中心論題：

• 分析鋰離子電池保護電路的基本功能和係統結構
• 分析鋰離子電池保護芯片關鍵電路的實現
• 模擬驗證鋰離子電池保護芯片性能

解決方案：

• 引入了濾除幹擾電路，采用三級保護機製和帶隙基準源
• 將模擬電路偏置在弱反型區，引入了待機狀態電路
• 巧妙電路結構實現待機狀態、充電過流檢測和0V電池充電抑製電路
  

前言
鋰離子電池保護芯片的設計與其封裝結構密切相關，如圖1所示為封裝在鋰離子電池內部的保護電路的基本結構。在正常情況下，充電控製端CO 和放電控製端DO 為高電位，N型放電控製管FET1和充電控製管FET2處於導通狀態，電路的工作方式可以是電池向負載放電，也可以是充電器對電池進行充電


；當保護電路檢測到異常現象（過充電、過放電和過電流）時，使CO或DO輸出低電平，從而切斷充電或放電回路
，實現保護功能。

為了有效利用放電電流或充電電流，FET1和FET2caiyongdaotongdianzuhenxiaodegonglvguan。tamendexuanzeyuanzechuledaotongdianzuyaoxiao，haiyaoqiutijixiao，bingqieguanbishiyuanloujichuandianyayaonengjingshoubupipeichongdianqideyingxiang。conglilunshangshuo，FET1和FET2可以用N 管也可以用P 管。但由於單節鋰離子電池保護電路的電源電壓較低，為了減小導通電阻，一般都采用N管。圖1中二極管是FET1和FET2的寄生二極管，它們的存在使係統在過放電狀態下能對電池充電，在過充電狀態下能對負載放電。 

 
圖1 3.6V 鋰離子電池保護電路封裝結構

鋰離子電池保護芯片的應用場合要求其具有低電流驅動、高精度檢測的特點，另外由於保護電路的供電電源即為電池電壓，因此在電池電壓的變化範圍內，保護電路必須正常工作

，本文根據圖1 所示的連接關係，設計一種低功耗單節鋰離子電池保護芯片，其電池電壓可以在1V—5.5V範圍內變化。

係統結構設計
鋰離子電池保護芯片的基本功能是進行過充電保護、過guo放fang電dian保bao護hu和he過guo電dian流liu保bao護hu，其qi中zhong過guo電dian流liu保bao護hu包bao括kuo充chong電dian過guo流liu保bao護hu和he放fang電dian過guo流liu保bao護hu。下xia麵mian以yi保bao護hu電dian路lu的de基ji本ben功gong能neng為wei出chu發fa點dian，分fen析xi其qi係xi統tong的de組zu成cheng。

檢測異常現象
鋰離子電池保護電路為了實現其基本功能，首先需要檢測異常現象。過充電和過放電檢測是將電池電壓進行分壓（采樣）後與基準電壓比較實現的
；而對於過流檢測，保護芯片首先將充放電過程中的電流轉化為在功率管FET1、FET2上的電壓
，然後通過VM與基準電壓比較完成，放電過流檢測的是正電壓
，充電過流檢測的是負電壓。

濾除幹擾信號
通常在鋰離子電池保護電路的工作過程中會有幹擾信號存在
，幹擾信號的類型主要有兩種：一種為瞬間幹擾，它是指在正常的信號上，在極短的時間內疊加上一個較大的信號。另一種為波動幹擾，它是指信號的起伏波動。如圖2 以充電過程解釋了這兩類幹擾，其中VCU 為過充電檢測電壓。
　　
為了防止幹擾信號的引入使保護電路產生誤動作，可以從係統角度考慮采用適當的措施減小它們的影響。

瞬間幹擾可以在保護電路內部加上延時電路加以濾除，即當保護電路檢測到異常信號後，延時一段時間再關閉FET1或FET2。根據過充電、過放電、過電流對鋰電池的危害程度選取不同的延時時間。為了更加合理的保護鋰電池，放電過流可分為三個級別，分別為過流1保護
、過流2保護以及負載短路保護，過流1的延時稍長，過流2的延時比過流1的延時短一些，而負載短路不加延時立即保護。波動幹擾可以在保護電路內部加上遲滯電路加以濾除。

控製充電控製管有效關閉
在充電過程中
，與FET2源極相連的VM端電位為負值
，當過充電保護起作用時，必須在過充電延時信號與CO端之間加上電平轉換電路，將控製邏輯電路產生的邏輯信號進行轉換，使CO端的電位小於或等於VM端的電位，從而保證FET2有效關斷。
　　
0V電池充電抑製功能
鋰離子電池保護電路可實現對0V電池進行充電，也可實現對0V 電池禁止充電，本文的設計采用後者，這一功能使保護電路禁止對內部短路的電池進行充電。當電池電壓為0V電池充電抑製電壓VOINH（典型值為1V左右）或更低時，FET2的柵極電位被固定為VM 的電位
，從而禁止充電。當電池電壓等於或高於VOINH 時，可以進行充電。

其它功能
1）zaiguochongdianzhuangtaixia
，baohudianluxujinzhifangdianguoliubaohuqizuoyong。yinweidianchizaiguochongdianhoujieshangfuzaideqingkuangxia，zaifangdianchuqi，xitongrengchuyuguochongdianzhuangtai
，cishifangdiandianliubiranhenda
，yinqiguoliudekenengxinghenda；而過流保護如果起作用
，就會關斷放電回路。這樣，一旦電池過充電，就可能永遠不能使用；
　　
2）zaiguofangdianbaohuqizuoyongshi，baohudianluxujinzhichongdianguoliubaohuqizuoyong。yinweidangdianchiguofangdianhou，gangjieshangchongdianqichongdianshi，chongdiandianliuhuihenda。cishijinzhichongdianguoliubaohuqizuoyong
，kebaozhengdianchizaiguofangdianhoukechongdian
；
　　
3）為了減少充電電流流過FET1內部寄生二極管的時間，如果在過放電狀態下連接上充電器並且VM電壓低於充電過流檢測電壓時，解除過放電遲滯。
　　
根據上述分析，本文設計的鋰離子電池保護電路的係統框圖如圖3所示。係統主要包括控製邏輯電路（CONTROL LOGIC CIRCUIT）、取樣電路（SAMPLE CIRCUIT）、過充電檢測比較器（OVERDIACHARGE COMPARATOR）、過放電檢測比較器（OVERDISCHARGE COMPARATOR）、過流1檢測比較器（OVERCURRENT1 COMPARATOR）、過流2 檢測比較器（OVERCURRENT2 COMPARATOR）
、負載短路檢測電路（LOAD SHORT DETECTION CIRCUIT）、充電過流檢測電路（CHARGER DETEDTION CIRCUIT）、電平轉換電路（CONVERTOR CIRCUIT）

、基準電路（REFERENCE CIRCUIT）以及偏置電路（BIAS CIRCUIT）。其中，偏置電路在圖3 中沒有給出，電平轉換電路同時能實現0V 充電抑製功能。

 
圖3 鋰離子電池保護電路係統框圖

　　
圖3 中MN 在過電流時導通，它的作用是使過大的電流不經過FET1和FET2而通過MN流向地。MP與待機狀態有關
，待機狀態電路的工作原理是：當dang保bao護hu電dian路lu進jin入ru過guo放fang電dian狀zhuang態tai後hou，產chan生sheng一yi個ge待dai機ji狀zhuang態tai信xin號hao，使shi保bao護hu芯xin片pian中zhong的de大da多duo數shu電dian路lu停ting止zhi工gong作zuo，它ta是shi通tong過guo控kong製zhi邏luo輯ji電dian路lu和he負fu載zai短duan路lu檢jian測ce電dian路lu的de配pei合he完wan成cheng的de。M3的作用是在待機狀態下
，使采樣電路不消耗靜態電流。M4和M5fenbieyongyushixianguofangdianheguochongdianjiancechizhiyilvchuchongfangdianguochengzhongdebodongganraoxinhao。ershunshiganraoxinhaodelvchuyoukongzhiluojidianluzhongdeyanshidianlushixian。
　　
關鍵電路實現
鋰li離li子zi電dian池chi保bao護hu芯xin片pian的de性xing能neng，不bu僅jin與yu係xi統tong結jie構gou密mi切qie相xiang關guan，與yu具ju體ti電dian路lu的de實shi現xian也ye是shi密mi不bu可ke分fen的de
，下xia麵mian的de電dian路lu模mo塊kuai在zai整zheng個ge芯xin片pian中zhong具ju有you關guan鍵jian的de作zuo用yong，本ben文wen從cong功gong耗hao和he精jing度du等deng角jiao度du考kao慮lv，提ti出chu了le獨du特te的de設she計ji方fang法fa。
　　
待機狀態電路
保bao護hu電dian路lu進jin入ru待dai機ji狀zhuang態tai有you賴lai於yu過guo放fang電dian狀zhuang態tai的de檢jian測ce，進jin入ru待dai機ji狀zhuang態tai後hou，為wei了le減jian小xiao功gong耗hao應ying使shi盡jin可ke能neng多duo的de電dian路lu模mo塊kuai停ting止zhi工gong作zuo，但dan如ru果guo所suo有you的de檢jian測ce電dian路lu都dou不bu工gong作zuo

，待dai機ji狀zhuang態tai將jiang無wu法fa退tui出chu，為wei此ci在zai設she計ji負fu載zai短duan路lu檢jian測ce電dian路lu時shi不bu引yin入ru待dai機ji狀zhuang態tai控kong製zhi信xin號hao，其qi目mu的de即ji為wei在zai電dian池chi電dian壓ya升sheng高gao後hou使shi保bao護hu電dian路lu能neng及ji時shi退tui出chu待dai機ji狀zhuang態tai。圖tu4 給出了待機狀態信號產生和撤銷的原理圖。

圖4 待機狀態實現電路

圖4 中SOD為過放電檢測信號，係統處於正常狀態時，SOD為高電平，VM為低電平，因此待機狀態控製信號POWERD輸出高電平、POWERDB輸出低電平。當係統進入過放電狀態時，SOD（延時後的信號）變為低電平
，MP導通使VM變為高電平，最終使POWERD變為低電平、POWERDB變為高電平，它們控製保護電路相應模塊停止工作，係統進入待機狀態。當對電池進行充電時，由圖1可知VM被強製拉到低電平，使負載短路檢測電路的輸出信號OUT_LSB變為高電平；此時

，不論SOD為何值或非門都將輸出低電平，POWERD由此變為高電平，這樣
，就可實現待機狀態的退出。
　　
基準電壓電路
為了檢測過充電

、guofangdianhefangdianguoliuqingkuang，jiancebijiaoqixuyaoyujizhundianyajinxingbijiao。youyuguochongdianjianceheguofangdianjiancedianluzhiqianyoucaiyangdianlu
，tamenkeyongxiangtongdejizhundianya，erguoliu1 和過流2 需采用不同的基準電壓。為了提高芯片的檢測精度
，電壓基準采用受電源、溫度和工藝影響較小的帶隙基準源，如圖5 所示為具體結構圖，其中M1~M5 工作於弱反型區，因此該電路具有功耗較小的特點。
　　
電路的工作原理為：由M1—M4和R5組成的自偏置電路產生具有正溫度係數的電流，它在電阻R0所產生的壓降和具有負溫度係數的PN 結壓降（D0上的壓降）相加
，從而輸出零溫度係數的基準電壓VBD
；為滿足同一電路中輸出不同的基準電壓源，利用電阻分壓將VBD 分成了VBI1及VBI2輸出
；C0和R6組成啟動電路。

由圖5 可知， VGSM2-VGSM1=IM2*R5。M3 和M4 組成電流鏡，取相同的寬長比，則IM1=IM2。因為M1和M2工作於弱反型區，所以： 

 
式（1）中n為亞閾值因子，UT為熱電勢。M3和M5組成電流鏡
，則： 

 
設R=(R1+R2)//(R3+R4)，二極管的正向壓降為VD，可以推導輸出電壓為：

由（3）—（5）式可知，基準電壓的精度與電阻R0—R4 的精度直接相關，為此這些電阻需要采用調整（trimming）技術。

 
圖5 電壓基準電路

充電過流檢測電路
充電過流的檢測歸結為檢測VM電壓，其臨界值為VCH（約為-1.3V）。如果所用工藝的MOS管(guan)閾(yu)值(zhi)電(dian)壓(ya)可(ke)以(yi)調(tiao)節(jie)，負(fu)電(dian)壓(ya)檢(jian)測(ce)電(dian)路(lu)可(ke)用(yong)差(cha)分(fen)結(jie)構(gou)的(de)比(bi)較(jiao)器(qi)實(shi)現(xian)
，其(qi)中(zhong)比(bi)較(jiao)器(qi)的(de)一(yi)個(ge)輸(shu)入(ru)端(duan)接(jie)地(di)，並(bing)且(qie)兩(liang)個(ge)差(cha)分(fen)對(dui)管(guan)的(de)閾(yu)值(zhi)電(dian)壓(ya)需(xu)要(yao)調(tiao)整(zheng)。為(wei)了(le)使(shi)該(gai)電(dian)路(lu)能(neng)用(yong)常(chang)規(gui)的(de)CMOS 工藝實現，本文在過零比較器的基礎上引入升壓電路
，如圖6(a)所示當VM》VCHA時
，升壓電路使VN>0 。升壓部分具體實現如圖6(b)所示。

 
（a）采用升壓實現      （b）升壓部分具體實現
圖6 負壓檢測原理

 
PMOS管M1和NMOS管M2的柵極都接地。當M1的柵源電壓小於它的閾值電壓時
，M2截止，而M1始終導通，A1比較器的反相輸入信號VN電位因為大於同相輸入端的電位，而使輸出OUT_CDCB為低電平。隨著輸入信號VM電位向負方向的增大，M2逐漸導通
，最後使得VN 端電位變負，OUT_CDCB由此變為高電平。圖6中VN=0時的輸入電壓即為檢測電壓VCHA，此時M1和M2處於飽和狀態且下列關係式成立：
 

（6）式中， un和up分別為N管和P管的遷移率，VTHN和VTHP分別為N管和P管的閾值電壓
，COX為氧化層電容。（6）式經整理得：

 
由（7）式可知
，本電路中檢測電壓|VCHA|的取值隻能大於M2的閾值電壓，改變M1和M2的寬長比可改變檢測電壓VCHA。當M2未導通時，電路消耗的電流較小；當M2導通時，就會有電源到地的通路
，為了減小消耗的電流
，一般取M1的寬長比小於1。
　　
電平轉換電路及0V 電池充電抑製電路
由於電平轉換電路和0V電池充電抑製電路的目的都是為了控製CO端

，這兩個功能可用一個電路完成，如圖7 所示給出了具體實現電路。

 
圖7 電平轉換電路及0V電池充電抑製電路

電平轉換功能主要由M1—M4、R1和R2組成的電路完成；0V電池充電抑製功能主要由M5、M6和R3完成；M7—M10和R4組成的與非門在電平轉換功能和0V 電池充電抑製功能之間進行選擇。電阻起限流作用。下麵是這兩個功能的具體實現過程。
　　
電平轉換實現過程
在正常的放電過程中，VM端電位大於零而接近於零，可近似為VSS。此時

，該電路的輸入信號IN_LCB=‘0’，IN_LC=‘1’，顯然，CO輸出為高電平（VDD）。
　　
在正常的充電過程中
，VM端電位小於零而接近於零
，仍可近似為VSS。當出現過充電或充電過流時，IN_LC=‘0’，IN_LCB=‘1’，VA為VM端電位
，VB為VDD電位，VC輸出VDD電位，因此CO與VM等電位。

0V 電池充電抑製實現過程
0V 電池充電抑製功能發生在充電過程中
，此時
，IN_LCB=‘0’
，IN_LC=‘1’，VA 為高電平。當電池電壓VDD小於或等於1V時，M5關閉，另外，較小的電池電壓使其內阻變小

，接近內部短路。在這種情況下充電，充電電流一定很大，導致VM的電位下降很大，使M6 導通，VB由低電平轉化為高電平，CO端輸出電位接近VM電位。

模擬結果
芯片的所有功能和主要參數均用HSPICE 進行了模擬驗證。圖8 給出了過充電保護檢測和釋放波形圖
，圖9 給出了過放電保護檢測和釋放波形圖，其中COMP_OC 為過充電比較器的輸出信號
，COMP_OD 為過放電比較器的輸出信號
；芯片的過充電和過放電檢測精度約為30mV

，在正常工作時消耗的電流為3.23uA，在待機狀態時消耗的電流為0.15uA。

 
圖8 過充電保護檢測和釋放波形圖
 
圖9  過放電保護檢測和釋放波形圖

總結
本文設計了一種單節鋰離子電池保護芯片，它可用常規的P 阱或雙阱CMOS工藝實現。為了提高檢測異常情況的精度
，芯片中引入了濾除幹擾電路
，放電過流采用三級保護機製
，電壓基準采用帶隙基準源；為了降低功耗，采用了如下措施：將模擬電路偏置在弱反型區，引入了待機狀態電路；另外，本文用巧妙的電路結構實現了待機狀態電路、充電過流檢測電路以及0V電池充電抑製電路。經過模擬驗證，本文設計的芯片能有效防止鋰離子電池在應用中所發生的過充電
、過放電和過電流現象，並且具有良好的性能。