基于單片機(jī)的鋰電池保護(hù)電路低功耗設(shè)計(jì)

90 年代出現(xiàn)的鋰電池是能源技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要的里程碑。和其它二次電池相比, 鋰電池具有更高的體積密度和能量密度, 因此在移動(dòng)電話、個(gè)人數(shù)字助理(Personal D igital A ssistan t, PDA )、計(jì)算機(jī)等手提式電子設(shè)備中獲得了極為廣泛的應(yīng)用。

　　一方面, 以鋰電池為供電電源的電路設(shè)計(jì)中, 要求將越來(lái)越復(fù)雜的混合信號(hào)系統(tǒng)集成到一個(gè)小面積芯片上, 這必然給數(shù)字、模擬電路提出了低壓、低功耗問(wèn)題。在功耗和功能的制約中, 如何取得最佳的設(shè)計(jì)方案也是當(dāng)前功耗管理技術(shù)( Pow erM anagem en t, PM ) 的一個(gè)研究熱點(diǎn)。目前研究得較多的是系統(tǒng)級(jí)的動(dòng)態(tài)功耗管理技術(shù)(Dynam icPow erM anagem en t, DPM ) , 它的基本思想是關(guān)掉不工作的部分以節(jié)省系統(tǒng)功耗, 但是在大多數(shù)情況下, 這種方法僅用于數(shù)字系統(tǒng)的低功耗優(yōu)化。和模擬電路相關(guān)的低功耗設(shè)計(jì)也有許多文獻(xiàn)報(bào)道, 但基本只限于某類專用電路, 而對(duì)數(shù)?；旌想娐返墓墓芾韯t少有文獻(xiàn)涉及。

　　另一方面, 鋰電池的應(yīng)用也極大地推動(dòng)了相應(yīng)電池管理、電池保護(hù)電路的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。鋰電池應(yīng)用時(shí)必須要有復(fù)雜的控制電路, 來(lái)有效防止電池的過(guò)充電、過(guò)放電和過(guò)電流狀態(tài)。

　　本文針對(duì)鋰電池保護(hù)電路, 在考慮功能實(shí)現(xiàn)的同時(shí), 重點(diǎn)從功耗的角度出發(fā), 采用了模擬電路中關(guān)鍵電路工作在亞閾值區(qū)的設(shè)計(jì)思路, 并利用內(nèi)部數(shù)字信號(hào)反饋控制模擬電路進(jìn)入Standby 狀態(tài), 從而滿足較低電壓下的功耗管理。

　系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

　　圖1 給出了鋰電池保護(hù)電路的系統(tǒng)框圖。圖中,VDD 和V SS 分別是電池電源和地輸入端; CO 和DO 分別是充電及放電控制端, 在正常工作模式下均為高電平, 電池既可以充電又可以放電, 反之, 充電和放電回路被切斷;VM 是放電過(guò)流、充電過(guò)流檢測(cè)端。電路實(shí)現(xiàn)的功能如下:

　　(1) 過(guò)充電、過(guò)放電檢測(cè): 圖中的取樣電路(SAM PL E) 將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池電壓信號(hào), 并將之送入過(guò)充電比較器(OV ERCHARGE)、過(guò)放電比較器(OV ERD ISCHARGE) 和基準(zhǔn)電壓比較, 判斷電池電壓是否高于過(guò)充電檢測(cè)電壓或是否低于過(guò)放電檢測(cè)電壓, 再由數(shù)字邏輯控制電路(CON TROLLO G IC) 輸出相應(yīng)信號(hào)到CO 端及DO 端, 即完成過(guò)充電、過(guò)放電檢測(cè)功能。

　　(2) 放電過(guò)流檢測(cè): 由VM 端來(lái)監(jiān)測(cè)電池接負(fù)載放電時(shí)的電流大小, 和不同的基準(zhǔn)電壓比較后, 由三個(gè)比較器: 過(guò)流1 (OV ERCU RREN T1)、過(guò)流2(OV ERCU RREN T2)、負(fù)載短路(LOAD SHORTDETECT ION ) 輸出相應(yīng)信號(hào), 并根據(jù)過(guò)流程度經(jīng)過(guò)相應(yīng)延時(shí)后, 由邏輯控制電路輸出信號(hào)控制DO 端。

　　(3) 充電過(guò)流檢測(cè): VM 端信號(hào)還可以反映電池接充電器時(shí), 充電電流的大小, 再經(jīng)充電檢測(cè)比較器(CHARGE DETECT ION ) 比較后, 由邏輯控制電路決定是否應(yīng)停止充電。

　　(4) 零伏電池充電功能: 由電平轉(zhuǎn)換電路(CONV ERTOR) 實(shí)現(xiàn), 能夠?qū)Υ潆姷碾姵剡M(jìn)行檢測(cè), 若電池電壓低于零伏電池充電電壓, 便輸出信號(hào)將CO 端置為低電平, 從而切斷充電回路。

　　可以看出, 此電路是一個(gè)連續(xù)工作的數(shù)?；旌舷到y(tǒng), 同時(shí)又以被監(jiān)測(cè)的鋰電池為供電電源, 在實(shí)現(xiàn)電路功能并滿足檢測(cè)精度的前提下, 電路的功耗成了另外一個(gè)重要的性能指標(biāo)。由于控制邏輯部分屬于數(shù)字電路, 靜態(tài)功耗幾乎可以忽略, 所以如何降低模擬電路的靜態(tài)功耗并且限制低電壓下的電路功耗成了設(shè)計(jì)重點(diǎn)。

　系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)

　Standby 狀態(tài)實(shí)現(xiàn)

　　設(shè)計(jì)中, 為了使電路在電池過(guò)放電情況下盡可能地降低電流消耗, 數(shù)字電路中加入了使系統(tǒng)進(jìn)入Standby 狀態(tài)的控制部分, 原理圖由圖2 給出。

　　圖中信號(hào)OD 由數(shù)字電路產(chǎn)生, 當(dāng)比較器檢測(cè)到電池電壓低于過(guò)放電檢測(cè)電壓, 并經(jīng)過(guò)延時(shí)后,OD 將從高電平變?yōu)榈碗娖? 此時(shí)通過(guò)P2 管將VM拉到高電平, 再經(jīng)反相后從負(fù)載短路輸出OU T＿ L S端輸出低電平, 使輸出端STAND 變?yōu)榈碗娖?STANDB 為高電平, 意味著系統(tǒng)可以進(jìn)入Standby狀態(tài); 一旦電池充電開(kāi)始時(shí),VM 端迅速被置為低電平, 此時(shí)不管OD 如何, 都通過(guò)OU T ＿L S 將STAND恢復(fù)為高電平, 系統(tǒng)進(jìn)入正常的檢測(cè)狀態(tài)。

　　通過(guò)內(nèi)部數(shù)字電路產(chǎn)生的Standby 信號(hào), 可以有效打開(kāi)或者切斷模擬電路從電源到地的直流通路, 使電路在不需要的時(shí)候保持Standby 狀態(tài), 以降低電源消耗。因?yàn)橹恍枰獑蝹€(gè)MO S 便可充當(dāng)電路的控制開(kāi)關(guān), 所以這種方法簡(jiǎn)單可靠, 不影響原有的模擬電路功能, 并且能和模擬電路低功耗設(shè)計(jì)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)低電壓下電路的功耗管理。

亞閾值電壓基準(zhǔn)電路

　　由于電壓基準(zhǔn)源同時(shí)要給過(guò)充比較器、過(guò)放比較器、過(guò)流1 比較器及過(guò)流2 比較器提供不隨溫度、電源電壓變化而變化的基準(zhǔn)電壓, 所以在模擬電路中起著非常重要的作用, 同時(shí)也是影響電路功耗的一大因素。本文利用MO S 管的亞閾值特性, 設(shè)計(jì)了工作在亞閾值區(qū)的電壓基準(zhǔn)電路, 能夠滿足上述功耗要求, 電路結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

　　電路利用一個(gè)自偏置電路產(chǎn)生具有正溫度系數(shù)的電流, 該電流流過(guò)電阻R 0 所產(chǎn)生的壓降和具有負(fù)溫度系數(shù)的PN 結(jié)壓降相加, 可以輸出一個(gè)零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓V BD; 為滿足同一電路中輸出不同的基準(zhǔn)電壓源, 利用電阻分壓將V BD 分成了V B I1 及V B I2輸出。同時(shí), 為保證電路在加上電源電壓后能進(jìn)入正確的工作狀態(tài), 電路中還加入了R C 啟動(dòng)電路。

　　由圖3 可見(jiàn), P0 和P1 組成電流鏡, 取相同的寬長(zhǎng)比, 則。在P1、P0、N 0、N 1 和R 5 構(gòu)成的自偏置電路中, 選擇合適的R 5 值, 可以使N 0 和N 1 工作在亞閾值區(qū)。并且, 在時(shí), 亞閾值MO S 管的漏電流I d 可表示為:

　　式中,

與工藝參數(shù)有關(guān), 其中n 為亞閾值因子,

k 　為波爾茲曼常數(shù), q 為電子電荷。因?yàn)?V GSN 0- V GSN 1= IN 0?R 5,將式(1) 代入, 則有:

　　式(2) 中可以看出, 不考慮電阻R 1 的溫度系數(shù),電流IN 1與熱電壓U T 成線性關(guān)系, 具有正溫度系數(shù)。P2 和P1 組成電流鏡, 假定流過(guò)P2 的電流為I P2, 則有:

　　設(shè)二極管正向壓降為V D , 分壓電阻R 1、R 2、R 3、R 4 對(duì)R 0 的影響可以用等效電阻R = (R 1 + R 2 ) ∥ (R 3 +R 4) 來(lái)表示, 則在正常工作時(shí), 滿足

　　該電流產(chǎn)生電路有兩個(gè)平衡工作點(diǎn), 即零點(diǎn)和正常工作點(diǎn), 所以需要一個(gè)啟動(dòng)電路, 使電路能在上電過(guò)程中脫離零點(diǎn)而穩(wěn)定工作。另外, 從電路功耗考慮, 啟動(dòng)電路在電路進(jìn)入正常工作后應(yīng)斷開(kāi), 沒(méi)有電流消耗。設(shè)計(jì)時(shí)從P 1 的漏端加入了R 6、C0, 構(gòu)成自偏置電路的啟動(dòng)電路。

　　與傳統(tǒng)的Bandgap 基準(zhǔn)源電路相比, 該電路有以下特點(diǎn): 電路工作在亞閾值區(qū), 功耗極低, 電路中電阻值和器件參數(shù)均取比值, 最大程度地避免了工藝漂移引起的輸出變化; 電路設(shè)計(jì)中還加入了R C啟動(dòng)電路, 保證電路在上電后能及時(shí)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。另外, 由內(nèi)部數(shù)字信號(hào)STANDB 的控制, 此電路能夠在低電壓下進(jìn)入Standby 狀態(tài), 此時(shí)消耗電流僅由控制管的漏電流決定, 小到幾乎可以忽略。

模擬結(jié)果

　　電路采用UMC 0. 6 μm 數(shù)字電路SP ICE 模型進(jìn)行HSP ICE 模擬驗(yàn)證。圖4 給出了電路對(duì)電池電壓VDD 進(jìn)入和退出過(guò)充電狀態(tài)時(shí)的模擬結(jié)果, 從圖中可看出, 過(guò)充電出現(xiàn)后, CO 端被置為低電平, 反之則是與電源電壓相等的高電平。