鋰離子電池管理芯片的研究及其低功耗設計 — 鋰離子電池管理芯片的功能設計及功耗優(yōu)化

3.1 VLSI功耗優(yōu)化設計流程

VLSI的Top-Down低功耗設計流程如圖3.1.1所示。圖中，虛框所示的是傳統(tǒng)的VLSI設計流程。由圖可見，和傳統(tǒng)設計方法相比，低功耗優(yōu)化設計在每個關鍵層次上都增加了功耗的約束條件：一是在關鍵層次上運用低功耗設計技術進行功耗優(yōu)化，二是對功耗優(yōu)化的結(jié)果進行分析或者評估。

正如第二章所提出，在設計的各個層次，功耗優(yōu)化的效果都不一樣。在系統(tǒng)/結(jié)構級，系統(tǒng)框架已經(jīng)確定，在這個層次介入低功耗設計，還需要不涉及電路結(jié)構本身，所以功耗優(yōu)化的空間很大，本章所提出的動態(tài)功耗管理技術便是在此時實施的。在這個階段，低功耗設計的難點在于，建立一個較為準確的系統(tǒng)功耗模型，采用有效的功耗管理策略進行功耗優(yōu)化。

3.2鋰離子電池管理芯片的保護功能設計

3.2.1應用特點及要求

正如緒言中所提到的，隨著便攜式電子產(chǎn)品不斷小型化、性能以及普及率的日益提高，作為其電源的二次電池市場正迅速拓寬。其中，鋰離子電池以其能量密度高、重量輕、循環(huán)次數(shù)長、自放電率低而在筆記本電腦與移動電話領域中應用廣泛，市場占有率已分別在80%與90%以上。

鋰離子電池是以鋰離子的儲存與釋放為電能轉(zhuǎn)換介質(zhì)。由于金屬鋰的化學活性極強，加上電池內(nèi)部使用了可燃性的有機溶劑，鋰離子可充電電池如果發(fā)生過充電、過放電、外部電路短路或放電電流過大時，電池很容易出現(xiàn)膨脹、漏液甚至爆裂等異?，F(xiàn)象，從而導致電池性能惡化甚至失效。因此，每個電池（組）都必須安裝具有保護功能的電池管理芯片，也可稱電池保護芯片，并由其監(jiān)視電池的工作狀態(tài)。一旦電池達到過充電、過放電及過流狀態(tài)，啟動保護功能，斷開系統(tǒng)，而在正常使用條件下，保護芯片不工作，電池仍可繼續(xù)使用。

通常回路中充電電流的通斷開關，由兩個外加的背靠背的功率MOS管實現(xiàn)，它既可以是與電池（組）負端相接的N型功率MOS管，也可以是與電池正端相接的P型MOS管，如圖3.2.1所示.

在這樣的應用場合下，鋰離子電池保護系統(tǒng)設計將遇到以下幾個挑戰(zhàn)：

①面積小、成本低。這樣才能夠內(nèi)置在電池（組）中使用。

②功能強，精度高。一方面要求有內(nèi)置高精度的電壓保護電路，還要求包括過流1、過流2和短路保護在內(nèi)的三級過流保護機制；此外，由內(nèi)部實現(xiàn)延時，精度高達30%；最好還應該具有充電功能和非正常充電電流保護功能及零伏電池充電抑制功能。

③低電流消耗：為了盡量減小對電池壽命的影響，系統(tǒng)的電流消耗必須明顯低于電池的自放電率，這意味著整個電路僅消耗幾十微安電流。典型地，系統(tǒng)電流應不高于3.0μA.

④電壓工作范圍寬：對于單節(jié)電池保護系統(tǒng)設計而言，更大的挑戰(zhàn)在于低電壓工作能力，這樣才能保證過放電的電池（低于2V）能正常充電；另外，直接和充電器相接的管腳需要能夠承受高壓。就整個系統(tǒng)而言，要求能在1.5V～8V的電壓范圍內(nèi)正常工作。

⑤可靠性高。明顯地，該系統(tǒng)要能夠在較寬的溫度范圍（-40℃～85℃）內(nèi)有較高的可靠性。

3.2.2保護功能設計

結(jié)合單節(jié)鋰離子電池保護芯片的應用電路圖，來討論外圍電路中器件的選擇原則方法以及芯片保護功能設計，并在此基礎上介紹不涉及功耗管理模塊的系統(tǒng)框圖。

1外圍電路及功能設計

圖3.2.2給出了單節(jié)鋰離子電池保護芯片的應用圖。

圖3.2.2所示的保護芯片中，VDD和VSS分別是電池電源和地輸入端；CO和DO分別控制芯片外接的兩個N型功率MOS管FET1和FET2，來控制電池的充電及放電回路，工作原理如下：正常工作時，CO和DO均為與V DD相等的高電平，此時FET1和FET2導通，電池既可以向負載放電，又可以由充電器進行充電；當CO降為低電平時，F(xiàn)ET1截止，充電回路被切斷，但電池仍然可以通過FET1的寄生二極管向負載放電；當DO為低電平時，F(xiàn)ET2截止，放電回路被切斷，但FET2的寄生二極管仍保證了電池可以進行充電。此外，圖中3.2.2中還提供了VM端，來檢測充、放電過程中的過流情況。

圖3.2.2中，保護芯片外接的元件十分重要。其中，F(xiàn)ET1和FET2是放電和充電控制功率NMOS管，設計時應該重視以下參數(shù)：一是導通電阻R on，這兩個NMOS必須具有盡可能低的導通電阻，以盡量降低壓降和功耗損失；另一方面，從過流檢測角度，如接負載放電時，過流檢測電壓為

式中，I為放電電流。應用中為了降低VM值，有效利用放電或充電電流，功率管的導通電阻也應盡可能地小，一般地，取20mΩ~30mΩ。二是能承受的電流峰值，由于在短路過程中，功率MOS管要能夠承受瞬間的大電流，比如單節(jié)鋰離子電池的內(nèi)阻典型值為150m左右，當充電到4.1V時，電池產(chǎn)生的短路電流短時間內(nèi)將超過20A；三是尺寸，為了便于封裝，兩個NMOS的尺寸應盡可能地小。另外，圖3.2.2中的R1和C1用于電源波動保護，典型值分別為470和0.1μf；R2用于充電器反接保護，典型值為1kΩ.

如圖3.2.2所示，在電池接上負載放電和充電器充電的過程中，為了能有效地保護電池，保護IC將具有以下五種工作狀態(tài)：正常、過壓保護（充電過壓和放電過壓）、過流保護（過流1、過流2及負載短路三種放電過流及非正常充電電流）、充電檢測和零伏電池充電抑制狀態(tài).下面分別加以說明：

①正常狀態(tài)

IC監(jiān)視VDD端和VSS之間的電池電壓以及VM和VSS端之間的電壓，假如V DD在放電檢測電壓V_DL和充電檢測電壓V_CU之間，VM電壓在充電檢測電壓V_CHA和過流1檢測電壓V _IOV1之間，電路就正常工作。此時CO和DO均處于高電位，用于控制的兩只FET都處于導通狀態(tài)，電路可以向負載放電，也可以由充電器進行充電。為了有效利用放電電流或充電電流，F(xiàn)ET采用導通電阻很小的功率MOSFET.

②過充電保護狀態(tài)所謂過充電保護工作，是在電池電壓升高到大于過充電檢測電壓V_CU并且這種狀態(tài)持續(xù)到過充電保護延遲時間t_CU結(jié)束時，禁止充電器充電，CO從高電位變?yōu)榈碗娢?，充電控制管FET2截止，停止充電。但在檢測出過充電以后，電路仍然可以通過FET2的寄生二極管向負載放電。V_CU大于過充電釋放電壓V_CL，即具有過充電滯后釋放功能，可以在以下兩種情況釋放過充電保護：

一種是當電池電壓降到低于V_CL，IC將FET2打開，使電路正常工作；另一種情況是，當連接電池負載開始放電時，IC打開FET2并使電路回到正常工作狀態(tài)。具體釋放機制如下：當連接負載并開始放電后，放電電流立即流過FET2內(nèi)部寄生二極管，VM端電壓同時增至0.7V.IC檢測到這一高于過流保護1電壓V IOV1的電壓后，就使CO電位升高，釋放過充電狀態(tài)。此時如果電池電壓等于或低于V CU，電路就立即回到正常工作狀態(tài)，但如果電池電壓高于V CU，即使接上負載，IC也要電池電壓降到低于V CU才回到正常狀態(tài)。而且當接上負載并且開始放電時，假如VM電壓等于或低于V IOV1，IC則不會回到正常狀態(tài)。

③過放電狀態(tài)（具有Power Down狀態(tài)功能）

在正常放電過程中，當電池電壓下降到低于過放電檢測電壓V DL并且持續(xù)到過放電保護延時時間t_DL結(jié)束時，IC中DO降為低電位，放電控制管FET1截止，停止放電。FET1關閉后，VM電壓被芯片中VM和VDD端之間電阻R_VMD抬高，同時VM和VDD端電位差下降，當達到1.3V的負載短路檢測電壓V_SHORT時，電流下降到低電流I_PDN，這種狀態(tài)稱為Power Down狀態(tài)。

當接上充電器，VM和VDD端電位差變?yōu)?.3V或更高時，Power Down狀態(tài)釋放，此時FET1仍關閉。當電池電壓等于過放檢測電壓V_DL或更高時，IC打開FET1將過放電狀態(tài)轉(zhuǎn)換為正常狀態(tài)。

④放電過流狀態(tài)

在正常狀態(tài)下放電時，當放電電流等于或高于特定值，對應于VM電壓等于或高于過流檢測電壓，并且持續(xù)到過流檢測延遲時間結(jié)束時，IC中DO為低電位，放電控制管FET1截止，停止放電，這種狀態(tài)稱為過流狀態(tài)，并按過流程度可以分為：過流1、過流2或負載短路狀態(tài)。

在過流狀態(tài)下，VM和VSS端被電阻RVMS內(nèi)部短路。當連接上負載時，VM電壓等于V_DD；當去掉負載時，由于RVMS的短路作用，VM電壓恢復到V_SS.以過流1狀態(tài)為例，如果檢測到VM電壓低于V_IOV1，電路就回到正常狀態(tài)。

但在過充電狀態(tài)下，IC禁止過流保護起作用。這是因為電池在過充電后接上負載的情況下，在剛放電的時候，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，就會關斷放電回路。這樣，一旦電池過充電，就可能永遠不能放電。但過充電狀態(tài)結(jié)束后，IC又使這種禁止取消，過流保護重新起作用，又使系統(tǒng)能得到及時、有效的過流保護。

⑤非正常充電電流檢測

如果在正常充電條件下，VM電壓下降到低于充電器檢測電壓V CHA，并且持續(xù)了過充電檢測延遲時間t_CU甚至更長，IC將關閉充電控制管FET2，停止充電，這被稱為非正常充電電流保護。

但在過放電保護起作用時，IC禁止非正常充電電流保護起作用。因為當電池過放電后，剛接上充電器充電時，充電電流會很大。此時禁止非正常充電電流保護起作用，可有效防止充電回路被切斷，從而保證電池在過放電后可以再充電。

當FET1打開，VM電壓下降到低于V_CHA，非正常充電電流檢測開始工作。

因此，如果在過放電條件下，有非正常充電電流流過電池，電池電壓變到等于過放電檢測電壓V_DL甚至更高，并且過充電延遲時間消去后，IC將關閉FET2，停止充電。當去掉充電器，VM和VSS間電壓低于V_CHA時，非正常充電電流檢測被釋放。

⑥充電檢測

電池在過放條件下接上充電器，如果VM的電壓低于充電檢測電壓V_CHA，當電池電壓高于過放檢測電壓V_DL且過放檢測延時滯后釋放，此時過放狀態(tài)被解除，F(xiàn)ET1打開，這被稱為充電檢測。如果過放保護MOS管關閉，充電電流只能通過過放保護MOS管的內(nèi)部寄生二極管進行充電，因此，充電檢測狀態(tài)減少了充電的時間。電池在過放條件下接上充電器，如果VM引腳的電壓高于充電檢測電壓V_CHA，當電池電壓高于過放釋放電壓V_DU，過放狀態(tài)釋放。

⑦零伏電池充電抑制功能

這一功能禁止對連接其上的內(nèi)部短路的電池（即零伏電池）進行充電。當電池電壓為0.9V或更低時，充電控制管FET2的柵極電位被固定為EB-的電位，從而禁止充電。當電池電壓等于或高于零伏電池充電抑制電壓V_OINH時，可以進行充電。

2系統(tǒng)框圖

要實現(xiàn)上面所述的電池管理芯片的保護功能，芯片的系統(tǒng)框圖如圖3.2.3所示。



圖3.2.3給出了不包含功耗管理模塊的鋰離子電池保護IC的系統(tǒng)框圖。圖中，取樣電路（Sample）將實時監(jiān)測電池電壓信號，并將之送入過充電比較器（Overcharge Comparator）、過放電比較器（Over-discharge Comparator）和基準電壓（Reference Voltage）比較，判斷電池電壓是否高于過充電檢測電壓或是否低于過放電檢測電壓，再由數(shù)字邏輯控制電路（Control Logic）輸出相應信號到CO端和DO端，即完成過充電、過放電檢測功能。

圖3.2.3中的VM端可以監(jiān)測電池接負載放電時的電流大小，和不同的基準電壓比較后，由三個比較器：過流1（Overcurrent1）、過流2（Overcurrent2）、負載短路（Load Short Detection）輸出相應信號，并根據(jù)過流的程度，經(jīng)過相應延時后，由邏輯控制電路輸出信號控制DO端。VM端的另一個作用是可以監(jiān)測電池接充電器時的充電電流大小，并通過邏輯控制電路輸出信號控制CO或者DO端。