單節(jié)鋰離子電池保護芯片的設(shè)計

摘要：鋰離子電池的眾多優(yōu)點使其在手提式設(shè)備中獲得了廣泛的應(yīng)用。但與鎳鉻、鎳氫電池不同的是鋰離子電池必須和保護芯片配合使用。本文提出了一種單節(jié)鋰離子電池保護芯片的設(shè)計，此芯片能有效防止鋰電池應(yīng)用中發(fā)生過充電、過放電和過電流狀態(tài)。
關(guān)鍵詞：鋰離子電池；過充電；過放電；過流；待機狀態(tài)

前言

鋰離子電池保護芯片的設(shè)計與其封裝結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，如圖1所示為封裝在鋰離子電池內(nèi)部的保護電路的基本結(jié)構(gòu)。在正常情況下，充電控制端CO 和放電控制端DO 為高電位，N型放電控制管FET1和充電控制管FET2處于導(dǎo)通狀態(tài)，電路的工作方式可以是電池向負(fù)載放電，也可以是充電器對電池進行充電；當(dāng)保護電路檢測到異?，F(xiàn)象（過充電、過放電和過電流）時，使CO或DO輸出低電平，從而切斷充電或放電回路，實現(xiàn)保護功能。

為了有效利用放電電流或充電電流，F(xiàn)ET1和FET2采用導(dǎo)通電阻很小的功率管。它們的選擇原則除了導(dǎo)通電阻要小，還要求體積小，并且關(guān)閉時源漏擊穿電壓要能經(jīng)受不匹配充電器的影響。從理論上說，F(xiàn)ET₁和FET₂可以用N 管也可以用P 管。但由于單節(jié)鋰離子電池保護電路的電源電壓較低，為了減小導(dǎo)通電阻，一般都采用N管。圖1中二極管是FET₁和FET₂的寄生二極管，它們的存在使系統(tǒng)在過放電狀態(tài)下能對電池充電，在過充電狀態(tài)下能對負(fù)載放電。

圖1 3.6V 鋰離子電池保護電路封裝結(jié)構(gòu)

鋰離子電池保護芯片的應(yīng)用場合要求其具有低電流驅(qū)動、高精度檢測的特點，另外由于保護電路的供電電源即為電池電壓，因此在電池電壓的變化范圍內(nèi)，保護電路必須正常工作，本文根據(jù)圖1 所示的連接關(guān)系，設(shè)計一種低功耗單節(jié)鋰離子電池保護芯片，其電池電壓可以在1V―5.5V范圍內(nèi)變化。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

鋰離子電池保護芯片的基本功能是進行過充電保護、過放電保護和過電流保護，其中過電流保護包括充電過流保護和放電過流保護。下面以保護電路的基本功能為出發(fā)點，分析其系統(tǒng)的組成。

檢測異?，F(xiàn)象
鋰離子電池保護電路為了實現(xiàn)其基本功能，首先需要檢測異?，F(xiàn)象。過充電和過放電檢測是將電池電壓進行分壓（采樣）后與基準(zhǔn)電壓比較實現(xiàn)的；而對于過流檢測，保護芯片首先將充放電過程中的電流轉(zhuǎn)化為在功率管FET₁、FET₂上的電壓，然后通過V_M與基準(zhǔn)電壓比較完成，放電過流檢測的是正電壓，充電過流檢測的是負(fù)電壓。

濾除干擾信號
通常在鋰離子電池保護電路的工作過程中會有干擾信號存在，干擾信號的類型主要有兩種：一種為瞬間干擾，它是指在正常的信號上，在極短的時間內(nèi)疊加上一個較大的信號。另一種為波動干擾，它是指信號的起伏波動。如圖2 以充電過程解釋了這兩類干擾，其中V_CU 為過充電檢測電壓。

為了防止干擾信號的引入使保護電路產(chǎn)生誤動作，可以從系統(tǒng)角度考慮采用適當(dāng)?shù)拇胧p小它們的影響。

瞬間干擾可以在保護電路內(nèi)部加上延時電路加以濾除，即當(dāng)保護電路檢測到異常信號后，延時一段時間再關(guān)閉FET₁或FET₂。根據(jù)過充電、過放電、過電流對鋰電池的危害程度選取不同的延時時間。為了更加合理的保護鋰電池，放電過流可分為三個級別，分別為過流1保護、過流2保護以及負(fù)載短路保護，過流1的延時稍長，過流2的延時比過流1的延時短一些，而負(fù)載短路不加延時立即保護。波動干擾可以在保護電路內(nèi)部加上遲滯電路加以濾除。

控制充電控制管有效關(guān)閉
在充電過程中，與FET₂源極相連的V_M端電位為負(fù)值，當(dāng)過充電保護起作用時，必須在過充電延時信號與CO端之間加上電平轉(zhuǎn)換電路，將控制邏輯電路產(chǎn)生的邏輯信號進行轉(zhuǎn)換，使CO端的電位小于或等于V_M端的電位，從而保證FET₂有效關(guān)斷。

0V電池充電抑制功能
鋰離子電池保護電路可實現(xiàn)對0V電池進行充電，也可實現(xiàn)對0V 電池禁止充電，本文的設(shè)計采用后者，這一功能使保護電路禁止對內(nèi)部短路的電池進行充電。當(dāng)電池電壓為0V電池充電抑制電壓V_OINH（典型值為1V左右）或更低時，F(xiàn)ET₂的柵極電位被固定為V_M 的電位，從而禁止充電。當(dāng)電池電壓等于或高于V_OINH 時，可以進行充電。

其它功能
1）在過充電狀態(tài)下，保護電路需禁止放電過流保護起作用。因為電池在過充電后接上負(fù)載的情況下，在放電初期，系統(tǒng)仍處于過充電狀態(tài)，此時放電電流必然很大，引起過流的可能性很大；而過流保護如果起作用，就會關(guān)斷放電回路。這樣，一旦電池過充電，就可能永遠(yuǎn)不能使用；

2）在過放電保護起作用時，保護電路需禁止充電過流保護起作用。因為當(dāng)電池過放電后，剛接上充電器充電時，充電電流會很大。此時禁止充電過流保護起作用，可保證電池在過放電后可充電；

3）為了減少充電電流流過FET₁內(nèi)部寄生二極管的時間，如果在過放電狀態(tài)下連接上充電器并且V_M電壓低于充電過流檢測電壓時，解除過放電遲滯。

根據(jù)上述分析，本文設(shè)計的鋰離子電池保護電路的系統(tǒng)框圖如圖3所示。系統(tǒng)主要包括控制邏輯電路（CONTROL LOGIC CIRCUIT）、取樣電路（SAMPLE CIRCUIT）、過充電檢測比較器（OVERDIACHARGE COMPARATOR）、過放電檢測比較器（OVERDISCHARGE COMPARATOR）、過流1檢測比較器（OVERCURRENT1 COMPARATOR）、過流2 檢測比較器（OVERCURRENT2 COMPARATOR）、負(fù)載短路檢測電路（LOAD SHORT DETECTION CIRCUIT）、充電過流檢測電路（CHARGER DETEDTION CIRCUIT）、電平轉(zhuǎn)換電路（CONVERTOR CIRCUIT）、基準(zhǔn)電路（REFERENCE CIRCUIT）以及偏置電路（BIAS CIRCUIT）。其中，偏置電路在圖3 中沒有給出，電平轉(zhuǎn)換電路同時能實現(xiàn)0V 充電抑制功能。

圖2 主要干擾類型


圖3 鋰離子電池保護電路系統(tǒng)框圖

圖3 中MN 在過電流時導(dǎo)通，它的作用是使過大的電流不經(jīng)過FET₁和FET₂而通過MN流向地。MP與待機狀態(tài)有關(guān)，待機狀態(tài)電路的工作原理是：當(dāng)保護電路進入過放電狀態(tài)后，產(chǎn)生一個待機狀態(tài)信號，使保護芯片中的大多數(shù)電路停止工作，它是通過控制邏輯電路和負(fù)載短路檢測電路的配合完成的。M₃的作用是在待機狀態(tài)下，使采樣電路不消耗靜態(tài)電流。M₄和M₅分別用于實現(xiàn)過放電和過充電檢測遲滯以濾除充放電過程中的波動干擾信號。而瞬時干擾信號的濾除由控制邏輯電路中的延時電路實現(xiàn)。

關(guān)鍵電路實現(xiàn)

鋰離子電池保護芯片的性能，不僅與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，與具體電路的實現(xiàn)也是密不可分的，下面的電路模塊在整個芯片中具有關(guān)鍵的作用，本文從功耗和精度等角度考慮，提出了獨特的設(shè)計方法。

待機狀態(tài)電路
保護電路進入待機狀態(tài)有賴于過放電狀態(tài)的檢測，進入待機狀態(tài)后，為了減小功耗應(yīng)使盡可能多的電路模塊停止工作，但如果所有的檢測電路都不工作，待機狀態(tài)將無法退出，為此在設(shè)計負(fù)載短路檢測電路時不引入待機狀態(tài)控制信號，其目的即為在電池電壓升高后使保護電路能及時退出待機狀態(tài)。圖4 給出了待機狀態(tài)信號產(chǎn)生和撤銷的原理圖。

圖4 中SOD為過放電檢測信號，系統(tǒng)處于正常狀態(tài)時，SOD為高電平，V_M為低電平，因此待機狀態(tài)控制信號POWERD輸出高電平、POWERDB輸出低電平。當(dāng)系統(tǒng)進入過放電狀態(tài)時，SOD（延時后的信號）變?yōu)榈碗娖?，MP導(dǎo)通使VM變?yōu)楦唠娖?，最終使POWERD變?yōu)榈碗娖?、POWERDB變?yōu)楦唠娖?，它們控制保護電路相應(yīng)模塊停止工作，系統(tǒng)進入待機狀態(tài)。當(dāng)對電池進行充電時，由圖1可知V_M被強制拉到低電平，使負(fù)載短路檢測電路的輸出信號OUT_LSB變?yōu)楦唠娖剑淮藭r，不論SOD為何值或非門都將輸出低電平，POWERD由此變?yōu)楦唠娖?，這樣，就可實現(xiàn)待機狀態(tài)的退出。

基準(zhǔn)電壓電路
為了檢測過充電、過放電和放電過流情況，檢測比較器需要與基準(zhǔn)電壓進行比較。由于過充電檢測和過放電檢測電路之前有采樣電路，它們可用相同的基準(zhǔn)電壓，而過流1 和過流2 需采用不同的基準(zhǔn)電壓。為了提高芯片的檢測精度，電壓基準(zhǔn)采用受電源、溫度和工藝影響較小的帶隙基準(zhǔn)源，如圖5 所示為具體結(jié)構(gòu)圖，其中M₁~M₅ 工作于弱反型區(qū)，因此該電路具有功耗較小的特點。

電路的工作原理為：由M₁―M₄和R₅組成的自偏置電路產(chǎn)生具有正溫度系數(shù)的電流，它在電阻R0所產(chǎn)生的壓降和具有負(fù)溫度系數(shù)的PN 結(jié)壓降（D0上的壓降）相加，從而輸出零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓VBD；為滿足同一電路中輸出不同的基準(zhǔn)電壓源，利用電阻分壓將VBD 分成了VBI1及VBI2輸出；C0和R6組成啟動電路。

由圖5 可知， V_GSM2-V_GSM1=I_M2*R₅。M₃ 和M₄ 組成電流鏡，取相同的寬長比，則I_M1=I_M2。因為M1和M2工作于弱反型區(qū)，所以：



式（1）中n為亞閾值因子，UT為熱電勢。M3和M5組成電流鏡，則：



設(shè))R=(R₁+R₂)//(R₃+R₄ )，二極管的正向壓降為V_D，可以推導(dǎo)輸出電壓為：




由（3）―（5）式可知，基準(zhǔn)電壓的精度與電阻R₀―R₄ 的精度直接相關(guān)，為此這些電阻需要采用調(diào)整（trimming）技術(shù)。

圖4 待機狀態(tài)實現(xiàn)電路


圖5 電壓基準(zhǔn)電路

充電過流檢測電路

充電過流的檢測歸結(jié)為檢測V_M電壓，其臨界值為V_CH（約為-1.3V）。如果所用工藝的MOS管閾值電壓可以調(diào)節(jié)，負(fù)電壓檢測電路可用差分結(jié)構(gòu)的比較器實現(xiàn)，其中比較器的一個輸入端接地，并且兩個差分對管的閾值電壓需要調(diào)整。為了使該電路能用常規(guī)的CMOS 工藝實現(xiàn)，本文在過零比較器的基礎(chǔ)上引入升壓電路，如圖6(a)所示當(dāng)V_M》V_CHA時，升壓電路使V_N>0 。升壓部分具體實現(xiàn)如圖6(b)所示。

PMOS管M1和NMOS管M2的柵極都接地。當(dāng)M1的柵源電壓小于它的閾值電壓時，M2截止，而M1始終導(dǎo)通，A1比較器的反相輸入信號VN電位因為大于同相輸入端的電位，而使輸出OUT_CDCB為低電平。隨著輸入信號V_M電位向負(fù)方向的增大，M2逐漸導(dǎo)通，最后使得V_N 端電位變負(fù)，OUT_CDCB由此變?yōu)楦唠娖?。圖6中V_N=0時的輸入電壓即為檢測電壓V_CHA，此時M₁和M₂處于飽和狀態(tài)且下列關(guān)系式成立：



（6）式中， u_n和u_p分別為N管和P管的遷移率，V_THN和V_THP分別為N管和P管的閾值電壓，COX為氧化層電容。（6）式經(jīng)整理得：



由（7）式可知，本電路中檢測電壓|V_CHA|的取值只能大于M₂的閾值電壓，改變M1和M2的寬長比可改變檢測電壓V_CHA。當(dāng)M₂未導(dǎo)通時，電路消耗的電流較??；當(dāng)M₂導(dǎo)通時，就會有電源到地的通路，為了減小消耗的電流，一般取M1的寬長比小于1。

電平轉(zhuǎn)換電路及0V 電池充電抑制電路
由于電平轉(zhuǎn)換電路和0V電池充電抑制電路的目的都是為了控制CO端，這兩個功能可用一個電路完成，如圖7 所示給出了具體實現(xiàn)電路。

電平轉(zhuǎn)換功能主要由M₁―M₄、R₁和R₂組成的電路完成；0V電池充電抑制功能主要由M₅、M₆和R₃完成；M₇―M₁₀和R₄組成的與非門在電平轉(zhuǎn)換功能和0V 電池充電抑制功能之間進行選擇。電阻起限流作用。下面是這兩個功能的具體實現(xiàn)過程。

電平轉(zhuǎn)換實現(xiàn)過程
在正常的放電過程中，V_M端電位大于零而接近于零，可近似為V_SS。此時，該電路的輸入信號IN_LCB=‘0’，IN_LC=‘1’，顯然，CO輸出為高電平（VDD）。

在正常的充電過程中，V_M端電位小于零而接近于零，仍可近似為V_SS。當(dāng)出現(xiàn)過充電或充電過流時，IN_LC=‘0’，IN_LCB=‘1’，VA為VM端電位，VB為VDD電位，VC輸出V_DD電位，因此CO與V_M等電位。

圖6 負(fù)壓檢測原理


圖7 電平轉(zhuǎn)換電路及0V電池充電抑制電路

0V 電池充電抑制實現(xiàn)過程
0V 電池充電抑制功能發(fā)生在充電過程中，此時，IN_LCB=‘0’，IN_LC=‘1’，V_A 為高電平。當(dāng)電池電壓V_DD小于或等于1V時，M₅關(guān)閉，另外，較小的電池電壓使其內(nèi)阻變小，接近內(nèi)部短路。在這種情況下充電，充電電流一定很大，導(dǎo)致V_M的電位下降很大，使M₆ 導(dǎo)通，VB由低電平轉(zhuǎn)化為高電平，CO端輸出電位接近V_M電位。

模擬結(jié)果

芯片的所有功能和主要參數(shù)均用HSPICE 進行了模擬驗證。圖8 給出了過充電保護檢測和釋放波形圖，圖9 給出了過放電保護檢測和釋放波形圖，其中COMP_OC 為過充電比較器的輸出信號，COMP_OD 為過放電比較器的輸出信號；芯片的過充電和過放電檢測精度約為30mV，在正常工作時消耗的電流為3.23uA，在待機狀態(tài)時消耗的電流為0.15uA。

圖8 過充電保護檢測和釋放波形圖


圖9 過放電保護檢測和釋放波形圖

總結(jié)

本文設(shè)計了一種單節(jié)鋰離子電池保護芯片，它可用常規(guī)的P 阱或雙阱CMOS工藝實現(xiàn)。為了提高檢測異常情況的精度，芯片中引入了濾除干擾電路，放電過流采用三級保護機制，電壓基準(zhǔn)采用帶隙基準(zhǔn)源；為了降低功耗，采用了如下措施：將模擬電路偏置在弱反型區(qū)，引入了待機狀態(tài)電路；另外，本文用巧妙的電路結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了待機狀態(tài)電路、充電過流檢測電路以及0V電池充電抑制電路。經(jīng)過模擬驗證，本文設(shè)計的芯片能有效防止鋰離子電池在應(yīng)用中所發(fā)生的過充電、過放電和過電流現(xiàn)象，并且具有良好的性能。