淺談如何實(shí)現鋰離子電池保護電路的低功耗設計

　　90 年代出現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(huà)、個(gè)人數字助理（Personal Digital Assistan t， PDA ）、計算機等手提式電子設備中獲得了極為廣泛的應用。

　　一方面，以鋰電池為供電電源的電路設計中，要求將越來(lái)越復雜的混合信號系統集成到一個(gè)小面積芯片上， 這必然給數字、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， 如何取得最佳的設計方案也是當前功耗管理技術(shù)（ PowerManagement， PM ） 的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

　　目前研究得較多的是系統級的動(dòng)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省系統功耗，但是在大多數情況下，這種方法僅用于數字系統的低功耗優(yōu)化。和模擬電路相關(guān)的低功耗設計也有許多文獻報道， 但基本只限于某類(lèi)專(zhuān)用電路， 而對數?；旌想娐返墓墓芾韯t少有文獻涉及。

　　另一方面，鋰電池的應用也極大地推動(dòng)了相應電池管理、電池保護電路的設計開(kāi)發(fā)。鋰電池應用時(shí)必須要有復雜的控制電路， 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)。

　　本文針對鋰電池保護電路， 在考慮功能實(shí)現的同時(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的設計思路， 并利用內部數字信號反饋控制模擬電路進(jìn)入Standby 狀態(tài)， 從而滿(mǎn)足較低電壓下的功耗管理。

　　系統功能實(shí)現

　　圖1 給出了鋰電池保護電路的系統框圖。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(guò)流、充電過(guò)流檢測端。電路實(shí)現的功能如下：

　?。?） 過(guò)充電、過(guò)放電檢測： 圖中的取樣電路（SAM PLE） 將實(shí)時(shí)監測電池電壓信號，并將之送入過(guò)充電比較（OVERCHARGE）、過(guò)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(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（CON TROLLOG IC） 輸出相應信號到CO 端及DO 端，即完成過(guò)充電、過(guò)放電檢測功能。

　?。?） 放電過(guò)流檢測： 由VM 端來(lái)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 （OVERCU RRENT1）、過(guò)流2（OV ERCU RREN T2）、負載短路（LOAD SHORTDETECTION ） 輸出相應信號，并根據過(guò)流程度經(jīng)過(guò)相應延時(shí)后， 由邏輯控制電路輸出信號控制DO 端。

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

　?。?） 零伏電池充電功能： 由電平轉換電路（CONVERTOR） 實(shí)現，能夠對待充電的電池進(jìn)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(gè)連續工作的數?；旌舷到y，同時(shí)又以被監測的鋰電池為供電電源，在實(shí)現電路功能并滿(mǎn)足檢測精度的前提下， 電路的功耗成了另外一個(gè)重要的性能指標。由于控制邏輯部分屬于數字電路，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計重點(diǎn)。

　　系統低功耗設計

　　Standby狀態(tài)實(shí)現

　　設計中，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，數字電路中加入了使系統進(jìn)入Standby 狀態(tài)的控制部分，原理圖由圖2 給出。

　　圖中信號OD 由數字電路產(chǎn)生，當比較器檢測到電池電壓低于過(guò)放電檢測電壓，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(zhù)系統可以進(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)OUT _LS 將STAND恢復為高電平，系統進(jìn)入正常的檢測狀態(tài)。

　　通過(guò)內部數字電路產(chǎn)生的Standby 信號，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。因為只需要單個(gè)MOS 便可充當電路的控制開(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計相結合，實(shí)現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(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電壓， 所以在模擬電路中起著(zhù)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MOS 管的亞閾值特性，設計了工作在亞閾值區的電壓基準電路， 能夠滿(mǎn)足上述功耗要求，電路結構如圖3 所示。

　　電路利用一個(gè)自偏置電路產(chǎn)生具有正溫度系數的電流，該電流流過(guò)電阻R0 所產(chǎn)生的壓降和具有負溫度系數的PN結壓降相加， 可以輸出一個(gè)零溫度系數的基準電壓VBD；為滿(mǎn)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(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RC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(cháng)比，則在P1、P0、N0、N1 和R5 構成的自偏置電路中，選擇合適的R5 值，可以使N0 和N1工作在亞閾值區。并且，在時(shí)亞閾值MOS 管的漏電流Id 可表示為：

　　　式中，