90年代出現(xiàn)的鋰離子電池是能源技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要的里程碑。和其它二次電池相比，鋰離子電池具有更高的體積密度和能量密度，因此在移動(dòng)電話、個(gè)人數(shù)字助理（personalDigitalAssistant，pDA）、計(jì)算機(jī)等手提式電子設(shè)備中獲得了極為廣泛的應(yīng)用。

一方面，以鋰離子電池為供電電源的電路設(shè)計(jì)中，要求將越來越復(fù)雜的混合信號(hào)系統(tǒng)集成到一個(gè)小面積芯片上，這必然給數(shù)字、模擬電路提出了低壓、低功耗問題。在功耗和功能的制約中，如何取得最佳的設(shè)計(jì)方法也是當(dāng)前功耗管理技術(shù)（powerManagement，pM）的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

目前研究得較多的是系統(tǒng)級的動(dòng)態(tài)功耗管理技術(shù)（DynamicpowerManagement，DpM），它的基本思想是關(guān)掉不工作的部分以節(jié)省系統(tǒng)功耗，但是在大多數(shù)情況下，這種方法僅用于數(shù)字系統(tǒng)的低功耗優(yōu)化。和模擬電路相關(guān)的低功耗設(shè)計(jì)也有許多文獻(xiàn)報(bào)道，但基本只限于某類專用電路，而對數(shù)模混合電路的功耗管理則少有文獻(xiàn)涉及。

另一方面，鋰離子電池的應(yīng)用也極大地推動(dòng)了相應(yīng)電池管理、電池保護(hù)電路的設(shè)計(jì)開發(fā)。鋰離子電池應(yīng)用時(shí)必須要有復(fù)雜的控制電路，來有效防止電池的過充電、過放電和過電流狀態(tài)。

本文針對鋰離子電池保護(hù)電路，在考慮功能實(shí)現(xiàn)的同時(shí)，重點(diǎn)從功耗的角度出發(fā)，采用了模擬電路中關(guān)鍵電路工作在亞閾值區(qū)的設(shè)計(jì)思路，并利用內(nèi)部數(shù)字信號(hào)反饋控制模擬電路進(jìn)入Standby狀態(tài)，從而滿足較低電壓下的功耗管理。

系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

圖1給出了鋰離子電池保護(hù)電路的系統(tǒng)框圖。圖中VDD和VSS分別是電池電源和地輸入端；CO和DO分別是充電及放電控制端，在正常工作模式下均為高電平，電池既可以充電又可以放電，反之，充電和放電回路被切斷；VM是放電過流、充電過流檢測端。電路實(shí)現(xiàn)的功能如下：

（1）過充電、過放電檢測：圖中的取樣電路（SAMpLE）將實(shí)時(shí)監(jiān)測電池電壓信號(hào)，并將之送入過充電比較（OVERCHARGE）、過放電比較器（OVERDISCHARGE）和基準(zhǔn)電壓比較，判斷電池電壓是否高于過充電檢測電壓或是否低于過放電檢測電壓，再由數(shù)字邏輯控制電路（CONTROLLOGIC）輸出相應(yīng)信號(hào)到CO端及DO端，即完成過充電、過放電檢測功能。

（2）放電過流檢測：由VM端來監(jiān)測電池接負(fù)載放電時(shí)的電流大小，和不同的基準(zhǔn)電壓比較后，由三個(gè)比較器：過流1（OVERCURRENT1）、過流2（OVERCURRENT2）、負(fù)載短路（LOADSHORTDETECTION）輸出相應(yīng)信號(hào)，并根據(jù)過流程度經(jīng)過相應(yīng)延時(shí)后，由邏輯控制電路輸出信號(hào)控制DO端。

（3）充電過流檢測：VM端信號(hào)還可以反映電池接充電器時(shí)，充電電流的大小，再經(jīng)充電檢測比較器（CHARGEDETECTION）比較后，由邏輯控制電路決定是否應(yīng)停止充電。

（4）零伏電池充電功能：由電平轉(zhuǎn)換電路（CONVERTOR）實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)Υ潆姷碾姵剡M(jìn)行檢測，若電池電壓低于零伏電池充電電壓，便輸出信號(hào)將CO端置為低電平，從而切斷充電回路。

可以看出，此電路是一個(gè)持續(xù)工作的數(shù)模混合系統(tǒng)，同時(shí)又以被監(jiān)測的鋰離子電池為供電電源，在實(shí)現(xiàn)電路功能并滿足檢測精度的前提下，電路的功耗成了另外一個(gè)重要的性能指標(biāo)。由于控制邏輯部分屬于數(shù)字電路，靜態(tài)功耗幾乎可以忽略，所以如何降低模擬電路的靜態(tài)功耗并且限制低電壓下的電路功耗成了設(shè)計(jì)重點(diǎn)。

系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)

Standby狀態(tài)實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)中，為了使電路在電池過放電情況下盡可能地降低電流消耗，數(shù)字電路中加入了使系統(tǒng)進(jìn)入Standby狀態(tài)的控制部分，原理圖由圖2給出。

圖中信號(hào)OD由數(shù)字電路出現(xiàn)，當(dāng)比較器檢測到電池電壓低于過放電檢測電壓，并經(jīng)過延時(shí)后，OD將從高電平變?yōu)榈碗娖剑藭r(shí)通過p2管將VM拉到高電平，再經(jīng)反相后從負(fù)載短路輸出OUT_LS端輸出低電平，使輸出端STAND變?yōu)榈碗娖剑琒TANDB為高電平，意味著系統(tǒng)可以進(jìn)入Standby狀態(tài)；一旦電池充電開始時(shí)，VM端迅速被置為低電平，此時(shí)不管OD如何，都通過OUT_LS將STAND恢復(fù)為高電平，系統(tǒng)進(jìn)入正常的檢測狀態(tài)。

通過內(nèi)部數(shù)字電路出現(xiàn)的Standby信號(hào)，可以有效打開或者切斷模擬電路從電源到地的直流通路，使電路在不要的時(shí)候保持Standby狀態(tài)，以降低電源消耗。因?yàn)橹灰獑蝹€(gè)MOS便可充當(dāng)電路的控制開關(guān)，所以這種方法簡單可靠，不影響原有的模擬電路功能，并且能和模擬電路低功耗設(shè)計(jì)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)低電壓下電路的功耗管理。

亞閾值電壓基準(zhǔn)電路

由于電壓基準(zhǔn)源同時(shí)要給過充比較器、過放比較器、過流1比較器及過流2比較器供應(yīng)不隨溫度、電源電壓變化而變化的基準(zhǔn)電壓，所以在模擬電路中起著非常重要的用途，同時(shí)也是影響電路功耗的一大因素。本文利用MOS管的亞閾值特性，設(shè)計(jì)了工作在亞閾值區(qū)的電壓基準(zhǔn)電路，能夠滿足上述功耗要求，電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

電路利用一個(gè)自偏置電路出現(xiàn)具有正溫度系數(shù)的電流，該電流流過電阻R0所出現(xiàn)的壓降和具有負(fù)溫度系數(shù)的pN結(jié)壓降相加，可以輸出一個(gè)零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓VBD；為滿足電路中輸出不同的基準(zhǔn)電壓源，利用電阻分壓將VBD分成了VBI1及VBI2輸出。同時(shí)，為保證電路在加上電源電壓后能進(jìn)入正確的工作狀態(tài)，電路中還加入了RC啟動(dòng)電路。

由圖3可見，p0和p1組成電流鏡，取相同的寬長比，則在p1、p0、N0、N1和R5構(gòu)成的自偏置電路中，選擇合適的R5值，可以使N0和N1工作在亞閾值區(qū)。并且，在時(shí)亞閾值MOS管的漏電流Id可表示為：

式中，