中心論題：

• 分析鋰離子電池保護電路的基本功能和系統結構
• 分析鋰離子電池保護芯片關(guān)鍵電路的實(shí)現
• 模擬驗證鋰離子電池保護芯片性能

解決方案：

• 引入了濾除干擾電路，采用三級保護機制和帶隙基準源
• 將模擬電路偏置在弱反型區，引入了待機狀態(tài)電路
• 巧妙電路結構實(shí)現待機狀態(tài)、充電過(guò)流檢測和0V電池充電抑制電路
  

前言
鋰離子電池保護芯片的設計與其封裝結構密切相關(guān)，如圖1所示為封裝在鋰離子電池內部的保護電路的基本結構。在正常情況下，充電控制端CO 和放電控制端DO 為高電位，N型放電控制管FET1和充電控制管FET2處于導通狀態(tài)，電路的工作方式可以是電池向負載放電，也可以是充電器對電池進(jìn)行充電；當保護電路檢測到異?，F象（過(guò)充電、過(guò)放電和過(guò)電流）時(shí)，使CO或DO輸出低電平，從而切斷充電或放電回路，實(shí)現保護功能。

為了有效利用放電電流或充電電流，FET1和FET2采用導通電阻很小的功率管。它們的選擇原則除了導通電阻要小，還要求體積小，并且關(guān)閉時(shí)源漏擊穿電壓要能經(jīng)受不匹配充電器的影響。從理論上說(shuō)，FET1和FET2可以用N 管也可以用P 管。但由于單節鋰離子電池保護電路的電源電壓較低，為了減小導通電阻，一般都采用N管。圖1中二極管是FET1和FET2的寄生二極管，它們的存在使系統在過(guò)放電狀態(tài)下能對電池充電，在過(guò)充電狀態(tài)下能對負載放電。 

 
圖1 3.6V 鋰離子電池保護電路封裝結構

鋰離子電池保護芯片的應用場(chǎng)合要求其具有低電流驅動(dòng)、高精度檢測的特點(diǎn)，另外由于保護電路的供電電源即為電池電壓，因此在電池電壓的變化范圍內，保護電路必須正常工作，本文根據圖1 所示的連接關(guān)系，設計一種低功耗單節鋰離子電池保護芯片，其電池電壓可以在1V—5.5V范圍內變化。

系統結構設計
鋰離子電池保護芯片的基本功能是進(jìn)行過(guò)充電保護、過(guò)放電保護和過(guò)電流保護，其中過(guò)電流保護包括充電過(guò)流保護和放電過(guò)流保護。下面以保護電路的基本功能為出發(fā)點(diǎn)，分析其系統的組成。

檢測異?，F象
鋰離子電池保護電路為了實(shí)現其基本功能，首先需要檢測異?，F象。過(guò)充電和過(guò)放電檢測是將電池電壓進(jìn)行分壓（采樣）后與基準電壓比較實(shí)現的；而對于過(guò)流檢測，保護芯片首先將充放電過(guò)程中的電流轉化為在功率管FET1、FET2上的電壓，然后通過(guò)VM與基準電壓比較完成，放電過(guò)流檢測的是正電壓，充電過(guò)流檢測的是負電壓。

濾除干擾信號
通常在鋰離子電池保護電路的工作過(guò)程中會(huì )有干擾信號存在，干擾信號的類(lèi)型主要有兩種：一種為瞬間干擾，它是指在正常的信號上，在極短的時(shí)間內疊加上一個(gè)較大的信號。另一種為波動(dòng)干擾，它是指信號的起伏波動(dòng)。如圖2 以充電過(guò)程解釋了這兩類(lèi)干擾，其中VCU 為過(guò)充電檢測電壓。
　　
為了防止干擾信號的引入使保護電路產(chǎn)生誤動(dòng)作，可以從系統角度考慮采用適當的措施減小它們的影響。

瞬間干擾可以在保護電路內部加上延時(shí)電路加以濾除，即當保護電路檢測到異常信號后，延時(shí)一段時(shí)間再關(guān)閉FET1或FET2。根據過(guò)充電、過(guò)放電、過(guò)電流對鋰電池的危害程度選取不同的延時(shí)時(shí)間。為了更加合理的保護鋰電池，放電過(guò)流可分為三個(gè)級別，分別為過(guò)流1保護、過(guò)流2保護以及負載短路保護，過(guò)流1的延時(shí)稍長(cháng)，過(guò)流2的延時(shí)比過(guò)流1的延時(shí)短一些，而負載短路不加延時(shí)立即保護。波動(dòng)干擾可以在保護電路內部加上遲滯電路加以濾除。

控制充電控制管有效關(guān)閉
在充電過(guò)程中，與FET2源極相連的VM端電位為負值，當過(guò)充電保護起作用時(shí)，必須在過(guò)充電延時(shí)信號與CO端之間加上電平轉換電路，將控制邏輯電路產(chǎn)生的邏輯信號進(jìn)行轉換，使CO端的電位小于或等于VM端的電位，從而保證FET2有效關(guān)斷。
　　
0V電池充電抑制功能
鋰離子電池保護電路可實(shí)現對0V電池進(jìn)行充電，也可實(shí)現對0V 電池禁止充電，本文的設計采用后者，這一功能使保護電路禁止對內部短路的電池進(jìn)行充電。當電池電壓為0V電池充電抑制電壓VOINH（典型值為1V左右）或更低時(shí)，FET2的柵極電位被固定為VM 的電位，從而禁止充電。當電池電壓等于或高于VOINH 時(shí)，可以進(jìn)行充電。

其它功能
1）在過(guò)充電狀態(tài)下，保護電路需禁止放電過(guò)流保護起作用。因為電池在過(guò)充電后接上負載的情況下，在放電初期，系統仍處于過(guò)充電狀態(tài)，此時(shí)放電電流必然很大，引起過(guò)流的可能性很大；而過(guò)流保護如果起作用，就會(huì )關(guān)斷放電回路。這樣，一旦電池過(guò)充電，就可能永遠不能使用；
　　
2）在過(guò)放電保護起作用時(shí)，保護電路需禁止充電過(guò)流保護起作用。因為當電池過(guò)放電后，剛接上充電器充電時(shí)，充電電流會(huì )很大。此時(shí)禁止充電過(guò)流保護起作用，可保證電池在過(guò)放電后可充電；
　　
3）為了減少充電電流流過(guò)FET1內部寄生二極管的時(shí)間，如果在過(guò)放電狀態(tài)下連接上充電器并且VM電壓低于充電過(guò)流檢測電壓時(shí)，解除過(guò)放電遲滯。
　　
根據上述分析，本文設計的鋰離子電池保護電路的系統框圖如圖3所示。系統主要包括控制邏輯電路（CONTROL LOGIC CIRCUIT）、取樣電路（SAMPLE CIRCUIT）、過(guò)充電檢測比較器（OVERDIACHARGE COMPARATOR）、過(guò)放電檢測比較器（OVERDISCHARGE COMPARATOR）、過(guò)流1檢測比較器（OVERCURRENT1 COMPARATOR）、過(guò)流2 檢測比較器（OVERCURRENT2 COMPARATOR）、負載短路檢測電路（LOAD SHORT DETECTION CIRCUIT）、充電過(guò)流檢測電路（CHARGER DETEDTION CIRCUIT）、電平轉換電路（CONVERTOR CIRCUIT）、基準電路（REFERENCE CIRCUIT）以及偏置電路（BIAS CIRCUIT）。其中，偏置電路在圖3 中沒(méi)有給出，電平轉換電路同時(shí)能實(shí)現0V 充電抑制功能。

 
圖3 鋰離子電池保護電路系統框圖

　　
圖3 中MN 在過(guò)電流時(shí)導通，它的作用是使過(guò)大的電流不經(jīng)過(guò)FET1和FET2而通過(guò)MN流向地。MP與待機狀態(tài)有關(guān)，待機狀態(tài)電路的工作原理是：當保護電路進(jìn)入過(guò)放電狀態(tài)后，產(chǎn)生一個(gè)待機狀態(tài)信號，使保護芯片中的大多數電路停止工作，它是通過(guò)控制邏輯電路和負載短路檢測電路的配合完成的。M3的作用是在待機狀態(tài)下，使采樣電路不消耗靜態(tài)電流。M4和M5分別用于實(shí)現過(guò)放電和過(guò)充電檢測遲滯以濾除充放電過(guò)程中的波動(dòng)干擾信號。而瞬時(shí)干擾信號的濾除由控制邏輯電路中的延時(shí)電路實(shí)現。
　　
關(guān)鍵電路實(shí)現
鋰離子電池保護芯片的性能，不僅與系統結構密切相關(guān)，與具體電路的實(shí)現也是密不可分的，下面的電路模塊在整個(gè)芯片中具有關(guān)鍵的作用，本文從功耗和精度等角度考慮，提出了獨特的設計方法。
　　
待機狀態(tài)電路
保護電路進(jìn)入待機狀態(tài)有賴(lài)于過(guò)放電狀態(tài)的檢測，進(jìn)入待機狀態(tài)后，為了減小功耗應使盡可能多的電路模塊停止工作，但如果所有的檢測電路都不工作，待機狀態(tài)將無(wú)法退出，為此在設計負載短路檢測電路時(shí)不引入待機狀態(tài)控制信號，其目的即為在電池電壓升高后使保護電路能及時(shí)退出待機狀態(tài)。圖4 給出了待機狀態(tài)信號產(chǎn)生和撤銷(xiāo)的原理圖。

圖4 待機狀態(tài)實(shí)現電路

圖4 中SOD為過(guò)放電檢測信號，系統處于正常狀態(tài)時(shí)，SOD為高電平，VM為低電平，因此待機狀態(tài)控制信號POWERD輸出高電平、POWERDB輸出低電平。當系統進(jìn)入過(guò)放電狀態(tài)時(shí)，SOD（延時(shí)后的信號）變?yōu)榈碗娖?，MP導通使VM變?yōu)楦唠娖?，最終使POWERD變?yōu)榈碗娖?、POWERDB變?yōu)楦唠娖?，它們控制保護電路相應模塊停止工作，系統進(jìn)入待機狀態(tài)。當對電池進(jìn)行充電時(shí)，由圖1可知VM被強制拉到低電平，使負載短路檢測電路的輸出信號OUT_LSB變?yōu)楦唠娖?；此時(shí)，不論SOD為何值或非門(mén)都將輸出低電平，POWERD由此變?yōu)楦唠娖?，這樣，就可實(shí)現待機狀態(tài)的退出。
　　
基準電壓電路
為了檢測過(guò)充電、過(guò)放電和放電過(guò)流情況，檢測比較器需要與基準電壓進(jìn)行比較。由于過(guò)充電檢測和過(guò)放電檢測電路之前有采樣電路，它們可用相同的基準電壓，而過(guò)流1 和過(guò)流2 需采用不同的基準電壓。為了提高芯片的檢測精度，電壓基準采用受電源、溫度和工藝影響較小的帶隙基準源，如圖5 所示為具體結構圖，其中M1~M5 工作于弱反型區，因此該電路具有功耗較小的特點(diǎn)。
　　
電路的工作原理為：由M1—M4和R5組成的自偏置電路產(chǎn)生具有正溫度系數的電流，它在電阻R0所產(chǎn)生的壓降和具有負溫度系數的PN 結壓降（D0上的壓降）相加，從而輸出零溫度系數的基準電壓VBD；為滿(mǎn)足同一電路中輸出不同的基準電壓源，利用電阻分壓將VBD 分成了VBI1及VBI2輸出；C0和R6組成啟動(dòng)電路。

由圖5 可知， VGSM2-VGSM1=IM2*R5。M3 和M4 組成電流鏡，取相同的寬長(cháng)比，則IM1=IM2。因為M1和M2工作于弱反型區，所以： 

 
式（1）中n為亞閾值因子，UT為熱電勢。M3和M5組成電流鏡，則： 

 
設R=(R1+R2)//(R3+R4)，二極管的正向壓降為VD，可以推導輸出電壓為：

由（3）—（5）式可知，基準電壓的精度與電阻R0—R4 的精度直接相關(guān)，為此這些電阻需要采用調整（trimming）技術(shù)。

 
圖5 電壓基準電路

充電過(guò)流檢測電路
充電過(guò)流的檢測歸結為檢測VM電壓，其臨界值為VCH（約為-1.3V）。如果所用工藝的MOS管閾值電壓可以調節，負電壓檢測電路可用差分結構的比較器實(shí)現，其中比較器的一個(gè)輸入端接地，并且兩個(gè)差分對管的閾值電壓需要調整。為了使該電路能用常規的CMOS 工藝實(shí)現，本文在過(guò)零比較器的基礎上引入升壓電路，如圖6(a)所示當VM》VCHA時(shí)，升壓電路使VN>0 。升壓部分具體實(shí)現如圖6(b)所示。

 
（a）采用升壓實(shí)現      （b）升壓部分具體實(shí)現
圖6 負壓檢測原理

 
PMOS管M1和NMOS管M2的柵極都接地。當M1的柵源電壓小于它的閾值電壓時(shí)，M2截止，而M1始終導通，A1比較器的反相輸入信號VN電位因為大于同相輸入端的電位，而使輸出OUT_CDCB為低電平。隨著(zhù)輸入信號VM電位向負方向的增大，M2逐漸導通，最后使得VN 端電位變負，OUT_CDCB由此變?yōu)楦唠娖?。圖6中VN=0時(shí)的輸入電壓即為檢測電壓VCHA，此時(shí)M1和M2處于飽和狀態(tài)且下列關(guān)系式成立：
 

（6）式中， un和up分別為N管和P管的遷移率，VTHN和VTHP分別為N管和P管的閾值電壓，COX為氧化層電容。（6）式經(jīng)整理得：

 
由（7）式可知，本電路中檢測電壓|VCHA|的取值只能大于M2的閾值電壓，改變M1和M2的寬長(cháng)比可改變檢測電壓VCHA。當M2未導通時(shí)，電路消耗的電流較??；當M2導通時(shí)，就會(huì )有電源到地的通路，為了減小消耗的電流，一般取M1的寬長(cháng)比小于1。
　　
電平轉換電路及0V 電池充電抑制電路
由于電平轉換電路和0V電池充電抑制電路的目的都是為了控制CO端，這兩個(gè)功能可用一個(gè)電路完成，如圖7 所示給出了具體實(shí)現電路。

 
圖7 電平轉換電路及0V電池充電抑制電路

電平轉換功能主要由M1—M4、R1和R2組成的電路完成；0V電池充電抑制功能主要由M5、M6和R3完成；M7—M10和R4組成的與非門(mén)在電平轉換功能和0V 電池充電抑制功能之間進(jìn)行選擇。電阻起限流作用。下面是這兩個(gè)功能的具體實(shí)現過(guò)程。
　　
電平轉換實(shí)現過(guò)程
在正常的放電過(guò)程中，VM端電位大于零而接近于零，可近似為VSS。此時(shí)，該電路的輸入信號IN_LCB=‘0’，IN_LC=‘1’，顯然，CO輸出為高電平（VDD）。
　　
在正常的充電過(guò)程中，VM端電位小于零而接近于零，仍可近似為VSS。當出現過(guò)充電或充電過(guò)流時(shí)，IN_LC=‘0’，IN_LCB=‘1’，VA為VM端電位，VB為VDD電位，VC輸出VDD電位，因此CO與VM等電位。

0V 電池充電抑制實(shí)現過(guò)程
0V 電池充電抑制功能發(fā)生在充電過(guò)程中，此時(shí)，IN_LCB=‘0’，IN_LC=‘1’，VA 為高電平。當電池電壓VDD小于或等于1V時(shí)，M5關(guān)閉，另外，較小的電池電壓使其內阻變小，接近內部短路。在這種情況下充電，充電電流一定很大，導致VM的電位下降很大，使M6 導通，VB由低電平轉化為高電平，CO端輸出電位接近VM電位。

模擬結果
芯片的所有功能和主要參數均用HSPICE 進(jìn)行了模擬驗證。圖8 給出了過(guò)充電保護檢測和釋放波形圖，圖9 給出了過(guò)放電保護檢測和釋放波形圖，其中COMP_OC 為過(guò)充電比較器的輸出信號，COMP_OD 為過(guò)放電比較器的輸出信號；芯片的過(guò)充電和過(guò)放電檢測精度約為30mV，在正常工作時(shí)消耗的電流為3.23uA，在待機狀態(tài)時(shí)消耗的電流為0.15uA。

 
圖8 過(guò)充電保護檢測和釋放波形圖
 
圖9  過(guò)放電保護檢測和釋放波形圖

總結
本文設計了一種單節鋰離子電池保護芯片，它可用常規的P 阱或雙阱CMOS工藝實(shí)現。為了提高檢測異常情況的精度，芯片中引入了濾除干擾電路，放電過(guò)流采用三級保護機制，電壓基準采用帶隙基準源；為了降低功耗，采用了如下措施：將模擬電路偏置在弱反型區，引入了待機狀態(tài)電路；另外，本文用巧妙的電路結構實(shí)現了待機狀態(tài)電路、充電過(guò)流檢測電路以及0V電池充電抑制電路。經(jīng)過(guò)模擬驗證，本文設計的芯片能有效防止鋰離子電池在應用中所發(fā)生的過(guò)充電、過(guò)放電和過(guò)電流現象，并且具有良好的性能。