可编程电池保护系统和电池保护集成电路的制作方法

此申请的各方面总体涉及电池系统，诸如用于便携式电子装置的电池组。

背景技术：

电池系统已经被设计来允许电子装置独立于来自主电源的电力而操作。通常，这些电池系统采取电池组的形式，电池组包括用于电池的控制电路系统并包括将电池组电耦接到电子装置的一组引线。可以在Masanori Kobayashi于2007年2月7日提交并于2008年8月21日公开的题目为“Semiconductor Integrated Circuit”的日本专利申请公开No.P2008-192959A；Masatoshi Sugimoto于2007年11月22日提交并于2009年6月11日公开的题目为“Over-Current Protecting Circuit and Battery Pack”的日本专利申请公开No.P2009-131020A；以及Yamaguchi等人于2008年5月19日提交并于2009年12月3日公开的题目为“Voltage Setting Circuit,Method for Setting Voltage,Secondary Battery Protecting Circuit,and Semiconductor Integrated Circuit Device”的日本专利申请公开No.P2009-283507A中发现常规系统和装置的示例；这些专利公开中的每一个的公开通过引用整体地并入此处。

技术实现要素：

本实用新型要解决的一个技术问题是提供改进的可编程电池保护系统和电池保护集成电路。

根据本实用新型的一个方面，提供了一种可编程电池保护系统，所述可编程电池保护系统包括：电池；以及与所述电池耦接的电池保护集成电路(IC)，所述电池保护集成电路IC包括：参考电压电路；与所述参考电压电路耦接的可变电阻器电路；以及与所述参考电压电路耦接的过电流检测电路；以及与所述过电流检测电路和所述电池耦接的仅两个场效应晶体管FET；其中所述参考电压电路和可变电阻器电路被构造来使得所述系统的电流感测信号随着所述系统的电源电压的改变线性地变化。

在一个实施例中，所述参考电压电路和可变电阻器电路被构造来使得所述系统的过电流信号对于所述系统的电源电压的改变是不变的。

在一个实施例中，所述参考电压电路包括操作性耦接在一起的电源电压检测器电路、带隙缓冲器电路以及放大器。

在一个实施例中，所述可变电阻器电路包括与一组或多组的多个开关部件耦接的熔断器的阵列，所述开关部件与一组或多组的多个电阻器并联耦接，其中所述熔断器的阵列的状态被构造来断开或者闭合所述一组或多组的多个开关部件的对应的开关部件，允许改变由所述一组或多组的多个电阻器生成的一个或多个总电阻。

在一个实施例中，过电流检测器电路被构造为使用由所述参考电压电路生成的参考电压来评估是否存在放电过电流状况和充电过电流状况中的一种，并且响应于检测到所述放电过电流状况和所述充电过电流状况中的一种，将所述仅两个FET从所述电池断开。

在一个实施例中，所述电池保护集成电路IC进一步包括温度变化校正电路，所述温度变化校正电路包括耦接到恒流源的扩散电阻器和放大器，其中所述扩散电阻器被构造为随着根据所述扩散电阻器的温度的所述扩散电阻器的电阻改变来改变从所述放大器输出的所述参考电压。

在一个实施例中，所述温度变化校正电路被构造来使得所述系统的所述电流感测信号随着所述扩散电阻器的温度的改变而线性地变化。

根据本实用新型的另一方面，提供了一种电池保护集成电路IC，所述电池保护集成电路IC用于电池保护系统，所述电池保护集成电路IC包括：参考电压电路，所述参考电压电路包括电源电压检测器电路、带隙缓冲器电路以及放大器，所述参考电压电路被构造为供应作为电源电压的函数的参考电压；与所述参考电压电路耦接的可变电阻器电路，所述可变电阻器电路包括与一组或多组的多个开关部件耦接的熔断器的阵列，所述开关部件与一组或多组的多个电阻器并联耦接，其中所述熔断器的阵列的状态被构造来断开或者闭合所述一组或多组的多个开关部件的对应的开关部件，允许改变由所述一组或多组的多个电阻器生成的一个或多个总电阻；以及与所述参考电压电路耦接的过电流检测电路；其中所述过电流检测器电路被构造为使用由所述参考电压电路生成的所述参考电压和所述一个或者多个总电阻来评估是否存在放电过电流状况和充电过电流状况中的一种，以及响应于检测到所述放电过电流状况和所述充电过电流状况中的一种，将电池从负载和充电器之一断开。

在一个实施例中，所述IC进一步包括温度变化校正电路，所述温度变化校正电路包括耦接到恒流源的扩散电阻器和放大器，其中所述扩散电阻器被构造为随着根据所述扩散电阻器的温度的所述扩散电阻器的电阻改变来改变从所述放大器输出的所述参考电压。

本实用新型的一个有益技术效果是提供改进的可编程电池保护系统和电池保护集成电路。

前述及其它来自说明书和附图，以及来自权利要求的方面、特征以及优势对于本领域一般专业技能的人员将会是显而易见的。

附图说明

接下来将连同附图描述各实施方式，附图中同样的标记指示同样的元素，以及：

图1是电池组系统的第一实施方式的电路图；

图2是电池组系统的第二实施方式的电路图；

图3A-C分别是针对图1的电池组系统的第一实施方式的电源电压相对于场效应晶体管(FET)的导通电阻、电源电压相对于电流源信号以及电源电压相对于过电流的图示；

图4A-C分别是针对图2的电池组系统的第二实施方式的电源电压相对于场效应晶体管(FET)的导通电阻、电源电压相对于电流源信号以及电源电压相对于过电流的图示；

图5是电池组系统的第三实施方式的电路图；

图6A-C分别是针对图1的电池组系统的第一实施方式的温度相对于场效应晶体管(FET)的导通电阻、温度相对于电流源信号以及温度相对于过电流的图示；

图7A-C分别是针对图5的电池组系统的第三实施方式的温度相对于场效应晶体管(FET)的导通电阻、温度相对于电流源信号以及温度相对于过电流的图示。

具体实施方式

本公开、其各方面以及实施方式不限于本文公开的具体部件、组装过程或方法元素。与预期的电池保护系统一致的本领域中已知的多种附加的部件、组装过程和/或方法元素显然可以与来自本公开的特定实施方式一起使用。因此，例如尽管公开了特定实施方式，但这种实施方式和实现部件可以包括与预期的操作和方法一致的用于这种电池保护系统和实现部件以及方法的本领域中已知的任何形状、尺寸、式样、类型、模型、版本、测量、浓度、材料、质量、方法元素、步骤等。

参照图1，图示了常规的电池组系统2的实施方式。如所图示的，系统2包括电池4，该电池4生成电源电压6(VDD，在此也是VCC)。包括过电流检测器电路8，该过电流检测器电路8使用参考电压(阈值电压)10作为对放电过电流检测器的输入，放电过电流检测器包括一起工作来检测电池4的放电过电流状况的比较器12和可变电阻14。还包括充电过电流检测器，该充电过电流检测器具有用来检测电池的充电过电流状况的比较器16和可变电阻18。通过将可变电阻14、18与一组常规激光修整的熔断器20的输出耦接来设置可变电阻14、18的电阻，在熔断器20的制造期间基于作为所制造的指定值的场效应晶体管(FET)22、24的导通电阻来设置常规激光修整的熔断器20的值。使用接收带隙参考电压28作为其输入值的比较器26来生成参考电压10。该带隙参考电压28基于硅的理论带隙，并且可以使用各种各样的常规电路来生成。在A.Paul Brokaw于IEEE Journal of Solid-State Circuits,V.SC-9,No.6,388-393(1974)发表的题目为“A Simple Three Terminal IC Bandgap Reference”的论文中公开了能够产生带隙参考电压28的电路的示例，该论文的公开通过引用整体地并入此处。

常规系统2向过电流检测器电路8输出相同的参考电压10以检测过电流状况，而不管系统部件(尤其是FET 22、24)的温度或者实际电源电压电平。如果在操作期间遇到的可能的电源电压的整个范围以及温度范围都应用该行为，则这种行为具有不希望的方面。参照图3A，可以观察到，用来允许电力进入和离开电池4的FET 22、24的导通电阻根据由电池4提供的电源电压而变化。在图3C中可以观察到，导通电阻随电源电压的这种变化导致过电流值也变为电源电压的函数。不是很希望这种状况，因为它意味着检测过电流状况以及保护电池的能力变为电池本身的变量(诸如充电电平、电源电压、温度、单元健康等)的函数。对于常规系统，电池将在可能损坏电池或者引起安全问题的不希望的状况下操作的可能性更高。

参照图2，图示了电池组系统30的第二实施方式。如所图示的，系统30包括与可变电阻器电路34并与过电流检测电路36耦接的参考电压电路32。可变电阻器电路34包括耦接到多个电阻器40的熔断器阵列38，多个电阻器40耦接到参考电压电路32。还如所图示的，各种系统实施方式还可以将熔断器阵列38与耦接到比较器46、48的可变电阻器/多个电阻器42、44耦接，比较器46、48是过电流检测电路36的放电过电流和充电过电流检测器的一部分。熔断器阵列38中的每个熔断器具有特定状态(断开/闭合或者保持闭合)，并且可以使用Saito等人于2015年7月27日提交的题目为“Programmable Battery Protection System and Related Methods”的共同未决的美国专利申请序列No.14/809,425；Saito等人于2015年7月29日提交的题目为“Automatically Programmable Battery Protection System and Related Methods”的共同未决的美国专利申请序列No.14/811,793；以及Amemiya等人于2015年7月30日提交的题目为“Automatically Programmable Battery Protection System and Related Methods”的共同未决的美国专利申请序列No.14/813,314(“熔断器相关申请”)中公开的任一方法和系统来设置该状态，这些专利申请中的每一个的公开都通过引用整体地并入此处。在特定实施方式中，可以使用FET 66、68的指定导通电阻、使用激光修整，而不是在熔断器相关申请中公开的方法，来设置熔断器。在特定实施方式中，熔断器38可以是多晶熔断器(polyfuse)。系统的不包括FET 66、68的各种部件包括在电池保护集成电路(IC)中，该电池保护集成电路(IC)物理上与电池本身分离。在各种实施方式中，电池保护IC可以与FET包括在相同的半导体封装中。

在各种系统实施方式中，熔断器的阵列38耦接到多个开关部件(未示出)，开关部件与串联耦接的多个电阻器40并联耦接。如在熔断器相关申请中详细描述的，由于开关部件是单独地断开或闭合的，多个电阻器40的总电阻改变，这改变了剩下的最终电压以及穿过多个电阻器40的电流。断开或者闭合的开关部件取决于熔断器的阵列38中对应的熔断器的状态。可以在包括在熔断器相关申请中公开或者在通过引用并入此申请中的各种文献中所公开的任意实施方式的各种实施方式中利用各种开关部件。如图2所图示的，熔断器的阵列38还可以包括用来设置可变电阻器42、44的总电阻的熔断器。在可变电阻器42、44还包括多个电阻器和多个开关部件的实施方式中，熔断器的阵列38可以耦接到多于一组的多个电阻器以及多于一组的多个开关部件。相同的熔断器状态可以用来设置多个电阻器40以及可变电阻器42、44的总电阻，或者熔断器阵列38可以包括用来为每组多个电阻器单独地或者以任何特定组合设置总电阻的熔断器的分离部分。

多个电阻器40的总电阻用来随着电源电压改变而生成电流信号。通过使用这个电流信号，可以使系统的电流感测信号随着电源电压的改变大体上线性地变化。另外，由于可以包含电源电压的改变，(通过所使用的参考电压)可以使过电流信号相对于电源电压的改变大体上是不变的。在图4A和4C中分别可以发现足以告知本领域内一般技术人员电流感测与电源电压(Vcc)之间的大体上线性的关系以及过电流与电源电压之间的大体上不变的关系的非限制性示例。

参照图2，电源电压(VCC)被供应给比较器50，比较器50设计为通过将比较器50的输出连接到比较器50的负端子，在电源电压改变时输出电压以及在电源电压保持恒定(相当电源电压60)时不输出电压。接着多个电阻器40与包括在带隙缓冲器电路中的恒流源52结合来产生电流，带隙缓冲器电路包括比较器54。比较器54将带隙电压VBGZ和存在于包括恒流源52的电路中的电压进行比较，并且输出断开两个晶体管的栅极的电压来产生要输入到放大器56中的差分电压62。接着放大器56输出参考电压58，参考电压58随后被供应给比较器46和48以用于检测过电流状况。

通过变化多个电阻器40的总电阻，可以调整施加到放大器56的差分电压62。另外，因为使用相当电源电压60生成的电流取决于电源电压的改变而变化，差分电压62也改变，这允许参考电压58在操作期间根据实际电源电压动态地/自动地改变。通过检查电路图，CS(电流感测)信号也是参考电压58的函数，并且会随着参考电压58的变化而变化。由于参考电压58是电源电压的改变的函数，电流感测信号现在也是电源电压的改变的函数。例如，可以通过能够在系统30的组装之后在使用测试熔断器修整信号64的初始测试期间编程/设置多个电阻器40的总电阻的值，来计算FET 66、68的实际导通电阻。如在熔断器相关申请中讨论的，基于FET 66、68的实际导通电阻调整系统的参数的能力可以减小参考电压58的可变性，改进电池的保护，以及减轻不安全的操作状况。将此能力与基于电源电压的改变动态地调整参考电压58的能力相结合可以进一步减小参考电压58的可变性并且因此改进系统操作和安全性。

在图4A-C中图示了像图2中图示的电池组系统的实施方式的操作特性的示例。图4A显示出FET的导通电阻仍然如图1和图3A中图示的实施方式中那样同样是电源电压的函数。然而，图4B图示了电流感测信号是电源电压的大体线性的函数。由于线的斜率是负的，当电源电压增大时，电流感测信号(以及电流)降低；当电源电压减小时，电流感测信号(以及电流)上升。可以在图4C中看到这种线性化以及在操作期间相对于电源电压的改变动态地调整参考电压58的能力的影响，图4C示出了过电流信号如何变得相对于电源电压的改变大体上不变。

参照图5，图示了电池组系统70的第三实施方式。如所图示的，由温度变化校正电路84生成系统70的参考电压72。电路84包括放大器74，该放大器74从通过扩散电阻器78耦接到地的恒流源76接收输入电压86。扩散电阻器78的电阻是电阻器78的温度的函数，这是因为电阻器78的阻抗随着温度改变。因此，当扩散电阻器78的温度改变时，到放大器74的输入电压86也改变。可以在Chuang等人于2003年5月在IEEE Transactions on Electron Devices,V.50,No.5,p.1413-1415中发表的题目为“Temperature-dependent Characteristics of Polysilicon and Diffused Resistors”的论文(其公开通过引用整体地并入此处)中找到可以在各种实施方式中使用的扩散电阻器的示例。

由于电阻器78的温度可能非常接近于电池保护IC的温度，以及其中FET 80、82和电池保护IC包括在相同的封装中(正如它们在各种实施方式中那样)，电阻器78的温度也可能非常接近于FET 80、82的温度。由于FET 80、82的导通电阻是它们的温度的函数，因此这是显著的。因此，能够使用扩散电阻器78的温度作为生成参考电压72的参考电压电路84的输入，提供了一个途径来根据一个或者两个FET 80、82的导通电阻的温度依赖性来改变参考电压72。

如所图示的，熔断器的阵列88可以用来像本文前面公开的那样设置可变电阻器90、92的电阻。在这样的实施方式中，可以不使用像在本文中公开的参考电压电路32的使用。在其它实施方式中，可以与温度变化校正电路84结合使用像本文中公开的参考电压电路32。在这样的实施方式中，FET的导通电阻随电源电压和温度两者变化的影响能够动态地被控制并且反映在供应给过电流检测电路的阈值电压中。在其它实施方式中，任何一个电路32、84可以按需独立地用来控制电源电压影响或者温度影响。

参照图6A-C以及7A-C，分别图示了在图1中图示的系统2实施方式的特性以及在图5中图示的系统70的特性。图6A示出了FET 22、24的导通电阻(Rsson)如何根据FET的温度而变化。由于系统70中的FET 80、82是相同的，它们示出了与图7A中图示的相同的温度行为。通过检查，很显然系统2的电流感测信号和FET的温度之间没有相关性。然而(见图7B)，通过使用温度变化校正电路84，电流感测信号随着FET 80、82的温度的改变大体上线性地变化(由于扩散电阻器78接近于FET 80、82，准确地说，变化也是关于扩散电阻器78的温度)。由于图7B中的线的斜率是正的，温度的增大会增大电流感测信号，并且反之亦然。电流检测信号的改变反映了扩散电阻器78中阻抗的改变，随着温度上升，阻抗增大。参考电压72也随着扩散电阻器78的阻抗改变，随着阻抗增大而增大。

使用在此公开的各种参考电压，在此公开的各种过电流检测电路确定对于分别连接到负载或者连接到充电器的电池，是否存在放电过电流状况和/或充电过电流状况。如果检测到两种状况之一或者两者，过电流检测电路被构造来将电池组系统从负载或者充电器断开，以此来阻止对电池和/或负载或者充电器的损坏。

用于电池保护集成电路的过电流检测电路的实施方式可以利用给电池保护集成电路(IC)的过电流检测电路提供参考电压的方法。该方法包括：通过使用存储于熔断器的阵列中的多个状态、设置耦接到与熔断器的阵列耦接的多个开关部件的多个电阻器的总电阻来大体上线性化电池的电流感测信号对电池的电源电压的改变的响应，方法还包括使用总电阻以及电源电压检测器比较器，通过将电源电压的变化转换成电流来生成电流，以及使用电流和带隙缓冲器电路和放大器，生成供过电流检测器电路使用的参考电压。

可以在当电源电压减小时电流增大以及当电源电压增大时电流减小的情况中操作方法实施方式。

该方法可以包括使用过电流检测器电路和参考电压来评估是否存在放电过电流状况和充电过电流状况中的一种，以及响应于检测到放电过电流状况和充电过电流状况中的一种，将电池从负载和充电器之一断开。

该方法还可以包括使用温度变化校正电路来大体上线性化电池的电流感测信号对温度的改变的响应。

该方法还可以包括，其中温度变化校正电路包括耦接到恒流源的扩散电阻器和放大器，以及其中该方法进一步包括随着扩散电阻器的电阻改变而改变从放大器输出的参考电压，其中扩散电阻器的电阻是扩散电阻器的温度的函数。

该方法还可以包括其中参考电压根据扩散电阻器的阻抗随着温度上升而上升。

系统实施方式可以包括，其中仅两个FET和电池保护IC包括在相同的半导体封装中。

系统实施方式可以包括，其中熔断器的阵列的状态被构造为使用在仅两个FET的导通电阻的初始测试期间生成的修整信号来设置。

熔断器的阵列可以包括多晶熔断器。

熔断器的阵列的状态可以被构造来基于仅两个FET的指定导通电阻使用激光修整信号来设置。

过电流检测器电路可以被构造为使用由参考电压电路生成的参考电压和一个或多个总电阻来评估是否存在放电过电流状况和充电过电流状况中的一种，以及响应于检测到放电过电流状况和充电过电流状况中的一种，将仅两个FET从电池断开。

可编程电池保护系统的实施方式可以包括：电池和与电池耦接的包括参考电压电路的电池保护集成电路(IC)，与参考电压电路耦接的可变电阻器电路，以及与过电流检测电路和电池耦接的仅两个场效应晶体管(FET)。参考电压电路和可变电阻器电路可以构造来使得系统的电流感测信号随着系统的电源电压的改变大体上线性地变化。

可编程电池保护系统的实施方式可以包括下面的一个、全部或者任意一个：

参考电压电路和可变电阻器电路可以被构造来使得系统的过电流信号相对于系统的电源电压的改变大体上是不变的。

参考电压电路可以包括操作性耦接在一起的电源电压检测器电路、带隙缓冲器电路以及放大器。

可变电阻器电路可以包括与一组或多组的多个开关部件耦接的熔断器的阵列，开关部件与一组或多组的多个电阻器并联耦接，其中熔断器的阵列的状态可以被构造来断开或者闭合一组或多组的多个开关部件中的对应的开关部件，允许改变由一组或多组的多个电阻器生成的一个或多个总电阻。

过电流检测器电路可以被构造为使用由参考电压电路生成的参考电压来评估是否存在放电过电流状况或者充电过电流状况，以及响应于检测到放电过电流状况或者充电过电流状况，将仅两个FET从电池断开。

仅两个FET和电流保护IC可以包括在相同的半导体封装中。

熔断器的阵列的状态可以被构造为使用在仅两个FET的导通电阻的初始测试期间生成的修整信号来设置。

熔断器的阵列可以包括多晶熔断器。

熔断器的阵列的状态可以构造为基于仅两个FET的指定导通电阻使用激光修整信号来设置。

过电流检测器电路可以构造为使用由参考电压电路生成的参考电压和一个或多个总电阻来评估是否存在放电过电流状况或者充电过电流状况，以及响应于检测到放电过电流状况和充电过电流状况，将仅两个FET从电池断开。

电池保护IC可以进一步包括温度变化校正电路，该温度变化校正电路包括耦接到恒流源的扩散电阻器和放大器。扩散电阻器可以构造为随着根据扩散电阻器的温度的扩散电阻器的电阻改变来改变从放大器输出的参考电压。

温度变化校正电路可以构造来使得系统的电流感测信号随着扩散电阻器的温度的改变大体上线性地变化。

用于电池保护系统的电池保护IC的实施方式可以包括参考电压电路，该参考电压电路包括电源电压检测器电路、带隙缓冲器电路以及放大器，其中参考电压电路可以构造来供应作为电源电压的函数的参考电压。可以包括可变电阻器电路并且可以与参考电压电路耦接。可变电阻器电路可以包括与一组或多组的多个开关部件耦接的熔断器的阵列，开关部件与一组或多组的多个电阻器并联耦接。熔断器的阵列的状态可以构造来断开或闭合一组或多组的多个开关部件中对应的开关部件，允许改变由一组或多组的多个电阻器生成的一个或多个总电阻。过电流检测器电路可以与参考电压电路耦接，并且可以构造为使用由参考电压电路生成的参考电压以及一个或多个总电阻来评估是否存在放电过电流状况或者充电过电流状况，以及响应于检测到放电过电流状况或者充电过电流状况，将电池从负载或者充电器断开。

电池保护IC的实施方式可以包括下面的一个、全部或者任意一个：

可以包括温度变化校正电路，该温度变化校正电路可以包括耦接到恒流源的扩散电阻器以及放大器，其中扩散电阻器可以构造来随着根据扩散电阻器的温度的扩散电阻器的电阻改变而改变从放大器输出的参考电压。

可编程电池保护系统和电池保护IC的实施方式可以利用向电池保护IC的过电流检测电路提供参考电压的方法的实施方式。该方法可以包括：通过使用存储于熔断器的阵列中的多个状态来设置耦接到与熔断器的阵列耦接的多个开关部件的多个电阻器的总电阻，来大体上线性化电池的电流感测信号对电池的电源电压的改变的响应。该方法还可以包括使用总电阻以及电源电压检测器比较器、通过将电源电压的变化转换成电流来生成电流、以及使用电流和带隙缓冲器电路和放大器、生成供过电流检测器电路使用的参考电压。

提供参考电压的方法的实施方式可以包括下面的一个、全部或任意一个:

当电源电压减小时电流会增大，以及当电源电压增大时电流会减小。

该方法可以进一步包括使用过电流检测器电路和参考电压来评估是否存在放电过电流状况和充电过电流状况，以及响应于检测到放电过电流状况或者充电过电流状况，将电池从负载或者充电器断开。

该方法可以进一步包括使用温度变化校正电路来大体上线性化电池的电流感测信号对温度的改变的响应。

该方法可以进一步包括，温度变化校正电路可以包括耦接到恒流源的扩散电阻器和放大器。该方法还可以包括随着扩散电阻器的电阻改变来改变从放大器输出的参考电压，其中扩散电阻器的电阻是扩散电阻器的温度的函数。

参考电压可以根据扩散电阻器的阻抗随着温度上升而上升。

在以上的描述提及电池保护系统和实现部件、子部件、方法和子方法的特定实施方式的情况中，应当容易明白，可以作出多种修改而不脱离其精神，并且这些实施方式、实现部件、子部件、方法和子方法可以适用于其它电池保护系统。