（微电子学与固体电子学专业论文）锂离子电池充放电保护芯片的研究与设计.pdf

摘要 本论文设计了一种装配在单节锂离子电池内的充放电保护芯片。该芯片基于 c s m c0 5 u mn - w e l lc m o s 2 p 3 m5 v 工艺库设计，并利用c a d e n c e 软件下的s p e c t r e 仿真器上对整体电路进行了仿真。仿真结果显示：该芯片具有对锂电池的过充电 保护、过放电保护、过流保护、短路保护、待机控制以及充电器检测等功能。芯 片的正常工作温度范围在- 4 0 8 5 之间；整个芯片工作时低功耗( 2 7 条件 下，v d d = 3 3 v 时，平均电流约为2 8 n a ，待机时平均电流约为8 0 n a ) ；芯片具 有高精度的电压检测。芯片已成功流片并顺利完成了测试，总体性能良好。 论文首先从锂离子电池保护芯片的应用背景和基本功能入手，说明了本课题 的研究意义；接着详细介绍了电路低功耗设计的几种方法和本设计采用的方法； 结合其工作时的外围电路，分析和设计了锂离子保护芯片的系统架构和模块的划 分；设计了保护芯片内部的重要子模块，包括基准源电路、过充比较器、过放比 较器、过流比较器、短路检测延时电路、充电器检测电路、振荡器、计数器和逻 辑控制电路等模块，并利用c a d e n c e 软件对这些子模块都作了完整的电路设计和 仿真分析，仿真结果显示各子模块电路的性能均达到设计指标的要求。 论文的第五章对整体电路的功能和性能进行了仿真，仿真结果表明该电路完 成了设计功能，达到了预先制定的设计指标，较好的完成了芯片电路的前端设计。 第六章，介绍了该芯片版图、封装形式、整体测试方案以及测试结果。论文的第 七章为整篇论文的总结部分，详细总结本研究中的经验和不足，并对以后进一步 研究提出展望。 关键词：锂离子电池低功耗过充电过放电 a b s t r a c t t h i sp a p e rp r e s e n t e dal i t h i u m i o nb a t t e r yc h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gp r o t e c t i o n c h i p ，w h i c hw a sd e s i g n e dw i t hc s m c0 5 u mn - w e uc m o s2 p 3 m5 v , a n ds i m u l a t e d i nc a d e n c es o f t w a r ee n v i r o n m e n t s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec h i pc a l lw e l l p r o t e c tt h el i t h i u m i o nb a t t e r yf r o mo v e r c h a r g i n g ，o v e r d i s c h a r g i n g ，o v e r c u r r e n ta n d s h o r t c i r c u i t b e s i d e s ，i th a dt l l ef u n c t i o no fp o w e r - d o w n c o n t r o la n dc h a r g e r d e t e c t i o n t h ec h i pw o r k e da tt h et e m p e r a t u r eo f - 4 0 c - 8 5 。ca n dh a de x t r e m e l y l o wc o n s u m p t i o n ( w h i l ev d d = 3 3 va n dt - 2 7 ，a v e r a g ec u r r e n tw a so n l y2 8 峨 a n dd u r i n gp o w e r - d o w nm o d e ，i t sa v e r a g ec u r r e n tw a so n l y8 0 n a ) b e s i d e s ，t h ec h i p h a dh i g h - a c c u r a c yv o l t a g ed e t e c t i o nc a p a b i l i t y t h ec h i pw a ss u c c e s s f u l l yt a p e do u t a n dt e s t e d f i r s to fa l l ，b a s e do nt h ea p p l i c a t i o nb a c k g r o u n da n db a s i cf u n c t i o no fl i t h i u m i o n b a t t e r yp r o t e c t i o nc i r c u i t ，t h er e s e a r c hs i g n i f i c a n c eo fo u rw o r kw a sp r e s e n t e d w h a t f o l l o w e dw e r es e v e r a ll o wp o w e rc o n s u m p t i o ni cd e s i g nm e t h o d sa n dt h es p e c i f i c a p p r o a c hi nt h i sp a p e r t h et h i r dc h a p t e rd e a l tw i t ha n a l y z i n ga n dd e s i g n i n go ft h e l i t h i u m i o nb a t t e r yp r o t e c t i o nc i r c u i ts y s t e mb l o c ka n dm o d u l e sw h i l et h ef o r t h c h a p t e rp r e s e n t e dc r i t i c a ls u b - c i r c u i t s d e s i g n ，i n c l u d i n gt h eb a n d g a pr e f e r e n c e ， o v e r c h a r g i n gc o m p a r a t o r , o v e r d i s c h a r g i n gc o m p a r a t o r , o v e r c u r r e n tc o m p a r a t o r , s h o r t - c i r c u i td e l a yd e t e c t i o nc i r c u i t , c h a r g e rd e t e c t i o nc i r c u i t ，o s c i l l a t o r , c o u n t e r , l o g i c c o n t r o lc i r c u i ta n de t c a l lt h ea b o v es u b c i r c u i t sw e r et h o r o u g h l yd e s i g n e da n d s i m u l a t e di nc a d e n c es o f t w a r ee n v i r o n m e n t a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a t t h ep e r f o r m a n c e so ft h e s es u b c i r c u i t sa l lm e e td e s i g ns p e c i f i c a t i o nr e q u i r e m e n t s i nt h ef i f u lc h a p t e r , t h ee n t i r ec i r c u i t sf u n c t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c sw e r e s i m u l a t e d ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e dt h a ta l lt h ed e s i g ns p e c i f i c a t i o n sa n d g o a l sm a d eb e f o r e h a n da r em e ta n dt h ef r o n t - - e n do ft h ee n t i r ec i r c u i ta r ev e r y w e l l d e s i g n e d 。n l es i x t hc h a p t e rg a v et h ec h i p sl a y o u t ，p a c k a g e ，o v e r a l lt e s ts c h e m e ，a n d t e s tr e s u l t s t h es e v e n t hc h a p t e rs u m m a r i z e dt h ee x p e r i e n c e sa n dd e f i c i e n c i e si nt h i s p a p e ra n dd i s c u s s e df u t u r er e s e a r c hp r o s p e c t k e yw o r d s ：l i t h i u m i o nb a t t e r y , l o wc o n s u m p t 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 与虫叠i 性声呖 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：扔肄弯 签字日期：泖1 7 年6 月弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：之碍缂咨 导师签名： 签字f 1 期：m 9 年6 月； 同 彩够端 辩嗍：节伽如 第一章绪论 第一章绪论 5 1 电源管理芯片的市场研究 目前，电源管理芯片市场的品牌构成仍是国外厂商处于领先地位，市场排名 前十的企业无一例外全部为外资企业，其中美国厂商占据着明显的统治地位。美 国电源管理芯片技术在历史上一直处于领先地位，拥有大批竞争力很强的企业。 其次为日本，在该领域厂商主要有r i c o h 、s a n k e 、s e i k o 等知名厂商，也具有很 强的竞争力。 表1 12 0 0 7 年中国电源管理芯片市场品牌结构 然而，电源管理芯片市场的品牌集中度在缓慢下降，2 0 0 7 年市场上排名前 十位厂商所占的份额在2 0 0 6 年的基础上进一步下降，前十名所占的市场份额已 经不足5 0 ，说明市场竞争进一步加剧。而且，随着中国台湾和中国本土厂商在 电源管理领域的进步开拓，这种趋势未来还将继续，而且随着中低端电源管理 产品竞争厂商的增加以及产品材料成本的不断增加，产品的利润空间被不断压 缩，这些国际领先厂商未来有可能会放弃部分低端的微利产品业务，电源管理芯 片市场品牌集中度下降的趋势未来几年还将延续。 虽然这些国际厂商在中低端产品方面受到了很大挑战，而且市场品牌集中度 第一章绪论 也在降低。但是为了应对挑战，2 0 0 8 年以来，国际领先的厂商也在积极调整， 例如t i 加大电源管理投入，收购爱尔兰电源设计公司，而且重组模拟业务，增 加电源管理部门：f a i r c h i l d 与z i l k e rl a b s 合作为通信和计算应用提供负载点数字 电源；为了增强电源管理产品的应用实力，英飞凌收购p r i m a r i o n 等。目前来看， 主流厂商在中高端电源管理领域仍然具有技术和市场优势，例如手机用的p m u ， 往往只能由几家大厂供应，中小厂商很难有机会进入市场，由于这种技术和市场 方面的优势将是长期的，因此未来几年电源管理市场的竞争格局将很难有所改 变。 消费、网络通信和计算机一直是电源管理芯片市场最主要的应用领域，三大 领域依然占据了中国电源管理芯片市场近8 0 的市场份额。从发展速度来看，计 算机领域是2 0 0 7 年增长速度最慢的领域，整机产量的下降是直接原因，虽然笔 记本电脑依然保持了高增长率，但是，其它产品增长率都有较大程度的放缓，有 的产品产量甚至出现下滑。2 0 0 7 年市场最大的亮点在于汽车电子类电源管理芯 片市场取得了超过4 0 的高增长率，虽然电源管理芯片市场2 0 0 7 年的发展有所 减缓，但是在各种汽车电子整机产量快速增长的带动下，该领域的电源管理芯片 市场持续了近年来的高增长率。 为了应对不同的需求，电源管理芯片产品种类众多，而且从各种产品的市场 份额来看，市场结构显得比较分散，份额最大的l d 0 也只占据了2 0 的市场份额。 其次是d c d c 、d r i v e r 和p m u ，市场份额均不到1 5 ，其它产品的份额都在1 0 以下。从市场发展来看，l d o 虽然是中国电源管理芯片市场上份额最大的产品， 但由于参与竞争厂商较多，价格持续下降，因此发展速度明显放缓；而由于手机 等便携产品的大量需求，p m u 和电池管理芯片成为2 0 0 7 年中国电源管理芯片市 场上增长最快的两个产品。 在经历了多年的快速增长之后，中国电源管理芯片的市场基数已经越来越 大，而且随着整机制造也向中国转移趋势的减缓，中国电源管理芯片市场很难出 现前几年的高速增长态势。因此，2 0 0 8 年后中国电源管理芯片市场的发展速度 将会逐渐减缓，而且随着中国市场占全球市场比重的增长，二者的变化趋势将基 本保持一致。赛迪顾问预计中国市场的增长率在未来几年仍然将会高于全球市场 的增长率，但二者增长率差距将逐渐缩小。 随着2 0 0 8 年奥运会的胜利召开和中国政府节能减排工作的不断深入，对电 源管理芯片的需求将不断提升。同时，数字电视、3 g 手机等新兴产品、m p 3 和数 码相机等消费类市场，甚至打着绿色交通革命的旗帜所带来的电动自行车市场需 求，都将拉动市场对于电源管理芯片的需求。虽然中国电源管理芯片市场的发展 速度放慢是一种必然趋势，但未来5 年，中国电源管理芯片市场还将保持快速发 2 第一章绪论 展的势头，电源管理产品仍将是集成电路产品中最为活跃的产品之一。它的发展 速度将仍然高于全球市场，其复合增长率仍将高于2 0 。 5 2 课题的研究内容和实际意义 随着科技的不断发展与进步，越来越多的便携式电子产品进入人们的生活， 如手机、笔记本电脑、m p 4 、数码相机等，这些电子产品大大地方便了人们的生 活。这些产品的能量供给部件电源也显得越来越重要。电源也朝着体积小、重量 轻、能量高、安全性高和无污染的方向发展。电源大体上可分为三种：镍镉电池、 镍氢电池和锂电池。由于镍镉电池中的镉元素会对环境产生污染，因此它的应用 正逐步被取代。镍氢电池虽然环保，但是其能量密度小，有少许记忆性等缺点， 应用的也不是很广。9 0 年代出现的锂电池是能源技术的一个重大突破【l 】。现阶段， 在便携式电子产品中，应用最广的电源就是锂离子电池。其具有以下几个优点： 1 、能量密度高。 2 、产生电压高。 3 、无记忆性。 4 、自放电率很低。镍氢电池的自放电率很高，电池长期不用时，电量会自 己放光，而锂离子电池的自放电率小很多。 5 、对环境无污染，是环保电池。 6 、使用寿命长。 由于锂离子电池有以上所说优点，因此其应用也越来越广。但其在充放电过 程中，应尤其注意，否则有可能损坏电池。 锂离子电池最高所允许的充电电压为4 3 v ，超过4 3 v 以后电池就会因为锂 离子消耗过多而损坏。 锂离子电池在放电时，其内部的锂离子不能完全移动到电源正极，否则，由 于内部结构就会严重影响锂离子电池的使用寿命，因此在锂离子电池放电时，一 定不能使其电压放得过低【2 】。 此外，在锂离子电池使用过程中也要防止过流和短路，这两种现象也可以给 电池造成很大的损害，因此在锂离子电池使用过程中需要保护芯片来有效监控并 防止电池受到过充电、过放电、过流和短路等损害【3 】。 由于，每块锂电池内部都装配有一块锂离子电池保护芯片，因此锂离子保护 芯片的需求量大得惊人，市场前景很好。 目前，锂离子电池保护芯片的核心技术主要由国外掌握，市场主要由国外占 据，比如，日本的精工、理光等公司。国内一些设计锂离子电路保护芯片的公司 3 第一章绪论 才刚刚起步，技术不够成熟，产品性能尚不够理想，因此国内巨大的市场需求主 要仍靠国外的进口芯片。这样，锂离子电池保护芯片的成本就很高。 如果能够研制出具有自主知识产权的、高性能的锂离子电池保护芯片，就会 打破外国产品垄断的局面，芯片的成本也会大大降低。因此，本课题的研究的意 义非常重大。 5 3 本论文的主要工作和组织形式 本文的主要工作是设计一种装配在手机电池中的单节锂电池充放电保护芯 片。主要设计和分析了芯片内的b a n d g a p 基准源、过充比较器和过放比较器、过 流比较器、短路检测延时电路、振荡器、计数器、逻辑控制电路和充电器检测电 路等模块，对各模块作了详细的电路原理介绍和电路设计以及仿真结果的分析。 论文的内容安排如下： 第一章介绍了锂电池充放电保护芯片的国内外市场和研究状况、课题的研究 内容和实际意义，并对本论文的各章节进行了简述。 第二章介绍了c m o s 电路低功耗设计的几种常用方法。 第三章主要介绍锂电保护芯片的应用背景和主要保护功能，并分析了锂电池 保护芯片功能框图、构成模块及工作原理。 第四章重点对该芯片内部的各个模块，包括b a n d g a p 基准源、过充比较器和 过放比较器、过流比较器、短路检测延时电路、振荡器、计数器、逻辑控制电路 和充电器检测电路等模块，作了详细的电路原理介绍和电路设计以及仿真结果的 分析。 第五章主要是整体电路的仿真结果。为了验证芯片的功能和性能，做了全面 细致的仿真，从仿真结果中可以看出，芯片实现了其预定的功能并且达到了设计 要求的性能。 第六章介绍了锂电池充放电保护芯片的测试过程和测试结果，测试结果显示 芯片总体性能良好。 第七章是本文总结，详细总结研究中的经验和不足，并提出展望。 4 第二章c m o s 电路的低功耗设计 第二章c m o s 电路的低功耗设计 近年来，由于某些便携式电子系统，如笔记本电脑、数码相机、手机等电子 产品的广泛应用，集成电路的功耗也被提到与面积和速度同等重要的位置。例如， i n t e l0 8 年推出了凌动系列处理器，其目的就是大大降低处理器的功耗。如果使 用传统的技术，就可能负担非常庞大的电池，否则电池的使用寿命将相当短；随 着电路集成度的提高，在设计时若不考虑功耗问题，可能会使电路某些部分不稳 定乃至烧坏；功耗过大也会影响到芯片的封装。本设计中的单节锂离子电池保护 芯片采用c s m c ( 江苏无锡华润上华) 0 5 u m c m o s 工艺，正常工作时( 在t t 条下，v d d = 3 3 v ，2 7 ) 芯片工作电流仅为2 8 u a ，待机状态不足0 1 u a ，因 此本设计是一个低功耗设计。本文分别对c m o s 集成电路的功耗来源和低功耗 的几种常用设计方法进行了详细的讨论，以期望对本设计有指导作用。 2 1c m o s 电路功耗的来源 c m o s 电路中有两种主要的功耗来源：静态功耗和动态功耗l 珥j 。其中，动 态功耗包括短路电流引起的功耗( 称作直流开关功耗，发生在跃变过程中n m o s 管和p m o s 管同时导通流过的瞬态电流形成的功耗) 和负载电容的功耗( 称为 交流开关功耗，指由对负载电容充放电电流引起的功耗) ；静态功耗主要是由漏 电流引起的功耗。 2 1 1 动态功耗 当反相器从0 到1 或者从l 到0 瞬间变化过程中的一个很短时间间隔内，存 在p m o s 管和n m o s 管同时导通的状态，这导致一个窄的从v d d 流到v s s 的电 流脉冲，由此引起的功耗称为交变功耗p a ，其大小取决于负载电容和门的设计。 一个周期t p 内的平均交变功耗p a 为 只2 扣渺 式中，i 为交变电流。 为了对输出端负载电容进行充电和放电， ( 2 1 ) 也有电流流动，由它引起的功耗叫 第二章c m o s 电路的低功耗设计 瞬态功耗0 。通常，负载电容的充、放电电流是动态功耗的主要部分。当输入 是理想的时钟频率为s 的方波时，瞬态功耗为 弓= q ( 2 2 ) 上式中c 。为反相器的负载电容。弓的大小与电路中负载电容的大小和时钟 频率成正比，和电源电压的平方成正比。 2 1 2 静态功耗 在理想状态下，c m o s 电路在稳定状态下始终有一个m o s 管是截止的，没有从 电源到地的直接路径，所以没有静态功耗。然而，在实际情况下，如果考虑扩散 区和衬底之间的反向漏电流，则它将产生很小的静态功耗。此时c m o s 反相器的静 态功耗就是器件的反向的漏电流和电源电压的乘积。c m o s f 3 电路总的静态功耗为 易= l 式中，n 为器件的数量，i 。为反向漏电流的值。 通过以上讨论，可以得到电路的总功耗为 ( 2 - 3 ) j p = e + 昂+ 弓2 吉i p ( f 皿+ ；l + q 2 ( 2 - 4 ) 式中，一般来说，占主要地位的时p t ，它主要取决于三个参数：负载电容c l 、 时钟频率和电源电压。随着c m o s 集成电路工艺的提高，特征尺寸逐步减小， 栅电容和电源电压也相应减小，所以整个电路功耗将减小。此外，如果时钟频率 降低，则也可以降低整个电路的功耗。 2 2 低功耗设计方法 随着工艺水平的近一步提高，各个工艺参数的不断变化，会对低功耗设计带 来一定的影响。对于些设计，虽然限定了工艺，不可能改变工艺上的参数，但 是我们对于其的研究能够从大的方向上把握工艺水平的变化对集成电路功耗的 影响。 第二章c m o s 电路的低功耗设计 随着工艺水平的进一步提高，由按比例缩小理论可以推出，器件特征尺寸随 之按比例减小，栅下氧化层厚度也相应变薄，器件的阈值电压降低，使器件的电 源电压减小，从而降低的功耗【5 1 。这时候由于漏电流引起的功耗也会减小，器件 工艺尺寸的不断减小对功耗的降低和电路速度的提高有着重要的影响。其中主要 的一点是整个电容的减小，这将在一定程度上减小电路的功耗和延迟。栅电容和 连线电容一般可以用下式表示： c = 耽i 1 ) ( 2 - 5 ) 式中，矽为宽度，l 为长度，t 。为氧化层厚度，名为氧化层介电常数。 然而，金属互联线的厚度几乎没有明显地减小，所以金属层和衬底的侧壁电 容变化不大。 但由于电路的主要部分功耗与喘近似成正比，因此电源电压降低的话，所 以功耗将会有明显的下降f 6 】。 。 此外，电路的主要部分的功耗还与疋成正比，因此降低时钟频率也可以大 大降低电路功耗。 2 3 本设计采用的低功耗设计方法 锂离子充放电保护芯片是一个数模混合信号芯片，但以模拟电路为主，整个 电路的主要功耗是模拟电路消耗的。为达到低功耗的目的，拟采用以下两种方法 来实现。 2 3 1 电路的亚阈值特性 通常，工作在亚阈值区的m o s 管功耗是很低的，因此可以使电路中的部分模 块工作在亚阈值区以减小整个电路的功耗f 7 1 。 当m o s 管栅源电压下降到低于其阈值电压时，m o s 管不会关断，其内部尚存 在一个弱的反型层，并有些源漏电流l 引。即当 3 巧，这时m o s 管就可以进入饱和区，源漏电流基本上 保持稳定，此时流过m o s 管源漏电流为 k = 厶i w 唧( 警 ( 2 - 9 ) 对于低功耗电路，m o s 管在亚阈值区运行是十分重要的工作状态。针对于本 论文设计的电路，在设计时可以使部分模拟电路工作在亚阈值区以达到低功耗的 目的。 2 3 2 动态功耗管理技术 在集成电路设计过程中，功耗和性能是相互制约的，如何取得最佳的设计方 案也是目前功耗管理技术研究的一个热点。 系统级的动态功耗管理技术( d y n a m i cp o w e rm a n a g e m e n t ) 的基本思想是将 电路中暂时不需要工作的部分关掉，以节省系统的功耗。在锂离子充放电保护芯 片设计过程中，可以在一些功耗比较大的模块上设置使能控制端，控制它们在电 路进入某一状态时进行关断，需要它们工作时，使能控制端再开启，这样可以大 大减小整个芯片的功耗。 第三章锂电保护芯片的总体描述和模块划分 第三章锂电保护芯片的总体描述和模块划分 3 1 锂电保护芯片概述 本论文所设计的是一种适用于单节锂离子电池的充放电保护芯片，是一块数 模混合信号芯片。它通常集成在电池内部，对电池在充放电过程中可能发生的异 常状态进行实时监控和保护。它的具体功能包括：过充电保护、过放电保护、过 流保护、短路保护、待机控制和充电器检测等功能【l o 】。其通过c 0 、d 0 两端发出 信号控制外围的充放电控制m o s 管栅极电平来实现，例如当发生过充电时芯片的 c 0 控制端会发出低电平从而关断充电控制m o s 管，这样可以切断充电回路，从 而达到保护锂离子电池的目的。 3 1 1 芯片各引脚定义和外围电路 图3 - 1 是锂离子电池保护芯片的封装形式和管脚定义。表3 - 1 是芯片引脚功 能描述。 54 ， 、 123 图3 1 锂离子电池保护芯片的封装形式和管脚定义 表3 - 1 本芯片的引脚功能描述 9 第三章锂电保护芯片的总体描述和模块划分 下图为锂离子电池保护芯片应用的外围电路。 图3 2 芯片应用的外围电路 表3 2 芯片外围电路元件说明 通常在电池充放电过程中，由于一些原因难免会有电源波动，从而产生干 扰信号，这时r 1 和c 1 网络就可以起到滤除电源干扰信号作用。两者值一般为几 百欧姆和0 1 u f 。r 2 一般为l k f l 左右，如果其值太小，当充电器反接时流过芯 片的电流会过大而容易把整个芯片烧坏；如果其值太大，当接入电压值较高的充 电器时很可能无法切断充电电流。f e t l 和f e t 2 是有寄生二极管的n m o s 功率管， 来控制充放电回路的通端【1 1 1 。要求其导通电阻很小、体积也很小的功率管，并且 当功率管关闭时，漏源击穿电压能承受不匹配电压充电器的影响。当电池发生过 充时，f e t 2 关闭，整个充电回路断开，当接入负载时若此时电源两端电压仍大 于过充释放电压，f e t 2 仍然关闭，但是此时可以通过其寄生二极管放电；当电 池发生过放时，f e t l 关闭，整个充电回路断开，当接入充电器若此时电源两端 电压仍低于过放释放电压，f e t l 仍然关闭，但是此时可以通过其寄生二极管充 电。因此，选用两个有寄生二极管的功率管是十分必要的，其作用就是在电池发 1 0 第三章锂电保护芯片的总体描述和模块划分 生过充时接入电阻后能放电( 此时充电控制m o s 管可能仍然关闭) ，在电池发生 过放时接入充电器能够充电( 此时放电控制m o s 管可能仍然关闭) 。 3 1 2 电路保护功能的实现 保护电路的具体功能包括对电压的保护和对电流的保护，而对电流的保护 是通过电流流过导通的n m o s 开关管产生压降来检测电压来实现的，因此保护电 路的保护实质是通过检测电压来实现的。下面将介绍各保护功能的具体原理。 过充电保护原理：在电池充电过程中，当电池两端的电压v d d 高于过充电 检测电压v c u 并持续过充电检测延时时，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。 过放电保护原理：在电池放电过程中，当电池两端的电压v d d 低于过放电 检测电压v d l 并持续过放电检测延时时，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。 充电过流保护原理：过流检测是通过将充放电过程中的电流转化为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) 并持续充电过流检测延时时，切断充电回路，以实现充电过流保 护【1 2 】。 放电过流检测原理：在放电过程中，当v m 的电压大于放电过流检测电压( 正 值) 并持续放电过流检测延时时，切断放电回路，以实现放电过流保护。 短路保护原理：在放电过程中，由于一些原因使电池两端发生了短路，这 时v m 端的电压就会接近v d d ，保护电路检测到后会马上关闭放电控制管，以 实现对电池的保护。 3 1 3 滤除噪声信号方法 在电池充放电过程中，总会有一些噪声信号的存在。为了防止噪声信号的 引入使保护电路发生误动作，在保护电路设计时需要考虑减小其影响的方法。一 般而言，影响保护电路的噪声信号有两种，包括瞬间噪声和波动噪声。瞬间噪声 是指噪声瞬时的加在正常信号上，使信号瞬时产生一个尖端而发生失真，这种噪 声持续时间极短。波动噪声是指正常信号的波动变化。比如，在电池充电过程中， 电源电压的信号突然超过过充电检测电压，然后又瞬时回到低于过充电检测电 压。这时如果保护电路判为电池过充，则为误判。而波动噪声由于一些原因，比 如电池内部电解质化学反应速率不稳定，从而导致在菜一时间段内电池两端的电 第三章锂电保护芯片的总体描述和模块划分 压沿着过充电检测电压上下波动，这时为电路判定电池是否过充带来困难。 一般来说，在电池充放电过程中，这两种噪声都是存在的。因此必须设法 滤除或减小其对正常信号的干扰。 对于瞬间噪声，可以在芯片内部引入延时电路来除去其影响。比如当检测 到此时电源电压高于过充电检测电压时，c o 端不会马上关闭充电控制管f e t 2 ， 这时要延时一段延时后再检测。如果此时检测到电源电压恢复到低于过充电检测 电压，则判定为瞬时噪声，电路不予理会，继续充电。这样电路就可以避开瞬时 噪声的干扰。根据过充电、过放电、过流和短路的危害程度不同，可以设定不同 的延时，危害程度越大，延时越短。 对于波动噪声，可以引入迟滞电路来消除其影响。在过充电起作用后，将 系统回到正常状态下的检测电压设计得比过充检测电压低一些。这样，当在电池 电压在过充检测电压附近时遇到波动信号就不会依次判为过充电和不过充。在过 放保护电压其作用后，将系统回到正常状态下的检测电压设计得比过放检测电压 高一些。 3 1 4 各异常状态的释放 在电池充放电过程中，包括过充电、过放电和过流等异常状态，下面介绍一 下各种异常状态的释放过程。 3 1 4 1 过充电保护状态的释放 过充电保护状态的释放包括以下两种情况： 如果过充的电池外部没有连接负载，而通过自身放电，则当它的电压降到过 充释放电压以下时，电路会开启充电控制f e t ，这时电路会回到正常状态。 如果过充的电池连接上负载，这时马上通过充电控制的f e t 的寄生二极管放 电，此时电路会检测到v m 端的电压会升高0 7 v 左右，这时电路会释放过充保护 状态，回到正常状态。需要注意的是，由于端电压会升高0 7 v ，高于放电过 流检测电压，因此应该禁止放电过流保护作用。不然，过充的电池接上负载后就 可能永远不能放电。 3 1 4 2 过放电保护状态的释放 当电池在过放状态下接入充电器时，需要检测v m 的电压。如果v m 的电压比 充电器检测电压低，过放迟滞就会被释放。这就意味着当电池电压只要高于或等 于过放电检测电压时，过放状态就会被释放，此时放电控制f e t 就会被开启，这 个情况叫充电器检测。如果电压高于过放释放电压时，过放状态才会被释放。 1 2 第三章* t o r b # 违随虮划分 总之，v m 端电压越屙释放越晚 3 1 4 3 过流保护状态的释放 当过流慊护起作用时充放电回路被四断电流瞬间减小到零此时v m 端 电平被拉到v d d ，需要重新接八负载使电路进入正常的充放屯状态， 3 1 5 电平位移电路 在电池充电过程中，如图3 - 2 充电控制管f e t i 的源极( 即v m 端) 电位为 负的此时如果发生过充电或充电过流时，需要由c o 端向f e t i 的栅极发出信 号来关c i j 充电控制管f e t i ，如果c o 发出的f i 号为零电平，则f e t ) 有町能不 能关闭，因此需要把它位移到v m 端电平，这样才能有效关断。 3 1 6 电路各状态转换图 趸习一茎 厂雨匾 ：i & 嚣潞j j 焉嚣鬻 j f o w e r d o w n l 划3 。3 钝电池保护芯片状态转换m c o , , l , b 0 4 1 蔓因词毫 第三章锂电保护芯片的总体描述和模块划分 锂电池保护芯片各个保护状态到正常状态之间应该能够顺利切换，这样才不 会使整个电路锁死。图3 - 3 为电路的状态转换图。 3 2 系统结构 由以上功能，可以得到如图3 _ 4 所示的锂电池保护芯片的系统结构图。 图3 _ 4 锂电保护芯片系统结构 锂离子电池充放电保护芯片包括以下模块：电压采样电路、基准源电路、过 充比较器、过放比较器、过流比较器、短路检测延时电路、振荡器、计数器、逻 辑控制电路、充电器检测电路和电平位移电路。 电压采样电路：对电源电压进行采样，将采得v d d 信号送入比较器中与基准 电压进行比较。 基准源电路：产生几乎不随温度和电源电压变化的零温度系数、高电源电压 抑制比的基准电压信号，为过充比较器、过放比较器和过流比较器提供稳定的电 压基准。此外，也为其它电路提供部分电压和电流偏置。 比较器电路：包括过充比较器、过放比较器和过流比较器。它们的作用分别 为判断电池过充、过放和过流。 短路检测延时电路：检测电池两端电压过高并持续超过1 0 u s 时，判断为短 路。 振荡器：产生振荡频率为2 k h z 的方波时钟，为计数器提供时钟。 1 4 第三章锂电保护芯片的总体描述和模块划分 计数器：产生延时作用，分别产生过充检测延时、过放检测延时和过流检测 延时。 逻辑控制电路：控制整个系统的时序和其他模块的工作状态。 电平位移电路：将c o 端电压位移至电位，以有效关断充电控制管。 充电器检测电路：在电路进入p o w e r d o w n ( 待机) 状态后，需要接入充电器重 新充电，这时其能够判断充电器是否接入。此外，其还可以判定充电时是否过流。 下面介绍一下各个保护状态在各个模块中的信号流动。 过充电保护：当电池两端接上充电器对其进行充电时，若过充检测比较器检 测v d d 当电池两端接上充电器对其进行充电时，若过充检测比较器检测到有v d d 分得的电压大于1 v ( 此时v d d 大于4 3 v ) 并持续l s ( 由振荡器和计数器共同产 生) 时，过充电检测比较器的输出进入逻辑控制模块。模块的输出来控制c 0 充电 控制管关断，这样可以切断充电回路。 过放电保护：当电池两端接上负载对其进行放电时，若过放检测比较器检测 到有v d d 分得的电压小于l v ( 此时v d d 小于2 3 v ) 并持续1 2 5 m s ( 由振荡器和计 数器共同产生) 时，过放电检测比较器的输出进入逻辑控制模块。模块的输出来 控制放电控制d 0 管关断，这样可以切断放电回路。 充电器检测功能：当电池进入过放状态时，芯片进入p o w e r d o w n 状态。此时 比较器，基准源等模块统统关闭，以降低功耗。只留充电器检测模块工作，来检 测充电器的接入。当充电器接入时如果电压小于充电器检测电压v c h ，则马 上释放过放状态。此时，充电器检测模块的输出信号又控制电路中各个模块开始 工作。如果电压大于v c h ，则电池充到过放释放电压后才释放。 充电过流保护：在电池充电中可能会遇到大电流，此时过流检测比较器就会 通过v m 端的电压检测出来，再进入逻辑控制模块。模块的输出来控制充电控制 c 0 管关断，这样可以切断充电回路。 放电过流保护：当电池两端接上负载对其进行放电时，如果遇到大电流，则 的电压就会大于放电过流检测电压并持续8 m s ( 由振荡器和计数器共同产生) 。 此时，放电过流比较器就会检测到。其输出进入逻辑控制模块来控制d o 为低电 平，关断放电管来切断放电回路。 短路检测延时功能：当电池两端接上负载对其进行放电时，如果电压大 于短路检测电压并持续l o u s ( 由电流对电路内部电容充电产生) 时，电路会迅 速断开放电控制d 0 管，切断放电回路。 锂离子电池充放电保护芯片的设计指标如下表。 表3 - 3 芯片的电学特性( t = 2 5 c ) 参数符号最小值典型值最大值单位 第三章锂电保护芯片的总体描述和模块划分 3 3 本设计实现方法 整个设计采用全定制t o p d o w n 设计思想，根据芯片性能和系统参数，对每 个模块进行自上到下的设计，从行为级一直到物理级的实现。 结合天津大学专用集成电路设计中心的现有资源和技术实力，拟采用的具体 设计步骤如下： l 、根据芯片要实现的具体功能和设计指标，确定设计工艺并进行系统划分。 2 、合理分配各个模块的各项指标，并利用v e r i l o g a 对系统进行行为级仿 真，从而论证系统划分的合理性和各个模块指标的合理性。 3 、利用c a d e n c e 工具包中的s p e c t r e 软件对各个电路模块进行设计仿真。 4 、将所有模块连接成整个系统，在此利用c a d e n c e 工具包中的s p e c t r e 软件 进行系统仿真。 5 、利用c a d e n c e 工具包中的v h t u o s o 软件对各个电路模块进行物理版图的 实现，并利用c a l i b r e 软件对其做d r c 和l v s 验证。 6 、将所有模块的电路版图组合成整个系统，并利用c a l i b r e 软件对其做d r c 和l v s 验证。 7 、对系统电路版图做后仿真。 8 、将电路版图数据交给无锡华润上华代工厂( c s m c ) 。 9 、将裸片封装( 在f r e e s c a l e 天津封装测试公司完成) 。 1 0 、测试封装好的芯片，并分析测试结果，以指导下次的设计。 第四章主要电路模块的设计 第四章主要电路模块的设计 本章对该芯片内部的各个模块，包括b a n d g a p 基准源电路、过充比较器、过 放比较器、过流比较器、电压采样电路、短路检测延时电路、振荡器、计数器、 充电器检测电路和逻辑控制电路等模块，作了详细的电路原理介绍和电路设计以 及仿真结果的分析。本论文所设计的所有模块的m o s 管、双极晶体管、电容和电 阻都基于c s m c ( 江苏无锡华润上华) 0 5 u mn - w e l lc m o s2 p 3 m5 v 工艺库，设 计和仿真所用的软件基于c a d e n c e 软件中的s p e c t r e 仿真器。 4 1b a n d g a p 基准源电路 在本设计中三个比较器，过充比较器、过放比较器和过流比较器的输入都需 要接入基准比较电压，分别是1 v 、l v 和o 1 5 v 。这些基准电压对电源电压、工 艺和温度具有不敏感性，在本论文中，采用b a n d g a p 基准源电路来提供这几个电 压。此外，其为振荡器模块、短路检测延时电路提供偏置电压，同时也为过充比 较器和过放比较器提供偏置电流。 同时，在模拟单元电路中，例如，放大器、比较器等模拟单元电路，都需要 一个偏置电路将这些单元电路中的管子偏置在正确的工作区，以使这些单元电路 能够正确地实现其功能。良好的偏置电路也应对温度、工艺和电源电压不具有敏 感性。在本论文中，也可以采用b a n d g a p 基准源电路来实现对各个模块的偏置。 但是，b a n d g a p 基准源电路是自偏置电路，其内部有兼并点，它可以工作在零电 流状态【l5 1 。因此，所有自偏置电路都存在电流为零的可能，所以自偏置电路都需 要一个启动电路使自偏置电路在启动时工作在正确的工作点，并且在完成启动电 路的功能后就不再影响主电路的工作。 4 1 1 电路原理介绍 在模拟电路中，b a n d g a p 基准电压源是比较常用的模块，常用来提供不随温 度、电压和工艺变化的直流参考电平，也为运算放大器和比较器提供直流偏置1 6 1 。 传统的c m o s 带隙基准电压源为了消除温度的影响，通过将两个与电源无关的分 别具有正温度系数和负温度系数的物理量相互补偿实现在某一温度下的零温度 系数的基准电压【1 7 1 。因此可以利用以下两种特性，双极型晶体管的基极一发射极 1 7 第四章主要电路模块的设计 电压呈负温度特性，两个双极型晶体管的基极一发射极之间的电压差呈 正温度特性1 8 】。典型的带隙基准电压源电路结构如图4 一l 所示。 =_：=- 图4 一i 典型的带隙基准源电路图 m 4 1 中，m 1 ，m 2 ，m 3 的宽长比相等，q 1 的发射区面积是q 2 的n 倍。运放工作于 深度负反馈下，使其正负出入端的电压相等。于是有 a v b e = 一= 吩i n ( n ) = ，+ 等仙( ) 公式( 4 - 3 ) 中，巧= 竺，为热电压，