耗盡型工藝實(shí)現鋰電池充電保護芯片的設計

引言

　　便攜式電子產(chǎn)品正向輕量化、超小型化發(fā)展，為此鋰離子電池得到廣泛應用，比較常見(jiàn)的正極材料為鈷酸鋰和錳酸鋰的鋰離子電池，還有磷酸鐵鋰電池和磷酸鐵錳電池等。 鋰離子電池以能量高、壽命長(cháng)、無(wú)記憶性、無(wú)污染等特點(diǎn)排在電池行業(yè)的最前列。但是鋰離子電池和其他很多類(lèi)型的電池一樣極易出現過(guò)充電、過(guò)放電等現象， 這些情況對鋰離子電池更容易造成損害， 從而縮短它的使用壽命。所以要求鋰電池充電應具有一級保護功能。

　　目前國內還沒(méi)有這種電池保護的核心技術(shù)， 本文設計了一種鋰離子電池充電保護電路， 此保護電路的電壓、電流源基于耗盡型工藝設計， 便于實(shí)現低功耗。另外此保護電路的供電電壓來(lái)源于電池電壓， 所以要求此保護芯片在電池電壓變化范圍（ 1~8 V） 內正常工作。本文設計的保護電路以低功耗、高精度、高能量密度、高內阻、高安全性等特性脫穎而出，因此這種鋰離子電池保護電路的應用得到了普及。

　　1 系統結構的設計

　　此芯片是單節電池的保護電路并且過(guò)電壓、過(guò)電流的檢測延遲時(shí)間是可改變的， 其系統設計框圖如圖1 所示， 芯片設計VDD、VSS、DP、CO、DO、VM 6 個(gè)引腳。通常情況下， 即電池沒(méi)發(fā)生過(guò)充電、過(guò)放電事件時(shí)， CO、DO 都為高電平， DP 端子懸空， 圖1 中右半部分的6 個(gè)MOSFET是耐高壓管。

　　工作原理是通過(guò)監視連接在VDD 和VSS 之間的電池電壓及VM 和VSS 之間的電壓差控制充電器的充電和放電。

　　1.1 通常狀態(tài)的設計

　　如圖1 所示， 通常狀態(tài)下， 即電池電壓在過(guò)放電檢測電壓（VDL） 以上且在過(guò)充電檢測電壓（VCU） 以下， VM 端子的電壓在充電器檢測電壓（VCHA） 以上且在過(guò)電流1 檢測電壓以下的情況下，設計振蕩器模塊不工作， 充電控制用MOSFET 和放電控制用MOSFET 的兩方均打開(kāi)。這時(shí)可以進(jìn)行自由的充電和放電。

　　1.2 過(guò)電壓檢測的設計

　　當電池出現過(guò)充電時(shí)， 過(guò)充比較器跳變， 過(guò)充電檢測電壓VCU 從H 變成L, 經(jīng)過(guò)過(guò)充電檢測延遲時(shí)間后， 禁止電池充電。同時(shí)， 電路的輸出TCU 為H, 經(jīng)過(guò)一個(gè)反饋電路使過(guò)充電比較器的輸入電壓升高， 所以電池電壓必須下降更多才能使比較器輸出變?yōu)镠.這就實(shí)現了過(guò)充電滯后電壓的設計過(guò)程。

　　當電池過(guò)放電時(shí)， 過(guò)放電檢測電壓VDL 從H 變?yōu)長(cháng), 經(jīng)過(guò)時(shí)間TDL 后， 禁止電池放電。此時(shí)， 通過(guò)0 V 充電禁止模塊使VM 升高， 從而五個(gè)比較器的使能端SD 跳變?yōu)闊o(wú)效狀態(tài)， 此時(shí)電路中的五個(gè)比較器都不工作， 而且振蕩器也不工作， 電路進(jìn)入休眠狀態(tài)。當VM 降低使SD 再次發(fā)生改變時(shí)， 電路解除休眠狀態(tài)。休眠狀態(tài)的電流不能超過(guò)100 nA.

　　1.3 過(guò)電流檢測的設計

　　當VM 端子電壓大于過(guò)電流1 檢測電壓， 并且這個(gè)狀態(tài)在過(guò)電流1 檢測延遲時(shí)間以上時(shí)， 關(guān)閉放電用的FET 從而停止放電。

　　當VM 端子電壓大于過(guò)電流2 檢測電壓， 并且這個(gè)狀態(tài)在過(guò)電流2 檢測延遲時(shí)間以上時(shí)， 關(guān)閉放電用的FET 從而停止放電。

　　通過(guò)不同環(huán)形振蕩器的振蕩頻率， 調整過(guò)電流的檢測延遲時(shí)間的長(cháng)短， 可及時(shí)停止放電。