專利名稱：雙節(jié)串聯(lián)鋰電池的多功能管理模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋰電池的管理模塊，具體地說是一種雙節(jié)串聯(lián)鋰電池 的充放電保護管理模塊。
背景技術(shù)：
近年來，隨著便攜式應(yīng)用的越來越廣泛，各種便攜式電子產(chǎn)品也不斷 問世，這些都促進了電池技術(shù)的更新?lián)Q代。在各種可充電電池中，鋰離子 電池由于其具有高電壓、無記憶效應(yīng)、高能量密度、低自放電率、無污染 等一系列卓越性能，迅速成為市場中的主流電池產(chǎn)品。雖然鋰離子電池具 有上述諸多優(yōu)點，但它必須防止過充電、過放電和短路。過充電、過放電 或短路狀態(tài)，都能因電解液分解而導(dǎo)致特性惡化，可能使電池起火甚至爆 炸。因此在實際應(yīng)用中，鋰離子電池必須要配合專用的保護芯片方能使用。
目前，現(xiàn)有的鋰電池保護芯片很多都是單節(jié)保護，即一節(jié)電池配一塊 芯片。在多節(jié)串聯(lián)應(yīng)用中，由于同時增加了芯片數(shù)量，無疑增加了成本以
及降低了 PCB板成品率。并且這些芯片大多數(shù)也只具備對鋰電池的充放 電保護功能，并沒有充電計時、報警指示、電量顯示等額外應(yīng)用型功能， 實際應(yīng)用中往往還需要與單片機配合使用，成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種雙節(jié)串聯(lián)鋰電池的多功能管理模塊，實現(xiàn)一塊管理芯 片對雙節(jié)鋰電池各自獨立的充放電保護，同時實現(xiàn)了充電完成計時、充電 時間限制、電量顯示、報警指示、充電狀態(tài)顯示等功能。
本發(fā)明的多功能管理模塊，包括分壓模塊、充電管理模塊、放電管理模 塊、內(nèi)置基準(zhǔn)源、第一雙基準(zhǔn)遲滯比較器、第二雙基準(zhǔn)遲滯比較器以及第 一遲滯比較器和第二遲滯比較器；
分壓模塊將串聯(lián)的第 一鋰電池和第二鋰電池的兩個正端電壓信號采樣，得到第一電壓信號和第二電壓信號并輸出；
第一雙基準(zhǔn)遲滯比較器和第二雙基準(zhǔn)遲滯比較器的IN輸入端分別接 收第二電壓信號和第 一電壓信號，HIGH輸入端接收內(nèi)置基準(zhǔn)源的充電終 止電壓信號Fref—cgh, LOW輸入端接收內(nèi)置基準(zhǔn)源的充電終止遲滯電壓 信號Fref_cgl，第一雙基準(zhǔn)遲滯比較器和第二雙基準(zhǔn)遲滯比較器根據(jù)輸入 信號判斷第一鋰電池或第二鋰電池的電壓是否到達終止電壓，并向充電管 理模塊輸出判斷后的信號；
第一遲滯比較器和第二遲滯比較器的正輸入端分別接收第二電壓信 號和第一電壓信號，負(fù)輸入端接收內(nèi)置基準(zhǔn)源產(chǎn)生的放電終止電壓 Fref—dsc,第一遲滯比較器和第二遲滯比較器根據(jù)輸入信號判斷第一鋰電 池或第二鋰電池的電壓是否達到放電終止電壓，并向放電管理模塊輸出判
斷后的信號；
充電管理模塊接收第一雙基準(zhǔn)遲滯比較器和第二雙基準(zhǔn)遲滯比較器 的輸出信號，對充電過程中的兩節(jié)鋰電池進行各自的過壓保護；
放電管理模塊接收第一遲滯比較器、第二遲滯比較器的輸出和片外放 電支路的電流反饋信號Ffb,對放電過程中的兩節(jié)鋰電池進行各自的放電 欠壓保護以及過流保護。
本發(fā)明的多功能管理模塊還可集成電量分析電路和計時器與LED控 制器。電量分析電路將分壓模塊輸出的第一電壓信號與基準(zhǔn)電壓信號相 比，判斷電池的剩余電量，并向計時器與LED控制器發(fā)送判斷后的信號。
所述的計時器與LED控制器接收充電管理模塊、放電管理模塊和電 量分析電路的代表過壓、欠壓、過流、電量的信號，并在時鐘信號輸入下， 完成計時、控制LED顯示電量、報警指示、充電狀態(tài)顯示的功能，并向 充電管理模塊輸出充電計時信號，進行充電時間限制。
充電管理模塊接收溫度保護電路的輸出，在計時器與LED控制器的 充電時間信號的控制下，進行充電過程中電池包的溫度保護。
放電管理模塊接收溫度保護電路的輸出，完成放電過程中電池包的溫 度保護。
所述的分壓模塊包括分壓電阻和高精度減法器，分壓模塊采樣輸出的
6第一電壓信號為1/3的第一鋰電池正端電壓信號，分壓模塊采樣輸出的第 二電壓信號為1/3的第二鋰電池正端電壓信號。
所述的高精度減法器，由兩個相同的第一運算放大器和第二運算放大 器、四個阻值相同的第一電阻、第二電阻、第三電阻、第四電阻組成；第 一運算放大器的正相端接收分壓電阻分壓的1/6的第一鋰電池正端電壓信 號，其負(fù)相端通過第一電阻接地；第二運算放大器的正相端接收分壓電阻 分壓的1/6的第二鋰電池正端電壓信號，其負(fù)相端通過第三電阻連接第一 運算放大器的輸出端，其輸出端輸出1/3的第二鋰電池的兩端電壓值；在 第一運算放大器和第二運算放大器的負(fù)相端與輸出端之間分別接有第二 電阻和第四電阻。
所述的雙基準(zhǔn)遲滯比較器，包括一個比較器、 一個反相器、第一可控 開關(guān)和第二可控開關(guān)；雙基準(zhǔn)遲滯比較器的IN輸入端連接比較器的正相 輸入端，LOW輸入端通過第一可控開關(guān)連接比較器的負(fù)相輸入端，HIGH 輸入端通過第二可控開關(guān)連接比較器的負(fù)相輸入端；第一可控開關(guān)接收比 較器的輸出信號，并根據(jù)該信號進行開關(guān)控制，第二可控開關(guān)接收比較器 的反相輸出信號，并根據(jù)該信號進行開關(guān)控制。
本發(fā)明的優(yōu)點是
1. 降低成本用便宜的低壓單阱工藝實現(xiàn)單片集成的雙節(jié)串聯(lián)鋰電池 管理，且片內(nèi)集成了充放電多種保護功能和充電計時、報警指示、電量顯 示等功能。
2. 增加可靠性單片集成雙節(jié)的保護，有利于減少芯片數(shù)量與外圍連 接數(shù)，增加成品率與系統(tǒng)可靠性。


圖l是雙節(jié)串聯(lián)鋰電池的多功能管理模塊的模塊示意圖2是高精度減法器的電路結(jié)構(gòu)示意圖3是雙基準(zhǔn)遲滯比較器的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
7如圖l所示，本發(fā)明的雙節(jié)串聯(lián)鋰電池的多功能管理電路由分壓模塊
1、充電管理模塊2、放電管理模塊3、計時器與LED控制器、內(nèi)置基準(zhǔn) 源5、內(nèi)置時鐘電路6、溫度保護電路7、電量分析電路8、雙基準(zhǔn)遲滯比 較器9a、雙基準(zhǔn)遲滯比較器9b以及普通遲滯比較器10a、普通遲滯比較 器10b等組成。
分壓模塊1包括分壓電阻和高精度減法器13。分壓模塊1用于將串聯(lián) 電池K57、鋰電池的兩個正端電壓信號FS/和電壓信號(F^ + FB2) 轉(zhuǎn)換為1/3 FB/與1/3 KB2，以便于與各基準(zhǔn)作同等比較。
得到的電壓信號1/3 與電壓信號1/3 FB2依次輸入到雙基準(zhǔn)遲滯 比較器9b雙基準(zhǔn)遲滯比較器9a的IN端，而由內(nèi)置基準(zhǔn)源5產(chǎn)生的充電 終止電壓Fref一cgh同時連接到雙基準(zhǔn)遲滯比較器9a雙基準(zhǔn)遲滯比較器9b 的HIGH輸入端，充電終止遲滯電壓Fref—cgl同時連接到雙基準(zhǔn)遲滯比較 器9a雙基準(zhǔn)遲滯比較器9b的LOW輸入端，實現(xiàn)充電時判斷兩節(jié)電池中 是否有任意一節(jié)到達終止電壓的功能，并將雙基準(zhǔn)遲滯比較器9a雙基準(zhǔn) 遲滯比較器9b的輸出輸入到充電管理模塊2中處理。
電壓信號1/3 JM7與電壓信號1/3 J^2依次輸入到普通遲滯比較器10b 普通遲滯比較器10a的正輸入端，而由內(nèi)置基準(zhǔn)源5產(chǎn)生的放電終止電壓 Wef_dsc同時連接到普通遲滯比較器10a普通遲滯比較器10b的負(fù)輸入端， 實現(xiàn)放電時判斷兩節(jié)電池中是否有任意一節(jié)達到放電終止電壓的功能，并 將普通遲滯比較器10a普通遲滯比較器10b的輸出輸入到放電管理模塊3 中處理。
電壓信號1/3 r5/還與片外輸入的代表電池當(dāng)前剩余電量百分比的三 個基準(zhǔn)rref70% 、 rref40%、 Frefl 0%作為電量分析電路8的輸入，實現(xiàn)判 斷電池包當(dāng)前剩余電量處在哪個區(qū)間的功能，并將該狀態(tài)信號輸出到計時 器與LED控制器處理。
片外輸入的與電池包溫度成比例的電壓信號Wemp和內(nèi)置基準(zhǔn)源5產(chǎn) 生的代表三個溫度的電壓基準(zhǔn)組Fref一temp作為溫度保護電^各7的輸入， 實現(xiàn)判斷電池包當(dāng)前溫度是否異常的功能，并將是否超出0。C 45。C的信 號輸出給充電管理模塊2，代表溫度是否超過70。C的信號輸出給放電管理模塊3。
充電管理模塊2接收雙基準(zhǔn)遲滯比較器9a雙基準(zhǔn)遲滯比較器9b和溫 度保護電路7的輸出，在計時器與LED控制器4充電時間信號的控制下， 完成充電過程中的兩節(jié)電池各自的過壓保護，溫度保護以及充電時間限制 的功能。
放電管理模塊3接收普通遲滯比較器10a普通遲滯比較器10b和溫度
保護電路7的輸出與片外FpB共同作為其輸入，完成放電過程中的兩節(jié)電 池各自的放電欠壓保護，溫度保護以及過流保護的功能，其中FpB為放電
支路的電流反饋信號。
計時器與LED控制器4以充電管理模塊2、放電管理模塊3、電量分 析電路8給出的代表過壓、欠壓、過溫、過流、電量等信號為輸入，在內(nèi) 置時鐘電路6的輸出信號作為時鐘輸入下，完成計時以及控制LED顯示 電量、報警指示、充電狀態(tài)顯示等功能，并輸出時鐘控制信號如充電計時 信號給充電管理模塊2，輸出時鐘控制信號給放電管理模塊2實現(xiàn)其他功 能。
充電管理模塊2輸出一個信號到片外用于控制充電回路的通與斷；放 電管理模塊3輸出一個信號到片外用于控制放電回路的通與斷；計時器與 LED控制器4輸出3個信號到片外分別控制三個LED的顯示以實現(xiàn)充電 狀態(tài)顯示、電量顯示以及異常報警的功能。
圖2是高精度減法器電路結(jié)構(gòu)示意圖，它實現(xiàn)將串聯(lián)電池電壓進行高 精度電平轉(zhuǎn)換的功能。它由兩個相同的運算放大器lla、運算放大器lib 以及四個阻值相同的電阻12a、電阻12b、電阻12c、電阻12d構(gòu)成，其中 電阻12a的一端接地，另一端接電阻12b和運算放大器lla的負(fù)輸入端， 電阻12b另一端接運算放大器lla的輸出端和電阻12c,電阻12c的另一 端接電阻12d和運算放大器llb的負(fù)輸入端，電阻12d的另一端接運算放 大器llb的輸出端并輸出Fout。在圖1的應(yīng)用中運算放大器lla的正輸入 端連接電壓信號1/6 運算放大器lib的正輸入端連接1/6 并輸出電壓信號1/3 rB2。該結(jié)構(gòu)的運算精度由于受運放輸入失調(diào)電壓的 影響極小，故而精度很高。圖3是雙基準(zhǔn)遲滯比較器電路結(jié)構(gòu)，它用于充電過程中是否有任意一 節(jié)電池電壓超過充電終止電壓的狀態(tài)檢測。它主要由一個比較器14、 一個 反相器15、可控開關(guān)16和可控開關(guān)17組成。它有兩個比較基準(zhǔn)HIGH 和LOW。默認(rèn)可控開關(guān)16斷開可控開關(guān)17閉合，輸出信號Fout為'0'， 當(dāng)IN輸入端的信號超過HIGH輸入端的信號之后，輸出信號Fout變?yōu)?1，， 可控開關(guān)16閉合可控開關(guān)17斷開，基準(zhǔn)變?yōu)長OW;當(dāng)IN輸入端的信號 低于LOW輸入端的信號之后，輸出信號Fout又變?yōu)?0'，可控開關(guān)16斷 開可控開關(guān)17閉合，且基準(zhǔn)重新跳至HIGH。如此循環(huán)往復(fù)，可以防止電 源噪聲帶來的誤判斷，且不需要過于頻繁地通斷充電電流，增加系統(tǒng)的可 靠性。
權(quán)利要求
1、雙節(jié)串聯(lián)鋰電池的多功能管理模塊，其特征在于包括分壓模塊(1)、充電管理模塊(2)、放電管理模塊(3)、內(nèi)置基準(zhǔn)源(5)、第一雙基準(zhǔn)遲滯比較器(9a)、第二雙基準(zhǔn)遲滯比較器(9b)以及第一遲滯比較器(10a)和第二遲滯比較器(10b)；分壓模塊(1)將串聯(lián)的第一鋰電池和第二鋰電池的兩個正端電壓信號采樣，得到第一電壓信號和第二電壓信號并輸出；第一雙基準(zhǔn)遲滯比較器(9a)和第二雙基準(zhǔn)遲滯比較器(9b)的IN輸入端分別接收第二電壓信號和第一電壓信號，HIGH輸入端接收內(nèi)置基準(zhǔn)源(5)的充電終止電壓信號Vref_cgh，LOW輸入端接收內(nèi)置基準(zhǔn)源(5)的充電終止遲滯電壓信號Vref_cgl，第一雙基準(zhǔn)遲滯比較器(9a)和第二雙基準(zhǔn)遲滯比較器(9b)根據(jù)輸入信號判斷第一鋰電池或第二鋰電池的電壓是否到達終止電壓，并向充電管理模塊(2)輸出判斷后的信號；第一遲滯比較器(10a)和第二遲滯比較器(10b)的正輸入端分別接收第二電壓信號和第一電壓信號，負(fù)輸入端接收內(nèi)置基準(zhǔn)源(5)產(chǎn)生的放電終止電壓Vref_dsc，第一遲滯比較器(10a)和第二遲滯比較器(10b)根據(jù)輸入信號判斷第一鋰電池或第二鋰電池的電壓是否達到放電終止電壓，并向放電管理模塊(3)輸出判斷后的信號；充電管理模塊(2)接收第一雙基準(zhǔn)遲滯比較器(9a)和第二雙基準(zhǔn)遲滯比較器(9b)的輸出信號，對充電過程中的兩節(jié)鋰電池進行各自的過壓保護；放電管理模塊(3)接收第一遲滯比較器(10a)、第二遲滯比較器(10b)的輸出和片外放電支路的電流反饋信號VFB，對放電過程中的兩節(jié)鋰電池進行各自的放電欠壓保護以及過流保護。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能管理模塊，其特征在于包括電量分 析電路(8)和計時器與LED控制器(4)，電量分析電路(8)將分壓模 塊(1)輸出的第一電壓信號與基準(zhǔn)電壓信號相比，判斷電池剩余電量， 并向計時器與LED控制器(4)發(fā)送判斷后的信號。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的多功能管理模塊，其特征在于所述的計 時器與LED控制器(4)接收充電管理模塊(2)、放電管理模塊(3)和 電量分析電路(8)的代表過壓、欠壓、過流、電量的信號，并在時鐘信 號輸入下，完成計時、控制LED顯示電量、報警指示、充電狀態(tài)顯示的 功能，并向充電管理模塊(2)輸出充電計時信號，進行充電時間限制。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的多功能管理模塊，其特征在于包括溫度 保護電路(7)，充電管理模塊(2)接收溫度保護電路(7)的輸出，在計 時器與LED控制器(4)的充電時間信號的控制下，進行充電過程中的電 池包的溫度保護。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的多功能管理模塊，其特征在于放電管理 模塊(3)接收溫度保護電路(7)的輸出，完成放電過程中的電池包的溫 度保護。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能管理模塊，其特征在于所述的分 壓模塊(1 )包括分壓電阻和高精度減法器(13 ),分壓模塊(1 )采樣輸 出的第一電壓信號為1/3的第一鋰電池的兩端電壓值，分壓模塊(1 )采樣 輸出的第二電壓信號為1/3的第二鋰電池的兩端電壓值。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所迷的多功能管理模塊，其特征在于所述的高 精度減法器(13)，由兩個相同的第一運算放大器(lla)和第二運算放大器(11b)、四個阻值相同的第一電阻(12a)、第二電阻(12b)、第三電阻(12c)、 第四電阻(12d)組成；第一運算放大器(lla)的正相端接收分壓電阻分 壓的1/6的第一鋰電池正端電壓信號，其負(fù)相端通過第一電阻(12a)接地； 第二運算放大器(lib)的正相端接收分壓電阻分壓的1/6的第二鋰電池正 端電壓信號，其負(fù)相端通過第三電阻(12c)連接第一運算放大器的輸出 端，其輸出端輸出1/3的第二鋰電池的兩端電壓值；在第一運算放大器(lla) 和第二運算放大器(llb)的負(fù)相端與輸出端之間分別接有第二電阻(12b) 和第四電阻(12d)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能管理模塊，其特征在于所述的雙 基準(zhǔn)遲滯比較器，包括一個比較器(14)、 一個反相器(15)、第一可控開關(guān)(16) 和第二可控開關(guān)(17);雙基準(zhǔn)遲滯比較器的IN輸入端連接比較器(14)的正相輸入端，LOW輸入端通過第一可控開關(guān)(16)連接比較器(14)的負(fù)相輸入 端，HIGH輸入端通過第二可控開關(guān)(17)連接比較器(14)的負(fù)相輸入端；第 一可控開關(guān)(16)接收比較器(14)的輸出信號，并根據(jù)該信號進行開關(guān)控制， 第二可控開關(guān)(17)接收比較器(14)的反相輸出信號，并根據(jù)該信號進行開 關(guān)控制。
全文摘要
本發(fā)明提供一種雙節(jié)串聯(lián)鋰電池的多功能管理模塊，包括分壓模塊、充電管理模塊、放電管理模塊、內(nèi)置基準(zhǔn)源、第一雙基準(zhǔn)遲滯比較器、第二雙基準(zhǔn)遲滯比較器以及第一遲滯比較器和第二遲滯比較器。該多功能管理模塊實現(xiàn)了一塊管理芯片對雙節(jié)鋰電池各自獨立的充放電保護，同時實現(xiàn)了充電完成計時、充電時間限制、電量顯示、報警指示、充電狀態(tài)顯示等功能。
文檔編號H03K19/173GK101540512SQ200910096370
公開日2009年9月23日 申請日期2009年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月24日
發(fā)明者何樂年, 盧圣凱, 葉益迭, 柯徐剛, 津 金 申請人:浙江大學(xué)