述第二开关控制信号。

优选地，所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第四晶体管以及所述第六晶体管分别为PMOS晶体管，所述第三晶体管、所述第五晶体管以及所述第七晶体管分别为NMOS晶体管。

优选地，所述第八晶体管、所述第九晶体管、所述第十二晶体管以及所述第十三晶体管分别为PMOS晶体管，所述第十晶体管、所述第十一晶体管、所述第十四晶体管以及所述第十五晶体管分别为NMOS晶体管。

优选地，所述电池保护电路还包括：栅极控制模块，与所述开关管相连接，根据所述电池的电池电压和工作电流产生所述保护信号，以及根据所述保护信号产生栅极驱动信号，控制所述开关管的导通状态。

本发明实施例的电池保护电路中的衬底切换模块基于电池的负供电端电压和外部电源的负输入端电压之间的电压差控制开关管的衬底偏置状态，可在电池电压过小时能够及时切换开关管衬底的连接路径，使得开关管处于正确的偏置状态，进一步保护电池，从而提高电池保护电路的可靠性。

在进一步的实施例中，偏置控制模块根据内部的保护信号、电池的负供电端电压和外部电源的负输入端电压得到触发开关管的衬底偏置切换的选择信号，使得开关管在保护动作时处于与电流路径相对应的偏置状态，从而提高电池保护电路的可靠性。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出根据现有技术的电池保护电路的示意图。

图2示出根据本发明实施例的电池保护电路的示意图。

图3示出图2所示电池保护电路中偏置控制模块的内部电路示意图。

图4示出图3所示偏置控制模块中比较单元的内部电路示意图。

图5示出图3所示偏置控制模块中逻辑控制单元的内部电路示意图。

图6示出图3所示偏置控制模块中输出单元的内部电路示意图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

在本申请中，MOS晶体管包括第一端、第二端和控制端，在MOS晶体管的导通状态，电流从第一端流至第二端。PMOS晶体管的第一端、第二端和控制端分别为源极、漏极和栅极，NMOS晶体管的第一端、第二端和控制端分别为漏极、源极和栅极。

图2示出根据本发明实施例的电池保护电路的示意图。电池保护电路200包括在电池101的正负供电端之间与负载102串联连接的开关管M1，控制开关管M1的导通状态的栅极控制模块210，以及控制开关管M1的衬底连接路径的偏置控制模块220和衬底切换模块230。

如图所示，该电池保护电路200中使用单个开关管M1，例如NMOS晶体管。开关管M1的栅极与栅极控制模块210的输出端相连接，以获得栅极驱动信号Vg，开关管M1的第一端经由第一线路连接至电池101的负供电端，第二端经由第二线路连接到外部负载的接地端或外部电源的负输入端。开关管M1的衬底经由开关K1连接至第一端，经由开关K2连接至第二端。

栅极控制模块210在第一线路和第二线路上分别获得充电电流检测信号Ichg和放电电流检测信号Idis。例如，采用第一线路上串联连接的电阻获得充电电源检测信号Ichg，采用第二线路上串联连接的电阻获得放电电流检测信号Idis。进一步地，栅极控制电路210获得电池电压Vbat，根据电池电压Vbat、充电电流检测信号Ichg和放电电流检测信号Idis，以产生栅极驱动信号Vg。此外，栅极控制模块210将保护动作相关的保护信号(图中未示出)提供至偏置模块220以触发衬底的偏置切换。

偏置控制模块220根据该保护信号、电池101的负供电端电压V

在电池101的正常充电状态下，开关管M1处于导通状态。如果在充电过程中检测到异常发生，则开关管M1关断以终止充电过程。在电池101的正常放电状态下，开关管M1处于导通状态。如果在放电过程中检测到异常发生，则开关管M1关断以终止充电过程。

此外，针对当电池电压Vbat小于一定阈值(例如开关的导通阈值)时，可能出现两个开关无法及时导通和关断的情形，本发明实施例的电池保护电路还包括衬底切换模块230，衬底切换模块230用于基于电池101的负供电端电压V

进一步的，衬底切换模块230包括开关K3、开关K4以及电阻R1和电阻R2。开关K3和开关K4例如采用NMOS晶体管，开关K3连接在开关管M1的衬底和第一端之间，开关K3的栅极经电阻R1与开关管M1的第二端连接。开关K4连接在开关管M1的衬底和第二端之间，开关K4的栅极经电阻R2与开关管M1的第一端连接。开关K3和开关K4用于在电池电压Vbat小于一定阈值时基于电池101的负供电端电压V

根据本发明实施例的电池保护电路，衬底切换模块基于电池的负供电端电压和外部电源的负输入端电压之间的电压差控制开关管的衬底偏置状态，从而可在电池电压过小时能够及时切换开关管衬底的连接路径，使得开关管处于正确的偏置状态，进一步保护电池，从而提高电池保护电路的可靠性。

图3示出图2所示电池保护电路中偏置控制模块的内部电路示意图。如图3所示，偏置控制模块220包括比较单元221、逻辑控制单元222和输出单元223。

比较单元221用于将电池101的负供电端电压V

图4示出图3所示偏置控制模块中比较单元的内部电路图。如图4所示，比较单元221包括晶体管Mp1-Mp4、晶体管Mn1-Mn3和电阻R11-R18。晶体管Mp1、电阻R11和电阻R12依次串联连接于供电电压V

晶体管Mp1-Mp4例如为PMOS晶体管，晶体管Mn1-Mn3例如为NMOS晶体管，且晶体管Mp1-Mp4构成电流镜，晶体管Mn1-Mn3构成电流镜，晶体管Mp3的漏极用于提供比较信号V1，晶体管Mp4的漏极用于提供比较信号V2。

图5示出图3所示偏置控制模块中逻辑控制单元的内部电路图。如图5所示，逻辑控制模块包括或非门NOR1、或非门NOR2、与非门NAND1、施密特触发器SMIT1以及反相器INV1-INV3。

或非门NOR1的第一输入端用于接收关断控制信号Powerdown，第二输入端用于接收衬底切换控制信号Bulksel，输出端与或非门NOR2的第一输入端连接。施密特触发器SMIT1的输入端用于接收比较信号V2，输出端与反相器INV1的输入端连接。施密特触发器SMIT1用于对比较信号V2进行整形。与非门NAND1的第一输入端用于接收禁止充电信号Nochg，第二输入端与反相器INV1的输出端连接，输出端与反相器INV2的输入端连接，反相器INV2的输出端与或非门NOR2的第二输入端连接。或非门NOR2的输出端用于提供衬底选择信号Vctrl2，反相器INV3的输入端与或非门NOR2的输出端连接，输出端用于提供衬底选择信号Vctrl1。

其中，所述关断控制信号Powerdown表示电路当前的工作状态，其为高电平有效。例如当电池电压Vbat大于0.6V且开关管M1的衬底连接至电池101的负供电端时，所述关断控制信号Powerdown为高电平；当电路发生OVP(Over Voltage Protection，过压保护)或者OCP(Over Current Protection，过流保护)时，所述关断控制信号Powerdown变为低电平。

栅极控制模块210根据电池电压Vbat生成所述禁止充电信号Nochg。在一种实施例中，栅极控制模块210在电池电压Vbat小于2.5V时生成有效的禁止充电信号Nochg(即禁止充电信号Nochg为高电平)。

衬底切换控制信号Bulksel用于表示开关管M1当前的偏置状态。在一种实施例中，当开关管M1的衬底偏置于电池101的负供电端连接时，衬底切换控制信号Bulksel为高电平；当开关管M1的衬底偏置于外部电源的负输入端时，衬底切换控制信号Bulksel为低电平。

图6示出图3所示偏置控制模块中输出单元的内部电路示意图。如图6所示，输出单元223包括晶体管Mp5-Mp8和晶体管Mn4-Mn7。晶体管Mp5、晶体管Mp6、晶体管Mn4和晶体管Mn5依次串联连接于供电电压V

其中，晶体管Mp5-Mp8例如为PMOS晶体管，晶体管Mn4-Mn7例如为NMOS晶体管，晶体管Mp5和晶体管Mp7分别用于电平转换，其的栅极分别接收衬底选择信号Vctrl2和Vctrl1。晶体管Mp6和晶体管Mp8起到钳位的作用，晶体管Mp6和晶体管Mp8的栅极用于接收所述负供电端电压V

在电池101的正常充电、正常放电状态、放电异常状态下，衬底选择信号Vctrl1为低电平，衬底选择信号Vctrl2为高电平，晶体管Mp7和Mp8导通，晶体管Mp5和Mp6断开。开关控制信号Vk1为高电平且Vk2为低电平。相应地，开关K1导通且K2断开，使得开关管M1的衬底与开关管M1的第一端相连接。因此，开关管M1的第一端作为源极。

在电池101的充电过程出现异常时，衬底选择信号Vctrl1为高电平，衬底选择信号Vctrl2为低电平，晶体管Mp5和Mp6导通，晶体管Mp7和Mp8断开。开关控制信号Vk1为低电平且Vk2为高电平。相应地，开关K1断开且K2导通，使得开关M1的衬底与开关管M1的第二端相连接，开关管M1的第二端作为源极。

与现有技术的电池保护电路不同，偏置控制模块220根据内部的保护信号(例如，禁止充电信号Nochg、关断控制信号Powerdown和衬底切换控制信号Bulksel)、电池的负供电端电压V

综上所述，在本发明实施例的电池保护电路中，衬底切换模块基于电池的负供电端电压和外部电源的负输入端电压之间的电压差控制开关管的衬底偏置状态，可在电池电压过小时能够及时切换开关管衬底的连接路径，使得开关管处于正确的偏置状态，进一步保护电池，从而提高电池保护电路的可靠性。

在进一步的实施例中，偏置控制模块根据内部的保护信号、电池的负供电端电压和外部电源的负输入端电压得到触发开关管的衬底偏置切换的选择信号，使得开关管在保护动作时处于与电流路径相对应的偏置状态，从而提高电池保护电路的可靠性。

本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。