一种大电流锂电池保护电路的制作方法

1.本实用新型涉及锂电池保护电路领域，尤其涉及一种适用于动力电池、储能电池等应用的大电流锂电池保护电路。


背景技术：

2.在各类锂电池产品或储能产品应用中，锂电池充放电保护电路设计是必不可少的。目前市场上很多锂电池保护芯片的mosfet驱动能力都是非常有限的(基本上都是几毫安、甚至于微安级别)，在大电流充放电应用场景，随着mos管并联数量的增加，锂电池保护芯片的驱动能力远远不足，根本驱动不了多组并联mos管，只能增加mos驱动芯片和电源芯片，并设计专门的mos驱动和驱动供电电路才能实现大电流充放电应用。
3.而增加专门的mos驱动芯片和驱动供电电路设计，虽然能解决保护芯片驱动不足问题，但同样存在以下困扰：
4.(1)因锂电池保护芯片输出逻辑和充、放电mosfet串并联连接方式的特殊性，使增加专用的mos驱动和驱动电源供电电路技术设计难度很大，极易出现因驱动设计不合理造成的充放电mos开启或关断不正常、mos发热严重等问题，特别是在过流和短路等大电流保护时，直接造成mos炸管损坏，甚至着火的隐患；
5.(2)因锂电池保护电路是始终连接在锂电池上的，所以，所有保护芯片设计的静态功耗都是非常低的(ua级别)，以满足锂电池产品的长时间待机、存放和使用；而增加mos驱动和驱动供电电路后，驱动和驱动供电电路功耗会明显增加(可能到ma级别，甚至几十ma)，极易造成锂电池产品待机、存放时间短，甚至电池短时间内直接耗尽而损坏，这在锂电池产品应用中是致命的；
6.(3)增加mos驱动和驱动供电电路设计后，使设计成本和材料成本明显增加，造成产品出来后因成本太高而销售困难的问题，这在成本竞争激烈的现今，特别是低成本、大电流应用的一些锂电池产品设计中是不允许的。
7.在大电流充放电应用场景由于主开关电路mos管中的电荷的积蓄和泄放问题，会影响主开关电路mos管的快速开通和关断，影响电路的稳定性。


技术实现要素：

8.有鉴于现有技术的上述缺陷，本实用新型的目的是提供一种低成本的大电流锂电池保护电路，解决充电控制引脚、放电控制引脚驱动能力不足的问题，及主开关电路的mos管不能高速开关的问题。
9.为实现上述目的，本实用新型提供了一种大电流锂电池保护电路，包括锂电池保护芯片、放电mos管驱动电路、充电mos管驱动电路和充放电主开关电路，所述充电mos管驱动电路分别和所述锂电池保护芯片的充电控制引脚、所述充放电主开关电路连接，所述放电mos管驱动电路分别和所述锂电池保护芯片的放电控制引脚、所述充放电主开关电路连接，包括放大电路和电荷泄放电路，所述放大电路用于在所述充电控制引脚、放电控制引脚
输出高电平时，增强其驱动能力；所述电荷泄放电路用于在所述充电控制引脚、放电控制引脚输出低电平时，快速泄放充放电主开关电路的mos管中的电荷，以对mos管进行快速关断。
10.进一步的，所述放电mos管驱动电路，包括第一放大电路和第一电荷泄放电路，
11.所述第一放大电路包括输入端、输出端和控制端，其输入端和电源端(vcc)连接；其控制端和放电控制引脚连接；其输出端和第一电荷泄放电路连接；
12.所述第一电荷泄放电路包括第一二极管(d9)、第二三极管(q21)、第三三极管(q24)、第一电阻(r41)、第二电阻(r46)和第三电阻(r47)；
13.第二三极管(q21)为pnp三极管；其集电极和第三三极管(q24)的基极连接，并通过第二电阻(r46)和电源虚地(pgnd)连接；其基极和第一三极管(q17)的发射极、第三三极管(q24)的集电极连接；其集电极通过第三电阻(r47)和电源虚地(pgnd)连接，并通过电阻连接到充放电主开关电路中各放电mos管的栅极；
14.第三二极管(q24)为npn三极管，其发射极和电源虚地(pgnd)连接，其集电极通过第一电阻(r41)和电源虚地(pgnd)连接；
15.电源虚地(pgnd)通过采样电阻和电池负极(b-)连接。
16.进一步的，所述第一放大电路包括第一三极管(q17)；所述第一三极管(q17)为npn三极管，其集电极通过电阻和电源端(vcc)连接；其基极通过第一分压滤波电路和锂电池保护芯片的放电控制引脚(dsg)连接，所述第一分压滤波电路的接地端和所述锂电池的电源虚地(pgnd)连接。
17.进一步的，所述第一三极管(q17)为达林顿三极管，或由两个三极管组成的达林顿式三极管。
18.进一步的，所述充电mos管驱动电路包括第二放大电路和第二电荷泄放电路；
19.所述第二放大电路用于放大充电控制引脚的驱动能力，包括输入端、输出端和控制端，其输入端和电源端(vcc)连接；其控制端和充电控制引脚连接；其输出端和第二电荷泄放电路连接；
20.所述第二电荷泄放电路包括：第三二极管(d8)、第五三极管(q6)、第六三极管(q7)、第二二极管(d7)、第三二极管(d8)、第四电阻(r9)、第五电阻(r13)和第六电阻(r15)；
21.第二二极管(d7)的阳极和所述第二放大电路的输出端连接；
22.第三二极管(d8)，其阳极和第二二极管(d7)的阴极、第五三极管(q6)的基极、第六三极管(q5)的集电极连接，并通过第四电阻(r9)和电池包负极(p-)连接；
23.第五三极管(q6)为pnp三极管，其发射极和第三三极管(d8)的阴极连接，并通过第六电阻(r15)和电池包负极(p-)连接，及通过电阻和充电mos管的栅极连接；其集电极和第六三极管(q5)的基极连接，并通过第五电阻(r13)和电池包负极(p-)连接；
24.第六三极管(q5)为npn三极管，其发射极和电池包负极(p-)连接。进一步的，所述第二放大电路包括第四三极管(q4)，第四三极管(q4)为npn三极管，其集电极通过电阻和电源端(vcc)连接；其基极通过第二分压滤波电路和锂电池保护芯片的充电控制引脚(chg)连接，其发射极为所述第二放大电路的输出端；所述第二分压滤波电路的接地端和电池包负极(p-)连接。
25.进一步的，所述第四三极管(q4)为达林顿三极管，或由两个三极管组成的达林顿式三极管。
26.进一步的，所述大电流锂电池保护电路还包括负载检测和充电检测电路；所述负载检测和充电检测电路包括第七三极管(q1)、第八三极管(q2)、第四二极管(d3)、第五二极管(d5)、第六二极管(d6)；
27.第七三极管(q1)为pnp三极管，其发射极和电池包正极(p+)连接，其基极通过电阻和第四二极管(d3)的阳极连接，其集电极和第五二极管(d5)的阳极连接；
28.第五二极管(d5)的阴极和第六二极管(d6)的阴极连接，并通过电阻和锂电池保护芯片(u1)的电压检测引脚(vm)连接；
29.第六二极管(d6)的阳极和汇聚点mos_m连接，并通过电阻和第八三极管(q2)的基极连接；所述汇聚点mos_m为充放电主开关电路中，并联的充电mos管的漏级和并联的放电mos管的漏级的连接点；充放电主开关电路中，并联的充电mos管的源极和电池包负极(p-)连接；并联的放电mos管的源极和电源虚地(pgnd)连接；
30.第八三极管(q2)为npn三极管，其集电极和第四二极管(d3)的阴极连接，其发射极和电池包负极(p-)连接。
31.本实用新型实现了如下技术效果：
32.本电路提供了一组由放大电路和电荷泄放电路组成的放电mos管驱动电路和充电mos管驱动电路，上述mos驱动电路和锂电池保护芯片的驱动逻辑相同，具有强劲的驱动能力，实现对充放电主开关电路中多组并联mos管的驱动，并能快速泄放充放电主开关电路中mos管中的电荷，从而达到快速、有效开通和关断充放电主开关电路中多组并联的mos管、实现大电流应用和保护的目的。
33.该电路由常规的二极管、三极管和阻容器件组成，设计简单，不需要额外的驱动供电功耗，控制逻辑与原锂电池保护芯片一致，且增加的材料成本极少。
附图说明
34.图1是采用专用芯片驱动的大电流锂电池保护电路的电路原理图；
35.图2是本实用新型的大电流锂电池保护电路的电路原理图；
36.图3是图2中放电mos管驱动电路部分的放大图；
37.图4是图2中充电mos管驱动电路部分的放大图。
具体实施方式
38.为进一步说明各实施例，本实用新型提供有附图。这些附图为本实用新型揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本实用新型的优点。
39.现结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步说明。
40.图1是一种基于专用芯片驱动电路的大电流锂电池保护电路示例。该大电流锂电池保护电路，由锂电池保护芯片及其周边电路10、电池电压采集及电芯动态均衡电路60、负载检测和充电检测电路50、放电mos管驱动电路30、充电mos管驱动电路40、充放电主开关电路20、吸收电路、充放电电流采样电路和驱动供电电路70等电路组成。在图1中，u1为锂电池保护芯片，可通过其17pin、18pin对内部各种保护参数进行调整和配置；q3、q7、q10、q18及
相关阻容器件组成电池电压采集及电芯动态均衡电路60；q1、q2、d3、d5、d6和r2、r4、r5组成负载检测和充电检测电路50；q8、q9、q11-q16、q19-q20、q22-q23、q25-q26和各栅极电阻组成充放电主开关电路20；c19、c20、d10和d11组成吸收电路；rs1-rs7、r34-r35和c13组成充放电电流采样电路，j2连接温度保护器件ntc。放电mos管驱动电路30采用如sct51240等高速mosfet/igbt栅极驱动器、充电mos管驱动电路40采用如sct51240等高速mosfet/igbt栅极驱动器，且需要单独的驱动供电电路70(由u4及其周边器件组成)来提供放电mos管驱动电路30和充电mos管驱动电路40的电源vdd，成本较高。
41.如图2所示，本实用新型提供了一种低成本的大电流锂电池保护电路。相对于图1，在放电mos管驱动电路30、充电mos管驱动电路40做了优化，且不需要图1中驱动供电电路70。
42.图3为放电mos管驱动电路30。具体的，可将放电mos管驱动电路30分为第一放大电路和第一电荷泄放电路。其中，第一放大电路由q17、r36、r44、c18和r45等元器件组成。第一电荷泄放电路由d9、q21、q24、r41、r46和r47等元器件组成。q17为npn三极管，q21为pnp三极管，q24为npn三极管。
43.在本实施例中，u1的第13脚(dsg，放电控制引脚)输出放电驱动信号。当放电驱动信号为高电平时，q17导通，放大驱动电流。在本实施例中，驱动电压vcc直接来自电池正极b+(通过d1)，而放电驱动信号经过q17电流放大，驱动能力大幅提升(通过改变r36值可以调整驱动能力)，经d9加到所有放电mos管(如q8、q11、q13等)的g极，保证放电mos管快速并高效导通；当驱动信号为低电平时，q17和d9截止，所有并联放电mos管g极电荷通过q21发射极和电阻r41使q21、q24瞬间导通并自锁，直接将所有并联放电mos管的gs电荷快速放空，确保所有放电mos管的快速并高效关断。
44.在为放电mos管驱动电路30中，r44、c18和r45组成的电路，对输入的dsg信号起到低通滤波(防抖)和分压等作用。
45.图4为充电mos管驱动电路40。具体的，可将充电mos管驱动电路40分为第二放大电路和第二电荷泄放电路。第二放大电路由q4、r7、r8、c10、r14等元器件组成。第二电荷泄放电路由q5、q6、d7、d8、r9、r13和r15等元器件组成。
46.在本实施例中，u1的第23脚(chg，充电控制引脚)输出充电驱动信号。当充电驱动信号为高电平时，q4导通，放大驱动电流。驱动电压vcc同样直接来自电池正极b+(通过d1)，而充电驱动信号经过q4电流放大，驱动能力大幅提升(通过改变r8值可以调整驱动能力)，经d7、d8加到所有充电mos管g极，保证充电mos管(q9、q12、q14等)快速并高效导通；当u1的第23脚为高阻态无输出时，q4、d7和d8截止，所有并联充电mos管g极电荷通过q6发射极和电阻r9，使q6、q5瞬间导通并自锁，直接将所有并联充电mos管的gs电荷快速放空，确保所有充电mos管的快速并高效关断。
47.在为充电mos管驱动电路40中，r7、c10和r14组成的电路，对输入的充电驱动信号起到低通滤波(防抖)和分压等作用。
48.在本实施例中，锂电池保护芯片的型号为oz7706，该锂电池保护芯片是锂离子或锂聚合物二次电池的过充、过放电和过流保护集成电路，可检测到3至5个串联电池的过充电、过放电、充电过流和放电过流，提供全面的锂电池的充放电控制能力。在具体应用中，本领域技术人员还可以采用oz77205、r5436等型号的锂电池保护芯片以实现类似的功能。
49.本实用新型是在分析锂电池保护芯片控制逻辑的基础上，通过增加由常规的二极管、三极管和阻容器件组成的充电及放电驱动电路，提供与原锂电池保护芯片的驱动逻辑相同，而驱动能力强劲的充电控制信号和放电控制信号，从而实现对充放电主开关电路中并联的充电mos管和并联的放电mos管的驱动，并能快速泄放充放电主开关电路中mos管中的电荷，达到快速、有效开通和关断充放电主开关电路中的主mos管，实现大电流应用和保护的目的。该电路设计简单，不需要额外的驱动供电功耗，控制逻辑与原锂电池保护芯片一致，且增加的材料成本极少。
50.尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本实用新型，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本实用新型的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本实用新型做出各种变化，均为本实用新型的保护范围。

技术特征：
1.一种大电流锂电池保护电路，包括锂电池保护芯片、放电mos管驱动电路、充电mos管驱动电路和充放电主开关电路，其特征在于：所述充电mos管驱动电路分别和所述锂电池保护芯片的充电控制引脚、所述充放电主开关电路连接，所述放电mos管驱动电路分别和所述锂电池保护芯片的放电控制引脚、所述充放电主开关电路连接，包括放大电路和电荷泄放电路，所述放大电路用于在所述充电控制引脚、放电控制引脚输出高电平时，增强其驱动能力；所述电荷泄放电路用于在所述充电控制引脚、放电控制引脚输出低电平时，快速泄放充放电主开关电路的mos管中的电荷，以对mos管进行快速关断。2.如权利要求1所述的大电流锂电池保护电路，其特征在于：所述放电mos管驱动电路，包括第一放大电路和第一电荷泄放电路，所述第一放大电路包括输入端、输出端和控制端，其输入端和电源端(vcc)连接；其控制端和放电控制引脚连接；其输出端和第一电荷泄放电路连接；所述第一电荷泄放电路包括第一二极管(d9)、第二三极管(q21)、第三三极管(q24)、第一电阻(r41)、第二电阻(r46)和第三电阻(r47)；第二三极管(q21)为pnp三极管；其集电极和第三三极管(q24)的基极连接，并通过第二电阻(r46)和电源虚地(pgnd)连接；其基极和第一三极管(q17)的发射极、第三三极管(q24)的集电极连接；其集电极通过第三电阻(r47)和电源虚地(pgnd)连接，并通过电阻连接到充放电主开关电路中各放电mos管的栅极；第一二极管(d9)为肖特基二极管，其阳极和第一三极管(q17)发射极连接，其阴极和第二三极管(q21)的发射极连接；第三二极管(q24)为npn三极管，其发射极和电源虚地(pgnd)连接，其集电极通过第一电阻(r41)和电源虚地(pgnd)连接；电源虚地(pgnd)通过采样电阻和电池负极(b-)连接。3.如权利要求2所述的大电流锂电池保护电路，其特征在于：所述第一放大电路包括第一三极管(q17)；所述第一三极管(q17)为npn三极管，其集电极通过电阻和电源端(vcc)连接；其基极通过第一分压滤波电路和锂电池保护芯片的放电控制引脚(dsg)连接，所述第一分压滤波电路的接地端和所述锂电池的电源虚地(pgnd)连接。4.如权利要求3所述的大电流锂电池保护电路，其特征在于：所述第一三极管(q17)为达林顿三极管，或由两个三极管组成的达林顿式三极管。5.如权利要求1所述的大电流锂电池保护电路，其特征在于：所述充电mos管驱动电路包括第二放大电路和第二电荷泄放电路；所述第二放大电路用于放大充电控制引脚的驱动能力，包括输入端、输出端和控制端，其输入端和电源端(vcc)连接；其控制端和充电控制引脚连接；其输出端和第二电荷泄放电路连接；所述第二电荷泄放电路包括：第三二极管(d8)、第五三极管(q6)、第六三极管(q7)、第二二极管(d7)、第三二极管(d8)、第四电阻(r9)、第五电阻(r13)和第六电阻(r15)；第二二极管(d7)的阳极和所述第二放大电路的输出端连接；第三二极管(d8)，其阳极和第二二极管(d7)的阴极、第五三极管(q6)的基极、第六三极管(q5)的集电极连接，并通过第四电阻(r9)和电池包负极(p-)连接；第五三极管(q6)为pnp三极管，其发射极和第三三极管(d8)的阴极连接，并通过第六电
阻(r15)和电池包负极(p-)连接，及通过电阻和充电mos管的栅极连接；其集电极和第六三极管(q5)的基极连接，并通过第五电阻(r13)和电池包负极(p-)连接；第六三极管(q5)为npn三极管，其发射极和电池包负极(p-)连接。6.如权利要求5所述的大电流锂电池保护电路，其特征在于：所述第二放大电路包括第四三极管(q4)，第四三极管(q4)为npn三极管，其集电极通过电阻和电源端(vcc)连接；其基极通过第二分压滤波电路和锂电池保护芯片的充电控制引脚(chg)连接，其发射极为所述第二放大电路的输出端；所述第二分压滤波电路的接地端和电池包负极(p-)连接。7.如权利要求6所述的大电流锂电池保护电路，其特征在于：所述第四三极管(q4)为达林顿三极管，或由两个三极管组成的达林顿式三极管。8.如权利要求1所述的大电流锂电池保护电路，其特征在于：还包括负载检测和充电检测电路；所述负载检测和充电检测电路包括第七三极管(q1)、第八三极管(q2)、第四二极管(d3)、第五二极管(d5)、第六二极管(d6)；第七三极管(q1)为pnp三极管，其发射极和电池包正极(p+)连接，其基极通过电阻和第四二极管(d3)的阳极连接，其集电极和第五二极管(d5)的阳极连接；第五二极管(d5)的阴极和第六二极管(d6)的阴极连接，并通过电阻和锂电池保护芯片(u1)的电压检测引脚(vm)连接；第六二极管(d6)的阳极和汇聚点mos_m连接，并通过电阻和第八三极管(q2)的基极连接；所述汇聚点mos_m为充放电主开关电路中，并联的充电mos管的漏级和并联的放电mos管的漏级的连接点；充放电主开关电路中，并联的充电mos管的源极和电池包负极(p-)连接；并联的放电mos管的源极通过电流采样电阻和电池负极(b-)连接；第八三极管(q2)为npn三极管，其集电极和第四二极管(d3)的阴极连接，其发射极和电池包负极(p-)连接。

技术总结
本实用新型公开了一种大电流锂电池保护电路，包括锂电池保护芯片、放电MOS管驱动电路、充电MOS管驱动电路和充放电主开关电路，充电MOS管驱动电路分别和锂电池保护芯片的充电控制引脚、充放电主开关电路连接，放电MOS管驱动电路分别和锂电池保护芯片的放电控制引脚、充放电主开关电路连接，包括放大电路和电荷泄放电路，其中，放大电路用于在充电控制引脚、放电控制引脚输出高电平时，增强其驱动能力；电荷泄放电路用于在充电控制引脚、放电控制引脚输出低电平时，快速泄放充放电主开关电路的MOS管中的电荷，以对MOS管进行快速关断。上述充电、放电MOS管驱动电路与锂电池保护芯片的驱动逻辑一致，且不需要额外的驱动供电功耗，增加的材料成本极少。增加的材料成本极少。增加的材料成本极少。


技术研发人员：吴玉锋
受保护的技术使用者：量道（厦门）新能源科技有限公司
技术研发日：2023.05.23
技术公布日：2023/9/16