（微电子学与固体电子学专业论文）低功耗锂电池保护电路的设计.pdf

摘要 随着便携式电子产品的日益普及，作为电源的电池市场正迅速拓宽。而锂电 池的众多优点使它得到了更广泛的应用。但是由于锂电池极易受到损坏，实际应 用中锂电池需要与保护芯片配合使用。锂电池保护电路的应用环境又要求它必须 在低功耗、低电压下工作。因此设计一款低功耗，高精度的锂电池保护芯片具有 很强的实用性及广阔的市场前景。 本文的设计工作来源于西安电子科技大学电路设计研究所的科研项目。论文 详细介绍了一款低功耗、高精度的锂电池保护芯片) c 1 3 的设计流程，包括芯片 结构的设计方案、系统功能的电路实现以及系统功能的仿真验证。本文首先从锂 电池保护电路的应用方式和基本功能入手，分析和设计了锂电池保护电路的系统 结构，并在此基础上设计实现了芯片如c 1 3 的整体电路。 通过功耗管理和采用基于亚阈值m o s 管的电路，该芯片静态工作电流约为 3 州，休眠状态下消耗电流仅为3 6 6 3 砷，在实现了基本锂电池保护功能的同时并 在功耗方面达到了设计的目标。在c a d e n c e 环境下进行逻辑功能的仿真验证，仿真 结果表明电路完全实现了各工作模式下的功能要求，并且电路的性能满足预期的 指标要求。 关键词：亚阈值低功耗保护电路锂电池 a b s t r a c t w m 恤p o p u l 撕刎i o no fp o r t a b l ee l e c 昀1 1 i cd e v i c e s ，t l l em 破e to ft l l eb a n e r i e s w m c ha r eu s e d 弱t l l ep o w e rs u p p l yo fe l e c 仃o m cd e v i c e si sb o o i l l i n g l i 1 i 啪一i o n b a l t e d ri sm o r e 埘d e l yu s e dd u et om 狮ya d v a l l 住喀e s s i i l c em el i t l l i u i n i o nb a t t e 巧i s e 硒i l yt 0g e td e s 臼o y e d ，i tm u s tb ew o r k e d 诵廿lap r o t e c t o ri i lp 眦t i c a lu s e t h e a p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n to ft l l ep r o t e c t o rr e q u h dt l l a ti tc 觚b ew o r k e d 晰ml o wv o l t a g e 觚dl o wp o w e r s oi ti so f g r e a ta p p l i c a t i o n 锄dab r o a dm 砌【e tp r o s p e c tt 0d e s i 弘al o w p o w e r 、k g ha c c m a c yl i 也i u m i o nb a t c e l r ) rp r o t e c t i o nc t l i p n l ep a p e ri sb a s e do n 舭p r o j e c to fi n s t i t u t eo fe l e c t r o n i cc a do fx i d i 孤 u n i v e r s i t y a 咖p o w e r 、k 曲a c c u r a c yl i t l l i 啪- i o nb a t t e d rp r o t e “o nc l l i p1 1 a m e d x d c l3 ，i sd e s c r i b e di i ld e t a i l ，i n c l u d i n g 龇s y s t e mp r o j e c to 唱a n j 捌i o i l c i r c u i t r e a l i z a t i o nf o rs y s t e m 凡n c t i o na n ds i i l l u l a t i o nf o rs y s t e m 血n c t i o n t l l i sp a p e rb e g i n s 晰mt h e 砷d u c t i o nh o wt 0u s et h el i t h j 啪- i o nb a t t e 巧p r o t e c t o r 锄dw h a ta r ei t s 如n c t i o n s ，m e ni t ss y s t e mg t m c t u 】r ei sa l s o 锄a l y z e da n dd e s i 弘e d b a s e do nt l l e d i s c u s s i o na _ b 0 v e ，m ew h o l ec i r c u i to fx d c13i sd e s i g n e d t h eb l o c kc o i l s 啪e sal o wc 1 胂e n t 晰t l l3 纠，e v 朗3 6 6 3 叫i i ld o 肌锄p e r i o d ，b y a d o p t i i l gp o w e rm a i l a g e m e n ta n dt l l ec i r c u i tb a s e d0 ns u b - t h r e s h o l dm o s f e t ，s oi tc 觚 s a t i s 匆m ed e m 觚d so fb a t t e r yp r o t e c tf h n c t i o na sw e l l 弱m e e tn l e9 0 m i i lp o w e r t h c s i i i l u l a t i o n 赳l d 痂f i c a t i o nh a v ec o m p l e t e dm l d e rc a d e n c ee n v i r o 砌e n t 粕dt l l er e s u l t s o fs i m u l a t i o ni i l d i c a t e l a tt 1 1 ec 印a b i l i 够o fc l l i pi se x c e l l e 咄c 趾r e a l i z ev a r i e t ) ，t a 增e t 劬c t i o i l sa n dg e tt oa n t i c i pa ：t d b l es p e c i f i c a t i o n k 哪r o r d ： s 出m r e s h o l d l o w - p o 、v e r p r o t e c t i o nc i r c l j i tl i i o nb a 舵巧 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究 成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切法律责任。 本人签名：整磊日期：丝丝：生! z 西安电子科技大学 关于使用授权的声明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业 离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学 校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证， 毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本人签名： 导师签名： 移磊 日期：一斜生，叩 半 醐： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 随着科学技术的不断进步与发展，越来越多的便携式电子产品诸如移动电话、 笔记本电脑、p d a 、数码摄像机不断涌现，极大的丰富和方便了人们的生活。现 在这些便携式电子设备已经成为人们生活中不可缺少的一部分，并且有着极为广 阔的市场前景和发展空间。由于这些电子产品均朝小型化、轻型化、可携带化方 向发展，对其使用的电源也提出了更高的要求。因此对于体积小、重量轻、能量 密度高的二次电池需求相当迫切。相对于镍镉、镍氢电池，锂电池由于具有体积 小、质量轻、能量密度大、无记忆效应、使用寿命长、使用范围广、工作电压高 和自放电率低等优点，使得锂电池成为了应用最广的二次电池【l 捌。 另一方面，锂电池与镍镉、镍氢电池的不同之处在于锂电池必须考虑充电、 放电时的安全性，以防止电池特性劣化甚至电池烧毁【3 ，4 】。由于锂电池能量密度高， 在过度充电状态下，电池温度上升后能量将过剩，于是电解液分解而产生气体， 容易使内压上升而产生自燃或破裂的危险；反之，在过度放电状态下，电解液因 分解导致电池特性及耐久性劣化，降低可充电次数，缩短了电池使用寿命。因此 对锂电池的保护非常重要，锂电池应用中必须要有电池保护芯片，来防止电池的 过充电、过放电和过电流。 综上所述，锂电池保护电路的设计是十分重要的。但是锂电池保护电路会增 加电池能量的额外损耗，减少电池的应用时间，这就要求锂电池保护电路要能在 高精度下实现低功耗。一款锂电池保护芯片除了要能完成过充电保护、过放电保 护和过电流保护等基本功能外，还要满足以下要求这也是本文所设计芯片的 目标。 ( 1 ) 超低功耗。锂电池保护电路在工作时，其消耗的功耗就是电池的损耗。因此， 我们要把锂电池保护电路的功耗降到最低。 ( 2 ) 高精准检测电压。为了使锂电池保护电路对于电池的不同工作状态做出正确的 响应，保护电路必须能精准的检测出过充保护电压、过放保护电压等电压参数。 ( 3 ) 大电压范围下正确工作。由于锂电池保护电路的供电电压为电池电压，而电池 电压可在较大范围内浮动，故要求锂电池保护电路在该电压范围内能正确地工 作。 2 低功耗锂电池保护电路的设计 1 2 锂电池及其保护电路的介绍 目前使用的各类电池中，锂电池( 也称锂离子二次电池或锂离子蓄电池) 是近 十几年才发展起来的一种新型电源【5 一。锂电池有别于一般的化学电源，其充放电 工作过程是通过锂离子在电池正负极中的嵌入和脱嵌来实现的。锂电池的负极是 碳素材料，例如石墨；正极是含锂的过渡金属氧化物，例如钴氧化锂( l i c 0 0 2 ) 。 并且锂电池正负极材料均采用锂离子可以自由嵌入和脱离出的具有层状结构的锂 离子嵌入化合物，处于层间的锂离子，在适当的电解液中，会发生电化学反应。 充电时，在外部电场的驱动下锂离子从正极晶格中脱出，经过电解质，嵌入到负 极晶格中。放电时的过程正好相反，锂离子返回正极，电子则通过外部电路到达 正极与锂离子复合。 与常用的镍镉、镍氢电池相比较，锂电池有许多优越特性【_ 7 叫，主要表现在以 下几个方面： ( 1 ) 锂电池供电电压高，一般为3 6 v ，约为镍镉电池、镍氢电池电压的3 倍。对 于供电电压要求较高的电子设备，电池组所需串联电池数也可大大减少。因此 组合使用的锂电池容易获得更高的电压。 ( 2 ) 比能量高，即同重量的锂电池提供的能量比其它电池高。锂电池的比能量一 般为镍镉电池、镍氢电池的2 3 倍。因此有利于便携式电子设备小型轻量化。 ( 3 ) 无记忆效应。镍镉电池、镍氢电池都有记忆效应，必须进行定期放电，否则 就会因记忆效应导致电池失效。而锂电池无记忆效应，不必理会残余电量的多 少，可直接进行充电。这样就使锂电池效能得到充分发挥。 ( 4 ) 使用寿命长。锂电池采用碳负极，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，锂电池的循环寿命可达 5 0 0 0 次以上，远远高于其它各类电池。 ( 5 ) 工作环境温度范围宽，一般可在一3 0 川0 之间工作，具有优良的高低温 放电性能。 ( 6 ) 自放电率低。自放电率又称电荷保持率，是指电池放置不用时自动放电的多 少。锂电池的自放电率为2 5 ，镍镉电池在2 5 3 0 之间，镍氢电池在 3 0 3 5 之间。因此，同样环境下锂电池保持电荷的时间最长。 ( 7 ) 锂电池不含任何汞、镉等有毒元素，是真正的绿色环保电池。 基于以上优点，锂电池被广泛应用在便携式电子设备中。而另一方面，锂电 池因其能量密度高，使得难以确保电池的安全性。具体而言，在过充电状态下， 电解质会被分解，使得电池内部的温度和压力上升；在过放电状态下，负极中的 电解材料铜会熔化而造成内部短路，使温度升高：在外部电路短路或放电电 第一章绪论 3 流过大时，由于高内阻的特性，电池内部功率消耗增加，温度也会上升，可能引 起电解液的氧化或分解，导致锂电池寿命缩短。除此之外，假若锂电池进行过度 的放电，则会使电池内的电解液产生变化，可循环充电的次数会因此而减少，进 而影响锂电池的使用寿命。 由于锂电池存在上述所分析的缺点，在锂电池的应用中必须加上保护电路。 保护电路的基本功能也要和上述缺点相对应，于是我们要求锂电池电源保护芯片 要能实现以下几个最基本的功能：过充电保护、过放电保护、过电流保护以及短 路保护。 由以上锂电池的应用要求可知，为提高锂电池的使用寿命并保证电池的安全 使用，锂电池保护电路需要具有以下功能： ( 1 ) 如果充电电压超过电池允许的最大值， 能够提供电池放电回路。 ( 2 ) 如果放电电压低于电池允许的最小值， 能够提供电池充电回路。 则切断电池与外部电路的连接，并且 则切断电池与外部电路的连接，并且 ( 3 ) 如果电池的充、放电电流大于极限值，则切断电池与外部电路的连接。 ( 4 ) 当电池回复正常状态后，保护电路应能相应的解除保护状态，使电池能够继 续正常工作。 1 3 本文的主要研究内容 本论文旨在设计一款超低功耗锂电池保护芯片。设计的内容包括芯片电路的 设计、电路的仿真验证以及版图设计。 论文结合实验室科研项目，利用e d a 工具c a d e n c e 硬件开发平台，实现所要求 的设计。论文全文共分六章，第一章是绪论，主要介绍了本论文的三个设计目标 及本课题研究的背景，论述了本文研究的意义；第二章详细介绍了所设计的芯片 x d c l 3 的系统结构及其工作原理；第三章是本文的重点，对低功耗模拟集成电路 的设计方法进行研究，介绍了m o s 管亚阈值区模型并在此基础上对基准模块进行 电路设计；第四章介绍了芯片x d c l 3 中一些具体电路模块，包括比较器的设计， 振荡器的设计以及延时电路的设计，并对各个子模块做了仿真以验证电路设计的 正确性：第五章是对系统整体的仿真验证，得到了锂电池保护电路在各个工作状 态下的典型特性曲线，验证了所设计芯片的正确性；第六章是芯片版图设计，介 绍了b i c m o s 工艺及设计芯片版图时所采用的版图设计技术，给出了基准的版图。 第二章系统结构及工作原理 5 第二章系统结构及工作原理 2 1 应用方式 电源保护芯片c 1 3 与外界的连接方式如图2 1 所示i m l 4 。v c c 和g n d 分 别为芯片的电源和地，用于检测电池两端的电压。其中o c 为过充检测输出，外 接n m o s 管m 2 ；o d 为过放检测输出，外接n m o s 管m l ；c s 为电压检测端， 实现过流检测、短路检测和充电检测：d 1 和d 2 分别为m l 与m 2 的寄生二极管， 它们的作用是当其中一个控制充放电的m o s 管关闭时，电路中仍然会形成充电 或者放电回路，保证系统在过充电状态下能够放电，在过放电状态下能够充电。 t d 为芯片延时时间设置脚，一般情况下端口悬空。b 册和b a l m 在电池充电 时接充电器，在电池放电时接负载。 通常在锂电池保护电路的工作过程中会有干扰存在，因此在外围电路中加入 电阻r 1 和电容c 1 构成平滑滤波电路，以有效滤除干扰信号并减小输入芯片的毛 刺，防止干扰信号的引入使保护电路产生误动作。同时，保护电路在进行电压检 测时，检测电压由电阻分压电路产生，此时若r l 的阻值太大，电路内部电阻分 压电路的电流将减小，从而导致检测电压精度变低。综合考虑以上因素，电阻r 1 取值为1 0 0 q ，电容c l 取值为o 1z 。 图2 1x d c l 3 典型应用电路图 电阻r 2 是充电器电压超过电路额定电压值时的限流电阻，以控制过电流的 大小。若r 2 取值过小，保护电路的功耗可能会过大以至于电池保护芯片无法实 6 低功耗锂电池保护电路的设计 现低功耗设计；若i 也取值过大，则可能使电池在进入过放电保护状态后，即使 外接电源也无法复原。综合考虑设定r 2 为l k q 。 电池保护电路通过监视v c c 和a 岣之间的电池电压以及c s 和g n d 之间 的电压来控制电池的各种状态。如果v c c 在过放电检测电压和过充电检测电压 之间，并且c s 电压高于充电器检测电压、低于过流检测电压，电路就正常工作。 为了有效降低电池功耗，m 1 和m 2 应采用导通电阻很小的功率管。除此之 外还要求在它们关断时，其源漏击穿电压要能经受所有情况下的充电器或负载连 接。一般来说，m l 和m 2 可以采用n m o s 管也可以用p m o s 管。为了减小导通 电阻，一般都采用n m o s 管。m o s 管的导通电阻为： 1 2 面丽而而习而 2 1 ( 2 - 1 ) 式中“为迁移率，c 矗为氧化层电容，w 为沟道宽度，l 为沟道长度， 为栅源电压，为阈值电压。因为电子迁移率材。比空穴迁移率甜。大，所以n m o s 管的导通电阻比p m o s 管小。 为了保证芯片的正常工作以及应用安全性，有必要确定芯片x d c l 3 的工作 范围。外围电路连接的器件指标绝对最大额定值无论在任何条件下都不能超过表 2 1 的额定值。万一超过此额定值，有可能造成锂电池保护芯片的损伤甚至毁坏。 表2 1 ) c 1 3 绝对最大额定值及工作范围 参数符号参数范围单位 电源电压 v c c g n d 0 3 g n d 牛l o v o c 输出管脚电压v o cv c c 2 4 v c c + 0 3 v o d 输出管脚电压 v o dg n d - o 3 v c c + 0 3 v c s 输入管脚电压 v c sv c c 2 4 v c c + 0 3 v 工作温度 t o p- 4 0 + 8 5 存储温度t s t- 4 0 + 1 2 5 2 2 工作原理 正常工作时m 1 和m 2 导通，充电时b 御盯+ 与b 御限之间外接电源，电流由 b a 订+ 逆时针流向b 舢限；放电时b 孙与b a 丌- 之间外接负载，电流由b 册 顺时针流向b 触限。当发生过充电时m 2 关断，断开充电回路，此时可以通过对 负载放电或者电池自放电结束过充，放电电流流过m 2 的寄生二极管d 2 ；当发生 过放电时m l 关断，断开放电回路，此时可通过接入充电器给电池充电结束过放， 充电电流流过m 1 的寄生二极管d l 。当发生过流或者短路时m 1 关断，断开回路， 保护电池不会因电流过大而烧毁。 第二章系统结构及工作原理 7 下面根据锂电池的工作原理定义五种不同的工作状态。 ( 1 ) 正常状态 此时电池电压在过放电检测电压( v o d p ) 以上且在过充电检测电压( v o c p ) 以 下，c s 端的电压在充电器检测电压c h ) 以上且在过电流检测电压( v o l l ) 以下， o c 端控制的m 2 和o d 端控制的m 1 均开启，这时可以对电池进行自由的充电和 放电，这种状态称为正常状态。 ( 2 ) 过充电状态 当保护电路检测到电池电压超过过充电检测电压( v o c p ) ，并且保持时间在过 充电检测延迟时间( t o c ) 以上时，o c 端控制的m 2 关断，停止充电，这种状态称 为过充电状态。 ( 3 ) 过放电状态 当保护电路检测到电池电压低于过放电检测电压o d p ) ，并且保持时间在过 放电检测延迟时间( t o d ) 以上时，o d 端控制的m 1 关断，停止充电，这种状态称 为过放电状态。 ( 4 ) 过流状态 当保护电路检测到c s 端电压高于过电流检测电压0 1 1 ) ，并且保持时间在 过电流检测时间( t o l l ) 以上时，o d 端控制的m 1 关断，停止充电，这种状态称为 过流状态。 ( 5 ) 短路状态 短路状态下锂电池保护电路的动作与过流状态基本相同，只是此时c s 端电 压更高，为短路检测电压( v o l 2 ) ，并且保持时间更短，为短路检测时间( t o l 2 ) 。 最终结果也是通过o d 控制m l 关断。 设计锂电池保护电路的要点就是要在尽可能低的功耗下使保护电路根据锂电 池的电压完成不同状态间的切换，实现正确的保护功能。锂电池保护电路的工作 时序主要包括以下几种情况。 ( 1 ) 过充电状态一电池自放电一正常状态 如图2 2 所示，起初连接充电器给电池充电，当电池电压超过过充电检测电 压o c p ) 且保持过充电延迟时间( t o c ) ，o c 端输出电压从v c c 降低到v c s ( v c s 为c s 端口电压) ，关断m 2 ，切断充电回路，进入过充电状态。由于电池自身特 性，电池通过m 2 的寄生二极管缓慢放电，当电池电压小于过充电释放电压o c r ) 时，o c 端输出电压v c c ，m 2 导通，释放过充电状态，进入正常状态。 8 低功耗锂电池保护电路的设计 l l l 7 么 ? ；= ：= ： 、 - |i | 一一一t 一一一一 l l 2 主 一一 l l l ； i l - 砸x o il 图2 2 状态时序图l ( 2 ) 过充电状态一负载放电一正常状态 电池 如碱 电池电 o c 竹翻 臂押 ； i 鼯臂脚 v o l ll l 一 | | 。1 一 l l ：|l i l i ll ：|li i；i l li=：， - _ “二： m - - h 一 | l：l _ k _ i 一。jh l 1 1 n r 图2 3 状态时序图2 第二章系统结构及工作原理 9 如图2 3 所示，起初连接充电器给电池充电，当电池电压超过过充电检测电 压o c p ) 且保持过充电延迟时间( t o c ) ，o c 端输出电压从v c c 降低到v c s ，关 断m 2 ，切断充电回路，进入过充电状态。当连接负载时，电路通过m 2 的寄生 二极管放电，当电池电压小于过充电检测电压o c p ) 时，o c 端输出电压v c c ， m 2 导通，释放过充电状态，进入正常状态。 ( 3 ) 过放电状态一充电器充电一正常状态 i 缸泡 负搜 电擒电压 v 铂n v 口味 d 曩 i r 管脾 w 】r a 管膨 v 婶 c c s 管庸 v t t 喇2 b n v l l l ；l i l ； i l l i l l 呈 l l l1 r 一一 l ill 1 f r 一一一z ： 二 l l k - - _ j 一 | f i ll 1 ! | | | i l l 1 l 1 l1 ； | i l i | i l i i i i l lil ； | | | ll l l l ! ! il ； i l | l ： i l ii l l ；iil li i il i i i i ； l i i i | li 御! ；i 1 1 一 |l | l | | ， j i il i 。1 r 一f i 图2 4 状态时序图3 如图2 4 所示，起初连接负载，电池放电，当电池电压低于过放电检测电压 o d p ) 且保持过放电延迟时间( t o d ) ，o d 端输出电压从v c c 降低到g n d ，关 断m l ，切断放电回路，进入过放电状态，此时c s 端被拉到v c c 。若此时通过 m l 的寄生二极管给电池充电，则电池电压大于过放电释放电压( v o d r ) 时，o d 端输出电压v c c ，m l 导通，释放过放电状态，进入正常状态。此外，如果在过 放电状态下有一个充电器连接电池且v c s 和v c c 分别满足v c s v o d p ，则m l 开启并返回到正常模式。 ( 4 ) 过流( 短路) 状态一正常状态 1 0 低功耗锂电池保护电路的设计 l l 池 蹙蓑 腿准l 岖 1 ， v w 瑚 v 付 睨臂辫 w c 俘 嚣脚 它c c 岛钟 c s 管辫 t + l 砌l 心n i 一 l ! ； | 一 i 一一一一- 三j 奠一 一i 一 蚌 l 一 ie ：l l ；l |i 1 l i；器 i l 状态时序图4 5 所示，在正常状态下，当放电电流太大时，由c s 管脚检测到电压大 于vx(voil或vol2)，并且延迟大于1o(tdll或1012)，则代表过电流(短 路)。m1关闭，cs通过内部电阻拉到vcc。当保护电路保持在过电流短路 状态移去负载或介于b朋厂r+和b御限之间的阻抗大于500妯，并且 v c v o i l ，那么m 1 开启，并返回到正常状态。 2 统结构 讨论的功能设计，可以得到如图2 6 所示的锂电池保护电路x d c l 3 的系构图ll扣181。由图26我们可以看出芯片主要由电压采样电路，时钟电路， 控制和五个比较器构成。五个比较器分别为过充比较器、过放比较器、过流 比较短路比较器和充电检测比较器。它们将由外部引脚获得的电压与内部设 定的比较，将结果送至由时钟电路控制的逻辑电路，由逻辑电路控制od和 oc出。 第二章系统结构及工作原理 图2 6 ) ( d c l 3 系统结构图 为了防止干扰信号使锂电池保护电路发生误动作，在控制逻辑模块中设计了 延时电路【1 9 2 2 1 。当保护电路检测到非正常信号后，延时一段时间再改变o d 或 o c 的电平。例如当检测到v c c v o c p 时o c 并不立即跳为低电平，而是在延时 t o c 之后再跳变，防止电路由于干扰信号而误动作。根据过充电、过放电、过电 流对锂电池的危害程度设置不同的延时时间。例如短路对锂电池的危害比过流的 危害大，因此过流保护延时时间t o i l 设计值为1 0 脚，而短路保护延时时间t o l 2 设计值仅为5 船。 在过充电状态下，锂电池保护电路要防止发生过流保护。这是因为锂电池在 过充电状态下接上负载，在放电的时候放电电流有可能较大，以至于c s v o l l 发生过流保护而关断放电回路。这样以来一旦锂电池进入过充电状态就可能由于 不能放电而无法返回正常状态。所以在过充电状态下要禁用过流保护，在过充电 状态结束后重新启用。同样在过放电保护状态下，也要禁用过流保护起作用。 为了在锂电池电压较低时减小功率损耗，我们在芯片中加入了待机状态电路， 其设计思想是当锂电池保护电路进入过放电状态时，产生一个待机状态信号，使 锂电池保护电路中的多数模块停止工作，进入休眠状态，从而最大限度的减少功 率消耗。 芯片的整体电路如图2 7 所示。其中，k 1 3 为电压采样模块( a d j u s t ) 的输出， k 8 为电压基准( v r e f ) 的输出。正常状态下k 1 3 小于k 8 ，过充比较器( c o m pe 1 ) 的输出硒2 为低电平。同理可知过放比较器( c o m pe 2 ) 的输出k 1 7 为高电平。 过流比较器( c o m pe 3 ) ，短路比较器( c o m pe 4 ) 和充电检测比较器( c o m pe 5 ) 分别将电压基准( v i 迮f ) 分压k 2 1 ，电流基准( i b i a s ) 输出k 4 ，电压基准( v r e f ) 分 1 2 低功耗锂电池保护电路的设计 压l q 6 与c s 端输入信号i q 0 相比较，使得正常情况下过流比较器( c o 岬3 ) 输出k 1 9 为低电平，短路比较器( c o 岬4 ) 输出l e l 2 为低电平，充电检测比较 器( c o m p e 5 ) 输出l e 9 为高电平。 图2 7x d c l 3 顶层电路图 根据锂电池保护电路的应用环境，制定芯片x d c l 3 的电参数指标如下( t = 2 5 ) 。 表2 2x d c l 3 电参数指标 参数符号测试条件最小值典型值最大值单位 工作电流 i c c v c c = 3 9y 3 o6 oz 4 待机电流p dv c c = 2 0yo 1z d 过充电检测电压 v o c p4 2 54 34 - 3 5 y 过充电释放电压 v o c r4 0 54 14 1 5 矿 过放电检测电压 v o d p2 3 02 42 5 0y 过放电释放电压 v o d r2 9 03 03 1 0y 过电流检测电压 v o l l1 2 01 5 01 8 0聊y 短路检测电压 v o l 2v c c = 3 6y1 0 01 3 51 7 0 y 过充电检测延迟时间 t o c8 02 0 0 m s v c c = 3 ，6 y 过放电检测延迟时间 t o d4 01 0 0 厢醛 2 0 y 过电流检测延迟时间 t o i l v c c = 3 6y 51 02 0 肌s 短路检测延迟时间 t o l 2v c c = 3 6y55 0 螂 第三章基准模块的低功耗设计 1 3 第三章基准模块的低功耗设计 3 1 低功耗设计技术 对于本论文所设计的锂电池保护电路而言，在其工作在正常状态时，电路的 功耗主要集中于基准电路中，而控制逻辑模块属于数字电路，其静态功耗几乎可 以忽略，所以如何降低模拟电路的静态功耗，成了设计重点。 随着c m o s 工艺水平的不断进步，m o s 器件的沟道长度相应变小，芯片集 成度也在提高，这就要求设计的芯片必须采用更低的电源电压和功耗。c m o s 工 艺具有的最大优势就是m o s 器件的尺寸可以等比缩小和很低的静态功耗。c m o s 工艺技术作为目前主流的集成电路工艺技术，已被广泛应用在集成电路的低压和 低功耗设计中。针对c m o s 模拟集成电路低压低功耗的电路设计，比较经济实用 的设计策略就是让m o s 器件工作在亚阈值区。由于m o s f e t 晶体管工作在亚阈 值区( 弱反型区) 时工作电流很小，有利于降低功耗，因此，近年来对m o s f e t 晶 体管亚阈值特性的研究十分重视。 在以往的分析过程中，我们通常假设当吆。 时，m o s f e t 晶体管中的电 流为零，但在实际情况下并不是这样的【2 3 1 。当降低至时，i d - 特性曲线 由平方关系转变为指数关系，这里是与仿真模型有关的阈值电压，其值要大 于。因此，大于的区域我们称之为强反型区，而小于的区域我 们称之为亚阈值区或弱反型区，如图3 1 所示。 图3 1m o s 管的亚阈值区特性 图3 1 中，m o s 管的跨导特性以电流平方根作为栅源电压的函数被画出。 当栅源电压达到时，电流变化从平方律变为指数律。 在s p i c el e v e l 3 模型中，为： 1 4 低功耗锂电池保护电路的设计 式中： = 巧+ 细 肚斗絮+ 竺掣耥净 n f s 是用来估计的参数，它可以通过实验测量获得。在亚阈值区， ，岱 ，漏极电流表达式如下： 式中k 给出如下： k 划啪扣( 訾) p 3 ， k = 髓刚卜巧一降) 斗蹦 c 3 q 磷小x p 栩 仔5 ， 巧有关。这两个参数一般由实验获得。典型的疗取值范围是l k 强 巧胃一1 0 0 肌y 中等反型 一1 0 0 m 矿 亚阂值区 表3 2 电流估计法 条件m o s 管状态 i d 、o i s 强反型 1 0 厶 如 0 1 l 中等反型 q 、i s l d 亚阈值区 1 2 3 3 l，l r-j 第三章基准模块的低功耗设计 1 5 其中厶称为中等反型特征电流： 厶：2 p 刀瞬军 ( 3 秭 对于警= 1 的n m 。s 管，岛的典型值在1 0 0 ，纠和5 0 0 蒯之间。对于譬= 1 的p m o s 管，的典型值在4 0 州和1 2 0 州之间。 亚阈值m o s f e t 小信号等效电路模型如图3 2 所示，电路模型与强反型区的 m o s f e t 等效电路一致。 g 图3 2 亚阈值m o s f e t 小信号等效电路 d 尽管m o s 管的亚阈值工作区技术特别适合应用到低压低功耗的电路设计中， 但它仍然存在不足之处1 2 5 州。首先，由于此时m o s 管的漏电流、保护环与衬底 间的漏电流与处于亚阈值工作状态下的漏源电流大小基本相当，已不能忽略，这 会影响电路在一定功耗下的增益。其次，工作在亚阈值区的m o s 管比工作在强 反型区的m o s 管具有更大的宽长比，会产生较大的寄生电容，造成器件的频率 响应较差，带宽较小，因而采用亚阈值技术的电路更多地应用于低速电路中，例 如此处实现的锂电池保护电路。另外，当。过小时，电路的线性度也会比较差。 上述缺点虽然限制了亚阈值工作区这一技术在电路设计中的应用，但在实际的电 路设计中，可以根据设计指标，对频率响应、功耗和芯片面积等因素进行折衷考 虑，找出相对较佳的设计方案。 3 2 电压基准电路 本节是后续章节进行电路模块设计的基础，为电路的其它模块提供相应的基 准电压，偏置电压。电压基准电路设计的好坏会直接影响整个芯片的性能。 随着现代高精度、低功耗电子产品的发展，对模拟集成电路的要求也越来越 高，而模拟集成电路中最重要的模块之一就是电压基准电路。基准电路就像一把 尺子一样成为衡量整个芯片性能好坏的标准，其精度和稳定性直接影响着整个芯 1 6 低功耗锂电池保护电路的设计 片的工作精度。电压基准是模拟集成电路设计中不可或缺的一个单元模块，它为 系统提供直流参考电压，对电路性能，例如运算放大器的电压增益和噪声，都有 显著的影响。因此，设计一个与温度关系很小的电压基准是非常重要的。在这里， 我们采用了最为常用的带隙电压基准电路结构。 7 0 年代初，维德拉首先提出能带间隙基准电压源的概念，简称带隙电压。所 谓能带间隙是指硅半导体材料在热力学温度为零度时的带隙电压，其数值约为 1 2 0 5 v 。带隙基准电压源的基本工作原理，就是利用电阻上压降的正温漂去补偿 三极管发射结正向压降的负温漂，从而实现了零温漂。因为它不使用工作在击穿 状态下的齐纳二极管，所以其噪声电压很低。 下面来介绍带隙基准电压源的基本原理。如果将两个具有相反温度系数的量 以适当的权重相加，那么结果就会显示出零温度系数【2 7 3 4 1 。例如，对于随温度变 a l ，a 1 ， 化向相反方向变化的电压k 和圪来说，选取系数a 。和口：使得a 。等+ a ：等= o ， 这样就可以得到具有零温度系数的电压基准。在半导体工艺的各种不同器件参数 中，双极晶体管的特性参数被证实具有更好的重复性，并且能提供正温度系数和 负温度系数的、严格定义的量。 ( 1 ) 正温度系数电压 早在1 9 6 4 年人们就认识到，如果两个双极晶体管工作在不相等的电流密度 下，那么它们的基极与发射极电压差值就与绝对温度成正比。 v c c 图3 3 产生正温度系数电压电路 如图3 3 所示，如果两个同样的晶体管偏置的集电极电流分别为，吃和，o ，忽 略它们的基极电流，则有： = 。一： = 讪鲁一仙去 l i s l l i s 2 = 巧l i l 甩 ( 3 - 7 ) 第三章基准模块的低功耗设计 1 7 上式两侧对温度求偏导，并将巧：坚代入可得： g 警：塑 ( 3 - 8 ) a 丁 g 、。 这个温度系数与温度或集电极电流的特性无关。 ( 2 ) 负温度系数电压 双极晶体管的基极与发射极电压差，或者说是p n 结二极管的正向电压，具 有负温度系数。对于双极晶体管，可以写出七= be x p ( 巧) ，其中饱和电流正 比于“七研，材为少数载流子迁移率，吩为硅的本征载流子浓度。甜与温度的关系 为”丁”，吩与温度的关系为砰丁3 e x p ( 二争) ，由此可以得到下式： 厶= 埘e x p 学) ( 3 - 9 ) 一f 其中6 是一个比例系数。现在就可以根据= _ l i l ( 毒) 来计算的温度系 数。为了简化分析，假设七与温度无关，可得： 鲁= 等h c 争嚣 仔呐 a 丁a 丁、，。7，。a 丁 、 由( 3 - 9 ) 式可得 等叫4 侧 x p 亭九务e 冲寺p 等州训争+ 奈，嵋 p 脚 厶a 丁 、 7 丁、七丁1 、。 由( 3 1 2 ) 式代入( 3 1 0 ) 式可得： 等：竺掣 p 聊 a 丁 r 上式中，巧= 等，乓1 1 2 p y ，m _ 1 5 。乓为硅的带隙能量，朋为迁移率 1 8 低功耗锂电池保护电路的设计 表现出一个固定的温度系数，那么在恒定基准的产生电路中就会产生误差。当 娟。聊y ，r = 3 0 0 0 k 时，鲁 - 1 勘k ( 3 ) 零温度系数的带隙基准 利用上面得到的正、负温度系数的电压，现在可以设计出一个零温度系数的 带隙基准。 v c c 图3 4 带隙基准电压源的原理示意图 图3 4 为带隙基准电压源的原理示意图。热电压哆在室温下的温度系数为 o 0 8 7 聊。k ，结电压在室温下的温度系数约为一1 5 m 吖。k 。将巧乘以系数k 并与相加可得输出电压： = + k 巧 ( 3 - 1 4 ) 上式对温度t 求偏导并令等k 瓦= 0 ，可求出k = 1 7 2 。即： = + 1 7 2 巧 ( 3 - 1 5 ) 得到了零温度系数的带隙电压基准 电压基准的等效架构如图3 5 所示。r l 、l 毪、i b 、q 1 和q 2 构成带隙电压产 生器，运算放大器脚r e f 构成的反馈网络，保证a 、b 两点电位相等。由于 q l 和q 2 上的电流变化速度不同，所以可能使a 点和b 点的电位不等。反馈的 过程为：当运算放大器的反相端b 点电压高于同相端a 点电压时，v i 迮f 电位被 拉“低”并使1 1 和1 2 的电流减小，把b 点的电位拉“低”；反之，当b 点电压低于 a 点电压时，v i 也f 电位被拉“高”并使i l 和1 2 的电流增大，从而把b 点电压抬“高”。 当电路正常工作且达到平衡态时，负反馈的结果使运放的输入端电压相等。 第三章基准模块的低功耗设计 1 9 图3 5 电压基准等效架构图 由上述分析可知： 圪= u 舾一q l = u 舾一口2 + 厶r 3 ( 3 - 1 6 ) ( 3 - 1 7 ) 落在电阻恐上的压降为： ，= = 舅一皿= 1 l l ( 丢) 一巧h l 晦) = 巧1 1 1 ( 捻) ( 3 。8 ) 上式中4 。、4 ：是q 、q 的发射区面积，其比值为1 ：n 。由于厶恐= 厶墨， 则 3 = 巧l i l ( 等) ( 3 1 9 ) 厶= 等= 击仙( 噜) ( 3 - 2 。) r 3尺l 1、 尺l 。 、。 厶= 厶+ 厶= ( 1 + 鲁) 去巧l n ( 鲁) ( 3 - 2 1 ) = - q l + 。= q l “。r 。= - 口l + 去巧l n ( 鲁) ( 3 - 2 2 ) 从( 3 2 2 ) 式中可得到基准电压只与p n 结的正向导通压降、电阻比以及q l 和 q 2 的发射区面积比有关，因此在实际的工艺制作中将会有很高的精度。当基准建 立之后，基准电压与输入电压无关。通过设定合适的工作点，便可以使两项之和 在某一温度下达到零温度系数，从而得到具有较好温度特性的电压基准。 此处以低功耗设计思想为指导来设计电压基准中的运算放大器。工作在亚阈 值区的运算放大器很有用，这是因为它不仅具有很小的静态电流，同时可以适应 较低的电源电压。运算放大器电路如图3 6 所示。 2 0 低功耗锂电池保护电路的设计 图3 6 工作在亚阈值区的两级运算放大器 8 峭叫栩 3 ， 对、，岱求导可得： 老唪寺x p 勒 仔2 4 ， 由此方程得跨导g 埘： 志厶 ( 3 - 2 5 ) 甩 ( 3 2 5 ) 式说明跨导与漏源电流为线性关系并且跨导与器件尺寸无关。在给定的 容性负载下，跨导直接影响着器件的最小噪声、驱动能力和带宽，所以可以使 m o s 管工作在亚阈值区，来获得给定电流下的跨导最大值。这些优点，在低电压 低功耗设计中非常具有吸引力。事实上，工作在亚阈值区的m o s 管跨导与双极 晶体管的跨导相似。此外类似于强反型区m o s 管，漏源电流厶与漏源电压的 关系如下： r、i 小譬叫栩卜嘲 ( 3 - 2 6 ) 其中a 是沟道长度的函数，其值并不一定和强反型区的沟道长度调制系数相 同。上式对求导可得： 第三章基准模块的低功耗设计 2 l 吃瓦 3 - 2 7 ) 同跨导g 肘一样，输出电阻乞与器件的宽长比无关。亚阈值区m o s 管单 级增益g 卅乞中我们唯一能够控制的参数为沟道长度调制系数允。考虑图3 6 所示 的放大器，可得其直流增益为： 4 0 = 2 6 9 。“( 2 6 乞1 1 ) ( 乞3 2 乞“) ( 3 2 8 ) 代入器件参数可