鋰離子電池保護(hù)電路的ＩＣ設(shè)計(jì)

趙　娟　陳偉元

鋰離子電池具有能量高、電壓高、壽命長(zhǎng)、無(wú)記憶、無(wú)污染等其它電源無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，在以電池供電的便攜式電子產(chǎn)品，如手提式MD、游戲機(jī)、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)和照相機(jī)、PDA等都采用鋰離子電池作為工作電源，特別在移動(dòng)電話和筆記本電腦領(lǐng)域中，鋰離子電池更是占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。但是，鋰離子電池必須有過(guò)充電、過(guò)放電和過(guò)電流保護(hù)電路，否則極易被損壞，甚至還會(huì)危及主機(jī)。可是，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有企業(yè)掌握鋰離子電池保護(hù)電路的核心技術(shù)，大部分的核心技術(shù)仍然掌握在少數(shù)幾家國(guó)外大型企業(yè)手中。

因此，本文介紹一種鋰離子電池保護(hù)電路，可以對(duì)鋰離子電池提供過(guò)充電、過(guò)放電、過(guò)流及0V充電和0V充電判斷保護(hù)，并用1.2μm n阱CMOS工藝實(shí)現(xiàn)。

工作原理

圖1為鋰離子電池保護(hù)電路的典型應(yīng)用電路。兩外接的MOS管（FET1、FET2）一般集成在另外一塊芯片上，相當(dāng)于兩個(gè)開(kāi)關(guān)，控制外電路的輸入（充電時(shí)）和電池的功率輸出。

其基本工作原理如下：

1.正常狀態(tài)在一般情況下，從電池向負(fù)載的放電和從充電器向電池的充電是自由進(jìn)行的。因此，用于放電控制的FET1和充電控制的FET2均處于導(dǎo)通狀態(tài)。

2.過(guò)流保護(hù)當(dāng)放電電流過(guò)大時(shí)，用于放電控制的FET1斷開(kāi)，禁止電池向負(fù)載放電，藉以執(zhí)行過(guò)放電電流保護(hù)功能。過(guò)電流保護(hù)功能也利于保護(hù)電池組在運(yùn)輸過(guò)程中的安全。

保護(hù)電路檢測(cè)VM的電壓，一旦它大于電流檢測(cè)電壓（VIOV和VSHORT），即禁止電池放電。過(guò)電流檢測(cè)結(jié)束后，接通負(fù)載，恢復(fù)到正常狀態(tài)，即可放電。

值得注意的是，保護(hù)電路必須提供不同的過(guò)放電電流保護(hù)延遲時(shí)間（tIOV和tSHORT）。當(dāng)放電電流愈大（如電池輸出端短路時(shí)），延遲時(shí)間愈短，過(guò)放電電流保護(hù)功能會(huì)馬上啟動(dòng)，以保護(hù)元件不致于損害；而當(dāng)放電電流較小，接近保護(hù)邊緣時(shí)，延遲時(shí)間會(huì)較長(zhǎng)以避免過(guò)放電電流保護(hù)發(fā)生誤動(dòng)作。

3.充電過(guò)壓保護(hù)當(dāng)電池充電至過(guò)充電檢測(cè)電壓（VCU）時(shí)，F(xiàn)ET2斷開(kāi)，禁止來(lái)自充電器的電流向電池充電。但是，在過(guò)充電檢測(cè)工作結(jié)束后，電池必須能向負(fù)載繼續(xù)放電。當(dāng)電池放電電壓大于過(guò)充電遲滯電壓VCL時(shí)，過(guò)充電保護(hù)功能方可解除，F(xiàn)ET2導(dǎo)通，重新啟動(dòng)過(guò)充電保護(hù)功能。

過(guò)充電保護(hù)過(guò)程中，F(xiàn)ET2雖為截止?fàn)顟B(tài)，但放電路徑依然可流過(guò)它的寄生二極管，故此時(shí)電池仍可放電。

為了提高電池的安全性，并可進(jìn)行最大限度的充電，過(guò)充電檢測(cè)電壓的誤差精度要非常高。另外，過(guò)充電檢測(cè)功能要與脈沖充電相適應(yīng)，為了防止因干擾引起的誤動(dòng)作，過(guò)充電檢測(cè)電路設(shè)有延遲時(shí)間tCU。

4.放電欠壓保護(hù)在過(guò)放電保護(hù)功能中，當(dāng)電池電壓下降到過(guò)放電檢測(cè)電壓（VDU）時(shí)，放電控制FET1關(guān)斷，禁止電池向負(fù)載放電。之后，如果接通充電器，通過(guò)用于FET1的寄生二極管再開(kāi)始充電，當(dāng)電池充電電壓大于VDL（過(guò)放電遲滯電壓）時(shí)，過(guò)放電保護(hù)功能才能解除，F(xiàn)ET1導(dǎo)通，過(guò)放電保護(hù)功能重新啟動(dòng)。在過(guò)放電保護(hù)過(guò)程中，即使FET1截止，充電電流可通過(guò)其寄生二極管，因此仍可充電。

在過(guò)放電保護(hù)功能中，為了防止電池電壓過(guò)分降低，保護(hù)電路的耗電量必須盡量接近零。

另外，一般來(lái)言，鋰離子電池有安全電壓下限（2.4~2.7V），其所要求的誤差精度并不如充電電壓精確。為了與脈沖性放電相適應(yīng)，過(guò)放電檢測(cè)電路往往也必須有延遲時(shí)間tDU，以同時(shí)兼顧最大使用電量與過(guò)放電保護(hù)的要求。

5.充電器檢測(cè)功能 若VM腳電壓低于充電器檢測(cè)電壓VCHA（當(dāng)放電欠壓狀態(tài)下電池接入充電器時(shí)），過(guò)放遲滯效應(yīng)取消；當(dāng)電池電壓高于等于過(guò)放電檢測(cè)電壓（VDL），F(xiàn)ET1重新導(dǎo)通。

當(dāng)接入充電器，若VM腳電壓未達(dá)到充電器檢測(cè)電壓（VCHA），當(dāng)電壓達(dá)到過(guò)放電停止電壓（VDU）或更高時(shí)，放電欠壓狀態(tài)回到正常狀態(tài)。

6.0V電池充電功能這一狀態(tài)是用來(lái)實(shí)現(xiàn)當(dāng)電池自放電到0V時(shí)給電池再充電。當(dāng)鋰離子電池接上充電器時(shí)，電池電壓大于V0CHA（0V電池充電器起始電壓）或更高時(shí)，F(xiàn)ET2導(dǎo)通并開(kāi)始充電。此時(shí)，F(xiàn)ET1關(guān)斷，充電電流通過(guò)放電控制FET的寄生二極管；若電池電壓高于等于VDU（過(guò)放電停止電壓），電路恢復(fù)到正常狀態(tài)。

值得注意的是，0V電池充電狀態(tài)的檢測(cè)比過(guò)電流狀態(tài)的檢測(cè)快，因此，當(dāng)電池電壓低于V0CHA時(shí)，可以對(duì)電池進(jìn)行充電，且此時(shí)保護(hù)電路不能檢測(cè)到過(guò)電流狀態(tài)。

7.0V電池充電關(guān)斷功能這一功能是用在電池突然短路時(shí)終止再充電的。若電池電壓低于某一電壓時(shí)，F(xiàn)ET1被固定接到某端電位以禁止充電。若電池電壓為V0INH或更高，則可進(jìn)行充電。

根據(jù)對(duì)保護(hù)電路的以上分析，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖2所示。其中BV為電池電壓，VCHA為充電器檢測(cè)電壓，V0CHA是0V電池充電器起始電壓。

保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

根據(jù)保護(hù)電路的基本工作原理，鋰離子電池保護(hù)電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中VDD、VSS分別是鋰離子電池的正負(fù)極。下面重點(diǎn)介紹部分功能模塊的電路設(shè)計(jì)。

1.比較器電路 鋰離子電池保護(hù)電路的核心是五個(gè)比較器（充電器連接檢測(cè)比較器、過(guò)充電檢測(cè)比較器、過(guò)放電檢測(cè)比較器、過(guò)流1檢測(cè)比較器和過(guò)流2檢測(cè)器）。它們均是電壓比較器，均要求低功耗?？紤]到鋰離子電池對(duì)過(guò)充電、過(guò)電流的保護(hù)要求較高，充電器連接檢測(cè)比較器、過(guò)充電檢測(cè)比較器和過(guò)流1檢測(cè)比較器采用四級(jí)放大，以滿足對(duì)精度的要求。其余的因?qū)纫舐缘?，故采用兩?jí)放大。

五個(gè)電壓比較器的結(jié)構(gòu)大致相同。圖4是設(shè)計(jì)的四級(jí)放大比較器。

圖4中M1是比較器的開(kāi)關(guān)管，由EN信號(hào)控制。當(dāng)不需要此部分電路工作時(shí)，EN為高電平，電路處于STANDBY狀態(tài)，這樣就降低了功耗。比較器的參考電壓來(lái)自于基準(zhǔn)源電路的采樣電壓，精度要求很高。

2.采樣電路和基準(zhǔn)源電路圖5為基準(zhǔn)源電路。M1是開(kāi)關(guān)管，控制整個(gè)電路的工作狀態(tài)。由于鋰離子電池電壓即為整個(gè)電路系統(tǒng)的電源，而它會(huì)隨著電池內(nèi)儲(chǔ)存的電能而發(fā)生變化（2.3~4.2V），因此采用耗盡管來(lái)提供穩(wěn)定的電流。

MOS管M2、M4和M5組成負(fù)反饋基準(zhǔn)源。由柵源短接的耗盡管M2作為與電源電壓無(wú)關(guān)的恒流源，此恒定電流在普通MOS管（M3）上產(chǎn)生恒定的漏源電壓作為參考電壓。

圖6是設(shè)計(jì)的采樣電路。通過(guò)激光修正工藝對(duì)所需電阻值進(jìn)行精確控制。M1是這段電路的開(kāi)關(guān)管，同樣由EN信號(hào)控制。另外，M2和M3也是開(kāi)關(guān)管，用來(lái)短路部分電阻，改變分壓大小，從而細(xì)調(diào)電路，滿足精度的要求。B1、B2分別是過(guò)充電檢測(cè)比較器和過(guò)放電比較器的輸入信號(hào)，它們都是對(duì)電池電壓的采樣。

3.延時(shí)電路延時(shí)電路包括振蕩器和觸發(fā)器（見(jiàn)圖7）。振蕩器是給整個(gè)保護(hù)電路提供時(shí)間基準(zhǔn)的，由七級(jí)反相器首尾相接而成，其輸出連接到后面用作時(shí)鐘分頻的觸發(fā)器（十二級(jí)D觸發(fā)器）上，從而得到所需的各種延遲時(shí)間。它的周期由偏置電路恒流源決定。一旦出現(xiàn)異常狀態(tài)，振蕩電路便開(kāi)始振蕩，然后一個(gè)時(shí)間周期后，控制信號(hào)會(huì)使振蕩電路停止工作，以等待下一次異常狀態(tài)。T1、T2是狀態(tài)檢測(cè)電路的控制信號(hào)。

4.輸出緩沖級(jí)緩沖級(jí)用來(lái)提高負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力。由兩級(jí)反相器構(gòu)成。前一級(jí)反相器相對(duì)后一級(jí)反相器而言MOS管的寬長(zhǎng)比（W/L）略小，它只驅(qū)動(dòng)第一級(jí)，起到匹配和整形的作用；而第二級(jí)的MOS管寬長(zhǎng)比（W/L）非常大，是為了能驅(qū)動(dòng)大電流負(fù)載。在第一級(jí)反相器中加電阻，以調(diào)節(jié)閾值電壓。

結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的鋰離子電池保護(hù)電路，采用1.2μm n阱CMOS工藝，用激光修正技術(shù)對(duì)電阻值進(jìn)行精調(diào)。在上海貝嶺股份有限公司進(jìn)行試投片，樣片經(jīng)測(cè)試，結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)要求，表明本設(shè)計(jì)方案是合理可行的。本設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn)：

1、具有充電器連接檢測(cè)功能、異常充電電池檢測(cè)功能，確保了充電器電壓過(guò)大時(shí)電池的安全。

2、3級(jí)過(guò)電流檢測(cè)電路（過(guò)電流1、過(guò)電流2、負(fù)載短路），提高了防止負(fù)載短路的安全性。

3、保護(hù)電路采用低功耗設(shè)計(jì)，以降低整個(gè)保護(hù)電路的功耗。

4、精度參考電壓（誤差小于1%）；高精度檢測(cè)電壓 （±40mV）。