单节锂电池保护IC设计.doc

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1、单节锂电池保护IC设计　　1引言　　设计了一种低功耗的单节锂离子电池保护电路，此保护电路不仅对锂离子电池提供过充电，过放电，放电过流保护，还提供充电异常保护，零伏电池充电禁止等功能。用1.0μm双阱CMOS工艺实现。　　2锂电池保护IC的功能原理分析　　锂电池保护电路的原理图如图1所示，E+和E-端之间加充电器或负载。电路工作原理如下：　　　　图1锂电池保护原理图　　正常状态：当电池电压在过放电检测电压以上且在过充电检测电压以下，VM端子的电压在充电器检测电压以上且在过电流检测电压以下时，充电控制用FET2和放电控制用FET1的

2、两方均打开。　　这时可以进行自由的充电和放电。这种状态叫做正常状态。　　过充电保护：在充电过程中，当电池电压高于过充电检测电压，且该状态持续到过充电检测延迟时间后，控制电路输出一个低电平，关断充电控制用FET2，禁止充电。　　过放电保护：在放电过程中，当电池电压低于过放电检测电压，且该状态持续到过放电检测延迟时间后，控制电路输出一个低电平，关断放电控制用FET1，禁止放电。　　过电流保护：过电流保护包括一级过流保护，二级过流保护，短路保护，当放电电流过大，VM端电压上升，超过过流检测电压，且该状态持续时间超过过流检测延迟时间后，

3、控制电路输出低电平，关断放电控制用FET1，放电禁止。在放电过程中，VM端电压就是两个处于导通态的FET上的压降（见图1），即VVM=I&TImes;2RFET.式中I是通过FET的电流，即放电电流，RFET是FET的通态电阻。　　充电异常保护：电池在充电过程中如果电流过大，使VM端电压下降，当低于某个设定值，并且这个状态持续到过充电检测延迟时间以上时，控制电路关断充电控制用FET2，停止充电。当VM端电压重新上升到设定值以上后，充电控制用FET1打开，充电保护异常解除。　　零伏电池充电禁止：电池在久放不用的情况下，会自身放电使

4、电池电压下降，甚至为零伏，有些锂电池因其特性的原因在被完全放电后不适宜再度充电。当电池电压低于某个设定值时，充电控制用FET2的栅极被固定在低电位，禁止充电。只有电池本身电压在零伏电池禁止充电电压以上时，才被允许充电。　　3电路设计　　如图2所示，锂电池保护电路主要由基准源，比较器，逻辑控制电路以及一些附加功能块组成。比较器检测所用到的基准电压都要通过一个基准源电路来提供，此基准源在正常工作情况下，必须高精度，低功耗，以满足芯片要求，且能够在电源电压低至2.2V时正常工作。　　　　图2锂电池保护电路的内部结构　　图3就是符合此要

5、求的带隙基准源。在该电路中，P4，P5，P6，P7，N3，N4，N6组成一个二级运放作为基准源的反馈，而运放的偏置电压由基准源来提供，既简化了电路与版图，又减少了额外功耗。通过调节MOS管的尺寸，使运放具有较高增益，较低失调电压。基准源采用级连二极管的形式，Q1，Q2发射区面积相等，Q3，Q4发射区面积相等，为了减少功耗，取Q3的面积为Q2的两倍。级连二极管形式能有效减少运放失调对输出基准电压精度的影响。　　保护电路中所用的检测电压一般较低，比如一级过流检测电压为0.15V左右，二级过流检测电压为0.6V左右，但一般带隙基准电路

6、只能输出1.2V左右的电压，电阻R5的引入就是通过对输出基准电压进行再次分压来解决这个问题。以下给出输出基准电压的计算公式：　　　　　　图3基准源电路结构　　从式（4）中可以看出2ln（IS3/IS2）VT相对于ln（IS3/IS2）VT受失调电压VOS的影响明显减少，即级连二极管的采用使基准电压受运放失调影响减少。　　式中产生因子R5/（R4+R5），通过调整R4，R5的电阻值，可以得到小于1.2V的基准电压。　　图1中N1，N2，P1，P2，P3，C1作为启动电路，有源电阻P1，P2起限流作用。N5，P13为开关管，当保护电

7、路处于休眠状态时，电路必须停止工作，使功耗降为最低，此时通过内部控制电路使L1为低电位，P13管打开，使偏置点VBIAS上升为高电位，P4，P7，P8，P9，P10，P11，P12管截止，N5管关闭，切断由P13，N6形成的支路，该电路停止工作，电流几乎为零。经仿真，该基准电路在2.2V电压下可正常工作。　　以下介绍此款锂电池保护IC的附加功能，包括充电异常检测功能，零伏电池充电禁止功能。如图4所示。　　　　图4附加功能电路结构　　当锂电池接上充电器进行充电时，VM端相当于充电器的负端（见图1），产生一个-4V左右的脉冲电压，N

8、1管瞬间导通，同时OUT1端也产生-4V的脉冲电压，当逻辑电路监测到OUTI端的负脉冲电压后通过逻辑控制使L2为高电位，使N3管导通，又因为P1管的栅极接地，当VDD大于P1管的阈值电压时，P1管导通，D1点为高电位，N2管导通，D2点为低电位，P4管导通，CO