耗盡型工藝實現(xiàn)鋰電池充電保護芯片的設(shè)計

引言

　　便攜式電子產(chǎn)品正向輕量化、超小型化發(fā)展，為此鋰離子電池得到廣泛應(yīng)用，比較常見的正極材料為鈷酸鋰和錳酸鋰的鋰離子電池，還有磷酸鐵鋰電池和磷酸鐵錳電池等。 鋰離子電池以能量高、壽命長、無記憶性、無污染等特點排在電池行業(yè)的最前列。但是鋰離子電池和其他很多類型的電池一樣極易出現(xiàn)過充電、過放電等現(xiàn)象， 這些情況對鋰離子電池更容易造成損害， 從而縮短它的使用壽命。所以要求鋰電池充電應(yīng)具有一級保護功能。

　　目前國內(nèi)還沒有這種電池保護的核心技術(shù)， 本文設(shè)計了一種鋰離子電池充電保護電路， 此保護電路的電壓、電流源基于耗盡型工藝設(shè)計， 便于實現(xiàn)低功耗。另外此保護電路的供電電壓來源于電池電壓， 所以要求此保護芯片在電池電壓變化范圍（ 1~8 V） 內(nèi)正常工作。本文設(shè)計的保護電路以低功耗、高精度、高能量密度、高內(nèi)阻、高安全性等特性脫穎而出，因此這種鋰離子電池保護電路的應(yīng)用得到了普及。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計

　　此芯片是單節(jié)電池的保護電路并且過電壓、過電流的檢測延遲時間是可改變的， 其系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1 所示， 芯片設(shè)計VDD、VSS、DP、CO、DO、VM 6 個引腳。通常情況下， 即電池沒發(fā)生過充電、過放電事件時， CO、DO 都為高電平， DP 端子懸空， 圖1 中右半部分的6 個MOSFET是耐高壓管。

　　工作原理是通過監(jiān)視連接在VDD 和VSS 之間的電池電壓及VM 和VSS 之間的電壓差控制充電器的充電和放電。

　　1.1 通常狀態(tài)的設(shè)計

　　如圖1 所示， 通常狀態(tài)下， 即電池電壓在過放電檢測電壓（VDL） 以上且在過充電檢測電壓（VCU） 以下， VM 端子的電壓在充電器檢測電壓（VCHA） 以上且在過電流1 檢測電壓以下的情況下，設(shè)計振蕩器模塊不工作， 充電控制用MOSFET 和放電控制用MOSFET 的兩方均打開。這時可以進行自由的充電和放電。

　　1.2 過電壓檢測的設(shè)計

　　當(dāng)電池出現(xiàn)過充電時， 過充比較器跳變， 過充電檢測電壓VCU 從H 變成L, 經(jīng)過過充電檢測延遲時間后， 禁止電池充電。同時， 電路的輸出TCU 為H, 經(jīng)過一個反饋電路使過充電比較器的輸入電壓升高， 所以電池電壓必須下降更多才能使比較器輸出變?yōu)镠.這就實現(xiàn)了過充電滯后電壓的設(shè)計過程。

　　當(dāng)電池過放電時， 過放電檢測電壓VDL 從H 變?yōu)長, 經(jīng)過時間TDL 后， 禁止電池放電。此時， 通過0 V 充電禁止模塊使VM 升高， 從而五個比較器的使能端SD 跳變?yōu)闊o效狀態(tài)， 此時電路中的五個比較器都不工作， 而且振蕩器也不工作， 電路進入休眠狀態(tài)。當(dāng)VM 降低使SD 再次發(fā)生改變時， 電路解除休眠狀態(tài)。休眠狀態(tài)的電流不能超過100 nA.

　　1.3 過電流檢測的設(shè)計

　　當(dāng)VM 端子電壓大于過電流1 檢測電壓， 并且這個狀態(tài)在過電流1 檢測延遲時間以上時， 關(guān)閉放電用的FET 從而停止放電。

　　當(dāng)VM 端子電壓大于過電流2 檢測電壓， 并且這個狀態(tài)在過電流2 檢測延遲時間以上時， 關(guān)閉放電用的FET 從而停止放電。

　　通過不同環(huán)形振蕩器的振蕩頻率， 調(diào)整過電流的檢測延遲時間的長短， 可及時停止放電。