一种单节锂电池保护IC设计
dzsc.com文章出处： 发布时间： 2011/10/13
摘 要：介绍了锂电池保护IC的工作原理，设计了适合CMOS工艺的锂电池保护电路，符合低功耗，高精度的要求。
1 引 言
设计了一种低功耗的单节锂离子电池保护电路，此保护电路不仅对锂离子电池提供过充电，过放电，放电过流保护，还提供充电异常保护，零伏电池充电禁止等功能。用1. 0μm双阱CMOS工艺实现。
2 锂电池保护IC的功能原理分析
锂电池保护电路的原理图如图1 所示， E +和E - 端之间加充电器或负载。电路工作原理如下：
图1 锂电池保护原理图
正常状态：当电池电压在过放电检测电压以上且在过充电检测电压以下， VM端子的电压在充电器检测电压以上且在过电流检测电压以下时，充电控制用FET2 和放电控制用FET1 的两方均打开。
这时可以进行自由的充电和放电。这种状态叫做正常状态。
过充电保护：在充电过程中，当电池电压高于过充电检测电压，且该状态持续到过充电检测延迟时间后，控制电路输出一个低电平，关断充电控制用FET2,禁止充电。
过放电保护：在放电过程中，当电池电压低于过放电检测电压，且该状态持续到过放电检测延迟时间后，控制电路输出一个低电平，关断放电控制用FET1,禁止放电。
过电流保护：过电流保护包括一级过流保护，二级过流保护，短路保护，当放电电流过大， VM端电压上升，超过过流检测电压，且该状态持续时间超过过流检测延迟时间后，控制电路输出低电平，关断放电控制用FET1,放电禁止。在放电过程中， VM端电压就是两个处于导通态的FET上的压降（见图1） ,即VVM = I ×2RFET.式中I是通过FET的电流，即放电电流， RFET是FET的通态电阻。
充电异常保护：电池在充电过程中如果电流过大，使VM端电压下降，当低于某个设定值，并且这个状态持续到过充电检测延迟时间以上时，控制电路关断充电控制用FET2,停止充电。当VM端电压重新上升到设定值以上后，充电控制用FET1打开，充电保护异常解除。
零伏电池充电禁止：电池在久放不用的情况下，会自身放电使电池电压下降，甚至为零伏，有些锂电池因其特性的原因在被完全放电后不适宜再度充电。当电池电压低于某个设定值时，充电控制用FET2的栅极被固定在低电位，禁止充电。只有电池本身电压在零伏电池禁止充电电压以上时，才被允许充电。
3 电路设计
如图2所示，锂电池保护电路主要由基准源，比较器，逻辑控制电路以及一些附加功能块组成。比较器检测所用到的基准电压都要通过一个基准源电路来提供，此基准源在正常工作情况下，必须高精度，低功耗，以满足芯片要求，且能够在电源电压低至2. 2V时正常工作。
图2 锂电池保护电路的内部结构
图3就是符合此要求的带隙基准源。在该电路中， P4, P5, P6, P7,N3,N4, N6组成一个二级运放作为基准源的反馈，而运放的偏置电压由基准源来提供，既简化了电路与版图，又减少了额外功耗。通过调节MOS管的尺寸，使运放具有较高增益，较低失调电压。基准源采用级连二极管的形式， Q1, Q2发射区面积相等， Q3, Q4发射区面积相等，为了减少功耗，取Q3的面积为Q2的两倍。级连二极管形式能有效减少运放失调对输出基准电压精度的影响。
保护电路中所用的检测电压一般较低，比如一级过流检测电压为0. 15V 左右，二级过流检测电压为0. 6V左右，但一般带隙基准电路只能输出1. 2V左右的电压，电阻R5的引入就是通过对输出基准电压进行再次分压来解决这个问题。以下给出输出基准电压的计算公式：
图3 基准源电路结构
从式（4）中可以看出2 ln （ IS3 / IS2 ） VT相对于ln（ IS3 / IS2 ）VT受失调电压VOS的影响明显减少，即级连二极管的采用使基准电压受运放失调影响减少。
式中产生因子R5 / （R4 +R5 ） ,通过调整R4 , R5 的电阻值，可以得到小于1. 2V的基准电压。
图1中N1,N2, P1, P2, P3, C1作为启动电路，有源电阻P1, P2 起限流作用。N5, P13 为开关管，当保护电路处于休眠状态时，电路必须停止工作，使功耗降为最低，此时通过内部控制电路使L1 为低电位， P13 管打开，使偏置点VB IAS上升为高电位，P4, P7, P8, P9 , P10, P11, P12管截止，N5管关闭，切断由P13,N6形成的支路，该电路停止工作，电流几乎为零。经仿真，该基准电路在2. 2V电压下可正常工作。
以下介绍此款锂电池保护IC的附加功能，包括充电异常检测功能，零伏电池充电禁止功能。如图4所示。
图4 附加功能电路结构
当锂电池接上充电器进行充电时， VM端相当于充电器的负端（见图1） ,产生一个- 4V左右的脉冲电压，N1管瞬间导通，同时OUT1端也产生- 4V的脉冲电压，当逻辑电路监测到OUTI端的负脉冲电压后通过逻辑控制使L2 为高电位，使N3 管导通，又因为P1管的栅极接地，当VDD大于P1管的阈值电压时， P1 管导通， D1 点为高电位， N2 管导通，D2点为低电位， P4管导通， CO为高电位，充电控制用FET2打开，允许充电，即充电器检测完成。
当锂电池由于自放电使自身电压降为PMOS管阈值以下时， P1管截止， D1为低电位，使N2管截止，节点D2无法下降到VM端电压， P4管截止， CO端为低电位，充电控制用FET2关闭，禁止充电，即为零伏电池充电禁止功能。在充电过程中， VM端电位为- I ×2RFET （见图1） , I为充电电流， RFET为FET导通电阻。当电流过大， 使VM 端电位下降到负的NMOS阈值以下时，N5管导通， D3电位下降， P6管导通，输出OUT2为高电位，当该状态持续一段时间以后，控制逻辑判断该状态有效，使L2 为低电位，N3管截止， P3管导通，D2为高电位，使CO端为低，充电控制用FET2关闭，充电停止，即为充电异常检测功能。
4 仿真时序图
图5为过充与过放电检测的HSPICE仿真时序图，从中可以看出，当比较器检测到电池过充，在这里过充检测点为4. 25V,且该状态保持时间达到过充电检测延迟时间，在这里约为1. 2秒， CO输出低电平，关断充电用FET2,停止充电。当检测到电池过放电，这里过放电检测点为2. 25V,且该状态保持时间达到过放电检测延迟时间约150毫秒，DO输出低电平，关断放电用FET1,停止放电。其它如放电过流检测等功能经HSP ICE仿真完全符合要求，在这里不一一列出。
图5 过充与过放电检测仿真时序图
5 结 论
设计的单节锂电池保护IC在正常工作状态下消耗电流为3. 3uA,休眠状态下为0. 15uA,过充电检测精度为±25mV,能在- 40°C~85°C的温度下工作，产品性能完全符合要求。 |