1引言

設(shè)計(jì)了一種低功耗的單節(jié)鋰離子電池保護(hù)電路,，此保護(hù)電路不僅對(duì)鋰離子電池提供過(guò)充電,，過(guò)放電，放電過(guò)流保護(hù),，還提供充電異常保護(hù),，零伏電池充電禁止等功能。用1.0μm雙阱CMOS工藝實(shí)現(xiàn),。

2鋰電池保護(hù)IC的功能原理分析

鋰電池保護(hù)電路的原理圖如圖1所示,，E+和E-端之間加充電器或負(fù)載。電路工作原理如下：

正常狀態(tài)：當(dāng)電池電壓在過(guò)放電檢測(cè)電壓以上且在過(guò)充電檢測(cè)電壓以下,，VM端子的電壓在充電器檢測(cè)電壓以上且在過(guò)電流檢測(cè)電壓以下時(shí),，充電控制用FET2和放電控制用FET1的兩方均打開(kāi)。

這時(shí)可以進(jìn)行自由的充電和放電,。這種狀態(tài)叫做正常狀態(tài),。

過(guò)充電保護(hù)：在充電過(guò)程中，當(dāng)電池電壓高于過(guò)充電檢測(cè)電壓,，且該狀態(tài)持續(xù)到過(guò)充電檢測(cè)延遲時(shí)間后,，控制電路輸出一個(gè)低電平，關(guān)斷充電控制用FET2,，禁止充電,。

過(guò)放電保護(hù)：在放電過(guò)程中，當(dāng)電池電壓低于過(guò)放電檢測(cè)電壓,，且該狀態(tài)持續(xù)到過(guò)放電檢測(cè)延遲時(shí)間后,，控制電路輸出一個(gè)低電平，關(guān)斷放電控制用FET1,，禁止放電,。

過(guò)電流保護(hù)：過(guò)電流保護(hù)包括一級(jí)過(guò)流保護(hù)，二級(jí)過(guò)流保護(hù),，短路保護(hù),，當(dāng)放電電流過(guò)大，VM端電壓上升,，超過(guò)過(guò)流檢測(cè)電壓,，且該狀態(tài)持續(xù)時(shí)間超過(guò)過(guò)流檢測(cè)延遲時(shí)間后,，控制電路輸出低電平，關(guān)斷放電控制用FET1,，放電禁止,。在放電過(guò)程中，VM端電壓就是兩個(gè)處于導(dǎo)通態(tài)的FET上的壓降（見(jiàn)圖1）,，即VVM=I×2RFET.式中I是通過(guò)FET的電流,，即放電電流，RFET是FET的通態(tài)電阻,。

充電異常保護(hù)：電池在充電過(guò)程中如果電流過(guò)大,，使VM端電壓下降，當(dāng)?shù)陀谀硞€(gè)設(shè)定值,，并且這個(gè)狀態(tài)持續(xù)到過(guò)充電檢測(cè)延遲時(shí)間以上時(shí),，控制電路關(guān)斷充電控制用FET2，停止充電,。當(dāng)VM端電壓重新上升到設(shè)定值以上后,，充電控制用FET1打開(kāi)，充電保護(hù)異常解除,。

零伏電池充電禁止：電池在久放不用的情況下,，會(huì)自身放電使電池電壓下降，甚至為零伏,，有些鋰電池因其特性的原因在被完全放電后不適宜再度充電,。當(dāng)電池電壓低于某個(gè)設(shè)定值時(shí)，充電控制用FET2的柵極被固定在低電位,，禁止充電。只有電池本身電壓在零伏電池禁止充電電壓以上時(shí),，才被允許充電,。

3電路設(shè)計(jì)

如圖2所示，鋰電池保護(hù)電路主要由基準(zhǔn)源,，比較器,，邏輯控制電路以及一些附加功能塊組成。比較器檢測(cè)所用到的基準(zhǔn)電壓都要通過(guò)一個(gè)基準(zhǔn)源電路來(lái)提供,，此基準(zhǔn)源在正常工作情況下,，必須高精度，低功耗,，以滿足芯片要求,，且能夠在電源電壓低至2.2V時(shí)正常工作。

圖3就是符合此要求的帶隙基準(zhǔn)源,。在該電路中,，P4,，P5，P6,，P7,，N3，N4,，N6組成一個(gè)二級(jí)運(yùn)放作為基準(zhǔn)源的反饋,，而運(yùn)放的偏置電壓由基準(zhǔn)源來(lái)提供，既簡(jiǎn)化了電路與版圖,，又減少了額外功耗,。通過(guò)調(diào)節(jié)MOS管的尺寸，使運(yùn)放具有較高增益,，較低失調(diào)電壓,。基準(zhǔn)源采用級(jí)連二極管的形式,，Q1,，Q2發(fā)射區(qū)面積相等，Q3,，Q4發(fā)射區(qū)面積相等,，為了減少功耗，取Q3的面積為Q2的兩倍,。級(jí)連二極管形式能有效減少運(yùn)放失調(diào)對(duì)輸出基準(zhǔn)電壓精度的影響,。

保護(hù)電路中所用的檢測(cè)電壓一般較低，比如一級(jí)過(guò)流檢測(cè)電壓為0.15V左右,，二級(jí)過(guò)流檢測(cè)電壓為0.6V左右,，但一般帶隙基準(zhǔn)電路只能輸出1.2V左右的電壓，電阻R5的引入就是通過(guò)對(duì)輸出基準(zhǔn)電壓進(jìn)行再次分壓來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題,。以下給出輸出基準(zhǔn)電壓的計(jì)算公式：

從式（4）中可以看出2ln（IS3/IS2）VT相對(duì)于ln（IS3/IS2）VT受失調(diào)電壓VOS的影響明顯減少,，即級(jí)連二極管的采用使基準(zhǔn)電壓受運(yùn)放失調(diào)影響減少。

式中產(chǎn)生因子R5/（R4+R5）,，通過(guò)調(diào)整R4,，R5的電阻值，可以得到小于1.2V的基準(zhǔn)電壓,。

圖1中N1,，N2，P1,，P2,，P3，C1作為啟動(dòng)電路,，有源電阻P1,，P2起限流作用,。N5，P13為開(kāi)關(guān)管,，當(dāng)保護(hù)電路處于休眠狀態(tài)時(shí),，電路必須停止工作，使功耗降為最低,，此時(shí)通過(guò)內(nèi)部控制電路使L1為低電位,，P13管打開(kāi)，使偏置點(diǎn)VBIAS上升為高電位,，P4,，P7，P8,，P9,，P10，P11,，P12管截止,，N5管關(guān)閉，切斷由P13,，N6形成的支路,，該電路停止工作，電流幾乎為零,。經(jīng)仿真,，該基準(zhǔn)電路在2.2V電壓下可正常工作。

以下介紹此款鋰電池保護(hù)IC的附加功能,，包括充電異常檢測(cè)功能,，零伏電池充電禁止功能。如圖4所示,。

當(dāng)鋰電池接上充電器進(jìn)行充電時(shí),，VM端相當(dāng)于充電器的負(fù)端（見(jiàn)圖1），產(chǎn)生一個(gè)-4V左右的脈沖電壓,，N1管瞬間導(dǎo)通，同時(shí)OUT1端也產(chǎn)生-4V的脈沖電壓,，當(dāng)邏輯電路監(jiān)測(cè)到OUTI端的負(fù)脈沖電壓后通過(guò)邏輯控制使L2為高電位,，使N3管導(dǎo)通，又因?yàn)镻1管的柵極接地,，當(dāng)VDD大于P1管的閾值電壓時(shí),，P1管導(dǎo)通，D1點(diǎn)為高電位,，N2管導(dǎo)通,，D2點(diǎn)為低電位,，P4管導(dǎo)通，CO為高電位,，充電控制用FET2打開(kāi),，允許充電，即充電器檢測(cè)完成,。

當(dāng)鋰電池由于自放電使自身電壓降為PMOS管閾值以下時(shí),，P1管截止，D1為低電位,，使N2管截止,，節(jié)點(diǎn)D2無(wú)法下降到VM端電壓，P4管截止,，CO端為低電位,，充電控制用FET2關(guān)閉，禁止充電,，即為零伏電池充電禁止功能,。在充電過(guò)程中，VM端電位為-I×2RFET（見(jiàn)圖1）,，I為充電電流,，RFET為FET導(dǎo)通電阻。當(dāng)電流過(guò)大,，使VM端電位下降到負(fù)的NMOS閾值以下時(shí),，N5管導(dǎo)通，D3電位下降,，P6管導(dǎo)通,，輸出OUT2為高電位，當(dāng)該狀態(tài)持續(xù)一段時(shí)間以后,，控制邏輯判斷該狀態(tài)有效,，使L2為低電位，N3管截止,，P3管導(dǎo)通,，D2為高電位，使CO端為低,，充電控制用FET2關(guān)閉,，充電停止，即為充電異常檢測(cè)功能,。

4仿真時(shí)序圖

圖5為過(guò)充與過(guò)放電檢測(cè)的HSPICE仿真時(shí)序圖,，從中可以看出，當(dāng)比較器檢測(cè)到電池過(guò)充，在這里過(guò)充檢測(cè)點(diǎn)為4.25V,，且該狀態(tài)保持時(shí)間達(dá)到過(guò)充電檢測(cè)延遲時(shí)間,，在這里約為1.2秒，CO輸出低電平,，關(guān)斷充電用FET2,，停止充電。當(dāng)檢測(cè)到電池過(guò)放電,，這里過(guò)放電檢測(cè)點(diǎn)為2.25V,，且該狀態(tài)保持時(shí)間達(dá)到過(guò)放電檢測(cè)延遲時(shí)間約150毫秒，DO輸出低電平,，關(guān)斷放電用FET1,，停止放電。其它如放電過(guò)流檢測(cè)等功能經(jīng)HSPICE仿真完全符合要求,，在這里不一一列出,。

5結(jié)論

設(shè)計(jì)的單節(jié)鋰電池保護(hù)IC在正常工作狀態(tài)下消耗電流為3.3uA，休眠狀態(tài)下為0.15uA,，過(guò)充電檢測(cè)精度為±25mV,，能在-40°C~85°C的溫度下工作，產(chǎn)品性能完全符合要求,。