低耗能新型式的锂粒子电池护卫装置

1近些年来，便携式电子产品的快速发展促进了电池技术的更换，锂离子电池以能量高、寿命长、无记忆性、无污染等优势排在电池行业的最前列。

如现在的手机、数码摄像机、笔记本等都采用锂离子电池作为工作电源。但是锂离子电池极容易出现过充电、过放电等现象，这些情况易损害电池，减短它的使用寿命。但是目前国内没有这种电池保护的核心技术，本文介绍一种锂离子电池充电保护电路，这种保护电路以低功耗、高精度、高能量密度、高内阻、高安全性等特性脱颖而出，因此这种锂离子电池保护电路的设计和应用得到了普及。

2系统的规划

此保护芯片主要实现的功能有：过充电检测，过放电检测，过电流检测和0V电池充电禁止功能。其电池保护应用结构图如1所示：

1电池保护应用原理图（1）通常状态时，FET1、FET2都导通，即CO、DO端子为高电平，电池可以进行自由充放电；（2）当电池充电超到过充电检测电压Vcu时，CO为低电平，关闭FET2，禁止电池充电；当电池放电到过放电检测电压Vdl时，DO为低电平，关闭FET1，电池禁止放电；其中两个二极管为寄生二极管，当其中一个FET关闭时，回路可以通过其中内置的寄生二极管形成；值得注意的是充放电电路必须与不同的充放电时延相搭配；（3）当出现过电流时，VM端子电压会升高，而且过电流越大，时延就越小，这样配合与VM端子相联结的3个过电流比较器来控制DO端及时的关闭；（4）当电池电压过低时，即电池电压小于0V电池充电检测电压V0char，电池不能充电。为了使电池反应更快、更稳定，设置了过充电过放电滞后解除功能。

由上面的设计可以知道该IC内部应该具有的电路单元为：过充电比较器，过放电比较器，过电流比较器，基准源，0v充电禁止电路，分频器（即延时单元），振荡器，组合控制逻辑单元等。于是我们得到具体的本IC内部系统结构框如2所示：

本IC实现的关键是多系列和低功耗。这两点实现的难点是不变基准源的实现。当基准提供的过充、过放、过流的比较基准电压不一样时，它会产生不同系列的产品。比方说，过充电检测电压、过放电检测电压分别为4.28V、2.3V和4.325V、2.

5V时，他们就属于同一型号不同系列电池保护IC.至于低功耗，因为整个片子的模块非常多，要使正常工作时其整体功耗不超过3.5uA，则每个模块分到的电流平均不到0.5uA，所以应该想办法使整个片尽量工作在弱反型区。下面将具体介绍怎样达到这两点要求的。

3不同型号的设计

3.1构思

此点的关键是要有一种技术，它可以根据我们不同的要求选取不同的基准来实现，但是怎样实现呢难道上面的系统结构图2中的最左边的提供基准电压的电阻是可选择的吗确实是可选取的。

其实此处的电阻并不是简单的一个电阻，而是来自于电阻网络，电阻网络中的一些小电阻是可选择可熔断的（可以通过激光技术来熔断），选择不同的熔断电阻就可以得到不同的2最左边的电阻。

3.2具体电路的实现

3电阻网络中的一个单元3横向摆置的电阻R1、R2、R3等（可以不相同）是千欧级的大电阻，竖向摆置的电阻r（相同）是欧姆级的，并且是可熔断的。当我们选择不同的竖向电阻熔断时就可以在点VB1，VB2之间得到不同电阻值，上图只是电阻网络中的一个单元，我们可以根据所需要的电阻值把很多个这样的单元相互组合，因为这些可熔断的电阻是小电阻，所以得到的两点之间的电阻值可以只相差零点零几伏，通过这种方法我们可以得到不同系列的产品。

电阻网络是不同于电压滞后功能实现的电路，电压滞后电路是在某一固定的系列下，即电路已经定型（即需要熔断的电阻在出厂之前已经熔断）的情况下，通过电池充放电的状态调节两个与小电阻并联的数字管来短路/或不短路两个小电阻来微弱的改变分压电阻，从而实现基准电压微小的变化，即所谓的实现/解除滞后功能，如实现/解除过充滞后电压等等。

4低功耗的设计

4.1基准电压的设计

4模块结构低功耗多系列的锂离子电池保护IC整个片子的功耗在07uA之间，所以要正确地选择各模块工作的区域。而我们为了降低片子的成本就需要整个片子尽量使用相同的工艺，我们在这里选择CMOS工艺，这样由双极型工艺设计的带隙基准结构就不能使用了，还有一个重要的原因不能使用双极型工艺，我们要求的电源电压工作范围是1.58V变化的，而需要的基准是1.2v的电压，双极型的带隙结构是不能满足要求的，因为它在电源电压是1.5V时，不能产生1.2V的基准电压。这里我们就选择类似于简单的自举式结构的电路来实现。

4.2具体电路的实现

如4所示此模块是一个电流镜结构，工作与否是受控制端SD，SDB控制的，P1、N2、P4、N4构成启动电路，此电路工作在亚阈值区，所以工作电流很小，在HSPICE的环境下采用CMOS0.3um的工艺，仿真可得到整个模块的电流才0.1uA左右。

产生的基准和偏置都是采用multiplierreferencedself-biasing电路，其MP2、MP3工作在亚阈区时，整个电路的原理为：

VGS-MP3=nVT1nILIDOW+VTHP且VGS-MP2=nVT1nILIDOKW+VTHP故ID=nVTR1nK为一恒流源。其中VT=kTq为热电压，k是Boltamann常数，q是电荷量。

电流镜结构工作原理是基于对基准电流的复制，如左边的参考电流为IREF，则右边的输出电流为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第一项VT具有正的温度系数，在室温时大约为+0.087mV/，第二项VTH具有负的温度系数，在室温时大约为-1.5mV/，通过设定合适的工作点，便可以使两项之和在某一温度下达到零温度系数，从而得到具有较好温度特性的电压基准。其中Vvn-comp为比较器提供基准电压，Vvp-osc振荡器提供合适的偏置。

4.3其他电路的设计

电路中5个比较器都采用简单两极差分放大的形式，且它们都工作在弱反型区。通过仿真可知在弱反型区工作时也可以实现正常的比较功能。

比较器要使在弱反型区工作最重要的是调节尾电流源，其次要注意使其共模工作范围在满足要求的情况下尽量大。过电流检测的过流电压比较小，所以采用PMOS差分对的比较电路，过充和过放电检测的过充和过放电压比较大所以采用NMOS差分对的电路，这样可以使差分对的比较参考电压正好比耐高压的NMOS管的阈值电压小一点，使之工作在弱反型区。

振荡器同样工作在弱反型区，主要控制使之起振的偏置电压，使起振管子在亚域值导通；主要调节充放电电容的大小和充电反相器的W/L使其有正确的工作频率。电容不能太小，那样功耗会过大，可能会比设计的整个片子的功耗还大。所以在满足要求的情况下，即振荡频率在3.5KHZ左右时，电容要尽可能大点。

数字逻辑的宽长比是控制电流大小的关键，当W/L过小时，可能产生的翻转尖峰电流达到几十uA，这会严重影响片子的性能，所以我们要慎重选取数字管的W/L的值。

5结论

本文设计了一种单节电池低功耗锂离子电池保护电路，它具有宽的工作温度范围：-4085，电路模拟结果表明在典型应用条件下电路的功耗仅3A，最大功耗不超过7uA，它具有过充电检测，过放电检测，过流检测（包括负载短路检测），0V电池禁止充电等多项功能，是现在锂离子电池充电保护的理想选择。