鉅大LARGE | 點擊量：1349次 | 2018年08月17日
低耗能新型式的鋰粒子電池護衛(wèi)裝置
1近些年來，便攜式電子產(chǎn)品的快速發(fā)展促進了電池技術(shù)的更換，鋰離子電池以能量高、壽命長、無記憶性、無污染等優(yōu)勢排在電池行業(yè)的最前列。
如現(xiàn)在的手機、數(shù)碼攝像機、筆記本等都采用鋰離子電池作為工作電源。但是鋰離子電池極容易出現(xiàn)過充電、過放電等現(xiàn)象，這些情況易損害電池，減短它的使用壽命。但是目前國內(nèi)沒有這種電池保護的核心技術(shù)，本文介紹一種鋰離子電池充電保護電路，這種保護電路以低功耗、高精度、高能量密度、高內(nèi)阻、高安全性等特性脫穎而出，因此這種鋰離子電池保護電路的設計和應用得到了普及。
2系統(tǒng)的規(guī)劃
此保護芯片主要實現(xiàn)的功能有：過充電檢測，過放電檢測，過電流檢測和0V電池充電禁止功能。其電池保護應用結(jié)構(gòu)圖如1所示：
1電池保護應用原理圖（1）通常狀態(tài)時，F(xiàn)ET1、FET2都導通，即CO、DO端子為高電平，電池可以進行自由充放電；（2）當電池充電超到過充電檢測電壓Vcu時，CO為低電平，關(guān)閉FET2，禁止電池充電；當電池放電到過放電檢測電壓Vdl時，DO為低電平，關(guān)閉FET1，電池禁止放電；其中兩個二極管為寄生二極管，當其中一個FET關(guān)閉時，回路可以通過其中內(nèi)置的寄生二極管形成；值得注意的是充放電電路必須與不同的充放電時延相搭配；（3）當出現(xiàn)過電流時，VM端子電壓會升高，而且過電流越大，時延就越小，這樣配合與VM端子相聯(lián)結(jié)的3個過電流比較器來控制DO端及時的關(guān)閉；（4）當電池電壓過低時，即電池電壓小于0V電池充電檢測電壓V0char，電池不能充電。為了使電池反應更快、更穩(wěn)定，設置了過充電過放電滯后解除功能。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
由上面的設計可以知道該IC內(nèi)部應該具有的電路單元為：過充電比較器，過放電比較器，過電流比較器，基準源，0v充電禁止電路，分頻器（即延時單元），振蕩器，組合控制邏輯單元等。于是我們得到具體的本IC內(nèi)部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框如2所示：
本IC實現(xiàn)的關(guān)鍵是多系列和低功耗。這兩點實現(xiàn)的難點是不變基準源的實現(xiàn)。當基準提供的過充、過放、過流的比較基準電壓不一樣時，它會產(chǎn)生不同系列的產(chǎn)品。比方說，過充電檢測電壓、過放電檢測電壓分別為4.28V、2.3V和4.325V、2.
5V時，他們就屬于同一型號不同系列電池保護IC.至于低功耗，因為整個片子的模塊非常多，要使正常工作時其整體功耗不超過3.5uA，則每個模塊分到的電流平均不到0.5uA，所以應該想辦法使整個片盡量工作在弱反型區(qū)。下面將具體介紹怎樣達到這兩點要求的。
3不同型號的設計
3.1構(gòu)思
此點的關(guān)鍵是要有一種技術(shù)，它可以根據(jù)我們不同的要求選取不同的基準來實現(xiàn)，但是怎樣實現(xiàn)呢難道上面的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2中的最左邊的提供基準電壓的電阻是可選擇的嗎確實是可選取的。
其實此處的電阻并不是簡單的一個電阻，而是來自于電阻網(wǎng)絡，電阻網(wǎng)絡中的一些小電阻是可選擇可熔斷的（可以通過激光技術(shù)來熔斷），選擇不同的熔斷電阻就可以得到不同的2最左邊的電阻。
3.2具體電路的實現(xiàn)
3電阻網(wǎng)絡中的一個單元3橫向擺置的電阻R1、R2、R3等（可以不相同）是千歐級的大電阻，豎向擺置的電阻r（相同）是歐姆級的，并且是可熔斷的。當我們選擇不同的豎向電阻熔斷時就可以在點VB1，VB2之間得到不同電阻值，上圖只是電阻網(wǎng)絡中的一個單元，我們可以根據(jù)所需要的電阻值把很多個這樣的單元相互組合，因為這些可熔斷的電阻是小電阻，所以得到的兩點之間的電阻值可以只相差零點零幾伏，通過這種方法我們可以得到不同系列的產(chǎn)品。
電阻網(wǎng)絡是不同于電壓滯后功能實現(xiàn)的電路，電壓滯后電路是在某一固定的系列下，即電路已經(jīng)定型（即需要熔斷的電阻在出廠之前已經(jīng)熔斷）的情況下，通過電池充放電的狀態(tài)調(diào)節(jié)兩個與小電阻并聯(lián)的數(shù)字管來短路/或不短路兩個小電阻來微弱的改變分壓電阻，從而實現(xiàn)基準電壓微小的變化，即所謂的實現(xiàn)/解除滯后功能，如實現(xiàn)/解除過充滯后電壓等等。
4低功耗的設計
4.1基準電壓的設計
4模塊結(jié)構(gòu)低功耗多系列的鋰離子電池保護IC整個片子的功耗在07uA之間，所以要正確地選擇各模塊工作的區(qū)域。而我們?yōu)榱私档推拥某杀揪托枰麄€片子盡量使用相同的工藝，我們在這里選擇CMOS工藝，這樣由雙極型工藝設計的帶隙基準結(jié)構(gòu)就不能使用了，還有一個重要的原因不能使用雙極型工藝，我們要求的電源電壓工作范圍是1.58V變化的，而需要的基準是1.2v的電壓，雙極型的帶隙結(jié)構(gòu)是不能滿足要求的，因為它在電源電壓是1.5V時，不能產(chǎn)生1.2V的基準電壓。這里我們就選擇類似于簡單的自舉式結(jié)構(gòu)的電路來實現(xiàn)。
4.2具體電路的實現(xiàn)
如4所示此模塊是一個電流鏡結(jié)構(gòu)，工作與否是受控制端SD，SDB控制的，P1、N2、P4、N4構(gòu)成啟動電路，此電路工作在亞閾值區(qū)，所以工作電流很小，在HSPICE的環(huán)境下采用CMOS0.3um的工藝，仿真可得到整個模塊的電流才0.1uA左右。
產(chǎn)生的基準和偏置都是采用multiplierreferencedself-biasing電路，其MP2、MP3工作在亞閾區(qū)時，整個電路的原理為：
VGS-MP3=nVT1nILIDOW+VTHP且VGS-MP2=nVT1nILIDOKW+VTHP故ID=nVTR1nK為一恒流源。其中VT=kTq為熱電壓，k是Boltamann常數(shù)，q是電荷量。
電流鏡結(jié)構(gòu)工作原理是基于對基準電流的復制，如左邊的參考電流為IREF，則右邊的輸出電流為IOUT；由于：IOUT=W/LRW/LLIREF而IREF=ID，所以VVN_COMP=2W/LMP6W/LMP3NCoxWLMN7nVTR1nK+VTH-MN7同理VVP_OSC=VDD-2W/LMN6W/LMN3NCOXWLMP5nVTR1nK+VTH-MP5第一項VT具有正的溫度系數(shù)，在室溫時大約為+0.087mV/，第二項VTH具有負的溫度系數(shù)，在室溫時大約為-1.5mV/，通過設定合適的工作點，便可以使兩項之和在某一溫度下達到零溫度系數(shù)，從而得到具有較好溫度特性的電壓基準。其中Vvn-comp為比較器提供基準電壓，Vvp-osc振蕩器提供合適的偏置。
4.3其他電路的設計
電路中5個比較器都采用簡單兩極差分放大的形式，且它們都工作在弱反型區(qū)。通過仿真可知在弱反型區(qū)工作時也可以實現(xiàn)正常的比較功能。
比較器要使在弱反型區(qū)工作最重要的是調(diào)節(jié)尾電流源，其次要注意使其共模工作范圍在滿足要求的情況下盡量大。過電流檢測的過流電壓比較小，所以采用PMOS差分對的比較電路，過充和過放電檢測的過充和過放電壓比較大所以采用NMOS差分對的電路，這樣可以使差分對的比較參考電壓正好比耐高壓的NMOS管的閾值電壓小一點，使之工作在弱反型區(qū)。
振蕩器同樣工作在弱反型區(qū)，主要控制使之起振的偏置電壓，使起振管子在亞域值導通；主要調(diào)節(jié)充放電電容的大小和充電反相器的W/L使其有正確的工作頻率。電容不能太小，那樣功耗會過大，可能會比設計的整個片子的功耗還大。所以在滿足要求的情況下，即振蕩頻率在3.5KHZ左右時，電容要盡可能大點。
數(shù)字邏輯的寬長比是控制電流大小的關(guān)鍵，當W/L過小時，可能產(chǎn)生的翻轉(zhuǎn)尖峰電流達到幾十uA，這會嚴重影響片子的性能，所以我們要慎重選取數(shù)字管的W/L的值。
5結(jié)論
本文設計了一種單節(jié)電池低功耗鋰離子電池保護電路，它具有寬的工作溫度范圍：-4085，電路模擬結(jié)果表明在典型應用條件下電路的功耗僅3A，最大功耗不超過7uA，它具有過充電檢測，過放電檢測，過流檢測（包括負載短路檢測），0V電池禁止充電等多項功能，是現(xiàn)在鋰離子電池充電保護的理想選擇。
