電池監(jiān)測(cè)芯片中穩(wěn)壓模塊的設(shè)計(jì)*

張 萌，林 敏，程新紅，李新昌，吳忠昊

（1.中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海 200050；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

電池監(jiān)測(cè)芯片中穩(wěn)壓模塊的設(shè)計(jì)*

張 萌1，2，林 敏1，程新紅1，李新昌1，2，吳忠昊1

（1.中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海 200050；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于電池監(jiān)測(cè)芯片內(nèi)的穩(wěn)壓模塊，為芯片內(nèi)部電路提供模擬電源電壓與數(shù)字電源電壓。通過帶隙電路產(chǎn)生穩(wěn)定的模擬電源電壓，數(shù)字電源電壓則通過柵源電壓差疊加的方式獲得。采用XFAB 0.35 μm工藝模型仿真表明，在負(fù)載電流 4 mA，外界電池電壓10 V～60 V的寬輸入電壓范圍內(nèi)，模擬電源電壓變化12 mV；在負(fù)載電流 4 mA，-40℃～125℃的溫度范圍內(nèi)，模擬電源電壓變化 6 mV，溫漂系數(shù)為7.8 ppm/℃；數(shù)字電源電壓分別變化0.12 V、0.76 V，均滿足實(shí)際應(yīng)用所需要的穩(wěn)壓要求。模塊提供可靠的上電復(fù)位信號(hào)，并加入了過流保護(hù)和過溫保護(hù)功能。

電池監(jiān)測(cè)；穩(wěn)壓模塊；上電復(fù)位；過流保護(hù)；過溫保護(hù)

0 引言

伴隨著我國汽車產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，空氣污染、能源短缺等一系列問題也日益加劇，具有高效節(jié)能或零排放優(yōu)勢(shì)的電動(dòng)汽車對(duì)于緩解上述難題具有重要意義[1]。鋰離子電池性能優(yōu)異且基本無污染，逐漸成為電動(dòng)汽車動(dòng)力蓄電池組的首選，但是鋰電池對(duì)過充或過放的容忍度低得多，需要連續(xù)監(jiān)測(cè)充放電電量，避免可能使電池發(fā)生損傷的情況來延長電池壽命；其次，車用鋰電池是由一組鋰電池串聯(lián)而成以提供高到幾十伏甚至上百伏的總電壓，每節(jié)電池在不同溫度、不同荷電狀態(tài)下其電池容量、內(nèi)阻、放電率均存在差異，因此，在使用過程中不但需要對(duì)鋰電池進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，還需要根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的結(jié)果來周期性地均衡各電池[2]。因此，電池組的電源管理系統(tǒng)芯片是延長電池壽命，維護(hù)電動(dòng)汽車安全運(yùn)行的關(guān)鍵模塊。

1 電路設(shè)計(jì)與原理分析

本文設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓模塊應(yīng)用于電池管理芯片內(nèi)，外界待監(jiān)測(cè)電池組由12節(jié)電池串聯(lián)，每節(jié)電池滿量程 5 V，在電池組輸入高壓和寬范圍變化的情況下，能夠?qū)π酒瑑?nèi)模擬部分和數(shù)字部分分別提供穩(wěn)定的工作電壓。針對(duì)數(shù)字部分對(duì)電源電壓不敏感的特點(diǎn)，數(shù)字電源電壓產(chǎn)生電路可簡化處理，以減小設(shè)計(jì)難度和芯片成本。同時(shí)本模塊具有上電復(fù)位、過流保護(hù)和過溫保護(hù)功能，使芯片在復(fù)雜的工作環(huán)境下能夠安全可靠地工作。整體電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整體電路結(jié)構(gòu)

1.1 偏置電路

偏置電路為整個(gè)電路中的各支路提供合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，是整個(gè)電路能夠啟動(dòng)和正常工作的先決條件。偏置電路如圖2所示。

圖2 偏置電路

芯片輸入電壓可高達(dá) 60 V，電路上電后，M1首先導(dǎo)通，產(chǎn)生參考電流 Iref1，通過 M2、M3、M4鏡像，分別產(chǎn)生Vb1、Vb2、Vb3、Vb4；由于柵電容充電，M5、M6-M7延時(shí)一定時(shí)間后導(dǎo)通，產(chǎn)生 Vb5，M8接著導(dǎo)通產(chǎn)生 Vb6。其中 Vb1用于產(chǎn)生上電復(fù)位信號(hào)，Vb2、Vb6分別為數(shù)字電源電壓和模擬電源電壓產(chǎn)生電路提供偏置電壓。

1.2 模擬電源電壓產(chǎn)生電路及過流保護(hù)電路

模擬電源電壓產(chǎn)生電路是穩(wěn)壓模塊的核心部分，由啟動(dòng)電路、帶隙電路和過流保護(hù)電路三部分組成。如圖3所示。

啟動(dòng)電路：模塊上電過程中，電路中存在簡并偏置點(diǎn)，因此需要啟動(dòng)電路提供起動(dòng)電流使電路脫離零偏置點(diǎn)，并在電路正常啟動(dòng)后停止工作[3]。M13-M14、M15、M16-M18組成啟動(dòng)電路，電路上電后，M4導(dǎo)通，M16-M18導(dǎo)通后使Vb2下拉至低電平，從而M15開啟并通過R5形成通路，使電路啟動(dòng)。M13-M14導(dǎo)通后上拉Vb2至高電平，M15截至，電路啟動(dòng)完成。

圖3 模擬電源電壓產(chǎn)生電路

帶隙電路：雙極晶體管基極-發(fā)射極電壓具有負(fù)溫度特性，而工作在不同電流密度下的兩個(gè)晶體管，其基極-發(fā)射極電壓的差值具有正溫度特性，利用兩者之間的相互補(bǔ)償，產(chǎn)生零溫度系數(shù)的帶隙電壓[4]。M9-M10與M11-M12過驅(qū)動(dòng)電壓及W/L分別相等，即流過Q0與Q1的電流相等，其中Q0由10個(gè)Q1并聯(lián)而成，則Q1與Q0基極-發(fā)射極的電壓差在 R2上產(chǎn)生正溫度系數(shù)電流IPTAT。

適當(dāng)選擇R2、R3、R4、R5的值可以得到零溫度系數(shù)的AVDD。

過流保護(hù)電路：對(duì)芯片錯(cuò)誤使用或外界條件劇烈變化時(shí)可導(dǎo)致內(nèi)部電流變大,引起芯片損壞。因此需要保護(hù)電路檢測(cè)負(fù)載電流的變化，當(dāng)電流超載時(shí)觸發(fā)保護(hù)機(jī)制。Q3對(duì)負(fù)載電流進(jìn)行采樣，通過 M20、M21組成的電流鏡鏡像流過 R6及 Q6，當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到所設(shè)定閾值時(shí)，D2管反向擊穿并流過電流，Q4、Q5導(dǎo)通，M19柵極電壓拉低，M19截止，則輸出得到保護(hù)。

1.3 數(shù)字電源電壓產(chǎn)生電路

數(shù)字電路抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)電平變化不敏感，可以通過PMOS、NMOS的柵源電壓疊加的實(shí)現(xiàn)方法，電路結(jié)構(gòu)既簡單、同時(shí)可高度兼容工藝偏差帶來的不確定性。

數(shù)字電源電壓產(chǎn)生電路如圖4所示，DVDD=Vgs22+ Vsg23+Vgs25-I2·R7； 為減小負(fù)載電流對(duì) I2的影響，設(shè)計(jì)中M27采用15個(gè)并聯(lián)以增加分流能力，Vgs27=Vgs26+I2·R7，I2+I3=I；I↑→I2↑→Vgs27↑→I3↑→I2↓；通過負(fù)反饋機(jī)制減小了負(fù)載電流變化對(duì)I2的影響，即增加了DVDD的穩(wěn)定性。電路中存在高壓問題，因此需要采取保護(hù)措施以防止某些管子被高壓擊穿。正常工作時(shí)，M22導(dǎo)通，D3截止，當(dāng)電路中出現(xiàn)負(fù)載過載等情況時(shí)，Vg22↓，則 M22截止，Vg26↑，D3導(dǎo)通，由于 D3的鉗位作用，則 Vgs26=Vg26-Vg22被限制在M26的耐壓容限范圍內(nèi)，M26得到保護(hù)。

圖4 數(shù)字電源電壓產(chǎn)生電路

1.4 上電復(fù)位電路

上電復(fù)位電路對(duì)數(shù)字電路中的寄存器、觸發(fā)器、鎖存器等具有記憶功能的元件及模擬電路中的振蕩器、比較器等模塊進(jìn)行初始狀態(tài)設(shè)置，確保整個(gè)電路上電后進(jìn)入正確的工作狀態(tài)。復(fù)位電路如圖5所示。在芯片內(nèi)部集成上電復(fù)位電路可提高芯片集成度，簡化板級(jí)布局布線、減小線間串?dāng)_噪聲影響[5-6]。電源上電后，M36截至，M2導(dǎo)通并通過M32-M34產(chǎn)生高電平Vb3作用于M35柵極，此時(shí)電容C1上極板通過M35對(duì)地泄放電荷，上極板保持低電平。隨著M5-M7柵電容充電，M5-M7導(dǎo)通，Vb5產(chǎn)生，M36-M38導(dǎo)通并將Vb3拉低，M35截止，M39，M40-M41組成的電流鏡產(chǎn)生電流對(duì)電容C1充電，當(dāng)電容兩端電壓升至施密特觸發(fā)器的閾值電壓時(shí)，POR信號(hào)跳轉(zhuǎn)至低電平，上電復(fù)位過程結(jié)束。施密特觸發(fā)器提供電壓遲滯，可防止POR信號(hào)在閾值電壓附近的跳變，增大了復(fù)位電路的抗干擾能力。

圖5 復(fù)位電路

1.5 過溫保護(hù)電路

本文中的電源模塊為整個(gè)芯片內(nèi)部供電且工作在高壓下，因此功耗較大，當(dāng)環(huán)境溫度較高或內(nèi)部電流急劇變大時(shí)，都有可能導(dǎo)致芯片內(nèi)部溫度過高，使芯片損壞。為了防止這種情況，需要過溫保護(hù)電路，在內(nèi)部溫度超過某一設(shè)定的溫度時(shí)，將系統(tǒng)關(guān)閉。過溫保護(hù)電路如圖6所示。

過溫保護(hù)電路利用 IPTAT電流和雙極晶體管基極-發(fā)射極電壓的負(fù)溫度特性來檢測(cè)溫度變化，并通過正反饋機(jī)制產(chǎn)生溫度迴差，以防止過溫信號(hào)在臨界溫度處跳變。溫度較低時(shí)，Q7截止，M31導(dǎo)通，IPTAT電流由上文中的帶隙電路產(chǎn)生，流過 R8產(chǎn)生 VbQ7，溫度升高時(shí)，VbQ7增大，VbeQ7減小，當(dāng) VbQ7＞VbeQ7時(shí)，Q7導(dǎo)通，M31截止，輸出電平跳轉(zhuǎn)產(chǎn)生過溫標(biāo)志信號(hào)，此時(shí) IPTAT流經(jīng) R8、R9；反之，溫度降低時(shí)，當(dāng) VbQ7＜VbeQ7時(shí)，電路返回正常工作狀態(tài)。溫度升高和溫度降低過程中，IPTAT電流的臨界值分別為IPTAT1=VbeQ7/R8，IPTAT2=VbeQ7/(R8+R9)，可知，IPATA1＞IPATA2，即 T1＞T2。通過改變 R8、R9的大小，可選擇合適的溫度迴差。

圖6 過溫保護(hù)電路

2 電路仿真結(jié)果分析

基于 XFAB 0.35 μm BCD工藝和 HSPICE Cadence仿真工具，對(duì)模塊的輸出-輸入穩(wěn)壓特性、溫度特性、復(fù)位功能、過流保護(hù)和過溫保護(hù)功能進(jìn)行了仿真。

2.1 輸出-輸入特性曲線仿真

當(dāng)輸入電壓從0 V～60 V全量程變化，負(fù)載電流均為4 mA時(shí)，AVDD與DVDD的變化如圖7所示，鋰電池組作為電源不能過度放電，因此取芯片正常工作時(shí)，輸入電壓范圍為10 V～60 V。AVDD與DVDD分別變化12 mV、0.12 V。

圖7 輸出-輸入特性曲線（上：AVDD，下DVDD）

2.2 溫度特性仿真

輸入電壓為50 V，負(fù)載電流均為4 mA，溫度在-45℃～125℃變化時(shí)，輸出的掃描結(jié)果為圖8所示。全溫度范圍內(nèi)AVDD變化為6 mV，溫漂系數(shù)為7.8 ppm/℃，DVDD變化0.76 V。

2.3 復(fù)位功能仿真

用瞬態(tài)分析法，得復(fù)位信號(hào)在電源上電過程中的波形如圖9。上電后電容上電壓為低電平，復(fù)位信號(hào) POR跟蹤 DVDD，500 μs后變?yōu)楦唠娖?，電路處于?fù)位狀態(tài)。2.1 ms后電容兩端電壓達(dá)到施密特觸發(fā)器的閾值電壓，POR翻轉(zhuǎn)為低電平，復(fù)位結(jié)束，電路進(jìn)入正常工作狀態(tài)。POR脈沖寬度為1.6 ms。電源二次掉電情況下，POR模擬如圖，6 ms～6.01 ms，電源快速掉電，6.01 ms～6.51 ms電源再次上電，POR功能正常。

圖8 溫度特性曲線（上：AVDD，下：DVDD）

圖9 復(fù)位功能仿真（上：電池組電壓，下：POR）

2.4 過流保護(hù)功能仿真

本模塊中模擬部分額定電流不超過4 mA設(shè)計(jì)中需考慮留有一定余量，因此過流保護(hù)開啟的最小電流設(shè)定為10 mA，對(duì)負(fù)載電流進(jìn)行 DC掃描如圖10所示，當(dāng)電流從 0增至10 mA時(shí)，DP開始開啟，輸出關(guān)斷，從而達(dá)到了保護(hù)電路的目的。

圖10 過流保護(hù)功能仿真

2.5 過溫保護(hù)功能仿真

如圖11所示，從正方向和負(fù)方向分別做溫度掃描，溫度正向變化時(shí)，當(dāng)溫度達(dá)到150℃時(shí)，過溫信號(hào)HOT變?yōu)楦唠娖?，過溫保護(hù)功能開啟；負(fù)方向掃描時(shí)，溫度降至145℃時(shí)，HOT變?yōu)榈碗娖?，芯片重新正常工作，溫度迴差?℃。

圖11 過溫保護(hù)功能仿真

3 結(jié)論

本文基于XFAB 0.35 μm工藝，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求，完成了一款應(yīng)用于電池管理芯片中穩(wěn)壓模塊的設(shè)計(jì)，負(fù)載電流為4 mA，輸入電壓在10 V～60 V范圍內(nèi)，模擬電源電壓與數(shù)字電源電壓變化分別為12 mV、0.12 V；負(fù)載電流 4 mA，溫度-45℃～125℃內(nèi)，模擬電源電壓變化6 mV，溫漂系數(shù)為7.8 ppm/℃，數(shù)字電源電壓變化0.76 V；電源正常上電及二次掉電情況下，復(fù)位電路能夠穩(wěn)定可靠工作，復(fù)位脈沖寬度為1.6 ms；AVDD過流保護(hù)功能在在負(fù)載電流高于10 mA時(shí)開啟，過溫保護(hù)電路溫度迴差為5℃。

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Design of voltage regulator module in battery monitoring chip

Zhang Meng1，2，Lin Min1，Cheng Xinhong1，Li Xinchang1，2，Wu Zhonghao1
(1.Shanghai Institute of Micro-System and Information Technology，Chinese Academy of Science，Shanghai 200050，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing100049，China)

This paper presented a voltage regulator module,which was applied in the battery monitoring chip and provided analog power supply voltage and digital power supply voltage for the whole chip.In this design,band-gap reference circuit generated analog power supply voltage stably,digital power supply voltage was gained by adding the gate-source voltages.This circuit was designed by XFAB 0.35 μm standard CMOS process and Cadence Spectre simulations showed that the change of the analog power supply voltage was12 mV when the load current was 4 mA and the battery voltage was from10 V to 60 V，the variation of the analog power supply voltage was 6 mV and the temperature coefficient was 7.8 ppm/℃ in the temperature range of-40℃～125℃and the load current was 4 mA;The change of the digital power supply voltage was 0.12 V and 0.76 V respectively,they were all qualified in the actual applications.This module could provide power-on reset signal reliably and also have functions of over current protection and temperature protection.

battery monitoring；voltage regulator module；power-on reset；over-current protection；over-temperature protection

TN495

：ADOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.06.036

張萌，林敏，程新紅，等.電池監(jiān)測(cè)芯片中穩(wěn)壓模塊的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(6)：132-135.

英文引用格式：Zhang Meng，Lin Min，Cheng Xinhong，et al.Design of voltage regulator module in battery monitoring chip[J]. Application of Electronic Technique，2016，42(6)：132-135.

2015-12-02)

張萌(1988-)，男，碩士研究生，主要研究方向：模數(shù)混合集成電路設(shè)計(jì)。

國家極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目（2012ZX02503-003）