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單節(jié)鋰電池保護(hù)IC方案

微云疏影 ? 來源:面包板 ? 作者:面包板 ? 2023-06-24 15:55 ? 次閱讀
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1 引 言

設(shè)計了一種低功耗的單節(jié)鋰離子電池保護(hù)電路,此保護(hù)電路不僅對鋰離子電池提供過充電,過放電,放電過流保護(hù),還提供充電異常保護(hù),零伏電池充電禁止等功能。用1. 0μm雙阱CMOS工藝實(shí)現(xiàn)。

2 鋰電池保護(hù)IC的功能原理分析

鋰電池保護(hù)電路的原理圖如圖1 所示, E +和E - 端之間加充電器或負(fù)載。電路工作原理如下:

wKgaomSOuH-APWROAABQWWIBP74508.jpg

圖1 鋰電池保護(hù)原理圖

正常狀態(tài):當(dāng)電池電壓在過放電檢測電壓以上且在過充電檢測電壓以下, VM端子的電壓在充電器檢測電壓以上且在過電流檢測電壓以下時,充電控制用FET2 和放電控制用FET1 的兩方均打開。

這時可以進(jìn)行自由的充電和放電。這種狀態(tài)叫做正常狀態(tài)。

過充電保護(hù):在充電過程中,當(dāng)電池電壓高于過充電檢測電壓,且該狀態(tài)持續(xù)到過充電檢測延遲時間后,控制電路輸出一個低電平,關(guān)斷充電控制用FET2,禁止充電。

過放電保護(hù):在放電過程中,當(dāng)電池電壓低于過放電檢測電壓,且該狀態(tài)持續(xù)到過放電檢測延遲時間后,控制電路輸出一個低電平,關(guān)斷放電控制用FET1,禁止放電。

電流保護(hù):過電流保護(hù)包括過流保護(hù),二級過流保護(hù),短路保護(hù),當(dāng)放電電流過大, VM端電壓上升,超過過流檢測電壓,且該狀態(tài)持續(xù)時間超過過流檢測延遲時間后,控制電路輸出低電平,關(guān)斷放電控制用FET1,放電禁止。在放電過程中, VM端電壓就是兩個處于導(dǎo)通態(tài)的FET上的壓降(見圖1) ,即VVM = I ×2RFET.式中I是通過FET的電流,即放電電流, RFET是FET的通態(tài)電阻

充電異常保護(hù):電池在充電過程中如果電流過大,使VM端電壓下降,當(dāng)?shù)陀谀硞€設(shè)定值,并且這個狀態(tài)持續(xù)到過充電檢測延遲時間以上時,控制電路關(guān)斷充電控制用FET2,停止充電。當(dāng)VM端電壓重新上升到設(shè)定值以上后,充電控制用FET1打開,充電保護(hù)異常解除。

零伏電池充電禁止:電池在久放不用的情況下,會自身放電使電池電壓下降,甚至為零伏,有些鋰電池因其特性的原因在被完全放電后不適宜再度充電。當(dāng)電池電壓低于某個設(shè)定值時,充電控制用FET2的柵極被固定在低電位,禁止充電。只有電池本身電壓在零伏電池禁止充電電壓以上時,才被允許充電。

3

如圖2所示,鋰電池保護(hù)電路主要由基準(zhǔn)源,比較器,邏輯控制電路以及一些附加功能塊組成。比較器檢測所用到的基準(zhǔn)電壓都要通過一個基準(zhǔn)源電路來提供,此基準(zhǔn)源在正常工作情況下,必須高精度,低功耗,以滿足芯片要求,且能夠在電源電壓低至2. 2V時正常工作。

wKgZomSOuICAMviOAAEA6al1vf0133.jpg

圖2 鋰電池保護(hù)電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖3就是符合此要求的帶隙基準(zhǔn)源。在該電路中, P4, P5, P6, P7,N3,N4, N6組成一個二級運(yùn)放作為基準(zhǔn)源的反饋,而運(yùn)放的偏置電壓由基準(zhǔn)源來提供,既簡化了電路與版圖,又減少了額外功耗。通過調(diào)節(jié)MOS管的尺寸,使運(yùn)放具有較高增益,較低失調(diào)電壓?;鶞?zhǔn)源采用級連二極管的形式, Q1, Q2發(fā)射區(qū)面積相等, Q3, Q4發(fā)射區(qū)面積相等,為了減少功耗,取Q3的面積為Q2的兩倍。級連二極管形式能有效減少運(yùn)放失調(diào)對輸出基準(zhǔn)電壓精度的影響。

保護(hù)電路中所用的檢測電壓一般較低,比如過流檢測電壓為0. 15V 左右,二級過流檢測電壓為0. 6V左右,但一般帶隙基準(zhǔn)電路只能輸出1. 2V左右的電壓,電阻R5的引入就是通過對輸出基準(zhǔn)電壓進(jìn)行再次分壓來解決這個問題。以下給出輸出基準(zhǔn)電壓的計算公式:

wKgaomSOuICAZgdgAAB9zdE-w0o892.jpg

wKgZomSOuICACQ4vAADRBxGh3lw598.jpg

圖3 基準(zhǔn)源電路結(jié)構(gòu)

從式(4)中可以看出2 ln ( IS3 / IS2 ) VT相對于ln( IS3 / IS2 )VT受失調(diào)電壓VOS的影響明顯減少,即級連二極管的采用使基準(zhǔn)電壓受運(yùn)放失調(diào)影響減少。

式中產(chǎn)生因子R5 / (R4 +R5 ) ,通過調(diào)整R4 , R5 的電阻值,可以得到小于1. 2V的基準(zhǔn)電壓。

圖1中N1,N2, P1, P2, P3, C1作為啟動電路,有源電阻P1, P2 起限流作用。N5, P13 為開關(guān)管,當(dāng)保護(hù)電路處于休眠狀態(tài)時,電路必須停止工作,使功耗降為,此時通過內(nèi)部控制電路使L1 為低電位, P13 管打開,使偏置點(diǎn)VB IAS上升為高電位,P4, P7, P8, P9 , P10, P11, P12管截止,N5管關(guān)閉,切斷由P13,N6形成的支路,該電路停止工作,電流幾乎為零。經(jīng)仿真,該基準(zhǔn)電路在2. 2V電壓下可正常工作。

以下介紹此款鋰電池保護(hù)IC的附加功能,包括充電異常檢測功能,零伏電池充電禁止功能。如圖4所示。

wKgaomSOuICAANMNAACr-Mh_kkU290.jpg

圖4 附加功能電路結(jié)構(gòu)

當(dāng)鋰電池接上充電器進(jìn)行充電時, VM端相當(dāng)于充電器的負(fù)端(見圖1) ,產(chǎn)生一個- 4V左右的脈沖電壓,N1管瞬間導(dǎo)通,同時OUT1端也產(chǎn)生- 4V的脈沖電壓,當(dāng)邏輯電路監(jiān)測到OUTI端的負(fù)脈沖電壓后通過邏輯控制使L2 為高電位,使N3 管導(dǎo)通,又因為P1管的柵極接地,當(dāng)VDD大于P1管的閾值電壓時, P1 管導(dǎo)通, D1 點(diǎn)為高電位, N2 管導(dǎo)通,D2點(diǎn)為低電位, P4管導(dǎo)通, CO為高電位,充電控制用FET2打開,允許充電,即充電器檢測完成。

當(dāng)鋰電池由于自放電使自身電壓降為PMOS管閾值以下時, P1管截止, D1為低電位,使N2管截止,節(jié)點(diǎn)D2無法下降到VM端電壓, P4管截止, CO端為低電位,充電控制用FET2關(guān)閉,禁止充電,即為零伏電池充電禁止功能。在充電過程中, VM端電位為- I ×2RFET (見圖1) , I為充電電流, RFET為FET導(dǎo)通電阻。當(dāng)電流過大, 使VM 端電位下降到負(fù)的NMOS閾值以下時,N5管導(dǎo)通, D3電位下降, P6管導(dǎo)通,輸出OUT2為高電位,當(dāng)該狀態(tài)持續(xù)一段時間以后,控制邏輯判斷該狀態(tài)有效,使L2 為低電位,N3管截止, P3管導(dǎo)通,D2為高電位,使CO端為低,充電控制用FET2關(guān)閉,充電停止,即為充電異常檢測功能。

4 仿真時序圖

圖5為過充與過放電檢測的HSPICE仿真時序圖,從中可以看出,當(dāng)比較器檢測到電池過充,在這里過充檢測點(diǎn)為4. 25V,且該狀態(tài)保持時間達(dá)到過充電檢測延遲時間,在這里約為1. 2秒, CO輸出低電平,關(guān)斷充電用FET2,停止充電。當(dāng)檢測到電池過放電,這里過放電檢測點(diǎn)為2. 25V,且該狀態(tài)保持時間達(dá)到過放電檢測延遲時間約150毫秒,DO輸出低電平,關(guān)斷放電用FET1,停止放電。其它如放電過流檢測等功能經(jīng)HSP ICE仿真完全符合要求,在這里不一一列出。

wKgZomSOuIGAR3_GAAD4bZmhtOs957.jpg

圖5 過充與過放電檢測仿真時序圖

5 結(jié) 論

設(shè)計的單節(jié)鋰電池保護(hù)IC在正常工作狀態(tài)下消耗電流為3. 3uA,休眠狀態(tài)下為0. 15uA,過充電檢測精度為±25mV,能在- 40°C~85°C的溫度下工作,產(chǎn)品性能完全符合要求。

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