1近些年來(lái)，便攜式電子產(chǎn)品的快速發(fā)展促進(jìn)了電池技術(shù)的更換，鋰離子電池以能量高、壽命長(zhǎng)、無(wú)記憶性、無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)排在電池行業(yè)的最前列。

如現(xiàn)在的手機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、筆記本等都采用鋰離子電池作為工作電源。但是鋰離子電池極容易出現(xiàn)過(guò)充電、過(guò)放電等現(xiàn)象，這些情況易損害電池，減短它的使用壽命。但是目前國(guó)內(nèi)沒(méi)有這種電池保護(hù)的核心技術(shù)，本文介紹一種鋰離子電池充電保護(hù)電路，這種保護(hù)電路以低功耗、高精度、高能量密度、高內(nèi)阻、高安全性等特性脫穎而出，因此這種鋰離子電池保護(hù)電路的設(shè)計(jì)和應(yīng)用得到了普及。

2系統(tǒng)的規(guī)劃

此保護(hù)芯片主要實(shí)現(xiàn)的功能有：過(guò)充電檢測(cè)，過(guò)放電檢測(cè)，過(guò)電流檢測(cè)和0V電池充電禁止功能。其電池保護(hù)應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖如1所示：

1電池保護(hù)應(yīng)用原理圖（1）通常狀態(tài)時(shí)，F(xiàn)ET1、FET2都導(dǎo)通，即CO、DO端子為高電平，電池可以進(jìn)行自由充放電；（2）當(dāng)電池充電超到過(guò)充電檢測(cè)電壓Vcu時(shí)，CO為低電平，關(guān)閉FET2，禁止電池充電；當(dāng)電池放電到過(guò)放電檢測(cè)電壓Vdl時(shí)，DO為低電平，關(guān)閉FET1，電池禁止放電；其中兩個(gè)二極管為寄生二極管，當(dāng)其中一個(gè)FET關(guān)閉時(shí)，回路可以通過(guò)其中內(nèi)置的寄生二極管形成；值得注意的是充放電電路必須與不同的充放電時(shí)延相搭配；（3）當(dāng)出現(xiàn)過(guò)電流時(shí)，VM端子電壓會(huì)升高，而且過(guò)電流越大，時(shí)延就越小，這樣配合與VM端子相聯(lián)結(jié)的3個(gè)過(guò)電流比較器來(lái)控制DO端及時(shí)的關(guān)閉；（4）當(dāng)電池電壓過(guò)低時(shí)，即電池電壓小于0V電池充電檢測(cè)電壓V0char，電池不能充電。為了使電池反應(yīng)更快、更穩(wěn)定，設(shè)置了過(guò)充電過(guò)放電滯后解除功能。

由上面的設(shè)計(jì)可以知道該IC內(nèi)部應(yīng)該具有的電路單元為：過(guò)充電比較器，過(guò)放電比較器，過(guò)電流比較器，基準(zhǔn)源，0v充電禁止電路，分頻器（即延時(shí)單元），振蕩器，組合控制邏輯單元等。于是我們得到具體的本IC內(nèi)部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框如2所示：

本IC實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是多系列和低功耗。這兩點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)是不變基準(zhǔn)源的實(shí)現(xiàn)。當(dāng)基準(zhǔn)提供的過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流的比較基準(zhǔn)電壓不一樣時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生不同系列的產(chǎn)品。比方說(shuō)，過(guò)充電檢測(cè)電壓、過(guò)放電檢測(cè)電壓分別為4.28V、2.3V和4.325V、2.

5V時(shí)，他們就屬于同一型號(hào)不同系列電池保護(hù)IC.至于低功耗，因?yàn)檎麄€(gè)片子的模塊非常多，要使正常工作時(shí)其整體功耗不超過(guò)3.5uA，則每個(gè)模塊分到的電流平均不到0.5uA，所以應(yīng)該想辦法使整個(gè)片盡量工作在弱反型區(qū)。下面將具體介紹怎樣達(dá)到這兩點(diǎn)要求的。

3不同型號(hào)的設(shè)計(jì)

3.1構(gòu)思

此點(diǎn)的關(guān)鍵是要有一種技術(shù)，它可以根據(jù)我們不同的要求選取不同的基準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是怎樣實(shí)現(xiàn)呢難道上面的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2中的最左邊的提供基準(zhǔn)電壓的電阻是可選擇的嗎確實(shí)是可選取的。

其實(shí)此處的電阻并不是簡(jiǎn)單的一個(gè)電阻，而是來(lái)自于電阻網(wǎng)絡(luò)，電阻網(wǎng)絡(luò)中的一些小電阻是可選擇可熔斷的（可以通過(guò)激光技術(shù)來(lái)熔斷），選擇不同的熔斷電阻就可以得到不同的2最左邊的電阻。

3.2具體電路的實(shí)現(xiàn)

3電阻網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)單元3橫向擺置的電阻R1、R2、R3等（可以不相同）是千歐級(jí)的大電阻，豎向擺置的電阻r（相同）是歐姆級(jí)的，并且是可熔斷的。當(dāng)我們選擇不同的豎向電阻熔斷時(shí)就可以在點(diǎn)VB1，VB2之間得到不同電阻值，上圖只是電阻網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)單元，我們可以根據(jù)所需要的電阻值把很多個(gè)這樣的單元相互組合，因?yàn)檫@些可熔斷的電阻是小電阻，所以得到的兩點(diǎn)之間的電阻值可以只相差零點(diǎn)零幾伏，通過(guò)這種方法我們可以得到不同系列的產(chǎn)品。

電阻網(wǎng)絡(luò)是不同于電壓滯后功能實(shí)現(xiàn)的電路，電壓滯后電路是在某一固定的系列下，即電路已經(jīng)定型（即需要熔斷的電阻在出廠之前已經(jīng)熔斷）的情況下，通過(guò)電池充放電的狀態(tài)調(diào)節(jié)兩個(gè)與小電阻并聯(lián)的數(shù)字管來(lái)短路/或不短路兩個(gè)小電阻來(lái)微弱的改變分壓電阻，從而實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)電壓微小的變化，即所謂的實(shí)現(xiàn)/解除滯后功能，如實(shí)現(xiàn)/解除過(guò)充滯后電壓等等。

4低功耗的設(shè)計(jì)

4.1基準(zhǔn)電壓的設(shè)計(jì)

4模塊結(jié)構(gòu)低功耗多系列的鋰離子電池保護(hù)IC整個(gè)片子的功耗在07uA之間，所以要正確地選擇各模塊工作的區(qū)域。而我們?yōu)榱私档推拥某杀揪托枰麄€(gè)片子盡量使用相同的工藝，我們?cè)谶@里選擇CMOS工藝，這樣由雙極型工藝設(shè)計(jì)的帶隙基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)就不能使用了，還有一個(gè)重要的原因不能使用雙極型工藝，我們要求的電源電壓工作范圍是1.58V變化的，而需要的基準(zhǔn)是1.2v的電壓，雙極型的帶隙結(jié)構(gòu)是不能滿足要求的，因?yàn)樗陔娫措妷菏?.5V時(shí)，不能產(chǎn)生1.2V的基準(zhǔn)電壓。這里我們就選擇類似于簡(jiǎn)單的自舉式結(jié)構(gòu)的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4.2具體電路的實(shí)現(xiàn)

如4所示此模塊是一個(gè)電流鏡結(jié)構(gòu)，工作與否是受控制端SD，SDB控制的，P1、N2、P4、N4構(gòu)成啟動(dòng)電路，此電路工作在亞閾值區(qū)，所以工作電流很小，在HSPICE的環(huán)境下采用CMOS0.3um的工藝，仿真可得到整個(gè)模塊的電流才0.1uA左右。

產(chǎn)生的基準(zhǔn)和偏置都是采用multiplierreferencedself-biasing電路，其MP2、MP3工作在亞閾區(qū)時(shí)，整個(gè)電路的原理為：

VGS-MP3=nVT1nILIDOW+VTHP且VGS-MP2=nVT1nILIDOKW+VTHP故ID=nVTR1nK為一恒流源。其中VT=kTq為熱電壓，k是Boltamann常數(shù)，q是電荷量。

電流鏡結(jié)構(gòu)工作原理是基于對(duì)基準(zhǔn)電流的復(fù)制，如左邊的參考電流為IREF，則右邊的輸出電流為IOUT；由于：IOUT=W/LRW/LLIREF而IREF=ID，所以VVN_COMP=2W/LMP6W/LMP3NCoxWLMN7nVTR1nK+VTH-MN7同理VVP_OSC=VDD-2W/LMN6W/LMN3NCOXWLMP5nVTR1nK+VTH-MP5第一項(xiàng)VT具有正的溫度系數(shù)，在室溫時(shí)大約為+0.087mV/，第二項(xiàng)VTH具有負(fù)的溫度系數(shù)，在室溫時(shí)大約為-1.5mV/，通過(guò)設(shè)定合適的工作點(diǎn)，便可以使兩項(xiàng)之和在某一溫度下達(dá)到零溫度系數(shù)，從而得到具有較好溫度特性的電壓基準(zhǔn)。其中Vvn-comp為比較器提供基準(zhǔn)電壓，Vvp-osc振蕩器提供合適的偏置。

4.3其他電路的設(shè)計(jì)

電路中5個(gè)比較器都采用簡(jiǎn)單兩極差分放大的形式，且它們都工作在弱反型區(qū)。通過(guò)仿真可知在弱反型區(qū)工作時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)正常的比較功能。

比較器要使在弱反型區(qū)工作最重要的是調(diào)節(jié)尾電流源，其次要注意使其共模工作范圍在滿足要求的情況下盡量大。過(guò)電流檢測(cè)的過(guò)流電壓比較小，所以采用PMOS差分對(duì)的比較電路，過(guò)充和過(guò)放電檢測(cè)的過(guò)充和過(guò)放電壓比較大所以采用NMOS差分對(duì)的電路，這樣可以使差分對(duì)的比較參考電壓正好比耐高壓的NMOS管的閾值電壓小一點(diǎn)，使之工作在弱反型區(qū)。

振蕩器同樣工作在弱反型區(qū)，主要控制使之起振的偏置電壓，使起振管子在亞域值導(dǎo)通；主要調(diào)節(jié)充放電電容的大小和充電反相器的W/L使其有正確的工作頻率。電容不能太小，那樣功耗會(huì)過(guò)大，可能會(huì)比設(shè)計(jì)的整個(gè)片子的功耗還大。所以在滿足要求的情況下，即振蕩頻率在3.5KHZ左右時(shí)，電容要盡可能大點(diǎn)。

數(shù)字邏輯的寬長(zhǎng)比是控制電流大小的關(guān)鍵，當(dāng)W/L過(guò)小時(shí)，可能產(chǎn)生的翻轉(zhuǎn)尖峰電流達(dá)到幾十uA，這會(huì)嚴(yán)重影響片子的性能，所以我們要慎重選取數(shù)字管的W/L的值。

5結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種單節(jié)電池低功耗鋰離子電池保護(hù)電路，它具有寬的工作溫度范圍：-4085，電路模擬結(jié)果表明在典型應(yīng)用條件下電路的功耗僅3A，最大功耗不超過(guò)7uA，它具有過(guò)充電檢測(cè)，過(guò)放電檢測(cè)，過(guò)流檢測(cè)（包括負(fù)載短路檢測(cè)），0V電池禁止充電等多項(xiàng)功能，是現(xiàn)在鋰離子電池充電保護(hù)的理想選擇。