TW200818656A - Power surge filtering in over-current and short circuit protection - Google Patents

Description

200818656 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 揭露之實施係有關於電子電路。 【先前技術】 許多現代可攜裝置（例如筆記型電腦、行動電話、 -位相機、視訊攝影機、媒體播放器、個人數位助理（p A's數 遊戲控制盗等專）包括電池組。傳統電池組的一特a 央貝型 包括一或多個電池胞耦接至一或多個積體電路（ic)曰 •(例如一微控制器、類比前端等等）以供提供電池胞管王片 與保護以及建立電量剩餘測量。 δ m 許多傳統電池組包括一鋰離子電池胞，其本質上為 依電性化學反應封裝於一杈狀體中。位能被儲存於每^ “ 池胞中，且若該電池胞暴露於其規格外的狀態中，該電電 胞可過熱、燃燒或爆炸。電池組典型地包括故安入士 _ &王電路 以供债測不安全狀態（例如過電流充電或放電、短路、 * 等^且用於採取修正動作以預防談電池胞及/或裝置的^ φ 害’並保護使用者遠離爆炸電池及其他危險事件。’ 當一電池組被連接至一裝置時，或者當該裝置具有古 電源消耗之一特性（例如一螢幕）時，一高電流可自該= 池組汲取一段時間。這些事件為正常電池操作之部分，且 應被管理而使得該電池組及裝置可維持穩定操作。理相 地，一電池組應作用以保護電池胞不具有高電流維持於一 段長時間（即長於正常高電流事件），因為此電流對於該使 用者有潛在危險且會損害該電池胞。此不玉常高電流事件 200818656 可藉由停止該高電流流動而防止。然而，停止該電流流動 可造成該電池組之輸出電壓降至零或接近零，導致該電池 系統的不穩定操作。因此，辨別正常操作導致之高電流以 及潛在危險及/或損害之高電流是重要的。 傳統電池組並不辨別正常操作導致之高電流以及潛在 危險及/或損害的高電流。高電流通常被視為潛在危險及/ 或損害的，即使其係由正常操作所致。

【發明内容】 傳統電池保護解決方案的缺點可由關於在過電流及短 路狀態中的電源突波過濾所克服。 在某些實施中，一電池系統包括一電池胞、耦接至該 電池胞的一電池保護電路、以及耦接至該電池保護電路之 一處理器以供判定一電池保護事件是否已發生。該電池系 統亦包括耦接至該電池胞及該處理器之一電壓調整器電 路。該電壓調整器電路可設置成提供電源至該處理器。一 能量儲存裝置被耦接至該電壓調整器且可設置以於該電池 保護事件之過程中提供該處理器電源。一切換器被耦接於 該能量儲存裝置及該電池胞之間，且可設置以選擇性地在 該電池保護事件之過程中自該電池胞斷開該能量儲存裝 置。 在某些實施中，用於一電池系統之一積體電路包括一 電池保護電路用以被耦接至一電池胞。一處理器被耦接至 該電池保護電路以判定一電池保護事件是否已發生。一電 6 200818656 壓調整器電路被耦接至該處理器且可設置成提供電源至該 處理器。一能量儲存裝置被耦接至該電壓調整器且可設置 以於該電池保護事件之過程中提供該處理器電源。一切換 器被耦接於該能量儲存裝置以及該電池胞之間，且可設置 以於該電池保護事件之過程中自該電池胞斷開該能量儲存 裝置。

在某些實施中，一電池保護方法包括：自一電壓調整 器提供電源至一電池系統中的一處理器，其中該電壓調整 器被耦接至一電池胞並調整自該電池胞所接收之該電壓以 提供電源至該電池系統；接收指示一電池保護事件之信 號；在該電池保護事件之過程中，選擇性地自該電池胞斷 開該電壓調整器；以及自耦接至該電池胞之一能量儲存裝 置提供電源至該處理器。 在某些實施中，用於一電池系統之一積體電路包括一 電池保護電路用以被耦接至一電池胞。一處理器被耦接至 該電池保護電路且可設置以自該電池保護電路接收信號以 判定一電池保護事件是否已發生。一電壓調整器電路被耦 揍至該處理器且可設置以於f池保護事件之外的時間過程 中提供電源至該處理器。一能量儲存裝置被耦接至該電壓 調整器，且可設置以於該電池保護事件之過程中提供電源 至該處理器。 在某些實施中，——電池保護方法包含：接收指示一電 池保護事件之信號；提供一中斷信號至該處理器；以及回 應該中斷信號改變該處理器為一低電源消耗模式。 7 200818656 其他揭露之實施係指具有下述一或多個各種特 統、方法及裝置。 【實施方式】 第1 A圖為用於一應用5 0之一示範電池組1 0 0 塊圖。該電池組 100可被耦接至一裝置 102或一 I 04。當耦接至該充電器1 04時，該電池組之終端（ 與負極以及通信終端）由一媒體106被耦接至該充f 之對應終端（即正極與負極以及通信終端）以允許 電池組1 0 0之電池胞的充電。該媒體1 0 6可為電線 針腳或任何其他電子連接方式。 類似地，當被耦接至一裝置1 02時，該電池組 終端（即正極與負極以及通信終端）由一導電媒體 耦接至談裝置1 02之對應終端_ (即正極與負極以及 端）以允許該裝置102之操作。該媒體108可為電 線、針腳或其他電子連接方式。在某些實施中，該 100被選擇性地於一通信埠C耦接至裝置102及 104。通信埠允許資訊（例如命令及控制)於該裝j 該充電器104以及該電池組1 00之間的傳輸。可被 資訊的一範例包括該電池充電位準（例如容量）。 第1B圖為該電池組之一更詳細概要圖。在某 中，該電池組1 0 0包括一或多個電池胞1 2 0、個別 II 0、11 2、一電流感測電阻1 1 4以及一電池管理系| 該電池管理系統1 3 0可包括一或多個積體電路（即 徵的系

的一方 充電器 即正極 器104 關於該 導線、 100之 108被 通信終 線、導 電池組 充電器 [102、 交換之 些實施 電晶體 L 130。 晶片或 200818656 晶片組）。該個別電晶體11 0、1 1 2及/或該電流感測電阻 11 4可被實施於相同封裝（例如一積體電路）中及/或於相 同石夕中。

在某些實施中，該個別電晶體1 1 〇、1 1 2被用於自該外 部電池組終端（外部電池組正極1 5 0以及負極1 40 )斷開 該電池胞1 2 〇。在圖示之實施中’個別電晶體1 V 〇、11 2被 說明為場效電晶體（FET)裝置。雖然可使用其他電晶體 技術，但FETs在處理、效能（例如開啟電阻）、成本、尺 寸等方面具有優勢。在圖示之實施中，該個別電晶體11 0、 11 2亦分別被稱為充電及放電電晶體。該充電電晶體11 〇 被用於啟動該電池胞之女全充電。該放電電晶體112 被用於啟動該電池胞1 20之安全放電。該充電及放電電晶 體11 0、11 2被顯示為串聯的。 在圖示之實施中，該充電及放電電晶體1 1 〇、11 2係以 ' - · - - 一高側配置（亦即該串聯電晶體被耦接至該電池胞之高 側，而非該電池胞之低側)加以耦接。在該高側配置中， 該充電電晶體110之一終端乂例如一小冗丁襞置之源極） 被耦接至該電池胞120-1的正極。放電電晶體112之一終 端（例如一 NFET裝置之源極）被耦接至該外部電池組正 極150。該充電及放電電晶體1 10、112之個別第二終端被 彼此耦接（例如當使用NFET裝置時形成一汲-汲節點）。 該充電電晶體110以及放電電晶體112之閘極分別於輸人 OC及OD被耦接至該電池管理系統130。類似地，該電晶 體11 0、11 2之間的節點於一晶片供應電壓輸入（此處亦稱 200818656 為Vfet )被耦接至該電池管理系統1 3 0。該晶片供應電壓 輸入提供電源至該電池管理系統130。

在圖示之實施中，該電晶體110、112被用於阻擋該電 池胞120與該裝置102或充電器104之間兩方向之電流流 動。若談電晶體110、112為FETs，則其將各自包括一寄 生二極體（分別標示為 110-1、112-1 )。因此，具有單一 FET將不允許關閉兩方向的電流流動。當兩FETs被串聯 (源極對源極或沒極對汲極）使用時，流進及流出該電池 胞120的電流可被開啟或關閉。舉例來說，當使用兩電晶 體時，該電晶體可被選擇性地控制（例如藉由應用控制電 壓至其閘極）以允許電流於一特定時間（例如允許充電但 於足夠電量已被置入該電池胞前不允許放電）僅於單一方 向中流動。 電池胞120為可再充電電池且可為鋰離子（Li-ion) 或經聚合物（Li-polymer )之形式。其他電池技術類型亦 為可能的。當提供多個電池胞時，該電池胞120可被串聯。 在圖示之多電池胞實施中，該電池胞120-1之一最頂部正 極被耦接至該電池管理系統 1 3 0 (例如以允許該電池電壓 位準的债測）以及該値別電晶體之一（即該充電電晶體 110 )。該串聯中最底部電池胞120-2被耦接至該電池管理 系統130 (例如以允許該電池電壓位準之偵測）以及該電 流感測電阻11 4之一端。該電流感測電阻11 4之另一端被 耦接至區域地面（電池區域地面）、該電池管理系統1 3 0(以 允許流過該電流感測電阻11 4的測量）以及該電池組1 0 0 10 200818656 的外部負極14〇。該電池胞120_1的負極以及該電池胞 120-2的正極被耦接在一起。在一實施中，該電池胞 12(M、12〇-2之間的中心點i 7〇被搞接至該電池管理系統 1 3 0 〇 雖然第1 B圖顯示以汲極對汲極連接之兩NFET裝置， 其他裝置及配置亦為可能的。舉例來說，可藉由適合配置 使用PFET裝置，例如源極對源極。 電池管理系統 第2圖為用於該電池組1 00中之一示範電池管理系統 130的一方塊圖。該電池管理系統13〇 一般包括一處理器 202 (例如依據RISC結構之一低電源、CM〇s 8位元微控 制器）、一電池保護電路^^ 一電池保護電路/處理器介 面2 3 0、一電流k動控制器2 〇 6、一電源監督器2 1 〇、一充 電偵測器212、一時脈建立器214、埠216、記憶體218、 一參考電壓220以及一監控（watchd〇g)計時器222。該處理 器202、埠216、電池保護電路204級參考電壓22〇各自被 耦接至一貴料匯流排224。 該電池管理系統130之一實際實施可包括其他元件及 子系統’其為了簡潔目的已自第2圖移除。舉例來說，該 電池管理系統130可包括用於電池監控之電路（例如類比 至數位轉換器）、用於平衡電池胞電壓之平衡電路（例如電 池胞平衡FETs)、雜訊抑制電路、一喚醒計時器等等。 記憶體218可被寫入指令，其可被該處理器所執 行以實行各種任務，例如電池胞平衡、電池保護以及用於 11 200818656 判定剩餘電源之電流測量。 在某些實施中。該電流流動控制器206具有數個輸出 (例如OC、OD )被耦揍至外部電晶體裝置（例如電晶體 11 0、11 2 )，其可由該電流流動控制器2 〇 6所配置以控制在 該電池胞與一裝置或充電器之間的電流流動。該電流流動 控制器2 0 6包括各種電路及邏輯（例如操作放大器、控制 及狀態暫存器、電晶體、電容、二極體、反相器、閘等等） 以於該輸出OC及OD建立電壓。

在某些實施中，該OC輸出為一高電壓輸出，其被耦 接至一充電FET 110之閘極以開啟或關閉該充電FET 110 以控制在一充電事件過程中的電流流動。該OC輸出為一 高電壓輸出，其被耦接至一放電FET 112之閘極以完全或 部分開啟或關閉該放電FET 112以控制在一放電事件過程 中的電流流動。第1B圖說明FET裝置之一示範配置，以 供回應該電池管理系統1 3 0之控制電壓而控制電流流動。 電池保護電路 該電流流動控制器206被編接至該電池保護電路2〇4 (例如透過介面205 )。該電池保護電路204包括電路（例 如一差動放大器）以供監控及偵測該電池胞電壓以及關於 電池保護事件的充電/故電電流，以及起始動作（例如關閉 充電及/或放電FETs )以保護電池組1〇〇不致損壞。電池 保護事件之範例包括但不限於：在放電過程中的過低電 壓、放電過程中的短路以及充放電過程中的過高電流。 在某些實施中，一電流感測電阻（R )可被耦接跨越 12 200818656 該電池保護電路204之PPI及NNI輸入，其中PPI為源自 該電流感測電阻1 1 4之一未過濾正輸入，而N NI為源自該 電流感測電阻1 1 4之未過濾負輸入。該電流感測電阻1 1 4 可被耦接至該電池管理系統1 3 0，如第16圖中所述。 該電池保護電路/處理器介面 230提供該電池保護電 路204及該處理器202之間的一可程式化介面。 偵測高電流狀態

通過該電流感測電阻1 1 4之高電流將導致跨越該電流 感測電阻11 4的一電壓降低，其係由該電池保護電路2〇4 所摘測。在某些實施中，該電池保護電路2 0 4中的一不同 操作放大器以一適當增益放大該電壓。源自該差動操作放 大器的輸出係使用一類比比較器而與一參照信號（例如由 一正確、可程式化晶片上參考電壓所建立）。若該偵測電流 之一可程式化範例數量#1 (例如= 1 )高於一特定限制， 一早期警示中斷旗標被設置於該處理器202中。此對該處 理器202指示一潛在危險狀況正在發生，而該處理器202 可採取適當動作。 放電過A電流警告及保護 若該放電電流之一可程式化範例數量 #2高於一預定 放電過電流限制一段長於一預定過高電流保護反應時間之 時間，該電池管理系統130啟動放電過高電流保護措施。 在某些實施中，當該放電過高電流保護措施被啟動時，該 外部放電電晶體11 2被關閉以關閉電流流動。在某些實施 中，該使用者可連接一充電器至該電池組1 00以重新開啟 13

200818656 該放電電晶體 11 2。在其他實施中，一 例如該電池保護電路204中被啟動。該 保該放電電晶體11 2在被重新開啟前被 (例如至少1秒）。於記憶體2 1 8 (例如 Flash ROM等等）中由該處理器202所 被用於在該電流保護計時器逾時後重新 例來說，該應用軟體可啟動於該電流流 制及狀態暫存器中的控制位元，其導致 電壓改變。在某些實施中，若該放電電 動時該電池之負載仍然過大，該放電過 被再次啟動。在某些實施中，該感測電 護電路204檢查放電過高電流。若偵測 則僅於偵測到一充電器時開啟該放電電 充電過高電流警告及 若該充電電流芝一可程式化範例數 充電過高電流偵测位準一段長於一預定 時間，該電池管理系統1 3〇啟動充電過 在某些實施中，當該充電過高電流保護 外部充電電阻被關閉且一電流保護計時 遵電路2〇4中被啟動。該計時器確保該 一段預定期間（例如至少i秒）。於記憶 斋202執行之應用軟體可提供該電流流 制及狀態暫存器中的控制位元以再啟動 電電晶體1 1 〇被重新開啟且該充電器持 電流保護計時器於 電流保護計時器確 關閉於一最小期間 EEPROM、RAM、 執行之應用軟體可 啟動正常操作。舉 動控制器206中控 輸出〇 C及〇 D的 晶體112被重新啟 高電流保護措施可 阻11 4由該電池保 到放電過高電流， 晶體11 2。 保護 .量 #3高於一預定 過電流反應時間之 高電流保護措施。 措施被啟動時，該 器於例如該電池保 電晶體1 1 0被關閉 體218中由該處理 動控制器206之控 正常操作。若該充 續供應過高電流， 14 200818656 則該充電過高電流保護可被再次啟動。 短路警示及保護

在某些實施中，提供高電流偵測之一第二位準以提供 對大放電電流的一快速回應時間，例如發生於一短路事件 中者。該回應時間係由短於Μ微秒（例如1 〇〇徵秒）之一 短路取樣間隔所判定。若該放電電流之一可程式化範例數 量(例如1 )高於一預定短路偵測限制一段長於一 預定短路反應時間之期間，該電池管理系統1 3 〇啟動短路 保護措施。在某些實施中，當短路保護被啟動時，可利用 用於放電過電流保護之相同方式關閉該放電電晶體11 2。 某些應用需要一典型的1 00-500微秒之反應時間。然 而，某些應用需要較長的反應時間，典型地為5微秒以允 許更穩定操作狀況以於該裝置自該電池組汲取1〇〇 —大量 電流之情形中供該裝置102連接至該電池組100。 在某些實施中，該電池保護措施之啟動可造成一中斷 由該電池保護電路204送至該處理器202。舉例來說，該 電池保護電路204可於資料匯流排224上送出電池保護中 斷至該處理器202。該電池保護中斷可由該處理器2〇2所 關閉，因而該處理器202不回應該電池保護中斷。當該處 理器202接收該電池保護中斷時，其可執行各種動作，因 而改變為一低電源消耗模式或送出控制命令至該電流流動 控制器206以控制通過電晶體、112之電流流動。 一旦偵測到一潛在短路違反，則設置該短路早期警示 中斷。一中斷於該短路中斷被啟動時可由該處理器202所 15 200818656 在接收該中斷後，該處理器2G2可最小化該時間過 電源消耗，古^ 直到該短路保護措施被執行或直到建立 =源、被移除。最小化電源之—有效方式可為使該 = 進入睡眠模式直到一安全操作狀況可被建 #電机已回到一安全位準時，該處理器202可自睡 中喚醒。一. 、 卜部能量儲存裝置可被耦接至該電池管

13〇(例如第3圖中的能量儲存裝置308 )並適當地 於該短路保護期間中支援該電池管理系統1 3 〇。 述用於監控、債測及回應該電池保護之實施僅為示 ’其他實施亦為可能的。舉例來說，其他電池保護 可能的，何如由專屬硬體及/或該處理器202執行之 實施之過充或過放保護。 電源監督器

接收。 程中的 該危險 處理器 立。當 眠模式 理系統 微調以 前 範性質 方案為 軟體所 該電源監督器（Supervis〇r)21〇藉由管理用於該電池管 理系統130之各種低電源模式而協助降低系統電源消耗， 其亦％為“睡眠模式，，。在某些實施中，該電源監督器 笞四種睡眠模式，允許該使用者依據需求微I周該電池管 糸統1 3 0之電源消耗。在一間置模式中，該處理器2 〇 2 被停止’但所有周邊功能持續運作。在一省電模式中，快 速震靈器被停止，僅有電池保護電路204及慢速震盈器持 、’*只運作’以及電流管理電路（例如類比至數位轉換器等等） 以及一非同步計時器以供維持一即時時脈。在一低電源模 式中 該時脈建立裔214被停止。該電池保護電路2Q4、 該監控計時器222或一外部中斷可喚醒該電池管理系統 16 200818656 1 3 0。在一電源關閉模式中，該處理器202指示該電源調整 斋208關閉該處理202之電源’僅留下該電壓調整器2Q8 及該充電器摘測電路212為操作中的。該電源關閉模式最 小化電源 >肖耗以確保該電池胞若被错存一段長時間未充電 而不會損壞。 在某些實施中，當該充電器被偵測時，該電池組1 〇〇 自該電源關閉模式中醒來並執行一電源開啟重置以開始正 常操作。 該電源督器2 1 0被輕接至一供應電壓（v c c )。在某 些實施中，該供應電壓為該電壓調整器2〇8所提供之一調 整電壓（VReg)。該電源監督器210亦可具有一 RESET輸 入。舉例來說’若在此輸入上有一低位準超過一預定最小 脈衝長度，則該電池管理系統130將重置，即使該時脈建 立器214未運行。 '該電源監督器210亦被耦接至該監控計時器222、該 充電偵測器212以及該電壓調整器2〇8。該監控計時器222 於操作於一低電源模式時提供一喚醒信號至該電源監督器 21〇。該充電器偵測器212被耦接至一輸入（BATT )以偵 測一充電器何時被連接並將此事件通知該電源監督器 210 ’因而其可進入一適合的模式以供充電。該電壓調整器 208提供該電源監督器21〇該調整電壓。 結合線性/步升電壓調整器 第3圖為用於第2圖中所示之電池管理系統〗3 〇之一 不範結合線性/步升電壓調整器300的一方塊圖。該電壓調 17

200818656 整器3〇〇接收一輸入電壓Vfet並提供一調整； 、供該電池管理系統1 3 0以及輕接至該電池 之外部電路所使用。Vfet為對於該電池管理 源輸入且係由該電池胞1 2 0或一外部充電器 該電晶體1 1 〇、11 2所提供。由於現代半導 2-5伏特之範圍的一電源供應上執行，因而《歹 伏特之一電池胞供應不可直接供應該電池管 該電屋調整器30〇可調低該電池胞電壓至 輯、低電壓I/O線路以及類比電路之一位準 伏特）。 該電壓調整器300包括一步升電壓調整 線性電壓調整器306。在某些實施中，僅有 整器304及該線性電壓調整器306之一可 動。一控制器302分別於線路上提供開啟十 至該電壓調整器306、304。該開啟信號31{ 電壓調整器306、304中何者將被開啟或關爲 圖中所述。 在某些實施中，當一短路發生，則該電 偵測該輸入電壓（Vfet )已降至一特定臨界 第6圖中所述。若該電壓降低過多，則該f 將停止提供一調整電壓。該電塵調整器3 〇Q 至一能量儲存裝置3 0 8 (例如一大儲存電容 正常操作中移除漣波電壓且支援大電流尖峰 事件中，該能量儲存裝置中的剩餘電力可被 險出電壓VREG 管理系統1 3 0 系統1 3 0之電 1 04之一透過 體典型地於約 i如高達約8.4 理系統 130。 適於晶片上邏 (例如約3.3 器304以及一 該步升電壓調 於一時間中啟 r 號 318 、 320 5、320判定該 3，如關於第6 壓調整器300 位準，如關於 :壓調整器3〇〇 隻輸出被耦接 )，其被用於在 。然而在短路 用於取代該電 18 200818656 壓調整器300供應電源至該電池管理系統130 (例如當該 電壓調整器300不再提供調整電壓）。該能量儲存裝置308 可被微調（例如1 -1 0 pF )以於該能量儲存裝置3 0 8供應該 電池管理系統（例如在一短路事件中）之期間中符合該電 池系統之電流供應需求。若該能量儲存裝置3 0 8由於任何 因素無法供應該所需電流，則該電池管理系統1 3 0可被配 置以自我重置，以確保安全操作限制可被滿足。 線性電壓調整器

第4圖為用於第3圖中所示之結合電壓調整器300中 的一示範線性電摩調整器306的一方塊圖。在某些實施 中，該線性電壓調整器306包括一錯誤放大器402、切換 器 404 ( Ml )、40 5 ( M3 )、40 6 ( M4 )以及 408 ( M2 )、一 電阻網路410以及一儲存電容412。該錯誤放大器402之 非反相輸入於線路3 12上接收一穩定參考電壓（例如參考 電壓220 )。該錯誤放大器402 (例如一差動放大器）比較 該穩定參考電壓與一電阻網路4 1 0之一回授電壓^^’並 輸出一錯誤電壓。在某些*實施中，該電阻網路4 1 〇為包括 電阻器R1及R2之一分壓器，其取得切換器4〇6 ( M4)之 輸出電壓的一比例並將其送入該錯誤放大器402之反相輪 入。 該錯誤放大器402之輸出為進入該切換器4〇4 ( M1 ) (例如一 PFET )之输入’其被耦接至由切換器#…^^%” 及40 8 ( M2 )所組成之一電流鏡像配置。通過該電流鏡像 配置之切換器408( M2)的電流被反射於該切換器4〇5( M3 ) 19 200818656 中。該切換器406( M4)之輸入被耦接至該切換器405( M3 ) 之輸出。一開啟信號3 1 8係由例如模式選擇邏輯（第6圖） 所提供以開啟/關閉該線性調整器3 0 6之輸出（例如開啟/ 關閉切换器4〇6(M4))。該切換器406 ( M4 )之輸出被耦接 至該儲存電容412以及一負載（RLOAD)。

藉由第4圖中所示之配置，該電壓調整器300可藉由 镇測供應電壓Vin ( Vfet )已降至一預定臨界電壓位準之下 而偵測〜短路，如關於第6圖所述。該臨界電展位準於單 電冬胞及多電池胞操作中可、為不同的。當偵測到^短路 時，該外部電晶體11 〇、11 2可被關閉以便從該輸入電壓 Vin ( Vfet)斷開該電壓調整器3 00。在某些實施中，該外: 部電晶體110、112可於一時間延遲後（例如一短或長延遲） 被關閉。該時間延遲可依據該裝置1〇2 (例如對一相機與 一攝影機不同）加以程式化。在一短路狀態中，該電池胞 1 2 0可被拉至一低電位，因而該短路狀態將從所有可用的 電源尋求電力，包括第3圖中所示之能量儲存裝置308。 理想上’該切換器405 ( Μ )將避免該能量儲存裝置308 ·· 〜 ,； ·- 透過該低電位輸入vin ( Yfet )沒取。然而若以一傳統PFET 實施該切換器405 ( M3 )，則可自該能量儲存裝置308透 過PFET裝置中固有之一寄生二極體汲取電流。為了避免 此電流洩漏，可以另一 PFET裝置實施該切換器4〇6 乂 M4 ) 並反向與該切換器4〇5( M3 )結合，因而該切換器4〇6( M4 ) 中固有之寄生二極體以及該切換器405 ( M3 )中固有之寄 生二極體係以相反方向傳導。舉例來說，該切換器405( M3 ) 20 200818656 及4 06 ( M4 )可被源極對源極相連接，其個別之寄生二極 體朝向送雞彼此之相反方向。在某些實施中，該切換器4 〇 6 (M4 )於短路狀態中可由第3圖中所示之控制器3 〇2提供 之信號線路3 1 8所關閉。 在其他實施中，該切換器405 ( M3 )可使用不同處理 技術加以製造以降低一寄生二極體之不良電流汲取特性。 替代地’切換器405 ( M3 )之大部分可被切換以便不需切 換器40 6 ( M4 )而確保該線性調整器3〇6之關閉。 第5圖秀用於第3圖中所示之結合電壓調整器3 〇〇之 一示範步升電麗調整器電路304的一方塊圖。該步升電壓 調整器304包括一錯誤放大器5〇2、切換器504 ( Ml )、506 (M2 )以及508 ( M3 )、充電幫浦5 10、電阻網路5 12以 及一儲存電容5 14。該步升電壓調整器3〇4與該線性電壓 調整器3 0 6不同之處在於其可提供高於該電壓輸入之電壓 輸出。此升壓電壓能力係由充電幫浦51〇以及如第3圖所 示耦接至該步升電壓調整器304之“果，，電容（“fly” capacitor )所提供。 該錯誤放大器502 (例如一差動放大器）之非反相輸 入被輕接至一穩定參照電壓（例如第2圖中所示之參考電 壓220 >。該錯誤放大器502之反相輪入被耦接至該電阻網 路5 1 2，其提供該充電幫浦5丨〇之輸出的一比例。在某些 實施中’讓電阻網路5 12為由電阻ri及R2組成之一分壓 器。該充電幫浦5 1 0之輪出（vReg )被耦接至該儲存電容 5 1 4以供平穩該輸出電壓。該錯誤放大器5〇2依據其非反 21 200818656 相及反相輸入之一比較而提供一錯誤電壓。該錯誤電壓被 提供至切換器504 (Ml)之輸入，其被耦接至由切換器5 06 (M2 )及508 ( M3 )所組成之一電流鏡像配置。該電流鏡 像配置提供一輸入電壓Vxp至該電壓幫浦5 1 0，其被升壓 至所需電壓位準並輸入至該儲存電容514以提供該調整電 壓 VReg。

與該線性電壓調整器306相反，切換器5 08 ( M3 )中 的寄生二極體效應可由簡單地停止線路322上的時脈信號 而解決。當該充電幫浦510被停止時，於該輸入電壓Vin (VREF)在一電池保護事件過程中降低時，電流無法透過 該充電幫浦510自該能量儲存裝置（例如儲存電容514) 加以汲取。 模式選擇邏輯 第6圖為用於第3圖所示之電壓調整器3 00之控制器 3 02中的示範模式選擇邏輯600的一方塊圖。在某些實施 中，該電壓調整器300可操作於四種模式中：在一線性調 整器模式中、在一結合模式中(亦即線性及升壓兩種模 式）、在一步升調整器模式中以及在一短路保護模式中。在 一多電池胞電池應用之某些實施中，選擇該線性電壓調整 器模式（亦即僅使用線性電壓調整器306以提供VReg)。 在一單電池胞電池應用之某些實施中，選擇該結合模式（亦 即線性電壓調整器3 06及該步升電壓調整器3 04兩者可同 時調整電壓）。其他調整器模式亦為可能的。 多電池胞電池應用 22 200818656 在-多電池胞電池應用中，若vfet高於比較器602之 短路偵測位準（例如約3.2-3.3伏特（降低/升高）），則該 線性電壓調整器3 0 6被啟動且該電池管理系統1 3 0係操作 於線性模式中。更特言之，比較器602之輪出為高，反相 器6 04之輸出為低而反相器606之輸出為高，藉以啟動線 性電壓調整器306。該反相器606之輸出為應用於第3圖 中之線路318的linear一enable信號。若該信號為高，則該 線性電壓調整器400被啟動〇 若Vfet低於該比較器6’〇2之電流偵測位準，則一短路 保護事件已發生。在該短路保護事件之過程中，該線性電 壓調整器306自Vfet斷開而被輕接至電壓調整器3〇〇之輸 出的能量健存裝置308提供電源至該電池管理系統丨3〇， 如關於第3圖所述。更特言之，該比較器602之輸出降低、 該反相器604之輸出升高而反相器606之輸出降低，關閉 該線性電壓調整器306 〇 注意對於此多電池胞應用而言，該Linear —〇nly_Mode 信號324避免該步升電壓調整器3 〇4於該短路保護事件中 啟動。更特言之，在僅使用該線性模式之多電池胞應用中， 該Linear一Only-Mode信號324為高而反相器610之輸出為 低，迫使AND閘612之輸出為低並關閉該步升電壓調整器 3 04。注意AND閘612之輪出為第3圖令所示之 set一up一enable 信號 320 〇 單電池胞電池應用 在一單電池胞電池應用中，若Vfet高於該比較器602 23 200818656 在呑 Ο/ζ 乂占 、測位準’則該線性電壓調整器3〇6如前所 fet降至低於該比較器602之短路偵測位準 n於比較盗6 0 8之短路偵測位準（例如約為1 · 7 特（降低/升高）），則該線性電壓調整器3 〇6被關閉 升電C凋整器3 〇4被啟動。更特言之，比較器6〇8 為高、反相器604之輸出為高且反相器61〇之輸出 由於對於該AND閘612之所有三個輸入均為高，綉 的set一up一enable信號辱高，導致該步升電壓調整 被啟動，如第3圖中所示。注意該線性電壓調整器 ;反相器606之輸出為低（亦即該Hnear —enable信 為低）而被關閉。 若Vfet持續降至低於此單電池胞電池應用之短 位準，則該線性電壓調整器306維持被關閉而該步 調整器304亦被關閉。該線性電壓調整器3〇6及該 壓調整器304兩者之關閉有效地停止該電壓調整器 應調整電壓至晶片202。當該電壓調整器3〇〇不再 整電屋至該電池管理系統1 30時，耦揍至該電壓調璧 之輸出的能量儲存裝置308可供應電源至該電池管 統 1 3 〇 〇 電池保護處理 第7圖為一示範電池保護處理7〇〇的一流程圖 理7〇0之步驟不必然須以任何順序發生，且至少部 可同時發生。 該處理700由監控電池保護事件之電池電壓」 述被開 ，但保 -1 · 8 伏 而該步 之輸出 為1¾。 .路 3 2 0 「器 304 306由 i 號3 1 8 路偵測 升電壓 步升電 300供 供應調 卜器3 00 理器系 。該處 分步驟 I充電/ 24 200818656 放電電流開始（7 0 2 )。此可使用該電池保護電路2 〇 4及電 流感測電阻R所達成，如關於第2圖所述。該處理700偵 測一電池保護事件（704 )並相應地使該電池胞自該電壓調 整器斷開（706 )。電池保護事件之範例包括但不限於：放 電過程中的過低電壓、放電過程中的短路以及充放電過程 中的過高電流。注意該電池偵測步驟（704 )提供一電池保 護事件的預先指示。

在一短路狀態之過程中，一多電池胞應用中的每個電 池胞可降低至1伏特。若該電池系統必須支援單電池胞應 用’則此電壓為過低的。為了這些保護事件，該電壓調整 器可自我從該電池胞斷開以避免該能量儲存裝置透過該輸 入電壓線路没取電壓，如關於第4-6圖所述。在某些實施 中’當電池保護被啟動時，該電池保護電路可傳送一電池 保護中斷至該處理器（例如處理器202 )以啟動一第電源 模式之操作(708 )。若該電池保護事件在一預定時期後（例 如5 ms)仍然為動作中的（712)，則該電池胞將自該裝置 或充電器斷開，且該處理器將被通知該電池保護事件 上川)。若該電池保護事件不再動作或於預定時期：經過 前被移除（712 )，則該處理器將被通知且該正常操作將回 該些習知技藝人士將暸解 可做出許多改變而不會偏離本 此，該附加申請專利範圍意圖 精神及範圍之此種改變及修改 前述實施僅為示範性質，且 發明之實際精神及範圍。因 涵蓋所有符合本發明之實際 25

200818656 【圖式簡單說明】 第1 A圖為一示範電池組之一方塊8 第1 B圖為第1 A圖之電池組的一更 第2圖為一示範電池晶片的一方塊 第3圖為用於第2圖中所示之電池 線性及步升電壓調整器； 第4圖為用於第3圖中所示之結合 範線性電壓調整器； 第5圖為用於第3圖中所示之結合 範步升電壓調整器； 第6圖為用於第3圖中所示之電壓 選擇邏輯的一方塊圖；及 第7圖為一示範電池保護處理的一 【主要元件符號說明】 詳細概要圖； 圖； 晶片的一示範結合 電壓調整器的一示 電壓調整器的一示 調整器的示範模式 流程圖。

1 0 0電池組 102裝置 104充電器 106媒體 108導電媒體 110, 112電晶體 114電流感測電阻 26 200818656 120電池胞 1 3 0電池管理系統 140負極 1 5 0正極 1 7 0 中心點 202處理器

204電池保護電路 206電流流動控制器 210電源監管器 212充電偵測器 214時脈建立器 216埠 2 1 8記憶體 220參考電壓 222監控計時器 224資料匯流排 230介面 300, 600電壓調整器 302控制器 304步升電壓調整器 306, 400線性電壓調整器 308能量儲存裝置 3 1 2線路 3 1 8, 320啟動信號 200818656 3 24信號 4 02, 5 02錯誤放大器 404, 405, 406, 408，504, 506，508 切換器 410，5 12電阻網路 412, 5 14儲存電容 5 1 0充電幫浦 602比較器

604, 606, 610 反相器 612 AND 閘 700電池保護處理

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Claims (1)

1. 200818656 十、申請專利範圍： 1. 一電池系統，其至少包含： 一電池胞； 一電池保護電路，其耦接至該電池胞； 一處理器，其耦接至該電池保護電路以判定一電池 保護事件是否已發生；

   一電壓調整器電路，其耦接至該電池胞及該處理 器，該電壓調整器電路可用於提供電源至該處理器； 一能量儲存.裝置，其耦接至該電壓調整器，且可被 用於在該電池保護事件之過程中提供電源至該處理 器；及 一切換器，其耦接於該能量儲存裝置以及該電池胞 之間，該切換器可被用於選擇性地於該電池保護事件之 過程中自該電池胞斷開該能量儲存裝置。 2·如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該電池保護事 件為包括放電過程中短路以及充放電過程中過高電流 之多傭電池保護事件之一。 3. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該能量儲存裝 置為一電容。 4. 如申請專利範圍第l·項所述之系統，其中該切換器被包 括於該電壓調整器中。 5·如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該切換器為一 場效電晶體（FET)裝置。 6.用於一電池系統之一積體電路，其至少包含： 29 200818656 一電池保護電路，其用以被耦接至一電池胞； 一處理器，其耦接至該電池保護電路以判定一電池 保護事件是否已發生； 一電壓調整器電路，其耦接至該處理器且可用於提 供電、源至該處理器； 一能量儲存裝置，其耦接至該電壓調整器，其可被

   用於在該電池保護事件之過程中提供電源至該處理 器；及 ，一切換器，其耦接於該能量儲存裝置以及該電池胎 之間’該切換器可被用於選擇性地於該電池保護事件之 過程中自該電池胞斷開該能量儲存裝置。 7·如申請專利範圍第6項所述之系統， 株盔勹权‘ 其中該電池保護事 -匕括放電過程中路、充放 力雪、的~ 過程中過高電流以及 R I由咬宙 個電池保護事件之一 ‘ •如申明專利範圍第6項所述之系统 ^ - 恶也 而 其中該能量儲存裝 置為一電容。

   9.如申請專利範圍第石項所述之系统， 括於該電壓調整器中。 10· —電池保護方法，其至少包含以下 自一電壓調整器提供電源至— 理器’其中該電壓調整器被耦接.至〜 其中該切換器被包 步驟： 電池系統中的一處 電池胞並調整自該 電池胞接收之電壓以提供該電源至該電池系統 接收指示一電池保護事件的信說· 在該電池保護事件之過程中： 30 200818656 選擇性地自該電池胞斷開該電壓調整器；及 自麵接至該電池胞之一能量儲存裝置提供電 源至該處理器。 11.如申請專利範圍第1 0項所述之方法，更包含以下步驟： 在該電池保護事件之過程中，自該電池胞斷開該能 量儲存裝置。

   1 2 ·如申請專利範圍第1 0項所述之方法，更包含以下步驟： 送出一中斷（interrupt)至該處理器；及 因應該中斷而改變該處理器之一電源模式。 1 3 ·如申請專利範圍第1 2項所述之方法，其中改變該電源模 式之步驟包括改變為一低電源消耗模式。 1 4 ·如申請專利範圍第1 2項所述之方法，其中改變該電源模 式之步驟包括改變該電源模式為包括間置、省電、低電 源及關閉電源之多個電源模式中的一電源模式。 15. —種用於一電池系統的積體電路，其至少包含： 一電池保護電路，其用以被耦接至一電池胞； 一處理器，其被耦接至該電池保護電路且可被用於 自該電池保護電路接收信號以判定一電池保護事件是 否已發生； 一電壓調整器電路，其被耦揍至該處理器且可被用 於在電池保護事件外的時間過程中提佚電源至該處理 器；及 一能量儲存裝置，其耦接至該電壓調整器，其可被 用於在該電池保護事件之過程中提供電源至該處理器。 31 200818656 16. 如申請專利範圍第15項所述之系統，其中該電池保護電 路於偵測一 t池保護事件時送出一中斷至該處理器，而 該處理器因應該中斷信號改變為一低電源消耗模式。 17. 如申請專利範爵第15項所述之積體電路，更包含： 一切換器，其耦接於該能量儲存裝置及該電池胞之 間，該切換器可被用於在該電池保護事件之過程中自該 電池胞斷開該能量儲存裝置。

   1 8 ·如申請專利範圍第1 5項所述之積體電路，其中該電池保 護事件為包括放電過程中短路及充放電過程中過高電 流之多個電池保護事件中的一者。 1 9. 一電池保護方法，其至少包含以下步驟： 接收指示一電池保護事，件之信號； 提供一中斷信號至一處理器；及 因應該中斷信號而改變該處理器為一低電源消耗 模式。 2 0 ·如申請專利範圍第1 9項所述之方法，更包含以下步驟： 自一電壓調整器提供電源至談處理器，其中該電壓 調整器被耦接至一電池胞並調整自該電池胞接收之電 壓以提供該電源至該電池管理系統，該電壓調整器包括 一切換器，其可被用於在談電池保護事件過程中切換一 能量儲存裝置至該處理器。 32