專利名稱：：應(yīng)用微機(jī)電系統(tǒng)mems開關(guān)的電池組保護(hù)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于電池保護(hù)電路，特別涉及一種應(yīng)用微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)的電池組保護(hù)電路。技術(shù)背景目前，筆記本電腦、電動自行車和電動汽車等需要大功率充電電池(組)的設(shè)備得到了廣泛應(yīng)用，而這些充電電池的壽命直接決定了設(shè)備的持續(xù)工作時間，因此如何有效地對大功率電池進(jìn)行充、放電，并自動地對沖放電過程進(jìn)行管理、顯示和保護(hù)成為了熱點課題?，F(xiàn)有電池(組)充放電保護(hù)控制電路可以實現(xiàn)對于大功率電池充放電過程的有效控制和保護(hù)，傳統(tǒng)采用M0S場效應(yīng)晶體管(M0SFET)開關(guān)的電池(組)充放電保護(hù)電路功能框圖如圖2所示。其主要包括一個模擬的前端檢測電路(AFE)，一個微控制器(MCU)、充放電控制場效應(yīng)管(M0SFET)和敏感電阻。微控制器中的電流檢測模塊對流過敏感電阻的電流進(jìn)行探測，當(dāng)探測到流過電池的電流過載或者短路時，向MCU發(fā)出一個中斷信號。微控制器還可以控制和顯示目前電池電量的大小，并根據(jù)中斷信號向AFE發(fā)出停'止充放電信號。AFE根據(jù)微控制器的信號，打開或者關(guān)閉相應(yīng)的充放電場效應(yīng)管。由于沖放電過程中的電流較大，這個電流流過任何電阻都會產(chǎn)生較大的靜態(tài)功耗。因此，DonJNguyen于2007年提出了去掉電流探測的敏感電阻的方案，采用一個或者多個霍爾效應(yīng)傳感器，利用霍爾效應(yīng)來探測流過電池或者電池組的電流，這樣消除了敏感電阻消耗的靜態(tài)功耗。一般情況下，該充、放電M0SFET為分離器件，這是因為目前CMOS工藝設(shè)計的M0SFET開關(guān)在導(dǎo)通電阻和工作電壓和電流等方面無法滿足電池(組)充放電保護(hù)電路對于低導(dǎo)通電阻和高工作電壓和大工作電流的要求。而分離器件的M0SFET可以滿足對于高工作電壓和大工作電流的要求，但是其導(dǎo)通電阻仍然比較大，該導(dǎo)通電阻一般為幾個歐姆。，筆記本應(yīng)用的鋰電池(組)的充放電電流平均電流約為1A左右。因此在導(dǎo)通狀態(tài)下，M0SFET開關(guān)所消耗的功耗通常會達(dá)到幾瓦的量級。而對于電動自行車或者電動汽車，開關(guān)導(dǎo)通電阻消耗的功耗將會更大。該MOSFET開關(guān)一般采用特殊工藝制作，無法實現(xiàn)與其他控制電路的集成化。因此需要更低電阻的開關(guān)，以降低充放電保護(hù)電路的靜態(tài)功耗并提高集成度。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種應(yīng)用微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)的電池組保護(hù)電路。達(dá)到降低電池組沖放電過程中，充放電開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)下靜態(tài)功耗大的問題，并盡可能提高整個保護(hù)電路的集成度。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種應(yīng)用微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)的電池組保護(hù)電路，其特征在于一個微控制器MCU，用于對充放電過程的電流異常進(jìn)行檢測和控制，當(dāng)充電或者放電過程出現(xiàn)過載或者短路等情況時，該檢測電路會發(fā)出一組表征充、放電異常的中斷信號，此時微控制器的CPU則對于檢測電路出現(xiàn)的中斷信號進(jìn)行處理，并顯示目前充放電狀態(tài)；一個模擬前端檢測電路AFE，用于為微處理器供電，控制充、放電微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)，實現(xiàn)對于電池組的充電和放電功能，并對電池上電壓大小進(jìn)行探測；一個敏感電阻，用于對充電或者放電電流進(jìn)行探測；—個或者多個充、放電微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)，以較低的靜態(tài)功耗對電池、電池組進(jìn)行充電或者放電。用一個或者多個微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)進(jìn)行電池組的充放電。應(yīng)用多個微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)串聯(lián)或者并聯(lián)進(jìn)行充放電。以分離器件形式、部分或者全部以集成電路形式實現(xiàn)的包括微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)的電池、電池組充放電保護(hù)電路。具體電路為在電池組的負(fù)極端連接兩個串聯(lián)的靜電微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)，電池組的負(fù)極端連接第一個靜電微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)的傳輸線，這個第一個靜電微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)的第一個電極連接第二個靜電微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)的傳輸線，第二個靜電微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)的第一個電極作為負(fù)極端輸出端；在每個靜電微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)的傳輸線和第一個電極之間并接一個二極管，兩個二極管極的正極相連；在電池組的正極端連接敏感電阻，一個模擬的前端檢測電路AFE的連接電池組的每個電池的連接處，模擬的前端檢測電路AFE分別的連接兩個靜電微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)的第二個電極；模擬的前端檢測電路AFE連接微控制器MCU;敏感電阻兩端連接微控制器MCU。本應(yīng)用微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)的電池組保護(hù)電路，該電池保護(hù)電路應(yīng)用于鋰電池、電池組或者其他充電式電池、電池組中進(jìn)行電池保護(hù)。本發(fā)明效果是該發(fā)明的特點是在充放電的過程中，可以降低電池(組)消耗的靜態(tài)功耗，在斷開過程中提供更高程度的隔離，并提高該充、放電電路的集成度。本結(jié)構(gòu)的特點為1、利用單晶硅優(yōu)良的機(jī)械特性解決薄膜應(yīng)力變形，解決了材料物理特性差的弱點；2、采用推拉結(jié)構(gòu)使得接觸點和傳輸線間距增大為初始間距的2倍，因此得到同樣的隔離度可允許驅(qū)動電極之間的低間距，從而得到較低的驅(qū)動電壓；3、利用推拉結(jié)構(gòu)解決了單臂梁恢復(fù)力不足的，使開關(guān)壽命大大增加。當(dāng)應(yīng)用在電池(組)保護(hù)電路中時，該微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)根據(jù)AFE端發(fā)出充電或者放電信號時，上電極和下電極之間加上需要的驅(qū)動電壓，可動梁在上下極板的靜電力作用下上拉使得接觸區(qū)與傳輸線閉合，微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)導(dǎo)通，此時電池組中的充電或者放電開關(guān)中的一個開關(guān)閉合。根據(jù)開關(guān)閉合的類型不同，電池(組)可以處于充電或者放電狀態(tài)。如果AFE發(fā)出一個相反的信號，既去除驅(qū)動電壓并在另一端上電極和下電極之間加驅(qū)動電壓，使得可動梁下拉使得接觸點和傳輸線斷開，微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)斷開，此時電池(組)的沖放電狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換。技術(shù)方案效果與傳統(tǒng)采用MOSFET開關(guān)相比，采用微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)做為充、放電控制開關(guān)的主要優(yōu)點是靜態(tài)功耗低和便于集成化。表一給出了目前市場上可以買到的MOSFET開關(guān)和微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)的性能比較，從表一中可以看出，MOSFET開關(guān)的導(dǎo)通電阻為l.65歐姆，而微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)的電阻值為0.16-0.35歐姆，其導(dǎo)通狀態(tài)的靜態(tài)功耗可以表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>因此采用微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)將開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)的靜態(tài)功耗降低到M0SFET的十分之一左右，從而延長電池(組)的持續(xù)放電時間，減少充電次數(shù)，延長電池壽命。以一般筆記本應(yīng)用的鋰電池組為例，一般情況下一個筆記本的電池標(biāo)定電壓為IOV，其額定電量是2000mA4小時，因此其功率約為40W，以平均放電電流1A計算，不考慮放電場效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻，該筆記本可以持續(xù)工作兩個小時。以NE3290MOSFET開關(guān)為例，開關(guān)導(dǎo)通電阻消耗的功耗為5W，約為總功耗的1/8，即放電時間將減小15分鐘左右。盡管筆記本充電過程的電流會相對小些，但是其充電時間會長的多，因此其充電過程與放電過程消耗的總能量基本是相同的。而且，該微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)可以與現(xiàn)有的硅工藝很好的兼容，進(jìn)而實現(xiàn)整個電池組充放電保護(hù)芯片的集成化，這可以減小芯片的外部管腳(PAD)數(shù)量，減少封裝過程的工序，進(jìn)而改善整個電池(組)保護(hù)系統(tǒng)的可靠性。<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>圖l、應(yīng)用微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)的電池組的充、放電保護(hù)電路結(jié)構(gòu)圖2、傳統(tǒng)應(yīng)用MOSFET的充放電保護(hù)電路結(jié)構(gòu)圖3、靜電微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)結(jié)構(gòu)的工作原理(開關(guān)斷開狀態(tài))圖4、靜電微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)結(jié)構(gòu)的工作原理(開關(guān)閉和狀態(tài))圖5、推拉式靜電微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)剖面結(jié)構(gòu)具體實施方式如圖1所示本發(fā)明提供了一種電池、電池組充放電保護(hù)電路的整體方案，其特征在于應(yīng)用微機(jī)電系統(tǒng)MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))開關(guān)來代替MOSFET充放電開關(guān)，本發(fā)明設(shè)計的電池、電池組充放電保護(hù)電路實現(xiàn)功能框圖如圖l所示。在電池組的負(fù)極端連接兩個串聯(lián)的靜電微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)，電池組的負(fù)極端連接第一個靜電微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)的傳輸線，這個第一個靜電微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)的第一個電極連接第二個靜電微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)的傳輸線，第二個靜電微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)的第一個電極作為負(fù)極端輸出端；在每個靜電微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)的傳輸線和第一個電極之間并接一個二極管，兩個二極管極的正極相連；在電池組的正極端連接敏感電阻，一個模擬的前端檢測電路AFE的連接電池組的每個電池的連接處，模擬的前端檢測電路AFE分別的連接兩個靜電微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)的第二個電極；模擬的前端檢測電路AFE連接微控制器MCU;敏感電阻兩端連接微控制器MCU。當(dāng)前微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)的分類方式有很多種，就接觸類型劃分有歐姆接觸和電容耦合等兩種。就歐姆接觸類型微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)來說，其微波結(jié)構(gòu)是基于共面波導(dǎo)上的一個空隙，絕緣梁上的接觸區(qū)移動導(dǎo)致電接觸，開關(guān)閉合。當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)下，其電阻是兩個接觸點的接觸電阻，因此其導(dǎo)通電阻遠(yuǎn)低于M0SFET。一般情況下，微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)的導(dǎo)通電阻是M0SFET開關(guān)的1/10左右，因此可以顯著降低開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)下的靜態(tài)功耗。微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)由機(jī)械部分和電學(xué)部分構(gòu)成，可用靜電、靜磁、壓電或者熱原理為機(jī)械運動提供驅(qū)動力。開關(guān)的電學(xué)部分，可以用串聯(lián)或者并聯(lián)方式排列，可以是金屬-金屬接觸或者電容式接觸。其中靜電驅(qū)動因其接近零直流功耗、開關(guān)時間短、結(jié)構(gòu)簡單、易加工且便于與集成電路芯片(IC)工藝兼容得到企業(yè)界和學(xué)術(shù)界廣泛的關(guān)注。圖3為靜電驅(qū)動微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)閉合和斷開時的工作原理圖。其中(a)表示是開關(guān)斷開，此時處于打開狀態(tài)。當(dāng)在上電極和下電極之間加驅(qū)動電壓時，受到靜電力的作用接觸點與傳輸線接觸，使開關(guān)達(dá)到如(b)所示的閉合狀態(tài)，此時開關(guān)導(dǎo)通。其中在驅(qū)動電壓V下所產(chǎn)生的靜電力為式中f。為自由空間的介電常數(shù)，A是電容器的有效面積，g是上下電極間的間隔。靜電驅(qū)動微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)的研究一直是企業(yè)界追捧的熱點，但是制約其發(fā)展的主要原因是驅(qū)動電壓高，薄膜應(yīng)力變形和壽命短而不能達(dá)到工業(yè)界的要求?；谝陨详U述的靜電微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)中的基本問題，我們應(yīng)用了一種基于單晶硅梁的靜電推拉式微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)作為充放電保護(hù)開關(guān)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠較好地解決現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，降低了驅(qū)動電壓，大幅度地增加開關(guān)的壽命。其基本思想是將圖3中的靜電微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)的上下電極設(shè)it為兩對。這樣當(dāng)開關(guān)閉合的信號到來時，其中的一對電極推動懸臂梁，使得接觸區(qū)與傳輸線接觸，開關(guān)實現(xiàn)導(dǎo)通。圖4為該微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)結(jié)構(gòu)的剖面圖。當(dāng)需要段開該微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)時，此時控制信號加在另一對電極上，從而拉動懸臂梁，使得接觸區(qū)與傳輸線的連接斷開，實現(xiàn)開關(guān)的關(guān)斷。具體制作過程為通過釋放槽使可動的單晶硅梁(懸臂梁)形成，在梁的兩端濺射下電極和接觸區(qū)，上電極和傳輸線形成共面波導(dǎo)傳輸線(CPW)，保證信號不被干擾。上電極通過錨點固定在基板上。權(quán)利要求1、一種應(yīng)用微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)的電池組保護(hù)電路，其特征在于一個微控制器MCU，用于對充放電過程的電流異常進(jìn)行檢測和控制，當(dāng)充電或者放電過程出現(xiàn)過載或者短路等情況時，該檢測電路會發(fā)出一組表征充、放電異常的中斷信號，此時微控制器的CPU則對于檢測電路出現(xiàn)的中斷信號進(jìn)行處理，并顯示目前充放電狀態(tài)；一個模擬前端檢測電路AFE，用于為微處理器供電，控制充、放電微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)，實現(xiàn)對于電池組的充電和放電功能，并對電池上電壓大小進(jìn)行探測；一個敏感電阻，用于對充電或者放電電流進(jìn)行探測；一個或者多個充、放電微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)，以較低的靜態(tài)功耗對電池、電池組進(jìn)行充電或者放電。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)的電池組保護(hù)電路，其特征在于用一個或者多個微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)進(jìn)行電池組的充放電。3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的應(yīng)用微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)的電池組保護(hù)電路，其特征在于應(yīng)用多個微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)串聯(lián)或者并聯(lián)進(jìn)行充放電。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)的電池組保護(hù)電路，其特征在于以分離器件形式、部分或者全部以集成電路形式實現(xiàn)的包括微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)的電池、電池組充放電保護(hù)電路。5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)的電池組保護(hù)電路，其特征在于具體電路為在電池組的負(fù)極端連接兩個串聯(lián)的靜電微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)，電池組的負(fù)極端連接第一個靜電微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)的傳輸線，這個第一個靜電微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)的第一個電極連接第二個靜電微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)的傳輸線，第二個靜電微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)的第一個電極作為負(fù)極端輸出端；在每個靜電微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)的傳輸線和第一個電極之間并接一個二極管，兩個二極管極的正極相連；在電池組的正極端連接敏感電阻，一個模擬的前端檢測電路AFE的連接電池組的每個電池的連接處，模擬的前端檢測電路AFE分別的連接兩個靜電微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)的第二個電極；模擬的前端檢測電路AFE連接微控制器MCU;敏感電阻兩端連接微控制器MCU。6、一種應(yīng)用微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)的電池組保護(hù)電路，該電池保護(hù)電路應(yīng)用于鋰電池、電池組或者其他充電式電池、電池組中進(jìn)行電池保護(hù)。全文摘要一種應(yīng)用微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)的電池組保護(hù)電路，該電路可以用于充電式電池或者電池組中，例如筆記本型計算機(jī)所用的鋰電池組、電動自行車或者電動汽車的充電保護(hù)電路中。該充放電保護(hù)電路包括一個電池、電池組充放電控制電路模擬前端電路(AFE)，一個微控制器(MCU)，一個或者多個微機(jī)電系統(tǒng)MEMS開關(guān)。該發(fā)明的特點是在充放電的過程中，可以降低電池、電池組消耗的靜態(tài)功耗，在斷開過程中提供更高程度的隔離，并提高該充、放電電路的集成度。文檔編號H02H7/18GK101567554SQ20081005283公開日2009年10月28日申請日期2008年4月22日優(yōu)先權(quán)日2008年4月22日發(fā)明者喻明艷,李景虎,馬建國申請人:天津泛?？萍加邢薰?