一種適用于鋰電池的電流監(jiān)測電路設(shè)計

段茂平，崔佳男，周澤坤，明 鑫，張 波

（電子科技大學(xué) 電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，四川 成都610054）

鋰電池作為新型清潔、可再生的二次能源，需精確監(jiān)測其電流、電壓及溫度等參數(shù)，并做好相應(yīng)的保護電路。對于手持設(shè)備而言，更需要追求高精度、低功耗，從而降低對鋰電池的“過度”使用，延長使用壽命[1]。

本文設(shè)計的電路在鋰電池供電環(huán)路中引入靈敏電阻對電流進行監(jiān)測，給系統(tǒng)提供充放電提示，同時可用于電量計算以及保護控制。

本文將詳細闡述電流監(jiān)測系統(tǒng)原理以及內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)，并給出H-spice仿真結(jié)果及相關(guān)結(jié)論。

1 本文所設(shè)計的電流監(jiān)測電路

圖1 鋰電池電流監(jiān)測系統(tǒng)框圖

模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）由采樣、量化和編碼構(gòu)成。本文設(shè)計的鋰電池電流監(jiān)測系統(tǒng)框圖如圖1所示。其中，電容和AMP放大器組成開關(guān)電容采樣電路，COMP高速比較器對數(shù)據(jù)進行量化，處理器對電路進行數(shù)字邏輯控制及編碼。偏置電路提供AMP放大器自啟動支路并產(chǎn)生Vbe1和 Vbe4。 時鐘模塊控制系統(tǒng)開關(guān)，包括 LI1、LI2、LI5、LI6、LI38。處理器輸出數(shù)字信號 Logic Control改變量化電容。

1.1 開關(guān)電容采樣電路

如圖2所示，通過V+和V-間的靈敏電阻進行采樣；Vbe1和 Vbe4是由 BE結(jié)產(chǎn)生的電壓基準；C3容值用 n（2的倍數(shù)）表示（C為單位電容值，C1=C2=1C，C3=C4=nC，C5=8C）；時鐘控制為高時開關(guān)導(dǎo)通，為低時開關(guān)斷開。采樣電路的5個狀態(tài)如圖3所示。

圖2 電流監(jiān)測電路采樣原理圖

圖3 采樣電路狀態(tài)圖

(2)LI1、LI2、LI38、LI5、LI6=10001，開關(guān)切換后狀態(tài) 2保持狀態(tài) 1，則 VOUT=Vbe1。

(3)LI1、LI2、LI38、LI5、LI=00000，開關(guān)全斷開，保持上一狀態(tài)，VOUT=Vbe1。

(4)LI1、LI2、LI38、LI5、LI6=01010，V+、V-切 換 ，Vbe1、Vbe4也切換。根據(jù)C1、C3電荷守恒定律得：

由運放特性可知VB=VA。已知VA、VB可以得到VC1=VA-Vbe4，VC2=VB-Vbe1，VC3=VA-V-，VC4=VB-V+，VC5=VB-VOUT，依據(jù) C2、C4、C5電荷守恒定律得：

其中，V--V+的正負由互不交疊時鐘 LI1、LI2控制，當(dāng)LI1在狀態(tài)1為高時，V--V+取正；當(dāng) LI1在狀態(tài)1為低時，V--V+取負。 每隔一定周期控制 LI1、LI2 切換，V+、V-的接法可用于實時監(jiān)測電池充放電狀態(tài)。根據(jù)式(3)和圖1可知，VOUT與 Vbe1通過比較器比較將產(chǎn)生 ΔV的差值，這時改變采樣并聯(lián)電容n的值可調(diào)節(jié)ΔV，起到量化作用[2-4]。

(5)LI1、LI2、LI38、LI5、LI6=00000，所有開關(guān)斷開，VOUT保持上一狀態(tài)。

1.2 AMP放大器電路

AMP放大器電路如圖4所示，主要包括：(1)自偏置電路，由 MPI3～MPI9、QPI1 和 QPI4 組成；(2)兩級運放，包括MPI26、MPI27組成的全差分放大器、MNI25共源放大器和 MNI24、CI15組成的米勒補償。其中，LI12與 LI17為差分輸入；LI26為復(fù)位信號；H模塊為數(shù)字上電電路；Vbe1與 Vbe4為基準輸出；LI22為運算輸出端[5]。

圖4 AMP放大器電路圖

自偏置電路有使能信號，若工作異常可直接關(guān)斷電路。當(dāng) LI26為低時，MPI9關(guān)斷，MPI5和 MPI6導(dǎo)通，電路正常工作，MPI4、MPI6和MPI8構(gòu)成啟動支路，則：

其中，VMPgs是 PMOS的 Vth，Vbe是二極管開啟電壓。只要VCC滿足式(4)，電路就能正常啟動。但在設(shè)計中需考慮襯偏效應(yīng)對閾值的影響，VCC比計算值略高。QPI1和QPI4發(fā)射極面積比為1:4，由此可得Vbe1與Vbe4差值為VTln4。當(dāng) LI26為高時，MPI9導(dǎo)通，MPI5和 MPI6關(guān)斷，電路被關(guān)斷。

AMP放大器帶有米勒補償，交流小信號等效電路圖如圖5所示。其中，gm1、gm2分別為第一級和第二級跨導(dǎo)。增益表示為：

圖5 AMP放大器交流小信號等效圖

其中，Rout1、Rout2分別為第一級和第二級的輸出電阻，且Rout1是 Rds_MPI27、Rds_MNI26的并聯(lián)，Rout2是 Rds_MPI11、Rds_MNI25的并聯(lián)，CL為等效負載電容。為了使系統(tǒng)穩(wěn)定，需對整個環(huán)路的零極點進行分析：

其中，CI15為米勒電容，CI為 VOUT1節(jié)點等效電容，Rz為MNI24等效電阻（即調(diào)零電阻）。由式（9）可知，調(diào)節(jié) Rz和CI15可實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定。

1.3 COMP高速比較器電路

如圖6所示，電路由 MN1～MN6和 MP1～MP4組成。IN1與IN2為輸入端；OUT1與 OUT2為輸出端；LG99由數(shù)字時鐘控制，實現(xiàn)復(fù)位功能。

圖6 COMP高速比較器電路圖

電路采用正反饋技術(shù)，速度得到大大提高。當(dāng)LG99為 低 時 ，MP3、MP4 導(dǎo) 通 ，MN5、MN6 關(guān) 斷 電 路 ， OUT1、OUT2抬高，后端觸發(fā)器處于保持狀態(tài)。而LG99為高時，MP3、MP4關(guān)斷，MN5、MN6導(dǎo)通。此時若 IN1大于 IN2，則 VA減小，使 OUT1減小；OUT1作用于 MP2與 MN2，使OUT2被抬高；而 OUT2作用于 MP1與 MN1，使 OUT1被拉低，形成正反饋。反之亦然，只要IN1與IN2之間存在壓差都會在輸出上快速響應(yīng)[6]。

2 仿真結(jié)果與分析

本文采用 0.18 μm CMOS工藝，使用 H-spice對數(shù)字時鐘、AMP運算放大器、偏置電路和高速比較器進行了仿真驗證。

圖7為AMP放大器交流小信號仿真數(shù)據(jù)，其中復(fù)位信號LI26為低，在LI12上加入AC=1的交流小信號。對-40℃、25℃、125℃ 3種溫度進行 AC掃描，可知：(1)當(dāng)增益降為 0時，相位裕度仍保持 90°以上；(2)在不同溫度下，增益與相位裕度受影響不大，系統(tǒng)處于穩(wěn)定態(tài)。

圖7 不同溫度下放大器增益與相位裕度曲線

圖8 高速比較器靜態(tài)工作點仿真曲線

圖8為COMP高速比較器靜態(tài)工作點仿真數(shù)據(jù)，其中LG99為復(fù)位信號，IN1為1.200 V，對 IN2在 1.200 V～1.210 V范圍進行瞬態(tài)掃描。若IN1=IN2，則輸出應(yīng)高于數(shù)字觸發(fā)電平，以保證時序的正確性。仿真后可知：(1)電路存在失調(diào)電壓，IN2增加時，有少量輸出與數(shù)字邏輯不符；(2)輸入相等時，輸出靜態(tài)工作點為1.5 V，能保證后端觸發(fā)器保持；(3)輸入差值不大于5 mV就能很快將輸出置高或置低。

圖9為采樣電路整仿數(shù)據(jù)，SRP、SRN為鋰電池電流采樣端，典型差值范圍為-125 mV～125 mV；LI22是運放輸出。輸入差值從125 mV變化到5 mV再跳變到-125 mV，采樣端電壓變化所對應(yīng)的輸出會依據(jù)信號的大小進行量化，且通過輸出的高低來判斷工作在充電還是放電狀態(tài)。但切換開關(guān)瞬間可能產(chǎn)生時鐘饋通效應(yīng)，該電路增大了運放輸入端的寄生電容，有效減小了頻繁切換開關(guān)對輸出的影響。

圖9 采樣電路整仿曲線

采樣電路整體仿真并不完整，當(dāng)SRP與SRN的差值實時變化時，采樣電路跟隨變化的能力如圖10所示。固定SRN的電壓為0 V，在SRP上加入正弦波信號進行掃描，從圖中可知放大器輸出會跟隨SRP的變化而變化，采樣的分辨率能夠達到要求。

圖10 采樣電路跟隨功能仿真曲線

本文設(shè)計了一種適用于鋰電池的電流監(jiān)測電路，能精確監(jiān)測電流及充放電狀態(tài)。這些信息可用于控制保護電路的啟動，且能用于精確計算電池阻抗、電量等參數(shù)。電路添加了使能控制，當(dāng)工作異常時可關(guān)斷電路。并且通過偏置的設(shè)置可調(diào)節(jié) MPI3、MPI4、MPI7、MPI8 管(如圖4所示)的寬長比，從而獲得更低功耗，提高電池使用壽命。

[1]張慶，李革臣.鋰離子電池充放電特性的研究[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2008，2(1)：107-109.

[2]明鑫，張波.一種基于開關(guān)電容的帶隙基準電路[J].微電子學(xué)，2007，37(4)：603-605.

[3]陳振宇，王立志，任曉岳.高性能可重構(gòu)流水線ADC的設(shè)計與仿真[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39(4)：39-41.

[4]畢查德·拉扎維.模擬 CMOS集成電路設(shè)計[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2003.

[5]姬厚濤，席月平，劉明菊.ADC低電壓高增益運算放大器VLSI設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用，2012，32(22)：23-25.

[6]ALLEN P E.CMOS analog circuit design[M].Second Edition，Publishing House of Electronics Industry，2002.