基于耗盡型工藝的鋰電池充電保護(hù)芯片設(shè)計(jì)

　　摘要： 提出了一種基于耗盡型工藝的單節(jié)鋰離子電池充電保護(hù)芯片設(shè)計(jì)。闡述了此芯片的設(shè)計(jì)思想及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)， 并對(duì)芯片關(guān)鍵電路的獨(dú)特設(shè)計(jì)方法及原理進(jìn)行了詳細(xì)分析， 特別是基準(zhǔn)電路和偏置電路，利用耗盡型工藝使電路具有非常低的電源啟動(dòng)電壓和功耗。在Hspice 中仿真了采用0.6 μm 的n 阱互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（ CMOS） 工藝制作全局芯片的測(cè)試結(jié)果。驗(yàn)證了此芯片具有過(guò)電壓檢測(cè)、過(guò)電流檢測(cè)、0 V 電池充電禁止等功能， 可用于單節(jié)鋰離子電池充電的一級(jí)保護(hù)。

　　0 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(yīng)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(zhǎng)、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(xiàn)過(guò)充電、過(guò)放電等現(xiàn)象， 這些情況對(duì)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(yīng)具有一級(jí)保護(hù)功能。

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

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

　　此芯片是單節(jié)電池的保護(hù)電路并且過(guò)電壓、過(guò)電流的檢測(cè)延遲時(shí)間是可改變的， 其系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示， 芯片設(shè)計(jì)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(jiān)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(shè)計(jì)

　　如圖1 所示， 通常狀態(tài)下， 即電池電壓在過(guò)放電檢測(cè)電壓（VDL） 以上且在過(guò)充電檢測(cè)電壓（VCU） 以下， VM 端子的電壓在充電器檢測(cè)電壓（VCHA） 以上且在過(guò)電流1 檢測(cè)電壓以下的情況下，設(shè)計(jì)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(cè)的設(shè)計(jì)

　　當(dāng)電池出現(xiàn)過(guò)充電時(shí)， 過(guò)充比較器跳變， 過(guò)充電檢測(cè)電壓VCU 從H 變成L, 經(jīng)過(guò)過(guò)充電檢測(cè)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(xiàn)了過(guò)充電滯后電壓的設(shè)計(jì)過(guò)程。

　　當(dāng)電池過(guò)放電時(shí)， 過(guò)放電檢測(cè)電壓VDL 從H 變?yōu)長(zhǎng), 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(dāng)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(cè)的設(shè)計(jì)

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

　　當(dāng)VM 端子電壓大于過(guò)電流2 檢測(cè)電壓， 并且這個(gè)狀態(tài)在過(guò)電流2 檢測(cè)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(diào)整過(guò)電流的檢測(cè)延遲時(shí)間的長(zhǎng)短， 可及時(shí)停止放電。

　　2 關(guān)鍵電路的實(shí)現(xiàn)

　　本文從低功耗、低成本、寬工作電壓范圍等考慮， 提出基于耗盡型工藝的獨(dú)特設(shè)計(jì)方法。

　　基準(zhǔn)電壓源電路、過(guò)充過(guò)放遲滯電路、0 V 充電禁止電路、振蕩器電路在整個(gè)芯片中起到關(guān)鍵的作用。其中多處的基準(zhǔn)電壓源電路分別為各比較器提供合適的參考電壓和為振蕩器提供合適的起振電壓， 并且使比較器和振蕩器工作在弱反型區(qū)。此處不對(duì)各基準(zhǔn)電壓源的具體數(shù)值單獨(dú)分析， 只對(duì)其原理作詳細(xì)的分析。