基于CMOS工藝的鋰聚合物電池保護電路設計

1　引言

　　鋰電池產(chǎn)品以高能量密度、長(cháng)循環(huán)壽命、快速充放電、高電池電壓、工作溫度范圍廣、無(wú)記憶等優(yōu)異特性占據了市場(chǎng)很大份額。然而，鋰電池產(chǎn)品在充放電過(guò)程中的過(guò)充電、過(guò)放電、放電過(guò)電流及其它異常狀態(tài)(例如負載短路)，將會(huì )導致內部發(fā)熱，可能引起電池或其它器件的損害，嚴重影響到電池使用的安全性。因此，鋰電池產(chǎn)品保護電路的設計應用必不可少。

　　本論文基于標準CMOS工藝，設計了一種全功能電池保護電路。通過(guò)過(guò)放電檢測輸出端、過(guò)充電檢測輸出端的CMOS輸出電平控制外接的兩個(gè)N溝道場(chǎng)效應開(kāi)關(guān)晶體管的關(guān)斷，從而達到對電池實(shí)施保護的目的。基于全功能電池保護電路原理，針對過(guò)放電、過(guò)充電、放電過(guò)電流、負載短路等異常狀態(tài)設置了相應的保護機制。

　　2　電池保護電路原理分析

　　本論文所設計的電池保護電路應用示意圖如圖1所示。實(shí)線(xiàn)框內為電池保護電路的系統結構圖，框外為外圍器件連接示意圖。

　　圖1中，DOUT為過(guò)放電檢測的CMOS輸出，COUT為過(guò)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為響應延遲時(shí)間縮短控制輸入端，V-為放電過(guò)流檢測端。

　　在充電時(shí)，若電池電壓高于過(guò)充電檢測電壓并保持相應的延遲時(shí)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(guò)充電保護狀態(tài)，停止充電。

　　在放電時(shí)，若電池電壓低于過(guò)放電檢測電壓并保持相應的延遲時(shí)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(guò)放電保護模式，停止放電。

　　圖1　鋰離子/鋰聚合物電池保護電路芯片應用電路圖以及內部系統結構框圖

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

　　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(dòng)進(jìn)行平滑濾波抑制的作用。而電阻R1、R2為當對電池反向充電或充電器充電電壓超過(guò)芯片絕對極限額定充電電壓值時(shí)的限流電阻。

　　該系統中主要包括過(guò)充電檢測電路(VD1)、過(guò)放電檢測電路(VD2)、放電過(guò)電流檢測電路(VD3)和短路檢測電路、電平轉換電路、基準電路、振蕩電路以及偏置電路等。

　　3　電路設計

　　由于保護電路依靠電池來(lái)供應其電源電壓，為了不影響電池的待機時(shí)間，應盡可能設計低電源電壓、低功耗的電池保護電路。

　　3.1　檢測電路設計

　　由于檢測電路VD1、VD2、VD3原理類(lèi)似，在此以過(guò)放電檢測電路(VD2)設計為例進(jìn)行分析。為了滿(mǎn)足整個(gè)芯片功耗小的要求，可設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(guò)放電檢測電路