（微电子学与固体电子学专业论文）单节锂离子电池保护电路的设计.pdf

程剑平东南大学硕士学位论文 摘要 随着便携式电子产品的日益普及，作为其电源的二次电池市场正迅速拓宽。 而锂离子电池的众多优点使其成为t _ - 次电池的主流产品。但另一方面，由于锂 离子电池极易受到损坏，因此实际应用中每个电池都必须装有保护电路。锂离子 电池保护电路的用途和功能又要求它必须在低功耗、低电压下工作。正是在这一 背景下，本文结合实用工程产品项目，探讨了锂离子电池保护电路的设计，具有 较大的实用价值和理论价值。 本文首先从锂离子保护电路的应用方式和基本功能入手，分析和设计了锂离 子保护电路的系统结构：为了从电路上实现该系统，分析了弱反型m o s 器件的模 型，并对工作于弱反型区的基本模拟电路单元进行分析。在此基础上，对锂离子 电池保护电路中的模块进行了设计，主要模块包括：过充电检测电路、过放电检 测电路、过电流检测电路、负载短路检测电路、电平转换电路、电流电压基准电 路以及控制逻辑电路的延时电路和待机状态电路；最后对所设计的电路的进行了 模拟验证，结果符合设计要求。 关键词：锂离子，弱反型，待机状态，振荡器，比较器，基准 程剑平 东南大学硕+ 学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e p o p u l a r i z a t i o n o fp o r t a b l ee l e c t r o n i c d e v i c e s ，t h em a r k e to ft h e s e c o n d a r yb a 挝e d e s w h i c ha r eu s e da st h ep o w e rs u p p l yo fe l e c t r o n i cd e v i c e si s b o o m i n g a n dt h em a n ya d v a n t a g e so fl i t h i u mi o nb a t t e r ym a k ei tb e c o m et h em a i n s t r e a mo ft h es e c o n d a r yb a t t e r i e s o nt h eo t h e rh a n d s ，i ti s e a s yt og e td e s t r o y e d i n o r d e rt om a k ef u l lu s eo fi t s a d v a n t a g e s e v e r yl i t h i t m li o nb a t t e r ym u s tb ew o r k e d w i t hap r o t e c t o nt h ep u r p o s ea n df u n c t i o no ft h ep r o t e c t o rr e q u i r e dt h a ti tc a nb e w o r k e dw i t hl o wv o l t a g ea n dl o wp o w e r u n d e rt h i sb a c k g r o u n d ，t h i sp a p e rs t u d i e s t h ed e s i g no fl i t h i u mi o n b a t t e r yp r o t e c t o rc o m b i n e d w i t ht h er e s e a r c ho ft h e p r a c t i c a l p r o j e c t ，a n dt h i sw o r k h a v eg r e a t p r a c t i c a la n dt h e o r e t i c a lv a l u e s t h i s p a p e rb e g i n sw i t ht h ei n t r o d u c t i o nh o wt ou s et h el i t h i u mi o nb a t t e r y p r o t e c t o ra n dw h a ta r ei t sf u n c t i o n s ，t h e ni t ss y s t e ms t r u c t u r ei sa l s oa n a l y z e da n d d e s i g n e d i no r d e rt or e a l i z et h i ss y s t e m ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h em o d e lo ft h ew e a k i n v e r s i o nm o s f e t , a n dt h ea n a l o gc i r c u i tu n i t sw h i c ha r eb i a s e di nw e a ki n v e r s i o n b a s e do nt h ed i s c u s s i o na b o v e ，m a i nb l o c k so ft h es y s t e ma l ed e s i g n e d t h em a i n b l o c k sa r eo v e r c h a r g ed e t e c t i o nc i r c u i t ，o v e r d i s c h a r g ed e t e c t i o nc i r c u i t ，o v e r c u r r e n t d e t e c t i o nc i r c u i t ，l o a ds h o r t i n gd e t e c t i o nc i r c u i t ，l e v e ls h i f tc i r c u i t ，c u r r e n tr e f e r e n c e c i r c u i t ，v o l t a g er e f e r e n c ec i r c u i t ，t h ed e l a yc i r c u i ta n dp o w e r d o w nc i r c u i tw h i c ha r e i n c l u d e di nc o n t r o ll o g i cc i r c u i t a tl a s t ，t h i sp a p e rg i v e st h es i m u l a t i o nr e s u l t sw h i c h s h o wt h a tt h es y s t e ma c c o r d sw i t ht h ed e s i g ni n d e x e s k e y w o r d s ：l i t h i u m i o n ，w e a ki n v e r s i o n ，p o w e r d o w n s t a t e ，o s c i l l a t o r c o m p a r a t o r , r e f e r e n c e 学位论文独创性声明 y 0 4 5 2 1 8 、 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师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的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南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。 签名： 趁鱼翌 日期：! 型。口 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理 签名：导师签名： 。圹 辫 东南大学硕士学位论文程剑平 第一章引言 本章概要介绍了锂离子电池的优缺点和5 - 作原理，分析了锂离子电池保护电 路的特点和发展动态。最后简要介绍本文的组织结构。 1 1 锂离子电池概述 1 1 1 锂离子电池的工作原理【1 1 现在的锂离子充电电池，大多数都采用化合物钴氧化锂( l i c 0 0 2 ) 作正极。这 种化合物具有由1 个钴原子和2 个氧原子组成的层，在其层间是嵌入的锂离子。 处于层间的锂离子，在适当的电鳃液中，将发生电化学反应：锂离子脱离层阕鹄 反应为充电反应，锂离子嵌入层间的反应为放电反应。电解液采用有机溶媒，其 中溶解有电解质盐。 锂离子充电电池的负极，使用石墨等碳素材料。石墨也是层状物质，可以 在其层闻嵌入各种原子或原子团，形成层间化合物。锂离子也可以和石墨形成层 间化合物，位于层间的锂离子可以产生电化学反应：锂离子脱离层间为放电反应， 锂离子嵌入层间为充电反应。 1 1 2 锂离子电池的优点 相对于镍铬、镍氢电池等二次电沲而言，锂离子电池具有较多的优点，表 1 ，l 将锂离子电池和镍铬、镍氢电池的性能进行了比较 2 1 。 表1 1 锂离子电池与镍铬、镍氢电池的比较 锂离子电池镍氢电池镍铬电池 重量密度 9 0 w h k g5 5 w b _ k g 5 0 w h k g 体积密度2 l o w m 1 8 0 w - l l ，i1 4 0w ，h l 自放电率5 一l o ，月2 0 - - 3 0 ，月1 5 - - 2 0 月 温度特性好差差 记忆效应无有有 毒性无有无 单节电池电压 3 6 v 1 2 v1 2 v 单节锂离子电池保护电路的设计 正是由于锂离子电池所具有的上述优点并且随着其价格的逐步降低，已成为 二次电池的主流，在笔记本电脑与移动电话等便携式设备领域中得到了广泛的应 用。 1 1 3 锂离子电池的缺点 锂离子电池在充电时，锂离子会从正极的钴氧化锂层状结构中溶出，进入负 极。如果正极中的锂离子溶出太多，层状结构的稳定性就受到破坏，晶型出现坍 塌。这会堵塞电池放电时锂离子回填到正极的通道。宏观上就表现为电池充不进 电，造成永久性损坏。为避免这种现象发生，充电时必须采用限制充电电压的方 式控制锂离子的溶出量。 锂离子电池放电时，先前因充电而嵌入负极石墨层中的锂离子，又脱嵌回填 到正极材料中。但是，不能让石墨层中的锂离子全部脱嵌。必须有部分锂离子留 在负极的石墨层中作为支撑，以保证电池下次充电时，锂离子嵌入石墨层的通道 畅通，否则只要数次过放电就能使电池失效，防止办法就是限制放电电压。 另外，过大的充放电电流会使锂离子电池内部产生较高的温度而损耗能量， 使放电时间缩短，因此有必要进行过流保护。 1 2 锂离子电池保护电路的特点和发展动态 1 2 1 锂离子电池保护电路的特点 由于锂离子二次充电电池它存在上述所分析的缺点，在锂离子电池的应用中 必须加上保护电路，保护电路的基本功能是要完成过充电保护、过放电保护和过 电流保护，其中过电流保护包括充电过流保护和放电过流保护。除这些基本功能 外，对保护电路还有以下要求，它们正是锂离子电池保护集成电路( i c ) 的特t 3 1 ： 超低消耗电流驱动。保护电路除异常情况外不工作，但在工作时，其消耗 电流会是电池的损耗。因此，通常工作时的消耗电流要尽量降低。 高精度检测电压。过充电检测要求高精度，这是因为过充电检测电压的最 大值由电池的最大定额决定，如检测电压精度不佳，在1 0 0 充电之前便不能充 电了，这会降低电池的容量。同样的理由充电控制电压也要求高精度。 低电压下正确工作。保护电路的供电电压即为电池电压，单节锂离子电池 第一章引言 电压本身就很低，当电池过放电后，电压就更低，但为了对锂离子电池进行保护 保护电路在这样的情况下必须正确的工作。 1 _ 2 2 锂离子电池保护电路的发展动态 为了利用锂离子电池的众多优点，今年来，根据锂电池的不同要求和应用场 合，国外许多公司开发了各种不同的保护电路。u n i t r o d e 公司采用b i c m o s 工艺 设计了甚小的1 8 引脚b c c 封装的u c c 3 9 5 2 单节锂离子电池保护器，它符合最 新的4 m m 宽峰窝电话电池的规格；t e x a s 公司最近开发出内部集成了m o s f e t 开关的锂离子电池保护器i c ，其尺寸仅为4 5 5 x 3 4 4 x 0 8 8 m m ，它适用于4 r n m 厚 的手机锂离子电池作保护用。它外部仅需要一个0 1p f 的表面贴装式电容。器件 工作电流5 t a ，可通过3 a 电流；d a l l a s 公司开发了高精度锂离子电池监控器 d s 2 7 6 0 。它包括一个锂离子电池保护电路及一个2 5 m f 2 的电流敏感电阻( 电流检 测电阻) ，该器件是3 2 5 2 7 5 m m 管芯封装。其中有1 0 位电流a d 变换器、1 0 位电压a d 变换器、一个正负1 0 位温度传感器及e e p r o m 等。它采用单线与 主系统通信来控制电池的充、放电，全面地保护锂离子电池。随着锂电池需求的 不断增大，国内也有许多公司推出了复杂度不同的保护电路。 1 3 本文的研究内容 本文所设计的保护i c 针对标称电压为3 6 v 的锂离子电池，是为采用单节锂 离子电池的便携设备( 如手机，p d a ) 设计的，电路规模中等，可用常规的c m o s 工艺实现，具有较好的性价比，这些也是本文所设计产品的特色。本文的思路和 内容组织如下： 第一章介绍了锂离子电池的工作原理、优缺点以及设计锂离子电池保护电路 的特点和发展动态；第二章对锂离子保护电路的结构进行了设计：第三章对低功 耗模拟集成电路的设计方法进行研究，介绍了弱反型区的模型，对基本单元电路 进行了分析，在此基础上对弱反型区电路的失调和噪声进行了研究；第四、第五 和第六章介绍了锂离子电池保护电路各个具体电路模块的设计；第七章介绍了系 统仿真方法以及主要功能和主要参数的仿真结果；第八章对全文进行总结。文中 所做模拟是基于o 6 a n nu m cc m o s 工艺库。 程剑平 东南大学硕士学位论文 第二章锂离子电池保护电路系统构架 本章首先介绍铿离子电池保护电路的应用方式，然后在分析其基本功能的基 础上，引出了完成保护电路设计还需要的功能和实现原理。最后给出锂离子保护 电路的整体结构。 2 1 应用方式 锂离子保护电路的设计与其外部连接直接相关，通常单节锂离子保护电路的 应用连接如图2 1 所示，v d d 为过充电和过放电的检测端：v s s 为保护电路的 接地点；d o 为放电控制溃，c o 为充电控蛊4 端，v m 为过流检测端。 电 池 图2 1 保护电路应用原理图 图2 1 中二极管是f e t l 和f e t 2 的寄生二极管【4 】，其作用是使系统在过放电 状态下能充电，在过充电状态下能放电。其它元件的作用如表2 1 。 表2 1 图2 ，1 元件作用说明 i符号元件作用推荐值 m o sf e 口l功率n m o s放电控制管 m o s f e t 2功率n m o s充电控制管 r 1电阻电源波动和e s d 保护4 7 0 n c l 电容电源波动保护 0 1 时 r 2电阻充电器反接保护1 k q 单节锂离子电池保护电路的设计 保护电路时刻监视v d d 和v s s 之间的电池电压以及v m 和v s s 之间的电 压，假如v d d 在过放电检测电压和过充电检测电压之间，v m 电压在充电过流 检测电压和放电过流检测电压之间，电路就正常工作。c o 和d o 均处于高电位， 用于控制的两只m o s f e t 都处于导通状态，电路可以向负载放电，也可以由充 电器进行充电。 为了有效利用放电电流或充电电流，f e t l 和f e t 2 采用导通电阻很小的功 率管。它们的选择原则【5 1 除了导通电阻要小之外，还要求体积小，并且在它们关 闭时，其源漏击穿电压要能经受所有不合适的充电器的连接。从理论上说，f e t l 和f e t 2 可以用n 管也可以用p 管。但由于单节锂离子保护电路的电源电压较低， 为了减小导通电阻，一般都采用n 管 6 。m o s 管的导通电阻为 r 矿面历而丽1 i 而 ( 2 1 ) ( 2 1 ) 式中为迁移率，l 为氧化层电容，w 为沟道宽，l 为沟道长，为闽 值电压。因为电子的迁移率心比空穴的迁移率，大，所以在宽长比和栅压相同 的情况下，n 型m o s 管比p 型m o s 管的导通电阻小。 2 2 功能实现 2 2 1 三种保护功能的实现 保护电路的过充电保护和过放电保护原理如下：当v d d 的电压高于过充电 检测电压v c u 时，保护电路控制c o 端将f e t 2 关闭，切断充电回路，以实现过 充电保护。当v d d 的电压低于过放电检测电压v d l 时，保护电路控制d o 端将 f e t l 关闭，切断放电回路，以实现过放电保护。 过流检测是通过将充放电过程中的电流转化为在n m o s 管f e t l 、f e t 2 上 的电压实现的，在正常情况下，流过f e t l 和f e t 2 的电流很小，v m 电位接近 v s s 的电位。在充电过程中，当v m 的电压小于充电过流检测电压( 负值) 时，切 断充电回路，以实现充电过流保护；在放电过程中，当v m 的电压大于放电过流 检测电压( 正值1 时，切断放电回路，以实现放电过流保护。 第二章锂离子电池保护电路系统构架 2 2 2 滤除干扰信号的方法 v _ 、n 广 t ，j 、。 ( a )( b ) 图2 2主要干扰类型( a ) 瞬时干扰( b ) 波动干扰 为了防止干扰信号的引入使保护电路产生误动作，在保护电路设计中需要考 虑减小其影响的方法。一般而言，影响保护电路正确保护的干扰有两种，一种为 瞬间干扰，它是指在正常的信号上，在极短的时间内叠加上一个较大的信号。另 一种为波动干扰，它是指正常信号的波动。以充电过程为例，瞬间干扰表现为在 正常的充电过程中，v d d 的电压突然超过过充电电压v c u ，然后又回到正常状 态 如图2 2 ( a ) 。而波动干扰则表现为在某一时间段内，v d d 电压在v c u 上下浮 动 如图3 ( b ) 】。 瞬间干扰可以在保护电路内部加上延时电路加以滤除，即当保护电路检测到 非正常信号后，延时一段时间再关闭f e t l 或f e t 2 。根据过充电、过放电、过 电流对锂电池的危害程度选取不同的延时时间。为了更加合理的保护锂电池，放 电过流可分为三个级别，分别为过流1 保护、过流2 保护以及负载短路保护，过 流1 的延时稍长，过流2 的延时比过流1 的延时短一些，而负载短路不加延时立 即保护。 波动干扰可以在保护电路内部加上迟滞电路加以滤除【7 。在过充电保护起作 用后，将系统回到正常状态下的检测电压v c 。设计得比v c u 低一些，在过放电保 护起作用后，将系统回到正常状态下的检测电压v d u 设计得比v i ：, l 高些。 2 2 3c o 端输出前需加上电平移位电路 在充电过程中，与f e t 2 源极相连的v m 端电位为负值，当过充电保护起 作用时，必须在过充电延时信号与c o 端之间加上电平移位电路，将逻辑电路产 生的控制电位转化为小于或等于v i v l 端的电位，才能保证f e t 2 的有效关断，从 而停止充电。 6 单节锂离子电池保护电路的设计 2 2 40 v 电池充电抑制功能 锂离子保护电路可以实现对0 v 电池进行充电，也可以实现对0 v 电池禁止 充电，本文的设计采用后者，这一功能禁止对连接保护电路上的内部短路的电池 进行充电。当电池电压为0 v 电池充电抑制电压v o i n h 或更低时，充电控制管f e t 2 的栅极电位被固定为v m 的电位，从而禁止充电。当电池电压等于或高于v o r n h 时，可以迸行充电。 2 2 5 特殊情况下禁止过流保护 在过充电状态下，保护电路需禁止放电过流保护起作用。这是因为电池在过 充电后接上负载的情况下，在刚放电的时候，系统仍处于过充电状态，此时放电 电流必然很大，引起过流的可能性很大：而过流保护如果起作用，就会关断放电 回路。这样，一旦电池过充电，就可能永远不能放电。但过充电状态结束后，保 护电路又使这种禁止取消，过流保护重新起作用，又使系统能得到及时、有效的 过流保护。 在过放电保护起作用时，保护电路应禁止充电过流保护起作用。因为当电池 过放电后，刚接上充电器充电时，充电电流会很大。此时禁止非正常充电电流保 护起作用，可有效防止充电回路被切断，从而保证电池在过放电后可以再充电。 2 2 6 非正常状态的释放 ( 1 ) 过充电保护释放 电池电压降到低于过充电释放电压v c l 时，保护电路将f e t 2 打开，使电 路正常工作。 当连接负载开始放电时，保护电路打开f e t 2 并使电路回到正常工作状态， 具体释放机制如下：当连接负载并开始放电后，放电电流立即流过f e t 2 内部寄 生二极管，v m 端电压同时增至o ，7 v 。保护电路检测到这一高于过流保护l 检测 电压v b l l 的电压后，就使c o 电位升高，释放过充电状态。此时如果电池电压等 于或低于v c u ，电路就立即回到正常工作状态，但如果电池电压高于v c u ，即使 接上负载，$ 8 2 4 1 也要电池电压降到低于v c u 才回到正常状态。而且当接上负载 并且开始放电时，假如v m 电压等于或低于v b i i ，s 8 2 4 1 则不会回到正常状态。 第二章锂离子电池保护电路系统构架 ( 2 ) 过放电保护释放 当电池电压等于或高于过放释放检测电压v d u 时，保护电路打开f e t l 将 过放电状态转化为正常状态。 在过放电状态下连接上充电器，假如v m 电压低于充电检测电压v c h a ( 表 明充电电流较大) ，过放电滞后解除，即使过放电释放电压降为v d l ，此时电池 电压若等于或高于v d l ，则解除过放电状态，这一过程被称为充电检测。充电检 测减少了充电电流流过f e t l 内部寄生二极管的充电时间。 ( 3 ) 过电流保护释放 在放电过流状态下，当去掉负载时，如果保护电路检测到v m 电压低于过流 1 检测电压v b i l 时，电路就回到正常状态。 在充电过流状态下，当去掉充电器，v m 和v s s 间电压低于v c h 。时，充电 过流状态被释放。 2 3 整体结构 由上述功能设计，可以得到如图2 3 所示的锂离子电池保护电路的系统结构 图。 8 图2 , 3 系统结构图 单节锂离子电池保护电路的设计 系统主要包括控制逻辑电路( c o n t r o ll o g i cc i r c u i t ) 、取样电路 ( s a m p l ec l r c u i t ) 、过充电检测比较器( o v e r d i a c h a r g ec o m p a r a t o r ) 、 过放电检测比较器( o v e r d i s c h a r g ec o m p a r a t o r ) 、过流1 检测比较器 ( o v e r c u r r e n t lc o m p a r a t o r ) 、过流2 检测比较器( o v e r c u 刚强n t 2 c o m p a r a t o r ) 、负载短路检测电路( l o a ds h o r t d e t e c t i o nc i r c u i t ) 、 充电过流检测电路( c h a r g e rd e t e d t i o nc i r c u i t ) 、电平转换电路 ( c o n v e r t o r c i r c u i t ) 、基准电路以及偏置电路( 图2 3 中没有画出) ，其中0 v 充电抑制功能的实现包含在电平转换电路中。 如2 2 2 所述，为了滤除瞬间干扰，保护电路在检测到非正常信号后，需要 延时一段时间再切断充电或放电回路。延时电路可以用计数器实现，也可以用小 电流对外部大电容充电的方式实现。但考虑到采用模拟方式成本较高、功耗较大， 并且精度和可靠性也不如数字方式，故本系统采用数字方式实现延时【5 l 。为此在 保护电路中需要振荡器和计数器，这部分电路归入控制逻辑电路中。 为了使锂离予电池的电压较低后减小能量的消耗，可以在系统中加入待机状 态电路【8 1 ，其设计思想是当保护电路进入过放电状态后，产生一个待机状态信号， 使保护电路中的大多数模块停止工作，需停止的模块主要是模拟电路，因为它们 消耗静态电流。图2 3 中m p 的作用与待机状态的退出有关( 详细描述见第四章) 。 取样电路中，m 4 用于实现过放电保护迟滞作用，而m 5 用于实现过充电保 护迟滞作用。在正常情况下，m 4 导通、m 5 截止，过放电保护起作用后m 4 关 闭，过充保护起作用后m 5 导通。 在放电过流状态下，图2 3 中m n 导通，v m 和v s s 被电阻r v m s 内部短 路。电流可以通过m n 流向地。当去掉负载时，由于r v m s 的短路作用，v m 电压恢复到v s s ，放电过流状态释放。 东南大学硕士学位论文程剑平 第三章低功耗设计基础 本章是后续章节进行实际电路设计的籼出，首先介绍了弱反型区的模型，接 着分析了偏置在弱反型区的m o s 模拟电路单元，最后对弱反型m o s f e t 的失调 和噪声特性进行了研究。 3 。1 弱反型区模型 3 i 1 弱反型区易的表达式【1 0 】【1 1 1 2 】 通常，漏源电流如有漂移电流协孵和扩散电流如洳，。组成。在强反型区b 主要有漂移电流决定，此时z d 与沟道电压呈平方率关系：而在弱反型区，而主 要有扩散电流决定，此时如与沟道电压呈指数关系，假设漂移电流为零，则 ，d _ o + 等u ，卢d q 。， ( 3 1 a ) j d = 一- u r ( 五，i 舶。一q m ，一m 二)( 3 1 b ) 其中 生：生2 = 坠 q * 。= 一2 n c 。u r 2 e ”“r v o - 。v r - v o 璺0 ，一女m = - 2 ”c o 。u r 2 e 5 嗨 从( 3 1 ) 式司知，漏源电流正比于沟道中从源的末端到漏的末端的总的反型电荷， 因此沟道反型电荷密度q m 随着从源到漏的位置变化而变化。将q 。和 g k ，加：。代入( 3 1 b ) ，弱反型区的o 可以用端电压的形式导出 伽1 0 詈e x p ( 等 1 e x p ( _ ( 3 ：) ( 3 2 ) 式也可写为 小厶警e 冲( e 孵劬 ( 3 ，) 其中为阈值电压；u ，：坚为热电压，k 为玻尔兹曼常数( 1 3 8 1 0 2 3 j 。k ) ， t 为以开尔文为单位的温度：q 为电子电荷( 1 6 1 0 叫9 c ) ；n 为亚阈值因子： 茁= i 1 = 虿- c 忑o x i ，如为氧化层电容，为耗尽层电容，在现代c m o s 工艺 单节锂离子电池保护电路的设计 中，k 的值在0 6 到0 8 之间，一个较为合理的估计为符= 0 7 。在( 3 2 ) 和( 3 ，3 ) 式 中 厶2 2 一。c “晖e x p ( 一煮v ) ( 3 4 ) 其中l - t 为迁移率，v t 。为本征阌值电压。在( 3 3 ) 式中，定义 钆警e x p ( 型毛) ( 3 5 ) lu t 从( 3 5 ) 式知1 d o 以指数形式依赖于v t 0 ，不易控制。所以通常用固定电流而非固 定栅压的方式使m o s f e t 偏置在弱反型区。 当v d s 4 u t 或5 u t 时，由( 3 2 ) 式 小厶暑唧粤磬) ( 3 s ) 由( 3 3 ) 式 小i o 詈e x 一心， b ， 可认为在弱反型区的饱和电压为 ( 。) = 5 u r ( 3 ，8 ) 在常温下约为1 3 0 m v ，因此弱反型m o s f e t 在低电压设计中非常具有吸引力。 3 1 2弱反型m o s f e t 沟道长度调制效应及输出电阻 考虑沟道长度效应的传统方法是在电流方程后乘j 2 ( i + v d s v a ) ，因此 铲，。等e 冲c 警m + 净 b ， v a 为弱反型区的欧拉电压。 因此弱反型区m o s f e t 的输出电阻为 、 ：拿 ( 3 l o ) 第三章低功耗设计基础 3 1 3 弱反型m o s f e t 的跨导g 。 由弱反型m o s f e t 的电流方程，很容易导出其跨导为 ， 口= ：旦 6 “ n u ， 3 1 4 弱反型m o s f e t 体跨导g m b 体跨导的定义为 ；急 通常g r a b 被表示成g m 的一部分，即 对于v s b 很小时 在弱反型区有 g 柚= 叩g ， 订：! ；：坚 驴葡菰鬲露2 t 砷铲半 由于k 随着v s b 增大而增大，一个较为合理的估计是 g r a b = 吁- g 。o2 9 。 3 1 5弱反型m o s f e t 小信号等效电路 弱反型m o s f e t 小信号等效电路模型如图3 1 所示。 g 叠 b0 o 图3 1弱反型m o s f e t 小信号等效电路 d ( 3 1 1 ) ( 31 2 ) ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) ( 3 。1 5 ) ( 3 1 6 ) 单节锂离子电池保护电路的设计 3 1 6 正确区分m o s f e t 的工作状态【1 3 】 弱反型、中等反型和强反型的界限可根据电压或电流来估计。当然，它们的 界限不是十分确定的，下面是两种常用的估计方法。 表3 1 电压估计法 l条件m o s f e t 状态 lv o s v t h + 1 0 0 m v强反型 iv t h + 1 0 0 m v v o s v t h 一1 0 0 m v中等反型 v o s 1 0 i s强反型 1 0 i s i d 0 1 l s中等反型 i o 5 u t 时，它类似于传统的 电流镜( 工作于强反型区) 。 图3 3 电流镜 3 2 3 差分对 差分对是一个非常有用的子电路。如图3 4 所示为n 沟m o s 管差分对，偏 置电流i 。被分成两部分，它们的大小由v 1 和v 2 决定，下面对该电路工作于弱 反型区时进行分析。 v 。一 图3 4 差分对 因为m 1 和m 2 工作于弱反型区，所以 卜厶罢e 冲( 等) 扣l 警e x p ( 警) 因此 卜_ v ： f 3 1 9 ) ( 3 2 0 ) 单节锂离子电池保护电路的设计 l “1 + l = 厶詈骶p ( 一嚣麟p 赁k 7 1 ) + 唧旨k ”2 ” 廿l 纛e x p ( x k ) e x p 0 ； j + e x pl _ 尹j 驴l 舞e x p ( k v 2 ) e x p l j + e x p 0 j 图3 5 电压和电流关系曲线 3 2 4 跨导放大器 如图3 , 6 所示为跨导放大器，下面推导该电路的小信号跨导g 。 v v d d = 图3 6 跨导放大器 v o u t ( 3 2 1 ) ( 3 2 2 ) ( 3 2 3 ) 第三章低功耗设计基础 卜卜- 耩巩笨 l ，吐= i b t a l l h ( 3 2 5 ) 。l 凳 ( 3 2 6 ) g 。“篑= 去，： z ， 3 3 失调分析 3 3 ，1弱反型区失调概述【1 2 两个相同m o s 管m 1 - m 2 的失调可以用两个统计参数来描述：一个为闽值 电压失调。= 巧。吩。，设其标准方差为萌： 另一个为 妒卢；( p l 一：) ( 其中卢：c 。孚) ，设其标准方差为仃口。在版图设计的较 合理的情况下，每一部分失调的均值都接近零并且它们是弱相关的。仃。的典型 值在2 m v 2 0 m v 之间；疗d 的典型值在0 2 2 0 之间a 假设盯 和仃口是不相关 的，则对于两个具有相同栅源电压的m o s 管( 电流镜) 来说，其漏源电流失调 国。，。的标准方差可表示为 o i d 2 扛+ c 等训 ( 3 2 s ) 而如果两个m o s 管偏置成相等的漏源电流和源电压( 差分对) ，其栅电压失调 兰堇望查量皇些堡塑皇堕塑堡生 占。= 。一：的标准方差为 g v g2 肛+ 去呵 ( 3 2 9 ) 当m o s 管工作于弱反型区时，由于g m i d 较大，从( 3 2 8 ) 式可知，漏源电流失调 较大 仃护等盯” ( 3 s o ) 而从( 3 2 9 ) 式可知，栅电压失调较小 盯口( 3 3 1 ) 由此可知，弱反型区不适合要求电流匹配的电路( 如电流镜) ，而对要求电压匹配 的电路( 如差分对) 是有利的。 3 3 2 电流镜的随机失调 图3 7 亚阈值电流镜 如图3 7 所示的电流镜中m 1 、m 2 工作于亚阈值区，由( 3 6 ) 式得 v c s = n u r i n 焉耘+ 。 1 1 1 蒜l ) ： 1 厶( ： “ 式( 3 3 2 ) - - 式( 3 3 3 ) 得 棚羽n 每。器】+ ( k = 。 令 f 3 3 2 ) f 3 3 3 ) ( 3 3 4 ) ! ! 三重堡堡堑堡生茎堕 畦ii d i + 2 - i m ，- 2 i i 工 f 堡 l 从( 3 3 5 ) 式中解出i d l 、i d 2 、( w l ) 1 、( w l ) 2 、v t h l 和v n l 2 ，4 l z ( 3 3 4 ) 式得 1 + 盟 若易2 如 5 u r 时，散射噪声逐渐消 失，( 3 5 0 ) 式可简化为 f 刍= 2 q s 。v ( 3 5 2 ) 单节锂离子电池保护电路的设计 由于m o s 管工作于弱反型区时的跨导为 。：j l 6 “ n ，u ， 所以其等效输入热噪声为 磊* 掣v r 3 5 3 ) ( 3 5 4 ) ( 2 ) l f 噪声 除了热噪声和散射噪声外，m o s f e t 还强烈的受到低频1 f 噪声的影响。文 献 1 5 指出，n m o s f e t 的1 f 噪声主要由载流子密度的涨落引起，而p m o s f e t 的1 f 噪声主要由迁移率的涨落引起。对于1 f 噪声，许多理论给出了不同的表 达式，但所有这些理论都认同下面的事实：1 f 噪声与频率和栅面积成反比。同 时，文献 1 5 】以大量的实验证明p m o s f e t 的l f 噪声还与所加的栅压有关。根 据文献 1 2 年口【1 5 ，可以将弱反型n m o s f e t 的输入等效l f 噪声表示为 而锄r b ， ( 3 5 5 ) 而弱反型p m o s f e t 的输入等效1 f 噪声可表示为 瓦= 4 k t 南( 一) 鲈 ( 3 5 6 ) ( 3 5 5 ) 式n ( 3 5 6 ) 式q u ，f 为频率，k 为玻尔兹曼常数，p 。和p 。为与工艺有关的参 数。通常，p 。比n ( s 一) 小，因此，对于1 f 噪声而言，p m o s f e t l ：b n m o s f e t 小的名。 第三章低功耗设计基础 3 4 2 工作于弱反型区的跨导放大器的噪声分析 ( a ) v 叻 ( b ) 图3 1 0 ( a ) 跨导放大器器件噪声贡献( b ) 等效输入噪声表示 考虑图3 1 0 跨导放大器的噪声特性，m 1 m 4 均工作于弱反型区。图3 1 0 ( a ) 给出了p 沟差分放大器中每个管子的等效输入噪声电压源，该电路总的输出噪声 电流可表示为 i ：= g m l 2 v 叼2 l + g 。2 2 v 卵22 + g 。3 2 v 三，+ g 。2 v 钟24 ( 3 5 7 ) 图3 ，l o ( b ) 为图3 1 0 ( a ) 的等效噪声模型，该电路的输出噪声电流为 单节锂离子电池保护电路的设计 i ：= l2 k 2 。r( 3 5 8 ) 6 ( 3 5 7 ) 式和( 3 5 8 ) 式得 v 三z = v 。2 q 1 + v w 22 + v 二3 + v 三4 ( 3 5 9 ) 这里，假设g 。l = g 。2 = g 。3 = g 。 。 将( 3 5 4 ) 式代入( 3 5 9 ) 式，可得跨导放大器的等效输入热噪声为 再2 ：掣v( 3 4 ) 将( 3 5 5 ) 式和( 3 5 6 ) 代入( 3 5 9 ) 式，可得跨导放大器的等效输入1 f 噪声为 瓦珊r 特械丁篇( 一) ( 3 5 ) “ 呢三3 ，彤上i ， ” 、 从上述分析可知，p 沟差分跨导放大器的等效输入热噪声与m o s f e t 的饱 和电流成反比( 也即于偏置电流成反比) ，而其1 f 噪声随m o s f e t 栅面积和共模 电压的增大而减小。 程剑平东南大学硕士学位论文 第四章控制逻辑电路 本章主要讨论了延时电路的设计原理，并对振荡器进行了详细的设计，最后 分析了待机状态电路进入和退出机制，并给出了一种实现。 4 1 延时电路 延时电路的实现原理如下：在正常的充放电过程中，当保护电路检测到过充 电、过放电或过电流中的任一信号后，触发计数器进行相应的延时( 计数器的时 钟信号由振荡器产生) ，延时结束后的信号经锁存后送入后续电路。一旦系统回 到正常的充放电状态，计数器自动复位。由于过流2 的发生之前一定发生了过流 1 ，因此过流2 的延时由过流1 检测信号触发。对于计数器，其设计并不复杂， 它可由d 触发器级联而成。下面重点对振荡器进行讨论。 为了进行相应的延时，设计振荡器输出频率为2 k h z 的方波，它可用图4 1 所示的环形结构实现。 图4 1 振荡器电路结构 p o w e r d b 为待机状态信号，b 2 为偏置信号，为了使振荡器能在低电压下 工作并消耗较小的电流，将m 2 、m 4 、m 6 、m 8 和m 1 0 偏置在弱反型区。图4 1 中振荡器由三级倒相器和四个延时单元( 恒流源负载倒相器) 组成，三级倒相器产 生1 8 0 。的相移，因此每级延时单元需要产生4 5 。的相移。延时单元的等效电路 如图4 2 所示。 一 兰! 望曼王旦兰堡丝皇堕箜堡生 v i n - q ： 图4 2 延时单元等效电路 值得说明的是：从延时的角度考虑c 完全可以接在v o u t 和地之间，如 图4 2 所示设计电容的位置可以使地的噪声得到衰减，地的噪声通常为连续的频 率较高的信号，滤除高频噪声一般采用低通滤波器，对于交流小信号来说，图 4 2 中电流源和电容c 正好组成了简单的低通滤波器，地相当于图43 中，电 流源的实际等效电阻相当于r ，v d d 对交流小信号为地，v o u t 相当于k ，。 v h9 v v 0 _ t _ 。 5 。 上 图4 t 3 低通滤波器模型 因为m o s 管的导通电阻很小，振荡器的振荡周期主要由延时单元的下降延 时决定。延时单元的下降延时t h l 为 ：vx-xctnl( 41 )2 -【41 ) 其中v x 为下级延时单元的转换闽值( 对于第四级延时单元，v x 为下一级倒相 器的转换阈值) ，如果每级延时单元的下降延时都相等的话，振荡器的振荡频率 约为 ，0 。“壶= 上4 v x c ( 4 2 ) ，。“瓦2 【4 _ 2 由( 4 2 ) 式可知，选择合适的偏置电流i 、电容值c 以及调节延时单元的转换阈值， 可以获得所需的振荡频率。图4 4 为在v d d 为3 5 v 时用h s p i c e 模拟的振荡器 的输出波形。 拶 第四章控制逻辑电路 镛 s 刊 i缸旺f = = 一只十 _ r i 骨一同r ，i f ：= 同f 二二懈三雕一h 二 oh 嚣。旺i 曲嚣 4 “孙 图4 4 振荡器输出波形 4 2 待机状态电路和其他逻辑电路 根据第二章的系统设计，保护电路进入待机状态有赖于过放电状态的检测， 进入待机状态后，应使尽可能多的模拟电路模块停止工作，但如果所有的检测电 路都不工作的话，待机状态将无法退出，为此在设计负载短路检测电路时不引入 待机状态控制信号，其目的即为在电池电压升高后保护电路能退出待机状态。图 4 2 给出了待机状态信号产生和撤销的原理图( 负载短路检测电路的设计详见第 五章1 。 图4 2 待机状态实现电路 图4 2 中s o d 为过放电检测信号，系统处于正常状态时，s o d 为高电平， v m 为低电平，因此p o w e r d 输出高电平。当系统进入过放电状态时，s o d ( l 垂 时后为延时后的信号) 变为低电平，m p 导通使v m 变为高电平，最终使p o w e r d 变为低电平，控制保护电路相应模块停止工作，进入待机状态。当对电池进行充 单节锂离子电池保护电路的设计 电时，由图2 1 可知v m 被强制拉到低电平，使o u t _ l s b 变为高电平；此时， 不论s o d 为何值或非门都将输出低电平，p o w e r d 由此变为高电平，这样，就 可实现待机状态的退出。 其它逻辑电路可根据第二章的系统设计用门电路来实现，这里不再详细分 析。 程剑平 东南大学硕士学位论文 第五章检测电路 本章详细讨论过充电比较器的设计；在此基础上，简单介绍放电过流检测比 较器和负载短路检测电路的设计：上述电路检测的都是正电压，而充电过流检测 的是负电压，本章介绍了该电路的设计；在本章的最后对