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)。
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(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,。
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,，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,。
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,?；鶞?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：
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,，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。
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(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,，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,。
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。