多节电芯保护板断线检测电路的制作方法

本发明属于电池保护技术领域，具体涉及多节电芯保护板断线检测电路。

背景技术：

随着电池相关技术的发展，越来越多的锂电池应用在各个领域中，其各种异常状态检测及保护措施也成为大家所关注的焦点问题，目前，在多节锂电池断线检测时，通常使用的电路检测系统是每个电池组对应一个保护芯片，由于采用单芯片电路检测的方法对电池组内的每节电池进行保护，而且检测电路处于一直工作的状态来检测电池是否断线，存在芯片内部阻抗较大，导致了电路功耗大的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种多节电芯保护板断线检测电路，在不影响正常充放电及其他保护功能的前提下，通过周期性的窄脉冲信号检测断线状态，有效地减少了电路的功耗，解决现有技术上的不足；其次利用一个高压pmos管的栅、源极分别连接两节相邻电池的正极电压，还解决了器件耐压值问题；而且能够有效地区分出电池组中每一节电池发生的过压或断线异常状态，提供相应的保护措施，从而全范围检测电池断线情况。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是，多节电芯保护板断线检测电路，包括电池断线检测电路a、窄脉冲产生电路b和串联在一起的多节电池cell1～celln，在电池celli正极连接对应的电阻ri及电容ci，电池celli正极与电阻ri一端连接，电阻ri另一端与电容ci一端连接，电容ci另一端接地，通过rc滤波电路得到的电池电压vci，1≤i≤n；电池电压vcj与高压pmos管mcj的源极连接，高压pmos管mcj的栅极由其上一节电池电压vcj+1控制，高压pmos管mcj的漏极与直流电流源ibj输入端相连，直流电流源ibj输出端接地，1≤j≤n-1；

最高节电池celln的正极依次连接二极管d和电阻r生成电压vddhv分别与直流电流源ia1～ia(n-1)的输入端连接，直流电流源iaj的输出端通过开关swj与对应的高压pmos管mcj的源极相连，开关swj的状态由窄脉冲产生电路b产生的xclk信号经电平转换模块a3生成的窄脉冲信号xclkhv控制，1≤j≤n-1；

高压pmos管mcj的漏极连接至逻辑或门aa0的输入端，1≤j≤n-1，逻辑或门aa0的输出端与d触发器aa1的输入端d连接，d触发器aa1的输入端clk由窄脉冲产生电路b产生的窄脉冲信号xclk控制，d触发器aa1输出端q的输出信号vbld分别连接至逻辑或门101和逻辑或门102的一个输入端，逻辑或门101的另一个输入端连接有vuvp，逻辑或门102的另一个输入端连接有vovp，逻辑或门101的输出端经过电平转换单元103和反相器104输出信号vdhc控制nmos管nm2，逻辑或门102的输出端经过电平转换单元105和反相器106输出信号vchc控制nmos管nm1。

所述电池断线检测电路a中，包括高压pmos管ma0～ma(n-1)，电压vddhv与高压pmos管ma0～ma(n-1)的源极相连，高压pmos管ma0与高压pmos管ma1～ma(n-1)分别构成电流镜，高压pmos管ma0为电流镜的源头，直流电流源ia1连接在高压pmos管ma0的漏极为其提供镜像电流，高压pmos管ma0的漏极与直流电流源ia1的输入端连接，直流电流源ia1的输出端接地；

其中，高压pmos管ma0与高压pmos管maj构成的电流镜作为直流电流源iaj，高压pmos管mbj作为开关swj，高压pmos管mbj的源极与高压pmos管maj的漏极连接，窄脉冲信号xclkhv控制高压pmos管mbj的栅极，高压pmos管mbj的漏极连接高压pmos管mcj的源极，高压pmos管mcj的漏极与逻辑或门aa0的输入端之间还设置有高压nmos管mej、nmos管mfj和反相器aj，高压pmos管mcj的漏极连接高压nmos管mej的漏极，高压nmos管mej的栅极连接至基准电压vrega，高压nmos管mej的源极连接至nmos管mfj的栅极nmos管mgj的漏极，nmos管mgj的源极接地，nmos管mfj的漏极连接至pmos管mdj的漏极和反相器aj的输入端，pmos管md0和pmos管mdj构成电流镜，且pmos管md0和pmos管mdj的源极均连接至基准电压vrega，pmos管md0的漏极连接至nmos管mh0的漏极，nmos管mh0的源极接地；nmos管mg0与nmos管mh0以及nmos管mgj构成电流镜，其中，nmos管mg0与nmos管mgj构成电流镜作为直流电流源ibj；基准电压vrega连接至电流源ia2的输入端，电流源ia2的输出端连接至nmos管mg0的漏极和栅极以及nmos管mgj的栅极，nmos管mg0的源极接地；

反相器aj的输出端通过逻辑或门aa0输出传送到d触发器aa1的输入端d，窄脉冲信号xclk通过反相器aa4和延时电路aa2传送到d触发器的时钟输入端clk，d触发器的输出端q输出为bld信号，其中，1≤j≤n-1。

所述窄脉冲产生电路b由m个d触发器连接，所有d触发器的输入端d均连接至当前d触发器的输出端xq，前m-1级d触发器的输入端d均连接至下一级d触发器的时钟输入端clk，其中，第一级d触发器b1的时钟输入端clk连接由内部振荡电路产生的方波信号clk1控制；d触发器b1的时钟输入信号端clk与所有d触发器的输出端q均连接至逻辑与非门的输入端，逻辑与非门的输出为时钟信号xclk。

所述电池断线检测电路a中，包括电阻ra1～ra(n-1)，电压vddhv与电阻raj的一端相连，电阻raj的另一端与高压pmos管maj的源极连接，电阻raj作为直流电流源iaj，高压pmos管maj的栅极连接控制信号xclkhv，高压pmos管maj的漏极连接高压pmos管mcj的源极，高压pmos管mcj的漏极与逻辑或门aa0的输入端之间还设置有高压nmos管mej、nmos管mfj和反相器aj，高压pmos管mcj的漏极连接高压nmos管mej的漏极，高压nmos管mej的栅极连接至基准电压vrega，高压nmos管mej的源极通过电阻rbj接地，电阻rbj作为直流电流源ibj，且高压nmos管mej的源极连接至nmos管mfj的栅极，nmos管mfj的漏极连接至pmos管mdj的漏极和反相器aj的输入端，pmos管md0和pmos管mdj构成电流镜，且pmos管md0和pmos管mdj的源极均连接至基准电压vrega，pmos管md0的漏极连接至直流电流源i输入端，直流电流源i输出端接地；

反相器aj的输出端通过逻辑或门aa0输出传送到d触发器aa1的输入端d，窄脉冲信号xclk通过反相器aa4和延时电路aa2传送到d触发器的时钟输入端clk，d触发器的输出端q输出为bld信号，其中，1≤j≤n-1。

本发明的工作原理：当电池中出现断线时，对电池进行检测及保护，电池断线检测电路中除了最高节电池celln外的每节电池均检测电池是否发生断线，因为若最高节电池celln发生断线，则不能给芯片提供正常的电源电压vddhv，芯片将不会正常工作；最高节电池celln的正极依次连接二极管d和电阻r生成电压vddhv分别与直流电流源ia1～ia(n-1)的输入端连接，直流电流源iaj的输出端通过开关swj与对应的高压pmos管mcj的源极相连，开关swj的状态由窄脉冲产生电路b产生的xclk信号经电平转换模块a3生成的窄脉冲信号xclkhv控制，1≤j≤n-1；

在电池celli正极连接对应的电阻ri及电容ci，电池celli正极与电阻ri一端连接，电阻ri另一端与电容ci一端连接，电容ci另一端接地，通过rc滤波电路得到的电池电压vci，1≤i≤n；电池电压vcj与高压pmos管mcj的源极连接，高压pmos管mcj的栅极由其上一节电池电压vcj+1控制，高压pmos管mcj的漏极与直流电流源ibj输入端相连，直流电流源ibj输出端接地，1≤j≤n-1；即最高节电池电压vcn不检测断线情况；

例如，当第二节电池cell2断线时，只有在窄脉冲信号xclkhv下降沿到来时，开关sw2闭合，则第二节电池电压vc2会被最高节电池电压vcn拉高，当vc2比第三节电池电压vc3高一个vgs电压时，高压pmos管m2导通，电压v2为高电平并将vc2电压拉低一些，因此可使得vc2的电压不会被拉到太高，解决了电路中器件耐压值不够的问题。vm为高电平，当窄脉冲信号xclkhv下降沿到来时，经过d触发器输出vbld为高电平，vuvp表示电池欠压时的信号，vovp表示电池过压时的信号，均为高电平有效。当电路发生欠压时，vuvp为高电平，经过逻辑或门or和电平转换模块，放电管nm2关闭；当电路发生过压时，vovp为高电平，经过逻辑或门or和电平转换模块，充电管nm1关闭；当电池发生断线时，vbld为高电平，经过逻辑或门or和电平转换模块，放电管nm2和充电管nm1均关闭，起到了保护锂电池的作用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明电路采用周期性的窄脉冲信号检测电池断线是否发生的方法，只有当窄脉冲信号xclkhv到来时断线电池检测电路工作，有效地降低了电路功耗。

2、本发明电路采用对多节电池分别进行断线检测，能够准确判断出电池断线和过压异常的状态同时发生的情况，全范围内检测电池是否发生断线异常，并作出相应的保护措施，提高锂电池的安全性、可靠性和耐压值；

3、本发明电路通过将断线电池电压vci连接一个pmos管的源极，使pmos管的栅极电压为vci+1，当电池发生断线时，使得vci电压不会被上拉至太高，解决了器件的耐压值不够的问题。

附图说明

图1是本发明的结构框图；

图2是本发明实施例1中的电池断线检测电路原理图；

图3是本发明窄脉冲产生电路的原理图；

图4是本发明窄脉冲产生波形示意图；

图5是本发明实施例2中的电池断线检测电路原理图。

附图中：a-电池断线检测电路，b-窄脉冲产生电路。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明的多节电芯保护板断线检测电路，包括电池断线检测电路a、窄脉冲产生电路b和串联在一起的多节电池cell1～celln，在电池celli正极连接对应的电阻ri及电容ci，电池celli正极与电阻ri一端连接，电阻ri另一端与电容ci一端连接，电容ci另一端接地，通过rc滤波电路得到的电池电压vci，1≤i≤n；电池电压vcj与高压pmos管mcj的源极连接，高压pmos管mcj的栅极由其上一节电池电压vcj+1控制，高压pmos管mcj的漏极与直流电流源ibj输入端相连，直流电流源ibj输出端接地，1≤j≤n-1；

最高节电池celln的正极依次连接二极管d和电阻r生成电压vddhv分别与直流电流源ia1～ia(n-1)的输入端连接，直流电流源iaj的输出端通过开关swj与对应的高压pmos管mcj的源极相连，开关swj的状态由窄脉冲产生电路b产生的xclk信号经电平转换模块a3生成的窄脉冲信号xclkhv控制，1≤j≤n-1。

在本发明的实施例1中：

如图1和图2所示，电池断线检测电路a中，包括高压pmos管ma0～ma(n-1)，电压vddhv与高压pmos管ma0～ma(n-1)的源极相连，高压pmos管ma0与高压pmos管ma1～ma(n-1)分别构成电流镜，高压pmos管ma0为电流镜的源头，直流电流源ia1连接在高压pmos管ma0的漏极为其提供镜像电流，高压pmos管ma0的漏极与直流电流源ia1的输入端连接，直流电流源ia1的输出端接地；

其中，高压pmos管ma0与高压pmos管maj构成的电流镜作为直流电流源iaj，高压pmos管mbj作为开关swj，高压pmos管mbj的源极与高压pmos管maj的漏极连接，窄脉冲信号xclkhv控制高压pmos管mbj的栅极，高压pmos管mbj的漏极连接高压pmos管mcj的源极，高压pmos管mcj的漏极与逻辑或门aa0的输入端之间还设置有高压nmos管mej、nmos管mfj和反相器aj，高压pmos管mcj的漏极连接高压nmos管mej的漏极，高压nmos管mej的栅极连接至基准电压vrega，高压nmos管mej的源极连接至nmos管mfj的栅极nmos管mgj的漏极，nmos管mgj的源极接地，nmos管mfj的漏极连接至pmos管mdj的漏极和反相器aj的输入端，pmos管md0和pmos管mdj构成电流镜，且pmos管md0和pmos管mdj的源极均连接至基准电压vrega，pmos管md0的漏极连接至nmos管mh0的漏极，nmos管mh0的源极接地；nmos管mg0与nmos管mh0以及nmos管mgj构成电流镜，其中，nmos管mg0与nmos管mgj构成电流镜作为直流电流源ibj；基准电压vrega连接至电流源ia2的输入端，电流源ia2的输出端连接至nmos管mg0的漏极和栅极以及nmos管mgj的栅极，nmos管mg0的源极接地，其中，1≤j≤n-1；

反相器aj的输出端通过逻辑或门aa0输出传送到d触发器aa1的输入端d，窄脉冲信号xclk通过反相器aa4和延时电路aa2传送到d触发器的时钟输入端clk，d触发器的输出端q输出为vbld信号，d触发器aa1输出端q的输出信号vbld分别连接至逻辑或门101和逻辑或门102的一个输入端，逻辑或门101的另一个输入端连接有vuvp，逻辑或门102的另一个输入端连接有vovp，逻辑或门101的输出端经过电平转换单元103和反相器104输出信号vdhc控制nmos管nm2，逻辑或门102的输出端经过电平转换单元105和反相器106输出信号vchc控制nmos管nm1。

参见图3，所述窄脉冲产生电路b是由周期为1ms的方波信号clk1，经过m个d触发器进行n分频得到一个周期为2ⁿms的方波信号，参见图4所示的信号波形图，再将该方波信号经过组合逻辑产生一个时钟为500us的窄脉冲信号xclk，并将该信号经过一个电平转换模块aa3转换为高压的窄脉冲信号xclkhv，在xclkhv的下降沿到来时开始检测电池是否发生断线。

如图3所示，窄脉冲产生电路b由m个d触发器连接，其中d触发器b1的一个时钟输入端clk连接由内部振荡电路产生的方波信号clk1控制；d触发器b1的另一个输入端d连接d触发器b1的其中一个输出端xq和下一个d触发器b2的一个时钟输入端clk，d触发器b1的一个时钟输入信号端clk与其他m-1个d触发器的一个输出端q通过逻辑与门的输入端，逻辑与门的输出为时钟信号xclk。当脉宽为500us的窄脉冲信号xclk的下降沿发生时，会使图2中的高压pmos管mb1～mb(n-1)导通。电池电压vcj与高压pmos管mcj的源极连接，高压pmos管mcj的栅极为上一节电池电压vcj+1，当第j节电池断线时，vcj高于(vcj+1+vgs)，使vcj的电压不会被最高节电池电压vcn上拉到太高。

在本发明的实施例2中，窄脉冲产生电路b与实施例1中的相同，如图5所示，电池断线检测电路a包括电阻ra1～ra(n-1)，电压vddhv与电阻raj的一端相连，电阻raj的另一端与高压pmos管maj的源极连接，电阻raj作为直流电流源iaj，高压pmos管maj的栅极连接控制信号xclkhv，高压pmos管maj的漏极连接高压pmos管mcj的源极，高压pmos管mcj的漏极与逻辑或门aa0的输入端之间还设置有高压nmos管mej、nmos管mfj和反相器aj，高压pmos管mcj的漏极连接高压nmos管mej的漏极，高压nmos管mej的栅极连接至基准电压vrega，高压nmos管mej的源极通过电阻rbj接地，电阻rbj作为直流电流源ibj，且高压nmos管mej的源极连接至nmos管mfj的栅极，nmos管mfj的漏极连接至pmos管mdj的漏极和反相器aj的输入端，pmos管md0和pmos管mdj构成电流镜，且pmos管md0和pmos管mdj的源极均连接至基准电压vrega，pmos管md0的漏极连接至直流电流源i输入端，直流电流源i输出端接地；

反相器aj的输出端通过逻辑或门aa0输出传送到d触发器aa1的输入端d，窄脉冲信号xclk通过反相器aa4和延时电路aa2传送到d触发器的时钟输入端clk，d触发器的输出端q输出为bld信号，其中，1≤j≤n-1。

如图4所示，本发明能够有效降低电路功耗，本发明的窄脉冲产生电路是由周期为1ms的方波信号clk1，经过n分频得到一个周期为2ⁿms的方波信号，再经过组合逻辑得到一个窄脉冲信号xclk，因为该信号是一个0v至5v之间变化的低压脉冲，而多节电池断线检测需要较高的脉冲信号才能打开开关管，因此将xclk经过图1中的电平转换模块转换成电压在(vddhv-5v)与vddhv之间变化的脉冲信号xclkhv，其中vddhv是最高节电池为芯片提供的电源电压；其信号波形图如图4所示，在窄脉冲信号xclkhv下降沿到来时打开电池断线检测电路命中的开关管用于检测电池是否断线，由于窄脉冲信号脉宽只有500us，只有当窄脉冲信号xclkhv下降沿到来的时候电池断线检测电路才会起作用，因此本发明采用的窄脉冲产生电路可有效地减小电路的功耗，例如在窄脉冲信号周期为t，每节电池的输入电容为c，上拉电流为i，则在t时间内根据电荷守恒有：

q＝i×t＝c×v(1)

令c＝0.1uf，v＝5v，t＝500us，t＝32s，得到：

q＝i×t＝1ma×500μs＝5×10^-7c(5)

其中p表示单位周期内电池断线检测电路的功耗，由式(6)可知，电池断线检测电路的功耗很小，为0.02μw。

以上仅是本发明的最佳两个实施例，不构成对本发明的任何限制，显然在本发明的构思下可以对其电路进行不同的变更与改进，但这些均在本发明的保护之列。