單節(jié)鋰離子電池保護(hù)芯片的設(shè)計(jì)

1、單節(jié)鋰離子電池保護(hù)芯片的設(shè)計(jì)前言 鋰離子電池保護(hù)芯片的設(shè)計(jì)與其封裝結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，如圖1所示為封裝在鋰離子電池內(nèi)部的保護(hù)電路的基本結(jié)構(gòu)。在正常情況下，充電控制端CO 和放電控制端DO 為高電位，N型放電控制管FET1和充電控制管FET2處于導(dǎo)通狀態(tài)，電路的工作方式可以是電池向負(fù)載放電，也可以是充電器對(duì)電池進(jìn)行充電；當(dāng)保護(hù)電路檢測(cè)到異常現(xiàn)象（過(guò)充電、過(guò)放電和過(guò)電流）時(shí)，使CO或DO輸出低電平，從而切斷充電或放電回路，實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。為了有效利用放電電流或充電電流，F(xiàn)ET1和FET2采用導(dǎo)通電阻很小的功率管。它們的選擇原則除了導(dǎo)通電阻要小，還要求體積小，并且關(guān)閉時(shí)源漏擊穿電壓要能經(jīng)受不匹配充電器的影響

2、。從理論上說(shuō)，F(xiàn)ET1和FET2可以用N 管也可以用P 管。但由于單節(jié)鋰離子電池保護(hù)電路的電源電壓較低，為了減小導(dǎo)通電阻，一般都采用N管。圖1中二極管是FET1和FET2的寄生二極管，它們的存在使系統(tǒng)在過(guò)放電狀態(tài)下能對(duì)電池充電，在過(guò)充電狀態(tài)下能對(duì)負(fù)載放電。圖1 3.6V 鋰離子電池保護(hù)電路封裝結(jié)構(gòu)鋰離子電池保護(hù)芯片的應(yīng)用場(chǎng)合要求其具有低電流驅(qū)動(dòng)、高精度檢測(cè)的特點(diǎn)，另外由于保護(hù)電路的供電電源即為電池電壓，因此在電池電壓的變化范圍內(nèi)，保護(hù)電路必須正常工作，本文根據(jù)圖1 所示的連接關(guān)系，設(shè)計(jì)一種低功耗單節(jié)鋰離子電池保護(hù)芯片，其電池電壓可以在1V5.5V范圍內(nèi)變化。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 鋰離子電池保護(hù)芯片的基

3、本功能是進(jìn)行過(guò)充電保護(hù)、過(guò)放電保護(hù)和過(guò)電流保護(hù)，其中過(guò)電流保護(hù)包括充電過(guò)流保護(hù)和放電過(guò)流保護(hù)。下面以保護(hù)電路的基本功能為出發(fā)點(diǎn)，分析其系統(tǒng)的組成。檢測(cè)異?，F(xiàn)象 鋰離子電池保護(hù)電路為了實(shí)現(xiàn)其基本功能，首先需要檢測(cè)異?，F(xiàn)象。過(guò)充電和過(guò)放電檢測(cè)是將電池電壓進(jìn)行分壓（采樣）后與基準(zhǔn)電壓比較實(shí)現(xiàn)的；而對(duì)于過(guò)流檢測(cè)，保護(hù)芯片首先將充放電過(guò)程中的電流轉(zhuǎn)化為在功率管FET1、FET2上的電壓，然后通過(guò)VM與基準(zhǔn)電壓比較完成，放電過(guò)流檢測(cè)的是正電壓，充電過(guò)流檢測(cè)的是負(fù)電壓。濾除干擾信號(hào) 通常在鋰離子電池保護(hù)電路的工作過(guò)程中會(huì)有干擾信號(hào)存在，干擾信號(hào)的類(lèi)型主要有兩種：一種為瞬間干擾，它是指在正常的信號(hào)上，在極短的

4、時(shí)間內(nèi)疊加上一個(gè)較大的信號(hào)。另一種為波動(dòng)干擾，它是指信號(hào)的起伏波動(dòng)。如圖2 以充電過(guò)程解釋了這兩類(lèi)干擾，其中VCU 為過(guò)充電檢測(cè)電壓。 為了防止干擾信號(hào)的引入使保護(hù)電路產(chǎn)生誤動(dòng)作，可以從系統(tǒng)角度考慮采用適當(dāng)?shù)拇胧p小它們的影響。瞬間干擾可以在保護(hù)電路內(nèi)部加上延時(shí)電路加以濾除，即當(dāng)保護(hù)電路檢測(cè)到異常信號(hào)后，延時(shí)一段時(shí)間再關(guān)閉FET1或FET2。根據(jù)過(guò)充電、過(guò)放電、過(guò)電流對(duì)鋰電池的危害程度選取不同的延時(shí)時(shí)間。為了更加合理的保護(hù)鋰電池，放電過(guò)流可分為三個(gè)級(jí)別，分別為過(guò)流1保護(hù)、過(guò)流2保護(hù)以及負(fù)載短路保護(hù)，過(guò)流1的延時(shí)稍長(zhǎng)，過(guò)流2的延時(shí)比過(guò)流1的延時(shí)短一些，而負(fù)載短路不加延時(shí)立即保護(hù)。波動(dòng)干擾可以在保

5、護(hù)電路內(nèi)部加上遲滯電路加以濾除?？刂瞥潆娍刂乒苡行шP(guān)閉 在充電過(guò)程中，與FET2源極相連的VM端電位為負(fù)值，當(dāng)過(guò)充電保護(hù)起作用時(shí)，必須在過(guò)充電延時(shí)信號(hào)與CO端之間加上電平轉(zhuǎn)換電路，將控制邏輯電路產(chǎn)生的邏輯信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使CO端的電位小于或等于VM端的電位，從而保證FET2有效關(guān)斷。 0V電池充電抑制功能 鋰離子電池保護(hù)電路可實(shí)現(xiàn)對(duì)0V電池進(jìn)行充電，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)0V 電池禁止充電，本文的設(shè)計(jì)采用后者，這一功能使保護(hù)電路禁止對(duì)內(nèi)部短路的電池進(jìn)行充電。當(dāng)電池電壓為0V電池充電抑制電壓VOINH（典型值為1V左右）或更低時(shí)，F(xiàn)ET2的柵極電位被固定為VM 的電位，從而禁止充電。當(dāng)電池電壓等于或高于VOI

6、NH 時(shí)，可以進(jìn)行充電。其它功能 1）在過(guò)充電狀態(tài)下，保護(hù)電路需禁止放電過(guò)流保護(hù)起作用。因?yàn)殡姵卦谶^(guò)充電后接上負(fù)載的情況下，在放電初期，系統(tǒng)仍處于過(guò)充電狀態(tài)，此時(shí)放電電流必然很大，引起過(guò)流的可能性很大；而過(guò)流保護(hù)如果起作用，就會(huì)關(guān)斷放電回路。這樣，一旦電池過(guò)充電，就可能永遠(yuǎn)不能使用； 2）在過(guò)放電保護(hù)起作用時(shí)，保護(hù)電路需禁止充電過(guò)流保護(hù)起作用。因?yàn)楫?dāng)電池過(guò)放電后，剛接上充電器充電時(shí)，充電電流會(huì)很大。此時(shí)禁止充電過(guò)流保護(hù)起作用，可保證電池在過(guò)放電后可充電； 3）為了減少充電電流流過(guò)FET1內(nèi)部寄生二極管的時(shí)間，如果在過(guò)放電狀態(tài)下連接上充電器并且VM電壓低于充電過(guò)流檢測(cè)電壓時(shí)，解除過(guò)放電遲滯。根據(jù)

7、上述分析，本文設(shè)計(jì)的鋰離子電池保護(hù)電路的系統(tǒng)框圖如圖3所示。系統(tǒng)主要包括控制邏輯電路（CONTROL LOGIC CIRCUIT）、取樣電路（SAMPLE CIRCUIT）、過(guò)充電檢測(cè)比較器（OVERDIACHARGE COMPARATOR）、過(guò)放電檢測(cè)比較器（OVERDISCHARGE COMPARATOR）、過(guò)流1檢測(cè)比較器（OVERCURRENT1 COMPARATOR）、過(guò)流2 檢測(cè)比較器（OVERCURRENT2 COMPARATOR）、負(fù)載短路檢測(cè)電路（LOAD SHORT DETECTION CIRCUIT）、充電過(guò)流檢測(cè)電路（CHARGER DETEDTION CIRCUIT）

8、、電平轉(zhuǎn)換電路（CONVERTOR CIRCUIT）、基準(zhǔn)電路（REFERENCE CIRCUIT）以及偏置電路（BIAS CIRCUIT）。其中，偏置電路在圖3 中沒(méi)有給出，電平轉(zhuǎn)換電路同時(shí)能實(shí)現(xiàn)0V 充電抑制功能。圖3 鋰離子電池保護(hù)電路系統(tǒng)框圖圖3 中MN 在過(guò)電流時(shí)導(dǎo)通，它的作用是使過(guò)大的電流不經(jīng)過(guò)FET1和FET2而通過(guò)MN流向地。MP與待機(jī)狀態(tài)有關(guān)，待機(jī)狀態(tài)電路的工作原理是：當(dāng)保護(hù)電路進(jìn)入過(guò)放電狀態(tài)后，產(chǎn)生一個(gè)待機(jī)狀態(tài)信號(hào)，使保護(hù)芯片中的大多數(shù)電路停止工作，它是通過(guò)控制邏輯電路和負(fù)載短路檢測(cè)電路的配合完成的。M3的作用是在待機(jī)狀態(tài)下，使采樣電路不消耗靜態(tài)電流。M4和M5分別用于實(shí)現(xiàn)

9、過(guò)放電和過(guò)充電檢測(cè)遲滯以濾除充放電過(guò)程中的波動(dòng)干擾信號(hào)。而瞬時(shí)干擾信號(hào)的濾除由控制邏輯電路中的延時(shí)電路實(shí)現(xiàn)。 關(guān)鍵電路實(shí)現(xiàn) 鋰離子電池保護(hù)芯片的性能，不僅與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，與具體電路的實(shí)現(xiàn)也是密不可分的，下面的電路模塊在整個(gè)芯片中具有關(guān)鍵的作用，本文從功耗和精度等角度考慮，提出了獨(dú)特的設(shè)計(jì)方法。 待機(jī)狀態(tài)電路 保護(hù)電路進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)有賴(lài)于過(guò)放電狀態(tài)的檢測(cè)，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)后，為了減小功耗應(yīng)使盡可能多的電路模塊停止工作，但如果所有的檢測(cè)電路都不工作，待機(jī)狀態(tài)將無(wú)法退出，為此在設(shè)計(jì)負(fù)載短路檢測(cè)電路時(shí)不引入待機(jī)狀態(tài)控制信號(hào)，其目的即為在電池電壓升高后使保護(hù)電路能及時(shí)退出待機(jī)狀態(tài)。圖4 給出了待機(jī)狀態(tài)信號(hào)產(chǎn)生和撤銷(xiāo)的原理圖。圖4 待機(jī)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)電路圖4 中SOD為過(guò)放電檢測(cè)信號(hào)，系統(tǒng)處于正常狀態(tài)時(shí)，SOD為高電平，VM為低電平，因此待機(jī)狀態(tài)控制信號(hào)POWERD輸出高電平、POWERDB輸出低電平。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入過(guò)放電狀態(tài)時(shí)，SOD（延時(shí)后的信號(hào)）變?yōu)榈碗娖?，MP導(dǎo)通使VM變?yōu)楦唠娖?，最終使POWERD