基于CMOS工藝的鋰聚合物電池保護(hù)電路設(shè)計

1　引言

　　鋰電池產(chǎn)品以高能量密度、長循環(huán)壽命、快速充放電、高電池電壓、工作溫度范圍廣、無記憶等優(yōu)異特性占據(jù)了市場很大份額。然而，鋰電池產(chǎn)品在充放電過程中的過充電、過放電、放電過電流及其它異常狀態(tài)(例如負(fù)載短路)，將會導(dǎo)致內(nèi)部發(fā)熱，可能引起電池或其它器件的損害，嚴(yán)重影響到電池使用的安全性。因此，鋰電池產(chǎn)品保護(hù)電路的設(shè)計應(yīng)用必不可少。

　　本論文基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，設(shè)計了一種全功能電池保護(hù)電路。通過過放電檢測輸出端、過充電檢測輸出端的CMOS輸出電平控制外接的兩個N溝道場效應(yīng)開關(guān)晶體管的關(guān)斷，從而達(dá)到對電池實施保護(hù)的目的。基于全功能電池保護(hù)電路原理，針對過放電、過充電、放電過電流、負(fù)載短路等異常狀態(tài)設(shè)置了相應(yīng)的保護(hù)機(jī)制。

　　2　電池保護(hù)電路原理分析

　　本論文所設(shè)計的電池保護(hù)電路應(yīng)用示意圖如圖1所示。實線框內(nèi)為電池保護(hù)電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，框外為外圍器件連接示意圖。

　　圖1中，DOUT為過放電檢測的CMOS輸出，COUT為過充電檢測的CMOS輸出，VDD為電池電壓輸入，VSS為芯片接地引腳，DS為響應(yīng)延遲時間縮短控制輸入端，V-為放電過流檢測端。

　　在充電時，若電池電壓高于過充電檢測電壓并保持相應(yīng)的延遲時間，COUT端由高電位變?yōu)榈碗娢?，充電控制MOS管MC關(guān)斷，芯片進(jìn)入過充電保護(hù)狀態(tài)，停止充電。

　　在放電時，若電池電壓低于過放電檢測電壓并保持相應(yīng)的延遲時間，DOUT端由高電位變?yōu)榈碗娢?，放電控制MOS管MD關(guān)斷，芯片進(jìn)入過放電保護(hù)模式，停止放電。

　　圖1　鋰離子/鋰聚合物電池保護(hù)電路芯片應(yīng)用電路圖以及內(nèi)部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　在放電時，芯片同時監(jiān)控V-端電壓。當(dāng)因電流過大引起V-端電壓高于放電過電流檢測電壓，而低于短路檢測電壓時，芯片進(jìn)入放電過電流保護(hù)狀態(tài);當(dāng)V-端電壓高于短路檢測電壓時，芯片進(jìn)入短路保護(hù)狀態(tài)。此時，DOUT端輸出由高電位變?yōu)榈碗娢?，關(guān)斷MD防止電路中通過強(qiáng)電流。

　　圖1中，R1和C1起到對外接充電器或與其并聯(lián)的二次電池的電壓波動進(jìn)行平滑濾波抑制的作用。而電阻R1、R2為當(dāng)對電池反向充電或充電器充電電壓超過芯片絕對極限額定充電電壓值時的限流電阻。

　　該系統(tǒng)中主要包括過充電檢測電路(VD1)、過放電檢測電路(VD2)、放電過電流檢測電路(VD3)和短路檢測電路、電平轉(zhuǎn)換電路、基準(zhǔn)電路、振蕩電路以及偏置電路等。

　　3　電路設(shè)計

　　由于保護(hù)電路依靠電池來供應(yīng)其電源電壓，為了不影響電池的待機(jī)時間，應(yīng)盡可能設(shè)計低電源電壓、低功耗的電池保護(hù)電路。

　　3.1　檢測電路設(shè)計

　　由于檢測電路VD1、VD2、VD3原理類似，在此以過放電檢測電路(VD2)設(shè)計為例進(jìn)行分析。為了滿足整個芯片功耗小的要求，可設(shè)計該電路處于亞閾值工作狀態(tài)，有效降低其工作電流及電壓。

　　圖2　過放電檢測電路