一种高压锂电池充电防止热插拔的控制电路的制作方法

1.本发明属于集成电路设计技术领域，涉及一种高压锂电池充电防止热插拔的控制电路。


背景技术：

2.为了避免芯片在锂电池接近充满时进行热插拔操作损坏芯片，高压锂电池充电在进行热插拔工作时需进行保护动作，即高压锂电池充电防止热插拔的控制电路应用越来越广泛。
3.请参阅图1，图1所示为现有技术中高压锂电池充电防止热插拔的控制电路的示意图。如图1所示，该电路通常可以包括电荷泵电路、钳位电路、高压管mhv1和ldo模块等。
4.电荷泵电路可以包括一振荡器模块、电容c1、电容c2、电荷泵开关管m1、电荷泵开关管m2、电荷泵开关管m3和电荷泵开关管m4；振荡器模块产生clk信号和clkn信号，其中，clkn信号是clk信号的反相信号；当clk信号为高电平时，clkn信号为低电平；电荷泵开关管m1导通，电荷泵开关管m2关闭；电荷泵开关管m3关闭，电荷泵开关管m4导通，2*vdd的电压通过电荷泵开关管m4传递给v1；当clk信号为低电平时，clkn信号为高电平；电荷泵开关管m2导通，电荷泵开关管m1关闭；电荷泵开关管m4关闭，电荷泵开关管m3导通，2*vdd的电压通过电荷泵开关管m3传递给v1；这样，v1能够维持2倍的vdd电压。
5.钳位电路：由于v1＝2*vdd的电压可能超过高压器件mhv1的漏极g端耐压值，需要一钳位电路，该钳位电路可以是如图1中所示的几个齐纳二极管串联产生；也可以是如图2中所示的将晶体管的栅极gate和源极drain端进行连接，将几个串联起来产生；或者是齐纳二极管和普通mos晶体管栅极gate和源极drain端进行连接串联连接产生。
6.高压晶体管mhv1：vin为低电压时，高压晶体管导通，v2＝vin；vin为比较高的电压时，该器件作为挡压管，保护下面的低压电路。
7.ldo模块：将v2电压转化为正常的充电电压vbat，控制电池正常充电；其中ldo模块是低压器件组成的电路。
8.上述现有技术存在如下缺点：
9.正常应用时，vin是由一个相对较低的电压va进行供电；为了保证高压管在供电过程中不产生大量的功耗，一般高压晶体管mhv1的g端(漏极)电压要高于vin电压，使得其工作在深度线性区域，保证其充分导通；然而，当充电接近完成的时候，vin端电源会有热插拔动作，该动作会导致vin电压瞬时产生一个较高电压的尖峰脉冲。
10.由于此时高压晶体管mhv1工作在深度线性区域，v2电压也会随之产生一个尖峰脉冲(如图3所示)；其最高电压可能达到v1-vgs的电压值，由于ldo模块是由低电压器件组成的电路，该最高电压达到v1-vgs的脉冲电压依然会造成内部ldo模块低电压器件的损伤。


技术实现要素：

11.为解决的上述技术问题，本发明提出一种高压锂电池充电防止热插拔的控制电
路，可解决高压锂电池充电在充电接近充满的时候进行热插拔动作时芯片异常损坏问题。
12.为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
13.一种高压锂电池充电防止热插拔的控制电路，其包括：
14.电荷泵模块，用于将电源电压vdd转换为高压电源v1；
15.钳位模块，其包括依次串接在所述高压电源v1和接地端之间的第一钳位单元和第二钳位单元，用于将所述高压电源v1限制在一个固定的电压；
16.控制开关mlc1，其源极接所述第一钳位单元和第二钳位单元的连接点，漏极接地；
17.高压管mhv1，其源极接电源vin，漏极接电源v2，栅极接所述高压电源v1；
18.ldo模块，将电源v2电压转化为充电电压vbat，控制电池正常充电；
19.电池充满检测电路，用于检测所述电池的充电状态；其中，
20.当所述电池处于充电状态时，高压晶体管mhv1导通，v2＝vin；当电池处于充满状态时，所述电池充满检测电路输出一高电平信号给所述控制开关mlc1，所述控制开关mlc1开启，所述控制开关mlc1短接第二钳位单元以降低所述高压电源v1的电压，以保护所述ldo模块。
21.进一步地，所述电池充满检测模块包括低压晶体管mlv1、第一比较器、电阻r3与所述低压晶体管mlv1镜像的低压晶体管mlv2，用于镜像其低压晶体管mlv1的电流，即通过所述低压晶体管mlv2的电流为imv2＝k*imv1；所述低压晶体管mlv2与所述低压晶体管mlv1的栅极连接，所述低压晶体管mlv2的源极接所述电源v2，所述电阻r3接在所述低压晶体管mlv2的漏极和所述比较器的正输入端与接地端之间，所述比较器的负输入端接参考电压vref1；
22.当imv2*r3《vref1时，所述电池达到所述第一电压阈值，所述比较器输出一高电平信号给所述控制开关mlc1，所述控制开关mlc1开启，所述控制开关mlc1短接第二钳位单元以降低所述高压电源v1的电压。
23.进一步地，所述电荷泵模块包括振荡器模块、电容c1、电容c2、电荷泵开关管m1、电荷泵开关管m2、电荷泵开关管m3和电荷泵开关管m4；振荡器模块产生clk信号和clkn信号，其中，clkn信号是clk信号的反相信号；当clk信号为高电平时，clkn信号为低电平；电荷泵开关管m1导通，电荷泵开关管m2关闭；电荷泵开关管m3关闭，电荷泵开关管m4导通，2*vdd的电压通过电荷泵开关管m4传递给v1；当clk信号为低电平时，clkn信号为高电平；电荷泵开关管m2导通，电荷泵开关管m1关闭；电荷泵开关管m4关闭，电荷泵开关管m3导通，2*vdd的电压通过电荷泵开关管m3传递给v1；即电压v1维持2倍的vdd电压。
24.进一步地，所述第一钳位单元为齐纳二极管，所述第二钳位单元为mos晶体管串联；或者，所述第二钳位单元为齐纳二极管，所述第一钳位单元为mos晶体管串联。
25.进一步地，所述第一钳位单元和/或第二钳位单元为串接的n个晶体管，所述n个晶体管的栅极和漏极进行连接。
26.进一步地，所述的高压锂电池充电防止热插拔的控制电路，其特征在于，还包括控制开关mlc2和vin过压检测模块：当电源vin高于第二电压阈值时，所述过压检测电路产生一过压信号，触发控制开关mlc2，使得所述高压电源v1的电压短接到接地端，以关断所述高压晶体管mhv1。
27.进一步地，所述vin过压检测模块包括低压晶体管mlv2、第二比较器、电阻r4与电
阻r5，所述比较器的负输入端接参考电压vref1；所述电阻r4与电阻r5串接在电源vin与接地端之间，所述比较器的正输入端接所述电阻r4与电阻r5的连接点。
28.从上述技术方案可以看出，本发明中的高压锂电池充电防止热插拔的控制电路，其通过增加了内部高压充电器件的控制电路，避免了现有技术在电池充满时通过控制高压晶体管的g端钳位电压的值来达避免热插拔造成的过压脉冲对芯片内部低电压器件的损伤，不仅达到了提高芯片寿命，还实现了降低芯片成本的效果。
附图说明
29.图1所示为现有技术中高压锂电池充电防止热插拔的控制电路示意图
30.图2为途1所示控制电路在热插拔时vin的尖峰电压的示意图
31.图3所示为本发明高压锂电池充电防止热插拔的控制电路一较佳实施例的示意图
32.图4所示为本发明实施例中高压锂电池充电防止热插拔的控制电路中钳位电路的示意图
33.图5为本发明图4所示控制电路在热插拔时vin的尖峰电压的示意图
34.图6所示为本发明实施例中另一高压锂电池充电防止热插拔的控制电路示意图
35.图7为本发明图6所示实施例中热插拔时vin的尖峰电压的示意图
具体实施方式
36.下面结合附图3-7，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
37.需要说明的是，本发明与现有技术最大不同点为：在本发明的高压锂电池充电防止热插拔的控制电路中，增加了电池充满检测模块，当电池接近充满时，电池充满检测模块通过控制开关mlc1降低充电电源的电压v1；进一步地，还可以增加vin过压检测模块，当vin电压高于一定电压时，过压检测电路产生一过压信号，通过控制开关mlc2，使得v1的电压短接到接地端gnd。
38.请参阅图3，图3所示为本发明高压锂电池充电防止热插拔的控制电路一较佳实施例的示意图。如图3所示，该高压锂电池充电防止热插拔的控制电路，包括用于将电源电压vdd转换为高压电源v1的电荷泵模块、钳位模块、控制开关mlc1、高压管mhv1、ldo模块和电池充满检测电路。
39.在本发明的实施例中，现有技术中的电荷泵模块均可以使用。例如，如图3所示，电荷泵模块可以包括振荡器模块、电容c1、电容c2、电荷泵开关管m1、电荷泵开关管m2、电荷泵开关管m3和电荷泵开关管m4；振荡器模块产生clk信号和clkn信号，其中，clkn信号是clk信号的反相信号；当clk信号为高电平时，clkn信号为低电平；电荷泵开关管m1导通，电荷泵开关管m2关闭；电荷泵开关管m3关闭，电荷泵开关管m4导通，2*vdd的电压通过电荷泵开关管m4传递给v1；当clk信号为低电平时，clkn信号为高电平；电荷泵开关管m2导通，电荷泵开关管m1关闭；电荷泵开关管m4关闭，电荷泵开关管m3导通，2*vdd的电压通过电荷泵开关管m3传递给v1；这样，v1能够维持2倍的vdd电压。
40.钳位模块用于将所述高压电源v1限制在一个固定的电压。其可以包括依次串接在所述高压电源v1和接地端之间的第一钳位单元和第二钳位单元，控制开关mlc1的源极接所述第一钳位单元和第二钳位单元的连接点，漏极接地。
41.需要说明的是，所述第一钳位单元和第二钳位单元可以系统也可以不同。请参阅图4，图4所示为本发明实施例中高压锂电池充电防止热插拔的控制电路中钳位电路的示意图。所述第一钳位单元和/或第二钳位单元可以为齐纳二极管。另外，该钳位模块也可以是如图4中所示的将晶体管的栅极gate和源极drain端进行连接，将几个串联起来产生；或者是齐纳二极管和普通mos晶体管栅极gate和源极drain端进行连接串联产生。
42.控制开关mlc1的源极接所述第一钳位单元和第二钳位单元的连接点，漏极接地，高压管mhv1，其源极接电源vin，漏极接电源v2，栅极接所述高压电源v1；ldo模块，将电源v2电压转化为充电电压vbat，控制电池正常充电；电池充满检测电路用于检测所述电池的充电状态。
43.其中，当所述电池处于充电状态时，电源vin为低压时，所述高压晶体管mhv1导通，v2＝vin；当电池处于充满状态时，所述电池充满检测电路输出一高电平信号给所述控制开关mlc1，所述控制开关mlc1开启，所述控制开关mlc1短接第二钳位单元以降低所述高压电源v1的电压，以保护所述ldo模块。
44.具体地，所述电池充满检测模块包括低压晶体管mlv1、比较器、电阻r3与所述低压晶体管mlv1镜像的低压晶体管mlv2，用于镜像其低压晶体管mlv1的电流，即通过所述低压晶体管mlv2的电流为imv2＝k*imv1；所述低压晶体管mlv2与所述低压晶体管mlv1的栅极连接，所述低压晶体管mlv2的源极接所述电源v2，所述电阻r3接在所述低压晶体管mlv2的漏极和所述比较器的正输入端与接地端之间，所述比较器的负输入端接参考电压vref1。
45.当imv2*r3《vref1时，所述电池达到所述第一电压阈值，所述比较器输出一高电平信号给所述控制开关mlc1，所述控制开关mlc1开启，所述控制开关mlc1短接第二钳位单元以降低所述高压电源v1的电压。
46.请参阅图5，图5为本发明图4所示控制电路在热插拔时vin的尖峰电压的示意图。在本发明实施例中，通过新增加的电池充满检测电路，在正常充电应用时，为了保证高压管mhv1在供电过程中不产生大量的功耗，一般高压管mhv1的g端(栅极gate)电压要高于vin电压，使得其工作在深度线性区域，保证其充分导通；然而，当充电接近完成的时候，其高压管mhv1的g端电压v1经过短路钳位单元的方式大大降低了。
47.由于此时v1电压大大降低了，高压管mhv1可以工作在线性区域或者饱和区域，虽然v2电压也会随之产生一个尖峰脉冲，其最高电压可能达到v1-vgs的电压值，但由于v1电压已经大大降低了。因此，本发明的该实施例可以保证ldo模块中低电压器件的耐压需求，不会造成热插拔过程中对芯片的损伤。
48.请参阅图6，图6所示为本发明实施例中另一高压锂电池充电防止热插拔的控制电路示意图。如图6所示，在该实施例中，该高压锂电池充电防止热插拔的控制电路，除包括用于将电源电压vdd转换为高压电源v1的电荷泵模块、钳位模块、控制开关mlc1、高压管mhv1、ldo模块和电池充满检测电路等外，还包括控制开关mlc2和vin过压检测模块；当电源vin高于第二电压阈值时，所述过压检测电路产生一过压信号，触发控制开关mlc2，使得所述高压电源v1的电压短接到接地端，以关断所述高压晶体管mhv1。
49.同样，电池充满检测电路用于检测所述电池的充电状态；其中，当所述电池处于充电状态时，所述高压晶体管mhv1导通，v2＝vin；所述电池充满检测电路输出一高电平信号给所述控制开关mlc1，所述控制开关mlc1开启，所述控制开关mlc1短接第二钳位单元以降
低所述高压电源v1的电压，以保护所述ldo模块。
50.具体地，在本发明的实施例中，所述vin过压检测模块包括低压晶体管mlv2、第二比较器、电阻r4与电阻r5，所述比较器的负输入端接参考电压vref1；所述电阻r4与电阻r5串接在电源vin与接地端之间，所述比较器的正输入端接所述电阻r4与电阻r5的连接点。
51.请参阅图7，图7为本发明图6所示实施例中热插拔时vin的尖峰电压的示意图。如图7所示，在正常充电应用时，为了保证高压管在供电过程中不产生大量的功耗，一般高压晶体管mhv1的g端(栅极gate)电压要高于vin电压，使得其工作在深度线性区域，保证其充分导通；然而当充电接近完成的时候，其g端(栅极gate)电压v1经过第二钳位单元的方式大大降低了。
52.也就是说，如果这时vin端电源会有热插拔动作，该动作会导致vin电压瞬时产生一个较高电压的尖峰脉冲。由于此时v1电压大大降低了，高压晶体管mhv1可以工作在线性区域或者饱和区域，虽然v2电压也会随之产生一个尖峰脉冲，其最高电压可能达到v1-vgs的电压值，但由于v1电压已经大大降低了。这样保证ldo模块中低电压器件的耐压需求，不会造成热插拔过程中对芯片的损伤。
53.此外，为了进一步保护芯片受到电源vin电压过充脉冲电压的影响，通过本实施例中增加了一vin过压检测模块，当vin过压检测模块在热插拔过程中高于一定电压的时候，可以通过mlc2管直接关掉高压晶体管mhv1，以进一步保护内部电路(ldo模块)。
54.以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。