鋰離子電池管理芯片的研究及其低功耗設計 — 鋰離子電池管理芯片的功能設計及功耗優(yōu)化

3.1 VLSI功耗優(yōu)化設計流程

VLSI的Top-Down低功耗設計流程如圖3.1.1所示。圖中，虛框所示的是傳統的VLSI設計流程。由圖可見(jiàn)，和傳統設計方法相比，低功耗優(yōu)化設計在每個(gè)關(guān)鍵層次上都增加了功耗的約束條件：一是在關(guān)鍵層次上運用低功耗設計技術(shù)進(jìn)行功耗優(yōu)化，二是對功耗優(yōu)化的結果進(jìn)行分析或者評估。

正如第二章所提出，在設計的各個(gè)層次，功耗優(yōu)化的效果都不一樣。在系統/結構級，系統框架已經(jīng)確定，在這個(gè)層次介入低功耗設計，還需要不涉及電路結構本身，所以功耗優(yōu)化的空間很大，本章所提出的動(dòng)態(tài)功耗管理技術(shù)便是在此時(shí)實(shí)施的。在這個(gè)階段，低功耗設計的難點(diǎn)在于，建立一個(gè)較為準確的系統功耗模型，采用有效的功耗管理策略進(jìn)行功耗優(yōu)化。

3.2鋰離子電池管理芯片的保護功能設計

3.2.1應用特點(diǎn)及要求

正如緒言中所提到的，隨著(zhù)便攜式電子產(chǎn)品不斷小型化、性能以及普及率的日益提高，作為其電源的二次電池市場(chǎng)正迅速拓寬。其中，鋰離子電池以其能量密度高、重量輕、循環(huán)次數長(cháng)、自放電率低而在筆記本電腦與移動(dòng)電話(huà)領(lǐng)域中應用廣泛，市場(chǎng)占有率已分別在80%與90%以上。

鋰離子電池是以鋰離子的儲存與釋放為電能轉換介質(zhì)。由于金屬鋰的化學(xué)活性極強，加上電池內部使用了可燃性的有機溶劑，鋰離子可充電電池如果發(fā)生過(guò)充電、過(guò)放電、外部電路短路或放電電流過(guò)大時(shí)，電池很容易出現膨脹、漏液甚至爆裂等異?，F象，從而導致電池性能惡化甚至失效。因此，每個(gè)電池（組）都必須安裝具有保護功能的電池管理芯片，也可稱(chēng)電池保護芯片，并由其監視電池的工作狀態(tài)。一旦電池達到過(guò)充電、過(guò)放電及過(guò)流狀態(tài)，啟動(dòng)保護功能，斷開(kāi)系統，而在正常使用條件下，保護芯片不工作，電池仍可繼續使用。

通?；芈分谐潆婋娏鞯耐〝嚅_(kāi)關(guān)，由兩個(gè)外加的背靠背的功率MOS管實(shí)現，它既可以是與電池（組）負端相接的N型功率MOS管，也可以是與電池正端相接的P型MOS管，如圖3.2.1所示.

在這樣的應用場(chǎng)合下，鋰離子電池保護系統設計將遇到以下幾個(gè)挑戰：

①面積小、成本低。這樣才能夠內置在電池（組）中使用。

②功能強，精度高。一方面要求有內置高精度的電壓保護電路，還要求包括過(guò)流1、過(guò)流2和短路保護在內的三級過(guò)流保護機制；此外，由內部實(shí)現延時(shí)，精度高達30%；最好還應該具有充電功能和非正常充電電流保護功能及零伏電池充電抑制功能。

③低電流消耗：為了盡量減小對電池壽命的影響，系統的電流消耗必須明顯低于電池的自放電率，這意味著(zhù)整個(gè)電路僅消耗幾十微安電流。典型地，系統電流應不高于3.0μA.

④電壓工作范圍寬：對于單節電池保護系統設計而言，更大的挑戰在于低電壓工作能力，這樣才能保證過(guò)放電的電池（低于2V）能正常充電；另外，直接和充電器相接的管腳需要能夠承受高壓。就整個(gè)系統而言，要求能在1.5V～8V的電壓范圍內正常工作。

⑤可靠性高。明顯地，該系統要能夠在較寬的溫度范圍（-40℃～85℃）內有較高的可靠性。

3.2.2保護功能設計

結合單節鋰離子電池保護芯片的應用電路圖，來(lái)討論外圍電路中器件的選擇原則方法以及芯片保護功能設計，并在此基礎上介紹不涉及功耗管理模塊的系統框圖。

1外圍電路及功能設計

圖3.2.2給出了單節鋰離子電池保護芯片的應用圖。

圖3.2.2所示的保護芯片中，VDD和VSS分別是電池電源和地輸入端；CO和DO分別控制芯片外接的兩個(gè)N型功率MOS管FET1和FET2，來(lái)控制電池的充電及放電回路，工作原理如下：正常工作時(shí)，CO和DO均為與V DD相等的高電平，此時(shí)FET1和FET2導通，電池既可以向負載放電，又可以由充電器進(jìn)行充電；當CO降為低電平時(shí)，FET1截止，充電回路被切斷，但電池仍然可以通過(guò)FET1的寄生二極管向負載放電；當DO為低電平時(shí)，FET2截止，放電回路被切斷，但FET2的寄生二極管仍保證了電池可以進(jìn)行充電。此外，圖中3.2.2中還提供了VM端，來(lái)檢測充、放電過(guò)程中的過(guò)流情況。

圖3.2.2中，保護芯片外接的元件十分重要。其中，FET1和FET2是放電和充電控制功率NMOS管，設計時(shí)應該重視以下參數：一是導通電阻R on，這兩個(gè)NMOS必須具有盡可能低的導通電阻，以盡量降低壓降和功耗損失；另一方面，從過(guò)流檢測角度，如接負載放電時(shí)，過(guò)流檢測電壓為

式中，I為放電電流。應用中為了降低VM值，有效利用放電或充電電流，功率管的導通電阻也應盡可能地小，一般地，取20mΩ~30mΩ。二是能承受的電流峰值，由于在短路過(guò)程中，功率MOS管要能夠承受瞬間的大電流，比如單節鋰離子電池的內阻典型值為150m左右，當充電到4.1V時(shí)，電池產(chǎn)生的短路電流短時(shí)間內將超過(guò)20A；三是尺寸，為了便于封裝，兩個(gè)NMOS的尺寸應盡可能地小。另外，圖3.2.2中的R1和C1用于電源波動(dòng)保護，典型值分別為470和0.1μf；R2用于充電器反接保護，典型值為1kΩ.

如圖3.2.2所示，在電池接上負載放電和充電器充電的過(guò)程中，為了能有效地保護電池，保護IC將具有以下五種工作狀態(tài)：正常、過(guò)壓保護（充電過(guò)壓和放電過(guò)壓）、過(guò)流保護（過(guò)流1、過(guò)流2及負載短路三種放電過(guò)流及非正常充電電流）、充電檢測和零伏電池充電抑制狀態(tài).下面分別加以說(shuō)明：

①正常狀態(tài)

IC監視VDD端和VSS之間的電池電壓以及VM和VSS端之間的電壓，假如V DD在放電檢測電壓V_DL和充電檢測電壓V_CU之間，VM電壓在充電檢測電壓V_CHA和過(guò)流1檢測電壓V _IOV1之間，電路就正常工作。此時(shí)CO和DO均處于高電位，用于控制的兩只FET都處于導通狀態(tài)，電路可以向負載放電，也可以由充電器進(jìn)行充電。為了有效利用放電電流或充電電流，FET采用導通電阻很小的功率MOSFET.

②過(guò)充電保護狀態(tài)所謂過(guò)充電保護工作，是在電池電壓升高到大于過(guò)充電檢測電壓V_CU并且這種狀態(tài)持續到過(guò)充電保護延遲時(shí)間t_CU結束時(shí)，禁止充電器充電，CO從高電位變?yōu)榈碗娢?，充電控制管FET2截止，停止充電。但在檢測出過(guò)充電以后，電路仍然可以通過(guò)FET2的寄生二極管向負載放電。V_CU大于過(guò)充電釋放電壓V_CL，即具有過(guò)充電滯后釋放功能，可以在以下兩種情況釋放過(guò)充電保護：

一種是當電池電壓降到低于V_CL，IC將FET2打開(kāi)，使電路正常工作；另一種情況是，當連接電池負載開(kāi)始放電時(shí)，IC打開(kāi)FET2并使電路回到正常工作狀態(tài)。具體釋放機制如下：當連接負載并開(kāi)始放電后，放電電流立即流過(guò)FET2內部寄生二極管，VM端電壓同時(shí)增至0.7V.IC檢測到這一高于過(guò)流保護1電壓V IOV1的電壓后，就使CO電位升高，釋放過(guò)充電狀態(tài)。此時(shí)如果電池電壓等于或低于V CU，電路就立即回到正常工作狀態(tài)，但如果電池電壓高于V CU，即使接上負載，IC也要電池電壓降到低于V CU才回到正常狀態(tài)。而且當接上負載并且開(kāi)始放電時(shí)，假如VM電壓等于或低于V IOV1，IC則不會(huì )回到正常狀態(tài)。

③過(guò)放電狀態(tài)（具有Power Down狀態(tài)功能）

在正常放電過(guò)程中，當電池電壓下降到低于過(guò)放電檢測電壓V DL并且持續到過(guò)放電保護延時(shí)時(shí)間t_DL結束時(shí)，IC中DO降為低電位，放電控制管FET1截止，停止放電。FET1關(guān)閉后，VM電壓被芯片中VM和VDD端之間電阻R_VMD抬高，同時(shí)VM和VDD端電位差下降，當達到1.3V的負載短路檢測電壓V_SHORT時(shí)，電流下降到低電流I_PDN，這種狀態(tài)稱(chēng)為Power Down狀態(tài)。

當接上充電器，VM和VDD端電位差變?yōu)?.3V或更高時(shí)，Power Down狀態(tài)釋放，此時(shí)FET1仍關(guān)閉。當電池電壓等于過(guò)放檢測電壓V_DL或更高時(shí)，IC打開(kāi)FET1將過(guò)放電狀態(tài)轉換為正常狀態(tài)。

④放電過(guò)流狀態(tài)

在正常狀態(tài)下放電時(shí)，當放電電流等于或高于特定值，對應于VM電壓等于或高于過(guò)流檢測電壓，并且持續到過(guò)流檢測延遲時(shí)間結束時(shí)，IC中DO為低電位，放電控制管FET1截止，停止放電，這種狀態(tài)稱(chēng)為過(guò)流狀態(tài)，并按過(guò)流程度可以分為：過(guò)流1、過(guò)流2或負載短路狀態(tài)。

在過(guò)流狀態(tài)下，VM和VSS端被電阻RVMS內部短路。當連接上負載時(shí)，VM電壓等于V_DD；當去掉負載時(shí)，由于RVMS的短路作用，VM電壓恢復到V_SS.以過(guò)流1狀態(tài)為例，如果檢測到VM電壓低于V_IOV1，電路就回到正常狀態(tài)。

但在過(guò)充電狀態(tài)下，IC禁止過(guò)流保護起作用。這是因為電池在過(guò)充電后接上負載的情況下，在剛放電的時(shí)候，放電電流必然很大，引起過(guò)流的可能性很大；而過(guò)流保護如果起作用，就會(huì )關(guān)斷放電回路。這樣，一旦電池過(guò)充電，就可能永遠不能放電。但過(guò)充電狀態(tài)結束后，IC又使這種禁止取消，過(guò)流保護重新起作用，又使系統能得到及時(shí)、有效的過(guò)流保護。

⑤非正常充電電流檢測

如果在正常充電條件下，VM電壓下降到低于充電器檢測電壓V CHA，并且持續了過(guò)充電檢測延遲時(shí)間t_CU甚至更長(cháng)，IC將關(guān)閉充電控制管FET2，停止充電，這被稱(chēng)為非正常充電電流保護。

但在過(guò)放電保護起作用時(shí)，IC禁止非正常充電電流保護起作用。因為當電池過(guò)放電后，剛接上充電器充電時(shí)，充電電流會(huì )很大。此時(shí)禁止非正常充電電流保護起作用，可有效防止充電回路被切斷，從而保證電池在過(guò)放電后可以再充電。

當FET1打開(kāi)，VM電壓下降到低于V_CHA，非正常充電電流檢測開(kāi)始工作。

因此，如果在過(guò)放電條件下，有非正常充電電流流過(guò)電池，電池電壓變到等于過(guò)放電檢測電壓V_DL甚至更高，并且過(guò)充電延遲時(shí)間消去后，IC將關(guān)閉FET2，停止充電。當去掉充電器，VM和VSS間電壓低于V_CHA時(shí)，非正常充電電流檢測被釋放。

⑥充電檢測

電池在過(guò)放條件下接上充電器，如果VM的電壓低于充電檢測電壓V_CHA，當電池電壓高于過(guò)放檢測電壓V_DL且過(guò)放檢測延時(shí)滯后釋放，此時(shí)過(guò)放狀態(tài)被解除，FET1打開(kāi)，這被稱(chēng)為充電檢測。如果過(guò)放保護MOS管關(guān)閉，充電電流只能通過(guò)過(guò)放保護MOS管的內部寄生二極管進(jìn)行充電，因此，充電檢測狀態(tài)減少了充電的時(shí)間。電池在過(guò)放條件下接上充電器，如果VM引腳的電壓高于充電檢測電壓V_CHA，當電池電壓高于過(guò)放釋放電壓V_DU，過(guò)放狀態(tài)釋放。

⑦零伏電池充電抑制功能

這一功能禁止對連接其上的內部短路的電池（即零伏電池）進(jìn)行充電。當電池電壓為0.9V或更低時(shí)，充電控制管FET2的柵極電位被固定為EB-的電位，從而禁止充電。當電池電壓等于或高于零伏電池充電抑制電壓V_OINH時(shí)，可以進(jìn)行充電。

2系統框圖

要實(shí)現上面所述的電池管理芯片的保護功能，芯片的系統框圖如圖3.2.3所示。



圖3.2.3給出了不包含功耗管理模塊的鋰離子電池保護IC的系統框圖。圖中，取樣電路（Sample）將實(shí)時(shí)監測電池電壓信號，并將之送入過(guò)充電比較器（Overcharge Comparator）、過(guò)放電比較器（Over-discharge Comparator）和基準電壓（Reference Voltage）比較，判斷電池電壓是否高于過(guò)充電檢測電壓或是否低于過(guò)放電檢測電壓，再由數字邏輯控制電路（Control Logic）輸出相應信號到CO端和DO端，即完成過(guò)充電、過(guò)放電檢測功能。

圖3.2.3中的VM端可以監測電池接負載放電時(shí)的電流大小，和不同的基準電壓比較后，由三個(gè)比較器：過(guò)流1（Overcurrent1）、過(guò)流2（Overcurrent2）、負載短路（Load Short Detection）輸出相應信號，并根據過(guò)流的程度，經(jīng)過(guò)相應延時(shí)后，由邏輯控制電路輸出信號控制DO端。VM端的另一個(gè)作用是可以監測電池接充電器時(shí)的充電電流大小，并通過(guò)邏輯控制電路輸出信號控制CO或者DO端。