一種高精度過流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

張金洋 ,汪西虎 ,董振斌 ,王江濤 ,徐佳豪

(1.西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院,陜西 西安 710121;2.上海電子線路智能保護(hù)工程技術(shù)研究中心,上海 201202;3.上海維安電子有限公司,上海 201202)

隨著便攜式電子產(chǎn)品的迅速發(fā)展,鋰電池相較于其他類型電池有著諸多優(yōu)勢(shì),成為了多數(shù)電子產(chǎn)品的供電電源,然而鋰電池對(duì)于工作環(huán)境較為敏感,當(dāng)鋰電池充電電流過大,會(huì)對(duì)電極材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響,造成電池極化嚴(yán)重。為此,鋰電池在實(shí)際應(yīng)用中一般都會(huì)有保護(hù)電路與其搭配使用[1-3]。在傳統(tǒng)電流采樣方式中,較為常見的有兩種,分別為電阻采樣和SenseFET 采樣[4-7]。功率管串聯(lián)電阻采樣提供高精度電流采樣的同時(shí),引入了額外的導(dǎo)通電阻及功耗,而SenseFET 采樣方式雖然能夠避免額外導(dǎo)通電阻及功耗的產(chǎn)生,但是其受限于匹配誤差,采樣精度不高。文獻(xiàn)[8]通過功率管導(dǎo)通電阻實(shí)現(xiàn)電流采樣,避免了傳統(tǒng)采樣電阻進(jìn)行電流采樣帶來的額外功耗,但功率管導(dǎo)通電阻隨工藝及溫度變化較大,精度不高,且過流值的設(shè)定較為復(fù)雜;文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了一種參考電壓由可調(diào)電流源在柵漏短接MOS 管得到的過流保護(hù)電路,用于使參考電壓不受外界因素影響,雖然在一定程度上提高了精度,但是其利用SenseFET 進(jìn)行電流采樣,采樣管與功率管在實(shí)際制造過程中會(huì)產(chǎn)生失配,同樣會(huì)對(duì)精度造成較大的影響。

鑒于此,本文提出了一種適用于鋰電池保護(hù)芯片的過流保護(hù)電路,當(dāng)采樣電流超過設(shè)定閾值電流時(shí),關(guān)閉柵極驅(qū)動(dòng)電路并拉低功率管柵端電壓,從而切斷充電電路與鋰電池之間的連接通路,起到保護(hù)鋰電池及后端設(shè)備的目的。芯片采用銅絲鍵合技術(shù)[10],直接利用鍵合絲實(shí)現(xiàn)高邊電流采樣,在保證高精度電流采樣的同時(shí)又不引入額外的導(dǎo)通電阻;電路設(shè)計(jì)預(yù)留修調(diào)控制位,可用于過流閾值的調(diào)整以及鍵合絲工藝誤差的校正;整體電路過流閾值設(shè)置簡單,具有良好的線性關(guān)系。

1 電路結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1 為本文提出的過流保護(hù)電路,電路由三部分組成,分別為(a)參考電壓電路、(b)采樣及預(yù)放大電路和(c)比較器電路,其基本工作原理:參考電壓電路借助帶隙基準(zhǔn)電路產(chǎn)生的受工藝及溫度影響不大的基準(zhǔn)電壓[11-12],利用自身運(yùn)算放大器所構(gòu)成的負(fù)反饋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生參考電壓;NM2、RLOAD分別為功率管及后端鋰電池等效負(fù)載電阻,采樣及預(yù)放大電路將功率管電流導(dǎo)致的鍵合絲壓降微小變化放大;比較器電路對(duì)參考電壓電路提供的參考電壓與采樣及預(yù)放大電路提供的采樣電壓進(jìn)行比較,當(dāng)觸發(fā)過流保護(hù)時(shí),通過數(shù)字邏輯電路關(guān)閉柵極驅(qū)動(dòng)電路,同時(shí)MOS 管NM1 導(dǎo)通,將功率管柵端電壓拉低,從而起到關(guān)閉功率管,限制電流、保護(hù)鋰電池的目的。

圖1 過流保護(hù)電路原理圖Fig.1 Schematic diagram of over-current protection circuit

參考電壓電路簡化結(jié)構(gòu)如圖2 所示。運(yùn)算放大器A1與PM1、PM2、R1、NM1、R0構(gòu)成負(fù)反饋環(huán)路,電阻R0上的電壓等于基準(zhǔn)電壓,即:

圖2 參考電壓電路簡化結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Simplified diagram of reference voltage circuit

因此流經(jīng)電阻R0的電流為:

R0電流作為參考電流通過PM1～PM4、R1組成的自偏置低壓共源共柵電流鏡鏡像復(fù)制到可調(diào)電阻網(wǎng)絡(luò)R2～R8,即可得到參考電壓。

采樣及預(yù)放大電路簡化結(jié)構(gòu)如圖3 所示。A2為預(yù)放大電路,R9=R10,RBD,POWER為連接芯片內(nèi)部功率管輸入端PAD 的鍵合絲等效電阻,其阻值為15 mΩ,RBD為連接C 點(diǎn)PAD 的鍵合絲等效電阻,阻值為50 mΩ,二者另一端均接芯片外部引腳IN。在電路正常工作或發(fā)生過流情況時(shí),RBD所處支路電流均為μA 量級(jí),因此C 點(diǎn)電壓近似等于IN 端電壓,即:

圖3 采樣電路簡化結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Simplified diagram of sensing circuit

當(dāng)通過功率管的電流很小時(shí),同理可視D 點(diǎn)電壓近似等于IN 端電壓。利用運(yùn)算放大器“虛短”特性,A、B 兩點(diǎn)電壓相等,因此:

進(jìn)而由“虛斷”特性,可得:

當(dāng)通過功率管的電流增大時(shí),RBD,POWER兩端壓降升高,D 點(diǎn)電位下降,由“虛斷”原理可得D 點(diǎn)電壓等于B 點(diǎn)電壓,同時(shí)借助上述“虛短”特性,B 點(diǎn)電壓等于A 點(diǎn)電壓,則R9上的電流為:

因此流經(jīng)功率管電流使得鍵合絲自身等效電阻在D 點(diǎn)形成的電壓變化,經(jīng)預(yù)放大電路可得:

由式(8)可知,采樣及預(yù)放大電路將C、D 兩點(diǎn)之間的微小電壓變化放大R11/R9倍,可通過調(diào)節(jié)R11與R9比例關(guān)系靈活調(diào)整預(yù)放大倍數(shù),且同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)電源軌范圍內(nèi)的任意放大倍數(shù)。

比較器電路簡化結(jié)構(gòu)如圖4 所示。COMP 為比較器電路;SMT、INV 分別為用于整形的施密特電路及反相器電路;電容C′構(gòu)成高頻快速通路,提高響應(yīng)速度;參考電壓VREF與采樣放大后的電壓VSENSE進(jìn)行比較,當(dāng)VSENSE大于VREF時(shí),輸出高電平,此時(shí)代表過流保護(hù)觸發(fā),同理可得非過流情況下,比較器電路輸出低電平。

圖4 比較器電路簡化結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Simplified diagram of comparator

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 參考電壓電路

圖5 為本文參考電壓電路具體設(shè)計(jì)。PMOS 管PM1、PM2、PM5 為電流鏡結(jié)構(gòu),為運(yùn)算放大器提供正常工作時(shí)所需要的偏置電流;PM3、PM4 為運(yùn)算放大器輸入對(duì)管,既能夠擁有相比于NMOS 管更低的噪聲和更高的轉(zhuǎn)換速率,又能減小輸入對(duì)管襯底偏壓效應(yīng);三極管Q1、Q2組成電流鏡結(jié)構(gòu)作為運(yùn)算放大器的有源負(fù)載,可以得到比MOS 管電流鏡更大的等效交流阻抗,同時(shí)三極管結(jié)構(gòu)相較于MOS 管有著更小的1/f噪聲(閃爍噪聲),其呈現(xiàn)在輸入端的參考噪聲電壓要小得多;NPN 型三極管Q3構(gòu)成了兩級(jí)運(yùn)算放大器第二級(jí),得益于共射極結(jié)構(gòu),輸出電壓擺幅接近全擺幅,同時(shí)自身增益比MOS 管或PNP 型三極管要大得多,而第二級(jí)放大器產(chǎn)生的噪聲對(duì)電路的影響可以等效為輸入?yún)⒖荚肼曤妷?其大小等于第二級(jí)放大器輸出噪聲電壓與一、二級(jí)運(yùn)算放大器增益乘積的比值,由于第一級(jí)運(yùn)算放大器的增益較大,因此第二級(jí)運(yùn)算放大器等效輸入噪聲對(duì)電路的影響可以忽略不計(jì);調(diào)零電阻R1、電容C1組成密勒補(bǔ)償結(jié)構(gòu),引入左半平面零點(diǎn)提高環(huán)路相位裕度及頻率穩(wěn)定性。

圖5 參考電壓電路Fig.5 Reference voltage circuit

補(bǔ)償后的主極點(diǎn)頻率近似為:

式中:gm_Q3為三極管Q3的等效跨導(dǎo);ro_i為對(duì)應(yīng)MOS管及三極管的等效輸出阻抗。

次極點(diǎn)頻率為:

式中,Ceq為MOS 管NM1 的柵端等效寄生電容。

調(diào)零電阻對(duì)零點(diǎn)補(bǔ)償后,零點(diǎn)對(duì)應(yīng)頻率為:

PM6、PM7、R2組成自偏置低壓共源共柵電流鏡結(jié)構(gòu),減少偏置電壓的產(chǎn)生,同時(shí)抑制溝道長度調(diào)制效應(yīng)影響;NM2～NM7 用于改變接入電阻數(shù)量;為保證電路良好的匹配性,減小失配誤差,R2～R10為同種類型的多晶硅電阻,但對(duì)應(yīng)的阻值大小存在差異;利用修調(diào)技術(shù)控制NM2～NM7 導(dǎo)通狀態(tài),以此實(shí)現(xiàn)閾值設(shè)定及鍵合絲誤差校正功能,參考電壓輸出點(diǎn)到地等效電阻可用∑RADJ表示。

負(fù)反饋結(jié)構(gòu)使得VFB等于VBG,R3電流通過電流鏡結(jié)構(gòu)鏡像復(fù)制到可調(diào)電阻網(wǎng)絡(luò),從而使得VREF參考電壓公式可表示為:

由式(12)可知,在實(shí)際應(yīng)用中,調(diào)節(jié)R3與∑RADJ比例關(guān)系,即可得到不同的參考電壓值,具有較強(qiáng)的靈活性。

2.2 采樣及預(yù)放大電路

采樣及預(yù)放大電路具體電路設(shè)計(jì)如圖6 所示。PM10～PM12、二極管D1～D2、DMOS 管LD1～LD2、Q6～Q8構(gòu)成預(yù)放大電路;R11=R12,RBD,POWER為鍵合絲等效電阻,其作為采樣電阻;三極管Q4、Q5、Q6為β-helper 電流鏡結(jié)構(gòu)[13],為預(yù)放大電路提供偏置電流,射極跟隨器Q4的引入用于減小Q5、Q6基極電流對(duì)電流復(fù)制所造成的影響,提高鏡像復(fù)制電流的精度,Q4～Q6發(fā)射區(qū)面積之比等于1 ∶2 ∶1,Q5集電極電流IC5與IBIAS關(guān)系式為:

圖6 采樣及預(yù)放大電路Fig.6 Sensing and preamplifier circuit

本文電路設(shè)計(jì)中,NPN 三極管采用縱向三極管,其β值約為20,因此:

Q5與Q6基極-發(fā)射極電壓相等,即:

考慮Q5、Q6發(fā)射區(qū)面積比例關(guān)系,可得Q5、Q6集電極電流關(guān)系式:

同時(shí)三極管結(jié)構(gòu)電流鏡在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫度的補(bǔ)償,由Q4、Q5構(gòu)成負(fù)反饋環(huán)路,抑制偏置電流隨溫度改變而改變;三極管Q7、Q8在直流條件下,保證I1、I2兩路電流相等,交流情況下提供相較于MOS 管更大的交流輸出阻抗;LD1、LD2 為高壓N型DMOS,用于保證電路工作在高壓情況下,低壓器件能夠工作在安全電壓范圍內(nèi),拓寬電路應(yīng)用場景。Vb為大小合適的偏置電壓,使得LD1、LD2 在電路工作時(shí)導(dǎo)通。

在實(shí)際芯片制造中,由于工藝偏差會(huì)造成PM10、PM11 失配現(xiàn)象的發(fā)生,使得預(yù)放大電路在C、D 兩點(diǎn)電壓相等時(shí),VSENSE不為0,或者是對(duì)于輸入端微小的電壓變化,不能準(zhǔn)確放大到指定倍數(shù),影響電路精度[14]。為此,在電路設(shè)計(jì)過程中,預(yù)放大電路采用完全對(duì)稱結(jié)構(gòu),引入共模負(fù)反饋環(huán)路,用于減少失配所造成的影響,確保A 點(diǎn)與B 點(diǎn)電壓相等。R11、R13、PM10、PM11、PM12、Q6～Q8組成負(fù)反饋環(huán)路,當(dāng)A點(diǎn)電壓高于B 點(diǎn)電壓時(shí),PM10 電流增大,對(duì)應(yīng)其柵端電壓會(huì)有一定程度增加,因此PM11 電流減小,PM12 柵端電壓減小,PM12 電流增大,R11上壓降升高,從而使得A 點(diǎn)電壓下降,縮小A、B 兩點(diǎn)電壓差,達(dá)到抑制失配對(duì)運(yùn)算放大器帶來的影響,保證A、B兩點(diǎn)電壓相等;同理,當(dāng)B 點(diǎn)電壓高于A 點(diǎn)電壓時(shí),PM12 柵端電壓增大,進(jìn)而其電流減小,R11上分配的電壓減小,A 點(diǎn)電壓抬升,實(shí)現(xiàn)同樣的效果。二極管D1、D2構(gòu)成鉗位電路,當(dāng)E 點(diǎn)電壓與F 點(diǎn)電壓差值等于二極管導(dǎo)通電壓時(shí),D1或D2導(dǎo)通,產(chǎn)生電流通路,平衡二者電壓,以此防止預(yù)放大電路兩條支路壓差過大導(dǎo)致的精度下降。

A、B 兩點(diǎn)電壓可用公式表示為:

借助運(yùn)算放大器“虛短”特性可得:

采樣電壓關(guān)系表達(dá)式為:

由于I1、I2電流量級(jí)為μA 級(jí),且RBD、RBD,POWER等效電阻為mΩ 級(jí),因此可將VSENSE表達(dá)式近似等價(jià)為:

由式(21)可得,調(diào)節(jié)R11與R13電阻比例關(guān)系,可以實(shí)現(xiàn)電源軌范圍內(nèi)任意放大倍數(shù),本文中R11、R13為匹配電阻,設(shè)定的R11與R13比例關(guān)系為0.5 ∶6,即預(yù)放大倍數(shù)為12 倍。

2.3 比較器電路

為了判斷芯片是否工作在過流情況下,本文借助比較器電路,對(duì)參考電壓電路提供的可調(diào)節(jié)參考電壓與采樣預(yù)放大電路得到的采樣電壓進(jìn)行比較,比較器具體電路設(shè)計(jì)如圖7 所示。NM8～NM14,PM16～PM17 構(gòu)成比較器電路,考慮到比較器兩端輸入電壓較低,且為了減小噪聲對(duì)精度的影響[15],本文比較器輸入對(duì)管采用PMOS 管;PM13～PM15 為偏置電路,為比較器的正常工作提供偏置電流;NM15～NM17 及PM18～PM21 為施密特電路,對(duì)比較器輸出信號(hào)進(jìn)行整形;電容C2構(gòu)成高頻快速通路,提高響應(yīng)速度。當(dāng)流經(jīng)功率管的電流大于設(shè)定電流指標(biāo)時(shí),VSENSE大于VREF,NM9 電流大于PM17 電流,此時(shí)NM14 柵極電壓接近地電位,NM14 截止,施密特電路輸入端信號(hào)為高電平,進(jìn)而反相器輸出高電平,代表此時(shí)發(fā)生過流。當(dāng)流經(jīng)功率管的電流小于設(shè)定電流指標(biāo)時(shí),NM14導(dǎo)通,反相器輸出低電平。對(duì)于低頻信號(hào),施密特電路→反向器電路→(NM10/NM13)→NM14→施密特電路構(gòu)成低頻正反饋環(huán)路;對(duì)于高頻信號(hào),C2→NM13→NM14→C2構(gòu)成高頻正反饋環(huán)路。正反饋環(huán)路的存在提供了一定的遲滯范圍,提高了電路的穩(wěn)定性。

圖7 比較器電路Fig.7 Comparator circuit

將參考電壓表達(dá)式(12)與采樣電壓表達(dá)式(20)聯(lián)立可得過流閾值設(shè)定表達(dá)式:

由式(22)可知,過流閾值設(shè)定可通過調(diào)節(jié)電阻網(wǎng)絡(luò)RADJ來實(shí)現(xiàn),具有良好的線性關(guān)系,同時(shí)提高了實(shí)際應(yīng)用過程中的靈活性。

3 仿真驗(yàn)證

本文采用0.18 μm BCD 工藝,借助Cadence Spice仿真工具,電路工作電壓為5 V,對(duì)電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證。過流保護(hù)電路過流閾值預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)在典型情況下為1 A。仿真結(jié)果包括參考電壓電路運(yùn)算放大器環(huán)路增益及相位裕度、功率管電流與采樣電壓關(guān)系、整體電路過流閾值隨溫度及工藝變化前仿真及版圖后仿真。

圖8 為參考電壓電路運(yùn)算放大器環(huán)路增益及相位裕度仿真圖。由仿真結(jié)果可知,低頻環(huán)路增益為69.818 dB,補(bǔ)償后的相位裕度為80.674°,能夠提供較好的環(huán)路增益及相位裕度,具有良好的精度和頻率穩(wěn)定性,滿足電路設(shè)計(jì)要求。

圖8 參考電壓電路運(yùn)算放大器環(huán)路增益及相位裕度Fig.8 Reference voltage circuit operational amplifier loop gain and phase margin

圖9 為功率管電流與采樣電壓關(guān)系圖。由仿真結(jié)果可知,流經(jīng)功率管電流范圍在0.5～3 A,采樣精度均為99.97%,流經(jīng)功率管電流與采樣電壓具有良好的線性度,且能夠?qū)崿F(xiàn)較大電流范圍的高精度檢測及預(yù)放大。

圖9 IPOWERMOS與VSENSE關(guān)系圖Fig.9 IPOWERMOS vs VSENSE diagram

圖10 為整體電路過流閾值隨溫度及工藝變化前仿真及版圖后仿真。后仿真結(jié)果表明,過流閾值在TT工藝、27 ℃典型情況下為1.055 A,精度為5.5%;FF工藝、-40 ℃情況下,精度最高可達(dá)到2%;最大電流誤差在9%以內(nèi)。

圖10 過流閾值隨溫度及工藝變化仿真。(a)前仿真;(b)版圖后仿真Fig.10 Simulation of over-current threshold varying with temperature and process.(a) Pre-simulation;(b) Post-layout simulation

圖11 為應(yīng)用本文提出的過流保護(hù)電路芯片版圖,整個(gè)芯片面積為770 μm×740 μm,其中過流保護(hù)電路所占面積為93 μm×21 μm,占總芯片面積的0.34%;在版圖設(shè)計(jì)中充分考慮了器件的對(duì)稱匹配以及高壓隔離結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);同時(shí),為避免額外的電流波動(dòng)對(duì)電路采樣精度的影響,對(duì)RBD所處PAD 不引入電源線為其他模塊供電。

圖11 芯片版圖Fig.11 Chip layout

將本文提出的過流保護(hù)電路與其他文獻(xiàn)對(duì)比,相較于文獻(xiàn)[8]采用功率管導(dǎo)通電阻采樣結(jié)構(gòu),本文提出的鍵合絲采樣方式克服了工藝制造所引起的非線性失配誤差;本文過流閾值精度可達(dá)5.5%,優(yōu)于文獻(xiàn)[9]的10%精度。

4 結(jié)論

本文基于0.18 μm BCD 工藝提出了一種應(yīng)用于鋰電池保護(hù)芯片的高精度過流保護(hù)電路,電流采樣方式直接由鍵合絲實(shí)現(xiàn),相較于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)避免了額外導(dǎo)通電阻及功耗的引入,其等效電阻阻值量級(jí)為mΩ,即使在負(fù)載電流達(dá)到1 A 的情況下,相較于典型5 W 功率輸出,其能效損失僅為15 mW,占總體能效的0.3%;電路結(jié)構(gòu)簡潔、采樣精度高、過流閾值設(shè)置靈活,高壓管的引入拓寬了實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域。通過仿真結(jié)果可知,電路設(shè)計(jì)符合預(yù)期目標(biāo)要求。