一種用于鋰電池保護芯片的關鍵電路研究

胡丹丹，鮑嘉明，寧可慶

（北方工業(yè)大學電子信息工程學院微電子系，北京100144）

隨著便攜式電子設備的興起，鋰電池由于其優(yōu)良的性能：體積小、重量輕、能量密度高、壽命長、無記憶效應、無污染等，使它得到廣泛的應用。隨著科技的發(fā)展，一節(jié)鋰電池已不能滿足性能日益增強的電子設備，往往采用多節(jié)鋰電池串并聯滿足電壓電流要求。但是由于鋰電池極易受到損壞，在充放電過程中可能會發(fā)生過充、過放、過流等情況，輕微可能導致電池使用壽命降低，嚴重時可能會發(fā)生爆炸，所以多節(jié)鋰電池保護電路變得尤為重要，從而防止上述情況的發(fā)生[1-3]。

由于鋰電池保護電路的應用環(huán)境，為了延長電池的工作時間，通常要求芯片的功耗非常小。然而傳統(tǒng)的鋰電池保護芯片過充和過放比較器往往分開來做[4-9]，每節(jié)電池分別需要一個過充比較器和一個過放比較器，增加了整體保護電路功耗[10-16]。

文中基于華潤上華0.5 um BCD工藝設計一個低功耗的鋰電池過充、過放比較器。

1 過充、過放比較器電路結構

文中給出的低功耗、鋰電池過充過放比較器原理圖如圖1所示。

圖1 過充過放比較器

圖1中的比較器包括:電壓采集模塊（R0、R7），其中R7為可變電阻，比較模塊（PM1、PM2、Q1、Q2、R5、R6），兩個反相器和一個施密特觸發(fā)器。VDD為單節(jié)鋰電池的正極，gnd為單節(jié)鋰電池的負極；PM1/PM2為電流鏡負載，R6作為負反饋電阻，使電路穩(wěn)定工作。

該比較器的創(chuàng)新點是：利用三極管的開啟電壓來設計比較器的翻轉閾值，從而設計保護電路的翻轉閾值，降低保護電路功耗。

此比較器的工作原理為：由于R7/R0比值不同，使電阻R7分壓不同，當COMP_IN的值小于某個值時，Q1，Q2截止，PM1、PM2也截止；當COMP_IN大于某個值時，三極管導通，BIP_OUT翻轉。當VDD從3.6 V上升到5 V時，調節(jié)R4的阻值，使它在VDD為4.28 V時翻轉（其中4.28 V為鋰電池的過充閾值）；當VDD從3.6 V下降到2 V時，調節(jié)R4的阻值，使它在VDD為2.8 V翻轉（其中2.8 V為鋰電池的過放閾值）。電路圖中的反相器和施密特觸發(fā)器的作用均為使比較器快速通過過渡區(qū)，使比較器翻轉更快。當鋰電池充電時，VDD為4.28 V時，比較器輸出為高電平，表明電池過充；當鋰電池放電時，VDD為2.8 V時，輸出為低電平，表明電池過放。即此比較器完成了檢測鋰電池在充放電過程中的過充、過放檢測。

2 仿真結果分析

為了驗證比較器電路是否完成設定功能，給整體電路添加相應的測試信號，對比較器電路進行相應仿真。

2.1 鋰電池充放電狀態(tài)下的仿真

首先對充放電狀態(tài)下的鋰電池進行驗證，設置適當的仿真條件對測試電路進行仿真，如圖2和圖3所示。

圖2所示為驗證鋰電池充電狀態(tài)的整體電路的仿真結果，從圖中可以看出當VDD從3.6 V上升到4.28 V時，比較器翻轉，輸出為高電平，表明鋰電池過充電；當VDD從過充狀態(tài)轉換到4.079 V時，比較器輸出由高電平轉換為低電平，鋰電池恢復正常工作狀態(tài)。

圖2 鋰電池充電狀態(tài)（翻轉閾值為4.28 V和4.08 V）下的仿真曲線

圖3所示為驗證鋰電池過放電狀態(tài)的整體電路的仿真結果，從圖中可得出當VDD從3.6 V下降到2.801 V時，比較器翻轉，輸出為低電平，表明鋰電池過放電，；當VDD從過放狀態(tài)轉換到3.0 V時，比較器輸出由低電平轉換為高電平，鋰電池恢復到正常工作狀態(tài)。

2.2 靜態(tài)電路功耗仿真

由于過充過放比較器的功耗是由鋰電池提供的，故需要降低比較器電路的功耗。

如圖4所示為仿真比較器電路的功耗曲線，從圖中可以看出在VDD為typical 3.6 V下，電路的功耗為7.781 μW，實現了電路低功耗。

2.3 不同CORNOR和溫度下的仿真

由于鋰電池保護電路的應用環(huán)境的溫度不同，制造工藝也存在一定誤差，需要驗證一下不同溫度、不同CORNOR下的電壓比較器的翻轉閾值，如圖5和圖6所示為不同條件下的模擬鋰電池充放電情況下的仿真曲線。

圖3 鋰電池放電狀態(tài)（翻轉閾值為2.8 V和3.0 V）下的仿真曲線

圖4 靜態(tài)電路功耗

圖5 鋰電池充電狀態(tài)（翻轉閾值為4.28 V和4.08 V）下的不同CORNOR和溫度下的仿真曲線

圖6 鋰電池放電狀態(tài)（翻轉閾值為2.8 V和3.0 V）下的不同CORNOR和溫度下的仿真曲線

分析圖5和圖6中的CORNOR仿真曲線，可得出在不同PVT下的過充過放閾值偏差為±326 mV，遠大于電路設計的精度。

2.4 電阻熔絲修調

造成翻轉閾值較大偏差是由于電壓比較器的翻轉與三極管的VBE有關，可對比較器電路中R5進行電阻熔絲修調，修調模塊如圖7所示。

圖7 電阻修調模塊內部結構

輸入輸出口TM0～TM4及V_COMP連接 PAD，通過PAD之間的熔絲是否熔斷，來確定這6個輸入輸出口之間連接5個開關K0～K4的斷開與閉合。假設熔絲斷開K=1，熔絲閉合K=0，那么用5位二進制數表示5個開關的狀態(tài)。如00001表示開關K0斷開；00101表示開關K0和K2斷開。

表1為trimming修調向量表，列出了trimming電阻與閾值電壓的變化之間的關系。通過trim可以將偏低的閾值電壓調回，基本應該是trim一次左右就可以調回來，但必須按照給出的trimming修調向量表進行。設計最小能trim 10 mV；最大能trim 318 mV（5個trimming接口全部燒斷）。

表1 trimming修調向量表（單位：mV）

表2 （續(xù)）trimming修調向量表（單位：mV）

3 結 論

仿真結果顯示，實現使用單個比較器就完成常規(guī)鋰電池保護芯片過充、過放狀態(tài)的保護功能，降低了鋰電池保護電路的功耗，使保護電路的翻轉閾值與預設值：功耗為7.781 μW；過充閾值（理想：4.28 V實際：4.28 V）、過充釋放閾值（理想：4.08 V實際：4.079 V）、過放閾值（理想：2.8 V 實際：2.801 V）、過放恢復閾值（理想：3.0 V實際：3.0 V）偏差在2 mV左右；通過修調也可使不同CORNOR下的閾值滿足偏差在10 mV以內，基本上完成了設計目標。