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單節(jié)鋰電池保護(hù)IC設(shè)計(jì)解析
  • 發(fā)布時(shí)間:2020-07-24 16:29:19
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單節(jié)鋰電池保護(hù)IC設(shè)計(jì)解析
1 引 言
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(duì)鋰離子電池提供過(guò)充電,過(guò)放電,放電過(guò)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:
鋰電池保護(hù)IC
圖1 鋰電池保護(hù)原理圖
正常狀態(tài):當(dāng)電池電壓在過(guò)放電檢測(cè)電壓以上且在過(guò)充電檢測(cè)電壓以下, VM端子的電壓在充電器檢測(cè)電壓以上且在過(guò)電流檢測(cè)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(kāi)。
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(guò)充電保護(hù):在充電過(guò)程中,當(dāng)電池電壓高于過(guò)充電檢測(cè)電壓,且該狀態(tài)持續(xù)到過(guò)充電檢測(cè)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(guò)放電保護(hù):在放電過(guò)程中,當(dāng)電池電壓低于過(guò)放電檢測(cè)電壓,且該狀態(tài)持續(xù)到過(guò)放電檢測(cè)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(guò)電流保護(hù):過(guò)電流保護(hù)包括一級(jí)過(guò)流保護(hù),二級(jí)過(guò)流保護(hù),短路保護(hù),當(dāng)放電電流過(guò)大, VM端電壓上升,超過(guò)過(guò)流檢測(cè)電壓,且該狀態(tài)持續(xù)時(shí)間超過(guò)過(guò)流檢測(cè)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(guò)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(jiàn)圖1) ,即VVM = I ×2RFET.式中I是通過(guò)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(guò)程中如果電流過(guò)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(guò)充電檢測(cè)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(kāi),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(huì)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(cè)所用到的基準(zhǔn)電壓都要通過(guò)一個(gè)基準(zhǔn)源電路來(lái)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。
鋰電池保護(hù)IC
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(jí)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(lái)提供,既簡(jiǎn)化了電路與版圖,又減少了額外功耗。通過(guò)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。基準(zhǔn)源采用級(jí)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(jí)連二極管形式能有效減少運(yùn)放失調(diào)對(duì)輸出基準(zhǔn)電壓精度的影響。
保護(hù)電路中所用的檢測(cè)電壓一般較低,比如一級(jí)過(guò)流檢測(cè)電壓為0. 15V 左右,二級(jí)過(guò)流檢測(cè)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(guò)對(duì)輸出基準(zhǔn)電壓進(jìn)行再次分壓來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。以下給出輸出基準(zhǔn)電壓的計(jì)算公式:
鋰電池保護(hù)IC
鋰電池保護(hù)IC
圖3 基準(zhǔn)源電路結(jié)構(gòu)
從式(4)中可以看出2 ln ( IS3 / IS2 ) VT相對(duì)于ln( IS3 / IS2 )VT受失調(diào)電壓VOS的影響明顯減少,即級(jí)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(guò)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(kāi)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(guò)內(nèi)部控制電路使L1 為低電位, P13 管打開(kāi),使偏置點(diǎn)VB IAS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(cè)功能,零伏電池充電禁止功能。如圖4所示。
鋰電池保護(hù)IC
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(jiàn)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(cè)到OUTI端的負(fù)脈沖電壓后通過(guò)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(kāi),允許充電,即充電器檢測(cè)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(wú)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(guò)程中, VM端電位為- I ×2RFET (見(jiàn)圖1) , I為充電電流, RFET為FET導(dǎo)通電阻。當(dāng)電流過(guò)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(cè)功能。
4 仿真時(shí)序圖
圖5為過(guò)充與過(guò)放電檢測(cè)的HSPICE仿真時(shí)序圖,從中可以看出,當(dāng)比較器檢測(cè)到電池過(guò)充,在這里過(guò)充檢測(cè)點(diǎn)為4. 25V,且該狀態(tài)保持時(shí)間達(dá)到過(guò)充電檢測(cè)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(cè)到電池過(guò)放電,這里過(guò)放電檢測(cè)點(diǎn)為2. 25V,且該狀態(tài)保持時(shí)間達(dá)到過(guò)放電檢測(cè)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(guò)流檢測(cè)等功能經(jīng)HSP ICE仿真完全符合要求,在這里不一一列出。
鋰電池保護(hù)IC
圖5 過(guò)充與過(guò)放電檢測(cè)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(guò)充電檢測(cè)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。
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