使用升压时钟的单功率晶体管电池充电电路制造技术

充电／放电保护电路保护电池免受在充电器节点上发生的疏忽短路，充电器节点可能连接到一个充电器或连接到一个便携式电子装置的供电电源。单个ｎ－通道功率晶体管有一个栅极，其控制电池和充电器节点之间的一个通道。该栅极通过一个栅耦合晶体管被连接到充电器节点以关闭功率晶体管，并提供电池隔离。该栅极通过一个开关由一个升压时钟驱动，该开关由一个选通信号激活。选通信号同样激活一个接地晶体管以将栅耦合晶体管的一个栅极接地。一个比较器比较充电器和电池节点的电压，并且比较结果被锁存以产生选通信号。一个逆选通信号激活第二开关，第二开关驱动升压时钟到栅耦合晶体管的栅极以关闭该功率晶体管。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电池充电器，特别涉及使用晶体管的充电和放电调节电路。
技术介绍
各种小型便携式电子装置都依赖电池供电。调节器电路 (regulator circuit)可以被用来控制电池的充电和放电。调节器电路可以允 许外部充电器对电池进行脉冲充电而不是持续地充电，从而能够减少热量 并赢得时间给电池在充电脉冲之间冷却。充电脉冲的脉冲率和脉宽可以被 调整以控制温度。当电池供电给便携式电子装置时，调节器电路也可以被用来调 节电池放电。调节器电路可以有一个功率晶体管，其被打开和关闭以调节 供电电压。被调节的供电电压可以与一个基准电压进行比较，并被反馈到 调节器电路以控制功率晶体管。例如，当被调节的供电电压太低时，功率 晶体管被打开，而当被调节的供电电压位于或高于目标电压时，功率晶体 管被关闭。图1显示一个现有技术的电池充电系统。电池208被功率晶体 管210保护，其具有由充电/放电调节器206控制的栅极。电池208可以驱 动负载204，其可以是一个便携式电子电路或装置。当连接到充电器202 时，充电器202可以驱动负载204，并驱动充电电流穿过功率晶体管210 同时对电池208进行充电。功率晶体管210可以是一个具有寄生二极管212的p-通道晶体 管，例如从P+漏极到N-阱基板。二极管212可以保护电池208免受因疏 忽引起的放电。当便携式电子装置放在用户口袋内，并且其充电端子恰好 被口袋里的金属钥匙短路时，就会发生钥匙链问题(key-chainproblem)。 图1充电/放电调节器206左边的两个端子的短路可导致电池208迅速地放电，除非二极管212能够阻断这么大的放电电流。因此，二极管212能够 提供一些保护预防钥匙链问题。但是，二极管212不能保护免受其它方向上的强电流。如果错 误地连接到错误型号的充电器202，强电流会流经二极管212到电池208， 即使是在功率晶体管210被关闭的时候。这种强电流可能会损坏电池208。图2显示一个具有两个串联的功率晶体管的现有技术的电池 充电系统。第二功率晶体管216与功率晶体管210串联在一起。充电/放电 调节器206控制两个功率晶体管210、 216。第二寄生二极管214与功率晶 体管216—起。第二寄生二极管214可以是从P+源极到N-阱，而寄生二 极管212是从P+漏极到N-阱。由于第二寄生二极管214与寄生二极管212的方向相反，当通 过充电/放电调节器206关闭功率晶体管210、 216时，任何一个方向上的 电流都被阻断。保护电池208免受由于钥匙链短路引起的快速放电和由于 充电器202引起的快速充电电流。充电器202可能不是一个智能充电器， 所以可能会提供过强的充电电流。虽然使用时比较有效，但并不希望具有两个串联的功率晶体管 210、 216，因为增加了有效ON-阻抗，而且需要一个更大的晶体管尺寸。 由于调节器功率晶体管210、216的较大阻抗降低了提供给负载204的供电 电压，并增加了功率损失和发热，所以电池充电器越发低效。期望有一个电池调节器系统，其仅使用单个功率晶体管。期望 有一个单功率晶体管充电调节器，其仍然能够提供保护免受由钥匙链问题 引起的疏忽短路，以及避免强充电电流对电池造成的损坏。 一个不会出现 闩锁问题(latch-upproblem)的充电调节器同样也是令人期待的。附图说明图1显示一个现有技术的电池充电系统；0012]图2显示一个具有两个串联的功率晶体管的现有技术的电池充电系统；图3是一个单向升压的电池充电调节器的示意图； 图4是一个双向升压的电池充电调节器的示意图； 图5是一个传递升压时钟的开关的结构图； 图6是一个传递升压时钟的双向保护开关的结构图； 图7是一个升压器的结构图； 图8是图3升压电池充电调节器的运作波形。 专利技术详述本专利技术涉及改善的电池充电调节器。以下描述使本领域技术人 员能够制作并使用在具体应用及其要求的上下文里提供的本专利技术。对优选 实施例的各种改进，对本领域技术人员来说是显而易见的，在此所定义的 一般原理也可以实施到其它实施例。所以，本专利技术并不受限于在此所示和 所述的特定实施例，而是属于与在此披露的原理和新颖特征一致的最大范 围内。图3是一个单向升压电池充电调节器的示意图。图3电路能够 替换图1的功率晶体管210和充电/放电调节器206，并运行保护连接到节 点B的电池，其由节点A上的充电器进行充电，或驱动节点A上的一个 负载电路。功率晶体管250是一个n-通道晶体管，其调节节点A、 B之间 的电流。寄生二极管可以与功率晶体管250—起，只是图中未显示，如N十 源极/漏极到P-型阱或基板二极管(substrate diode)。晶体管250、 252、 254、 255、 259的衬底极(bulkterminal)都接地。时钟CLK驱动升压器240，其使用一个电荷泵(chargepump) 或其它升压电路来产生一个升压的时钟HCK。例如，HCK可以有一个较 高电平，其是晶体管阈值，高于VDD或VDD + Vtn。当EN高且ENB低 时，此升压时钟HCK通过开关234而施加到功率晶体管250的栅极，而 当ENB高而EN低时，通过开关232而施加到栅耦合晶体管(gate-coupling transistor) 252的栅极。 HCK升压驱动功率晶体管250或栅耦合晶体管252的栅极到一 个大约VDD + Vtn的升压。这样会过压驱动栅极，增高栅源电压 (gate-to-source voltage),从而增强流经晶体管的电流。有效ON阻抗通过 过压驱动栅极也得以降低。因此，可以使用较小的晶体管尺寸来降低面积 和成本。在节点A、 B之间有单个功率晶体管250而不是有两个串联晶 体管同样有助于降低面积、成本和ON阻抗。使用功率晶体管250的n-通 道而不是p-通道也有助于降低面积、成本和ON阻抗，因为在n-通道晶体 管内电子迁移率大约是p-通道晶体管内空穴迁移率的两倍。节点A、 B的电压由比较器226进行比较，比较器可以是一个 运算放大器(op amp)或其它差分比较器(differential comparator)。当节 点A的电压大于节点B的电压时，比较器226驱动AGB至高，其是到触 发器(flip-flop) 228的D输入。触发器228是由时钟CLK进行时钟控制， 并在AGB状态时锁存而驱动其Q、 QB输出。高AGB驱动EN至高和ENB至低。高EN打开开关234，开 关234连接HCK到栅极节点NG1 ，NG1是功率晶体管250的栅极。低ENB 关闭开关232，从而HCK不被驱动到节点NG2。相反，高EN被施加到接 地晶体管254的栅极，接地晶体管254打开以驱动节点NG2到地。由于栅 耦合晶体管252的栅极NG2很低，栅耦合晶体管252关闭。充电电流从节 点A流经功率晶体管250到节点B。没有寄生二极管正向偏压传递一个不 需要的强电流。当使用一个N-阱过程时，寄生二极管的一个端口被接地。ii当比较器226确定节点A的电压比节点B低时，AGB为低。 低AGB驱动ENB至高和EN至低。高ENB打开开关232，开关232连接 HCK到第二栅极节点NG2, NG2是栅耦合晶体管252的栅极。低EN本文档来自技高网...

【技术保护点】
一个电池保护电路，包括：　一个电池节点，用来连接到一个电池端口；　一个充电器节点，用来连接到一个对电池充电的充电器端口；　一个功率晶体管，其有一个通道连接在电池节点和充电器节点之间，以及有一个控制所述通道的栅极，所述栅极被 连接到第一栅极节点；　一个比较器，其有被连接到电池节点和充电器节点的输入，用来从电池节点和充电器节点之间的电压差而产生一个比较输出；　一个控制电路，其从比较器的接收比较输出，并产生第一选通信号和第二选通信号；　一个升压器， 其接收一个时钟，用来产生一个升压时钟，所述升压时钟的电压高于所述时钟的电压；　第一开关，从升压器接收升压时钟，施加所述升压到第一栅极节点以回应第一选通信号；　一个栅耦合晶体管，其有一个通道连接在充电器节点和第一栅极节点之间，以及 有一个控制所述通道的栅极，所述栅极被连接到第二栅极节点；　第二开关，从升压器接收升压时钟，施加所述升压时钟到第二栅极节点以回应第二选通信号；和　一个接地晶体管，当第二开关没有施加升压时钟到第二栅极节点时，其连接第二栅极节点到接地 ；　当第二选通信号被激活并且第一选通信号未激活时，所述功率晶体管被栅耦合晶体管偏压而关闭并隔离电池节点和充电器节点。...

【技术特征摘要】
US 2008-12-16 12/336,5141.一个电池保护电路，包括一个电池节点，用来连接到一个电池端口；一个充电器节点，用来连接到一个对电池充电的充电器端口；一个功率晶体管，其有一个通道连接在电池节点和充电器节点之间，以及有一个控制所述通道的栅极，所述栅极被连接到第一栅极节点；一个比较器，其有被连接到电池节点和充电器节点的输入，用来从电池节点和充电器节点之间的电压差而产生一个比较输出；一个控制电路，其从比较器的接收比较输出，并产生第一选通信号和第二选通信号；一个升压器，其接收一个时钟，用来产生一个升压时钟，所述升压时钟的电压高于所述时钟的电压；第一开关，从升压器接收升压时钟，施加所述升压到第一栅极节点以回应第一选通信号；一个栅耦合晶体管，其有一个通道连接在充电器节点和第一栅极节点之间，以及有一个控制所述通道的栅极，所述栅极被连接到第二栅极节点；第二开关，从升压器接收升压时钟，施加所述升压时钟到第二栅极节点以回应第二选通信号；和一个接地晶体管，当第二开关没有施加升压时钟到第二栅极节点时，其连接第二栅极节点到接地；当第二选通信号被激活并且第一选通信号未激活时，所述功率晶体管被栅耦合晶体管偏压而关闭并隔离电池节点和充电器节点。2. 根据权利要求1所述的电池保护电路，其中当第一选通信号未激活时通过提供一个高阻抗输出到第一栅极节点，第一开关隔离第一栅极节点和升压时钟；其中当第二选通信号未激活时通过提供一个高阻抗输出到第二栅极节点，第二开关隔离第二栅极节点和升压时钟；由此当未激活时，高阻抗输出是由第一开关和第二开关提供。3. 根据权利要求2所述的电池保护电路，其中功率晶体管是一个n-通 道晶体管。4. 根据权利要求3所述的电池保护电路，其中栅耦合晶体管和接地晶 体管是n-通道晶体管。5. 根据权利要求4所述的电池保护电路，其中充电器节点也连接到一 个便携式电子装置的一个供电输入，当功率晶体管被激活时便携式电子装 置是由电池供电。6. 根据权利要求1所述的电池保护电路，其中控制电路还包括 一个锁存器，用来存储比较器的比较输出，锁存器产生第一选通信号和第二选通信号。7. 根据权利要求6所述的电池保护电路，其中锁存器是一个由时钟控 制的触发器。8. 根据权利要求1所述的电池保护电路，其中控制电路还产生第三选 通信号；其中在一个连接第一状态期间，控制电路激活第一选通信号并使第二 选通信号和第三选通信号未激活；其中在一个隔离第二状态期间，控制电路激活第二选通信号并使第一 选通信号和第三选通信号未激活；其中在一个隔离第三状态期间，控制电路激活第三选通信号并使第一 选通信号和第二选通信号未激活。9. 根据权利要求8所述的电池保护电路，其中控制电路还包括一个方向控制输入，其指示流经功率晶体管的通道里一个预期电流流 动的方向；其中当方向控制输入指示一个正向方向时，当比较输出处于真(True)状态时，控制电路激活连接第一状态，而当比较输出处于伪 (False)状态时，控制电路激活隔离第二状态；其中当方向控制输入指示一个反向方向时，当比较输出处于伪 (False)状态时，控制电路激活连接第一状态，而当比较输出处于真 (True)状态时，控制电路激活隔离第三状态；由此隔离第二状态被激活用于正向方向，而隔离第三状态被激活用于 反向方向。10. 根据权利要求9所述的电池保护电路，还包括 一个逆栅耦合晶体管(reverse gate-coupling transistor),有一个通道连接在电池节点和第一栅极节点之间连接，以及有一个控制该通道的栅极， 栅极被连接到第三栅极节点；第三开关，从升压器接收升压时钟，并施加该升压时钟到第三栅极节 点以回应第三选通信号；和一个逆接地晶体管，当第三开关没有施加升压时钟到第三栅极节点时， 其连接第三栅极节点到接地；由此功率晶体管被逆栅耦合晶体管偏压，以在第三选通信号被激活时 而关闭。11. 根据权利要求IO所述的电池保护电路，其中逆栅耦合晶体管和逆 接地晶体管是n-通道晶体管。12. —个放电保护器，包括 一个外部节点； 一个保护节点；一个n-通道功率晶体管，其有一个栅极被连接到第一栅极节点、 一个 漏极被连接到该外部节点、以及一个源极被连接到该保护节点；一个栅耦合晶体管，有一个栅极被连接到第二栅极节点、 一个漏极被 连接到外部节点、以及一个源极被连接到第一栅极节点；一个接地晶体管，其有一个栅极至少部分地是由第一选通信号控制、 一个漏极被连接到第二栅极节点、以及一个源极被连接到接地节点；一个控制电路，其产生第...

【专利技术属性】
技术研发人员：邝国权，王一涛，温皓明，吴植伟，
申请(专利权)人：香港应用科技研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：HK[中国|香港]