一種單節(jié)鋰電池保護(hù)IC設(shè)計(jì)
1引言
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/186494.htm設(shè)計(jì)了一種低功耗的單節(jié)鋰離子電池保護(hù)電路,此保護(hù)電路不僅對鋰離子電池提供過充電,過放電,放電過流保護(hù),還提供充電異常保護(hù),零伏電池充電禁止等功能。用1.0μm雙阱CMOS工藝實(shí)現(xiàn)。
2鋰電池保護(hù)IC的功能原理分析
鋰電池保護(hù)電路的原理圖如圖1所示,E+和E-端之間加充電器或負(fù)載。電路工作原理如下:
圖1鋰電池保護(hù)原理圖
正常狀態(tài):當(dāng)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(shí),充電控制用FET2和放電控制用FET1的兩方均打開。
這時(shí)可以進(jìn)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(hù):在充電過程中,當(dāng)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(shí)間后,控制電路輸出一個(gè)低電平,關(guān)斷充電控制用FET2,禁止充電。
過放電保護(hù):在放電過程中,當(dāng)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(shí)間后,控制電路輸出一個(gè)低電平,關(guān)斷放電控制用FET1,禁止放電。
過電流保護(hù):過電流保護(hù)包括一級過流保護(hù),二級過流保護(hù),短路保護(hù),當(dāng)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(shí)間超過過流檢測延遲時(shí)間后,控制電路輸出低電平,關(guān)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(gè)處于導(dǎo)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(hù):電池在充電過程中如果電流過大,使VM端電壓下降,當(dāng)?shù)陀谀硞€(gè)設(shè)定值,并且這個(gè)狀態(tài)持續(xù)到過充電檢測延遲時(shí)間以上時(shí),控制電路關(guān)斷充電控制用FET2,停止充電。當(dāng)VM端電壓重新上升到設(shè)定值以上后,充電控制用FET1打開,充電保護(hù)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(dāng)電池電壓低于某個(gè)設(shè)定值時(shí),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(shí),才被允許充電。
3電路設(shè)計(jì)
如圖2所示,鋰電池保護(hù)電路主要由基準(zhǔn)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(zhǔn)電壓都要通過一個(gè)基準(zhǔn)源電路來提供,此基準(zhǔn)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(shí)正常工作。
圖2鋰電池保護(hù)電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
圖3就是符合此要求的帶隙基準(zhǔn)源。在該電路中,P4,P5,P6,P7,N3,N4,N6組成一個(gè)二級運(yùn)放作為基準(zhǔn)源的反饋,而運(yùn)放的偏置電壓由基準(zhǔn)源來提供,既簡化了電路與版圖,又減少了額外功耗。通過調(diào)節(jié)MOS管的尺寸,使運(yùn)放具有較高增益,較低失調(diào)電壓?;鶞?zhǔn)源采用級連二極管的形式,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(yùn)放失調(diào)對輸出基準(zhǔn)電壓精度的影響。
保護(hù)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(zhǔn)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(zhǔn)電壓進(jìn)行再次分壓來解決這個(gè)問題。以下給出輸出基準(zhǔn)電壓的計(jì)算公式:
圖3基準(zhǔn)源電路結(jié)構(gòu)
從式(4)中可以看出2ln(IS3/IS2)VT相對于ln(IS3/IS2)VT受失調(diào)電壓VOS的影響明顯減少,即級連二極管的采用使基準(zhǔn)電壓受運(yùn)放失調(diào)影響減少。
式中產(chǎn)生因子R5/(R4+R5),通過調(diào)整R4,R5的電阻值,可以得到小于1.2V的基準(zhǔn)電壓。
圖1中N1,N2,P1,P2,P3,C1作為啟動(dòng)電路,有源電阻P1,P2起限流作用。N5,P13為開關(guān)管,當(dāng)保護(hù)電路處于休眠狀態(tài)時(shí),電路必須停止工作,使功耗降為最低,此時(shí)通過內(nèi)部控制電路使L1為低電位,P13管打開,使偏置點(diǎn)VBIAS上升為高電位,P4,P7,P8,P9,P10,P11,P12管截止,N5管關(guān)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(jīng)仿真,該基準(zhǔn)電路在2.2V電壓下可正常工作。
以下介紹此款鋰電池保護(hù)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。
圖4附加功能電路結(jié)構(gòu)
當(dāng)鋰電池接上充電器進(jìn)行充電時(shí),VM端相當(dāng)于充電器的負(fù)端(見圖1),產(chǎn)生一個(gè)-4V左右的脈沖電壓,N1管瞬間導(dǎo)通,同時(shí)OUT1端也產(chǎn)生-4V的脈沖電壓,當(dāng)邏輯電路監(jiān)測到OUTI端的負(fù)脈沖電壓后通過邏輯控制使L2為高電位,使N3管導(dǎo)通,又因?yàn)镻1管的柵極接地,當(dāng)VDD大于P1管的閾值電壓時(shí),P1管導(dǎo)通,D1點(diǎn)為高電位,N2管導(dǎo)通,D2點(diǎn)為低電位,P4管導(dǎo)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(dāng)鋰電池由于自放電使自身電壓降為PMOS管閾值以下時(shí),P1管截止,D1為低電位,使N2管截止,節(jié)點(diǎn)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(guān)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(dǎo)通電阻。當(dāng)電流過大,使VM端電位下降到負(fù)的NMOS閾值以下時(shí),N5管導(dǎo)通,D3電位下降,P6管導(dǎo)通,輸出OUT2為高電位,當(dāng)該狀態(tài)持續(xù)一段時(shí)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(dǎo)通,D2為高電位,使CO端為低,充電控制用FET2關(guān)閉,充電停止,即為充電異常檢測功能。
4仿真時(shí)序圖
圖5為過充與過放電檢測的HSPICE仿真時(shí)序圖,從中可以看出,當(dāng)比較器檢測到電池過充,在這里過充檢測點(diǎn)為4.25V,且該狀態(tài)保持時(shí)間達(dá)到過充電檢測延遲時(shí)間,在這里約為1.2秒,CO輸出低電平,關(guān)斷充電用FET2,停止充電。當(dāng)檢測到電池過放電,這里過放電檢測點(diǎn)為2.25V,且該狀態(tài)保持時(shí)間達(dá)到過放電檢測延遲時(shí)間約150毫秒,DO輸出低電平,關(guān)斷放電用FET1,停止放電。其它如放電過流檢測等功能經(jīng)HSPICE仿真完全符合要求,在這里不一一列出。
圖5過充與過放電檢測仿真時(shí)序圖
5結(jié)論
設(shè)計(jì)的單節(jié)鋰電池保護(hù)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(chǎn)品性能完全符合要求。
更多資訊請關(guān)注:21ic模擬頻道
評論