淺談如何實現(xiàn)鋰離子電池保護電路的低功耗設(shè)計

　　90 年代出現(xiàn)的鋰電池是能源技術(shù)領(lǐng)域的一個重要的里程碑。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，因此在移動電話、個人數(shù)字助理（Personal Digital Assistan t， PDA ）、計算機等手提式電子設(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)計中，要求將越來越復(fù)雜的混合信號系統(tǒng)集成到一個小面積芯片上， 這必然給數(shù)字、模擬電路提出了低壓、低功耗問題。在功耗和功能的制約中， 如何取得最佳的設(shè)計方案也是當前功耗管理技術(shù)（ PowerManagement， PM ） 的一個研究熱點。

　　目前研究得較多的是系統(tǒng)級的動態(tài)功耗管理技術(shù)（Dynam ic PowerM anagemen 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)計也有許多文獻報道， 但基本只限于某類專用電路， 而對數(shù)?；旌想娐返墓墓芾韯t少有文獻涉及。

　　另一方面，鋰電池的應(yīng)用也極大地推動了相應(yīng)電池管理、電池保護電路的設(shè)計開發(fā)。鋰電池應(yīng)用時必須要有復(fù)雜的控制電路， 來有效防止電池的過充電、過放電和過電流狀態(tài)。

　　本文針對鋰電池保護電路， 在考慮功能實現(xiàn)的同時， 重點從功耗的角度出發(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)計思路， 并利用內(nèi)部數(shù)字信號反饋控制模擬電路進入Standby 狀態(tài)， 從而滿足較低電壓下的功耗管理。

　　系統(tǒng)功能實現(xiàn)

　　圖1 給出了鋰電池保護電路的系統(tǒng)框圖。圖中VDD 和VSS 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 是放電過流、充電過流檢測端。電路實現(xiàn)的功能如下：

　　（1） 過充電、過放電檢測： 圖中的取樣電路（SAM PLE） 將實時監(jiān)測電池電壓信號，并將之送入過充電比較（OVERCHARGE）、過放電比較器（OV ERD ISCHARGE） 和基準電壓比較，判斷電池電壓是否高于過充電檢測電壓或是否低于過放電檢測電壓，再由數(shù)字邏輯控制電路（CON TROLLOG IC） 輸出相應(yīng)信號到CO 端及DO 端，即完成過充電、過放電檢測功能。

　?。?） 放電過流檢測： 由VM 端來監(jiān)測電池接負載放電時的電流大小，和不同的基準電壓比較后，由三個比較器： 過流1 （OVERCU RRENT1）、過流2（OV ERCU RREN T2）、負載短路（LOAD SHORTDETECTION ） 輸出相應(yīng)信號，并根據(jù)過流程度經(jīng)過相應(yīng)延時后， 由邏輯控制電路輸出信號控制DO 端。

　?。?） 充電過流檢測： VM 端信號還可以反映電池接充電器時，充電電流的大小，再經(jīng)充電檢測比較器（CHARGEDETECTION ） 比較后，由邏輯控制電路決定是否應(yīng)停止充電。

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

　　可以看出，此電路是一個連續(xù)工作的數(shù)?；旌舷到y(tǒng)，同時又以被監(jiān)測的鋰電池為供電電源，在實現(xiàn)電路功能并滿足檢測精度的前提下， 電路的功耗成了另外一個重要的性能指標。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)計重點。

　　系統(tǒng)低功耗設(shè)計

　　Standby狀態(tài)實現(xiàn)

　　設(shè)計中，為了使電路在電池過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)進入Standby 狀態(tài)的控制部分，原理圖由圖2 給出。

　　圖中信號OD 由數(shù)字電路產(chǎn)生，當比較器檢測到電池電壓低于過放電檢測電壓，并經(jīng)過延時后，OD 將從高電平變?yōu)榈碗娖?，此時通過P2 管將VM拉到高電平， 再經(jīng)反相后從負載短路輸出OUT_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)可以進入Standby狀態(tài)；一旦電池充電開始時，VM 端迅速被置為低電平，此時不管OD 如何，都通過OUT _LS 將STAND恢復(fù)為高電平，系統(tǒng)進入正常的檢測狀態(tài)。

　　通過內(nèi)部數(shù)字電路產(chǎn)生的Standby 信號，可以有效打開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候保持Standby 狀態(tài)，以降低電源消耗。因為只需要單個MOS 便可充當電路的控制開關(guān)，所以這種方法簡單可靠，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)計相結(jié)合，實現(xiàn)低電壓下電路的功耗管理。

　　亞閾值電壓基準電路

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

　　電路利用一個自偏置電路產(chǎn)生具有正溫度系數(shù)的電流，該電流流過電阻R0 所產(chǎn)生的壓降和具有負溫度系數(shù)的PN結(jié)壓降相加， 可以輸出一個零溫度系數(shù)的基準電壓VBD；為滿足電路中輸出不同的基準電壓源，利用電阻分壓將VBD分成了VBI1及V BI2輸出。同時，為保證電路在加上電源電壓后能進入正確的工作狀態(tài)， 電路中還加入了RC啟動電路。

　　由圖3 可見， P0 和P1 組成電流鏡，取相同的寬長比，則在P1、P0、N0、N1 和R5 構(gòu)成的自偏置電路中，選擇合適的R5 值，可以使N0 和N1工作在亞閾值區(qū)。并且，在時亞閾值MOS 管的漏電流Id 可表示為：

　　　式中，