电池管理和保护系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于电池管理和保护的系统。电池保护电路可包括电源半导体开关和控制集成电路（1C)。所述电池保护电路可用来调节电池的充电和/或放电，并进一步基于所述保护1C的保护跳闸点（例如过流检测点）来防止所述电池在安全工作区域之外运行。所述保护1C可用来校准保护跳闸点，以补偿所述电源半导体开关的导通电阻（RSSon)的工艺和温度变化。
【专利说明】电池管理和保护系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电池管理系统，具体涉及包括保护集成电路（1C)的电池保护电路，所 述保护集成电路（1C)被配置成可校准保护跳闸点以补偿电池保护电路的电源半导体开关 的导通电阻的工艺和温度变化。
【背景技术】
[0002] 存在多种电池监测系统。例如，电池管理系统可用来管理电池（单电池或电池 组），例如通过如下方式进行管理：监控电池状态、计算和报告辅助数据、保护电池、控制电 池的环境和/或平衡电池的充电/放电。一些电池管理系统可以监测由各种参数表示的电 池状态，包括但不限于电压（例如总电压、周期性抽头的电压或各个单元的电压）、温度（例 如平均温度、冷却进气温度、冷却出气温度或各个单元的温度）、充电状态（S0C)或放电深 度（D0D)，从而指示电池的充电电平以及流入和/或流出电池的电流。
[0003] -些电池管理系统包括用来防止电池在预定安全工作范围之外运行的保护机制。 电池保护机制变得越来越重要，在技术进步以及许多日常消费品依赖于可充电电池（例如 锂离子电池）供电时尤为如此。如果锂离子电池（例如）过充电，可能会发生强烈的放热 反应，导致起火的可能性增大，使用户面临危险状况。
【发明内容】
[0004] 本发明提供一种用于电池管理和保护的系统，该系统包括：电源；以及保护该电 源的保护电路，该保护电路基于该保护电路中元件的工作特性来进行校准。
[0005] 本发明提供一种用于电池管理和保护的设备，该设备包括：电源半导体开关；以 及用于至少基于保护跳闸点来控制该电源半导体开关的保护集成电路，该保护集成电路基 于该电源半导体开关的工作特性来进行校准。
[0006] 本发明提供一种用于电池管理和保护的方法，该方法包括：组装设备，该设备至少 包括保护集成电路和电源半导体开关；至少对于该电源半导体开关确定其工作特性；以及 基于该工作特性来校准该保护集成电路。
【专利附图】
【附图说明】
[0007] 从下面对与要求保护的主题相符的实施例的详细描述中，要求保护的主题的特征 和优点将变得清楚，应该参照附图来理解这些详细描述，其中：
[0008] 图1示出了常规电池保护电路图；
[0009] 图2A-2D示出了常规电池保护电路图的实施例；
[0010] 图3示出了与本发明相符的示例性电池保护电路图；
[0011] 图4示出了根据一个实施例的示例性多芯片模块（MCM)的透视图，其包括图3中 的电池保护电路的保护集成电路（1C)和电源半导体开关；
[0012] 图5和6示出了图4的MCM的多个部分的不同视图；
[0013] 图7示出了图3的电池保护电路的示例性保护1C的引脚；
[0014] 图8示出了图4的MCM的示例性封装引脚。
[0015] 图9示出了与本发明相符的电池保护电路的可选配置；
[0016] 图10示出了根据一个实施例的示例性MCM的示例性透视图，其包括图9中的电池 保护电路的保护1C和电源半导体开关；
[0017] 图11示出了与本发明相符的保护1C的示例性芯片配置；
[0018] 图12示出了图9的电池保护电路的示例性保护1C引脚；以及
[0019] 图13示出了与本发明相符的电池管理和保护系统的示例性操作。
[0020] 虽然下面的【具体实施方式】将参照实例性实施例进行，但是这些实施例的多个替代 形式、修改形式和变型对于本领域技术人员来说将是清楚的。
【具体实施方式】
[0021] 总体来说，本发明涉及电池保护电路，该电池保护电路包括电源半导体开关和电 源集成电路（1C)的集成。所述电池保护电路用来调节电池的充电和/或放电，并进一步基 于（至少部分地基于）保护1C的保护跳闸点（例如过流检测点）防止电池工作在安全工 作区域外。
[0022] 所述保护1C可用来校准保护跳闸点，以补偿电源半导体开关的源到源导通电阻 (RSSon)的工艺和温度变化。电源半导体开关可以包含（例如）双η沟道金属氧化物半导 体场效晶体管（M0SFE)，其包括两个耦接的M0SFET开关，其中保护1C用来控制M0SFET开关 从而控制流入和/或流出电池的电流。可以用每个M0SFET开关的RSSon来设计所述保护 1C，因为可基于每个M0SFET的实际RSSon对保护跳闸点进行校准（例如通过微调技术）。 电池保护电路可用来提供过放电电压保护、过充电电压保护、过放电电流保护、过充电电流 保护和短路保护中的至少一者。
[0023] 如本文更详细地描述的那样，基于每个M0SFET的实际RSS来校准保护跳闸点导致 电池充电和/或放电过程中检测电流时的准确性提高，从而导致电池效率和性能提高，例 如移动设备的通话时间增长。作为另外的有益效果，与目前通用的电池保护机制相比，与本 发明相符的电池保护电路可以在尺寸上减小，如本文更详细地描述的那样。
[0024] 图1示出了常规电池保护电路100。如图所示，电池保护电路100可以包括（除了 其他元件以外）含有两个M0SFET开关106 (a)、106 (b)的双η沟道M0SFET104和保护IC102。 在所公开的电路中，除非控制IC102允许，M0SFET106(b)可以防止电流流入电池（例如，接 于保护IC102的充电输出（C0))，而M0SFET106(a)可以防止电流流出电池（例如，接于保护 IC102的放电输出（D0))。
[0025] 图2A-2D示出了常规电池保护电路的其他实施例；如图2A所示，电池保护电路 200a公开了一种保护电池的分立方法，而图2B的电池保护电路200b通过加入传感电阻器 R来提高这种分立的方法。图2C的电池保护电路200c公开了一种MCM方法（例如，其中分 立元件（例如M0SFET)包含在单片封装中），并且图2D的电路200d将MCM方法与外部传 感电阻器R相结合。然而，电池保护电路200a-200d各自都存在缺点。例如，电路200a和 200c中示出的分立方法通常由于（例如）分立元件的不可预测的实际特性而表现出较差的 保护跳闸点准确性。虽然在电路200b和200d中加入传感电阻器R可以改善保护断路的准 确性，但加入传感电阻器R也会增加成本,增加制造所需的空间，而且还可能引起总体功率 损耗。
[0026] -般来讲，使用分立M0SFET开关的客户对于传感电阻器R引起的功率损耗几乎没 有或毫无容忍度。此外，该行业由不同的1C供应商和M0SFET供应商提供服务，使得几乎没 有（即使有也极少）积极性来解决目前的电池保护电路的准确性不足问题。随着电子设备 (例如平板电脑和智能电话）越来越高的功率需求，对于与保护准确性相关联的损耗的容 忍度越来越低。电池供电的移动电子设备的目前趋势是，要求更高的放电和充电电流（例 如最高至5A?8A)，这部分地是由于多核系统和针对此类设备的快速充电需求引起的。此 夕卜，移动电子设备（例如轻薄的平板电脑和智能手机）在尺寸上更小，因此需要更小的元 件，可容纳更少元件等，使得减少元件数量和/或尺寸的集成解决方案变得有价值。。
[0027] 图3示出了与本发明相符的电池保护电路300。如图所示，电路300可以至少包括 保护IC302和包含两个M0SFET开关306 (a)和306 (b)的双η沟道M0SFET304。如前所述， 电池保护电路300可用来调节电池的充电和/或放电，并进一步基于（至少部分地基于）保 护IC302的保护跳闸点（例如过流检测点）防止电池工作在安全工作区域外。保护IC302 可用来控制M0SFET开关306 (a)和306 (b)，从而控制流入和/或流出电池的电流。
[0028] 为清楚起见，现就图3的电路图中示出的连接件（例如引脚）进行说明。VDD表 示连接于正电源输入以向保护IC302供电的连接引脚。VSS用作保护IC302的参考点， 并且可以连接于电池的负端子。VDT表示用于检测过流和/或是否存在电池充电器的引 脚。P+是电池组的正端子，P-是电池组的负端子。GDCH是栅极驱动器引脚，用于控制放电 M0SFET306 (a)，SDCH可以连接到放电M0SFET306 (a)的源极。GCHG是栅极驱动器引脚，用于 控制充电M0SFET306(b)，SDCG可以连接到充电M0SFET306(b)的源极。T1和T2表示可用于 校准保护IC302的保护跳闸点的测试引脚。例如，T1和T2跳闸点可以接入到保护IC302， 从而可以相对于任何M0SFET开关306 (a)和306 (b)的RSSon对跳闸点进行编程（例如，由 工厂、原始设备制造商（OEM)或其他方）。
[0029] 保护IC302可被配置为包括可进行校准以补偿M0SFET开关306 (a)和306 (b)的 RSSon中的工艺和温度变化的保护跳闸点。在实施过程中，M0SFET开关306(a)和306(b) 可包括整个工艺和温度中的显著RSSon变化。与本发明相一致，可以基于与M0SFET开关 306(a)和306(b)中的至少一个相对应的已测量RSSon来设计保护IC302,其中可对保护跳 闸点进行校准（例如，使用微调技术，其中可基于实际RSSon在保护IC302中对保护跳闸点 进行调整）。该校准允许保护IC302基于工艺和/或温度变化所引起的M0SFETS306 (a)和 306 (b)工作特性定制其控制，从而提高保护准确性。
[0030] 保护IC302校准保护跳闸点来补偿至少RSSon变化的能力使电池保护电路300能 够提供增进的保护准确性，这在常规保护电路中是无法实现的。例如，最初可以将过流保 护跳闸点设置为2A，使得任何流经1C的大于2A的电流都导致保护IC302关闭一个或两个 M0SFET开关306 (a)和306 (b)，从而断开流入和/或流出电池的电流。
[0031] 为使保护IC302断路，1C通常需要基于电阻来测量M0SFET开关对两端的电压降。 在一个例子中，25°C (摄氏度）时的M0SFET开关306(a)和306(b)可具有lOmohm的RSSon。 为使保护IC302在2A时断路，保护IC302的保护跳闸点可能需要预设为20mV(例如，V = IR = 2AX lOmohm)。在当很少或没有工艺变化和/或温度变化的理想情况下，保护准确性可 以接近100%。然而，在实施过程中，M0SFET的实际RSSon可能不会正好为10mohm。在一些 MOSFET中，RSSon可能会低至6mohm，而其他MOSFET可能具有12mohm的RSSon。MOSFET与 M0SFET之间会有差异。例如，假设M0SFET的实际RSSon为6mohm，而保护IC302的预设保 护跳闸点为20mV，则保护IC302可能会在3. 333A(I = V/R = 20mV/6mohm)时进入保护模式 (例如断开充电和/或放电电流），导致超出2A目标值66%的容差。而当MOSFET的RSSon 为12mohm时，保护IC302可能在1. 66A(I = V/R = 20mV/12mohm)时进入保护模式，导致低 于2A目标值17%的容差。因此，保护IC302测量并传感MOSFET开关306(a)和306(b)的 RSSon继而基于MOSFET开关306 (a)和306 (b)的实际RSSon来校准保护跳闸点的能力，允 许保护IC302补偿MOSFET开关的任何工艺和/或温度变化，从而提高保护准确性。例如，在 上述的6mohm情形中，保护IC302可用来将保护跳闸点微调在12mV(V = IR = 2AX6mohm) 上，从而形成接近2A的更准确的保护跳闸点。
[0032] 下表示出了较之于图3中所示的被指定为"校准1C"的与本发明相符的电池保护 电路的保护准确性，与常规电池保护电路（例如在图1或2A-2D中所示的被指定为"常规" 电路的电路）的保护准确性相对应的测试结果。表1的结果基于放电过流保护（0CP)断路 电平，以安培（A)为单位，其中最大0CP断路电平设置为3A(例如，电流安全法规不允许断 路电平大于3A)，而电池容量假定为2200mAh。
[0033] 表 1
[0034]
【权利要求】
1. 一种用于电池管理和保护的系统，所述系统包括： 电源；以及 保护所述电源的保护电路，所述保护电路基于所述保护电路中元件的工作特性来进行 校准。
2. 根据权利要求1所述的系统，其中所述保护电路包括多芯片模块。
3. 根据权利要求2所述的系统，其中所述多芯片模块至少包括保护集成电路和电源半 导体开关。
4. 根据权利要求3所述的系统，其中所述保护集成电路至少基于保护跳闸点来控制所 述电源半导体开关。
5. 根据权利要求4所述的系统，其中所述电源半导体开关包括至少两个金属氧化物半 导体场效晶体管开关。
6. 根据权利要求5所述的系统，其中所述保护集成电路控制第一金属氧化物半导体场 效晶体管开关以控制流向所述电源的电流，并且控制第二金属氧化物半导体场效晶体管开 关以控制流出所述电源的电流。
7. 根据权利要求5所述的系统，其中所述保护跳闸点基于对所述金属氧化物半导体场 效晶体管开关中的至少一者测得的源到源导通状态电阻在所述保护集成电路中设定。
8. 根据权利要求7所述的系统，其中所述源到源导通状态电阻由所述保护集成电路在 所述保护电路工作过程中测量。
9. 根据权利要求7所述的系统，其中所述源到源导通状态电阻在所述多芯片模块制造 过程中测量。
10. -种用于电池管理和保护的设备，所述设备包括： 电源半导体开关；以及 用于至少基于保护跳闸点来控制所述电源半导体开关的保护集成电路，所述保护集成 电路基于所述电源半导体开关的工作特性来进行校准。
11. 根据权利要求10所述的设备，其中所述电源半导体开关包括至少两个金属氧化物 半导体场效晶体管开关。
12. 根据权利要求11所述的设备，其中所述保护集成电路控制第一金属氧化物半导体 场效晶体管开关以控制流向所述电源的电流，并且控制第二金属氧化物半导体场效晶体管 开关以控制流出所述电源的电流。
13. 根据权利要求11所述的设备，其中所述保护跳闸点在所述保护集成电路中设定， 所述保护跳闸点的设定是基于对至少一个所述金属氧化物半导体场效晶体管开关测得的 源到源导通状态电阻。
14. 根据权利要求13所述的设备，其中所述源到源导通状态电阻在所述设备的制造过 程中测量。
15. -种用于电池管理和保护的方法，所述方法包括： 组装设备，所述设备至少包括保护集成电路和电源半导体开关； 至少对于所述电源半导体开关确定其工作特性；以及 基于所述工作特性来校准所述保护集成电路。
16. 根据权利要求15所述的方法，其中确定所述工作特性包括对所述电源半导体开关 中的至少一个金属氧化物半导体场效晶体管开关测量源到源导通状态电阻。
17. 根据权利要求15所述的方法，其中校准所述保护集成电路包括在所述保护集成电 路中设定保护跳闸点。
18. 根据权利要求17所述的方法，其中校准所述保护集成电路基于微调技术。
19. 根据权利要求17所述的方法，还包括： 至少基于所述保护跳闸点来保护电源。
20. 根据权利要求19所述的方法，其中保护所述电源包括： 测量流出所述电源的电流或流向所述电源的电流中的至少一者； 基于所述保护跳闸点来评估所述测量；以及 至少基于对所述测量的评估来控制所述电源半导体开关的运行。
【文档编号】H02H7/18GK104218633SQ201410231126
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年5月28日 优先权日:2013年6月1日
【发明者】托马斯·安德烈斯·莫雷诺, 约瑟夫·D·蒙塔尔博尹成根, R·杨 申请人:快捷半导体(苏州)有限公司, 快捷半导体公司