一種用于鋰電池保護芯片的關鍵電路研究

胡丹丹，鮑嘉明，寧可慶

（北方工業大學電子信息工程學院微電子系，北京100144）

隨著便攜式電子設備的興起，鋰電池由于其優良的性能：體積小、重量輕、能量密度高、壽命長、無記憶效應、無污染等，使它得到廣泛的應用。隨著科技的發展，一節鋰電池已不能滿足性能日益增強的電子設備，往往采用多節鋰電池串并聯滿足電壓電流要求。但是由于鋰電池極易受到損壞，在充放電過程中可能會發生過充、過放、過流等情況，輕微可能導致電池使用壽命降低，嚴重時可能會發生爆炸，所以多節鋰電池保護電路變得尤為重要，從而防止上述情況的發生[1-3]。

由于鋰電池保護電路的應用環境，為了延長電池的工作時間，通常要求芯片的功耗非常小。然而傳統的鋰電池保護芯片過充和過放比較器往往分開來做[4-9]，每節電池分別需要一個過充比較器和一個過放比較器，增加了整體保護電路功耗[10-16]。

文中基于華潤上華0.5 um BCD工藝設計一個低功耗的鋰電池過充、過放比較器。

1 過充、過放比較器電路結構

文中給出的低功耗、鋰電池過充過放比較器原理圖如圖1所示。

圖1 過充過放比較器

圖1中的比較器包括:電壓采集模塊（R0、R7），其中R7為可變電阻，比較模塊（PM1、PM2、Q1、Q2、R5、R6），兩個反相器和一個施密特觸發器。VDD為單節鋰電池的正極，gnd為單節鋰電池的負極；PM1/PM2為電流鏡負載，R6作為負反饋電阻，使電路穩定工作。

該比較器的創新點是：利用三極管的開啟電壓來設計比較器的翻轉閾值，從而設計保護電路的翻轉閾值，降低保護電路功耗。

此比較器的工作原理為：由于R7/R0比值不同，使電阻R7分壓不同，當COMP_IN的值小于某個值時，Q1，Q2截止，PM1、PM2也截止；當COMP_IN大于某個值時，三極管導通，BIP_OUT翻轉。當VDD從3.6 V上升到5 V時，調節R4的阻值，使它在VDD為4.28 V時翻轉（其中4.28 V為鋰電池的過充閾值）；當VDD從3.6 V下降到2 V時，調節R4的阻值，使它在VDD為2.8 V翻轉（其中2.8 V為鋰電池的過放閾值）。電路圖中的反相器和施密特觸發器的作用均為使比較器快速通過過渡區，使比較器翻轉更快。當鋰電池充電時，VDD為4.28 V時，比較器輸出為高電平，表明電池過充；當鋰電池放電時，VDD為2.8 V時，輸出為低電平，表明電池過放。即此比較器完成了檢測鋰電池在充放電過程中的過充、過放檢測。

2 仿真結果分析

為了驗證比較器電路是否完成設定功能，給整體電路添加相應的測試信號，對比較器電路進行相應仿真。

2.1 鋰電池充放電狀態下的仿真

首先對充放電狀態下的鋰電池進行驗證，設置適當的仿真條件對測試電路進行仿真，如圖2和圖3所示。

圖2所示為驗證鋰電池充電狀態的整體電路的仿真結果，從圖中可以看出當VDD從3.6 V上升到4.28 V時，比較器翻轉，輸出為高電平，表明鋰電池過充電；當VDD從過充狀態轉換到4.079 V時，比較器輸出由高電平轉換為低電平，鋰電池恢復正常工作狀態。

圖2 鋰電池充電狀態（翻轉閾值為4.28 V和4.08 V）下的仿真曲線

圖3所示為驗證鋰電池過放電狀態的整體電路的仿真結果，從圖中可得出當VDD從3.6 V下降到2.801 V時，比較器翻轉，輸出為低電平，表明鋰電池過放電，；當VDD從過放狀態轉換到3.0 V時，比較器輸出由低電平轉換為高電平，鋰電池恢復到正常工作狀態。

2.2 靜態電路功耗仿真

由于過充過放比較器的功耗是由鋰電池提供的，故需要降低比較器電路的功耗。

如圖4所示為仿真比較器電路的功耗曲線，從圖中可以看出在VDD為typical 3.6 V下，電路的功耗為7.781 μW，實現了電路低功耗。

2.3 不同CORNOR和溫度下的仿真

由于鋰電池保護電路的應用環境的溫度不同，制造工藝也存在一定誤差，需要驗證一下不同溫度、不同CORNOR下的電壓比較器的翻轉閾值，如圖5和圖6所示為不同條件下的模擬鋰電池充放電情況下的仿真曲線。

圖3 鋰電池放電狀態（翻轉閾值為2.8 V和3.0 V）下的仿真曲線

圖4 靜態電路功耗

圖5 鋰電池充電狀態（翻轉閾值為4.28 V和4.08 V）下的不同CORNOR和溫度下的仿真曲線

圖6 鋰電池放電狀態（翻轉閾值為2.8 V和3.0 V）下的不同CORNOR和溫度下的仿真曲線

分析圖5和圖6中的CORNOR仿真曲線，可得出在不同PVT下的過充過放閾值偏差為±326 mV，遠大于電路設計的精度。

2.4 電阻熔絲修調

造成翻轉閾值較大偏差是由于電壓比較器的翻轉與三極管的VBE有關，可對比較器電路中R5進行電阻熔絲修調，修調模塊如圖7所示。

圖7 電阻修調模塊內部結構

輸入輸出口TM0～TM4及V_COMP連接 PAD，通過PAD之間的熔絲是否熔斷，來確定這6個輸入輸出口之間連接5個開關K0～K4的斷開與閉合。假設熔絲斷開K=1，熔絲閉合K=0，那么用5位二進制數表示5個開關的狀態。如00001表示開關K0斷開；00101表示開關K0和K2斷開。

表1為trimming修調向量表，列出了trimming電阻與閾值電壓的變化之間的關系。通過trim可以將偏低的閾值電壓調回，基本應該是trim一次左右就可以調回來，但必須按照給出的trimming修調向量表進行。設計最小能trim 10 mV；最大能trim 318 mV（5個trimming接口全部燒斷）。

表1 trimming修調向量表（單位：mV）

表2 （續）trimming修調向量表（單位：mV）

3 結 論

仿真結果顯示，實現使用單個比較器就完成常規鋰電池保護芯片過充、過放狀態的保護功能，降低了鋰電池保護電路的功耗，使保護電路的翻轉閾值與預設值：功耗為7.781 μW；過充閾值（理想：4.28 V實際：4.28 V）、過充釋放閾值（理想：4.08 V實際：4.079 V）、過放閾值（理想：2.8 V 實際：2.801 V）、過放恢復閾值（理想：3.0 V實際：3.0 V）偏差在2 mV左右；通過修調也可使不同CORNOR下的閾值滿足偏差在10 mV以內，基本上完成了設計目標。