（微电子学与固体电子学专业论文）手机电池多功能保护芯片的前端设计.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 便携式产品的发展推动了电子产品小型化，同时带动y d , 型电源的发展。作为电 池中的佼佼者，锂离子电池以其体积小、质量轻、寿命长等优点，被越来越广泛的应 用于各种便携式设备，特别是应用于移动电话中。为了确保手机的安全，最大程度的 减小电池在充放电循环中电池容量的流失，延长手机的工作时间，具有低功耗的手机 电池保护芯片必不可少。 本文论述了一种手机电池多功能保护芯片的前端设计。首先基于锂离子电池的电 化学特性，对保护芯片工作模式进行了定义，然后在系统设计中考虑低功耗的实现， 并结合“自底向上”的原理图输入设计方法针对各个工作模式进行相应子模块以及偏 置基准电路的设计，最后对各个模拟模块和整体电路进行仿真验证。本文的研究重点 是针对保护芯片的工作模式提出了基于亚阈值区工作的模拟电路，并将数字电路的异 步工作方式运用到模拟电路，完成整体电路低功耗的设计。同时为了进一步提高芯片 性能，设计中整合了迟滞比较和延时比较技术，并提供0v 电池禁止充电和手机充电 器检测的功能。 本设计采用0 6 胂、n 阱c m o s 工艺在h s p i 中进行了仿真验证，仿真结果显 示芯片实现了对手机电池的过压保护、欠压保护和过流保护，整个芯片的功耗小于 1 0u w ，实现了芯片的前端设计。 关键词：保护器迟滞技术延时技术温度系数 亚阈值区低功耗锂离子电池 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fp o r t a b l ep r o d u c t si m p r o v e st h em i n i a t u r i z a t i o no fe l e c t r o n i c p r o d u c t i o n ，a n dd r i v e st h ee v o l u t i o no ft h em i n ip o w e r a saw o n d e r f u lb a t t e r y , t h e l i t h i u m - i o nb a t t e r yi sm o r ea n dm o r ew i d e l yu s e di n a l ls o r t so fp o r t a b l ei n s t r u m e n t s ， s p e c i a l l yu s e di nm o b i lt e l e p h o n e ，b e c a u s eo fi t sl i g h tw e i g h t ，s m a l ls i z e ，l o n gl i f ea n ds oo n t h eb a t t e r yp r o t e c t i o nc h i pf o rm o b i l p h o n ew i t hl o w p o w e rc o n s u m p t i o ni sa b s o l u t e l y n e c e s s a r yt oe n s u r ei t ss e c u r i t y ，r e d u c et h el o s eo fi t sc a p a c i t yd u r i n gt h ed i s c h a r g i n ga n d c h a r g i n gc i r c l e ，a n dp r o l o n gt h et i m eo fi t sw o r k i nt h i sp a p e r ，t h ef r o n t - e n d e dd e s i g no fap r o t e c t i o nc h i pw i t hl o wp o w e rc o n s u m p t i o n f o rt h em o b i l p h o n eb a a e r yi sp r e s e n t e d f i r s t l y ，t h ew o r k i n gm o d e so ft h ec h i pa r ed e f i n e d b a s e do nt h eb a a e r y se l e c t r o c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c t h e n ，t h eb i a s ，r e f e r e n c ec i r c u i ta n d t h es u b m o d u l ec i r c u i t sb a s e do nt h ew o r k i n gm o d e sa r ep l a n e db yt h e “b o t t o m - t o - u p m e t h o d o l o g y ，c o n s i d e r i n gt h ei m p l e m e n to fl o wp o w e rc o n s u m p t i o ni nt h es y s t e m f i n a l l y , t h es u b - b l o c ka n a l o gc i r c u i t sa n dw h o l e c h i ph a v eb e e ns t i m u l a t e di nh s p i c e t h ee m p h a s i s o ft h i sp a p e ri st oa c c o m p l i s ht h el o wp o w e rc o n s u m p t i o nd e s i g nb ya d v a n c i n gt h ea n a l o g c i r c u i tw o r k i n go nt h es u b t h r e s h o l dr e g i o na n de x e r t i n gt h ea s y n c h r o n i c a lm o d eu s e di n d i g i t a lc i r c u i ti n t ot h ea n a l o gd e s i g n i nt h es a m et i m e ，t h ec h i pi n c l u d e st h et e c h n o l o g yo f s l u g g i s ha n dd e l a y i n gc o m p a r a t i o na n dt h ef u c t i o n so f0vb a t t e r yc h a r g i n gu n a v a i l a b l ea n d c h a r g e rd e t e c t i o ni no r d e rt oe a l t a n c et h ep e r f o r m a n c eo ft h ec h i p w i t h0 6p m ，nw e l lc m o st e c h n o l o g y , t h i sf r o n t - e n d e dd e s i g no ft h ec h i ph a sb e e n s t i m u l a t e ds u c c e s s f u l l yi nh s p i c e b yt h er e s u l ts h o w i n gt h a tt h eb a t t e r yc a nb ep r o t e c t e db y o v e r - v o l t a g e ，u n d e r - v o l t a g e ，a n do v e r - c u r r e n t ，a n dt h ep o w e rc o n s u m p t i o no ft h ew h o l e c h i pi sl e s st h a n1 0f w k e y w o r d s ：p r o t e c t e r , s l u g g i s h ，d e l a y i n g , t e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t s u b - t h r e s h o l dr e g i o n ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，l i t h i u m - i o nb a t t e r y i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。近我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 音之强 学位论文作者签名：童志强 日期：2 0 0 6 年r 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权数。 本论文属于 不保密囱。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 噎毛强 学位论文作者签名：童志强指导教师签名： 日期：2 0 0 6 年s 月日日期：2 0 0 6 年争 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 手机电池保护芯片的现状及发展趋势 手机电池保护芯片在手机的使用中占有重要的地位，它保证了手机的安全使用和 锂电池的高效供电。随着电子技术的不断发展，各种电子产品越来越小型化，如手机、 数码相机、笔记本电脑等，而电子产品的小型化必然要求电源的小型化。传统的铅酸 电池不仅理论容量有限，而且体积无法制作得更小。于是人们发现金属锂是所有金属 中最轻，氧化还原电位最低，质量能量密度最大的，这样就可以在更高容量的前提下 制造更小体积的电池；同时由于人们环境保护意识的日益增强，对铅、镉等有毒金属 的使用日益受到限制，这也是人们首选锂离子电池作为手机电池的一个重要原因。 锂离予电池有以下优点【1 】【2 】： 1 体积小、重量轻、比能量高。通常锂离子电池的比能量可达镍镉电池的2 倍 以上，与同容量镍氢电池相比，体积可减少3 0 ，重量可降低5 0 0 , 6 ，有利于便携式电 子设备小型轻量化。 2 工作电压高。通常单节锂离予电池的电压为3 7v 。单体电池即可为3v 的逻 辑电路供电。对于要求较高供电电压的电子设备，电池组所需串联电池数也可大大减 少。 3 寿命长。锂离子电池采用碳负极，在充放电过程中，碳负极不会生成金属锂， 从而可以避免电池因内部金属锂短路而损坏。目前，锂离子电池的寿命可达1 2 0 0 次 以上，远远高于各类电池。 4 安全快速充电。锂离子电池与金属锂电池不同，它的负极用特殊的碳电极代 替金属锂电极，因此允许快速充电。采用1c 充电速率，可在两小时内充足电，而且 安全性能大大提高。 ( 注：充电率c 表示充电的速度。若不考虑充电过程的损耗，充电率可表示为： c = 充电电流( n a ) 电池容量( m a h ) ( 1 1 ) 若电池的容量为5 0 0m a l l ，c = i ，则充电电流为5 0 0m a 。但实际的充电过程是一个电 华中科技大学硕士学位论文 化学反应过程，有一定的损耗( 如发热) ，故实际充电电流要比计算值大3 0 左右。 为缩短充电时间，可采用1 c 、2 c 充电率，一般最大充电率可达4 c 。) 5 允许温度范围宽。锂离子电池具有优良的高低温放电性能，可在一2 0 + 6 0 之间工作。高温放电性能优于其它各类电池。 此外，锂离子电池还具有自放电电流小、无记忆效应和无环境污染等优点，综合 性能优于铅酸、镍镉、镍氢和金属锂电池，被称为性能最好的电池。 尽管锂离子电池具有上述诸多优点，但还是存在有如下的缺点。 1 与干电池无互换性。锂离子电池虽然有电压高的好处，但也有很难和干电池 互换的缺点。当蓄电池放完电时，一般人立刻会想到用干电池暂时取代，但由于二者 电压不同，不能直接代换。 2 无法急速充电。锂离子电池无法像镍镉电池那样，用1 5 分钟急速充足电。锂 离子电池的充电方法是：最初以恒定电流充电，最后则以恒定电压完成充电。现在各 电池公司推荐的充电速率是1c ，这样，充电时间约需2 小时，第一个小时可充入电 池额定容量的8 0 左右。 3 内部阻抗高。因为锂离子电池的电解液小得多，所以，锂离子电池的内部阻 抗比镍镉电池或镍氢电池约大1 0 倍。直径1 8t o n i 、长6 5 0m i l l 的单节电池的阻抗为 5 0 m o 。 4 工作电压变化较大。电池放电到额定容量的8 0 时，镍镉电池的电压变化很小 ( 约2 0 9 6 ) ，锂离子电池的电压变化很大( 约4 0 ) 。对电池供电的设备来说，这是严 重的缺点。但是由于锂离子电池放电电压变化比较大，很容易据此检测电池的剩余电 量。 5 放电速率较大时，容量下降较大。放电速率为o 5c 时，锂离子电池和镍镉电 池容量的减少量相当，但放电速率大于1c 时，锂离子电池的容量严重减少。 同其优点相比，这些缺点不应成为主要问题，特别是用于一些高科技、高附加值 的产品中。因此具有广泛的应用价值。其经济价值相当可观，因此世界上许多大公司 竞相加入到锂离子电池的研究、开发行列中，如索尼、三洋、东芝、三菱、富士通、 日产、t d k 、佳能、永备、贝尔、富士、松下、日本电报电话、三星等。目前常用的 2 华中科技大学硕士学位论文 领域为电子产品，如手机、笔记本电脑、微型摄像机、i c 卡、电子翻译器、汽车电话 等。另外，对其他一些重要的领域，如电动交通工具、航空航天、军事等领域也正在 进行渗透。自从1 9 9 0 年日本索尼公司首次报导世界上第一只锂离子电池以来，锂离子 电池在手提电话、便携式电脑、摄像机中的使用量越来越大，理离子电动汽车电池也 在研究开发中，人们更加看好理离子电池的未来 3 1 。 锂离子电池具有不同于其他二次电池的化学特性，使得它在使用过程中需要严格 避免出现过充电、过放电现象。锂离子电池是一种锂离子浓差电池，正负电极由两种 不同的锂离子嵌入化合物组成。充电时，i j + 从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，负极 处于富锂态，正极处于贫锂态，同时电子的补偿电荷从外电路供给到碳负极，保证负 极的电荷平衡。放电时则相反，u + 从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极，正极处于富 锂态【l 】d 在正常充放电情况下，一般只引起层面间距变化，不破坏晶体结构，电池的 极性非质子溶剂不可避免的会在电极与电解液的相界面上反应，在电极表明形成钝化 薄层一固体电解质相界面膜( 简称s e i 膜) 4 1 。当锂离子电池处于不正常的充放电 情况下，金属锂负极在充放电过程中会形成锂枝晶，当枝晶形成一定规模后就会刺穿 s e i 膜，从而引起电池内部短路，使电池充放电效率降低，循环寿命缩短，安全性能 变差。虽然在锂离子电池的充放电循环中，电池容量不可避免的会减小1 5 j ，但在对锂 离子电池的充放电测试试验中人们发现：充放电电流越大，电池容量就越低，循环寿 命越短；充电的截至电压( 4 0v ) 越高，电池的循环性能越差 6 1 。众所周知，充电 管理芯片是特为化学电池设计的理想产品，它们使电池的三项关键指标达到最大：容 量、寿命和安全性【7 j ，电池保护芯片同样也要满足上面三个指标。正是锂离子电池在 手机上被越来越广泛的应用，推动了对手机电池保护芯片的研究。 目前一些大的厂家生产的保护芯片( 如日本精工电子的$ 8 2 6 1 系列、日本三美电 机的m m 3 0 7 7 系列、美国德州仪器的u c c 3 9 5 2 系列) ，都具有以下特点：具备过充电 保护，过放电保护与过电流保护设计；充电器检测；0v 电池禁止充电等等。有的还 具有温度保护；l e d 充电状态显示；与微电脑控制器接口等特点。由于手机使用的特 点使得其对锂电池保护芯片的功耗要求比较苛刻，其工作电流要求不能大于1 0 肚。 同时对电池电压的判断需要非常精确，其控制精度要高于1 。另外，对于电压过低的 华中科技大学硕士学位论文 电池需要禁止充电以保护手机安全和充电器芯片；为避免对电池电压和电流的误判， 还需要有迟滞和延时功能，为电池提供更加合理的保护。由此可见实现安全高效的充 放电保护成为锂离子电池推广应用的目标【8 】。 1 2 论文的目的和意义 本文论述的是手机电池多功能保护器芯片的前端设计。芯片整合了过压保护、欠 压保护、过流保护、手机短路保护，并且具有0v 电池禁止充电、手机充电器检测的 功能【9 】较好地满足了保护手机电池的要求。与同类芯片相比，本设计具有以下特点： 1 低功耗系统，芯片工作电流为肚级，功耗低于l o t w ； 2 内置高精度电压检测电路，同时具有迟滞比较功能； 3 内置三段过电流检测电路，并具有延时比较功能： 4 具有0v 电池禁止充电功能； 5 手机充电器检测功能； 6 用于单节手机锂离子电池。 基于第三、四代手机的市场发展前景，手机电池保护器芯片将具有更加广泛的市 场前景和较高的经济价值。 1 3 论文的组织结构 本文针对锂离子电池的特性，详细论述了芯片各个模块的功能，从保护器芯片对 于手机电池安全高效保护和低功耗的角度阐述了模块的电路设计。第二章介绍锂离子 电池保护器芯片的设计思想和系统结构；详细分析了保护器的工作模式。第三章介绍 芯片低功耗设计技术和各个相关的模块，阐述了低功耗偏置基准、过压保护、欠压保 护、过流保护、0v 电池禁止充电、手机充电器检测等保护技术的电路实现。第四章 说明了电路的仿真结果，并对结果进行了分析。第五章为本文结论。 4 华中科技大学硕士学位论文 2 手机电池保护器系统设计 2 1 手机电池保护器的基本设计 2 1 1 工作模式 首先简要介绍一下手机电池的四种工作状态： 1 通常状态 当手机电池电压在过放电检测电压、七l 以上且在过充电检测电压v c o 以下，同时 电池的电流在过放电检测电流以下时，电池处于通常状态，这时对电池充放电都不会 影响电池的容量与寿命，电池比较安全。 2 过电流状态 通常状态下的电池在放电过程中，如果放电电流在过放电检测电流以上，就处于 过电流状态。但是由于不同的过放电电流对手机电池的容量和寿命所产生的影响不尽 相同，所以对手机电池的过放电电流检测也需要分别对待。 3 过充电状态 当手机电池电压在过充电检测电压以上时，电池处于过充电状态。如果电池处于 过充电状态的时间较长，则会严重降低电池的容量，减少电池的寿命，所以在电池使 用过程中严禁电池处于过充电状态。 4 过放电状态 当手机电池电压在过放电检测电压以下时，电池处于过放电状态。如果电池处于 过放电状态的时间超过规定时间，则电池由于电池电压过低可能无法再充电使用，从 而使得电池寿命降低。 由此可见，为了使电池始终处于良好的工作状态，手机电池保护芯片必须能够对 电池的非正常工作状态进行检测并作出动作以使得电池能够从不正常的工作状态回 到通常工作状态，从而实现对电池的保护。下面结合手机电池保护芯片的实际应用图 华中科技大学硕士学位论文 2 1 【1 0 l 来对手机电池保护芯片的工作模式加以说明。 1 通常工作模式 当芯片的供电电压在正常工作范围( v d l i l 盯2 ，( i p 2 9 i n 7 2 ) 这部分差值电流流入p 3 0 的g 端的寄生电容，使v g v 3 0 上升，p 2 9 则由于源漏电流不断减小而进入线性区，使得i v 2 9 减小，最后达到与蛔2 相等后，保持稳定，而p 2 8 和n 7 的状态与电流大小并不改变， p 3 0 截止，n 7 4 处于线性区。 华中科技大学硕士学位论文 当v g 7 l v g 7 2 时，i n 7 1 = i p 2 $ = i p 2 9 i n 7 2 ，寄生电容以( i n 7 2 一i p 2 9 ) 的电流放电，v o p 3 0 下 降，n 7 2 由于源漏电流不断减小而进入线性区，使得k 2 减小，v b 肼下降，v g s n 7 l 上 升，i n n = i p 2 s = i p 2 9 爿- ，使得i r f 7 1 = i p 2 8 = 妄i n 7 5 仍然成立。 第二级是由p 3 0 ，n 7 4 组成的单级放大器，其中b _ n 仍为n 7 4 提供偏置。 前级放大器放大输入的差模信号，后一级将前级的输出进一步放大，以达到数字 信号的输出电平。 c 2 作为负载电容，是影响整个比较器的转换速率，传输延迟时间，零极点等参数 的重要因素。 ( 1 ) 最大输出电压和最小输出电压： 由于输出级采用一个电流沉反相器结构，故当p 3 0 关断时，n t , i 仍然导通，但电流 为0 ，可以得到最小输出电压v o l = v s s 。当n 7 4 处于饱和区，p 3 0 处于线性区时，可以 得到v o h ，此时有： 喝。审彬印鼍产， i p 3 。“。0 。唧滓鼍v1 斗【c x p ( - 争v 一( - 争v 】 ( 3 2 0 ) l”tt， 令i m 4 = i p 3 0 ，有最大输出电压为 讪电唧阻盟堞等一酬一争， ( 2 ) 直流增益 当v g m l ，v o m 2 间差距太小时，即i v 。v 葫。i i v 。一v l 。l 时，在短时间内对寄 生电容充放电就可以使i ，。= i 。，而此时v 。，。上升或下降的程度不够大，使得p 3 0 处于饱和区而非线性区或截止区，从而v c 线性变化，而非理想的v o 。，v o l 的输出。 华中科技大学硕士学位论文 由公式av_彘h盖，其中2n。i。dktn72q，b。面19e；m2 x i + g d s p 2 9g 出p 3 0 + g d s n 7 4n n 2 k l ，qo 得到直流增益 a ，2 砥i 面丽际1 雨蕊丽 ( 3 2 2 ) ( 3 ) 转换速率 大信号输入情况下，由于有限的充放电电流而产生一个转换速度的限制，此时， t p 的长短主要取决于转换速度s r 。 对于第一级有： s r + ：址 (323)c l 、， 若、0 7 l 很大，以致电流全部被n 7 1 抽取，而n 7 2 截止，则此处i 。= 0 8 r 一：马粤0 2 4 ) c ， 若、1 3 n ，下降很大，使n t a 关断，则此处i ，。= o 对于第二级有类似的结论。 ( 4 ) 共模输入范围 该比较器具有与差动放大器类似的共模输入范围，共模输入电压应使第一级差动 放大器的所有m o s 管工作在饱和区。v i c ( m i n ) 使n 7 5 处于饱和区和线性区的边缘，则有 v j c ( m i 丑) = v s s + k n 竹+ 、，g s n 7 2 = v s s “v 1 + v 1 h ，而v 】鼬赶) 使n 7 1 或n r 2 仍处于亚闽区，则有 v 嘣m 缸) v 1 h + n v l - 卜v m m 5 。 ( 5 ) 传输延迟时间 小信号输入情况下，传输延迟时间主要受小信号带宽影响，其表达式为： 华中科技大学硕士学位论文 t p = 讪臼 其中k：熹，_【。：一1，wc：是-3dbvin 频率。其中k 2 i 忑面_ 【c = 一( f i e 频率。 r 3 2 5 ) 那么首先计算第一级的输出级点p 1 = 一鱼掣，c t 是连接到第级输出 的所有电容之和，然后得到第二级的输出级点p 2 = 一鱼塑气；! 坠越，c ：是连接到第 二级输出的所有电容之和；由4 2 彘求出此时的s ，即得到。 ap 2 对于一个阶跃输入信号，令m ：里呈- 1 ， p 1有标准化的传输延迟时间t ，= 焉1 意 当上升或下降的速率超过比较器输出的转换速率时，转换速率对整个电路的传输延迟 时间t ，其主要作用。于是得到延迟时间为 t ，；t t l v o l 忑- v _ o l 3 3 迟滞欠压保护及实现电路 3 3 1 欠压保护及迟滞技术 ( 3 2 6 ) 当v d d 引脚电压达到过放电检测电压v d l ( 2 3v ) 以下时，芯片需要对电池进 入过放电状态进行动作，如果电池在过放电状态保持过放电检测延时时间t d l ，芯片 就会将d o 端电压降低为低电平，禁止电池放电，这样电池只能处于充电状态，电压 会不断上升。为了保护电池，芯片不会在电池电压升高到v d l 以上时立刻允许电池放 电，而是需要电池电压升到比v d l 高过放电滞后电压v r m 以后，才会恢复电池放电。 因此实现过压保护技术需要对电池过充电实现迟滞检测的电路模块( 欠压比较器 华中科技大学硕士学位论文 cd ) ，下面就主要介绍c _ d 。 3 3 2 欠压比较器 1 电路结构 b g 图3 8 欠压比较器cd 电路原理图 图3 8 所示为欠压比较器cd 电路原理图。它由一对n m o s 管( n 7 l n 7 2 ) 构成 的输入级，一个自偏置电流源负载( p 2 8 - p 2 9 ) 与p m o s 管p 3 0 构成的共源输出级，和 一个电阻分压网路( r 2 9 r 3 1 ) 构成的电压反馈级组成。p 8 7 、p s s 和n 7 3 漏为控制管。 2 工作原理 cd 也是一个电压迟滞比较器，其电压迟滞功能是通过输出数字反馈信号t d l 实现的。在充电过程中，cd 用于监控v d d 引脚电位，此时t d l 为低电平。当电池 电压下降至v d l 时，c _ d 使v d l 由低跳至高电平，如果电池处于过放电状态超过过 放电延迟时间t d l ，通过数字电路d i g 使t d l 由低跳变至高电平，同时d o 端的电 位由高跳至低电平，禁止电池放电，电池只能处于充电状态。由于r 2 8 被接入，则与 vc 比较的电位被拉低，那么要使cc 比较器再次发生翻转，v d d 电压必须上升到 华中科技大学硕士学位论文 比v a l 更高才行。通过设计合理的电阻分压，就可以得到所需的v d l 和v 髓： v d l 一c 警 ( 3 2 7 ) v 肪一c 乏 z c _ a 的偏置信号an 是由低功耗偏置电路b _ i 产生的，由于b _ i 中的m o s 管工 作在亚阈值区，所以cd 比较器中的n v s 也工作在亚阂值区，从而使得比较器的工作 电流很小。 3 4 过流保护及实现电路 3 4 1 过流保护和延时技术 手机电池在放电过程中，放电电流是电池非常重要的参数。放电电流的大小必须 控制在一个合理的范围内，一旦放电电流过大，为保护电池不受损坏必须中止电池放 电。由于不同的非正常放电电流对电池的损坏程度不一样，一般放电电流越大，对电 池的损坏程度越高，所以芯片对于电池的过流保护采用分级保护，一般分三级：过流 1 保护、过流2 保护和手机短路保护。这三种保护的放电电流逐一增大，同时为了防 止芯片对过放电电流的误判，分别对这三种过流保护采取不同的过流检测延时时间， 而这三种保护的检测延时时间逐一减小。 在基于图2 1 的使用过程中，当手机电池的放电流发生较大波动时，电池保护芯 片的v m 端电位会改变，于是针对手机电池放电电流的检测转化为了对v m 端的电压 进行检测。一般的，电池放电电流越高，v m 端的电位也相应升高。 在本芯片中，过流保护的功能，由过流1 比较器c 1 、过流2 比较器c2 、手机 短路比较器cs 模块来完成。同时为了避免过流比较器对电流的误判，数字电路d i g 对不同过流比较器的跳变会在不同的延时之后作出动作，使d o 端电位由高跳到低电 平，禁止电池放电，保护电池不受损坏。 华中科技大学硕士学位论文 3 4 2 过流1 比较器 1 电路结构 图3 9 过流1 比较器c _ l 电路原理图 图3 9 所示为c l l 电路原理图【3 5 1 。它由一个差分比较器和一个共源级放大器组成。 其中差分比较器用p m o s 管( p 1 1 1 p 1 1 2 ) 作为差分输入管，主要是考虑到对应于过电 流1 的v m 电位较低，如果采用n m o s 管则无法使差分管工作。 2 工作原理 c _ t 是一个电压比较器。在放电过程中，如果放电电流超过过放电电流1 ，则v m 端电压会升高到v 。以上，这时输出v 0 1 由低跳变到高电平，此时电池处于过电流状 态，如果电池处于这种状态超过过电流1 延时时间t i o v l ，数字电路d i g 输出数字信 号l 4 使得d o 由高跳变到低电平，禁止电池放电，从而保护电池不受损坏。 c1 的偏置信号b _ p 是由低功耗偏置电路b - - 1 产生的，由于b _ i 中的m o s 管工 作在亚阈值区，所以c _ 1 比较器中的p 1 0 6 、p m 7 也工作在亚阂值区，从而使得比较器 的工作电流很小。 华中科技大学硕士学位论文 3 4 3 过流2 比较器 1 电路结构 图3 1 0 过流2 比较器c 3 电路原理图 图3 1 0 所示为过流2 比较器c 上电路原理图闱。它由一个差分比较器和一个共 源级放大器组成。其中差分比较器用p m o s 管( p 1 0 9 - p l l o ) 作为差分输入管，主要是 考虑到对应于过电流2 的v m 电位较低，如果采用n m o s 管则无法使差分管工作。 2 工作原理 c _ 2 是一个电压比较器。在放电过程中，如果放电电流超过过放电电流2 ，则v m 端电压会升高到v2 以上，这时输出v 0 2 由低跳变到高电平，此时电池处于过电流状 态，如果电池处于这种状态超过过电流2 延时时间t i o w ，数字电路d i g 输出数字信 号l 4 使得d o 由高跳变到低电平，禁止电池放电，从而保护电池不受损坏。 c _ 2 的偏置信号b _ p 是由低功耗偏置电路b 一1 产生的，由于b a 中的m o s 管工 作在亚阈值区，所以c2 比较器中的p 1 0 - 、p z 0 3 也工作在亚阙值区，从而使得比较器 的工作电流很小。 华中科技大学硕士学位论文 3 4 4 手机短路比较器 1 电路结构 v m vc bn d v 5 s 图3 1 1 手机短路比较器c o 电路原理图 图3 1 1 所示为c _ s 电路原理图f 州。它由一个差分比较器和一个共源级放大器组 成。其中差分比较器用n m o s 管( n 6 9 n t o ) 作为差分输入管，主要是考虑到对应于 手机短路电流的v m 电位较高，采用n m o s 管可以使差分对管正常工作。 2 工作原理 cs 是一个电压比较器【3 8 】。在放电过程中，如果放电电流超过手机短路电流，则 v m 端电压会升高到vs 以上，这时输出v s h 由低跳变到高电平，此时电池处于过电 流状态，如果电池处于这种状态超过手机短路延时时间t s h o r r ，数字电路d i g 输出 数字信号1 4 使得d o 由高跳变到低电平，禁止电池放电，从而保护电池不受损坏。 c _ s 的偏置信号b _ n 是由低功耗偏置电路b1 产生的，由于b _ i 中的m o s 管工 作在亚阈值区，所以c _ s 比较器中的n 3 3 、n 6 3 也工作在亚阈值区，从而使得比较器的 工作电流很小。 华中科技大学硕士学位论文 3 5ov 电池充电禁止及实现电路 3 5 10 v 电池充电禁止 如果手机电池电压低于典型值0 6v 以下时，表明电池由于连内部短路，这时充 电控制用f e t 2 的栅级被固定在充电负端的电位，从而禁止对电池充电；当电池电压 在0v 电池禁止充电电压v o n 。, n 以上时，可以对电池充电。 3 5 2 充电禁止器 1 电路结构 充电禁止器i n t t 如图3 1 2 所剥3 9 】。该电路的低电位端为v m 。当v 、，m = v s s 时， 电路左边的p 1 5 s 、p 1 5 6 、r 7 、r s 、n 1 7 7 、n 1 7 8 构成对互补信号n n _ l c 、i n _ l c b 的锁存 器，避免互补信号i nl c 、i nl c b 的抖动和外界对充电禁止器i n h 的干扰；二输入 与门电路由p 1 5 2 、p 1 5 4 、p 1 9 l 、n 1 伽n 1 7 5 、n 1 7 6 组成，对由锁存器输出的信号进行逻辑 组合并整形。l 4 控制i n h 的锁存器和与门电路是否正常工作。 2 工作原理 图3 1 2 所示i n h 电路的输入信号分别为：互补过充控制数字信号i nl c 、i nl c b 和过放控制数字信号l 4 。当电池处于过充电状态时，i n _ l c 为低电平( 矾i c b 为高 电平) ，电路输出c o 低电平关闭充电控制用f e t 2 禁止电池充电；当电池处于过放电 状态下，l 4 为低电平，m o s 管m 1 6 0 导通，将v m 拉至高电平，此时电路输出c o 始 终为高电平，允许对电池充电；当电池电压过低时，由于v d d = v v m o 6v ，所以电 路输出c o 仍然视为低电平，从而禁止对0v 电池进行充电。 可见，禁止手机充电器i n h 不仅能对欠压比较器c d 的输出作出反应( 由l 4 触 发) ，还能对过压比较器c c 的输出作出反应( 由ni c 、i n _ l c b 触发) ，而且当电 池电压低于0 6v 时，会引起v m 端电位降至0 电平以下，而使输出c o 为低电平， 可见禁止手机充电器虽然结构是数字电路的形式，但由于低电位为芯片的电压反馈端 华中科技大学硕士学位论文 v m ，所以它还兼具电池电压判断功能。 图3 1 2 充电禁止器i n i t 电路原理图 3 6 手机充电器检测及实现电路 3 6 1 手机充电器检测 当将一个过放的电池和手机充电器连接时，如果v m 端的电压低于手机充电器检 测电压v 阻a ，则会解除欠压迟滞功能，只要电池电压在过放电检测电压v r l 以上， 就可解除过放电状态，允许对电池充电。 3 6 2 手机充电器检测比较器 1 电路结构 手机充电器检测比较器d e t 的电路原理图如图3 1 3 所示【柏】。d e t 实现手机充电 器检测和异常充电电流检测的功能。b _ p 给p 1 5 7 提供与v d d 压差为1 1 6v 的偏置电 压。v _ h 给n 1 7 9 提供o 7v 的栅电压。由p 1 6 1 、n 1 8 l 组成的非门对比较信号进行整形 得到输出v c h a r 。 华中科技大学硕士学位论文 2 工作原理 图3 1 3 手机充电器检测比较器d e y f 电路原理图 过放电状态下的电池与手机充电器连接时，当v m 与手机充电器检测比较电压 v _ h 之间的压差大于n a 7 9 的闽值电压时，m o s 管n 1 7 9 导通，输出v c h a r 为高电平， 在d i g 模块中使输出t d l 为低电平，过放电滞后被解除。在通常状态下，如果v m 电 压低于、，_ h ，输出v c h a r 为高电平，持续1 b 以上禁止电池充电。过放电状态下， e _ c h 为高电平，使v m 和v s s 短路。 华中科技大学硕士学位论文 4 仿真结果分析 本芯片的设计仿真采用h s p i c c 软件进行仿真。仿真所用的器件模型是0 6 微米， n 阱c m o s 工艺模型。除了进行温度扫描的情况，仿真结果都是在2 5 的室温下得 到；如果不对电源电压进行扫描，则电源电压为3 5v 。 由于手机电池保护器是一款数移l 混合电路的芯片，因此在单独对每个模块进行仿 真时，会涉及到很多控制信号。在第三章的电路原理叙述中对这些控制信号都作了分 析，但在本章的仿真结果分析时还将作简要描述，尽量使叙述结构完整，易于理解。 本章首先对单元电路进行仿真结果的分析，然后对整个保护器电路作仿真并分析 仿真结果。 4 1 单元电路仿真结果及分析 在分析电路的仿真结果之前，首先对手机充电器工作时用到的一些重要控制信号 作一个简要的介绍。 在通常工作模式下，s d 为低电平、s d b 为高电平，各个检测模块都有效，随时 对电池的状态进行监测，但此时数字电路的振荡器和分频器并不工作；当芯片进入过 放电模式时，由于v m 变为高电平，从而使得s d 为高电平，s d b 为低电平，各个检 测模块都不工作；当电池电压上升使得v m 端电位下降使得s d 和s d b 再发生翻转后， 芯片就进入通常工作模式。 在了解了这几个关键的控制信号在各个工作状态的变化情况后，下面开始对各单 元电路的仿真结果作分析。 4 1 1 偏置电路仿真结果分析 b _ i 为比较器提供恒流源偏置，并对数字模块中的振荡器充放电支路提供电流偏 置。图4 1 是b j 的输出电压随电源电压变化的波形图，图4 2 是电路工作电流随电 源电源变化的波形图。 华中科技大学硕士学位论文 0 - 2 0 n 一4 0 m - 6 0 n 口一8 0 n d 1 0 0 n g 一1 2 0 “ 占一1 4 0 n 一1 6 0 n 一1 8 0 n 一2 n - 2 2 0 n 0 l23456t8 v o l t a g exl l i = ) 白d a ) 图4 ib j 输出电压随电源电压的变化波形 0123456t8 1 r o l t g exn i n ) 扣d d ) 图4 2b j 电路工作电流随电源电源变化的波形图 由仿真结果可以看到：当电池电压v d d 由2v 升至8v ，输出电压v bn ， 11jj 。 o s (1l_d_嘈h占 0 ja_目：目 1j1jj 。 o 5 一目州d h_一_【o 华中科技大学硕士学位论文 v d d - v bp ) ，v ( v d d - v bo ) 基本保持恒定。实际上由于电池的工作电压最大不能超过 4 3v ，所以此电路可以较好的实现电流偏置作用；同时电路的最大工作电流仅2 2 0n a ， 功耗小于o 5 肛w 。 4 1 2 基准电路仿真结果分析 基准电路主要为各个比较模块提供比较参考基准，所以对温度和电压必须具有良 好的无关性。图4 3 所示的是输出基准电压vc 随温度变化的波形图。从图中可以看到， 在3 5v 电源电压，当温度变化范围为- - 4 0 8 0 时，输出基准变化0 4m v ，温度系 数为2 9p p m 。c 1 6 1 。图4 4 所示是输出基准电压随电源电压变化的仿真结果。电源电压 在2 3 4 3v 范围内波动时，输出基准变化2 0m v 。电路电源电压抑制比达到4 j 0d b 【4 1 1 。 l ，1 4 1 3 i 1 4 1 2 5 1 1 4 1 2 d 1 1 4 1 1 5 = i 1 4 1 i 1 1 4 i 晒 1 1 4 1 1 1 4 0 9 5 - 4 0- 2 002 04 0 t e m p e r a t u r eq i n ) e g _ c ) 图4 3 输出基准电压vc 随温度变化波形图 华中科技大学硕士学位论文 1 1 5 5 曼 1 1 5 d g1 1 4 5 =1 1 4 1 1 3 5 2 533 54 v o l t a g exn i a ) c m l l c s ) 图4 4 输出基准电压vc 随电源电压变化波形图 从图4 5 可以看出电压跟随器的输出电压基本与v c 的电压相同，而分压网路的 输出之所以随温度的升高有一定的升高，是由于电阻的负温度系数造成的，与v c 的温度特性无关。从图4 6 可以得到基准电路的最大工作电流为2 8 0n a 。 - 4 0- 9 0o 2 0加6 08 0 t e m p e r a t m e e t i n ) 印e g ) 图4 5 输出基准电压vc 、v2 、vh 、v 。随温度变化波形图 1j1 1j1，1j| 抡 毗 “ “ h “ c 写 c 5 h | | | 尊| 窨| 姒 耄| 嫩暮舌 d ：- 0 一o d 譬0 曙 d _ 嚣0 曙 d 器0 咭 华中科技大学硕士学位论文 - 2 5 5 n - 2 6 0 n d - 2 6 5 n 童哪0 n 一2 t 5 “ - 2 n 2 533 5 4 v o l t 婚ic l i n ) c v 0 l t s ) 图4 6 工作电流与电源电压变化波形图 4 1 3 过压放大器仿真结果分析 在充电过程中，过压放大器cc 用于监控v d d 端电位。电池处于通常状态下时， t c u 为低电平，当电池电压上升至过充电检测电压4 3v 时，c _ c 使v c u 电位跳变 至高电平，表明电池进入过充电状态，数字电路在经过过充电延迟时间后会控制 c o 端的电位，禁止继续对电池充电，并且将t c u 升为高电平，改变进入差分比较器 的比较电压，从而实现迟滞比较的功能。 图中v d d 电位既是电源电压又表示数字高电平，而0v 电位则表示数字低电平， 在下面的论述中不再赘述。图4 7 是c o 的仿真波形。c o 是将v d d 的电阻分压和1 1 4 v 的基准电压进行比较。从图中可以看到：v d d 从3v 上升至4 _ 3v 时，c _ c 的输出 t c u 由低电平变成高电平；而当v c c 从