鋰電池作為新型清潔、可再生的二次能源，需精確監測其電流、電壓及溫度等參數，並做好相應的保護電路。對於手持設備而言，更需要追求高精度
、低功耗
，從而降低對鋰電池的“過度”使用，延長使用壽命。

本文設計的電路在鋰電池供電環路中引入靈敏電阻對電流進行監測
，給係統提供充放電提示
，同時可用於電量計算以及保護控製。

本文將詳細闡述電流監測係統原理以及內部電路結構
，並給出H-spice仿真結果及相關結論。

1 本文所設計的電流監測電路

模/數轉換器(ADC)由采樣
、量化和編碼構成。本文設計的鋰電池電流監測係統框圖如圖1所示。其中，電容和AMP放大器組成開關電容采樣電路
，C0MP高速比較器對數據進行量化，處理器對電路進行數字邏輯控製及編碼。偏置電路提供AMP放大器自啟動支路並產生Vbe1和Vbe4。時鍾模塊控製係統開關
，包括LII、LI2、LI5、LI6、LI38。處理器輸出數字信號Logic Control改變量化電容。


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1.1 開關電容采樣電路

如圖2所示
，通過V+和V-間的靈敏電阻進行采樣
；。Vbe1和Vbe4是由BE結產生的電壓基準；C3容值用n(2的倍數)表示(C為單位電容值，C1=C2=1C，C3=C4=nC，C5=8C)；時鍾控製為高時開關導通，為低時開關斷開。采樣電路的5個狀態如圖3所示。

(1)LIl
、LI2
、LI38
、LI5、LI6=10101
，VA=Vbe1， VB=Vbe1
，VC1=0，VC2=Vbe1 - Vbe4 
，VC3=Vbe1 - V+，VC4=Vbe1 - V-，VC5=0，VOUT為：

VOUT = VB = Vbe1 (1)

(2)LI1、LI2、LI38
、LI5
、LI6=10001
，開關切換後狀態2保持狀態1

，則VOUT = Vbe1。

(3)LI1、LI2、LI38、LI5、LI=00000，開關全斷開
，保持上一狀態， VOUT = Vbe1。

(4)LI1、LI2
、LI38、LI5
、LI6=01010，V+、 V-切換
，Vbe1、Vbe4也切換。根據C1、C3電荷守恒定律得：


由運放特性可知VB =VA 。已知 VA
、VB 可以得到VC1 = VA - Vbe4, VC2 = VB - Vbe1, VC3 = VA - V-, VC4 = VB - V+, VC5 = VB - VOUT, 依據C2、 、C5電荷守恒定律得：


其中， V- - V+的正負由互不交疊時鍾LI1、LI2控製，當LI1在狀態l為高時， V- - V+取正； 當LI1在狀態1為低時，V- - V+取負。每隔一定周期控製LI1、LI2切換，V+、V-的接法可用於實時監測電池充放電狀態。根據式(3)和圖1可知
，VOUT與Vbe1通過比較器比較將產生△V 的差值，這時改變采樣並聯電容n的值可調節△V ，起到量化作用。

(5)LI1
、LI2、LI38、LI5、LI6=00000，所有開關斷開， oUr保持上一狀態。

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1.2 AMP放大器電路

AMP放大器電路如圖4所示，主要包括：(1)自偏置電路，由 MPI3～MPI9
、QPI1和QPI4組成；(2)兩級運放
，包括MPI26、MPI27組成的全差分放大器、MNI25共源放大器和MNI24
、 CIl5組成的米勒補償。其中
，LI12與LI17為差分輸入；LI26為複位信號；H模塊為數字上電電路；Vbe1與Vbe4為基準輸出
；LI22為運算輸出端。


自偏置電路有使能信號，若工作異常可直接關斷電路。當LI26為低時，MPI9關斷

，MPI5和MPI6導通，電路正常工作，MPI4、MPI6和MPI8構成啟動支路，則：
VCC≥2 VMPgs +Vbe (4)

其中，VMPgs是PMOS的Vth，Vbe是二極管開啟電壓。隻要VCC滿足式(4)，電路就能正常啟動。但在設計中需考慮襯偏效應對閾值的影響，VCC比計算值略高。QPI1和QPI4發射極麵積比為1：4
，由此可得Vbe1與Vbe4差值為VTln4。當LI26為高時，MPI9導通
，MPI5和MPI6關斷

，電路被關斷。

AMP放大器帶有米勒補償，交流小信號等效電路圖如圖5所示。其中，gm1、gm2 分別為第一級和第二級跨導。增益表示為：


其中，Rout1、Rout2分別為第一級和第二級的輸出電阻，且Rout1是Rds_MPI27、Rds_MNI26的並聯
，Rout2是Rds_MPI11、Rds_MNI25的並聯

，C1為等效負載電容。為了使係統穩定，需對整個環路的零極點進行分析：

其中，CI15為米勒電容，C1為VOUT1。節點等效電容，Rz為MNI24等效電阻(即調零電阻)。由式(9)可知
，調節Rz和CI15可實現係統穩定。

1.3 COMP高速比較器電路

如圖6所示， 電路由MN1～MN6和MP1～MP4組成。IN1與IN2為輸入端；OUT1與OUT2為輸出端；LG99由數字時鍾控製，實現複位功能。


電路采用正反饋技術，速度得到大大提高。當LG99為低時，MP3、MP4導通
，MN5、MN6關斷電路，OUT1、OUT2抬高
，後端觸發器處於保持狀 態。而LG99為高時，MP3、MP4關斷
，MN5
、MN6導通。此時若IN1大於IN2，則V 減小，使OUT1減小；OUT1作用於MP2與MN2，使OUT2被抬高
；而OUT2作用於MP1與MN1，使OUT1被拉低，形成正反饋。反之亦然，隻 要IN1與IN2之間存在壓差都會在輸出上快速響應。

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2 仿真結果與分析

本文采用0.18μm CMOS工藝

，使用H-spice對數字時鍾、AMP運算放大器
、偏置電路和高速比較器進行了仿真驗證。

圖 7為AMP放大器交流小信號仿真數據，其中複位信號LI26為低
，在LI12上加入AC=1的交流小信號。對-40℃ 、25 ℃

、125 ℃ 3種溫度進行AC掃描
，可知：(1)當增益降為O時，相位裕度仍保持90?以上
；(2)在不同溫度下，增益與相位裕度受影響不大
，係統處於穩定態。


圖 8為COMP高速比較器靜態工作點仿真數據

，其中LG99為複位信號
，IN1為1.200 V
，對IN2在1.200 V～1.210 V範圍進行瞬態掃描。若IN1=IN2
，則輸出應高於數字觸發電平，以保證時序的正確性。仿真後可知：(1)電路存在失調電壓
，IN2增加時，有少量輸出 與數字邏輯不符

；(2)輸入相等時，輸出靜態工作點為1.5 V
，能保證後端觸發器保持；(3)輸入差值不大於5 mV就能很快將輸出置高或置低。


圖 9為采樣電路整仿數據，SRP、SRN為鋰電池電流采樣端

，典型差值範圍為-125 mV～125 mV；LI22是運放輸出。輸入差值從125mV變化到5mV再跳變到-125mV，采樣端電壓變化所對應的輸出會依據信號的大小進行量化
，且通過輸出的 高gao低di來lai判pan斷duan工gong作zuo在zai充chong電dian還hai是shi放fang電dian狀zhuang態tai。但dan切qie換huan開kai關guan瞬shun間jian可ke能neng產chan生sheng時shi鍾zhong饋kui通tong效xiao應ying
，該gai電dian路lu增zeng大da了le運yun放fang輸shu入ru端duan的de寄ji生sheng電dian容rong，有you效xiao減jian小xiao了le頻pin繁fan切qie換huan開kai關guan對dui輸shu出chu的de影ying響xiang。


采樣電路整體仿真並不完整
，當SRP與SRN的差值實時變化時，采樣電路跟隨變化的能力如圖10所示。固定SRN 的電壓為0V，在SRP上加入正弦波信號進行掃描，從圖中可知放大器輸出會跟隨SRP的變化而變化
，采樣的分辨率能夠達到要求。

本 文wen設she計ji了le一yi種zhong適shi用yong於yu鋰li電dian池chi的de電dian流liu監jian測ce電dian路lu
，能neng精jing確que監jian測ce電dian流liu及ji充chong放fang電dian狀zhuang態tai。這zhe些xie信xin息xi可ke用yong於yu控kong製zhi保bao護hu電dian路lu的de啟qi動dong，且qie能neng用yong於yu精jing確que計ji算suan電dian池chi阻zu抗kang、電量等參數。電路 添加了使能控製，當工作異常時可關斷電路。並且通過偏置的設置可調節MPI3、MPI4、MPI7、MPI8管（如圖4所示)的寬長比，從而獲得更低功 耗
，提高電池使用壽命。