鋰離子電池保護電路的ＩＣ設計

趙　娟　陳偉元

鋰離子電池具有能量高、電壓高、壽命長、無記憶、無污染等其它電源無法比擬的優(yōu)點，在以電池供電的便攜式電子產(chǎn)品，如手提式MD、游戲機、數(shù)字攝像機和照相機、PDA等都采用鋰離子電池作為工作電源，特別在移動電話和筆記本電腦領域中，鋰離子電池更是占絕對優(yōu)勢。但是，鋰離子電池必須有過充電、過放電和過電流保護電路，否則極易被損壞，甚至還會危及主機?？墒牵壳皣鴥?nèi)還沒有企業(yè)掌握鋰離子電池保護電路的核心技術(shù)，大部分的核心技術(shù)仍然掌握在少數(shù)幾家國外大型企業(yè)手中。

因此，本文介紹一種鋰離子電池保護電路，可以對鋰離子電池提供過充電、過放電、過流及0V充電和0V充電判斷保護，并用1.2μm n阱CMOS工藝實現(xiàn)。

工作原理

圖1為鋰離子電池保護電路的典型應用電路。兩外接的MOS管（FET1、FET2）一般集成在另外一塊芯片上，相當于兩個開關，控制外電路的輸入（充電時）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，從電池向負載的放電和從充電器向電池的充電是自由進行的。因此，用于放電控制的FET1和充電控制的FET2均處于導通狀態(tài)。

2.過流保護當放電電流過大時，用于放電控制的FET1斷開，禁止電池向負載放電，藉以執(zhí)行過放電電流保護功能。過電流保護功能也利于保護電池組在運輸過程中的安全。

保護電路檢測VM的電壓，一旦它大于電流檢測電壓（VIOV和VSHORT），即禁止電池放電。過電流檢測結(jié)束后，接通負載，恢復到正常狀態(tài)，即可放電。

值得注意的是，保護電路必須提供不同的過放電電流保護延遲時間（tIOV和tSHORT）。當放電電流愈大（如電池輸出端短路時），延遲時間愈短，過放電電流保護功能會馬上啟動，以保護元件不致于損害；而當放電電流較小，接近保護邊緣時，延遲時間會較長以避免過放電電流保護發(fā)生誤動作。

3.充電過壓保護當電池充電至過充電檢測電壓（VCU）時，F(xiàn)ET2斷開，禁止來自充電器的電流向電池充電。但是，在過充電檢測工作結(jié)束后，電池必須能向負載繼續(xù)放電。當電池放電電壓大于過充電遲滯電壓VCL時，過充電保護功能方可解除，F(xiàn)ET2導通，重新啟動過充電保護功能。

過充電保護過程中，F(xiàn)ET2雖為截止狀態(tài)，但放電路徑依然可流過它的寄生二極管，故此時電池仍可放電。

為了提高電池的安全性，并可進行最大限度的充電，過充電檢測電壓的誤差精度要非常高。另外，過充電檢測功能要與脈沖充電相適應，為了防止因干擾引起的誤動作，過充電檢測電路設有延遲時間tCU。

4.放電欠壓保護在過放電保護功能中，當電池電壓下降到過放電檢測電壓（VDU）時，放電控制FET1關斷，禁止電池向負載放電。之后，如果接通充電器，通過用于FET1的寄生二極管再開始充電，當電池充電電壓大于VDL（過放電遲滯電壓）時，過放電保護功能才能解除，F(xiàn)ET1導通，過放電保護功能重新啟動。在過放電保護過程中，即使FET1截止，充電電流可通過其寄生二極管，因此仍可充電。

在過放電保護功能中，為了防止電池電壓過分降低，保護電路的耗電量必須盡量接近零。

另外，一般來言，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，過放電檢測電路往往也必須有延遲時間tDU，以同時兼顧最大使用電量與過放電保護的要求。

5.充電器檢測功能 若VM腳電壓低于充電器檢測電壓VCHA（當放電欠壓狀態(tài)下電池接入充電器時），過放遲滯效應取消；當電池電壓高于等于過放電檢測電壓（VDL），F(xiàn)ET1重新導通。

當接入充電器，若VM腳電壓未達到充電器檢測電壓（VCHA），當電壓達到過放電停止電壓（VDU）或更高時，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)是用來實現(xiàn)當電池自放電到0V時給電池再充電。當鋰離子電池接上充電器時，電池電壓大于V0CHA（0V電池充電器起始電壓）或更高時，F(xiàn)ET2導通并開始充電。此時，F(xiàn)ET1關斷，充電電流通過放電控制FET的寄生二極管；若電池電壓高于等于VDU（過放電停止電壓），電路恢復到正常狀態(tài)。

值得注意的是，0V電池充電狀態(tài)的檢測比過電流狀態(tài)的檢測快，因此，當電池電壓低于V0CHA時，可以對電池進行充電，且此時保護電路不能檢測到過電流狀態(tài)。

7.0V電池充電關斷功能這一功能是用在電池突然短路時終止再充電的。若電池電壓低于某一電壓時，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，則可進行充電。

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

保護電路的設計

根據(jù)保護電路的基本工作原理，鋰離子電池保護電路的內(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極。下面重點介紹部分功能模塊的電路設計。

1.比較器電路 鋰離子電池保護電路的核心是五個比較器（充電器連接檢測比較器、過充電檢測比較器、過放電檢測比較器、過流1檢測比較器和過流2檢測器）。它們均是電壓比較器，均要求低功耗?？紤]到鋰離子電池對過充電、過電流的保護要求較高，充電器連接檢測比較器、過充電檢測比較器和過流1檢測比較器采用四級放大，以滿足對精度的要求。其余的因?qū)纫舐缘停什捎脙杉壏糯蟆?/p>

五個電壓比較器的結(jié)構(gòu)大致相同。圖4是設計的四級放大比較器。

圖4中M1是比較器的開關管，由EN信號控制。當不需要此部分電路工作時，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自于基準源電路的采樣電壓，精度要求很高。

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

MOS管M2、M4和M5組成負反饋基準源。由柵源短接的耗盡管M2作為與電源電壓無關的恒流源，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是設計的采樣電路。通過激光修正工藝對所需電阻值進行精確控制。M1是這段電路的開關管，同樣由EN信號控制。另外，M2和M3也是開關管，用來短路部分電阻，改變分壓大小，從而細調(diào)電路，滿足精度的要求。B1、B2分別是過充電檢測比較器和過放電比較器的輸入信號，它們都是對電池電壓的采樣。

3.延時電路延時電路包括振蕩器和觸發(fā)器（見圖7）。振蕩器是給整個保護電路提供時間基準的，由七級反相器首尾相接而成，其輸出連接到后面用作時鐘分頻的觸發(fā)器（十二級D觸發(fā)器）上，從而得到所需的各種延遲時間。它的周期由偏置電路恒流源決定。一旦出現(xiàn)異常狀態(tài)，振蕩電路便開始振蕩，然后一個時間周期后，控制信號會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)檢測電路的控制信號。

4.輸出緩沖級緩沖級用來提高負載驅(qū)動能力。由兩級反相器構(gòu)成。前一級反相器相對后一級反相器而言MOS管的寬長比（W/L）略小，它只驅(qū)動第一級，起到匹配和整形的作用；而第二級的MOS管寬長比（W/L）非常大，是為了能驅(qū)動大電流負載。在第一級反相器中加電阻，以調(diào)節(jié)閾值電壓。

結(jié) 論

本文設計的鋰離子電池保護電路，采用1.2μm n阱CMOS工藝，用激光修正技術(shù)對電阻值進行精調(diào)。在上海貝嶺股份有限公司進行試投片，樣片經(jīng)測試，結(jié)果達到設計要求，表明本設計方案是合理可行的。本設計具有以下特點：

1、具有充電器連接檢測功能、異常充電電池檢測功能，確保了充電器電壓過大時電池的安全。

2、3級過電流檢測電路（過電流1、過電流2、負載短路），提高了防止負載短路的安全性。

3、保護電路采用低功耗設計，以降低整個保護電路的功耗。

4、精度參考電壓（誤差小于1%）；高精度檢測電壓 （±40mV）。