（微电子学与固体电子学专业论文）便携设备电池过压过流保护电路的设计.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 随着便携式电子产品市场的扩大，作为其电力来源的电池不断发展。同时，基于 环保和重复使用方面的考虑，使得人们对于二次电池的需求量日益增长，其中锂电池 以其良好的综合性能占据了重要地位。但锂电池易受到过充电、过放电和过电流三种 状态的损害，因此在使用过程中，合理的保护电路是电池正常、安全工作所必不可少 的。 本论文针对实际应用，探讨了电池保护电路的设计。首先由电池保护电路的功能 原理和基本结构开始进行分析和设计，针对可能出现的过充电、过放电、放电过电流 以及负载短路等异常状态设置了相应的保护机制。由于保护电路依靠电池来为其提供 电源电压，为了尽可能少的对电池的待机时间产生影响，设计出低功耗的保护电路便 成为一个重要的研究方向。本论文探讨了低功耗的设计方案，分析了工作于亚阈值区 的m o s 管电路及具体的待机控制。在此基础上，对电池保护电路的子模块进行了设 计，并阐述了详细的设计过程，主要模块包括：过充电检测电路、过放电检测电路、 放电过电流检测电路、短路延时电路、振荡器、计数器、电平转换电路、偏置和基准 电路及逻辑控制电路。 最后，采用联电( u m c ) o 6 0 r n 高耐压c m o s 工艺，使用h s p i c e 软件对电路进 行了仿真验证并对结果进行了分析，证明设计合理，符合设计要求。 关键词：电池保护电路低功耗亚阈值过充电过放电放电过电流 华中科技大学硕士学位论文 a 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 s t h eb a t t e r i e sa r eb o o m i n gw i t ht h e d e v e l o p m e n to fm a r k e to fp o r t a b l ee l e c t r o n i cd e v i c e s t h er e q u i r e m e n t o fs e c o n d a r y b a t t e r i e si si n c r e a s i n gf o rt h e i rr e u s a b l ea n ds a f e t yf o re n v i r o n m e n t , a n dt h el i t h i u m - i o n p o l y m e rb a t t e r yh a sb e c o m em o r ep o p u l a rt h a nt h en i c k e l - a d m i u l nb a t t e r ya n dt h e n i c k e l - h y d r o g e nb a t t e r yw i t h i nt h es e c o n d a r yb a t t e r i e s b u tt h e l i t h i u m - i o np o l y m e r b a t t e r yi se a s yt ob ed a m a g e db yo v e r - c h a r g e ，o v e r - d i s c h a r g e ，o v e r - d i s c h a r g ec u r r e n ta n d s h o r t , s oe a c ho f t h e mn e e d sap r o t e c t i o nc i r c u i t t h i st h e s i sm a k e sa r l a l y m ga n dd e s i g nb e g i n sw i t ht h ep r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo f p r o t e c t i o nc i r c u i t ，a n ds e t sd e f e n s em e c h a n i s mt ot h ee r r o rs t a t e s a tt h es a , n l et i m e ，t h i s t h e s i sd e s i g n ss e l f - b i a s i n gr e f e r e n c e dc i r c u i ta n dc o m p a r a t o ro p e r a t i n go nt h es u bt h r e s h o l d r e g i o n , t h es t a t eo fs t a n d b yt or e d u c et h ep o w e rc o n s u m p t i o ne f f e c t i v e l y b a s e do nt h e d i s c u s s i o na b o v e ，m a i ns u b - b l o c k so ft h ep r o t e c t i o nc i r c u i ta r ed e s i g n e da n dt h ep r o c e s si s d e m o n s t r a t e d t h es u b - b l o c k si n c l u d eo v e r - c h a r g ec o m p a r a t o r , o v e r - d i s c h a r g ee o m p a r a t o r , o v e r - d i s c h a r g ec u r r e n tc o m p a m t o r , s h o r td e l a y , o s c i l l a t o r , c o u n t e r , l e v e ls h i f t ，v r e f & b i a s a n dl o g i cc i r c u i t f i n a l l y , t h ed e s i g ni ss i m u l a t e dw i t hh s p i c eb a s e do nt h eu m co 6 p mh i g hw i t h s t a n d v o l t a g ec m o sp r o c e s s ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v e dt h e s u c c e s so ff i o n t - e n d e d d e s i g n k e y w o r d s ：p r o t e c t i o nc i r c u i tf o rb a t t e r yl o w - p o w e rc o n s u m p t i o n s u bt h r e s h o l dr e g i o n o v e r - c h a r g e o v e r - d i s c h a r g e o v e r - d i s c h a r g ec u r r e n t i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位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，除文中已标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：j 聚访 2 0 0 6 年5 月9 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密日。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：i 张访 指导教师签名： 2 0 0 6 年5 月9 日如0 6 年5 华中科技大学硕士学位论文 1 - 1引言 1 绪论 近年来，移动通信技术发展迅速，便携式电子产品的应用已经相当广泛，随之而 来的，对于电池的性能要求也日益提高。在电池技术的更新换代过程中，镍镉电池、 镍氢电池和锂电池等小型二次电池占据了重要地位，而锂电池产品因其体积小、能量 密度高、无记忆效应、循环寿命长、高电池电压、工作温度范围大和自放电率低等优 点被越来越多的电子产品所采用【1 。2 1 。然而，锂电池产品在充放电过程中的过充电、过 放电、放电过电流及其它异常状态( 例如负载短路) ，会导致内部发热，可能引起电 池或其它器件的损害，严重的影响了电池使用的安全性。因此，便携设各电池产品保 护电路必不可少【3 j 。 本论文基于标准c m o s 工艺，设计了一种低功耗的电池保护电路，通过过充电检 测输出端、过放电和放电过电流检测输出端的c m o s 输出电平控制外接开关晶体管的 关断，达到对电池实施保护的目的。该电路具有低功耗、检测电压精度高、可靠性好 等优点，可广泛用于移动电话、笔记本电脑、p d a 、m p 3 等产品中。 1 2 便携设备电池简介 目前，便携设备所使用的电池多为镍镉电池、镍氢电池和锂电池等二次电池，即 可重复使用电池，其中，锂电池的应用最为广泛。锂电池分为锂金属电池、锂离子电 池和锂聚合物电池。其中锂金属电池多为一次电池，也就是不可充电电池，其放电电 流不大，应用也不是很广泛；通常所说的锂电池实际上是锂离子电池，也是目前应用 最广泛的锂电池：锂聚合物电池是第三代锂电池，它的安全性能、能量密度、最大放 电电流、对环境的污染等参数是目前三种锂电池中最优秀的，代表了今后的发展趋势 嗍，而且锂聚合物电池的充电管理和保护部分与现有的锂离子电池基本兼容。 锂离子电池负极是碳素材料【5 。”，如石墨；正极是含锂的过渡金属氧化物，如 华中科技大学硕士学位论文 l i m n 2 0 4 电解质是含锂盐的有机溶液。通常锂离子电池并不含金属锂。充电时，在 电场的驱动下锂离子从正极晶格中脱出，经过电解质，嵌入到负极品格中。放电时， 过程正好相反，锂离子返回正极，电子则通过用电器，由外部电路到达正极与锂离子 复合。由于锂离子电池不含任何贵重金属，原材料便宜，价格相对较低。 与传统的二次电池相比，锂离子电池有突出的优点：( 1 ) t 作电压高，锂离子电池 的工作电压在3 6 v ，是镍镉和镍氢电池工作电压的三倍，因此只能用锂离子电池专用 充电器来充电。在许多小型电子产品上，一节电池即可满足使用要求。这也是与其它 二次电池的重大区别。( 2 ) 比能量高，锂离子电池比能量目前已达1 4 0 w h k g ，是镍镉 电池的3 倍，镍氢电池的1 5 倍。( 3 ) 循环寿命长，目前锂离子电池循环寿命已达1 0 0 0 次以上，在低放电深度下可达几万次，超过了其他几种二次电池。( 4 ) 自放电小，锂离 子电池月自放电率仅为6 8 ，远低于镍镉电池( 2 5 , - - 3 0 ) 及镍氢电池( 3 0 , - 4 0 ) 。 ( 5 ) 无记忆效应，锂离子电池能够根据要求随时充电，而不会降低电池性能。( 6 ) 对环境 无污染，锂离子电池中不含有害物质，是名副其实的“绿色电池”。 另一方面，锂离子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，导致电池寿命缩短。除此之外，假若锂离子电池进行过 度的放电，贝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 影响电他的使用寿命。 因此，为提高锂电池的使用寿命，电池保护电路必须时刻监测电池电量及放电电 流，在电池过度充电、过度放电、或放电过电流甚至短路的情况下，切断充放电回路， 从而起到保护电池的作用。 1 3 电池保护电路的特点 电池保护电路的功能便是要确保上述的过度充电及放电状态时的安全性，并防止 特性的劣化。电池的保护电路通常是由保护i c 、及两个功率m o s 管所构成1 8 l 。其中 2 华中科技大学硕士学位论文 保护i c 监视电池电压，当出现过度充电及放电状态时，则通过关断外接的功率m o s 器件来保护电池，保护i c 的基本功能为：( 1 ) 过度充电保护，( 2 ) 过度放电保护，( 3 ) 过 电流，短路保护【9 小】。 锂电池电压上限规格可分为4 1 v 与4 2 v 。由于电池外设与电池芯之间存在压降， 因此保护电路所必须提供的过充电保护电压的范围可以从4 2 0 v 到4 3 5 v ，依电池的 特性而定。为避免过高的电压产生，其误差范围必须小于3 m v 。而同时必须配合适 当的过充电延迟时间，同时兼顾电量与过充电保护的要求。 一般而言，锂电池的安全电压下限为2 4 v ，其所要求的误差精度并不像充电电压 精确。但亦必须配合适当的过放电延迟时间i 同时兼顾最大使用电量与过放电保护的 要求。 1 4 国内外研究动态 为了利用锂电池的众多优点，近年来，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耐类型的保护电路1 2 1 。而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程度不同的保护电路。 美国国家半导体公司( n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r c o r p o r a t i o n ) 推出的电池保护芯片 l m 3 6 5 5 可以全面控制单节锂电池的充电及放电过程，而且能确保充电过程的安全。 这款芯片也可利用外接双极p n p 功率晶体管控制充电电流。l m 3 6 5 5 芯片设有高性能 的全面放电控制功能。由锂电池提供的操作负载电流会流经l m 3 6 5 5 芯片，因此若出 现过载、短路或低储电量等情况，芯片可以切断电池的供电。此外，l m 3 6 5 5 芯片还 设有范围广泛的电池防护功能，以免出现电池的电压过高及电流过大的情况。内部保 护电路还获得另一功能完全相同的电路提供后备支持，以便加强系统的防护。 l m 3 6 5 5 芯片只需极少外接元件的支持。这款芯片采用业内最小巧的m i c r o s m d 2 5 焊球封装，大小只有2 5 m m x 2 5 m m 。工，m 3 6 5 5 芯片最适用于配备原装电池的 便携式电子产品，其中包括智能型电池组、个人数字助理及采用蓝牙( b l u e t o o t h ) 无 线通信技术的耳机。 德州仪器( t e x a si n s t n m a e n t s ) 采用b i c m o s 工艺所设计出的锂离子电池充电保 华中科技大学硕士学位论文 护芯片u c c 3 9 5 7 是3 4 节锂离子电池组充电器保护用控制集成电路，它与外部的p 沟道m o s 管一起对电池组的充电实现两级过电流保护，如果达到第一级过电流阈值 电位时，保护电路按用户设定的保护时间，对外接电容放电，如果达到第一级保护时 间，电池过充、放电故障仍未排除，外接定时放电保护电容的m o s 管将以1 7 倍于第 一级保护时间关断，实施第二级保护，这对容性负载是很有用的。u c c 3 9 5 7 在休眠工 作模式下的耗电仅为3 5 肛a ，典型工作电流为3 0 肛a ，直流工作电压范围为6 5 - 2 0 v ， 充电过电流保护延迟时间可通过调节外接元件参数的方法实现。使用外部p 沟道m o s 管晶体管的优点是，可以防止任一节电池的过放电和过充电，并保护电池组及 u c c 3 9 5 7 集成电路本身。 理光公司推出的锂电保护芯片1 1 5 4 2 6 系列是为应用在便携设备( 如蜂窝电话， p d a ) 的单节锂离子电池而设计的。i ( 5 4 2 6 系列是单节可充锂离子，锂聚合物电池的过 充电，过放电傲电过电流保护芯片，它也包括一个短路保护器，避免外接电路短路时 的大电流。r 5 4 2 6 系列采用高耐压工艺制造，耐压不低于2 8 v ，封装为6 - p i n ，s o t 2 3 6 或s o n 一6 ，具有低耗电( 供电电流典型值3 0 肚，待机电流典型值o 1 ”a ) ，高精度的 检测器阈值，多种保护极限器阈值等特性，内置输出延时，还具备0 v 可充电及过充 电保护后锁定的功能。 1 5 本论文主要工作概述 本论文所设计的电池保护集成电路采用高耐压c m o s 工艺实现，性能可靠，电路 规模中等。本论文的主要内容安排如下： 第一章介绍了便携设备电池的特点、工作原理及电池保护电路的特点和国内外发 展动态；第二章对电池保护电路的功能、结构进行了分析；第三章探讨几种低功耗模 拟集成电路的设计方法，介绍了待机控制及亚闽值模型及具体的电路结构；第四章介 绍了电池保护电路各个主要模块的电路设计；第五章介绍了系统仿真方法，以及主要 参数的仿真结果；第六章对全文进行总结。 4 华中科技大学硕士学位论文 2 电池保护电路系统结构及功能 2 1 原理图及外围电路 保护电路如图2 1 所示，其中保护i c 的引脚v d d 为过充电、过放电检测端，v s s 为接地端，d o u r 为过放电、放电过电流控制端，c o t r r 为过充电控制端，v m 聃u s 为放 电过电流及短路检测端，用以采样负载电流。 图2 1 电池保护电路应用原理图 外围电路中，m d 和m c 是含有寄生二极管的n 沟道功率m o s 管，用来控制电 路的通断，为保护电路工作的重要器件，其等效电路如图2 2 所示： 1 l r 1 m dm c 图2 2 含有寄生二极管的m o s 管 当电池过充电后，v d d 电压过高，此时不仅需要将电路断开，使电池不能继续充 电，还需要在电池换接负载后，能够建立通路使电池放电。因此选取此种含有寄生二 华中科技大学硕士学位论文 极管的n 沟道功率m o s 管，在电池过充电时将电路断开，而在电池换接负载后，允 许电流通过m c 的寄生二极管由m c 流向m d ，如图2 3 所示，对电池进行放电，使 v d d 电压下降，电池路因此从过充电保护状态复原。当电池过放电时，原理相同，见 图2 4 。 图2 3m d 导通、m c 关断时寄生二极管单向电流通路示意图 l i d m c 图2 4m c 导通、m d 关断时寄生二极管单向电流通路示意图 保护电路将实时检测v d d 及v m 肌j s 的电压，当v d d 处于过充电检测电压与过放 电检测电压之间，并且v m n s 电压低于放电过电流检测电压时，电路正常工作。c o o t 和d o o r 输出高电平，两个功率m o s 管都处于导通状态，电池可以通过充电器进行充 电，也可以向负载放电。 通常在锂离子电池保护电路的工作过程中会有干扰存在【1 3 】，因此以c 1 和r 1 构 成平滑滤波电路，以有效滤除干扰信号，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 1 的阻 值太大，电路内部从v d d 经电阻分压电路至v s s 的电流将减小，从而导致检测电压变 高。实际使用中，r 1 的取值不高于l k g 。另外，考虑到电路工作的稳定性，电容c 1 的取值不低于o 0 1 虾。 图2 1 中，设置了电阻r l 和r 2 ，作为电池反向充电，或者充电器电压超过电路 额定电压值时的限流电阻。若r 1 、r 2 的取值太小，电路的功耗有可能会超过额定值， 因此r 1 、r 2 取值之和应大于l k , q 。同时，如果r 2 过大，有可能会使电池在进入过 放电保护状态之后，连接充电器无法使之复原。所以，r 2 的取值需要限定在1 0 k , q 以 6 华中科技大学硕士学位论文 下。 2 2电池保护状态的实现及状态恢复 电池保护电路的主要功能如下： 1 、过充电保护： 过充电保护是指当检测到v d d 电压高于过充电检测电压v o c h l 时，保护电路控制 c o l r r 端输出由高电平变为低电平，将充电控制功率管m c 关断，断开充电回路，使电 池进入过充电保护状态。当v d d 降至低于过充电复原电压v o c m 时，保护电路控制 c o v r 端重新输出高电平，使m c 导通，电路恢复导通。 以上为过充电情况设置了不同的检测电压与复原电压，这是因为当电池经过相对 短暂的延时，进入过充电保护状态后，电池电压一直下降至过充电检测电压时就会使 充电回路恢复导通，此时又会继续充电，继而再次保护，如此循环，这种情形并不是 一种很好的状况，且安全性的问题将无法有效的获得解决，因此需要为其留有一定的 裕量，这种功能可以通过迟滞比较来实现。 2 、过放电保护： 类似的，过放电保护是在检测到v d d 的电压低于过放电检测电压v o d c 时，d o u r 输出低电平，将放电控制功率管m d 关断，断开放电回路，当v d d 的电压升至高于过 放电检测电压v o d c 时，电路恢复。当电池进入过放电保护状态后，保护电路应处于 待机状态，从而尽可能减少电流的消耗。 3 、放电过电流保护： 放电过电流保护是在检测到v m i n u s 电压高于放电过电流检测电压v o c u 时，d o u t 端输出低电平，断开电路。当检测到v m 矾u s 电压降至低于放电过电流检测电压v o c u 时，电路恢复。 4 、短路保护： 短路保护与放电过电流保护动作相同，只是v m i n u s 检测电压v s h 0 较高。 在放电过电流和短路检测中，负载阻抗过小，放电电流在功率管m d 和m c 上产 生的压降较大，v m i n u s 电位会抬升，这样，监测v m 斟u s 端即可实现对电池的保护。 华中科技大学硕士学位论文 而在正常情况下，m d 和m c 上的压降很小，v m i n v s 电位接近于v s s 。 需要注意的是，在正常使用时，电池电压变化缓慢，若v d d 电压接近于检测电压 时出现干扰信号，则会使其在检测电压上下浮动，从而使保护电路产生误动作，因此 有必要针对各种异常情况设置相应的延时来避免误动作。即当保护电路检测到异常信 号后，延时一段时间再关闭m d 或m c ，从而起到滤除瞬间干扰的作用。根据过充电、 过放电和放电过电流对电池的危害程度设定不同的延迟时间。特别的，由于短路是放 电过电流的极端状态，对于电池的危害较大，延时应相对较短。 电池在充电过程中，与功率管m c 源极相连的v r , 曲, a j s 电位低于v s s ，当出现过充 电后，为了能够使m c 完全关断，与m c 栅极相连的c o t r r 电位应与v h m u s 电位相同， 故需要在逻辑输出信号与c o l r r 端之间加入电平转换电路，将逻辑低电平由v s s 的电压 转换为v m , m s 的电压。 在出现放电过电流或短路时，v 啪, r o s 端处于较高的电位，电池进入放电过电流或 短路保护状态后，电路的恢复需要v l n , r o s 电位降至放电过电流检测电压以下，而这时 m d 关断使电路断开，故需为v m 刚u s 端设置电压释放电路，又由于v 州s 电压范围 变化较大，须注意衬底偏置问题，及所采用的工艺。 本论文采用o 6 1 m a 、高耐压c m o s 工艺，由于阈值电压较高，电路在低电压下工 作存在一定难度，在进行电路设计时需要充分考虑。 8 华中科技大学硕士学位论文 2 3 电路结构 图2 5 电池保护电路系统框图 如图2 5 为电池保护电路中保护i c 的系统框图。该系统主要包括过充电检测比较 器( o v e r - 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 ) 、放电 过电流检测比较器( o v e r - c u r r e n tc o m p a r a t o r ) 、振荡器( o s c ) 、计数器( c o u n t e r ) 、 逻辑控制电路( l o g i cc i r c u i t ) 、短路延时电路( s h o r t d e l a y ) 、电平转换电路( l e v e ls h i f t ) 和基准及偏置电路( v r e f & b i a s ) 。框图左侧为电阻分压电路，对v d d 的电压进行采样。 r 0 c 为放电过电流复原电阻。 其中，比较器用以检测电压变化，振荡器和计数器用来实现过充电检测、过放电 检测、放电过电流检测及复原的延时，这样精度及可靠性较高；对于短路则单独设计 了短路延时模块，并设置了较短的延时。 考虑到迟滞比较器会使电路设计变得复杂，因而采用通过逻辑电路反馈控制v d d 9 华中科技大学硕士学位论文 电压的采样电路来实现迟滞比较功能。 保护电路功能的实现流程如下： 1 、过充电检测： 在电池充电时，图2 ，5 中的采样电路将实时检测电池电压信号，并将其送入过充 电检测比较器与基准电压进行比较，若v d d 端电压高于过充电检测电压，典型值为 4 3 v 时，则判断为过充电状态，逻辑控制电路将c o u t 端电位置为低电平，并通过关 断c o l r r 端外接的充电控制功率管m c 的方式使电池停止充电。此时在停止充电状态 下连接系统负载，负载电流可以通过m c 的寄生二极管形成通路。同时，由逻辑控制 电路改变采样电路的分压比，使过充电检测比较器相对于v d d 的阈值电压由过充电检 测电压降为过充电复原电压。 在检测出了过充电之后，若v d d 端电压变化到低于过充电复原电压，典型值为 4 1 v 时，便从过充电检测状态复原，逻辑控制电路将c o u t 端置为高电平，并通过使 m c 重新开启的方式使电池恢复到可充电状态。 在过充电检测和过充电复原时，电路内部设定有延迟时间。当v d d 端电压高于过 充电检测电压，如果在过充电检测延迟时间，典型值为1 s 内，v d d 端电压又下降到 过充电检测电压以下，电路就不会进入过充电保护状态。同样，进入了过充电保护状 态之后，在v d d 端电压低于过充电复原电压的情况下，即便在移出充电器，接入负载， 只要在过充电复原延迟时间，典型值为8 m s 内，恢复到过充电复原电压以上，电路就 不会从过充电状态复原。 2 、过放电检测： 在电池放电时，电路同样检测v d d 端电压并将其送入过放电检测比较器和基准电 压比较，若v d d 端电压低于过放电检测电压，典型值为2 3 v 时，则判断为过放电状 态，此时逻辑控制电路将d o u t 端置为低电平，并通过关断d o u r 端外接放电控制功率 管m d 的方式使电池停止放电。 从过放电状态复原，只能通过连接充电器的方式来进行。在连接充电器时，如果 端电压低于过放电检测电压，充电电流则通过m d 管的寄生二极管流过，对电池进行 充电，使v d d 电压上升，当v d d 端电压上升高于过放电检测电压时，逻辑控制电路使 l o 华中科技大学硕士学位论文 d o u r 端变为高电平，并通过开启功率管m d 的方式使电池恢复到可放电状态。在连 接充电器后，如果v d d 端电压高于过放电检测电压，d o u r 端将直接输出高电平。 电路内部设定了过放电检测的延迟时间，典型值为8 m s 。即使v d d 端电压一度低 于过放电检测电压，如果在过放电检测的延迟时间内，v d d 端电压又上升到过放电检 测电压以上，电路就不会进入过放电保护状态。同样，电路从过放电保护状态复原时 也同样设定有延迟时间，典型值为4 m s 。 检测出了过放电后，由逻辑控制电路通过待机控制信号p d 和p d n 使所有的电路 停止并处于待机状态，电路将最大限度的减少消耗电流。 3 、放电过电流检测及短路检测： 在可充放电状态时，通过v m m v s 端来检测电池连接负载进行放电时的电流大小， 由放电过电流检测比较器输出相应信号，若因负载阻抗减小等情况使得v m m u s 端电压 高于放电过电流检测电压，典型值为o 1 5 v ，而低于短路检测电压，典型值为v d d - 0 9 v 时，则判断为放电过电流状态，如果v m n w s 端电压达到短路检测电压以上，判断为 短路状态。此时，d o u r 端输出低电平，关断外接放电控制功率管m d ，从而防止电路 中通过大电流。 在v m 雌端和v s s 端之间，设置有放电过电流复原电阻r o c ；用以释放v m r c m o s 端的电压，其典型值为5 0 k f l 。当电路进入放电过电流或短路保护状态而负载处于开 路状态时，v m 删s 端的电平通过放电过电流复原电阻下拉至v s s 端的电位，当v m v s 端电压下降到放电过电流检测电压以下时，电路将从放电过电流或短路保护状中恢 复。在进入放电过电流或短路保护状态之后，放电过电流复原电阻处于导通状态，而 在通常情况下( 可以充放电时) ，放电过电流复原电阻处于关断状态。 电路内部设定放电过电流检测时的延迟时间，典型值为1 2 m s 。当v m m o s 端电压 上升到放电过电流检测电压以上、低于短路检测电压时，如果在放电过电流检测的延 迟时间以内，v m i m , u s 端电压下降到放电过电流检测电压以下，电路就不会进入放电过 电流检测模式。同样，电路从放电过电流保护状态复原时也设定有相应的延迟时间， 典型值为4 m s 。 对于负载短路检测，电路内部也设定有延迟时间，由于负载短路对电池的危害程 华中科技大学硕士学位论文 度较大，该延时较短，典型值为4 0 0 “s 。电路从短路保护状态复原的延迟时间与放电 过电流复原延时相同。 华中科技大学硕士学位论文 3 1 概述 3 低功耗设计 由于保护电路依靠电池来为其提供电源电压，为了尽可能不影响电池的待机时 间，设计出低功耗的保护电路便成为一个重要的研究方向1 4 1 。而c m o s 技术采用标 准材料和工艺，能够实现低电源电压、低功耗的电路系统，并确保低成本和高产出率， 是当前模拟电路的发展趋势。 以下讨论几种降低功耗的方式【1 5 - m 。 3 2 待机控制 对于电池保护电路，系统设计可将其划分为五种工作状态：待机状态、过充电保 护状态、过放电保护状态、放电过电流保护状态及短路保护状态，其中待机又包括部 分待机。 通常情况下，保护电路处于部分待机状态，此时，除了基准电路、偏置电路和电 压检测电路对电池电压进行必要的监控，其它如振荡器、计数器、电平转换电路等大 部分电路均处于关断状态，只有在检测电路检测到电压异常并产生信号激活相应模 块，保护电路的工作状态才会发生转变，也只有在进行保护动作时，保护电路才不处 于待机状态，当电池电压过低时则全片进入待机状态，以最大限度的降低电流的消耗。 因此，使用待机控制在很大程度上减少了平均功耗。 图3 1 保护电路的状态转换 华中科技大学硕士学位论文 待机控制具体的工作原理是：在需要待机的电路中，加入开关控制的m o s 管， 当电池进入过放电保护状态后，通过逻辑电路产生一个待机信号，使各开关控制m o s 管导通，强迫电路中的m o s 管截止，使电路停止工作，各支路断开，从而不消耗电 流。所加入的开关控制m o s 管须注意在待机信号作用时，不能产生新的电流通路， 否则将无法真正有效的待机，甚至产生大的电流。 开关控制的m o s 管通常接入各电路的直流通路中，或接至m o s 管的栅极，如 图3 2 所示。 v d d 。=-： 图3 2 待机控制的实现 本论文中将待机信号设为p d ，低电平有效，p d n 是p d 经过一个反相器后的输 出，为p d 的非。电路正常工作时，p d 为高电平，m p 2 截止，p d n 为低电平，m p 4 导通。需待机时，p d 变为低电平，拉高m p l 栅极电压，使之截止，从而使m p l 所 在支路电流降为零；p d n 变为高电平，使m p 4 截止，直接断开m p 3 所在支路。 3 3 亚阈值区模型 对于本论文所设计的保护电路而言，在其工作于正常状态时，电路的功耗主要集 中于基准偏置电路和电压检测电路中，而控制逻辑部分属于数字电路，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，以及限制低电压下的电路功耗成了 设计重点。 本论文采用工作于亚阈值区的m o s 管电路来实现低功耗。虽然由于亚阈值区 m o s 管栅压需要严格控制而增加了设计难度【1 8 - 1 9 1 ，但是可以极大地减小电路的工作 1 4 华中科技大学硕士学位论文 电流( 在m o s 管的v g s 接近v - m 时，i d 的数量级约为0 0 1 , - 4 ) 1 r t a ) 。 3 3 1 工作在亚闽值区的m o s 管的简化模型 在手工分析时，对于工作在亚闽值区域的n m o s 管，采用如下简化模型【2 0 】： 当v o s 、钿+ t 1 - 时，m o s 管工作于弱反型区，即亚阈值区，其漏电流与各 段电压的关系为： 。= 詈i d o e 岳 ( e 一( 一e - ( v 呃 3 1 ) i d o = g c 。v i e l 8 ( 3 2 ) 当v d s 大于3 4 倍、时，可忽略v d s 对电流的影响，m o s 管处于亚阈值的饱和 区。 i d s “罟i d o e x p 挚) ( 3 3 ) g m2 熹( 3 4 ) v t ：旦( 3 5 ) q 上式中，n 为亚阅值斜率因子( 1 n 4 v r 得到 v i 。m o = v d d v g s l + v 0 s m n i 一4 v 丁( 4 1 6 ) 过充电和过放电检测比较器的共模输入电压应设为其阈值电压，即l v ；放电过 电流检测比较器共模输入电压应设为1 5 0 m v 。 输入共模范围所采用的仿真方法是：将比较器作为运放，将输出端接回输入的负 端，构成单位负反馈，如图4 1 8 所示。对正端作直流扫描，由0 v 升至v d d ，而后观 察输出端在多大的电压范围内与输入端的变化保持一致。 c a m p 五r a t o r v 工h 图4 1 8 比较器输入共模范围的仿真 以下为- 4 0 c 、2 5 c 、8 5 c 下过充电、过放电和放电过电流检测比较器输入共模范 围的直流仿真波形： 苫 = v 亩 ， v o l t a g ex 1 i n ) ( v o l t g 图4 1 9 过充电、过放电检测比较器输出跟随输入变化曲线 华中科技大学硕士学位论文 i = 一 器 哥 图4 2 0 放电过电流检测比较器输出跟随输入变化曲线 结果分析：过充电、过放电检测比较器在其阈值电压1 v 左右、放电过电流检测 比较器在1 5 0 m v 左右的电压范围内跟随效果良好。由于有亚闽值区的限值，实际的 共模输入范围比仿真结果要小。 ( 3 ) 直流增益a v ( o ) 增益是描述比较器工作的重要特性，增益的大小决定了输出能够在两个二进制状 态之间改变所必需的最小的输入变化量( 精度) 。 就图4 1 0 而言，当v 呻和v 巧l n 电压差距很小时，输出电压v o u t 通过对寄生电容 的充放电呈线性变化，而非理想的v o h 和v o l 输出。 a 。( 0 ) ：型n l j 鱼l ( 4 1 7 ) g 出l 十g 出h 0 1g d o 衄4 十g d d 皿 5 g 一- 2 揣 ( 4 1 8 ) 铲毒 1 9 故 a v 卜i 忑面丽东雨j 瓦雨j h 2 而比较器精度为 v i n = 鼍挚 z ， 华中科技大学硕士学位论文 可知，比较器电路增益越大其精度越高。 以下为过充电、过放电和放电过电流检测比较器的交流仿真波形： 一7 ；- - ) 。- v - 1 0 1 0 01k,zok 1 k “ n q 啊n q 叼)c 硼锄 图4 2 l 过充电和过放电检测比较器增益变化曲线 一_ 、 。、 i 、 l o 1 0 0 呔 1 咄1 0 0 ku ，r 事鼬c yc 1 。g ) 佃e 船曙i 图4 2 2 放电过电流检测比较器增益变化曲线 结果分析：过充电、过放电检测比较器的增益约为6 0 d b ，放电过电流检测比较 器的增益约为4 0 d b ，这是由于其共模输入电压( 1 5 0 m v ) 偏低所致。 2 、动态特性： ( 1 ) 摆率s r 在大信号模式下，由于电容充放电电流的限制，将出现转换速度的限制。此时， 电压的变化率称为摆率【3 2 】。 就图4 1 0 的比较器电路而言，对于第一级， s r + ：i d m _ p 2 - - - i d m n 2 ( 4 2 2 ) s r 一：! 趔2 二! 螋2 c ( 4 2 3 ) c l 为第一级输出极点的寄生电容。 若v o s m m 很大，以致电流全部被m n 2 抽取，而m n l 截止，则此处i d m n l = o ，s r 华中科技大学硕士学位论文 最大。 若v g s l 很大，使m n 2 关断，则此时s r * 最大。 对于第二级有类似的结论。 ( 2 ) 传输延迟时间 在比较器电路进行比较的过程中，在输入激励和输出响应之间有一个延时，这一 时间差称为比较器的传输延时。 比较器的传输延时随输入幅度的变化而变化，较大的输入将使延时较短。但当输 入电平增加到一个上限，即使输入电平再增大也无法对延时产生影响，这时传输延时 主要由摆率决定。 当处于小信号输入情况下时，传输延迟时间主要受小信号带宽影响。 当输入电压v m 等于v h ( 劬) 时， v o h 广- - v o l = a v ( 0 ) ( 1 百妒) = a v ( o ) ( i - e - t ； 。) 崤( 4 2 4 ) 因此阶跃输入为v 。i i i ，时的传输延时为： t 。= t 。l n ( 2 ) = 0 6 9 3 。 ( 4 - 2 5 ) 若输入为v i i l 。曲，的k 倍，则传输延时将为： t p - 咖毫) ( 4 2 6 ) k = 可面v m ( 4 2 7 ) 亿位白， 。 t 。：上 ( 4 2 8 ) c 其中c 是- 3 d b 频率。 对于图4 1 0 所示的比较器，计算c ： 第一级的输出极点为 p ，：一亟号掣 ( 4 2 9 ) c 。是第一级输出极点所有电容之和； 华中科技大学硕士学位论文 第二级的输出极点为 r ：鱼虫丝! 兰幽1 2 c 2 c 2 是连接到第二级输出极点的所有电容之和，c l 主要为负载电容； 由 鲈若惫 令e 1 ) e 一1 ) = j ，求出此时的s ，即得到。 p lp 2 。 若令m = 譬1 ，则可得到归一化传输延时t p 。： p l f 4 3 0 ) ( 4 3 1 ) 一。盍 h 3 2 ) k 由式4 2 7 定义。 随着比较器输入的增大，比较器最终进入大信号模式。在大信号模式下，传输延 时由比较器的摆率决定。 t ，= t = 百v o h - - v o l ( 4 3 3 ) 在这种情况下，减小传输延时的重要手段是增加比较器供出或吸入电流的能力。 整个电路的传输延迟时间是各级传输延迟时间的总和。 以下为- 4 0 。c 、2 5 c 、8 5 c 下过充电、过放电和放电过电流检测比较器传输延时的 瞬态( t r a n ) 仿真波形： 华中科技大学硕士学位论文 圉 _。 。：x z c m 。 曩 ；， ! | m 一， i ；， 4 u6 u 0 u t i m e ( 1 l n ) r m ， 图4 2 3 过充电检测比较器输出随输入变化曲线 m 6 ub u t 妇f l i n ) ( t i h e ) 图4 2 4 过放电检测比较器输出随输入变化曲线 匿匿垦匿 华中科技大学硕士学位论文 f r _ r - r 1 1 1 r r _ r r 1 _ t _ r 1 r n 一7 t o l u6 u “ t i _ ( 1 i n ，( 2 x j t g ) 图4 2 5 放电过电流检测比较器输出随输入变化曲线 结果分析：过充电、过放电和放电过电流检测比较器传输延迟时间分别在l o o n s 、 4 0 0 n s 和2 t s 左右，满足设计要求。 4 3 振荡器 4 3 1 功能原理 电路实现保护功能需要有相应的延时，精确的延时由振荡器产生时钟信号i 3 3 - m l ， 再经计数器分频完成。振荡器在保护电路检测到过充电、过放电和放电过电流中任意 一个异常状态后开始工作，电路进入保护状态时停止工作，电路从保护状态中复原的 过程中，振荡器动作相同。因此需设置一个起振的控制端及一个待机控制的使能端。 4 。3 2 电路结构 在本论文中采用三级环形结构，每一级由反相器与电容构成。为了实现对振荡器 的起振和使能控制，增加了两级反相器【3 5 j 。 华中科技大学硕士学位论文 图4 2 6 振荡器模块电路 e n 为振荡控制端，高电平有效，v b i a s p 为偏置电压输入端，p d 为待机控制端， 为低电平时将m p l - m p 4 的栅极电压拉高，使之截止，从而使电路失去偏置电流，进 入待机状态。 4 3 3 参数设计 振荡器的工作频率设计为2 k h z ，为控制振荡器的消耗电流，在反相器通路中串 接提供偏置电流的m o s 管，并将其偏置在亚阈值区。 振荡频率p 6 】： r = 2 击= 丽孓两而1 n t而 4 ) t 。dn 艰n + r p