超低功耗的锂离子电池管理系统电路模块设计

为了满足某微功耗仪表的应用，提高安全性能，提出了一种超低功耗锂离子电池管理系统的设计方法。采用双向高端微电流检测电路，结合开路电压和电荷积分算法实现电量检测。采用纽扣电池代替DC/DC降压电路最大程度降低功耗。系统实现了基本保护、剩余电量检测、故障记录等功能。该锂离子电池管理系统在仪表上进行验证，结果表明具有良好的稳定性和可靠性，平均工作电流仅145μA。

保护执行电路：电路是保护动作的执行机构，CH是充电控制开关，DISCH是放电控制开关，通过控制CH和DISCH做出相应的保护动作，电路图如图所示。

CH和DISCH在正常工作时置为低电平，此时M1和M2均导通。当出现放电过流或者过放电状态，DISCH置为高电平，此时Q2断开，Q3导通，将M2栅极电容的电荷迅速放电，使M2能瞬间关闭，完成保护。当出现充电过流或者过充电状态，将CH置为高电平，关闭M1。电路中MOSFET选用了IRF4310，该MOSFET导通电阻仅为7kΩ，通流能力可达140A。

双向高端微电流检测电路：在单电源供电的微小信号检测应用中，由于采样电压很小，常受制于运放的供电轨而难以完成对小信号的检测。本设计中采用了电流高端检测电路，可以摆脱单电源供电对小信号检测的限制。高端检测电路采用了凌特公司LT1495超低功耗运放，电路示意图见图。

此电路可以实现对双向小电流的采样放大及判定电流的方向。R9为采样电阻，考虑到短路时电流较大，其阻值一般很小，本方法中R9阻值设为25mΩ。当电池处于放电状态，假定电流源、R9和LOAD组成的环路电流方向为顺时针，此时DIR1为低电平，DIR2为高电平，M1截止，M2导通。流过R4的电流IR4=R9×IR9/R4，R5输出端的电压信号为VCUR=R9×IR9×R5/R4。当电池处于充电状态时，回路电流为逆时针方向，此时由运放U1完成对电流信号的放大，DIR1为高电平，DIR2为低电平。当电池处于闲置状态回路无电流时，DIR1和DIR2均为低电平。通过DIR1和DIR2的逻辑状态可以判定锂离子电池处于放电、充电或者是闲置状态。

电源设计：采用了纽扣电池给系统供电的设计方法，省去了DC/DC和LDO芯片，降低了降压芯片的损耗功耗，电路示意图如图所示。

图中R为数字电位器，选用ADI公司的AD5165，它的调节范围从0～100kΩ，静态电流仅50nA。V1和V2为纽扣电池，选用日本精工的MS920SE，该型号支持最大800μA的最大电流放电。采集时间到来根据电池组电压值CELL4+调整电位器的阻值，R=（R1+R2）［（CELL4+）-3.6V）］，闭合开关W1和W2并采集pOW_DET的电压，由此来判定纽扣电池的电量。若D1阳极电压值小于充电阈值电压，说明纽扣电池电压过低，则断开W2并调节数字电位器用适当的电流对纽扣电池进行充电。下一个采集周期到来重新调整数字电位器R，闭合W1和W2并采集pOW_DET的电压，由此来判定纽扣电池的电量是否充满，若D1阳极电压大于充电完成阈值电压，说明纽扣电池充满，则断开W1和W2。由此完成对纽扣电池的充电调节控制。3.3V数字电源经LC滤波转换成模拟电源。