一种低功耗升压电路系统及电池保护芯片的制作方法

1.本发明涉及芯片技术领域，具体为一种低功耗升压电路系统及电池保护芯片。


背景技术：

2.近年来，由于锂离子电池具有体积小、能量密度高、无记忆效应、循环寿命高、高电压电池和自放电率低等诸多优点，数字相机、pda、手机等越来越多的电子产品采用锂电池作为主要电源。
3.然而，由于锂电池的化学特性，在正常使用过程中，其内部进行电能与化学能相互转化的化学正反应，但在某些条件下，如对其过充电、过放电和过电流将会导致电池内部发生化学副反应，该副反应加剧后，会严重影响电池的性能与使用寿命，并可能产生大量气体，使电池内部压力迅速增大后爆炸而导致安全问题，因此所有的锂电池都需要一个保护芯片用于对电池的充、放电状态进行有效监测，并在某些条件下关断充、放电回路以防止对电池发生损害，目前现有的锂电池保护芯片存在着无法提高锂电池充电或放电的效率的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种低功耗升压电路系统及电池保护芯片，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种低功耗升压电路系统，包括：
6.多级电荷泵升压模块，用于为mosfet管提供高电压；
7.振荡器模块，用于产生振荡信号，为所述多级电荷泵升压模块提供振荡源；
8.基准电压模块，用于实现与温度无关的电压基准；
9.偏置电流模块，用于实现与电源无关的稳定的电流，供低功耗电压采样模块使用；
10.所述低功耗电压采样模块，采集所述多级电荷泵升压模块输出的高电压信号；
11.比较器模块，用于比较所述基准电压模块与低功耗电压采样模块采集的电压，产生或恢复事件信号；
12.逻辑处理模块，处理所述比较器模块产生的事件信号，开始或关闭所述多级电荷泵升压模块。
13.优选的，所述多级电荷泵升压模块的工作原理为：
14.用一个开关网络给两个或两个以上的电容器供电或断电来进行dc/dc电压转换，其中，电容器包括充电电容器和放电电容器，充电电容器传输电荷，而放电电容器则储存电荷并过滤输出电压。
15.优选的，所述低功耗电压采样模块通过多级电荷泵升压模块输出的高电压控制mosfet管的v
gs
端，同时采集所述mosfet管的v
ds
端的电压来获取所述多级电荷泵升压模块的输出电压。
16.优选的，所述mosfet管减小内阻原理为：
17.i
d
＝μc
ox
w/l[(v
gs
‑
v
th
)v
ds
‑
1/2v
ds2
]；
[0018]
其中,i
d
为所述mosfet管的漏极电流；
[0019]
μ：载流子迁移率；
[0020]
c
ox
：mosfet管单位面积的栅电容；
[0021]
w/l：mosfet管的长宽比；
[0022]
v
gs
:mosfet管栅源电压；
[0023]
v
th
：mosfet管阈值电压；
[0024]
由于锂电保护系统中mosfet管工作在可变电阻区,当v
ds
<<2(v
gs
–
v
th
)；
[0025]
i
d
≈μc
ox
w/l(v
gs
‑
v
th
)v
ds
[0026]
mosfet管内阻r
on
为：
[0027]
r
on
≈1/μc
ox
w/l(v
gs
‑
v
th
)
[0028]
r
on
随着v
gs
增大而减小。
[0029]
优选的，通过所述多级电荷泵升压模块输出的高电压控制mosfet管的v
gs
端，同时采集所述v
ds
端的电压来获取所述多级电荷泵升压模块的输出电压，来实现低功耗，其中，
[0030]
i
d
＝μc
ox
w/l[(v
gs
‑
v
th
)v
ds
‑
1/2v
ds2
]
[0031]
其中i
d
为mosfet管漏极电流；
[0032]
μ：载流子迁移率；
[0033]
c
ox
：mosfet管单位面积的栅电容；
[0034]
w/l：mosfet管长宽比；
[0035]
v
gs
:mosfet管栅源电压；
[0036]
v
th
：mosfet管阈值电压；
[0037]
由于所述低功耗电压采样模块中mosfet管工作在可变电阻区；
[0038]
式中μ、c
ox
、w/l在mosfet管设计完成后为常数值；
[0039]
当mosfet管i
d
、v
th
恒定时，可变电阻区mosfet管内阻r
on
随v
gs
增大而减小，v
ds
也随着v
gs
增大而变小。
[0040]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0041]
本发明，通过低功耗电压采样模块产生高电压信号，用于控制锂电池保护系统中的mosfet管，通过提高控制mosfet栅源电压(v
gs
)，降低mosfet管的内阻r
on
(r
ds
)，从而提高锂电池充电或放电的效率。
附图说明
[0042]
图1为本发明实施例1提供的原理框图；
[0043]
图2为本发明实施例2提供的原理框图；
[0044]
图3为本发明实施例提供的低功耗升压电路图；
[0045]
图4为本发明实施例提供的多级电荷泵升压模块原理图；
[0046]
图5为本发明实施例提供的低功耗电压采样模块原理图；
[0047]
图6为本发明实施例提供的r
on
随v
gs
变化曲线。
具体实施方式
[0048]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0049]
实施例1
[0050]
在对本实施例的技术方案介绍之前，先对本技术提到的电池保护芯片进行简单介绍；
[0051]
电池保护芯片包括充电mosfet管和放电mosfet管，锂电池保护芯片通过co管脚控制充电mosfet管，锂电池保护芯片通过do管脚控制放电mosfet管。
[0052]
请参阅图1、3、4、5和6，本发明提供一种技术方案：一种低功耗升压电路系统，包括：
[0053]
多级电荷泵升压模块，用于为mosfet管提供高电压；
[0054]
在本实施例中，电荷泵是通过利用一个开关网络给两个或两个以上的电容供电或断电来进行dc/dc电压转换。基本电荷泵开关网络不断在给电容器供电和断电这两个状态之间切换。其中充电电容器传输电荷，而放电电容器则储存电荷并过滤输出电压。
[0055]
振荡器模块，用于产生振荡信号，为多级电荷泵升压模块提供振荡源；
[0056]
基准电压模块，用于实现与温度无关的电压基准；
[0057]
在本实施例中，采用bandgap voltage reference(带隙基准电压)方式，使用具有正温度系数的电压与具有负温度系数的电压之和，使温度系数相互抵消，实现与温度无关的电压基准。
[0058]
偏置电流模块，用于实现与电源无关的稳定的电流，供低功耗电压采样模块使用；
[0059]
低功耗电压采样模块，采集多级电荷泵升压模块输出的高电压信号；
[0060]
比较器模块，用于比较基准电压模块与低功耗电压采样模块采集的电压，产生或恢复事件信号；
[0061]
逻辑处理模块，处理比较器模块产生的事件信号，开始或关闭多级电荷泵升压模块。
[0062]
具体的，多级电荷泵升压模块是通过利用一个开关网络给两个或两个以上的电容器供电或断电来进行dc/dc电压转换，基本电荷泵开关网络不断在给电容器供电和断电这两个状态之间切换。电容器包括充电电容器和放电电容器，其中充电电容器传输电荷，而放电电容器则储存电荷并过滤输出电压。
[0063]
具体的，低功耗电压采样模块通过多级电荷泵升压模块输出的高电压控制mosfet管的v
gs
端，同时采集mosfet管的v
ds
端的电压来获取多级电荷泵升压模块的输出电压。
[0064]
具体的，mosfet管减小内阻原理为：
[0065]
i
d
＝μc
ox
w/l[(v
gs
‑
v
th
)v
ds
‑
1/2v
ds2
]；
[0066]
其中,i
d
为mosfet管的漏极电流；
[0067]
μ：载流子迁移率；
[0068]
c
ox
：mosfet管单位面积的栅电容；
[0069]
w/l：mosfet管的长宽比；
[0070]
v
gs
:mosfet管栅源电压；
[0071]
v
th
：mosfet管阈值电压；
[0072]
由于锂电保护系统中mosfet管工作在可变电阻区,当v
ds
<<2(v
gs
–
v
th
)；
[0073]
i
d
≈μc
ox
w/l(v
gs
‑
v
th
)v
ds
[0074]
mosfet管内阻r
on
为：
[0075]
r
on
≈1/μc
ox
w/l(v
gs
‑
v
th
)
[0076]
r
on
随着v
gs
增大而减小。
[0077]
具体的，通过多级电荷泵升压模块输出的高电压控制mosfet管的v
gs
端，同时采集v
ds
端的电压来获取多级电荷泵升压模块的输出电压，来实现低功耗，其中，
[0078]
i
d
＝μc
ox
w/l[(v
gs
‑
v
th
)v
ds
‑
1/2v
ds2
]
[0079]
其中i
d
为mosfet管漏极电流；
[0080]
μ：载流子迁移率；
[0081]
c
ox
：mosfet管单位面积的栅电容；
[0082]
w/l：mosfet管长宽比；
[0083]
v
gs
:mosfet管栅源电压；
[0084]
v
th
：mosfet管阈值电压；
[0085]
由于低功耗电压采样模块中mosfet管工作在可变电阻区；
[0086]
式中μ、c
ox
、w/l在mosfet管设计完成后为常数值；
[0087]
当mosfet管i
d
、v
th
恒定时，可变电阻区mosfet管内阻r
on
随v
gs
增大而减小，v
ds
也随着v
gs
增大而变小。
[0088]
工作原理：多级电荷泵升压模块输出电压信号小于系统最低阈值；
[0089]
低功耗电压采样模块获取当前低阈值电压信号(vpl)；
[0090]
低阈值电压信号(vpl)与bandgap基准电压信号通过比较器产生vpl事件；
[0091]
逻辑处理模块控制多级电荷泵升压模块开始工作，提高输出电压信号；
[0092]
低功耗电压采样模块获取当前高阈值电压信号(vph)；
[0093]
高阈值电压信号(vph)与bandgap基准电压信号通过比较器产生vph事件；
[0094]
逻辑处理模块控制多级电荷泵升压模块停止工作。
[0095]
实施例2
[0096]
请参阅图2，本实施例和实施例1的区别在于电池保护芯片包括充放电mosfet管，锂电池保护芯片通过cdo管脚控制充放电mosfet管。
[0097]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。