一种超低功耗锂离子电池保护电路设计文档格式.docx
《一种超低功耗锂离子电池保护电路设计文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一种超低功耗锂离子电池保护电路设计文档格式.docx（11页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
摘要:
基于减少锂离子电池能量的额外损耗,设计了一款超低功耗锂离子电池保护电路.本电路不仅可以对锂离子电池进行全面有效的保护,而且实现了低功耗.利用MOSFET的亚阈值导电特性,使电路消耗的电流小于3μА并;
且芯片在检测到过放电时进入到休眠状态,此时电路消耗的电流仅为0.2μА左右,大大减少了不必要的能量损耗.
关键词:
亚阈值;
低功耗;
保护电路;
锂离子电池
中图分类号:
TN432文献标识码:
A文章编号:
1000-7180（20090605
UltraLowPowerLi2IonBCHENZhong2min2,HANMin2
an710071,China
（1ofUniversity,Zhumadian463000,China;
2Engineering,XidianUnivniversity,Xi
Abstract:
presentsaultralowpowerLi2IonbatteryprotectioncircuitbasedonreducingtheadditionalenergywasteofLi2IonThecircuitnotonlyprotectsLi2Ionbatteryroundlyandeffectively,butalsoachieveslowpower.
MakinguseoftheMOSFET'
ssubthresholdcharacteristic,thecurrentofcircuitassumingislowerthan3μА.Afterthe
overdischargeisdetected,allthecircuitsareshutteddown.Itisassumedthestateofstandbyanddecreasesthecurrentat
0.2
μАorso,thereforegreatlyreducestheadditionalenergywaste.Keyw
ords:
subthreshold;
lowpower;
protectioncircuit;
Li2Ionbattery
1引言
锂电池具有开路电压高、放电电压平稳、适用范
围大和使用寿命长等特点,因此发展前景十分乐观[1].锂离子电池是通过Li原子与Li离子之间的转化来实现充放电,因此单节锂离子电池对充放电十分敏感[223].锂离子电池在充电或放电过程中若发生过充、过放或过流时,会造成电池的损坏或降低使用寿命.因此锂离子电池保护电路的设计是十分必要的.文中保护电路具有过充电保护、过放电保护、放电过流保护以及短路保护,实现了对锂电池的全面有效的保护,并且电路采用了低功耗技术,在高
精度下实现了超低的电流损耗,电流损耗仅为3μА;
在过放时电路会进入休眠状态,电流损耗仅为0.2μА左右.
2低功耗技术
文中采用的低功耗技术[4]:
①精度与功耗折衷
完美的基准模块设计;
②电平移位模块的设计;
③四个高精度比较器的设计实现了对电池全面的保护,同时不引入过多功耗;
④整体电路设计简洁实用;
⑤
设置休眠状态,此时静态电流仅为0.2μА.
2.1基准的研究
保护电路必须在误操作对电池产生损害前实施保护,其精度直接关系到电池的使用寿命.本电路的检测电压精度都在几十毫伏以内,例如过充检测精度为±
30mV,而放电过流检测精度仅为±
15mV[5].
一个高精度的基准源是必不可少的.文中为减弱基准内部运放的失调电压产生的温度漂移,采用
了一种高增益的三级运放,但此高增益运放势必会引入过高的电流损耗,造成电池能量过大的额外损耗,因此这里存在一个精度与功耗的折衷的关系.本
设计利用MOSFET的亚阈值导电特性[627],在保证高精度的情况下实现了低功耗.基准电路如图1所示
图1图1中左边部分的偏置电路[8]偏置电流
极为重要.M5,M6,C3时,C3M5电源电压,M5,2的栅电位拉低,使M1和M2导通,.而后,M5关断,启动结束,偏置电流经过M3、M8和M9输出至基准电路中.为降低功耗,电路中的MOS管均工作在亚阈值.M1,M2,M3,M4的宽长比（w/l为K:
1:
1.M3与M4组成电流镜结构,两条支路的电流ID1=
ID2=I.
I=（VSG1-VSG1/R4（1ID1=KI0exp（VSG2/
T（3VSG1=ξVTln（ID1/KI0（4VSG2=
（5将式（4与式（5代入（1得I=ξVTlnK/R4
（6
上述公式中的I为流过R4的电流,VSG1为M1
的栅源电压,VSG2为M2的栅源电压,VT为热电压,ξ为MOS管工作在亚阈值的电常数.
合理确定R4以提供基准模块MOS管工作在亚阈值区的偏置电流,偏置电流在100~200nA之间,这样将该基准产生的功耗比传统基准至少减少了50%.同时基准模块的偏置电流只与R1有关,所以电路PSRR很高.
图1中右边部分的基准启动电路由M25、M26、
30组成,Vb由偏置部分产生,EN
正常工作时为低电平.当EN为低时,
且Vb达到一定电平时,M30导通,M30、M27支路产生电流,使M26和M27的栅电位升高,M26便将M29的栅电位拉低,M28、M29支路产生电流,使基准部分开始工作.设计M25的宽长比远大于M26的宽长比,使得基准正常工作后M29的栅电位为高,关断M28、M29支路,启动部分与基准脱离.
图1中M10到M24组成三级误差放大器.第一级由M13,M14,M17,M18,M21组成,为差动放大;
第二级为电流镜型放大;
第三级由M24和电阻组成,为共源级放大.式（7到式（10为放大器增益的推导公式:
A1≈gm14（ro14//ro18
（7A2≈gm16gm19
×
gm20（ro20//ro23（8A3-gm24≈Rout（9
ATOL=A1A2A3
gm19
（ro14//ro18
（ro20//ro23ROUT.
（10
gmi为Mi的跨导,roi为Mi的输出阻抗,ROUT
为基准输出阻抗.Ai为运放第i级增益,ATOL为运
放的增益.
可以看出电路在保证低功耗的情况下,并没有以降低精度为代价.相反电路中的高增益运放保证了基准的高性能.但是运放每一级的输出都存在一个较大的极点,三个输出极点都有可能在带宽以内,
8
9微电子学与计算机2009年
造成了至少270度的相移,环路不稳定.文中采用嵌套式密勒补偿,以改善环路稳定性,具体实现方式如图2所示
图2运放的补偿方案
嵌套式密勒补偿的小信号等效电路如图2（a所示.补偿原理为,点分裂,从而将输出极点推离带宽,偿目的.（b,将运放第P1,P1尽量往原点方向推,变为P1′P2做为次主极点,需要将P2往原点方向推,变为P2′但,是距离P1′较远,在增益交点下方;
将运放的输出级P3作为第二非主极点,由于两次的密勒补偿引起的极点分裂,P3会远离增益交点.注意C2应远大于C1的电容值,保证P2′在增益交点下方,得到大于45度的相位裕度.基准的主极点为
p1=
gm15gm20（ro20//ro23gm24Rout（ro14//ro18C1
（11
基准的核心电路比较常规,零温度系数电压由式（12给出.
VREF=VBE2+（R2+R3I3
=VBE2+
R3
VTlnN（12
综上所述,由于为基准电路的反馈环路设计了高增益的运放,减小了运放失调引起的温度漂移,从而实现了高精度,基准的ppm已经接近高阶温度补偿水准.但并不是以过大功耗为代价的,设计的偏置电路为基准提供了工作在亚阈值的偏置电流,不仅减少了基准的功耗,而且提高了PSRR特性.2.2电平移位电路
电池充电完成后,COUT为低电平,阻止充电
器继续给电池充电.电平移位电路实现了V-与COUT之间的等电位,防止了两者之间的电位差在电阻产生电流,消除了不必要的能量损耗.Vb由基准模块产生,为电压偏置信号.EN为基准正常工作信号,低电平正常工作.OVERC为过充电检测比较器OVERCHARGE输出的过充检测信号.正常为低电平,过充为高电平.当电路出现过充后,OVERC为高电位,MB3导通,MB8被关断,为保证MB1,MB2,MB3支路的电流匹配,A点会被拉低,B点随之被拉高,MB6被关断.此时COUT与V-实现等电位,同为低电位,实现零电位差.如图3所示
图3电平移位
2.3设置休眠状态
当保护电路检测到过放电时,过放检测比较器
OVERDISCHARGE产生的过放电保护信号会关断芯片的大部分电路,使保护电路进入休眠状态,此时
整个电路的静态电流仅为0.2μA左右,大大节省了对电池能量的消耗.
3系统设计
保护电路的应用示意图如图4所示.COUT为过流检测输出,外接NMOS管
M2;
DOUT为过放检
测输出,外接NMOS管M1;
V-为电压检测,实现放电过流与短路检测.D1和D2分别为M1和M2的寄生二极管.P+和P-在电池充电时接充电器,在电池放电时接负载.电阻R1和R2起保护作用,电容C1起稳
升级会员 