cmos工藝鋰電池保護(hù)電路圖的實(shí)現(xiàn)

1、CMOS 工藝鋰電池保護(hù)電路圖的實(shí)現(xiàn)1 引 言設(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CMOS 工藝實(shí)現(xiàn)。等功能。用 1. 0m 雙阱2 鋰電池保護(hù)IC 的功能原理分析鋰電池保護(hù)電路的原理圖如圖 1如下：所示，E +和 E -端之間加充電器或負(fù)載。電路工作原理圖 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)行的充電和放電。這種狀態(tài)叫做正

2、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,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,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。在放電過(guò)程中， VM 端電壓就是兩個(gè)處通態(tài)的 FET 上的壓降（見圖 1） ,即VVM

3、= 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：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，止充電電壓以上時(shí)，才被允許充電。充電。只有

4、電池本身電壓在零伏電池禁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

5、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

6、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)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

7、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，零伏電池充電如圖 4 所示。功能。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)?P1 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， C

8、O 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)閉充電，即為零伏電池充電功能。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)