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(多图) 锂电池及锂聚合物电池保护电路的设计

计算机与数字工程 张访 邹雪城 曹琦 高俊?? 2011年09月15日 ?? 收藏0

  1 引言

  近些年来,由于移动通信技术的快速发展,以及便携式电子产品的广泛应用,对电池的要求也越来越高。在电池技术的更新换代过程中,小型二次电池受到普遍青睐,例如镍氢电池、锂电池锂聚合物电池等。其中,锂电池产品以高能量密度、长循环寿命、快速充放电、高电池电压、工作温度范围广、无记忆等优异特性占据了很大份额。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),将会导致内部发热,可能引起电池或其它器件的损害,严重影响到电池使用的安全性。因此,锂电池产品保护电路的设计应用必不可少。

  本论文基于标准CMOS工艺,设计了一种全功能电池保护电路。通过过放电检测输出端、过充电检测输出端的CMOS输出电平控制外接的两个N沟道场效应开关晶体管的关断,从而达到对电池实施保护的目的。具有高检测电压精度、低功耗、可靠性高等优点,可广泛用于移动电话、笔记本电脑、PDA、MP3等产品中。

  2 电池保护电路原理分析

  本论文所设计的电池保护电路应用示意图如图1所示。实线框内为电池保护电路的系统结构图,框外为外围器件连接示意图。

  图1中,DOUT为过放电检测的CMOS输出,COUT为过充电检测的CMOS输出,VDD为电池电压输入,VSS为芯片接地引脚,DS为响应延迟时间缩短控制输入端,V-为放电过流检测端。

  在充电时,若电池电压高于过充电检测电压并保持相应的延迟时间,COUT端由高电位变为低电位,充电控制MOS管MC关断,芯片进入过充电保护状态,停止充电。

  在放电时,若电池电压低于过放电检测电压并保持相应的延迟时间,DOUT端由高电位变为低电位,放电控制MOS管MD关断,芯片进入过放电保护模式,停止放电。

锂离子/锂聚合物电池保护电路芯片应用电路图以及内部系统结构框图

图1 锂离子/锂聚合物电池保护电路芯片应用电路图以及内部系统结构框图

  在放电时,芯片同时监控V-端电压。当因电流过大引起V-端电压高于放电过电流检测电压,而低于短路检测电压时,芯片进入放电过电流保护状态;当V-端电压高于短路检测电压时,芯片进入短路保护状态。此时,DOUT端输出由高电位变为低电位,关断MD防止电路中通过强电流。

  图1中,R1和C1起到对外接充电器或与其并联的二次电池的电压波动进行平滑滤波抑制的作用。而电阻R1、R2为当对电池反向充电或充电器充电电压超过芯片绝对极限额定充电电压值时的限流电阻。

  该系统中主要包括过充电检测电路(VD1)、过放电检测电路(VD2)、放电过电流检测电路(VD3)和短路检测电路、电平转换电路、基准电路、振荡电路以及偏置电路等。

  3 电路设计

  由于保护电路依靠电池来供应其电源电压,为了不影响电池的待机时间,应尽可能设计低电源电压、低功耗的电池保护电路。

  3.1 检测电路设计

  由于检测电路VD1、VD2、VD3原理类似,在此以过放电检测电路(VD2)设计为例进行分析。为了满足整个芯片功耗小的要求,可设计该电路处于亚阈值工作状态,有效降低其工作电流及电压。

过放电检测电路

图2 过放电检测电路

  过放电检测电路(VD2)可利用一个二级开环比较器来实现,如图2所示。在设计中应采用差分输入并尽可能地提高增益,以满足精度要求。该电路中,第一级是由MN1,MN2,MP1,MP2,MN3,MN4组成的差分放大器。第二级是由MP5,MN5组成的单级放大器。前级放大器放大输入的差模信号,后一级将前级的输出进一步放大,以达到数字信号的输出电平。该比较器电路的直流增益为:

比较器电路的直流增益

  同时,还必须考虑诸如传输时延、输出电压摆率、输入共模范围等性能。鉴于大的偏置电流和小的电容可使摆率得到改善,缩短延迟时间,因此可通过加大偏置电流而达到高速。但是,一般而言,高速比较器也会有较高的功耗。因此在设计时必须在功耗与速度之间进行折衷。相对于处于饱和区的比较器而言,工作在亚阈值区的比较器的延迟时间显着增长,这主要是由于工作在亚阈值区的偏置电流较小,电容充放电需要更长的时间,从而使得延迟时间变长。该比较器具有与差动放大器类似的ICMR(输入共模范围),其最低输入电压应小于过放电检测基准电压。

最低输入电压

  3.2 偏置电路设计

  偏置电路用于为检测电路提供稳定、高精度的基准电压,从而检测过充电、过放电、放电过电流等状态。本论文中设计了一种低功耗基准电路,示于图3。

低功耗基准电路

图3 低功耗基准电路


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锂电池? 锂聚合物? 电池? 保护电路?

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