电压检测电路、电池保护电路及系统的制作方法

测量装置的制造及其应用技术电压检测电路、电池保护电路及系统【技术领域】1.本实用新型涉及集成电路技术领域，特别涉及一种电压检测电路、电池保护电路及系统。背景技术：2.请参考图1所示，其为现有技术中的一种电池保护电路里实现充电过压检测的电压检测模块的电路示意图，其中包括pmos管mp1、运算放大器op、比较器comp、电阻r1～r5、pnp管q1、q2。运算放大器op调整使得op正负输入端的电压相等，因此a点的电压等于q2的发射极电压，也等于vbe2(即q2的基极-发射极电压)。b点的电压等于q1的发射极电压，也等于vbe1(即 q1的基极-发射极电压)，电阻r3上的电压等于a点和b点电压之差，即 (vbe2-vbe1)，此电压为正温度系数的电压。由于电阻r3与电阻r1电流相等，因此电阻r1上的电压等于(vbe2-vbe1).r1/r3，其中，vbe2为q2的基极-发射极电压，vbe1为q1的基极-发射极电压，r1为电阻r1的电阻值，r3为电阻 r3的电阻值。可见，电阻r1上的电压也是正温度系数的电压。由于a点的电压为vbe2，为负温度系数电压，bg点的电压等于a点电压加电阻r1上的电压，因此，bg点的电压为负温度系数电压加正温度系数电压，通过合适设计可以让bg为零温度系数电压。vin电压为电池电压，经过电阻r4和r5分压后，产生c点电压与bg点电压比较，当c点电压大于bg点电压时，比较器comp 输出信号oc输出高电平，表示出现充电过压情况；当c点电压小于bg点电压时，比较器comp输出信号oc输出低电平，表示未出现充电过压情况。等效的充电过压阈值是vbg.(r4+r5)/r5，其中vbg为bg点的电压值，r4为电阻 r4的电阻值，r5为电阻r5的电阻值。由于vbg为零温度系数的电压值，因此充电过压阈值也是零温度系数的电压。由于运算放大器op存在输入失配电压，将导致bg电压不准确，因此影响电池保护电路中充电过压检测的保护阈值精度，例如，vbg＝vbe1+[(vbe2-vbe1)+vos].r1/r3，vos为运算放大器op的等效输入失调电压。由于比较器comp也存在输入失配电压，也将直接影响电池保护电路中充电过压检测的保护阈值精度。[0003]为了进一步提高充电过压检测的阈值精度，有必要对图1进行改进。技术实现要素：[0004]本实用新型的目的在于提供一种电压检测电路、电池保护电路及系统，其可以进一步提高充电过压检测的阈值精度，从而提高电池安全性。[0005]根据本实用新型的一个方面，本实用新型提供一种电压检测电路，其包括：参考电压产生电路，其用于产生参考电压，其包括运算放大器op、双极型晶体管q1、双极型晶体管q2、双极型晶体管q3和双极型晶体管q4，所述双极型晶体管q3的第一连接端与所述连接节点b相连，其第二连接端接地，其控制端与所述双极型晶体管q1的第一连接端相连，所述双极型晶体管q1的第二连接端和控制端均接地，所述双极型晶体管q4的第一连接端与连接节点e相连，其第二连接端接地，其控制端与所述双极型晶体管q2的第一连接端相连，所述双极型晶体管q2的第二连接端和控制端均接地，其中所述双极型晶体管q3的控制端流出的电流等于所述双极型晶体管q1的第一连接端流入的电流，所述双极型晶体管q4的控制端流出的电流等于所述双极型晶体管q2的第一连接端流入的电流；分压电路，其基于受检输入电压端的电压产生检测电压；比较器，其第一输入端接收所述参考电压，其第二输入端接收所述检测电压，所述比较器用于比较所述参考电压和所述检测电压，并基于比较结果通过其输出端输出相应的检测信号。[0006]根据本实用新型的另一个方面，本实用新型提供一种电池保护电路，其包括与电池负极相连的连接端vm、与电池电芯负极相连的连接端vss、与电池电芯正极相连的连接端vin、与充电功率开关的控制端相连的充电控制端co、与放电功率开关的控制端相连的放电控制端do，放电功率开关和充电功率开关串联于所述连接端vm和连接端vss之间，所述电池保护电路还包括充电过压检测电路和逻辑电路。所述充电过压检测电路如前述的电压检测电路，所述连接端vin为所述输入电压端；所述逻辑电路根据所述充电过压检测电路输出的检测信号，产生充电控制信号和放电控制信号，所述充电控制信号通过所述充电控制端co输出，所述放电控制信号通过所述放电控制端do输出。[0007]根据本实用新型的另一个方面，本实用新型提供一种电池保护系统，其包括：电芯；开关组合电路，其包括串联的充电功率开关和放电功率开关；如前述的电池保护电路。[0008]与现有技术相比，本实用新型通过在参考电压产生电路中层叠双极型晶体管，以减小运算放大器op输入失调引入的相对误差，减小运算放大器op输入失调引入的相对误差，从而提高充电过压检测的保护阈值精度，进而提高电池安全性。【附图说明】[0009]为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：[0010]图1为现有技术中的一种电池保护电路里实现充电过压检测的电压检测模块的电路示意图；[0011]图2为本实用新型在一个实施例中可实现充电过压检测的电压检测电路的电路示意图；[0012]图3为本实用新型在一个实施例中的电池保护电路的电路示意图；[0013]图4为本实用新型在一个实施例中的电池保护系统的电路示意图。【具体实施方式】[0014]为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。[0015]此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本实用新型至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连。[0016]请参考图2所示，其为本实用新型在一个实施例中可实现充电过压检测的电压检测电路的电路示意图。图2所示的电压检测电路包括：参考电压产生电路210、分压电路220和比较器comp。[0017]参考电压产生电路210用于产生参考电压(或带隙基准电压)vref，其包括运算放大器op、双极型晶体管q1、双极型晶体管q2、双极型晶体管q3、双极型晶体管q4、pmos晶体管mp1，以及电阻r1、r2和r3。[0018]在一个实施例中，电阻r1连接于连接节点d和连接节点a之间，电阻r2 连接于连接节点d和连接节点e之间，所述运算放大器op的第一输入端与所述连接节点a相连，其第二输入端与所述连接节点e相连，电阻r3连接于所述连接节点b和连接节点a之间，所述连接节点b连接至双极型晶体管q3，连接节点e连接至双极型晶体管q4；双极型晶体管q1和双极型晶体管q3层叠，双极型晶体管q2和双极型晶体管q4层叠，使得电阻r3上的压差等于 (vbe2-vbe1)+(vbe4-vbe3)，其中vbe2为双极型晶体管q2的基极-发射极压差，vbe1为双极型晶体管q1的基极-发射极压差，vbe3为双极型晶体管q3 的基极-发射极压差，vbe4为双极型晶体管q4的基极-发射极压差。[0019]如图2所示，参考电压产生电路210中各器件的更为具体连接关系为：pmos 晶体管mp1的源极与输入电压端vin相连，其栅极与运算放大器op的输出端相连，其漏极与连接节点d相连；电阻r1连接于连接节点d和连接节点a之间；电阻r3连接于连接节点a和连接节点b之间；双极型晶体管q3的第一连接端与连接节点b相连，其第二连接端接地，其控制端与双极型晶体管q1的第一连接端相连，双极型晶体管q1的第二连接端和控制端均接地；电阻r2连接于连接节点d和连接节点e之间；双极型晶体管q4的第一连接端与连接节点e 相连，其第二连接端接地，其控制端与双极型晶体管q2的第一连接端相连，双极型晶体管q2的第二连接端和控制端均接地；其中所述双极型晶体管q3的控制端流出的电流等于所述双极型晶体管q1的第一连接端流入的电流，所述双极型晶体管q4的控制端流出的电流等于所述双极型晶体管q2的第一连接端流入的电流。也就是说，所述双极型晶体管q3的控制端和所述双极型晶体管q1的第一连接端之间的连接节点g处没有其他电流流入或流出，比如，节点g处未连接电流源。同样的，所述双极型晶体管q4的控制端和所述双极型晶体管q4 的第一连接端之间的连接节点f处没有其他电流流入或流出，比如，节点f处未连接电流源。[0020]运算放大器op的第一输入端与连接节点a相连，其第二输入端与连接节点e相连。其中，连接节点d上的电压为参考电压(或带隙基准电压)vref；输入电压端vin的电压为电芯电压，此实施例中也可以被称为受检输入电压。[0021]在图2所示的具体实施例中，双极型晶体管q1、q2、q3和q4可以采用普通的cmos工艺中寄生的pnp双极型晶体管，双极型晶体管q1、q2、q3和 q4的第一连接端、第二连接端和控制端分别为pnp双极型晶体管的射极、集电极和基极；运算放大器op的第一输入端和第二输入端分别为其正相输入端和反相输入端。一般设计双极型晶体管q1的发射极面积大于双极型晶体管q2的发射极面积，双极型晶体管q3的发射极面积大于双极型晶体管q4的发射极面积。[0022]在其他实施例中，所述pmos晶体管mp1也可以采用nmos晶体管，双极型晶体管q1、q2、q3和q4也可以采用npn双极型晶体管，具体的连接关系为了避免重复就不再介绍了。[0023]以下具体介绍图2所示的参考电压产生电路210的工作原理。[0024]与图1相比，图2所示的参考电压产生电路210通过层叠双极型晶体管(例如，双极型晶体管q3与q1层叠；双极型晶体管q4与q2层叠)，以减小运算放大器op输入失调引入的相对误差。运算放大器op形成负反馈，调整满足其正负输入端的电压相等，这样使得a点(或连接节点a)的电压等于vbe2+vbe4，其中vbe2为双极型晶体管q2的基极-发射极电压，vbe4为双极型晶体管q4 的基极-发射极电压。而b点(或连接节点b)的电压等于vbe1+vbe3，其中 vbe1为双极型晶体管q1的基极-发射极电压，vbe3为双极型晶体管q3的基极ꢀ‑发射极电压。电阻r3上的电压差为(vbe2+vbe4)-(vbe1+vbe3)＝(vbe2-vbe1) +(vbe4-vbe3)。电阻r3的电流等于[(vbe2-vbe1)+(vbe4-vbe3)]/r3＝2 (vbe2-vbe1)/r3，其中vbe2是双极型晶体管q2的基极-发射极电压，vbe1 是双极型晶体管q1的基极-发射极电压，vbe3是双极型晶体管q3的基极-发射极电压，vbe4是双极型晶体管q4的基极-发射极电压，r3是电阻r3的电阻值，设计vbe2-vbe1＝vbe4-vbe3＝δvbe。δvbe为正温度系数电压。如果电阻r1和 r2的电阻值相等，可以实现双极型晶体管q3和q4的电流相等，因为r1的电压等于r2的电压。a点(或连接节点a)的电压为vbe2+vbe4，为负温度系数。电阻r1上的电压vr1为(2δvbe/r3).r1，其中r1为电阻r1的电阻值，电阻 r1和r3采用相同类型的电阻，则其温度系数可以抵消，因此电阻r1上的电压为正温度系数。vbe2为负温度系数电压，vbe4也是负温度系数电压。连接节点 d的电压vref＝vr1+vbe2+vbe4＝vbe2+vbe4+(2δvbe/r3).r1，公式(1)[0025]通过合适的r3/r1的比值，可以实现正温度系数电压vr1和负温度系数的电压vbe2的温度系数相等而抵消，从而实现零温度系数的vref电压值。[0026]考虑运算放大器op输入失调电压的影响，公式(1)修正为：[0027]vbg＝(vbe2+vbe4)+(2δvbe+vos).r1/r3公式(2)[0028]分压电路220基于输入电压端vin的电压进行采样以产生检测电压vc。在图2所示的实施例中，所述分压电路220包括依次串联于输入电压端vin和接地端的电阻r4和r5，所述检测电压vc为电阻r4和r5之间的连接节点c上的电压。[0029]比较器comp的第一输入端与节点d连接，以接收参考电压vref，其第二输入端与节点c相连，以接收检测电压vc。比较器comp用于比较参考电压 vref和所述检测电压vc的大小，并基于比较结果输出相应的检测信号(或充电过压保护信号)oc。[0030]在图2所示的具体实施例中，比较器comp的第一输入端和第二输入端分别为其负相输入端和其正相输入端。[0031]其中，输入电压端vin为电芯电压，经过电阻r4和r5的分压得到检测电压vc，比较器comp将检测电压vc和参考电压vref进行比较，当c点电压 (即检测电压vc)超过参考电压vref时，比较器comp输出的检测信号oc 翻转，利用这个状态变化可以实现充电过压的判断。因为参考电压产生电路210 产生的参考电压vref很准确，电阻r4与r5的分压比例很准确，因此实现oc 检测(或充电过压检测)的充电过压阈值voc比较准确。[0032]等效的充电过压阈值voc＝vref.(r4+r5)/r5，其中vref为d节点的电压值，是一个零温度系数的比较准确的电压值，r4为电阻r4的电阻值，r5为电阻r5的电阻值。图2中，考虑运算放大器op的输入失配电压vos，其引入的相对误差为vos占2δvbe的比例(参见前述公式3)，而图1中引入的相对误差为vos占δvbe的比例(参见前述背景技术)，对于相同的vos而言，其相对2δvbe的比例更小(比相对δvbe的比例更小)，因此，图2中运算放大器 op的输入失配电压vos对参考电压vref的影响小于图1中运算放大器op的输入失配电压vos对带隙基准电压bg的影响。另外，图1中的带隙基准电压 bg基于vbe+k.δvbe(参见前述背景技术)，其电压大约在1.2v左右；图2中的参考电压vref基于2vbe+k.2δvbe(参见前述公式3)，其电压大约在2.4v 左右，对于比较器comp而言，对于相同的比较器comp的输入失配电压vos，其占参考电压vref的相对比例小于占带隙基准电压bg的相对比例，因此，图2比图1具有更高的电压阈值(或充电过压阈值voc)精度。[0033]请参考图3所示，其为本实用新型在一个实施例中的电池保护电路的电路示意图。请参考图4所示，其为本实用新型在一个实施例中的电池保护系统的电路示意图。图4所示的电池保护系统包括电芯bat1、电池保护电路410、充电功率开关420和放电功率开关430。[0034]充电功率开关420和放电功率开关430依次串联于电池电芯bat1的负极和电池的负极bp-之间，电池电芯bat1的正极直接与电池的正极bp+相连。[0035]所述充电功率开关420包括nmos(n-metal-oxide-semiconductor)场效应晶体管mc和寄生于其体内的二极管(未图示)。所述放电功率开关430包括 nmos场效应晶体管md和寄生于其体内的二极管(未图示)。nmos场效应晶体管md和nmos场效应晶体管mc的漏极相连，nmos场效应晶体管md 的源极与电池电芯bat1的负极相连，nmos场效应晶体管mc的源极与电池的负极bp-相连。[0036]所述电池保护电路410包括三个连接端(或称为检测端)和两个控制端，三个连接端分别为电池电芯正极连接端vin，电池电芯负极连接端vss和电池负极连接端vm，两个控制端分别为充电控制端co和放电控制端do。其中，连接端vin与电池电芯bat1的正极相连；连接端vss与电池电芯bat1的负极相连；连接端vm与电池的负极bp-相连；充电控制端co与充电功率开关 420的控制端相连，即与nmos场效应晶体管mc的删极相连，放电控制端do 与放电功率开关430的控制端相连，即与nmos场效应晶体管md的删极相连。[0037]电池保护电路410可以采用图3所示的电池保护电路，图3所示的电池保护电路包括充电过压检测电路310、其他检测电路320和逻辑电路330。[0038]所述充电过压检测电路310可以采用图2所示的电压检测电路，其中，图3 和图4所示的连接端vin为受检输入电压端vin。[0039]所述其他检测电路320基于所述连接端vm、或连接端vin对电芯bat1 的充放电回路进行检测，以输出相应的其它检测信号。例如，根据实际应用，所述其他检测电路320的功能可以包括如下中一个或多个：过压放电检测、充电过流检测、放电过流检测、短路检测等。[0040]所述逻辑电路330根据所述充电过压检测电路310输出的检测信号和所述其他检测电路320输出的其它检测信号，产生充电控制信号co和放电控制信号do，所述充电控制信号co通过所述充电控制端co输出，所述放电控制信号 do通过所述放电控制端do输出。所述充电控制信号co通过控制所述充电功率开关420以连通或切断电芯bat1的充电回路；所述放电控制信号do通过控制所述放电功率开关430以连通或切断电芯bat1的放电回路。当充电控制信号co为高电平时，控制所述充电功率开关420允许充电(即连通电芯bat1 的充电回路)，当充电控制信号co为低电平时，控制充电功率开关420禁止充电(即切断电芯bat1的充电回路)。当放电控制信号do为高电平时，控制所述放电功率开关430允许放电(即连通电芯bat1的放电回路)，当放电控制信号do为低电平时，控制放电功率开关430禁止放电(即切断电芯bat1 的放电回路)。当检测到充电过压时控制充电控制信号co变为低电平，禁止充电。当检测到放电过压时控制放电控制信号do变为低电平，禁止放电。当检测到充电过流时控制充电控制信号co变为低电平，禁止充电。当检测到放电过流时控制放电控制信号do变为低电平，禁止放电。当检测到短路时控制放电控制信号do变为低电平，禁止放电。[0041]综上所述，本实用新型通过在参考电压产生电路中层叠双极型晶体管，以减小运算放大器op输入失调引入的相对误差，减小运算放大器op输入失调引入的相对误差，从而提高充电过压检测的保护阈值精度，进而提高电池安全性。[0042]在本实用新型中，“连接”、“相连”、“连”、“接”等表示电性连接的词语，如无特别说明，则表示直接或间接的电性连接。所述直接电性连接表示两个或更多对象之间没有任何插入对象的直接连接，所述间接电性连接表示两个或更多对象之间插入了一个或多个对象(比如电阻、电容、电感、开关、滤波器等电气元件或电气单元)的连接。[0043]需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本实用新型的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本实用新型的权利要求书的范围。相应地，本实用新型的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。









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