电池保护电路及电池保护方法与流程

1.本发明与电池保护有关，尤其是关于一种电池保护电路及电池保护方法。


背景技术：

2.请参照图1，图1为利用一次电池保护集成电路pic1与二次电池保护集成电路pic2监测电池状态以提供电池保护的示意图。如图1所示，多个电池单元b1～b4分别串接于相邻两供电接脚vc1及vc2、vc2及vc3、vc3及vc4、vc4及gnd之间。一次电池保护集成电路pic1通过控制保护开关ma/mb导通/关断充电路径达到重复性的保护动作。当一次电池保护集成电路pic1故障时，则由二次电池保护集成电路pic2执行保护机制。当二次电池保护集成电路pic2侦测到过电压(over-voltage)事件发生时，会发出保护信号co控制保险丝驱动器fd熔断设置于供电路径上的保险丝f，以提供一次性的过电压保护(over-voltage protection,ovp)。为了能持续监测电池状态，现有的电池保护电路通常需持续地感测每个电池的跨压，导致常态性的耗能。
3.再者，对于使用锂电池供电的便携式装置(尤其例如电钻等会产生震动的工具)而言，于其工作期间内，其电池保护电路的焊接处可能因震动而脱落，导致电池保护电路无法感测到电池状态，故还需对此状况提供断线保护(open-wire protection,owp)功能。
4.在传统具有断线侦测的电池保护集成电路中，利用多个比较器个别监测电池单元的电压进行过电压保护。由于比较器的输出电压为高压信号，还需再相应配置电位偏移器(level shifter)来转换为低压信号。断线保护电路则会再配置电流源(或耦接工作电压的大电阻)与各电池单元并连连接，其功耗约为过电压保护电路的2～3倍，若同时在所有的保护电路中都加入过电压保护功能与断线保护功能，势必导致产品的电路面积及耗电量大增，此缺点亟待克服。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提出一种电池保护电路及电池保护方法，以有效解决现有技术所遭遇到的问题。
6.本发明提供一种电池保护电路，具有多个供电接脚，分别耦接多个彼此串联的电池单元。电池保护电路包括比较电路、切换电路、电流源及多个开关。切换电路分别耦接该些供电接脚及比较电路，用以分别在多个不同的第一期间将该些供电接脚中相邻两接脚间的跨压输入至比较电路。电流源提供放电电流。多个开关分别耦接于该些供电接脚与电流源之间。该些开关分别在多个不同的第二期间导通，以使得该些供电接脚分别连接电流源。第一期间小于第二期间且第二期间包含多个第一期间。比较电路在每个第一期间中使用跨压作为工作电压，且对连接电流源的供电接脚进行断线侦测。
7.于一实施例中，在第一期间内，比较电路根据跨压进行过电压侦测。
8.于一实施例中，比较电路在一个侦测周期(clock cycle)内依次对该些电池单元进行过电压侦测。
9.于一实施例中，第二期间包含至少一个侦测周期。
10.于一实施例中，每个供电接脚间隔多个侦测周期后再次抽电流进行断线侦测。
11.于一实施例中，电池保护电路还包括电位偏移器，耦接比较电路，用以将比较电路输出的比较结果由高电压域转变至低电压域。
12.本发明还提供一种电池保护方法，用于保护多个彼此串联的电池单元。该些电池单元分别耦接多个供电接脚且该些供电接脚通过切换电路耦接比较电路。电池保护方法包括下列步骤：(a)分别在多个不同的第一期间比较该些供电接脚中相邻两接脚间的跨压；以及(b)分别在多个不同的第二期间对该些供电接脚提供放电电流以进行断线侦测。第一期间小于所述第二期间，且跨压被用以作为比较电路的工作电压。
13.于一实施例中，在第一期间内，根据跨压进行过电压侦测。
14.于一实施例中，在一个侦测周期内依次对该些电池单元进行过电压侦测。
15.于一实施例中，第二期间包含至少一个侦测周期。
16.于一实施例中，每个供电接脚在间隔多个侦测周期后再次进行断线侦测。
17.相较于现有技术，本发明的电池保护电路及电池保护方法利用单一比较器，分时接收相邻两接脚的跨压进行侦测，并且利用相邻两接脚的跨压作为比较器工作电压，使比较器能使用本较低的低压组件实现。还利用单一电流源，分时对个别接脚提供放电电流以进行开路侦测。由以减少比较器与位准偏移器的数量，不仅能大幅降低电路面积及功耗，还能针对单一比较器进行最佳化匹配，由以同时兼顾低功耗与高精准度的需求。
18.关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及附图得到进一步的了解。
附图说明
19.图1为现有技术中同时使用一次电池保护集成电路及二次电池保护集成电路进行电池保护的示意图。
20.图2为依据本发明的一具体实施例的电池保护电路的示意图。
21.图3及图4分别为图2中的各控制信号的时序图。
22.图5为过压侦测波形的时序图。
23.图6为断线侦测电路的示意图。
24.图7为断线侦测波形的时序图。
25.图8为使用小电流抽载进行断线侦测波形的时序图。
26.图9为依据本发明的另一具体实施例的电池保护方法的流程图。
27.主要元件符号说明：
28.vc1～vc4
…
供电接脚
29.gnd
…
供电接脚
30.b1～b4
…
电池单元
31.pic1
…
一次电池保护集成电路
32.pic2
…
二次电池保护集成电路
33.fd
…
保险丝驱动器
34.f
…
保险丝
35.vdd
…
充电电压
36.pck+
…
高压端
37.pck
‑…
低压端
38.co
…
保护信号
39.do
…
保护信号
40.ma
…
保护开关
41.mb
…
保护开关
42.r1～r8
…
电阻
43.c1～c4
…
电容
44.c
…
电容
45.com1～com4
…
比较器
46.21～23
…
电位偏移器
47.24
…
控制电路
48.ptic
…
电池保护集成电路
49.ov
…
过压保护信号
[0050]3…
电池保护电路
[0051]
31
…
比较电路
[0052]
32
…
切换电路
[0053]
33
…
开关电路
[0054]
34
…
控制电路
[0055]
35
…
电位偏移器
[0056]
is
…
电流源
[0057]
m1～m3
…
开关
[0058]
sw1～sw8
…
开关
[0059]
vbp
…
电压
[0060]
vbn
…
电压
[0061]
inp
…
分压
[0062]
chn_en、ch1_en～ch4_en
…
控制信号
[0063]
pt
…
保护信号
[0064]
chn_ow、ch1_ow～ch3_ow
…
控制信号
[0065]
t1～t5
…
时间
[0066]
vcu
…
参考电压
[0067]
tcu
…
预设时间
[0068]
vc2_1
…
节点
[0069]
s10～s12
…
步骤
具体实施方式
[0070]
现在将详细参考本发明的示范性实施例，并在附图中说明所述示范性实施例的实例。在附图及实施方式中所使用相同或类似标号的组件/构件是用来代表相同或类似部分。
[0071]
依据本发明的一具体实施例为一种电池保护电路。于此实施例中，电池保护电路
可以是一次电池保护集成电路及/或二次电池保护集成电路，用以确保彼此串联的多个电池单元正常连接，且均能操作在合理的电压范围内，能同时达到低功耗与高精准度的需求。
[0072]
请参照图2，图2为此实施例中的电池保护电路的示意图。如图2所示，电池保护电路3具有多个供电接脚vc1～vc4及gnd，分别耦接多个彼此串联的电池单元b1～b4。即电池单元b1耦接于供电接脚vc1与vc2之间；电池单元b2耦接于供电接脚vc2与vc3之间；电池单元b3耦接于供电接脚vc3与vc4之间；电池单元b4耦接于供电接脚vc4与gnd之间。
[0073]
电池保护电路3包括比较电路31、切换电路32、开关电路33、控制电路34、电位偏移器35及电流源is。切换电路32分别耦接供电接脚vc1～vc4、gnd及比较电路31，用以分别在多个不同的第一期间将该些供电接脚vc1～vc4、gnd中相邻两供电接脚(例如vc1与vc2、vc2与vc3、vc3与vc4、vc4与gnd)间的跨压输入至比较电路31，用以分别对每个电池单元b1～b4进行过电压侦测。
[0074]
切换电路32包括开关sw1～sw8。开关sw1耦接于供电接脚vc1与比较电路31之间。开关sw2耦接于供电接脚vc2与比较电路31之间。开关sw3耦接于供电接脚vc2与比较电路31之间。开关sw4耦接于供电接脚vc3与比较电路31之间。开关sw5耦接于供电接脚vc3与比较电路31之间。开关sw6耦接于供电接脚vc4与比较电路31之间。开关sw7耦接于供电接脚vc4与比较电路31之间。开关sw8耦接于供电接脚gnd与比较电路31之间。
[0075]
开关电路33包括开关m1～m3，且开关m1～m3分别耦接于供电接脚vc2～vc4与电流源is之间。开关m1～m3的控制端分别受控于控制信号ch1_ow、ch2_ow、ch3_ow。电流源is耦接于开关m1～m3与接地端gnd之间并提供放电电流。开关m1～m3分别在多个不同的第二期间导通，以使得供电接脚vc2～vc4分时地连接至电流源is。
[0076]
比较电路31耦接于切换电路32与电位偏移器35之间。比较电路31包括电阻r1～r2、电容c及比较器cp。电阻r1与r2串接于电压vbp与vbn之间，用以提供感测电压inp。比较器cp的正输入端+耦接至电阻r1与r2之间。比较器cp的负输入端-通过电容c耦接至电压vbn，用以在电压vbn上垫一个偏压作为参考电压。比较器cp的输出端耦接至电位偏移器35，用以输出比较结果至电位偏移器35。开关sw1～sw2、sw4、sw6均耦接电压vbp且开关sw3、sw5、sw7～sw8均耦接电压vbn。
[0077]
需说明的是，比较电路31在每个第一期间中使用相邻两供电接脚间的跨压作为工作电压进行过电压判断，并且对连接电流源is的供电接脚vc2～vc4进行断线侦测。开关m1～m3分别于不同的第二期间导通。第一期间会小于第二期间且第二期间包含多个第一期间。
[0078]
于实际应用中，比较电路31会在一个侦测周期内对电池单元b1～b4分别进行过电压侦测。第二期间包含至少一个侦测周期。故每个供电接脚vc2～vc4在间隔多个侦测周期后才会再次抽电流进行断线侦测。
[0079]
电位偏移器35耦接比较电路31，用以将比较电路31输出的比较结果由高电压域转变至低电压域后输出过压信号ov。
[0080]
需说明的是，电池保护电路3仅需使用单一比较器cp进行电压比较，通过切换电路32的切换将比较电路31的工作跨压及正输入端+/负输入端-耦接至相对应的电池单元b1～b4的正负端，在同一个过电压侦测时段仅会侦测单一电池单元的电池电压是否过电压。
[0081]
请参照图3及图4，图3及图4分别为图2中的各控制信号的时序图。如图3及图4所
示，分别用以控制开关m1～m3的控制信号ch1_ow～ch3_ow会分别在不同的侦测周期内从低位准(low)变为高位准(high)以分别导通开关m1～m3连接供电接脚vc2～vc4与电流源is来进行断线侦测。因此，每个供电接脚vc2～vc4需间隔多个侦测周期后才会再次进行断线侦测。在图2中，控制信号ch1_en控制sw1/sw2，控制信号ch2_en控制sw3/sw4，控制信号ch3_en控制sw5/sw6，控制信号ch4_en控制sw7/sw8。在同一个侦测周期内，控制信号ch1_en～ch4_en会分别于不同的时间t1～t4从低位准(low)变为高位准(high)，使得比较电路31能于不同的过电压侦测时段分别对电池单元b1～b4进行过电压侦测。控制信号ch1_en～ch4_en维持高位准的时间(约为1～2ms)远小于控制信号ch1_ow～ch3_ow维持高位准的时间(约为64ms)，而一个侦测周期的时间长度约为250us。
[0082]
请参照图5，图5为过压侦测波形的时序图。如图5所示，在时间t1以前，切换电路32受控于控制信号ch1_en～ch4_en依序切换不同的电池单元b1～b4的跨压输入至比较电路31；在时间t1时，耦接于供电接脚vc2与vc3之间的电池单元b2异常而使其跨压开始增加；在时间t2时，电池单元b2的跨压超过参考电压vcu(＝电压vbn+vref)，但相对应的控制信号ch2_en尚未将其切换到比较电路31，故未触发保护动作；在时间t3时，控制信号ch2_en为高位准(high)，使得供电接脚vc2与vc3之间的电池单元b2的跨压耦接至比较电路31，比较电路31侦测到电池单元b2的跨压过压并产生高位准的过压信号ov。此时，控制电路34停止控制信号的切换而将控制信号ch2_en停留在高位准状态，同时还会启动控制电路34内部的计时器(图未示)开始计算一段预设时间tcu(例如2～6秒)；在时间t4时，预设时间tcu结束，由于过压信号ov在默认时间tcu内均维持于高位准(亦即电池单元b2的跨压持续超过参考电压vcu)，代表应非误触状况，故控制电路34会发出高位准的保护信号pt，以进行后续的电池保护动作(对电池单元放电或熔断保险丝)。
[0083]
本发明的侦测方式是设计在每数个侦测周期执行一次断线侦测，例如一个侦测周期为64us，则可设计每64ms执行一次断线侦测，但不以此为限。由于供电接脚vc1及gnd分别为串接的电池单元b1～b4的供电正端及供电负端，若其断线则整个串接的电池单元b1～b4供电即失效，故供电接脚vc1及gnd无需断线侦测机制。
[0084]
请参照图6及图7，图6及图7分别为断线侦测电路的示意图及断线侦测波形的时序图。如图6所示，假设供电接脚vc2发生断线(如图6中打x处)，则如图7所示，于时间t1时，由于供电接脚vc2发生断线，使得电池保护电路3内部的节点vc2_i处于浮接(floating)状态；于时间t2时，控制信号ch1_ow导通开关m1对节点vc2_i提供放电电流，使得节点vc2_i的电压随时间下降；于时间t3时，供电接脚vc1与vc2之间的电池单元b1的跨压超过参考电压vcu，正好在控制信号ch1_en为高位准的期间，因此比较电路31侦测到电池单元b1的跨压过压并产生高位准的过压信号ov且维持控制信号ch1_en处于高位准的状态，同时会启动控制电路34内部的计时器(图未示)开始计算一段预设时间tcu；于时间t4时，预设时间tcu(例如2～6秒)结束，由于过压信号ov在默认时间tcu内均维持于高位准(亦即电池单元b1的跨压持续超过参考电压vcu)，代表应非误触状况，故控制电路34会发出高位准的保护信号pt，以进行后续的电池保护动作(例如对电池单元放电或熔断保险丝)。
[0085]
于实际应用中，由于电路元件的寄生阻抗在使用大的放电电流时所产生的跨压会对比较电路31造成一定程度的误差，故可采用小电流进行放电来进行断线侦测以降低此误差。当采用小的放电电流进行断线侦测时，每次的断线侦测可持续经过多个侦测周期的放
电，以使断线处的跨压触发保护。放电电流会一直持续多个侦测周期(例如64ms)，由以确保当断线现象发生时，其浮接的节点处会被拉至较低的电位，直至完成断线侦测而由控制电路34发出保护信号pt为止。
[0086]
举例而言，如图8所示，在将控制信号ch1_en变为高位准以导通切换开关进行侦测之前，先使控制信号ch1_ow处于高位准的状态以对供电接脚vc2抽取小电流，在抽取一段时间(例如64ms)之后，才将控制信号ch1_en变为高位准。同理，在控制信号ch3_ow处于高位准的状态时侦测到供电接脚vc4断线，其运作情况与图7相同，故在此不另行赘述。
[0087]
由上述各实施例可知：本发明的电池保护电路利用单一比较器，分时接收相邻两接脚的跨压进行侦测，并且利用相邻两接脚的跨压作为比较器工作电压，使比较器能使用本较低的低压元件实现。还利用单一电流源，分时对个别接脚提供放电电流以进行开路侦测。由以减少比较器与位准偏移器的数量，不仅能大幅降低电路面积及功耗，还能针对单一比较器进行最佳化匹配，由以同时兼顾低功耗与高精准度的需求。
[0088]
本发明的电池保护电路还可使用数字的控制电路产生控制信号(例如chn_en、chn_ow)来分配各个电池单元的电池电压的侦测时段。在一侦测周期内每个电池单元的电池电压仅需进行短时间的侦测。待每个电池单元的电池电压依序侦测一次后，其余时间均为比较电路的休眠时段。由于比较电路仅有在工作期间耗电，故可有效减少其耗电量。
[0089]
相较于现有技术对每个电池单元的电池电压均配置一比较器进行全时侦测，本发明仅采用单一比较器浮接于各个电池单元的电池电压之间进行分时侦测。因此，若本发明与现有技术采用相同的比较器，本发明的平均耗电量约为现有技术的t/4t(t＝8ms,t＝128ms)。
[0090]
在此架构下，本发明可允许使用较高操作电流的设计来提高比较器的精准度。由于本发明采用单一比较器浮接于各个电池单元的电池电压之间，相较于现有技术会有较小的比较器误差，且使用电池的跨压(vcn-vcn-1)使分压电阻上的跨压较现有技术的跨压(vdd-gnd)来得小，故会有较小的静态电流。
[0091]
需说明的是，仅有在电池单元充饱电量的情况下才有进行过压侦测的必要，在电池单元电量未充饱或低电量的情况下不会有过压问题，故即使电池单元的跨压不足以驱动比较电路或电池跨压低于参考电压也不会影响系统的正常运作。
[0092]
依据本发明的另一具体实施例为一种电池保护方法。于此实施例中，电池保护方法用于保护多个彼此串联的电池单元。该些电池单元分别耦接多个供电接脚且该些供电接脚通过切换电路耦接比较电路。
[0093]
请参照图9，图9为此实施例中的电池保护方法的流程图。如图9所示，电池保护方法包括下列步骤：
[0094]
步骤s10：分别在多个不同的第一期间比较该些供电接脚中相邻两接脚间的跨压；以及
[0095]
步骤s12：分别在多个不同的第二期间对该些供电接脚提供放电电流进行断线侦测。
[0096]
该些电池单元中的每个电池单元的跨压被用以作为比较电路的工作电压，且第一期间小于第二期间；该些电池单元会在一个侦测周期分别进行过电压侦测，但不以此为限；每个供电接脚间隔多个侦测周期后才会再次抽电流进行断线侦测，但不以此为限。
[0097]
相较于现有技术，本发明的电池保护电路及电池保护方法利用单一比较器，分时接收相邻两接脚的跨压进行侦测，并且利用相邻两接脚的跨压作为比较器工作电压，使比较器能使用本较低的低压元件实现。还利用单一电流源，分时对个别接脚提供放电电流以进行开路侦测。由以减少比较器与位准偏移器的数量，不仅能大幅降低电路面积及功耗，还能针对单一比较器进行最佳化匹配，由以同时兼顾低功耗与高精准度的需求。

技术特征：
1.一种电池保护电路，具有多个供电接脚，分别耦接多个彼此串联的电池单元，其特征在于，所述电池保护电路包括：比较电路；切换电路，分别耦接该些供电接脚及所述比较电路，用以分别在多个不同的第一期间将该些供电接脚中相邻两接脚间的跨压输入至所述比较电路；电流源，提供放电电流；以及多个开关，分别耦接于该些供电接脚与所述电流源之间，该些开关分别在多个不同的第二期间导通，以使得该些供电接脚分别连接所述电流源，其中所述第一期间小于所述第二期间，且所述第二期间包含多个所述第一期间；其中，所述比较电路在每个所述第一期间中使用所述跨压作为工作电压，且对连接所述电流源的所述供电接脚进行断线侦测。2.如权利要求1所述的电池保护电路，其特征在于，在所述第一期间内，所述比较电路根据所述跨压进行过电压侦测。3.如权利要求1所述的电池保护电路，其特征在于，所述比较电路在一个侦测周期内依次对该些电池单元进行过电压侦测。4.如权利要求3所述的电池保护电路，其特征在于，所述第二期间包含至少一个所述侦测周期。5.如权利要求3所述的电池保护电路，其特征在于，每个供电接脚间隔多个所述侦测周期后再次进行断线侦测。6.一种电池保护方法，用于保护多个彼此串联的电池单元，其特征在于，该些电池单元分别耦接多个供电接脚且该些供电接脚通过切换电路耦接比较电路，所述电池保护方法包括下列步骤：(a)所述比较电路分别在多个不同的第一期间比较该些供电接脚中相邻两接脚间的跨压；以及(b)分别在多个不同的第二期间对该些供电接脚提供放电电流以进行断线侦测；其中所述第一期间小于所述第二期间，且所述跨压被用以作为所述比较电路的工作电压。7.如权利要求6所述的电池保护方法，其特征在于，步骤(a)还包括在所述第一期间内，根据所述跨压进行过电压侦测。8.如权利要求6所述的电池保护方法，其特征在于，步骤(a)还包括在一个侦测周期内依次对该些电池单元进行过电压侦测。9.如权利要求8所述的电池保护方法，其特征在于，所述第二期间包含至少一个所述侦测周期。10.如权利要求8所述的电池保护方法，其特征在于，每个供电接脚在间隔多个所述侦测周期后再次进行断线侦测。

技术总结
一种电池保护电路及电池保护方法，电池保护电路的多个供电接脚分别耦接多个彼此串联的电池单元。电池保护电路包括比较电路、切换电路、电流源及多个开关。切换电路分别耦接这些供电接脚及比较电路，用以分别在多个不同的第一期间将这些供电接脚中相邻两接脚间的跨压输入至比较电路。电流源提供放电电流。该些开关耦接于这些供电接脚与电流源之间。该些开关分别在多个不同的第二期间导通，以使得这些供电接脚分别连接电流源。第一期间小于第二期间且第二期间包含多个第一期间。比较电路在每个第一期间中使用跨压作为工作电压，且对连接电流源的供电接脚进行断线侦测。本发明能大幅降低电路面积及功耗，还能同时兼顾低功耗与高精准度的需求。精准度的需求。精准度的需求。


技术研发人员：蔡育筑
受保护的技术使用者：力智电子股份有限公司
技术研发日：2022.03.18
技术公布日：2023/9/22