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一种低功耗的锂离子电池保护电路的设计.pdf

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一种 功耗 锂离子电池 保护 电路 设计
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ADesignofaLi-Ion Battery Protection Circuit withLow Power ConsumptionZHU Jun ,LIU Hao(ASIC Engineering Center ,Department of Electronic Engineering ,Southeast University ,Nanjing 210096 ,China)Abstract: This paper describes a Li-ion battery protection ICs suited for digital CMOS process .By using MOS cir-cuitsworkinginsubthresholdregion,theprotectorhas lowsupplycurrent and high accuracydetector threshold .By thedesign improvingof samplingcircuit ,benchmark circuit and bias circuit ,the protector has a propertyoflowpower con-sumption and works normally under lower voltage .The results manifest that the circuit implements basic protectionfunctions and achieves designgoals on power consumption .Key words: subthreshold ;low-power ;li-ion ;charge/discharge protectEEACC: 1210一种低功耗的锂离子电池保护电路的设计①朱 军,刘 昊(东南大学电子工程系 ASIC 工程中心 ,南京 210096)摘要:设计了一种适用于 CMOS 工艺的锂离子电池充放电保护电路,采用工作在亚阈值区的电路结构,使电路具有超低消耗电流驱动、 高精度检测电压等特点。通过取样电路、 基准电路和偏置电路设计的改进,保护电路功耗较低并且在较低电压下可以正常工作。模拟结果表明,该电路实现了基本的电池保护功能并在功耗方面达到了设计的目标。关键词:亚阈值;低功耗;锂离子;充放电保护中图分类号:TN402 文献标识码:A 文章编号:1005 - 9490(2004)02 - 0303 - 03近几年来 , 便携式电子产品的迅猛发展促进了电池技术的更新换代 , 其中锂离子电池以高能量密度、 高内阻、 高电池电压、 高循环次数、 低自放电率等特性脱颖而出,因此锂离子电池保护电路的设计和应用也随之得到迅猛发展[1]。本文设计了一种单电池低功耗锂离子电池保护电路 ,该电路具有静态电流小、 检测精度高、 安全性好、 可靠性高等特点,可用于手机、 PHS(个人手持电话系统)电话机和 MD(小型光盘)播放机中。1 系统设计和考虑电池保护电路监视电池的电压,并控制两只MOSFET 的栅极 ,由两只 MOSFET 分别进行过充电控制、 过放电控制和过电流控制。如图1所示为保护电路的应用连接图, VDD 为过充电和过放电的检测端 ; VSS 为保护电路的接地点; DOUT 为放电控制端, COUT 为充电控制端 , V-为过流检测端, CT 为充电保护延时控制端 ,其外接电容。锂离子电池的充放电保护电路有三种功能:过充电保护、 过放电保护和过电流保护。因此电路包括相应电压检测器、 基准源、 延时电路和逻辑电路等。当充电电压高于检测阈值并保持相应的延时时间后 ,则 COUT 从高电位变为低电位,充电控制管FET2 截止,停止充电。同理,当放电电压/电流高于检测阈值并保持相应的延时时间后,则 DOUT从高第27卷第2期2004 年 6 月电 子 器 件Chinese Journal of Electron DevicesVol .27 ,No .2June .2004①收稿日期:2004-02-18作者简介:朱军(1978-) ,东南大学电子工程系研究生,主要参与了嵌入式系统方面的研究, tengyeyan @ yahoo .com .cn .图1 保护电路应用原理图电位变为低电位,充电控制管 FET1 截止,停止放电。由上述功能设计 , 可以得到如图2所示的锂离子电池保护电路的系统结构图 。图2 锂离子电池保护电路的系统结构图系统主要包括控制逻辑电路、 取样电路、 过充电检测比较器( VD1 )、 过放电检测比较器( VD2 )、 过流检测比较器( VD3 )、 负载短路检测电路、 电平移位电路、 基准电路( BGR)以及偏置电路(图 2 中没有画出)。下面将具体介绍以上电路的低功耗设计思想和结构设计考虑。2 电路低功耗设计思想由于控制逻辑电路和比较器的静态功耗很小 ,因此电路的功耗主要集中基准电路、 取样电路和偏置电路上,降低锂离子电池保护电路的功耗就是要降低以上模块电路的功耗。由于电路要求检测精度高、 可靠性好,因此在低功耗设计时主要从以下方面考虑:取样电路采用电阻分压形式,采用大阻值电阻来降低取样电路功耗 ; 基准电路和偏置电路采用工作在亚阈值区的电路形式 ,以保证电路功耗较低,且电路在较低电压下可以正常工作。下面介绍 MOS 电路亚阈值区的模型,亚阈值区的电流 ID以用端电压的形式导出[2]ID = I0WLexpVGS - VTHn· UT()1-exp -VDSUT()[](1)I0 = n·μ· Cox · U2T exp -VT0n· UT()(2)其中 VTH为阈值电压 ; UT =KT/q为热电压, n为亚阈值因子; Cox 为氧化层电容 ,当 VDS >3UT 时,由式(1)可得ID ≈ I0WLexpVGS - VTHn· UT()(3)亚阈值区的饱和电压通常为 VDS(sat) =3UT ,在常温下约为 80 mV ,MOS 电路工作于亚阈值区,其 ID 只有几十到一百多个 nA ,适合低功耗、 低电压应用场合 ,而且由式(3)可以看出 ,亚阈值电流和 VGS/NUT的指数成正比,可以通过将两个 MOS 器件栅源电压同时加在一个电阻上,取其电压差即可得到与热电压成正比的恒定电流,可以提供恒定偏置电流,也可以做带隙基准源的正温度系数项。3 电路设计由系统结构图可以将电路模块分为三部分:偏置电路部分(包括取样电路、 基准电路和偏置电路)、 比较器部分(包括过充电检测比较器、 过放电检测比较器、 过流检测比较器和负载短路检测电路)及逻辑控制部分(包括逻辑电路和电平移位电路),下面将着重介绍偏置电路和比较器电路的设计思想。3.1 偏置电路设计由低功耗设计思想,设计了工作于亚阈值区的基准源电路和偏置电路,由于取样电路采用电阻分压形式 ,结构和原理都很简单这里就不作介绍。基准源电路如图3所示, N0 、 N1 ,P0 、 P1 、 P2 工作在亚阈值区 , P0 、 P1 、 N0 、 N1 和电阻 R5 组成自偏置电路, 产生与电源电压无关的电流, P2 和电阻 R0 及NPN 管 Q0 组成 Bandgap 基准源输出级[3]。将 VGSN0 - VGSN1 = IN0· R5 ,IN1 = KP4 IN0 ,代入式(3),得 :IN0 = NUTR5lnKN1KN0· KP4(4)P0 、 P1 、 P2 组成电流镜,则IP1IP2=KP1KP2(5)VBD = IP2-VBDR1 + R2 + R3 + R4()R0 + VBE( Q1) (6)VBD =(IP2R0 + VBE ( Q1) )R1 + R2 + R3 + R4R0 + R1 + R2 + R3 + R4(7)403 电子器件 第27卷图3 基准电路结构图图4 比较器结构图由分析可知 , IP1 = IN1 ,在理论上与电源电压和工艺参数无关,且具有正温度系数 ,通过选择合适的 R0的值,可以使输出电压的温度漂移很小。3.2 比较器电路设计以过流比较器为例介绍比较器的设计思想 ,过流比较器为四级放大,在设计方面除提高增益外,还要保证静态时其输出电压在电源电压的中点,保证后级 CMOS 倒相器偏置在高增益区。而偏置电流的大小将直接影响电路的上升时间和延迟时间 ,增大偏置电流可加快上升时间并缩短延迟时间,但电路的功耗增大。在电路设计时要考虑功耗和延迟时间的相互制约。比较器静止状态时要求到输出端的两条路径要匹配,还要考虑到比较器的共模输入范围,要求比较器的最低输入电压小于比较器基准电压。 PMOS 管差分放大器的最低输入电压为VG(min) = VGS( N11) + VDS( P13) - VSG( P13) ≤ V过流检测电压 (8)比较器的增益为[4]Av =gm( P14)gds( P14) + gds( N12)()gm( N13)gds( N13) + gds( P15)()gm( P16)gds( P16) + gds( N14)()gm( P19) + gm( N15)gds( P19) + gds( N15)()(9)其中, gm =2K′WL()I()1/2,gds λ I4 模拟结果及分析由以上分析可以确定电路的器件尺寸,采用0.6μ m数字 CMOS 工艺对电路进行模拟分析 , 电路实现了设计指标。电路的主要参数如下 :温度范围为 - 40~85℃ ,电源电压范围为 1.5~8 V,图 5 给出了充电保护的波形图,图6 给出了过电流保护的波形图 。图5 充电保护的波形图图6 过电流保护的波形图5 结 论本文设计了一种单电池低功耗锂离子电池保护电路 ,电路模拟结果表明在典型应用条件下电路的功耗仅3μ A,检测精度可达±25 mV ,除了能实现三种基本的保护功能:过充电保护、 过放电保护和过电流保护外,还具有待机状态、 负载短路保护等功能。参考文献:[1] 二次电池充电控制与保护 LSI 技术[ J] .电子产品世界,2001 , 2:27,39 .[2] Allen P E 等著,王正华译 . CMOS 模拟电路设计[ M].科学出版社 1995 : 571 -578.[3] Y.Xiao-bin,C.Zhi-liang,Low voltage self biasing refer-ence circuits[C].ASIC ,2001.In :Proceedings .4th Inter-nationalConferenceon ,2001 ,314 - 317 .[4] Phillip E A,Douglas R H ,CMOS analog circuit design[M].Second Edition ,Publishing House of Electronics In-dustry ,2002 ,466-475 .503第2期 朱 军,刘 昊:一种低功耗的锂离子电池保护电路的设计
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