具有電池充電保護功能的控制器的製作方法
2023-06-15 14:25:36
專利名稱：具有電池充電保護功能的控制器的製作方法
技術領域：
本發明是有關於一種控制電路 ，且特別是有關於一種具有電池充電保護功能的控制器。
背景技術：
隨著電子技術的發展以及消費性電子產品的普及，各式各樣可攜式電子產品已日漸普及。其中，影響可攜式電子產品的機動性、執行效率以及移動續航力的主要因素，便包括可攜式電子產品是否具有良好的電源供給，目前可攜式電子產品的電源供給主要依賴各種電池模塊。目前市面上的電池模塊，大致上可分為一次性電池、充電電池及燃料電池等種類。一般來說，在一般消費性電子產品上常見的電池以較經濟、環保的充電電池為主。充電電池顧名思義，即可利用充電方式讓電池內的活性物質再度回復到原來的狀態，而獲得可重複被使用的特性，常見的種類例如鉛酸電池(lead acid battery)、鎳鎘電池(nickel cadmium batter)、HM1 電池(nickel hydrogenbatter)、ffl電池(lithium batter)以及 11 離子電池(lithium ion battery)等。然而，電池使用的安全性和使用壽命與使用者的操作習慣息息相關。舉例來說， 在鋰離子充電電池的充電過程中，可能會由於使用者將其長時間放置於充電座上而造成過充，產生電池溫度上升，當電池溫度過高或過充電力過大時，可能導致電解液分解而產生瓦斯，使其內部壓力上升以及金屬鋰等洩漏，因而造成有起火、破裂或重金屬汙染等危險。或者，當鋰離子過放電時，鋰電池無法以正常程序充電，否則會造成電池結構的損壞。為了避免充電過程可能遭遇的安全性問題，並防止電池特性劣化，在電池或充電裝置上需設置充電保護用的控制器(如控制電路或控制晶片)，控制器可偵測電池模塊的電力狀態並進行相對應操作(例如充電監控、過充電時進行中斷保護等)。請參閱圖1，其繪示一種已知的充電裝置中的控制器100，控制器100包含電壓檢測單元101、控制邏輯單元102和電流檢測單元103。電壓檢測單元101用以耦接於電池模塊200的兩端，用以監控電池模塊200的電壓狀態。舉例來說，電壓檢測單元101用以偵測電池模塊200的兩端電壓差，則控制邏輯單元102可據以得知電池模塊200的狀態。電池模塊200透過充電正端203及充電負端204 連接一充電器進行充電，當電池模塊200已充滿時，控制邏輯單元102可通知充電裝置中的充電開關單元201關閉，切斷電池模塊200到充電負端204的充電迴路Li，藉以避免可能的危險發生。須注意的是，雖然電池模塊200到充電負端204的外部充電迴路Ll已中斷，然而， 控制器100內部仍可能有其它迴路存在，導致在保護情況下，仍有洩漏的電流對電池模塊 200持續充電。其可能的原因例如，此類已知的控制器100中通常具有用以進行電壓調整(如 pull-high或pull-low等)的採樣開關單元104與採樣電阻105，以形成電流檢測單元103所需的電流採樣節點103a用以將關閉的外部充電開關單元201恢復成導通。其中，採樣開關單元104具有一寄生二極體104a，當電池處於過充電狀態下，雖然外部充電開關單元201 關閉並切斷外部充電迴路Li，但此時充電負端204的電壓低於電池模塊200的負端，電流採樣節點103a的電位大致等同於充電負端204故低於電池模塊200的負端電壓，從而有洩漏的電流通過內部迴路L2 (即經過採樣開關單元104的寄生二極體104a以及採樣電阻105)， 並可持續對電池模塊200充電，造成電池模塊200無法受到過充電保護，形成安全隱患。
發明內容
為了解決上述充電保護機制啟動時發生電流洩漏使電池模塊持續過充電的問題， 本發明提出一種具有電池充電保護功能的控制器，其可透過洩流電路方式確保洩漏的電流繞過(bypass)電池模塊，或透過箝位方式以避免發生電流洩漏的情況發生，藉此提高電池充電的安全性。因此，本發明內容的一實施方式是在提供一種具有電池充電保護功能的控制器。 此控制器包含第一腳位、第二腳位、第三腳位以及充電保護電路。其中，第一腳位耦接充電正端。第二腳位耦接電池模塊的正端。第三腳位耦接電池模塊的負端。充電保護電路耦接第一腳位及第三腳位，在電池模塊處於保護狀態時，充電保護電路導通使經流入第一腳位的電流流經充電保護電路而由第三腳位流出。根據本發明內容的一實施例，其中充電保護電路包含箝位單元，在充電保護電路導通時，箝位單元使第一腳位的電位等於或低於第二腳位電位與預定電位差之和，其中預定電位差為正值。根據本發明內容的另一實施例，控制器包含靜電防護電路耦接第一腳位及第二腳位之間。本發明內容的另一實施方式是在提供具有電池充電保護功能的控制器。此控制器包含第一腳位、第二腳位、第三腳位以及充電保護電路。其中，第一腳位耦接充電負端。第二腳位耦接電池模塊的正端。第三腳位耦接電池模塊的負端。充電保護電路耦接第一腳位及第二腳位，在電池模塊處於過保護狀態時，該充電保護電路導通，使流出該第一腳位的一電流是由該第二腳位流入並經該充電保護電路而由該第一腳位流出。根據本發明內容的一實施例，充電保護電路包含箝位單元，在充電保護電路導通時，該箝位單元使該第三腳位的電位等於或小於該第一腳位電位與一預定電位差之和，其中預定電位差為正值。根據本發明內容的另一實施例，控制器還包含靜電防護電路耦接於第一腳位及第三腳位之間。此外，本發明內容的再一實施方式是在提供一種具有電池充電保護功能的控制器，其包含第一腳位、第二腳位、第三腳位以及箝位電路，第一腳位耦接充電正端，第二腳位耦接電池模塊的正端，第三腳位耦接電池模塊的負端，箝位電路耦接第一腳位及第三腳位。 其中，箝位電路用以使第一腳位的電位維持在等於或小於第二腳位的電位與預定電位差之和，其中預定電位差為正值。根據本發明內容的一實施例，其中箝位電路包含箝位單元及開關單元，開關單元在第一腳位的電位高於第二腳位的電位達到預定電位差時導通。
根據本發明內容的另一實施例，其中開關單元導通時，流入該第一腳位的電流流經箝位電路後由第三腳位流出。此外，本發明內容的又一實施方式是在提供一種具有電池充電保護功能的控制器，其包含第一腳位、第二腳位、第三腳位以及箝位電路。第一腳位耦接一充電負端，第二腳位耦 接電池模塊的正端，第三腳位耦接電池模塊的負端，箝位電路耦接第一腳位及第二腳位。其中，箝位電路用以使該第一腳位的電位大於或等於該第三腳位的電位減去一預定電位差，其中預定電位差為正值。根據本發明內容的一實施例，其中箝位電路包含箝位單元及開關單元，開關單元在第一腳位的電位低於第三腳位的電位達到預定電位差時導通。根據本發明內容的另一實施例，其中開關單元導通時，流出該第一腳位的電流是由該第二腳位流入並流經箝位電路後由第一腳位流出。應用本發明的優點在於通過充電保護電路導引不必要的洩漏電流，或利用箝位電路控制特定的節點電壓以避免洩漏電流的產生，藉此可避免電池模塊或控制器本身被非預期的電流或電壓影響，進而提高電池模塊的使用壽命與穩定性。
為讓本發明的上述和其它目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附附圖的說明如下圖1繪示一種已知的充電裝置中的控制器的功能方塊圖；圖2A繪示根據本發明的第一具體實施例中一種用於保護電池模塊的控制器的功能方塊圖；圖2B繪示根據本發明的第二具體實施例中控制器300'的功能方塊圖；圖3A繪示根據本發明的第三具體實施例中一種用於保護電池模塊的控制器的功能方塊圖；以及圖3B繪示根據本發明的第四具體實施例中一種用於保護電池模塊的控制器的功能方塊圖。主要組件符號說明100:控制器101:電壓檢測單元102:控制邏輯單元103:電流檢測單元103a:電流採樣節點104 採樣開關單元104a:寄生二極體105 採樣電阻200:電池模塊201 充電開關單元203:充電正端204:充電負端Li:充電迴路L2:內部迴路300:控制器301:電壓檢測單元302:控制邏輯單元303:電流檢測單元303a:電流採樣節點304 採樣開關單元304a:寄生二極體305 採樣電阻306:充電保護電路306a:開關單元
306b:電阻400:電池模塊401 充電開關單元403 充電正端
404:充電負端L3:洩流路徑300'控制器306'充電保護電路306a 『開關單元306b 『箝位單元500:控制器501:電壓檢測單元502:控制邏輯單元503:電流檢測單元503a:電流採樣節點504 採樣開關單元504a:寄生二極體505 採樣電阻506:充電保護電路506a:開關單元506b:電阻600:電池模塊601 充電開關單元603 充電正端604:充電負端500'控制器506'充電保護電路506a 『開關單元506b 『箝位單元Pl 第一腳位P2 第二腳位P3 第三腳位P4:第四腳位P5:第五腳位
具體實施例方式為達到前述效果，本發明的控制器通過在電路架構中設置洩流及/或箝位電路， 來避免非預期的電流或電壓對電池模塊造成負面影響，其詳細設置實施方式說明如下。請參照圖2A，其繪示根據本發明的第一具體實施例中一種用於保護電池模塊400 的控制器300的功能方塊圖。當電池模塊400與市電電源或特定充電裝置連接並充電時，控制器300本身用以保護電池模塊400，實際應用中，控制器300可為一控制晶片或控制單元， 整合設置於充電裝置、市電插座或電池模塊400上，亦可獨立設置，本發明並不以此為限。如圖2A所示，電池模塊400的正端耦接至市電電源或特定充電裝置的充電正端 403，電池模塊400的負端耦接至市電電源或特定充電裝置的充電負端404，藉此形成一充電路徑(即圖2A中的外部充電迴路Li)，在充電路徑上可進一步包含充電開關單元401關閉，藉此開啟或中斷電池模塊400到充電負端404的充電迴路Li。在此實施例中，控制器300對外連接接口可具有第一腳位Pl、第二腳位P2、第三腳位P3以及第四腳位P4。第一腳位Pl對外耦接至充電負端404，第二腳位P2對外耦接至電池模塊400的正端與充電正端403之間，第三腳位P3對外耦接至電池模塊400的負端與充電開關單元401之間，而第四腳位P4對外用以控制充電開關單元401。此外，控制器300內部可包含有電壓檢測單元301、控制邏輯單元302、電流檢測單元303以及充電保護電路306。電壓檢測單元301透過第二腳位P2與第三腳位P3耦接於電池模塊400的兩端， 用以監控電池模塊400的電壓狀態以判斷電池模塊是否應進行保護。舉例來說，電壓檢測單元301用以偵測電池模塊400的兩端電壓差，則控制邏輯單元302可據以得知電池模塊 400的電力是否已充滿或者電池模塊400處於過放電狀態，當電池模塊400已充滿或過放電時，控制邏輯單元302可透過第四腳位P4切換充電開關單元401使其關閉，進而切斷電池模塊400到充電負端404的充電迴路Li，藉以避免對已充滿或者過放電的電池模塊400進行充電。在此實施例中，控制器300可進一步包含有其 它內部的工作電路，須注意的是，可能存在部分的工作電路是耦接於第一腳位Pl與第三腳位P3之間，如圖2A中所示的工作電路(即採樣開關單元304與採樣電阻305)。也就是說，雖然電池模塊400到充電負端404的外部充電迴路Ll已中斷，然而，控制器300內部的第一腳位Pl與第三腳位P3之間的工作電路仍可能形成其它迴路(如採樣開關單元304的寄生二極體304a與採樣電阻305)，形成電池模塊400持續被充電的風險。須特別說明的是，此實施例中控制器300的充電保護電路306可用以解決上述風險。充電保護電路306耦接第一腳位Pl及第三腳位P3，在電池模塊400處於保護狀態時， 充電保護電路306便可配合進行電池模塊400的保護。在此實施例中，所謂保護狀態即電壓檢測單元301測量到第二腳位P2與第三腳位P3的電壓差大於一特定的第一電壓值(如電池模塊400的額定電壓，代表電池模塊400已充滿)或者第二腳位P2與第三腳位P3的電壓差小於一特定的第二電壓值(代表電池模塊400已過放電)。在電池模塊400處於保護狀態時，控制邏輯單元302導通充電保護電路306中的開關單元306a導通，使經流入第二腳位P2(其耦接至電池模塊400的正端)的電流可經充電保護電路306的開關單元306a及電阻306b，並由第一腳位Pl流出回到充電負端404 (如圖2A中的洩流路徑L3所示)。如此一來，充電正端403出發的充電電流可避開電池模塊 400，被導引流經第二腳位P2、充電保護電路306、第一腳位Pl並回到充電負端404，通過充電保護電路306在控制器300中形成避開電池模塊400的洩流路徑L3。此外，本發明上述內容提出以洩流方式確保電池模塊400的安全性，然而本發明並不以洩流方式為限，可用以限定第一腳位Pi的電位，進而將第一腳位Pi的電位與第三腳位P3電位的差箝位至一預定電位差之內而達到保護電池模塊400以避免非預期充電的問題。請參閱圖2B，其繪示根據本發明的第二具體實施例中控制器300'的功能方塊圖，在第二具體實施例中的控制器300'與第一實施例中的控制器300最大不同之處在於， 圖2B的控制器300'包含箝位電路306'，箝位電路306'耦接第一腳位Pl及第二腳位P2， 箝位電路306'以使第一腳位Pl的電位大於或等於第三腳位P3的電位減去一預定電位差的範圍，即Vpl彡Vp3-Vset，其中Vpl為第一腳位Pl的電位、Vp3為第三腳位P3的電位，以及Vset為預定電位差且Vset為正值，實際應用中，Vset可對應到採樣開關單元304其寄生二極體304a的臨界電壓(threshold voltage)。 箝位電路306 『透過將限制第一腳位Pl與第三腳位P3之間的電位差，可確保控制器300內的工作電路(如採樣開關單元304其寄生二極體304a與採樣電阻305)不會形成非預期內的漏電流路徑。 在此實施例中，箝位電路306'中可進一步包含箝位單元306b'及開關單元 306a『。箝位單元306b'偵測第一腳位Pl及第三腳位P3的電位，在判斷第一腳位Pl低於第三腳位P3達到該預定電位差時導通開關單元306a'並調整開關單元306a'的等效阻值，藉此可拉高第一腳位Pl的電位，使第一腳位Pl不致過度低於第三腳位P3的電位。
也就是說，通過上述實施例，本發明可透過洩流或箝位方式保護電池模塊，上述實施例中開關單元(如採樣開關單元304、開關單元306a、開關單元306a'等)是以N型金屬氧化物半導體場效電晶體(NMOS)，充電開關單元401是耦接於電池模塊400的負端與充電負端404之間，而第一腳位Pl以耦接充電負端404為舉例說明，然而本發明並不以此為限。在另一實施例中，上述開關單元亦可採用P型金屬氧化物半導體場效電晶體 (PMOS)，而充電開關單元可耦接於電池模塊的正端與充電正端之間，且此時本發明所提出的控制器僅需簡單地調整相對的正負連接邏輯，便可達到類似效果。請參閱圖3A與圖3B，圖3A繪示根據本發明的第三具體實施例中一種用於保護電池模塊600的控制器500的功能方塊圖，圖3B繪示根據本發明的第四具體實施例中一種用於保護電池模塊600的控制器500'的功能方塊圖。如圖3A所示，控制器500包含第一腳位P1、第二腳位P2、第三腳位P3、第四腳位 P4、第五腳位P5、電壓檢測單元501、控制邏輯單元502、電流檢測單元503以及充電保護電路506。此外，控制器500還包含一部分耦接於第一腳位Pl與第二腳位P2之間的內部工作電路，如採樣開關單元504與採樣電阻505。在本實施例中，電池模塊600包含兩個電池單元，電壓檢測單元501透過第二腳位P2、第三腳位P3與第五腳位P5耦接於電池模塊400 的各電池單元的正端及負端，用以監控電池模塊400的各電池單元的電壓狀態以判斷電池模塊是否應進行保護。在此實施例中，充電開關單元601耦接於電池模塊600的正端與充電正端603之間。其中，第一腳位Pl耦接充電正端603。第二腳位P2耦接於電池模塊600的正端與充電開關單元601之間。第三腳位P3耦接於電池模塊600的負端與充電負端604之間。充電保護電路506耦接第一腳位Pl及第三腳位P3，在電池模塊600處於保護狀態時，充電保護電路506中的開關單元506a導通使經流入第一腳位Pl的電流流經充電保護電路506的開關單元506a及電阻506b而由第三腳位P3流出，進而回到充電負端604 (如圖 3A中的洩流路徑L3所示)，如此一來，充電正端603出發的充電電流可避開電池模塊600， 被導引流經第一腳位P1、充電保護電路506、第三腳位P3並回到充電負端604，通過充電保護電路506在控制器500中形成避開電池模塊600的洩流路徑L3。其中，第三具體實施例中的控制器500的其它電路構造與作動原理，大致與第一具體實施例中的控制器300具有正負邏輯的相對關係，其為已知技藝之人所能簡單對應， 在此不另贅述。另一方面，如圖3B所示，在第四具體實施例中，控制器500'採用箝位電路506'， 箝位電路506'耦接第一腳位Pl及第三腳位P3，箝位電路506'以將第一腳位Pl的電位維持在第二腳位P2的電位加上一預定電位差的範圍內，即Vpl ( Vp2+Vset，其中Vpl為第一腳位Pl的電位、Vp2為第二腳位P2的電位，以及Vset為預定電位差且Vset為正值。其中， 實際應用中，Vset可對應到採樣開關單元504其寄生二極體504a的臨界電壓(threshold voltage)0藉此達到避免非預期充電電流產生的效果。第四具體實施例中的控制器500'的其它電路構造與作動原理，請參考第二具體實施例的控制器300'，在此不另贅述。在上述實施例中，已說明了本發明的控制器可用以進行 池模塊的充電保護。然而，必須要強調說明的是，常見的一些集成電路設計在應用於電池充電時，可能會造成如上述具體實施例中所希望預防的非預期充電。舉例來說，集成電路中會設計靜電放電防護電路以避免靜電放電現象所造成的一個高能量的靜電放電脈衝信號(例如大電壓突波信號) 毀損控制器內部的電路。而靜電放電防護電路於電池充電過程中仍會維持運作，因此當充電正端的電位高於電池模塊正端預定電位差以及當充電負端的電位低於電池模塊負端預定電位差時均會造成靜電放電防護電路啟動而使電池模塊進入保護狀態時，仍有非預期的電流流經靜電放電防護電路而對電池模塊充電。而本發明透過上述具體實施例中充電保護電路的洩流作用或箝位電路的箝位作用，即可防止控制器內部電路造成對電池模塊的非預期充電問題。綜上所述，通過充電保護電路導 引不必要的洩漏電流，或利用箝位電路控制特定的節點電壓以避免洩漏電流的產生，藉此可避免電池模塊或控制器本身被非預期的電流或電壓影響(如過度充電或靜電放電現象)，進而提高電池模塊的使用壽命與穩定性。雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟悉此技藝者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作各種的更動與潤飾，因此本發明的保護範圍當視權利要求書所界定的範圍為準。
權利要求
1.一種具有電池充電保護功能的控制器，其特徵在於，包含 一第一腳位，耦接一充電正端；一第二腳位，耦接一電池模塊的正端； 一第三腳位，耦接該電池模塊的負端；以及一充電保護電路，耦接該第一腳位及該第三腳位，在該電池模塊處於一保護狀態時，該充電保護電路導通，用以使經流入該第一腳位的一電流流經該充電保護電路而由該第三腳位流出。
2.根據權利要求1所述的具有電池充電保護功能的控制器，其特徵在於，該充電保護電路包含一箝位單元，在該充電保護電路導通時，該箝位單元使該第一腳位的電位等於或低於該第二腳位電位與一預定電位差之和，其中該預定電位差為正值。
3.根據權利要求1或2所述的具有電池充電保護功能的控制器，其特徵在於，還包含一靜電防護電路耦接該第一腳位及該第二腳位。
4.一種具有電池充電保護功能的控制器，其特徵在於，包含 一第一腳位，耦接一充電負端；一第二腳位，耦接一電池模塊的正端； 一第三腳位，耦接該電池模塊的負端；以及一充電保護電路，耦接該第一腳位及該第二腳位，在該電池模塊處於一保護狀態時，該充電保護電路導通，使流出該第一腳位的一電流是由該第二腳位流入並經該充電保護電路而由該第一腳位流出。
5.根據權利要求4所述的具有電池充電保護功能的控制器，其特徵在於與，該充電保護電路包含一箝位單元，在該充電保護電路導通時，該箝位單元使該第一腳位的電位等於或大於該第三腳位電位減去一預定電位差，其中該預定電位差為正值。
6.根據權利要求4或5所述的具有電池充電保護功能的控制器，其特徵在於，還包含一靜電防護電路耦接該第一腳位及該第三腳位。
7.一種具有電池充電保護功能的控制器，其特徵在於，包含 一第一腳位，耦接一充電正端；一第二腳位，耦接一電池模塊的正端； 一第三腳位，耦接該電池模塊的負端；以及一箝位電路，耦接該第一腳位及該第三腳位，用以將該第一腳位的電位維持在等於或小於該第二腳位的電位與一預定電位差之和，其中該預定電位差為正值。
8.根據權利要求7所述的具有電池充電保護功能的控制器，其特徵在於，該箝位電路包含一箝位單元及一開關單元，該開關單元在該第一腳位的電位高於該第二腳位的電位該預定電位差時導通。
9.根據權利要求8所述的具有電池充電保護功能的控制器，其特徵在於，該開關單元導通時，流入該第一腳位的一電流流經該箝位電路後由該第三腳位流出。
10.一種具有電池充電保護功能的控制器，其特徵在於，包含 一第一腳位，耦接一充電負端；一第二腳位，耦接一電池模塊的正端； 一第三腳位，耦接該電池模塊的負端；以及一箝位電路，耦接該第一腳位及該第二腳位，用以使該第一腳位的電位大於或等於該第三腳位的電位減去一預定電位差，其中該預定電位差為正值。
11.根據權利要求10所述的具有電池充電保護功能的控制器，其特徵在於，該箝位電路包含一箝位單元及一開關單元，該開關單元在該第一腳位的電位低於該第三腳位的電位該預定電位差時導通。
12.根據權利要求11所述的具有電池充電保護功能的控制器，其特徵在於，該開關單元導通時，流出該第一腳位的一電流是由該第二腳位流入並流經該箝位電路後由該第一腳位流出。
全文摘要
本發明揭露一種具有電池充電保護功能的控制器，用以保護電池模塊，在電池模塊處於保護狀態時，控制器中的充電保護電路作動，充電正端產生的充電電流由控制器的一腳位流入，經充電保護電路後由控制器的另一腳位流出回到充電負端。藉此，充電保護電路使充電電流繞過電池模塊，從而避免電池模塊受到損害。
文檔編號H02H7/18GK102386613SQ20101027519
公開日2012年3月21日 申請日期2010年9月6日 優先權日2010年9月6日
發明者李海波, 李立民, 楊洋 申請人:登豐微電子股份有限公司