电池保护芯片及电池系统的制作方法

本实用新型涉及电池保护领域，具体涉及一种电池保护芯片及电池系统。

背景技术：

随着社会的发展以及石化能源的不断消耗，人们正在积极的寻找新能源，以代替终有一天会耗尽的石化能源。电能是石化能源的理想代替品之一，因此近些年来人们对电能的需求也越来越高。随着无人电子装备、便携数码设备、电动工具、电动汽车等的发展普及，其动力核心——蓄电池正受到越来越多的关注。锂电池以其高比能量、长循环寿命、自放电小、无记忆效应和绿色环保等优点备受厂家青睐，是动力电池研究的热点之一。但由于锂电池内部结构复杂、充放电化学反应复杂，作为动力电源来使用，还存在不少问题。首先，锂电池不能承受过充电与过放电；其次，当锂电池串并联数目较多时，电池组中会出现电池放电不均衡等问题，必须对电池组进行均衡充放电管理；同时锂电池只能工作在一定范围电流及一定温度范围以内。当锂电池工作在不适宜的条件下时，比如温度过高、过度充电、过度放电、工作电流过大、外部电路短路等情况，轻则降低锂电池工作效率，缩短锂电池使用寿命，重则直接损坏锂电池。因此为了保证锂电池正常工作，需要在电池包内设计保护电路保护锂电池。

目前主流的单节锂电池保护芯片，都是控制芯片加分立mos开关管的结构，这种架构采用较多的外部器件，成本较高，同时占用大量的pcb板空间，不利于在可穿戴设备中的应用。

因此，有必要提供一种改进的技术方案来解决上述问题。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种电池保护芯片及电池系统，可以将外部开关集成到芯片内部，减少了外部元件，节省了pcb板空间，同时也提高了芯片对浪涌的耐受能力。

根据本实用新型提供的一种电池保护芯片，用于对电池进行充放电保护，包括：第一引脚，第二引脚，第三引脚和第四引脚，所述第一引脚和所述第二引脚分别用于连接外部充电电源的正负极，或连接外部负载的正负输入端口，其特征在于，还包括集成于芯片内部的：保护电路，与所述第三引脚连接，用于根据电池的充放电电压和/或电流，输出相应的控制信号；驱动电路，与所述保护电路连接，用于根据所述控制信号，输出驱动信号；第一开关管，连接与所述第二引脚和所述第四引脚之间，控制端接收所述驱动信号，以连通或断开电池的充放电通路；衬底选择电路，分别与所述保护电路和所述第一开关管连接，用于根据所述控制信号，将所述第一开关管的衬底连接至所述第一开关管的第一通路端和第二通路端的其中之一，其中，所述第二通路端与所述第二引脚连接。

优选地，所述电池保护芯片内部还包括：第二电阻；以及第二开关管，所述第二开关管与所述第一开关管串联于所述第四引脚和所述第二引脚之间，其控制端通过所述第二电阻与所述第一引脚连接。

优选地，所述第一开关管和所述第二开关管为nmos晶体管。

优选地，所述电池保护芯片内部还包括：钳位电路，一端与所述第二引脚连接，另一端通过所述第二电阻与所述第一引脚连接，用于在所述第一引脚和所述第二引脚之间的电压超过阈值时将其钳位在所述阈值。

优选地，所述电池保护芯片内部还包括：稳压二极管，阳极与所述第二引脚连接，阴极通过所述第二电阻与所述第一引脚连接，用于在所述第一引脚和所述第二引脚之间的电压超过阈值时将其钳位在所述阈值。

优选地，当充电过压和/或充电过流时，所述第一开关管关断，其衬底与第二通路端连接，电池的充电通路断开。

优选地，当放电欠压和/或放电电过流时，所述第一开关管关断，其衬底与第一通路端连接，电池的放电通路断开。

根据本实用新型提供的一种电池系统，其特征在于，包括：电池；低通滤波器；以及上述的电池保护芯片，其中，所述低通滤波器串联于所述电池的正负极，电池保护芯片的第一引脚与电池的正极连接，电池保护芯片的第四引脚与电池的负极连接，电池保护芯片的第三引脚与所述低通滤波器连接。

优选地，所述低通滤波器包括串联连接的第一电阻以及第一电容，所述电池保护芯片的第三引脚通过所述第一电阻与电池的正极连接，通过所述第一电容与电池的负极连接。

本实用新型的有益效果是：本实用新型将外部开关集成到了芯片内部，减少了外部元件，节省了pcb板的空间。

同时，采用了面积较小的低电压(如5v)的耐压nmos管堆叠，来实现高电压(如10v)的耐压，减小了芯片自身的面积，降低了芯片自身的成本。

在芯片内部设置保护电路和衬底选择电路，可以使得在检测到电池充/放电过流或欠压时，切断电池的充放电通路；设置钳位电路，可以使得在切断电池的充电通路后，芯片内部的开关管的各个端口的电压均不会超过击穿电压，以及为电池系统提供电流通路，对电池正负端的浪涌电流进行吸附，提高了芯片的浪涌耐受能力。

应当说明的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本实用新型。

附图说明

通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出本实用新型第一实施例提供的一种电池系统的结构示意图；

图2示出本实用新型第二实施例提供的一种电池系统的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施例。但是，本实用新型可以通过不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反的，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。

下面，参照附图对本实用新型进行详细说明。

图1示出本实用新型第一实施例提供的一种电池系统的结构示意图。

如图1所示，本实施例中，电池系统100包括：电池保护芯片110、第一电阻r1以及第一电容c1。

其中，电池保护芯片110包括：第一引脚1，第二引脚2，第三引脚3以及第四引脚4。电池保护芯片110的第一引脚1为电源vcc引脚、第二引脚2为电源vee引脚、第三引脚3为电源vdd引脚，以及第四引脚4为电源vss。

本实施例中，第三引脚3和第四引脚4可作为检测引脚，用于检测电池电压。同时在芯片内部还设置有电流监测点，以判断电池bat是否充电过压、充电过流、放电欠压或者放电过流，进而对电池bat进行充放电保护。

本实施例中，电池保护芯片110的第一引脚1与电池包的正极p+连接，第二引脚2与电池包的负极p-连接，电池包的正负极p+/p-在充电时连接外部充电电源的正负极，或在放电时连接外部负载的正负输入端口；同时第一引脚1还与电池bat的正极连接。电池保护芯片110的第三引脚3为供电引脚，通过第一电阻r1与电池bat的正极连接，通过第一电容c1与电池bat的负极连接。电池被保护芯片110的第四引脚为接地引脚，与电池bat的负极连接。

进一步地，第一电阻r1和第一电容c1串联于电池bat的正负端之间，组成低通滤波器以滤除电池中的高频杂波。电池bat的负端与电池保护芯片110的第四引脚4相连后接地。

电池保护芯片110还包括：集成在芯片内部的第二电阻r2、保护电路111、驱动电路112、衬底选择电路113、钳位电路114、第一开关管mn1和第二开关管mn2。

保护电路111与电池保护芯片110的第三引脚3连接，用于监测电池bat在充放电时电压是否发生异常，同时保护电路111还与芯片内电池的充放电通路上的一点连接，用于监测电池bat在充放电时电流是否发生异常(如是否发生充电过压、充电过流，放电欠压、放电过流，或者短路等)，并在检测到电池bat无异常时输出第一控制信号；在检测到电池bat发生充电异常时输出第二控制信号；或在检测到电池bat发生放电异常时输出第三控制信号。

驱动电路112与保护电路111和第一开关管mn1的控制端连接，接收保护电路111输出的第一控制信号，控制第一开关管mn1导通；或者接收保护电路111输出的第二控制信号或第三控制信号，控制第一开关管mn1关断。

衬底选择电路113分别与第一开关管mn1的第一通路端、第二通路端和衬底连接，同时也和保护电路111连接，用以接收保护电路111输出的第一控制信号，将第一开关管mn1的衬底连接至第一开关管mn1的任一通路端；接收保护电路111输出的第二控制信号，将第一开关管mn1的衬底连接至第一开关管mn1的第二通路端；或接收保护电路111输出的第三控制信号，将第一开关管mn1的衬底连接至第一开关管mn1的第一通路端。

进一步地，第一开关管mn1的第一通路端通过第二开关管mn2与电池保护芯片110的第四引脚4连接，其第二通路端与电池保护芯片110的第二引脚2连接。

钳位电路114的一端与电池保护芯片110的第二引脚2连接，另一端通过第二电阻r2与电池保护芯片110的第一引脚1连接，钳位电路114在电池保护芯片110的第一引脚1和第二引脚2之间的电压差(即电池包正负端之间的电压差)超过一定阈值(如6.2v)时启动，产生钳位电压，以将电池保护芯片110中第二开关管mn2的控制端至第二引脚2之间的电压基本保持在恒定状态(如保持在6.2v)。

第二开关管mn2和第一开关管mn1串联于电池保护芯片110的第四引脚4和第二引脚2之间(第二开关管mn2的第一通路端与电池保护芯片110的第四引脚4连接，第二通路端与第一开关管mn1的第一通路端连接)，第二开关管mn2控制端通过第二电阻r2与钳位电路与电池保护芯片110的第一引脚1连接，通过钳位电路114与电池保护芯片110的第二引脚2连接。因此，第二开关管mn2在芯片110内基本处于恒定的导通状态，仅由驱动电路112通过控制第一开关管mn1的导通或关断来控制电池bat的充放电通路的连通或断开。

进一步地，第二开关管mn2和第一开关管mn1的连接点即为电池的电流监测点，与保护电路111连接。

在本实施例中，第一开关管mn1和第二开关管mn2均为面积较小的低电压(如5v)的耐压nmos管，通过第一开关管mn1和第二开关管mn2的串联，使其各自的耐压进行叠加，可以实现高电压(如10v)的耐压，进而可以减小芯片自身的面积，降低芯片自身的成本。进一步地，通过将电池保护芯片的耐压分配到两个nmos晶体管上，使得单一芯片不会承受太多的耐压，延长了芯片的使用寿命。

本实施例中，在正常状态下，驱动电路112打开第一开关管mn1，连通电池bat的充/放电通路；在保护状态下，驱动电路112与衬底选择电路113相配合以关断电池bat的充/放电通路。

具体地，当电池bat的充电或放电过程无异常时，保护电路111发送第一控制信号，驱动电路112接收第一控制信号并输出第一驱动信号，驱动第一开关管mn1打开，连通电池bat的充/放电通路。

当触发了电池bat充电过压，或者充电过流的情况时，保护电路111发送第二控制信号，驱动电路112接收第二控制信号并输出第二驱动信号，驱动第一开关管mn1关闭，同时衬底选择电路113根据第二控制信号将第一开关管mn1的衬底连接到电池包负端(此时第一开关管mn1的寄生二极管的阳极连接电池保护芯片110的第二引脚2，阴极连接电池保护芯片110的第四引脚4)，切断电池bat的充电通路。

当触发了电池bat电压欠压，放电过流或短路的情况时，保护电路111发送第三控制信号，驱动电路112接收第三控制信号并输出第二驱动信号，驱动第一开关管mn1关闭，同时衬底选择电路113根据第三控制信号将第一开关管mn1的衬底连接到第一开关管mn1和第二开关管mn2的中间点(此时第一开关管mn1的寄生二极管的阳极连接电池保护芯片110的第四引脚4，阴极连接电池保护芯片110的第二引脚2)，切断电池bat的放电通路。

进一步地，当触发了电池bat电压过压，或者充电电流过流，切断电池bat的充电通路后，与电池包正负端连接的充电器，可能会将电池板正负端口的电压提升至高压(如10v)，此时钳位电路114会启动，将钳位电压基本保持在恒定状态(如保持在6.2v)，保证了第一开关管mn1和第二开关管mn2的各个端口之间的电压差都不会超过击穿电压。同时，钳位电路114还能提供电流通路，对电池包正负端的浪涌电流有吸附作用，提供了电池系统的浪涌耐受能力。

本实施例减少了电池系统的外部元件，节省了pcb板的空间；同时也减小了芯片自身的面积，降低了芯片自身的成本，提高了芯片的浪涌耐受能力，使得芯片内部多个开关管的各个端口的电压均不会超过击穿电压。

图2示出本实用新型第二实施例提供的一种电池系统的结构示意图。

如图2所示，在本实用新型的第二实施例中，电池系统200的结构与第一实施例中电池系统100的结构基本相同，其相同部分可参照图1，在此不再作描述。

不同的是，在第二实施例中，用稳压二极管zd1代替了第一实施例中的钳位电路114。在电池系统200中，稳压二极管zd1的阳极连接电池保护芯片210的第二引脚2，其阴极通过第二电阻r2连接电池保护芯片210的第一引脚1。稳压二极管zd1用于在电池保护芯片210的第一引脚和第二引脚之间的电压超过阈值时，将第二开关管mn2的控制端至第二引脚2之间的电压基本保持在恒定状态。

本实施例中，采用稳压二极管zd1可以使得电池系统的响应速度更快，但相应的其工艺成本会有所增加。

需要说明的是，本实用新型中对电池包正负极的电压钳位方案包括但不局限于上述两个实施例中所公开的方案，凡是本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下所能想到的代替方案，均应在本实用新型的保护范围之内。

应当说明的是，在本文中，所含术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。同时，所含术语“连接”、“相连”、“连”、“接”等表示电性相连的词语，如无特别说明，则表示直接或间接的电性连接。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。