cmos工艺锂电池保护电路图的实现

1、CMOS 工艺锂电池保护电路图的实现1 引 言设计了一种低功耗的单节锂离子电池保护电路，此保护电路不仅对锂离子电池提供过充电，过放电，放电过流保护，还提供充电异常保护，零伏电池充电CMOS 工艺实现。等功能。用 1. 0m 双阱2 锂电池保护IC 的功能原理分析锂电池保护电路的原理图如图 1如下：所示，E +和 E -端之间加充电器或负载。电路工作原理图 1 锂电池保护原理图正常状态：当电池电压在过放电检测电压以上且在过充电检测电压以下，VM 端子的电压在充电器检测电压以上且在过电流检测电压以下时，充电控制用FET2 和放电控制用 FET1的两方均打开。这时可以进行的充电和放电。这种状态叫做正

2、常状态。过充电保护：在充电过程中，当电池电压高于过充电检测电压，且该状态持续到过充电检测延迟时间后，控制电路输出一个低电平，关断充电控制用 FET2,充电。过放电保护：在放电过程中，当电池电压低于过放电检测电压，且该状态持续到过放电检测延迟时间后，控制电路输出一个低电平，关断放电控制用 FET1,放电。过电流保护：过电流保护包括一级过流保护，二级过流保护，短路保护，当放电电流过大，VM 端电压上升，超过过流检测电压，且该状态持续时间超过过流检测延迟时间后，控制电路输出低电平，关断放电控制用 FET1,放电。在放电过程中， VM 端电压就是两个处通态的 FET 上的压降（见图 1） ,即VVM

3、= I 2RFET.式中 I 是通过 FET 的电流，即放电电流， RFET 是 FET 的通态电阻。充电异常保护：电池在充电过程中如果电流过大，使VM 端电压下降，当低于某个设定值，并且这个状态持续到过充电检测延迟时间以上时，控制电路关断充电控制用 FET2,停止充电。当 VM 端电压重新上升到设定值以上后，充电控制用 FET1 打开，充电保护异常解除。零伏电池充电：电池在久放不用的情况下，会自身放电使电池电压下降，甚至为零伏，有些锂电池因其特性的原因在被完全放电后不适宜再度充电。当电池电压低于某个设定值时，充电控制用FET2 的栅极被固定在低电位，止充电电压以上时，才被允许充电。充电。只有

4、电池本身电压在零伏电池禁3 电路设计如图 2 所示，锂电池保护电路主要由基准源，比较器，逻辑控制电路以及一些附加功能块组成。比较器检测所用到的基准电压都要通过一个基准源电路来提供，此基准源在正常工作情况下，必须高精度，低功耗，以满足要求，且能够在电源电压低至 2. 2V 时正常工作。图 2 锂电池保护电路的结构图 3 就是符合此要求的带隙基准源。在该电路中， P4, P5, P6, P7,N3,N4, N6 组成一个二级运放作为基准源的反馈，而运放的偏置电压由基准源来提供，既简化了电路与版图，又减少了额外功耗。通过调节 MOS 管的尺寸，使运放具有较高增益，较低失调电压。基准源采用级连二极管的

5、形式， Q1, Q2 发射区面积相等， Q3, Q4 发射区面积相等，为了减少功耗，取 Q3 的面积为Q2 的两倍。级连二极管形式能有效减少运放失调对输出基准电压精度的影响。保护电路中所用的检测电压一般较低，比如一级过流检测电压为 0. 15V 左右，二级过流检测电压为 0. 6V 左右，但一般带隙基准电路只能输出 1. 2V 左右的电压，电阻 R5 的引入就是通过对输出基准电压进行再次分压来解决这个问题。以下给出输出基准电压的计算公式：图 3 基准源电路结构从式（4）中可以看出 2 ln （ IS3 / IS2 ） VT 相对于 ln（ IS3 / IS2 ）VT 受失调电压VOS的影响明显

6、减少，即级连二极管的采用使基准电压受运放失调影响减少。式中产生因子 R5 / （R4 +R5 ） ,通过调整 R4 , R5 的电阻值，可以得到小于 1. 2V 的基准电压。图 1 中 N1,N2, P1, P2, P3, C1 作为启动电路，有源电阻 P1, P2 起限流作用。N5, P13 为开关管，当保护电路处于休眠状态时，电路必须停止工作，使功耗降为最低，此时通过控制电路使 L1 为低电位，P13 管打开，使偏置点 VB IAS 上升为高电位，P4, P7, P8, P9 , P10, P11, P12 管截止，N5 管关闭，切断由 P13,N6 形成的支路，该电路停止工作，电流几乎为

7、零。经仿真，该基准电路在 2. 2V 电压下可正常工作。以下介绍此款锂电池保护 IC 的附加功能，包括充电异常检测功能，零伏电池充电如图 4 所示。功能。图 4 附加功能电路结构当锂电池接上充电器进行充电时， VM 端相当于充电器的负端（见图 1） ,产生一个- 4V 左右的脉冲电压，N1 管瞬间导通，同时 OUT1 端也产生- 4V 的脉冲电压，当逻辑电路监测到 OUTI 端的负脉冲电压后通过逻辑控制使 L2 为高电位，使 N3 管导通，又因为 P1 管的栅极接地，当 VDD 大于 P1 管的阈值电压时， P1 管导通， D1 点为高电位， N2 管导通，D2点为低电位， P4 管导通， C

8、O 为高电位，充电控制用FET2 打开，允许充电，即充电器检测完成。当锂电池由于自放电使自身电压降为 PMOS 管阈值以下时， P1 管截止， D1 为低电位，使N2 管截止，节点 D2 无法下降到 VM 端电压， P4 管截止， CO 端为低电位，充电控制用FET2 关闭充电，即为零伏电池充电功能。在充电过程中，VM 端电位为- I 2RFET（见图 1） ,I 为充电电流， RFET 为 FET 导通电阻。当电流过大， 使VM 端电位下降到负的 NMOS 阈值以下时，N5 管导通， D3 电位下降， P6 管导通，输出OUT2 为高电位，当该状态持续一段时间以后，控制逻辑判断该状态有效，使 L2 为低电位，N3 管截止， P3管导通，D2 为高电位，使 CO 端为低，充电控制用 FET2 关闭，充电停止，即为充电异常检测功能。4 仿真时序图图 5 为过充与过放电检测的 HSPICE 仿真时序图，从中可以看出，当比较器检测到电池过充，在这里过充检测点为 4. 25V,且该状态保持时间达到过充电检测延迟时间，在这里约为 1. 2秒， CO 输出低电平，关断充电用FET2,停止充电。当检测到电池过放电，这里过放电检测点为 2. 25V,且该状态保持时间达到过放电检测延迟时间约 150 毫秒，DO 输出低电平，关断放电用 FET1,停止放电。其它如放电过流检测等功能经