中心議題：

• 鋰電池保護(hù)電路原理分析
• 鋰電池保護(hù)電路設(shè)計(jì)
• 鋰電池保護(hù)電路仿真結(jié)果及分析

解決方案：

• 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)
• 偏置電路設(shè)計(jì)
• 延時(shí)電路、電平轉(zhuǎn)換電路及待機(jī)設(shè)計(jì)

1   引言

鋰電池產(chǎn)品在充放電過程中的過充電、過放電、放電過電流及其它異常狀態(tài)（例如負(fù)載短路），將會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部發(fā)熱，可能引起電池或其它器件的損害，嚴(yán)重影響到電池使用的安全性。因此，鋰電池產(chǎn)品保護(hù)電路的設(shè)計(jì)應(yīng)用必不可少。本文基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，設(shè)計(jì)了一種全功能電池保護(hù)電路。通過過放電檢測(cè)輸出端、過充電檢測(cè)輸出端的CMOS輸出電平控制外接的兩個(gè)N溝道場(chǎng)效應(yīng)開關(guān)晶體管的關(guān)斷，從而達(dá)到對(duì)電池實(shí)施保護(hù)的目的。具有高檢測(cè)電壓精度、低功耗、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于移動(dòng)電話、筆記本電腦、PDA、MP3等產(chǎn)品中。

2　電池保護(hù)電路原理分析

本論文所設(shè)計(jì)的電池保護(hù)電路應(yīng)用示意圖如圖1所示。實(shí)線框內(nèi)為電池保護(hù)電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，框外為外圍器件連接示意圖。

圖1中，DOUT為過放電檢測(cè)的CMOS輸出，COUT為過充電檢測(cè)的CMOS輸出，VDD為電池電壓輸入，VSS為芯片接地引腳，DS為響應(yīng)延遲時(shí)間縮短控制輸入端，V-為放電過流檢測(cè)端。

在充電時(shí)，若電池電壓高于過充電檢測(cè)電壓并保持相應(yīng)的延遲時(shí)間，COUT端由高電位變?yōu)榈碗娢唬潆娍刂芃OS管MC關(guān)斷，芯片進(jìn)入過充電保護(hù)狀態(tài)，停止充電。

在放電時(shí)，若電池電壓低于過放電檢測(cè)電壓并保持相應(yīng)的延遲時(shí)間，DOUT端由高電位變?yōu)榈碗娢唬烹娍刂芃OS管MD關(guān)斷，芯片進(jìn)入過放電保護(hù)模式，停止放電。

圖1　鋰離子/鋰聚合物電池保護(hù)電路芯片應(yīng)用電路圖以及內(nèi)部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

在放電時(shí)，芯片同時(shí)監(jiān)控V-端電壓。當(dāng)因電流過大引起V-端電壓高于放電過電流檢測(cè)電壓，而低于短路檢測(cè)電壓時(shí)，芯片進(jìn)入放電過電流保護(hù)狀態(tài)；當(dāng)V-端電壓高于短路檢測(cè)電壓時(shí)，芯片進(jìn)入短路保護(hù)狀態(tài)。此時(shí)，DOUT端輸出由高電位變?yōu)榈碗娢?，關(guān)斷MD防止電路中通過強(qiáng)電流。

圖1中，R1和C1起到對(duì)外接充電器或與其并聯(lián)的二次電池的電壓波動(dòng)進(jìn)行平滑濾波抑制的作用。而電阻R1、R2為當(dāng)對(duì)電池反向充電或充電器充電電壓超過芯片絕對(duì)極限額定充電電壓值時(shí)的限流電阻。

該系統(tǒng)中主要包括過充電檢測(cè)電路（VD1）、過放電檢測(cè)電路（VD2）、放電過電流檢測(cè)電路（VD3）和短路檢測(cè)電路、電平轉(zhuǎn)換電路、基準(zhǔn)電路、振蕩電路以及偏置電路等。

3　電路設(shè)計(jì)

由于保護(hù)電路依靠電池來供應(yīng)其電源電壓，為了不影響電池的待機(jī)時(shí)間，應(yīng)盡可能設(shè)計(jì)低電源電壓、低功耗的電池保護(hù)電路。
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3.1　檢測(cè)電路設(shè)計(jì)
由于檢測(cè)電路VD1、VD2、VD3原理類似，在此以過放電檢測(cè)電路（VD2）設(shè)計(jì)為例進(jìn)行分析。為了滿足整個(gè)芯片功耗小的要求，可設(shè)計(jì)該電路處于亞閾值工作狀態(tài)，有效降低其工作電流及電壓。

圖2　過放電檢測(cè)電路

過放電檢測(cè)電路（VD2）可利用一個(gè)二級(jí)開環(huán)比較器來實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。在設(shè)計(jì)中應(yīng)采用差分輸入并盡可能地提高增益，以滿足精度要求。該電路中，第一級(jí)是由MN1,MN2,MP1,MP2,MN3,MN4組成的差分放大器。第二級(jí)是由MP5,MN5組成的單級(jí)放大器。前級(jí)放大器放大輸入的差模信號(hào)，后一級(jí)將前級(jí)的輸出進(jìn)一步放大，以達(dá)到數(shù)字信號(hào)的輸出電平。該比較器電路的直流增益為：

同時(shí)，還必須考慮諸如傳輸時(shí)延、輸出電壓擺率、輸入共模范圍等性能。鑒于大的偏置電流和小的電容可使擺率得到改善，縮短延遲時(shí)間，因此可通過加大偏置電流而達(dá)到高速。但是，一般而言，高速比較器也會(huì)有較高的功耗。因此在設(shè)計(jì)時(shí)必須在功耗與速度之間進(jìn)行折衷。相對(duì)于處于飽和區(qū)的比較器而言，工作在亞閾值區(qū)的比較器的延遲時(shí)間顯著增長(zhǎng)，這主要是由于工作在亞閾值區(qū)的偏置電流較小，電容充放電需要更長(zhǎng)的時(shí)間，從而使得延遲時(shí)間變長(zhǎng)。該比較器具有與差動(dòng)放大器類似的ICMR（輸入共模范圍），其最低輸入電壓應(yīng)小于過放電檢測(cè)基準(zhǔn)電壓。

3.2　偏置電路設(shè)計(jì)
偏置電路用于為檢測(cè)電路提供穩(wěn)定、高精度的基準(zhǔn)電壓，從而檢測(cè)過充電、過放電、放電過電流等狀態(tài)。本論文中設(shè)計(jì)了一種低功耗基準(zhǔn)電路，示于圖3。

圖3　低功耗基準(zhǔn)電路[page]

基于耗盡型NMOS管閾值電壓為負(fù)值，在VGS=0時(shí)也處于工作狀態(tài)，該特性可有效降低其工作電壓及功耗。因而，該基準(zhǔn)電路中利用串聯(lián)的耗盡型NMOS管MN1-MN4、串聯(lián)的增強(qiáng)型NMOS管MN5-MN9、MN11-MN12和電阻R1、R2構(gòu)成基于VGS的基準(zhǔn)電壓電路，該基準(zhǔn)電路的輸出為檢測(cè)比較器反相端的基準(zhǔn)電壓信號(hào)VREF。

由于本電路中耗盡管閾值電壓為負(fù)值，且柵源電壓恒為0,故耗盡型管始終工作在飽和區(qū)。且其電流值恒定為：

同時(shí)為滿足該電路低功耗的要求，應(yīng)盡可能使電路中增強(qiáng)性管工作在亞閾值區(qū)。如圖3所示，基于襯偏效應(yīng)和源極電位的升高，MN5管工作于亞閾值區(qū)。



即對(duì)于增強(qiáng)型NMOS管，VTH隨溫度升高而下降，而對(duì)于耗盡型NMOS管，VTH為負(fù)值，其絕對(duì)值隨溫度升高而上升。由此推得，當(dāng)選取合適的參數(shù)時(shí)，本電路的溫度漂移可以控制在較小范圍內(nèi)。

3.3　其余部分設(shè)計(jì)
3.3.1　延時(shí)電路
為了防止干擾信號(hào)使保護(hù)電路產(chǎn)生誤操作，系統(tǒng)針對(duì)不同的異常狀態(tài)，設(shè)置了相應(yīng)的延遲時(shí)間。

該延遲時(shí)間是由振蕩電路以及計(jì)數(shù)器共同實(shí)現(xiàn)。

振蕩電路采用三級(jí)環(huán)形振蕩器結(jié)構(gòu)，其每一級(jí)由一個(gè)反相器和一個(gè)電容構(gòu)成，該振蕩電路正常工作時(shí)，向計(jì)數(shù)器輸出振蕩方波，不工作時(shí)輸出高電平。

計(jì)數(shù)器由D觸發(fā)器級(jí)聯(lián)而成。

3.3.2　電平轉(zhuǎn)換電路
同時(shí)，為了保證充電控制管MC在過充電狀態(tài)下有效關(guān)斷，利用電平轉(zhuǎn)換電路使輸出COUT端為邏輯電路輸出信號(hào)的四級(jí)反相，從而使COUT端低電平由VSS降至V-。
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3.3.3　待機(jī)狀態(tài)
芯片中的部分電路設(shè)有使能端，為邏輯電路輸出。當(dāng)保護(hù)電路進(jìn)入過放電保護(hù)狀態(tài)后，該使能端由高電位變?yōu)榈碗娢?，關(guān)閉相應(yīng)電路，芯片進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，從而大大降低消耗電流，減小功耗。

圖4　過充電保護(hù)及復(fù)原波形圖

4　仿真結(jié)果及分析

本芯片采用0.6μm的標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝。使用49級(jí)HSPICE模型進(jìn)行仿真。圖4為過充電保護(hù)及復(fù)原波形圖，圖5為過放電保護(hù)及復(fù)原波形圖。

正常工作時(shí)，該芯片的消耗電流為2.11μA,而處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)的消耗電流僅為0.03μA。過充電過放電的電壓檢測(cè)精度約為25mV。

圖5　過放電保護(hù)及復(fù)原波形圖

5　結(jié)論

本文基于全功能電池保護(hù)電路原理，針對(duì)過放電、過充電、放電過電流、負(fù)載短路等異常狀態(tài)設(shè)置了相應(yīng)的保護(hù)機(jī)制。為滿足低功耗要求，設(shè)計(jì)了基于亞閾值區(qū)的基準(zhǔn)電路及比較器，并設(shè)置了待機(jī)狀態(tài)。經(jīng)仿真驗(yàn)證，本芯片滿足功能、性能設(shè)計(jì)要求，已經(jīng)流片成功。