基于單片機的鋰電池保護電路低功耗設計

90 年代出現(xiàn)的鋰電池是能源技術領域的一個重要的里程碑。和其它二次電池相比, 鋰電池具有更高的體積密度和能量密度, 因此在移動電話、個人數(shù)字助理(Personal D igital A ssistan t, PDA )、計算機等手提式電子設備中獲得了極為廣泛的應用。

　　一方面, 以鋰電池為供電電源的電路設計中, 要求將越來越復雜的混合信號系統(tǒng)集成到一個小面積芯片上, 這必然給數(shù)字、模擬電路提出了低壓、低功耗問題。在功耗和功能的制約中, 如何取得最佳的設計方案也是當前功耗管理技術( Pow erM anagem en t, PM ) 的一個研究熱點。目前研究得較多的是系統(tǒng)級的動態(tài)功耗管理技術(Dynam icPow erM anagem en t, DPM ) , 它的基本思想是關掉不工作的部分以節(jié)省系統(tǒng)功耗, 但是在大多數(shù)情況下, 這種方法僅用于數(shù)字系統(tǒng)的低功耗優(yōu)化。和模擬電路相關的低功耗設計也有許多文獻報道, 但基本只限于某類專用電路, 而對數(shù)?；旌想娐返墓墓芾韯t少有文獻涉及。

　　另一方面, 鋰電池的應用也極大地推動了相應電池管理、電池保護電路的設計開發(fā)。鋰電池應用時必須要有復雜的控制電路, 來有效防止電池的過充電、過放電和過電流狀態(tài)。

　　本文針對鋰電池保護電路, 在考慮功能實現(xiàn)的同時, 重點從功耗的角度出發(fā), 采用了模擬電路中關鍵電路工作在亞閾值區(qū)的設計思路, 并利用內(nèi)部數(shù)字信號反饋控制模擬電路進入Standby 狀態(tài), 從而滿足較低電壓下的功耗管理。

　系統(tǒng)功能實現(xiàn)

　　圖1 給出了鋰電池保護電路的系統(tǒng)框圖。圖中,VDD 和V SS 分別是電池電源和地輸入端; CO 和DO 分別是充電及放電控制端, 在正常工作模式下均為高電平, 電池既可以充電又可以放電, 反之, 充電和放電回路被切斷;VM 是放電過流、充電過流檢測端。電路實現(xiàn)的功能如下:

　　(1) 過充電、過放電檢測: 圖中的取樣電路(SAM PL E) 將實時監(jiān)測電池電壓信號, 并將之送入過充電比較器(OV ERCHARGE)、過放電比較器(OV ERD ISCHARGE) 和基準電壓比較, 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(CON TROLLO G IC) 輸出相應信號到CO 端及DO 端, 即完成過充電、過放電檢測功能。

　　(2) 放電過流檢測: 由VM 端來監(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 (OV ERCU RREN T1)、過流2(OV ERCU RREN T2)、負載短路(LOAD SHORTDETECT ION ) 輸出相應信號, 并根據(jù)過流程度經(jīng)過相應延時后, 由邏輯控制電路輸出信號控制DO 端。

　　(3) 充電過流檢測: VM 端信號還可以反映電池接充電器時, 充電電流的大小, 再經(jīng)充電檢測比較器(CHARGE DETECT ION ) 比較后, 由邏輯控制電路決定是否應停止充電。

　　(4) 零伏電池充電功能: 由電平轉(zhuǎn)換電路(CONV ERTOR) 實現(xiàn), 能夠?qū)Υ潆姷碾姵剡M行檢測, 若電池電壓低于零伏電池充電電壓, 便輸出信號將CO 端置為低電平, 從而切斷充電回路。

　　可以看出, 此電路是一個連續(xù)工作的數(shù)?；旌舷到y(tǒng), 同時又以被監(jiān)測的鋰電池為供電電源, 在實現(xiàn)電路功能并滿足檢測精度的前提下, 電路的功耗成了另外一個重要的性能指標。由于控制邏輯部分屬于數(shù)字電路, 靜態(tài)功耗幾乎可以忽略, 所以如何降低模擬電路的靜態(tài)功耗并且限制低電壓下的電路功耗成了設計重點。

　系統(tǒng)低功耗設計

　Standby 狀態(tài)實現(xiàn)

　　設計中, 為了使電路在電池過放電情況下盡可能地降低電流消耗, 數(shù)字電路中加入了使系統(tǒng)進入Standby 狀態(tài)的控制部分, 原理圖由圖2 給出。

　　圖中信號OD 由數(shù)字電路產(chǎn)生, 當比較器檢測到電池電壓低于過放電檢測電壓, 并經(jīng)過延時后,OD 將從高電平變?yōu)榈碗娖? 此時通過P2 管將VM拉到高電平, 再經(jīng)反相后從負載短路輸出OU T＿ L S端輸出低電平, 使輸出端STAND 變?yōu)榈碗娖?STANDB 為高電平, 意味著系統(tǒng)可以進入Standby狀態(tài); 一旦電池充電開始時,VM 端迅速被置為低電平, 此時不管OD 如何, 都通過OU T ＿L S 將STAND恢復為高電平, 系統(tǒng)進入正常的檢測狀態(tài)。

　　通過內(nèi)部數(shù)字電路產(chǎn)生的Standby 信號, 可以有效打開或者切斷模擬電路從電源到地的直流通路, 使電路在不需要的時候保持Standby 狀態(tài), 以降低電源消耗。因為只需要單個MO S 便可充當電路的控制開關, 所以這種方法簡單可靠, 不影響原有的模擬電路功能, 并且能和模擬電路低功耗設計相結(jié)合,實現(xiàn)低電壓下電路的功耗管理。

亞閾值電壓基準電路

　　由于電壓基準源同時要給過充比較器、過放比較器、過流1 比較器及過流2 比較器提供不隨溫度、電源電壓變化而變化的基準電壓, 所以在模擬電路中起著非常重要的作用, 同時也是影響電路功耗的一大因素。本文利用MO S 管的亞閾值特性, 設計了工作在亞閾值區(qū)的電壓基準電路, 能夠滿足上述功耗要求, 電路結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

　　電路利用一個自偏置電路產(chǎn)生具有正溫度系數(shù)的電流, 該電流流過電阻R 0 所產(chǎn)生的壓降和具有負溫度系數(shù)的PN 結(jié)壓降相加, 可以輸出一個零溫度系數(shù)的基準電壓V BD; 為滿足同一電路中輸出不同的基準電壓源, 利用電阻分壓將V BD 分成了V B I1 及V B I2輸出。同時, 為保證電路在加上電源電壓后能進入正確的工作狀態(tài), 電路中還加入了R C 啟動電路。

　　由圖3 可見, P0 和P1 組成電流鏡, 取相同的寬長比, 則。在P1、P0、N 0、N 1 和R 5 構(gòu)成的自偏置電路中, 選擇合適的R 5 值, 可以使N 0 和N 1 工作在亞閾值區(qū)。并且, 在時, 亞閾值MO S 管的漏電流I d 可表示為:

　　式中,

與工藝參數(shù)有關, 其中n 為亞閾值因子,

k 　為波爾茲曼常數(shù), q 為電子電荷。因為,V GSN 0- V GSN 1= IN 0?R 5,將式(1) 代入, 則有:

　　式(2) 中可以看出, 不考慮電阻R 1 的溫度系數(shù),電流IN 1與熱電壓U T 成線性關系, 具有正溫度系數(shù)。P2 和P1 組成電流鏡, 假定流過P2 的電流為I P2, 則有:

　　設二極管正向壓降為V D , 分壓電阻R 1、R 2、R 3、R 4 對R 0 的影響可以用等效電阻R = (R 1 + R 2 ) ∥ (R 3 +R 4) 來表示, 則在正常工作時, 滿足

　　該電流產(chǎn)生電路有兩個平衡工作點, 即零點和正常工作點, 所以需要一個啟動電路, 使電路能在上電過程中脫離零點而穩(wěn)定工作。另外, 從電路功耗考慮, 啟動電路在電路進入正常工作后應斷開, 沒有電流消耗。設計時從P 1 的漏端加入了R 6、C0, 構(gòu)成自偏置電路的啟動電路。

　　與傳統(tǒng)的Bandgap 基準源電路相比, 該電路有以下特點: 電路工作在亞閾值區(qū), 功耗極低, 電路中電阻值和器件參數(shù)均取比值, 最大程度地避免了工藝漂移引起的輸出變化; 電路設計中還加入了R C啟動電路, 保證電路在上電后能及時進入正常工作狀態(tài)。另外, 由內(nèi)部數(shù)字信號STANDB 的控制, 此電路能夠在低電壓下進入Standby 狀態(tài), 此時消耗電流僅由控制管的漏電流決定, 小到幾乎可以忽略。

模擬結(jié)果

　　電路采用UMC 0. 6 μm 數(shù)字電路SP ICE 模型進行HSP ICE 模擬驗證。圖4 給出了電路對電池電壓VDD 進入和退出過充電狀態(tài)時的模擬結(jié)果, 從圖中可看出, 過充電出現(xiàn)后, CO 端被置為低電平, 反之則是與電源電壓相等的高電平。