专利名称：电源监控集成电路及电池组的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于监控锂离子电池等的电压的电源监控集成电路器件(以下称为“电源监控IC”)以及含有这种电源监控IC的电池组。
电源监控IC监控例如锂离子电池等电池的电压，并进行必要的控制操作，以避免电池进入过充电或过放电状态。例如，当电池电压高于过充电电压时，电源监控IC输出控制信号，关断与电池串联连接的开关器件，禁止电池继续充电。例如对于锂离子电池来说，过充电电压为4.2伏。
然而，当电池充电到接近过充电电压时，由于噪声等的存在，电池的电压(即被检测电压)可能会暂时超过过充电电压。在这种情况下如果电源监控IC对其响应立即输出控制信号，就会产生错误的检测结果。这将使电池不可能充满到尽可能接近过充电电压，因此使电池的使用时间比其应该使用的时间缩短。由于这个原因，如图3所示，在电源监控IC中提供禁止响应间隔设置电路，用来设置对噪声不响应的禁止响应间隔(即不输出对应噪声的控制信号的时间间隔)。这样，只有被检测电压高于过充电电压维持的时间长度大于禁止响应间隔时，电源控制IC才输出控制信号。这样，防止了产生错误的检测。
在图3中，输出电流I1的恒流源1通过开关器件2连接到晶体管3c的基极。当电池的电压超过过充电电压时，高电平信号S1加到开关器件2。当这个信号S1加到开关器件2时，开关器件2关断。用开关晶体管等作为开关器件2。晶体管3c的发射极连接到地，集电极连接到恒流源4。
在晶体管3c的集电极和地之间，连接着用于设置禁止响应间隔的电容器5。为了检测电容器5两端的电压，比较器6的同相输入端(+)连接到晶体管3c的集电极，比地电平高出禁止响应间隔设置电压Vref的电压送到比较器6的反相输入端(-)。
根据这个电路结构，当电池的电压高于过放电电压时，送入信号S1。使开关器件2关断，因此晶体管3c关断。恒流源4流出的电流I2送到电容器5，对其进行充电。这使电容器5两端的电压线性增加。比较器6把电压Vc与预定的禁止响应间隔设置电压Vref相比较，如果电压Vc高于Vref则输出高电平，如果电压Vc低于Vref则输出低电平。
现在，考虑由于噪声使得产生信号S1的情况。这时，开关器件2关断，因此晶体管3c也关断。结果，电容器5开始充电。然而，由于噪声通常持续的时间很短(即宽度窄)，因此信号S1立即消失，使开关器件2和晶体管3c接通。这样电容器5两端的电压Vc不会高于电压Vref。图4中说明了这种情况。图4中，VH代表过充电电压，Vi代表输入电压(在这种情况下，为电池电压和噪声的合成电压)。当晶体管3c接通时，流过集电极电流β*I1(其中β表示晶体管3c的电流放大系数)，因此电容器5放电。这样即使由于噪声等的存在使被检测电压暂时超过过充电电压，比较器6也不输出信号S2。
相反，如图5所示，当被检测电压高于充电电压持续的时间长度比间隔T1长时，信号S1使开关器件2关断及使晶体管3c导通足够长的时间，使得电容器5两端的电压上升。当电压Vc高于电压Vref时，电源监控IC输出控制信号S2。禁止响应间隔T1由下式给出T1＝C*(Vref-Vsat)/I2≈C*Vref/I2(其中C表示电容器5的电容值，Vsat表示当电容器5充电时晶体管3c集电极-发射极之间的电压，Vsat≈0)然而，在这种常规电源监控IC中，如图6(图6是图4中所示波形图的放大)所示，电容器放电需要间隔T2，而该间隔T2很难减少到充电间隔T1的百分之几到千分之几这么短。因此在具有高频时钟的设备中，例如手持电话，由于连续不断的高频噪声，输入电压Vi的波形可能如图7所示。在这种情况下，电容器5在放电完毕之前开始充电，因此电压Vc逐渐上升，直到在时间t1达到电压Vref。结果比较器6输出高电平信号S2。这样高频噪声会造成误操作。
为了防止这种误操作，必须如图8所示，最大化电容器5的放电速度，由此使时间周期T2最小(参看图6)。然而，在如上所述的常规电源监控IC中，是通过晶体管3c的集电极电流β*I1放电的，因此为了提高放电速度，必须使电流I1增加。这增加了电源监控IC的电流消耗。由于电源监控IC利用电池馈送的电流进行监控，因此其电流消耗的增加是不期望的。
此外，电压Vsat依赖于温度，因此所使用的电路元件中与制造有关的特性和与温度有关的特性的偏离会导致禁止响应间隔的设置不准确。
本发明的目的是提供一种电源监控IC，使用于设置禁止响应间隔的电容器以更高的速度放电，而不使IC电路的电流消耗大量增加，并且不使禁止响应间隔过度偏离，以及提供使用这种电源监控IC的电池组。
本发明的另一个目的是提供一种不会由于连续高频噪声而误操作的电源监控IC，以及使用这种电源监控IC的电池组。
为了达到上述目的，根据本发明的一个方面，在电源监控集成电路器件中具有用于输出指示电池的电压是否高于预定值的第一信号的电路，具有电容器，具有用于给电容器提供充电电流的第一电流源、用于形成电容器放电通路的晶体管、用于根据第一信号控制电容器充电和放电的装置，以及具有把电容器两端的电压与预定的禁止响应间隔设置电压相比较的比较装置，因此当电容器两端的电压高于禁止响应间隔设置电压时，输出禁止电池工作的第二信号，并利用二极管的正向电压给禁止响应间隔设置电压加入偏移量。
根据这种电路结构，电源监控IC监控电池，例如当电池电压高于预定的过充电电压时，关断晶体管以利用第一电流源对电容器充电。这使电容器两端的电压逐渐上升，同时通过比较装置将电容器两端的电压与禁止响应间隔设置电压相比较。在禁止响应间隔终了时，电容器两端的电压高于禁止响应间隔设置电压，因此比较装置输出禁止信号。电源监控IC响应禁止信号，关断例如与电池串联连接的开关器件，由此禁止电池充电的使用。
如果由于噪声等使电池电压暂时高于过充电电压，则电容器通过晶体管放电。这样即使电池的电压高于过充电电压一段比禁止响应间隔时间短的时间，比较装置也不输出禁止信号。此外，由于通过二极管给禁止响应间隔设置电压加入了偏移量，因此可能抵销了放电晶体管的温度特性，因此减小了禁止响应间隔的偏离。
根据本发明的另一个方面，电源监控集成电路器件中具有用于输出指示电池的电压是否高于预定值的第一信号的电路、电容器、用于给电容器提供充电电流的第一电流源、用于形成电容器的放电通路的晶体管、用于根据第一信号控制电容器充电和放电的装置、以及用以将电容器两端的电压与预定的禁止响应间隔设置电压相比较的比较装置，当电容器两端的电压高于禁止响应间隔设置电压时输出禁止电池工作的第二信号，形成放电通路的晶体管是达林顿连接的晶体管，在其输入端接收第一信号。
根据这种电路结构，电容器的放电速度可能更高。此外在放电速度提高的同时，可以减少晶体管的基极电流，因此减少了电源监控IC的电流消耗。
图1是根据本发明用于电源监控IC中的禁止响应间隔设置电路的电路图。
图2是包含图1所示禁止响应间隔设置电路的电池组的电路图。
图3是用于常规电源监控IC中的禁止响应间隔设置电路的电路图。
图4是用于说明当接收到的电池电压包括噪声时图3所示的电路工作的波形图。
图5用于说明当电池电压高于过充电电压持续的时间超过禁止响应间隔时的工作波形图。
图6是图4的放大波形图。
图7的波形图用于说明由于连续的高频噪声产生错误检测的一个例子。
图8的波形图用于说明如果以更高的速度放电如何防止产生错误检测。
图1表示本发明的一种实施方式。图1是这种实施方式的电源监控IC中所用的禁止响应间隔设置电路的电路图。注意在图1中，与图3中相同的元件的标号和符号相同，不再重复陈述。
晶体管3a与另一个晶体管3b形成NPN型晶体管3a和3b的达林顿连接对，恒流源1通过开关器件2连接到晶体管3a的基极。开关器件2用例如开关晶体管来实现。晶体管3b的发射极连接到地。晶体管3a和3b的集电极连接到恒流源4。在晶体管3a与3b的集电板与地之间连接用于设置禁止响应间隔的电容器5。
为了监控电容器5两端的电压Vc，比较器6的同相输入端(+)连接到晶体管3a和3b的集电极。恒流源8的电流I3流过电阻R1，在R1上形成电压降，由此得到禁止响应间隔设置电压Vref，送到比较器6的反相输入端(-)。连接成二极管的晶体管7与电阻R1串连。晶体管7的发射极连接到地，基极和集电极连接到电阻R1。
下面描述图1中所示的电源监控IC是如何工作的。恒流源1输出电流I1。当电池的电压高于过充电电压时，出现信号S1。开关器件2响应信号S1而关断。信号S1不存在时，开关器件2接通，放电电流β2*I1通过达林顿连接的晶体管3a和3b从电容器5流出。这里β是晶体管3a和3b的电流放大系数。
与前面描述的常规电路(图3)相比，在图3中晶体管3c的集电极电流是β*I1，在本实施方式中相应的电流是β2*I1，这大大提高了放电速度。因此在如图8所示存在连续高频噪声的情况下，电容器5也不会积累电荷，因此避免了错误检测造成的误操作。此外，放电速度的提高使电流I1降低，因而减少了电源监控IC的电流消耗。
此外，在本实施方式中，由晶体管7形成的二极管正向电压作为偏移电压ΔVf2加到禁止响应间隔设置电压Vref上。这里ΔVf2≈ΔVf1+Vsat，其中ΔVf1表示当电容器5放电时晶体管3a的基极——发射极电压，Vsat表示当电容器5放电时晶体管3b的集电极——发射极电压。因此由电容器5设定的禁止响应间隔T1由下式给出T1＝C*[(Vref+ΔVf2)-(ΔVf1+Vsat)]/I2≈C*Vref/I2(这里，C表示电容器5的电容值)
这样，由于ΔVf2≈ΔVf1+Vsat，偏移被取消了，因此这种实施方式中的禁止响应间隔设定为与前面所述常规电源监控IC(图3)中相同的值T1≈C*Vref/I2。此外，晶体管7和3b与制造有关的特性偏离和与温度有关的特性偏离相互抵销，因此使禁止响应间隔的偏离减小。禁止响应间隔可以设定为从几十毫秒到几秒之间的任何值。
下面参考图2，描述锂离子电源装置11(在本说明书中称为“电池组”)，该电源装置11具有包含上述禁止响应间隔设置电路(参看图1)的电源监控IC10。图2是该电池组11的电路图。当锂离子电池15进入过充电状态时，会产生烧坏等危险。因此，电源监控IC10监控电池15的电压以阻止其进入过充电状态。
电池15的高电位端连接到电源监控IC10的T1端，并连接到P沟MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)12的源端。MOSFET12的漏端连接到电池组11的正极13。MOSFET12的栅连接到电源监控IC10的T3端，这样电源监控IC10使MOSFET12接通和关断。这里的MOSFET12用作开关器件。电池15的低电位端连接到电源监控IC10的T2端，并连接到电池组11的负极14。
在电源监控IC10中，电阻R2和R3串联连接到T1和T2端。电阻R2和R3之间的节点连接到比较器19的同相输入端(+)。比地电平高出电压Va的电压送到比较器19的反相输入端(-)。比较器19的输出连接到晶体管20的基极。晶体管20的发射极连接到地，集电极连接到恒流源1。晶体管20的集电极连接到达林顿连接晶体管对中的晶体管3a的基极。
达林顿晶体管对的另一个晶体管3b的发射极连接到地。晶体管3a和3b的集电极连接到恒流源4。在晶体管3a和3b的集电极与地之间连接着用来设定禁止响应间隔的电容器5。比较器6的同相输入端(+)连接到晶体管3a和3b的集电极。恒流源8的电流I3流过电阻R1形成电压降，由此得到禁止响应间隔设置电压Vref，送到比较器6的反相输入端(-)。连接成二极管的晶体管7与电阻R1如图所示串连连接。
比较器6的输出连接到缓冲电路21。缓冲电路21接收到比较器6来的高电平信号后输出控制信号，使连接到T3端的MOSFET12关断。注意，在图2中，和图1中相同的元件的标号和符号也相同，不再作重复的描述。还应注意在图2中，由晶体管20构成的开关器件与图1中相应的元件接入的位置不同。
根据图2所示的电路结构，在电池15放电期间，电池组11给连接到正极13和负极14的例如手持电话和个人计算机的装置(没有表示出)供电。在充电期间，电池组11从连接到正极13和负极14、用于充电(没有表示出)的直流电源给电池15馈送电流。
比较器19检查电池15的电压是否高于过充电电压。当电池15的电压高于过充电电压时，比较器19输出高电平，因此使晶体管20导通。结果，恒流源1的电流I1流过晶体管20，不再流入达林顿连接对的晶体管3b的基极。使晶体管3a和3b关断，这样使得恒流源4的电流I2流入电容器5，使其充电。
其后，如前所述，当电池15的电压高于过充电电压所持续的时间长于禁止响应间隔时，比较器6输出高电平。缓冲电路21响应来自比较器6的这个高电平，输出控制信号，使MOSFET12关断，使电池15和正极13的连接断开。这样使充电停止，因而阻止电池15进入过充电状态。
电源监控IC10也可以做成不仅能检测电池15的过充电电压，也能检测过放电电压或过电流。例如，对于锂离子电池来说，过放电电压为2.2V。对电池15的电压进行监控，当这个电压低于过放电电压时，与电池15串联连接的MOSFET12关断，或与电池15串联连接的另一个MOSFET关断，以禁止使用电池15。
例如可以利用MOSFET12来检测过电流，具体来说，根据MOSFET12上的电压降来监测流过它的电流，当电流高于预定值时与电池15串联连接的另一个MOSFET关断以阻止过电流。电容器5可以集成到电源监控IC10，也可以单独制作。也可以用N沟MOSFET代替MOSFET12接在负极一侧(由A所示的位置)。在具有多个锂离子电池的电池组11中，也可以用多个结构相同的电路来监测和控制各个电池。
如上所述，根据本发明，等于用于使电容器放电的晶体管两端电压的偏移电压加到禁止响应间隔设置电压上。这能使所用的晶体管与制造有关的特性偏离和与温度有关的特性偏离取消，因此使最终的禁止响应间隔偏离减小。因此能在充电和放电的过程中准确地监控电池的电压。这样本发明对于监测和控制锂离子电池的电池组是非常有用的。此外，达林顿连接晶体管用于使电容器放电。这能提高放电速度，因此阻止了由于连续高频噪声产生的误操作，也降低了电源监控IC的电流消耗。因此，根据本发明的电源监控IC或电池组适用于手持电话等。
权利要求
1.一种电源监控集成电路器件，它具有用于输出指示电池电压是否高于予定值的第一信号的电路、电容器、用于给电容器提供充电电流的第一电流源、用于形成电容器放电通路的晶体管、用于根据第一信号控制电容器充电和放电的装置，以及用于将电容器两端的电压与预定的禁止响应间隔设置电压相比较的比较装置，使得当电容器两端的电压高于禁止响应间隔设置电压时输出禁止电池工作的第二信号，其中，用二极管的正向电压给禁止响应间隔设置电压加入偏移量。
2.权利要求1所述的电源监控集成电路器件，其中形成放电通路的晶体管是达林顿连接的晶体管，其输入电极接收第一信号。
3.权利要求1所述的电源监控集成电路器件，其中由晶体管和二极管组成的串联电路串联连接在第二电流源和地之间，第二电流源和串联电路之间的节点连接到比较装置的一个输入端。
4.权利要求3所述的电源监控集成电路器件，其中的二极管由晶体管构成。
5.一种电源监控集成电路器件，它具有用于输出指示电池电压是否高于予定值的第一信号的电路、电容器、用于给电容器提供充电电流的第一电流源、用于形成电容器放电通路的晶体管、用于根据第一信号控制电容器充电和放电的装置，以及用于将电容器两端的电压与预定的禁止响应间隔设置电压相比较的比较装置，使得当电容器两端的电压高于禁止响应间隔设置电压时输出禁止电池工作的第二信号，其中形成放电通路的晶体管是达林顿连接的晶体管，在其输入电极接收第一信号。
6.一种电池组，它具有电池、与电池串联连接的开关器件、电源监控集成电路器件、以及根据电源监控集成电路器件监控的结果接通和关断的开关器件，其中，电源监控集成电路器件包括用于输出指示电池电压是否高于予定值的第一信号的电路；电容器；用于给电容器提供充电电流的第一电流源；用于形成电容器放电通路的晶体管；用于根据第一信号控制电容器的充电和放电的装置；用于将电容器两端的电压与预定的禁止响应间隔设置电压相比较的比较装置，以当电容器两端的电压高于禁止响应间隔设置电压时输出禁止电池工作的第二信号；以及二极管，其正向电压作为偏移量加到禁止响应间隔设置电压上。
7.一种电池组，它具有电池、与电池串联连接的开关器件、电源监控集成电路器件、以及根据电源监控集成电路器件监控的结果接通和关断的开关器件，其中，电源监控集成电路器件包括用于输出指示电池电压是否高于予定值的第一信号的电路；电容器；用于给电容器提供充电电流的第一电流源；用于形成电容器放电通路的晶体管，该晶体管是达林顿连接的晶体管，在其控制电极接收第一信号；用于根据第一信号控制电容器的充电和放电的装置；用于将电容器两端的电压与预定的禁止响应间隔设置电压相比较的比较装置，使得当电容器两端的电压高于禁止响应间隔设置电压时输出禁止电池工作的第二信号。
全文摘要
在电源监控集成电路器件中,用于设置禁止响应间隔的电容器以更高的速度放电,而不使该器件的电路的电流消耗过度增加,并且不使禁止响应间隔过度偏离。该电源监控集成电路具有电容器、用于给电容器充电的电流源、用于电容器放电的达林顿连接的晶体管、以及用于将电容器两端的电压与预定的禁止响应间隔设置电压相比较的比较装置。当电容器放电时,利用二极管的正向电压产生与晶体管收集极与发射极之间电压相等的偏移电压,加到禁止响应间隔设置电压上。
文档编号H02H7/18GK1246215SQ98802168
公开日2000年3月1日 申请日期1998年1月28日 优先权日1997年1月29日
发明者藤田浩幸, 井上晃一 申请人:罗姆股份有限公司