一種單節(jié)鋰電池保護IC設計

1引言

設計了一種低功耗的單節(jié)鋰離子電池保護電路，此保護電路不僅對鋰離子電池提供過充電，過放電，放電過流保護，還提供充電異常保護，零伏電池充電禁止等功能。用1.0μm雙阱CMOS工藝實現。

2鋰電池保護IC的功能原理分析

鋰電池保護電路的原理圖如圖1所示，E+和E-端之間加充電器或負載。電路工作原理如下：

正常狀態(tài)：當電池電壓在過放電檢測電壓以上且在過充電檢測電壓以下，VM端子的電壓在充電器檢測電壓以上且在過電流檢測電壓以下時，充電控制用FET2和放電控制用FET1的兩方均打開。

這時可以進行自由的充電和放電。這種狀態(tài)叫做正常狀態(tài)。

過充電保護：在充電過程中，當電池電壓高于過充電檢測電壓，且該狀態(tài)持續(xù)到過充電檢測延遲時間后，控制電路輸出一個低電平，關斷充電控制用FET2，禁止充電。

過放電保護：在放電過程中，當電池電壓低于過放電檢測電壓，且該狀態(tài)持續(xù)到過放電檢測延遲時間后，控制電路輸出一個低電平，關斷放電控制用FET1，禁止放電。

過電流保護：過電流保護包括一級過流保護，二級過流保護，短路保護，當放電電流過大，VM端電壓上升，超過過流檢測電壓，且該狀態(tài)持續(xù)時間超過過流檢測延遲時間后，控制電路輸出低電平，關斷放電控制用FET1，放電禁止。在放電過程中，VM端電壓就是兩個處于導通態(tài)的FET上的壓降（見圖1），即VVM=I×2RFET.式中I是通過FET的電流，即放電電流，RFET是FET的通態(tài)電阻。

充電異常保護：電池在充電過程中如果電流過大，使VM端電壓下降，當低于某個設定值，并且這個狀態(tài)持續(xù)到過充電檢測延遲時間以上時，控制電路關斷充電控制用FET2，停止充電。當VM端電壓重新上升到設定值以上后，充電控制用FET1打開，充電保護異常解除。

零伏電池充電禁止：電池在久放不用的情況下，會自身放電使電池電壓下降，甚至為零伏，有些鋰電池因其特性的原因在被完全放電后不適宜再度充電。當電池電壓低于某個設定值時，充電控制用FET2的柵極被固定在低電位，禁止充電。只有電池本身電壓在零伏電池禁止充電電壓以上時，才被允許充電。

3電路設計

如圖2所示，鋰電池保護電路主要由基準源，比較器，邏輯控制電路以及一些附加功能塊組成。比較器檢測所用到的基準電壓都要通過一個基準源電路來提供，此基準源在正常工作情況下，必須高精度，低功耗，以滿足芯片要求，且能夠在電源電壓低至2.2V時正常工作。

圖3就是符合此要求的帶隙基準源。在該電路中，P4，P5，P6，P7，N3，N4，N6組成一個二級運放作為基準源的反饋，而運放的偏置電壓由基準源來提供，既簡化了電路與版圖，又減少了額外功耗。通過調節(jié)MOS管的尺寸，使運放具有較高增益，較低失調電壓?；鶞试床捎眉夁B二極管的形式，Q1，Q2發(fā)射區(qū)面積相等，Q3，Q4發(fā)射區(qū)面積相等，為了減少功耗，取Q3的面積為Q2的兩倍。級連二極管形式能有效減少運放失調對輸出基準電壓精度的影響。

保護電路中所用的檢測電壓一般較低，比如一級過流檢測電壓為0.15V左右，二級過流檢測電壓為0.6V左右，但一般帶隙基準電路只能輸出1.2V左右的電壓，電阻R5的引入就是通過對輸出基準電壓進行再次分壓來解決這個問題。以下給出輸出基準電壓的計算公式：

從式（4）中可以看出2ln（IS3/IS2）VT相對于ln（IS3/IS2）VT受失調電壓VOS的影響明顯減少，即級連二極管的采用使基準電壓受運放失調影響減少。

式中產生因子R5/（R4+R5），通過調整R4，R5的電阻值，可以得到小于1.2V的基準電壓。

圖1中N1，N2，P1，P2，P3，C1作為啟動電路，有源電阻P1，P2起限流作用。N5，P13為開關管，當保護電路處于休眠狀態(tài)時，電路必須停止工作，使功耗降為最低，此時通過內部控制電路使L1為低電位，P13管打開，使偏置點VBIAS上升為高電位，P4，P7，P8，P9，P10，P11，P12管截止，N5管關閉，切斷由P13，N6形成的支路，該電路停止工作，電流幾乎為零。經仿真，該基準電路在2.2V電壓下可正常工作。

以下介紹此款鋰電池保護IC的附加功能，包括充電異常檢測功能，零伏電池充電禁止功能。如圖4所示。

當鋰電池接上充電器進行充電時，VM端相當于充電器的負端（見圖1），產生一個-4V左右的脈沖電壓，N1管瞬間導通，同時OUT1端也產生-4V的脈沖電壓，當邏輯電路監(jiān)測到OUTI端的負脈沖電壓后通過邏輯控制使L2為高電位，使N3管導通，又因為P1管的柵極接地，當VDD大于P1管的閾值電壓時，P1管導通，D1點為高電位，N2管導通，D2點為低電位，P4管導通，CO為高電位，充電控制用FET2打開，允許充電，即充電器檢測完成。

當鋰電池由于自放電使自身電壓降為PMOS管閾值以下時，P1管截止，D1為低電位，使N2管截止，節(jié)點D2無法下降到VM端電壓，P4管截止，CO端為低電位，充電控制用FET2關閉，禁止充電，即為零伏電池充電禁止功能。在充電過程中，VM端電位為-I×2RFET（見圖1），I為充電電流，RFET為FET導通電阻。當電流過大，使VM端電位下降到負的NMOS閾值以下時，N5管導通，D3電位下降，P6管導通，輸出OUT2為高電位，當該狀態(tài)持續(xù)一段時間以后，控制邏輯判斷該狀態(tài)有效，使L2為低電位，N3管截止，P3管導通，D2為高電位，使CO端為低，充電控制用FET2關閉，充電停止，即為充電異常檢測功能。

4仿真時序圖

圖5為過充與過放電檢測的HSPICE仿真時序圖，從中可以看出，當比較器檢測到電池過充，在這里過充檢測點為4.25V，且該狀態(tài)保持時間達到過充電檢測延遲時間，在這里約為1.2秒，CO輸出低電平，關斷充電用FET2，停止充電。當檢測到電池過放電，這里過放電檢測點為2.25V，且該狀態(tài)保持時間達到過放電檢測延遲時間約150毫秒，DO輸出低電平，關斷放電用FET1，停止放電。其它如放電過流檢測等功能經HSPICE仿真完全符合要求，在這里不一一列出。

5結論

設計的單節(jié)鋰電池保護IC在正常工作狀態(tài)下消耗電流為3.3uA，休眠狀態(tài)下為0.15uA，過充電檢測精度為±25mV，能在-40°C~85°C的溫度下工作，產品性能完全符合要求。

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