CN1334630A - 具有自含热短路安全保护的分路电压调节器 - Google Patents

Abstract

一种电压调节器,包含制作在半导体上的电压控制电路。该电压控制电路通过保持从第一节点流向第二节点的电流水平来保持第一节点和第二节点之间的电压在预先设定的范围内。电流水平是第三节点和第二节点之间电压的函数。一热敏电路也制作在该半导体上,并热耦合到电压控制电路。当热敏电路检测到电压控制电路的温度高于一个预先设定的阈值时,热敏电路就起动一个锁存信号来使电压控制电路允许饱和电流从第一节点流向第二节点。

Description

具有自含热短路安全保护的分路电压调节器

本发明涉及电池保护电路，特别涉及用于调整电池充电的电压调节器。

过度充电是一个普遍的问题，这在设计电池保护电路时必然要考虑到。锂电池，包括锂-离子电池和锂-聚合物电池，具有对过电压敏感的特性。没有合适的安全电路，过度充电会降低电池的可靠性。

为了改进可靠性，一些充电器和电池组合包含有当过度充电时分路电池充电电流的器件。这些器件检测过度充电，当检测到时，引导该充电电流通过一个分路电路。一个这样的器件是“齐纳-保险丝”电路，如图1所示。在这个电路里，当电源/充电器102的电压超过电池单元104正常充电电压时，齐纳二极管106开始用反向偏置的或者说雪崩的方式通电。一旦齐纳二极管106在雪崩方式时，它起着有点像相对于电源/充电器的短路电路的作用。雪崩状态引起电流迅速增加，依次导致保险丝108熔断，将电池单元104与电源-充电器102隔离开。

这个电路的问题在于，实际上齐纳二极管106不是纯短路的，在雪崩状态下，实际上有电压跨于齐纳二极管上，这导致电能的损耗。要求熔断保险丝的高电流也迅速地使齐纳二极管发热。因此，一个“热竞赛(Thermal Race)”状态存在于齐纳二极管106和保险丝108之间。因为保险丝108和齐纳二极管106由于过热都正在趋向失效，齐纳二极管106的失效必须慢于保险丝108的失效，才能使保险丝108安全地断开。因此应该使用高额定功率的齐纳二极管，以保证当齐纳二极管的温度在高到足以使其失效之前，保险丝108已经熔断。这个高功率齐纳二极管通常是大而笨重并且昂贵的。

因此，需要一种小型的、可靠的、便宜的电路来对电池过度充电进行保护。

附图简要说明：

图1为现有技术的简图。

图2是根据本发明的一个实施例的电路简图。

图3A是根据本发明的一个可替换实施例的电路简图。

图3B是根据本发明的一个可替换实施例的电路简图。

图3C是根据本发明的一个可替换实施例的电路简图。

图3D是根据本发明的一个可替换实施例的电路简图。

图4A是电流限制器件的一个实施例。

图4B是电流限制器件的一个可替换实施例。

图4C是电流限制器件的一个可替换实施例。

现在详细说明本发明的一个优选实施例。参见附图，在全部的图中，同样的数字用于指示同样的零件，如用于此处说明书中和全部的权利要求书中，下述术语具有明确的相关联的含义，除非其上下文清楚地指出不同，否则：“一个”(a或an)和“这个”(the)包含着“多个”的意思；“在…里”(in)包含“在…里”(in)和“在…上”(on)。同时，“电池(Battery)”包含单个电池也包含多个电池组。

下面所公开的，结合美国专利申请号60/073279和PCT专利申请号PCT/US99/01911。

在一个实施例中，本发明是一个电压调节器，用于当电池被施以不正常的高电压时来阻止对电池的过度充电，这个电压调节器采用一个电压控制电路，它使跨于电池节点的电压保持在希望的范围里，这是依靠调整电池的旁路电流来实现的。例如，当检测到电池上的一个不正常的高电压时，电压调节器增加电池的旁路电流，从而降低电池上的电压。一个热敏电路当电压调节器的温度高于最大期望值的温度时进行检测，并在温度过高时使电压调节器增加电池旁路电流。这个电压调节器可以制作在一块半导体上，因此使之相对便宜和足够小，而可以包含在电池组里或电池的充电应用里。

如图2所示，本发明是一个电压调节器200，它包含一个电压控制电路230和一个热敏电路220，两者均制作在一块半导体上。电压控制电路230保持第一节点212和第二节点214之间的电压在一个预先设定的范围里(例如，当此调节器与锂离子电流充电器一起工作时为4.5V)，这个电压的保持是靠维持从第一节点212流向第二节点214的电流水平来达到的。电流水平是在被选的节点(例如第一节点212)和第二节点214之间电压的函数。热敏电路220也制作在这块半导体上，并且热耦合到电压控制电路230。热敏电路包括一个锁存电路/热传感器222，当锁存电路/热传感器222检测到电压控制电路的温度已在预先设定的阈值之上时，它起动一个温度-依赖的控制信号224。被起动的信号224导致电压控制电路2 30允许饱和电流从第一节点212流到第二节点214。开关226对锁存信号224作出反应，当控制信号224被起动时，此开关将第一节点212电连接到晶体管232的控制极，因而迫使晶体管232在第一节点212和第二节点214之间进入其最大导通状态。因此本发明作为一个具有自含热起动短路安全保护的分路电压调节器。

在一个实施例中，电压控制电路230包含一个晶体管(如金属氧化物半导体场效应管)，它具有电连接到第一节点212的第一极、电连接到第二节点214的第二级、以及一个门。晶体管232能够控制从第一节点212流到第二节点214的电流，把此电流作为它的门电压的函数；此门在本文中又称为控制极。电压校准器236产生一个信号，它是预先设定的对于第二节点的214的电位差。放大器234，其具有电连接到第一节点212的第一输入和电连接到从电压校准器236来的信号的第二输入，它产生电连接到晶体管232的门的输出。因此，放大器234的输出是第一节点212和第二节点214之间的电压差的函数。

在另一个实施例中，如图3A所示，电池组350，其具有第一电极352和第二电极354，被连到上述电路上。因此，这个电路作为再充电电路的一部分能够对电池组350提供过电压保护。

附加的器件可以被加到这个电路上以增添某些特点。例如，为保证功率晶体管332连续地导通，一个电容338可以跨接于电源输入端至放大器334上。此电容正常地被充电到一定电压值足够在一个预定的时间内给放大器334供电，因此放大器334甚至当电流已经转移到流经晶体管332的时候仍继续产生一个输出电压。如果没有电容338，当功率晶体管332开始导通时，放大器334的电源输入就要降低到使得功率晶体管停止导通的点。当采用电容338，并且当电容上的电荷被消耗到放大器334不能驱动功率晶体管332的点时，功率晶体管332将暂时停止导通。这就允许电流流到电容338，从而对它重新充电，由于电容充电大大快于当它驱动放大器334时的放电(典型地，充电周期大约是5毫秒，而放电是以秒计)，功率晶体管332当电容338处于再充电的期间，将有相对长的时间导通，而只被中断一个较短的时间。

在一个实施例中，提供一个电容再充电逻辑电路340，它检测何时电容要求再充电；并且当检测到这种需要时提供再充电电流。电容再充电逻辑电路340可以提供驱动晶体管332的控制输入。在一个这样的实施例中，电容再充电逻辑电路340的输出同锁存电路332的输出是“与”352的关系；然后其结果同放大器334的输出是“或”350。“或”函数350可以是一个“模拟的或”，因此，“与”函数352的输出是逻辑0时，那么放大器334的输出驱动晶体管332，但当“与”函数352的输出是逻辑1时，晶体管332被驱动到它的最大导通状态。在这个实施例中，当超温的条件存在，并且电容338不是正在被电容再充电逻辑340再充电时，那么“与”函数的输出是逻辑1，晶体管332被驱动到“接通”状态。当电容338需要充电，电容再充电逻辑340驱动“与”函数352的输出到逻辑0，而流过放大器334的输出去驱动晶体管332，因而允许节点312调节电压上升、电流流到电容338，直到它被适当地充电；此时，电容再充电逻辑340停止再充电操作，并且驱动晶体管332回到其“导通”状态。

可以提供一个或多个电流限制器件342、344和346，以增加电路的可靠性。电流限制器件342、344和346可以包括诸如保险丝、晶体管、开关、二极管或正温度系数的器件，在图3B的实施例中，第二电流限制器件346b是一个晶体管，它由“或”函数350的输出所控制。因此，当晶体管332被驱动到“导通”状态时，晶体管346b被驱动到基本上不导通的状态，从而阻止电容经过晶体管332放电。当晶体管332在“断开”状态时，允许晶体管346b导通，因而允许电容338再充电。如图3C所示，第二电流限制器件可以是一个二极管，它被这样偏置，允许电流流入电容338，而不允许电流从电容338流出。这个实施例，虽然简单，但是包含一个在二极管346c上的正向偏置电压降。

在一个实施例中，如图3D所示，电池350的输出可以作为放大器334的电源，而第三电流限制器件344d是一个晶体管，它被这样偏置，即它的固有的寄生二极管允许电源流进电池350，但是当晶体管344d处于“断开”状态时，不允许电流从电池流出。晶体管344d在晶体管332导通时被驱动到“断开”状态。这阻止电池350放电，因而允许电池350提供电源给放大器344，而取消上面实施例中所需要的电容。晶体管344d也可以被驱动到“导通”状态，这时，允许电池350给一个负载供电。

虽然将理解到，图3A所示的第一、第二和第三电流限制器件342、344和346可能有许多不同的组合。几个这样的组合示于下表。决定用何种组合基于几个与具体应用有关的因素，包括费用要求、功率要求和可能的空间，这些对于熟练的电子电路设计者是容易知道的。

FRE#1(电流限制器件#1)	FRE#2(电流限制器件#2)	FRE#3(电流限制器件#3)	电容再充电逻辑
				短路短路短路保险丝保险丝保险丝短路短路保险丝保险丝晶体管晶体管	二极管晶体管开路(从电池获得电源)开路(从电池获得电源)二极管晶体管二极管晶体管二极管晶体管二极管晶体管	短路短路晶体管晶体管保险丝保险丝保险丝保险丝短路短路短路短路	有有没有没有有有有有有有有有

这个电路可以设计成当某些临时性故障发生时它可复原。例如“钥匙串事故”的发生；当电池放在口袋或者钱包中被用户的钥匙所短路，电容338保持在放大器334上的电荷，从而防止损坏电池350。一旦钥匙移走，本发明将自行复原，而允许电池正常工作。甚至对于采用保险丝的实施例(如下面对图4的讨论)，本发明也允许在下述情况下继续使用。这时存在一个低电压的持续波动，但没有引起足以超过保险丝的电流；不过，这样降低了电池的可靠性。

如图4A所示，本发明的一个实施例采用第一电流限制器件，它由被热敏电路控制的晶体管422a组成。晶体管442被这样偏置，当温度低于锁存电路/热传感器的阈值时，电流可以流经晶体管422a；当温度高于阈值时，电流被晶体管442a所限制。这个实施例允许正常的电池放电，而保护电池电流在超过温度阈值的条件下的转移。

另一个实施例示于图4B，第一电流限制器件由保险丝442b构成，当流过这里电流超过预定值时，它造成一个断路。这是一个不昂贵的替代方案，但是有一个会断开的保险丝442b，如果发生过度放电，它会需要替换。同样，如图4c所示，在一个实施例中，第一电流限制器件可以是一个正温度系数器件(PTC)442c。

本发明可被实施成一个单个的、自包含的两端或者三端器件(或者多端)，由此，它能被低成本地制造；因此，能包含在成本作为重要的考虑因素的许多电源应用中。这样的应用包括：电池组、电池充电器和任何需要温度传感电压调节器的应用场合。由于是制作在一个单片集成电路上，本发明只需用相对小的空间，因此可用于许多空间限制是重要考虑因素的场合(例如，电池电话、电池电话的电池组、寻呼机等等)。如本领域技术人员所知道的那样，本发明可以用分立元件来实现，这时要牺牲以单片集成电路实现时的价格和尺寸方面的某些优点。根据本发明具体实施时的实际电路工艺，所公开的实施例能够处理超过20安培的事故电流。

上述实施例，只是作为说明的示例进行描述。许多变型可以由在本规范公开的具体实施例中引申出来而不离开本发明，这是容易理解的。当然，本发明的范围将在下面的权利要求书中限定，而不受这里具体描述来限制。

Claims (27)

1、一种电压调节器，其特征在于：包括有：

一电压控制电路，制造在一块半导体上，它通过维持由第一节点流向第二节点的电流水平来保持第一节点和第二节点之间的电压在一个预先设定的范围内，该电流水平是在电压控制电路中一个预选的节点电压的函数；

一热敏电路，也制造在该半导体上，被热耦合到电压控制电路；当这个热敏电路检测到电压控制电路的温度高于预先设定的阈值时，就起动一个温度-依赖的控制信号，以引起电压控制电路允许从第一节点到第二节点流动的电流达到饱和值。

2、如权利要求1所述的电压调节器，其特征在于：电压控制电路组成为：

一晶体管，它具有电连接到第一节点的第一极、电连接到第二节点的第二极和一个门；

一电压校准器，它产生具有对第二节点的预定电位差的信号；一放大器，其第一输入电连接到预先选择的节点，第二输入电连接到从电压校准器来的信号，其输出电连接到晶体管的门。

3、如权利要求1所述的电压调节器，其特征在于：该电压调节器适用于连到电池组，它有第一极和一个反向地充电的第二极；其中第一极电连接到第三节点，而第二极电连接到第二节点；该电压调节器还包括有一个电流限制器件，它电连接到第一节点和第三节点；当电压控制电路允许从第一节点流到第二节点的电流处于饱和值时，此电流限制器件阻止电流从电池经电压控制电路流向第二节点。

4、如权利要求3所述的电压调节器，其特征在于：电流限制器件包括有一个带偏置的二极管，该二极管只允许电流从第一节点流向第三节点。

5、如权利要求3所述的电压调节器，其特征在于：电流限制器件包括有一个保险丝，当流过那里的电流超过预定值时，该保险丝造成断路。

6、如权利要求3所述的电压调节器，其特征在于：电流限制器件包括有一个晶体管，其具有一个寄生二极管的特性；其中晶体管代表阳极的部分电连接到第一节点，而晶体管代表阴极的部分电连接到第三节点；并且这个晶体管包含一个门，该门连接从热敏电路来的温度-依赖的控制信号；当此温度-依赖的控制信号有一第一个值时，晶体管被偏置成允许电流从第三节点流向第一节点；而当温度-依赖的控制信号具有不同于第一个值的第二个值时，则不允许电流从第三节点流向第一节点。

7、一种用于调节电池充电电流的电压调节器，该电池有一个第一电极和一个第二电极，其特征在于：该电压调节器包括有：

一晶体管，它具有电连接到第一节点的第一极、电连接到第二节点的第二极以及一个控制极；第一电极电连接到第三节点，第二电极电连接到第二电极，晶体管能够控制从第一节点流向第二节点的电流，使此电流成为控制极电压的一个函数；

一放大器，它的输出电连接到晶体管的控制极，该放大器能够在控制极施加一个电压，该电压是第一电极和第二电极之间的电压差的函数；

一能够检测晶体管的温度的热敏电路，当温度超过预先设定的阈值时，该热敏电路起动温度-依赖的控制信号；

一开关，该开关对温度-依赖的控制信号响应，当温度-依赖的控制信号被起动时，该开关将第一节点电连接到控制极，从而使晶体管达到在第一电极和第二电极之间的最大导通状态。

8、如权利要求7所述的电压调节器，其特征在于：所述的晶体管是一个场效应晶体管。

9、如权利要求7所述的电压调节器，其特征在于：还包含一个电连接第一电极到第一节点的第一电流限制器件。

10、如权利要求9所述的电压调节器，其特征在于：所述的第一电流限制器件选自下列器件：保险丝、晶体管、开关、二极管或正温度系数的器件。

11、如权利要求7所述的电压调节器，其特征在于：还包含一个接收来自电流源的电荷的电容，并且它能够向放大器的电源输入端进行充电。

12、如权利要求11所述的电压调节器，其特征在于：所述的电容有足够的容量，以保持在预先选定的时间里在放大器上的驱动电荷。

13、如权利要求11所述的电压调节器，其特征在于：还包含一个电容再充电逻辑电路；当电容上的电压低于驱动器所需的电压时，该电容再充电逻辑电路能够检测出来，并切当电容上的电压低于驱动器所需的电压时，该电容再充电逻辑电路能够对电容进行充电。

14、如权利要求13所述的电压调节器，其特征在于：所述的开关包含一个“与”门，该“与”门对电容再充电逻辑电路和热敏电路响应；其中当温度-依赖的控制信号被起动，并且电容再充电逻辑电路不对电容进行充电时，该“与”门驱动晶体管使它处于最大导通状态；而当温度-依赖的控制信号被起动，并且电容再充电逻辑电路正对电容进行再充电时，该“与”门使晶体管处于最小导通状态。

15、如权利要求14所述的电压的调节器，其特征在于：还包含一个“或”门，该“或”门对“与”门和放大器的输出响应；该“或”门的输出驱动晶体管的控制极，因此如果该“与”门没有产生足够驱动晶体管的电压，则晶体管由放大器的输出驱动；如果该“与”门产生足够驱动晶体管的电压，则晶体管被驱动到它的最大导通状态。

16、如权利要求13所述的电压调节器，其特征在于：还包含一个能够有选择地将电容接到第一节点的第二电流限制器件。

17、如权利要求16所述的电压调节器，其特征在于：当晶体管处在最大导通状态时，所述的开关控制信号使第二电流限制器件限制流过该处的电流。

18、如权利要求17所述的电压调节器，其特征在于：所述的第二电流限制器件选自下列器件：保险丝、晶体管、开关、二极管和正温度系数的器件。

19、如权利要求7所述的电压调节器，其特征在于：还包含一个能够有选择地将放大器的电源输入连接到第一节点的第二电流限制器件。

20、如权利要求19所述的电压调节器，其特征在于：所述的第二电流限制器件选自下列器件：保险丝、晶体管、开关、二极管和正温度系数器件。

21、如权利要求7所述的电压调节器，其特征在于：还包含一个限制从第一节点流向第三节点的电流的第三电流限制器件。

22、如权利要求21所述的电压调节器，其特征在于：所述的第三电流限制器件包括带偏置的二极管，该二极管只允许电流从第一节点流向第三节点。

23、如权利要求21所述的电压调节器，其特征在于：所述的第三限制电流器件包括保险丝，当流过其中的电流在某个预定值之上时，该保险丝导致断路。

24、如权利要求21所述的电压调节器，其特征在于：所述的第三电流限制器件包括一个晶体管，该晶体管是这样偏置的：当温度-依赖的控制信号不被起动时，晶体管允许电流从第一电极流向第一节点，而当温度-依赖的控制信号被起动时，晶体管不允许电流从第一电极流向第一节点。

25、如权利要求21所述的电压调节器，其特征在于：所述的第三电流限制器件选自下列器件：保险丝、晶体管、开关、二极管和正温度系数器件。

26、如权利要求7所述的电压调节器，其特征在于：所述的第一节点被短接到第三节点。

27、一种电压调节器，其特征在于：包括有：

一电压控制电路，其通过保持从第一节点流向第二节点电流水平来保持第一节点和第二节点之间的电压在预先设定的范围内；

一热敏电路，当该热敏电路检测到电压控制电路的温度达到高于预先设定的阈值时，该热敏电路使电压控制电路允许饱和电流从第一节点流向第二节点。

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