专利名称：：应用微机电系统mems开关的电池组保护电路的制作方法
技术领域：
：本发明属于电池保护电路，特别涉及一种应用微机电系统MEMS开关的电池组保护电路。技术背景目前，笔记本电脑、电动自行车和电动汽车等需要大功率充电电池(组)的设备得到了广泛应用，而这些充电电池的寿命直接决定了设备的持续工作时间，因此如何有效地对大功率电池进行充、放电，并自动地对冲放电过程进行管理、显示和保护成为了热点课题。现有电池(组)充放电保护控制电路可以实现对于大功率电池充放电过程的有效控制和保护，传统采用M0S场效应晶体管(M0SFET)开关的电池(组)充放电保护电路功能框图如图2所示。其主要包括一个模拟的前端检测电路(AFE)，一个微控制器(MCU)、充放电控制场效应管(M0SFET)和敏感电阻。微控制器中的电流检测模块对流过敏感电阻的电流进行探测，当探测到流过电池的电流过载或者短路时，向MCU发出一个中断信号。微控制器还可以控制和显示目前电池电量的大小，并根据中断信号向AFE发出停'止充放电信号。AFE根据微控制器的信号，打开或者关闭相应的充放电场效应管。由于冲放电过程中的电流较大，这个电流流过任何电阻都会产生较大的静态功耗。因此，DonJNguyen于2007年提出了去掉电流探测的敏感电阻的方案，采用一个或者多个霍尔效应传感器，利用霍尔效应来探测流过电池或者电池组的电流，这样消除了敏感电阻消耗的静态功耗。一般情况下，该充、放电M0SFET为分离器件，这是因为目前CMOS工艺设计的M0SFET开关在导通电阻和工作电压和电流等方面无法满足电池(组)充放电保护电路对于低导通电阻和高工作电压和大工作电流的要求。而分离器件的M0SFET可以满足对于高工作电压和大工作电流的要求，但是其导通电阻仍然比较大，该导通电阻一般为几个欧姆。，笔记本应用的锂电池(组)的充放电电流平均电流约为1A左右。因此在导通状态下，M0SFET开关所消耗的功耗通常会达到几瓦的量级。而对于电动自行车或者电动汽车，开关导通电阻消耗的功耗将会更大。该MOSFET开关一般采用特殊工艺制作，无法实现与其他控制电路的集成化。因此需要更低电阻的开关，以降低充放电保护电路的静态功耗并提高集成度。
发明内容本发明所要解决的技术问题是提供一种应用微机电系统MEMS开关的电池组保护电路。达到降低电池组冲放电过程中，充放电开关导通状态下静态功耗大的问题，并尽可能提高整个保护电路的集成度。本发明的技术方案是一种应用微机电系统MEMS开关的电池组保护电路，其特征在于一个微控制器MCU，用于对充放电过程的电流异常进行检测和控制，当充电或者放电过程出现过载或者短路等情况时，该检测电路会发出一组表征充、放电异常的中断信号，此时微控制器的CPU则对于检测电路出现的中断信号进行处理，并显示目前充放电状态；一个模拟前端检测电路AFE，用于为微处理器供电，控制充、放电微机电系统MEMS开关，实现对于电池组的充电和放电功能，并对电池上电压大小进行探测；一个敏感电阻，用于对充电或者放电电流进行探测；—个或者多个充、放电微机电系统MEMS开关，以较低的静态功耗对电池、电池组进行充电或者放电。用一个或者多个微机电系统MEMS开关进行电池组的充放电。应用多个微机电系统MEMS开关串联或者并联进行充放电。以分离器件形式、部分或者全部以集成电路形式实现的包括微机电系统MEMS开关的电池、电池组充放电保护电路。具体电路为在电池组的负极端连接两个串联的静电微机电系统MEMS开关，电池组的负极端连接第一个静电微机电系统MEMS开关的传输线，这个第一个静电微机电系统MEMS开关的第一个电极连接第二个静电微机电系统MEMS开关的传输线，第二个静电微机电系统MEMS开关的第一个电极作为负极端输出端；在每个静电微机电系统MEMS开关的传输线和第一个电极之间并接一个二极管，两个二极管极的正极相连；在电池组的正极端连接敏感电阻，一个模拟的前端检测电路AFE的连接电池组的每个电池的连接处，模拟的前端检测电路AFE分别的连接两个静电微机电系统MEMS开关的第二个电极；模拟的前端检测电路AFE连接微控制器MCU;敏感电阻两端连接微控制器MCU。本应用微机电系统MEMS开关的电池组保护电路，该电池保护电路应用于锂电池、电池组或者其他充电式电池、电池组中进行电池保护。本发明效果是该发明的特点是在充放电的过程中，可以降低电池(组)消耗的静态功耗，在断开过程中提供更高程度的隔离，并提高该充、放电电路的集成度。本结构的特点为1、利用单晶硅优良的机械特性解决薄膜应力变形，解决了材料物理特性差的弱点；2、采用推拉结构使得接触点和传输线间距增大为初始间距的2倍，因此得到同样的隔离度可允许驱动电极之间的低间距，从而得到较低的驱动电压；3、利用推拉结构解决了单臂梁恢复力不足的，使开关寿命大大增加。当应用在电池(组)保护电路中时，该微机电系统MEMS开关根据AFE端发出充电或者放电信号时，上电极和下电极之间加上需要的驱动电压，可动梁在上下极板的静电力作用下上拉使得接触区与传输线闭合，微机电系统MEMS开关导通，此时电池组中的充电或者放电开关中的一个开关闭合。根据开关闭合的类型不同，电池(组)可以处于充电或者放电状态。如果AFE发出一个相反的信号，既去除驱动电压并在另一端上电极和下电极之间加驱动电压，使得可动梁下拉使得接触点和传输线断开，微机电系统MEMS开关断开，此时电池(组)的冲放电状态发生转换。技术方案效果与传统采用MOSFET开关相比，采用微机电系统MEMS开关做为充、放电控制开关的主要优点是静态功耗低和便于集成化。表一给出了目前市场上可以买到的MOSFET开关和微机电系统MEMS开关的性能比较，从表一中可以看出，MOSFET开关的导通电阻为l.65欧姆，而微机电系统MEMS开关的电阻值为0.16-0.35欧姆，其导通状态的静态功耗可以表示为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>因此采用微机电系统MEMS开关将开关导通状态的静态功耗降低到M0SFET的十分之一左右，从而延长电池(组)的持续放电时间，减少充电次数，延长电池寿命。以一般笔记本应用的锂电池组为例，一般情况下一个笔记本的电池标定电压为IOV，其额定电量是2000mA4小时，因此其功率约为40W，以平均放电电流1A计算，不考虑放电场效应管的导通电阻，该笔记本可以持续工作两个小时。以NE3290MOSFET开关为例，开关导通电阻消耗的功耗为5W，约为总功耗的1/8，即放电时间将减小15分钟左右。尽管笔记本充电过程的电流会相对小些，但是其充电时间会长的多，因此其充电过程与放电过程消耗的总能量基本是相同的。而且，该微机电系统MEMS开关可以与现有的硅工艺很好的兼容，进而实现整个电池组充放电保护芯片的集成化，这可以减小芯片的外部管脚(PAD)数量，减少封装过程的工序，进而改善整个电池(组)保护系统的可靠性。<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>图l、应用微机电系统MEMS开关的电池组的充、放电保护电路结构图2、传统应用MOSFET的充放电保护电路结构图3、静电微机电系统MEMS开关结构的工作原理(开关断开状态)图4、静电微机电系统MEMS开关结构的工作原理(开关闭和状态)图5、推拉式静电微机电系统MEMS开关剖面结构具体实施方式如图1所示本发明提供了一种电池、电池组充放电保护电路的整体方案，其特征在于应用微机电系统MEMS(微机电系统)开关来代替MOSFET充放电开关，本发明设计的电池、电池组充放电保护电路实现功能框图如图l所示。在电池组的负极端连接两个串联的静电微机电系统MEMS开关，电池组的负极端连接第一个静电微机电系统MEMS开关的传输线，这个第一个静电微机电系统MEMS开关的第一个电极连接第二个静电微机电系统MEMS开关的传输线，第二个静电微机电系统MEMS开关的第一个电极作为负极端输出端；在每个静电微机电系统MEMS开关的传输线和第一个电极之间并接一个二极管，两个二极管极的正极相连；在电池组的正极端连接敏感电阻，一个模拟的前端检测电路AFE的连接电池组的每个电池的连接处，模拟的前端检测电路AFE分别的连接两个静电微机电系统MEMS开关的第二个电极；模拟的前端检测电路AFE连接微控制器MCU;敏感电阻两端连接微控制器MCU。当前微机电系统MEMS开关的分类方式有很多种，就接触类型划分有欧姆接触和电容耦合等两种。就欧姆接触类型微机电系统MEMS开关来说，其微波结构是基于共面波导上的一个空隙，绝缘梁上的接触区移动导致电接触，开关闭合。当开关导通状态下，其电阻是两个接触点的接触电阻，因此其导通电阻远低于M0SFET。一般情况下，微机电系统MEMS开关的导通电阻是M0SFET开关的1/10左右，因此可以显著降低开关导通状态下的静态功耗。微机电系统MEMS开关由机械部分和电学部分构成，可用静电、静磁、压电或者热原理为机械运动提供驱动力。开关的电学部分，可以用串联或者并联方式排列，可以是金属-金属接触或者电容式接触。其中静电驱动因其接近零直流功耗、开关时间短、结构简单、易加工且便于与集成电路芯片(IC)工艺兼容得到企业界和学术界广泛的关注。图3为静电驱动微机电系统MEMS开关闭合和断开时的工作原理图。其中(a)表示是开关断开，此时处于打开状态。当在上电极和下电极之间加驱动电压时，受到静电力的作用接触点与传输线接触，使开关达到如(b)所示的闭合状态，此时开关导通。其中在驱动电压V下所产生的静电力为式中f。为自由空间的介电常数，A是电容器的有效面积，g是上下电极间的间隔。静电驱动微机电系统MEMS开关的研究一直是企业界追捧的热点，但是制约其发展的主要原因是驱动电压高，薄膜应力变形和寿命短而不能达到工业界的要求。基于以上阐述的静电微机电系统MEMS开关中的基本问题，我们应用了一种基于单晶硅梁的静电推拉式微机电系统MEMS开关作为充放电保护开关结构，该结构能够较好地解决现有技术存在的缺陷，降低了驱动电压，大幅度地增加开关的寿命。其基本思想是将图3中的静电微机电系统MEMS开关的上下电极设it为两对。这样当开关闭合的信号到来时，其中的一对电极推动悬臂梁，使得接触区与传输线接触，开关实现导通。图4为该微机电系统MEMS开关结构的剖面图。当需要段开该微机电系统MEMS开关时，此时控制信号加在另一对电极上，从而拉动悬臂梁，使得接触区与传输线的连接断开，实现开关的关断。具体制作过程为通过释放槽使可动的单晶硅梁(悬臂梁)形成，在梁的两端溅射下电极和接触区，上电极和传输线形成共面波导传输线(CPW)，保证信号不被干扰。上电极通过锚点固定在基板上。权利要求1、一种应用微机电系统MEMS开关的电池组保护电路，其特征在于一个微控制器MCU，用于对充放电过程的电流异常进行检测和控制，当充电或者放电过程出现过载或者短路等情况时，该检测电路会发出一组表征充、放电异常的中断信号，此时微控制器的CPU则对于检测电路出现的中断信号进行处理，并显示目前充放电状态；一个模拟前端检测电路AFE，用于为微处理器供电，控制充、放电微机电系统MEMS开关，实现对于电池组的充电和放电功能，并对电池上电压大小进行探测；一个敏感电阻，用于对充电或者放电电流进行探测；一个或者多个充、放电微机电系统MEMS开关，以较低的静态功耗对电池、电池组进行充电或者放电。2、根据权利要求1所述的应用微机电系统MEMS开关的电池组保护电路，其特征在于用一个或者多个微机电系统MEMS开关进行电池组的充放电。3、根据权利要求2所述的应用微机电系统MEMS开关的电池组保护电路，其特征在于应用多个微机电系统MEMS开关串联或者并联进行充放电。4、根据权利要求1所述的应用微机电系统MEMS开关的电池组保护电路，其特征在于以分离器件形式、部分或者全部以集成电路形式实现的包括微机电系统MEMS开关的电池、电池组充放电保护电路。5、根据权利要求1所述的应用微机电系统MEMS开关的电池组保护电路，其特征在于具体电路为在电池组的负极端连接两个串联的静电微机电系统MEMS开关，电池组的负极端连接第一个静电微机电系统MEMS开关的传输线，这个第一个静电微机电系统MEMS开关的第一个电极连接第二个静电微机电系统MEMS开关的传输线，第二个静电微机电系统MEMS开关的第一个电极作为负极端输出端；在每个静电微机电系统MEMS开关的传输线和第一个电极之间并接一个二极管，两个二极管极的正极相连；在电池组的正极端连接敏感电阻，一个模拟的前端检测电路AFE的连接电池组的每个电池的连接处，模拟的前端检测电路AFE分别的连接两个静电微机电系统MEMS开关的第二个电极；模拟的前端检测电路AFE连接微控制器MCU;敏感电阻两端连接微控制器MCU。6、一种应用微机电系统MEMS开关的电池组保护电路，该电池保护电路应用于锂电池、电池组或者其他充电式电池、电池组中进行电池保护。全文摘要一种应用微机电系统MEMS开关的电池组保护电路，该电路可以用于充电式电池或者电池组中，例如笔记本型计算机所用的锂电池组、电动自行车或者电动汽车的充电保护电路中。该充放电保护电路包括一个电池、电池组充放电控制电路模拟前端电路(AFE)，一个微控制器(MCU)，一个或者多个微机电系统MEMS开关。该发明的特点是在充放电的过程中，可以降低电池、电池组消耗的静态功耗，在断开过程中提供更高程度的隔离，并提高该充、放电电路的集成度。文档编号H02H7/18GK101567554SQ20081005283公开日2009年10月28日申请日期2008年4月22日优先权日2008年4月22日发明者喻明艳,李景虎,马建国申请人:天津泛海科技有限公司