中心議題：
- 介紹鋰電池保護IC的工作原理
- 設計適合CMOS工藝的鋰電池保護電路
解決方案：
- 單節鋰電池保護IC設計方案
1 引 言
設計了一種低功耗的單節鋰離子電池保護電路，此保護電路不僅對鋰離子電池提供過充電，過放電，放電過流保護，還提供充電異常保護，零伏電池充電禁止等功能。用1. 0μm雙阱CMOS工藝實現。
2 鋰電池保護IC的功能原理分析
鋰電池保護電路的原理圖如圖1 所示， E +和E - 端之間加充電器或負載。電路工作原理如下：
圖1 鋰電池保護原理圖
正常狀態：當電池電壓在過放電檢測電壓以上且在過充電檢測電壓以下， VM端子的電壓在充電器檢測電壓以上且在過電流檢測電壓以下時，充電控制用FET2 和放電控制用FET1 的兩方均打開。
這時可以進行自由的充電和放電。這種狀態叫做正常狀態。
過充電保護：在充電過程中，當電池電壓高于過充電檢測電壓，且該狀態持續到過充電檢測延遲時間后，控制電路輸出一個低電平，關斷充電控制用FET2,禁止充電。
過放電保護：在放電過程中，當電池電壓低于過放電檢測電壓，且該狀態持續到過放電檢測延遲時間后，控制電路輸出一個低電平，關斷放電控制用FET1,禁止放電。
過電流保護：過電流保護包括一級過流保護，二級過流保護，短路保護，當放電電流過大， VM端電壓上升，超過過流檢測電壓，且該狀態持續時間超過過流檢測延遲時間后，控制電路輸出低電平，關斷放電控制用FET1,放電禁止。在放電過程中， VM端電壓就是兩個處于導通態的FET上的壓降（見圖1） ,即VVM = I ×2RFET.式中I是通過FET的電流，即放電電流， RFET是FET的通態電阻。
充電異常保護：電池在充電過程中如果電流過大，使VM端電壓下降，當低于某個設定值，并且這個狀態持續到過充電檢測延遲時間以上時，控制電路關斷充電控制用FET2,停止充電。當VM端電壓重新上升到設定值以上后，充電控制用FET1打開，充電保護異常解除。
零伏電池充電禁止：電池在久放不用的情況下，會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。當電池電壓低于某個設定值時，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，才被允許充電。
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3 電路設計
如圖2所示，鋰電池保護電路主要由基準源，比較器，邏輯控制電路以及一些附加功能塊組成。比較器檢測所用到的基準電壓都要通過一個基準源電路來提供，此基準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時正常工作。
圖2 鋰電池保護電路的內部結構
圖3就是符合此要求的帶隙基準源。在該電路中， P4, P5, P6, P7,N3,N4, N6組成一個二級運放作為基準源的反饋，而運放的偏置電壓由基準源來提供，既簡化了電路與版圖，又減少了額外功耗。通過調節MOS管的尺寸，使運放具有較高增益，較低失調電壓。基準源采用級連二極管的形式， Q1, Q2發射區面積相等， Q3, Q4發射區面積相等，為了減少功耗，取Q3的面積為Q2的兩倍。級連二極管形式能有效減少運放失調對輸出基準電壓精度的影響。
保護電路中所用的檢測電壓一般較低，比如一級過流檢測電壓為0. 15V 左右，二級過流檢測電壓為0. 6V左右，但一般帶隙基準電路只能輸出1. 2V左右的電壓，電阻R5的引入就是通過對輸出基準電壓進行再次分壓來解決這個問題。以下給出輸出基準電壓的計算公式：
圖3 基準源電路結構
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從式（4）中可以看出2 ln （ IS3 / IS2 ） VT相對于ln（ IS3 / IS2 ）VT受失調電壓VOS的影響明顯減少，即級連二極管的采用使基準電壓受運放失調影響減少。
式中產生因子R5 / （R4 +R5 ） ,通過調整R4 , R5 的電阻值，可以得到小于1. 2V的基準電壓。
圖1中N1,N2, P1, P2, P3, C1作為啟動電路，有源電阻P1, P2 起限流作用。N5, P13 為開關管，當保護電路處于休眠狀態時，電路必須停止工作，使功耗降為最低，此時通過內部控制電路使L1 為低電位， P13 管打開，使偏置點VB IAS上升為高電位，P4, P7, P8, P9 , P10, P11, P12管截止，N5管關閉，切斷由P13,N6形成的支路，該電路停止工作，電流幾乎為零。經仿真，該基準電路在2. 2V電壓下可正常工作。
以下介紹此款鋰電池保護IC的附加功能，包括充電異常檢測功能，零伏電池充電禁止功能。如圖4所示。
圖4 附加功能電路結構
當鋰電池接上充電器進行充電時， VM端相當于充電器的負端（見圖1） ,產生一個- 4V左右的脈沖電壓，N1管瞬間導通，同時OUT1端也產生- 4V的脈沖電壓，當邏輯電路監測到OUTI端的負脈沖電壓后通過邏輯控制使L2 為高電位，使N3 管導通，又因為P1管的柵極接地，當VDD大于P1管的閾值電壓時， P1 管導通， D1 點為高電位， N2 管導通，D2點為低電位， P4管導通， CO為高電位，充電控制用FET2打開，允許充電，即充電器檢測完成。
當鋰電池由于自放電使自身電壓降為PMOS管閾值以下時， P1管截止， D1為低電位，使N2管截止，節點D2無法下降到VM端電壓， P4管截止， CO端為低電位，充電控制用FET2關閉，禁止充電，即為零伏電池充電禁止功能。在充電過程中， VM端電位為- I ×2RFET （見圖1） , I為充電電流， RFET為FET導通電阻。當電流過大， 使VM 端電位下降到負的NMOS閾值以下時，N5管導通， D3電位下降， P6管導通，輸出OUT2為高電位，當該狀態持續一段時間以后，控制邏輯判斷該狀態有效，使L2 為低電位，N3管截止， P3管導通，D2為高電位，使CO端為低，充電控制用FET2關閉，充電停止，即為充電異常檢測功能。
4 仿真時序圖
圖5為過充與過放電檢測的HSPICE仿真時序圖，從中可以看出，當比較器檢測到電池過充，在這里過充檢測點為4. 25V,且該狀態保持時間達到過充電檢測延遲時間，在這里約為1. 2秒， CO輸出低電平，關斷充電用FET2,停止充電。當檢測到電池過放電，這里過放電檢測點為2. 25V,且該狀態保持時間達到過放電檢測延遲時間約150毫秒，DO輸出低電平，關斷放電用FET1,停止放電。其它如放電過流檢測等功能經HSP ICE仿真完全符合要求，在這里不一一列出。
圖5 過充與過放電檢測仿真時序圖
5 結 論
設計的單節鋰電池保護IC在正常工作狀態下消耗電流為3. 3uA,休眠狀態下為0. 15uA,過充電檢測精度為±25mV,能在- 40°C~85°C的溫度下工作，產品性能完全符合要求。
