鋰離子電池用保護(hù)電路的低功耗設(shè)計(jì)
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一方面, 以鋰電池為供電電源的電路設(shè)計(jì)中, 要求將越來越復(fù)雜的混合信號系統(tǒng)集成到一個(gè)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(shè)計(jì)方案也是當(dāng)前功耗管理技術(shù)( PowerManagement, PM ) 的一個(gè)研究熱點(diǎn)。
目前研究得較多的是系統(tǒng)級的動(dòng)態(tài)功耗管理技術(shù)(Dynam ic PowerM anagemen t, DPM ) , 它的基本思想是關(guān)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(guān)的低功耗設(shè)計(jì)也有許多文獻(xiàn)報(bào)道, 但基本只限于某類專用電路, 而對數(shù)模混合電路的功耗管理則少有文獻(xiàn)涉及。
另一方面, 鋰電池的應(yīng)用也極大地推動(dòng)了相應(yīng)電池管理、電池保護(hù)電路的設(shè)計(jì)開發(fā)。鋰電池應(yīng)用時(shí)必須要有復(fù)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(hù)電路, 在考慮功能實(shí)現(xiàn)的同時(shí), 重點(diǎn)從功耗的角度出發(fā), 采用了模擬電路中關(guān)鍵電路工作在亞閾值區(qū)的設(shè)計(jì)思路, 并利用內(nèi)部數(shù)字信號反饋控制模擬電路進(jìn)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(shí)現(xiàn)
(1) 過充電、過放電檢測: 圖中的取樣電路(SAM PLE) 將實(shí)時(shí)監(jiān)測電池電壓信號, 并將之送入過充電比較(OVERCHARGE)、過放電比較器(OV ERD ISCHARGE) 和基準(zhǔn)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 TROLLOG IC) 輸出相應(yīng)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(fù)載放電時(shí)的電流大小, 和不同的基準(zhǔn)電壓比較后, 由三個(gè)比較器: 過流1 (OVERCU RRENT1)、過流2(OV ERCU RREN T2)、負(fù)載短路(LOAD SHORTDETECTION ) 輸出相應(yīng)信號, 并根據(jù)過流程度經(jīng)過相應(yīng)延時(shí)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(shí), 充電電流的大小, 再經(jīng)充電檢測比較器(CHARGEDETECTION ) 比較后, 由邏輯控制電路決定是否應(yīng)停止充電。
(4) 零伏電池充電功能: 由電平轉(zhuǎn)換電路(CONVERTOR) 實(shí)現(xiàn), 能夠?qū)Υ潆姷碾姵剡M(jìn)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(gè)連續(xù)工作的數(shù)模混合系統(tǒng), 同時(shí)又以被監(jiān)測的鋰電池為供電電源, 在實(shí)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(gè)重要的性能指標(biāo)。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(shè)計(jì)重點(diǎn)。
系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)
Standby狀態(tài)實(shí)現(xiàn)
設(shè)計(jì)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(jìn)入Standby 狀態(tài)的控制部分, 原理圖由圖2 給出。
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(shí)候保持Standby 狀態(tài), 以降低電源消耗。因?yàn)橹恍枰獑蝹€(gè)MOS 便可充當(dāng)電路的控制開關(guān), 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(shè)計(jì)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)低電壓下電路的功耗管理。
亞閾值電壓基準(zhǔn)電路
由于電壓基準(zhǔn)源同時(shí)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(zhǔn)電壓, 所以在模擬電路中起著非常重要的作用, 同時(shí)也是影響電路功耗的一大因素。本文利用MOS 管的亞閾值特性, 設(shè)計(jì)了工作在亞閾值區(qū)的電壓基準(zhǔn)電路, 能夠滿足上述功耗要求, 電路結(jié)構(gòu)如圖3 所示。
由圖3 可見, P0 和P1 組成電流鏡, 取相同的寬長比, 則。在P1、P0、N0、N1 和R5 構(gòu)成的自偏置電路中, 選擇合適的R5 值, 可以使N0 和N1工作在亞閾值區(qū)。并且, 在時(shí), 亞閾值MOS 管的漏電流Id 可表示為:
式中, 
與工藝參數(shù)有關(guān), 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?yàn)?VGSN 0- VGSN 1= IN 0?R 5,將式(1) 代入, 則有: 
式(2) 中可以看出, 不考慮電阻R1的溫度系數(shù),電流IN 1與熱電壓U T 成線性關(guān)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IP2, 則有: 
設(shè)二極管正向壓降為VD , 分壓電阻R1、R 2、R 3、R 4 對R0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(shí), 滿足
該電流產(chǎn)生電路有兩個(gè)平衡工作點(diǎn), 即零點(diǎn)和正常工作點(diǎn), 所以需要一個(gè)啟動(dòng)電路, 使電路能在上電過程中脫離零點(diǎn)而穩(wěn)定工作。另外, 從電路功耗考慮, 啟動(dòng)電路在電路進(jìn)入正常工作后應(yīng)斷開, 沒有電流消耗。設(shè)計(jì)時(shí)從P1 的漏端加入了R6、C0, 構(gòu)成自偏置電路的啟動(dòng)電路。
與傳統(tǒng)的Bandgap 基準(zhǔn)源電路相比, 該電路有以下特點(diǎn): 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(shè)計(jì)中還加入了RC啟動(dòng)電路, 保證電路在上電后能及時(shí)進(jìn)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(jìn)入Standby 狀態(tài), 此時(shí)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SPICE 模型進(jìn)行HSPICE 模擬驗(yàn)證。圖4 給出了電路對電池電壓VDD 進(jìn)入和退出過充電狀態(tài)時(shí)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。
無線通信過程中要求清楚數(shù)據(jù)編碼的波形, 以便調(diào)試時(shí)知道發(fā)送數(shù)值的正確與否, 以及傳輸中干擾和將要采取的抗干擾措施。專用顯示驅(qū)動(dòng)芯片MAX7219 與MCS- 51之間是用串行的方式通信, 時(shí)序的配合在通信中非常重要。
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