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  • 單節鋰電池保護IC設計解析
    • 發布時間:2020-07-24 16:29:19
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    單節鋰電池保護IC設計解析
    1 引 言
    設計了一種低功耗的單節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:
    鋰電池保護IC
    圖1 鋰電池保護原理圖
    正常狀態: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。這種狀態叫做正常狀態。
    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,且該狀態持續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,且該狀態持續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,且該狀態持續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,并且這個狀態持續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。
    鋰電池保護IC
    圖2 鋰電池保護電路的內部結構
    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發射區面積相等, Q3, Q4發射區面積相等,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:
    鋰電池保護IC
    鋰電池保護IC
    圖3 基準源電路結構
    從式(4)中可以看出2 ln ( 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VB IAS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。
    鋰電池保護IC
    圖4 附加功能電路結構
    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,當該狀態持續一段時間以后,控制邏輯判斷該狀態有效,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HSP ICE仿真完全符合要求,在這里不一一列出。
    鋰電池保護IC
    圖5 過充與過放電檢測仿真時序圖
    5 結 論
    設計的單節鋰電池保護IC在正常工作狀態下消耗電流為3. 3uA,休眠狀態下為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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