單節(jié)鋰電池保護(hù)IC設(shè)計(jì)

　　1 引 言

　　設(shè)計(jì)了一種低功耗的單節(jié)鋰離子電池保護(hù)電路，此保護(hù)電路不僅對(duì)鋰離子電池提供過(guò)充電，過(guò)放電，放電過(guò)流保護(hù)，還提供充電異常保護(hù)，零伏電池充電禁止等功能。用1. 0μm雙阱CMOS工藝實(shí)現(xiàn)。

　　2 鋰電池保護(hù)IC的功能原理分析

　　鋰電池保護(hù)電路的原理圖如圖1 所示， E +和E - 端之間加充電器或負(fù)載。電路工作原理如下：

　　圖1 鋰電池保護(hù)原理圖

　　正常狀態(tài)：當(dāng)電池電壓在過(guò)放電檢測(cè)電壓以上且在過(guò)充電檢測(cè)電壓以下， VM端子的電壓在充電器檢測(cè)電壓以上且在過(guò)電流檢測(cè)電壓以下時(shí)，充電控制用FET2 和放電控制用FET1 的兩方均打開(kāi)。

　　這時(shí)可以進(jìn)行自由的充電和放電。這種狀態(tài)叫做正常狀態(tài)。

　　過(guò)充電保護(hù)：在充電過(guò)程中，當(dāng)電池電壓高于過(guò)充電檢測(cè)電壓，且該狀態(tài)持續(xù)到過(guò)充電檢測(cè)延遲時(shí)間后，控制電路輸出一個(gè)低電平，關(guān)斷充電控制用FET2，禁止充電。

　　過(guò)放電保護(hù)：在放電過(guò)程中，當(dāng)電池電壓低于過(guò)放電檢測(cè)電壓，且該狀態(tài)持續(xù)到過(guò)放電檢測(cè)延遲時(shí)間后，控制電路輸出一個(gè)低電平，關(guān)斷放電控制用FET1，禁止放電。

　　過(guò)電流保護(hù)：過(guò)電流保護(hù)包括一級(jí)過(guò)流保護(hù)，二級(jí)過(guò)流保護(hù)，短路保護(hù)，當(dāng)放電電流過(guò)大， VM端電壓上升，超過(guò)過(guò)流檢測(cè)電壓，且該狀態(tài)持續(xù)時(shí)間超過(guò)過(guò)流檢測(cè)延遲時(shí)間后，控制電路輸出低電平，關(guān)斷放電控制用FET1，放電禁止。在放電過(guò)程中， VM端電壓就是兩個(gè)處于導(dǎo)通態(tài)的FET上的壓降（見(jiàn)圖1） ，即VVM = I ×2RFET.式中I是通過(guò)FET的電流，即放電電流， RFET是FET的通態(tài)電阻。

　　充電異常保護(hù)：電池在充電過(guò)程中如果電流過(guò)大，使VM端電壓下降，當(dāng)?shù)陀谀硞€(gè)設(shè)定值，并且這個(gè)狀態(tài)持續(xù)到過(guò)充電檢測(cè)延遲時(shí)間以上時(shí)，控制電路關(guān)斷充電控制用FET2，停止充電。當(dāng)VM端電壓重新上升到設(shè)定值以上后，充電控制用FET1打開(kāi)，充電保護(hù)異常解除。

　　零伏電池充電禁止：電池在久放不用的情況下，會(huì)自身放電使電池電壓下降，甚至為零伏，有些鋰電池因其特性的原因在被完全放電后不適宜再度充電。當(dāng)電池電壓低于某個(gè)設(shè)定值時(shí)，充電控制用FET2的柵極被固定在低電位，禁止充電。只有電池本身電壓在零伏電池禁止充電電壓以上時(shí)，才被允許充電。

　　3 電路設(shè)計(jì)

　　如圖2所示，鋰電池保護(hù)電路主要由基準(zhǔn)源，比較器，邏輯控制電路以及一些附加功能塊組成。比較器檢測(cè)所用到的基準(zhǔn)電壓都要通過(guò)一個(gè)基準(zhǔn)源電路來(lái)提供，此基準(zhǔn)源在正常工作情況下，必須高精度，低功耗，以滿足芯片要求，且能夠在電源電壓低至2. 2V時(shí)正常工作。

　　圖2 鋰電池保護(hù)電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　圖3就是符合此要求的帶隙基準(zhǔn)源。在該電路中， P4， P5， P6， P7，N3，N4， N6組成一個(gè)二級(jí)運(yùn)放作為基準(zhǔn)源的反饋，而運(yùn)放的偏置電壓由基準(zhǔn)源來(lái)提供，既簡(jiǎn)化了電路與版圖，又減少了額外功耗。通過(guò)調(diào)節(jié)MOS管的尺寸，使運(yùn)放具有較高增益，較低失調(diào)電壓。基準(zhǔn)源采用級(jí)連二極管的形式， Q1， Q2發(fā)射區(qū)面積相等， Q3， Q4發(fā)射區(qū)面積相等，為了減少功耗，取Q3的面積為Q2的兩倍。級(jí)連二極管形式能有效減少運(yùn)放失調(diào)對(duì)輸出基準(zhǔn)電壓精度的影響。

　　保護(hù)電路中所用的檢測(cè)電壓一般較低，比如一級(jí)過(guò)流檢測(cè)電壓為0. 15V 左右，二級(jí)過(guò)流檢測(cè)電壓為0. 6V左右，但一般帶隙基準(zhǔn)電路只能輸出1. 2V左右的電壓，電阻R5的引入就是通過(guò)對(duì)輸出基準(zhǔn)電壓進(jìn)行再次分壓來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。以下給出輸出基準(zhǔn)電壓的計(jì)算公式：

　　圖3 基準(zhǔn)源電路結(jié)構(gòu)

　　從式（4）中可以看出2 ln （ IS3 / IS2 ） VT相對(duì)于ln（ IS3 / IS2 ）VT受失調(diào)電壓VOS的影響明顯減少，即級(jí)連二極管的采用使基準(zhǔn)電壓受運(yùn)放失調(diào)影響減少。

　　式中產(chǎn)生因子R5 / （R4 +R5 ） ，通過(guò)調(diào)整R4 ， R5 的電阻值，可以得到小于1. 2V的基準(zhǔn)電壓。

　　圖1中N1，N2， P1， P2， P3， C1作為啟動(dòng)電路，有源電阻P1， P2 起限流作用。N5， P13 為開(kāi)關(guān)管，當(dāng)保護(hù)電路處于休眠狀態(tài)時(shí)，電路必須停止工作，使功耗降為最低，此時(shí)通過(guò)內(nèi)部控制電路使L1 為低電位， P13 管打開(kāi)，使偏置點(diǎn)VB IAS上升為高電位，P4， P7， P8， P9 ， P10， P11， P12管截止，N5管關(guān)閉，切斷由P13，N6形成的支路，該電路停止工作，電流幾乎為零。經(jīng)仿真，該基準(zhǔn)電路在2. 2V電壓下可正常工作。

　　以下介紹此款鋰電池保護(hù)IC的附加功能，包括充電異常檢測(cè)功能，零伏電池充電禁止功能。如圖4所示。

　　圖4 附加功能電路結(jié)構(gòu)

　　當(dāng)鋰電池接上充電器進(jìn)行充電時(shí)， VM端相當(dāng)于充電器的負(fù)端（見(jiàn)圖1） ，產(chǎn)生一個(gè)- 4V左右的脈沖電壓，N1管瞬間導(dǎo)通，同時(shí)OUT1端也產(chǎn)生- 4V的脈沖電壓，當(dāng)邏輯電路監(jiān)測(cè)到OUTI端的負(fù)脈沖電壓后通過(guò)邏輯控制使L2 為高電位，使N3 管導(dǎo)通，又因?yàn)镻1管的柵極接地，當(dāng)VDD大于P1管的閾值電壓時(shí)， P1 管導(dǎo)通， D1 點(diǎn)為高電位， N2 管導(dǎo)通，D2點(diǎn)為低電位， P4管導(dǎo)通， CO為高電位，充電控制用FET2打開(kāi)，允許充電，即充電器檢測(cè)完成。

　　當(dāng)鋰電池由于自放電使自身電壓降為PMOS管閾值以下時(shí)， P1管截止， D1為低電位，使N2管截止，節(jié)點(diǎn)D2無(wú)法下降到VM端電壓， P4管截止， CO端為低電位，充電控制用FET2關(guān)閉，禁止充電，即為零伏電池充電禁止功能。在充電過(guò)程中， VM端電位為- I ×2RFET （見(jiàn)圖1） ， I為充電電流， RFET為FET導(dǎo)通電阻。當(dāng)電流過(guò)大， 使VM 端電位下降到負(fù)的NMOS閾值以下時(shí)，N5管導(dǎo)通， D3電位下降， P6管導(dǎo)通，輸出OUT2為高電位，當(dāng)該狀態(tài)持續(xù)一段時(shí)間以后，控制邏輯判斷該狀態(tài)有效，使L2 為低電位，N3管截止， P3管導(dǎo)通，D2為高電位，使CO端為低，充電控制用FET2關(guān)閉，充電停止，即為充電異常檢測(cè)功能。

　　4 仿真時(shí)序圖

　　圖5為過(guò)充與過(guò)放電檢測(cè)的HSPICE仿真時(shí)序圖，從中可以看出，當(dāng)比較器檢測(cè)到電池過(guò)充，在這里過(guò)充檢測(cè)點(diǎn)為4. 25V，且該狀態(tài)保持時(shí)間達(dá)到過(guò)充電檢測(cè)延遲時(shí)間，在這里約為1. 2秒， CO輸出低電平，關(guān)斷充電用FET2，停止充電。當(dāng)檢測(cè)到電池過(guò)放電，這里過(guò)放電檢測(cè)點(diǎn)為2. 25V，且該狀態(tài)保持時(shí)間達(dá)到過(guò)放電檢測(cè)延遲時(shí)間約150毫秒，DO輸出低電平，關(guān)斷放電用FET1，停止放電。其它如放電過(guò)流檢測(cè)等功能經(jīng)HSP ICE仿真完全符合要求，在這里不一一列出。

　　圖5 過(guò)充與過(guò)放電檢測(cè)仿真時(shí)序圖

　　5 結(jié) 論

　　設(shè)計(jì)的單節(jié)鋰電池保護(hù)IC在正常工作狀態(tài)下消耗電流為3. 3uA，休眠狀態(tài)下為0. 15uA，過(guò)充電檢測(cè)精度為±25mV，能在- 40°C~85°C的溫度下工作，產(chǎn)品性能完全符合要求。