《单节锂离子电池保护芯片的设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单节锂离子电池保护芯片的设计（7页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、单节锂离子电池保护芯片的设计_、八 、一前言锂离子电池保护芯片的设计与其封装结构密切相关，如图1 所示为封装在锂离子电池内部的保护电路的基本结构。在正常情况下，充电控制端CO和放电控制端D O为高电位，N型放电控制管FET1和充电控制管FET2处于导通状态，电路的 工作方式可以是电池向负载放电，也可以是充电器对电池进行充电；当保护电路检 测到异常现象（过充电、过放电和过电流）时，使CO或DO输出低电平，从而切 断充电或放电回路，实现保护功能。为了有效利用放电电流或充电电流，FET1和FET2采用导通电阻很小的功率管。 它们的选择原则除了导通电阻要小，还要求体积小，并且关闭时源漏击穿电压要能 经
2、受不匹配充电器的影响。从理论上说，FET1和FET2可以用N管也可以用P 管。但由于单节锂离子电池保护电路的电源电压较低，为了减小导通电阻，一般都 采用N管。图1中二极管是FET1和FET2的寄生二极管，它们的存在使系统在 过放电状态下能对电池充电，在过充电状态下能对负载放电。池RFFT血X)FF,保护M路图 1 3.6V 锂离子电池保护电路封装结构锂离子电池保护芯片的应用场合要求其具有低电流驱动、高精度检测的特点，另外 由于保护电路的供电电源即为电池电压，因此在电池电压的变化范围内，保护电路 必须正常工作，本文根据图 1 所示的连接关系，设计一种低功耗单节锂离子电池 保护芯片，其电池电压可以
3、在1V5.5V范围内变化。系统结构设计 锂离子电池保护芯片的基本功能是进行过充电保护、过放电保护和过电流保护，其 中过电流保护包括充电过流保护和放电过流保护。下面以保护电路的基本功能为出 发点，分析其系统的组成。检测异常现象 锂离子电池保护电路为了实现其基本功能，首先需要检测异常现象。过充电和过放 电检测是将电池电压进行分压（采样）后与基准电压比较实现的；而对于过流检测， 保护芯片首先将充放电过程中的电流转化为在功率管FET1、FET2上的电压，然 后通过 VM 与基准电压比较完成，放电过流检测的是正电压，充电过流检测的是负电压。滤除干扰信号 通常在锂离子电池保护电路的工作过程中会有干扰信号存
4、在，干扰信号的类型主要 有两种：一种为瞬间干扰，它是指在正常的信号上，在极短的时间内叠加上一个较 大的信号。另一种为波动干扰，它是指信号的起伏波动。如图2 以充电过程解释 了这两类干扰，其中 VCU 为过充电检测电压。为了防止干扰信号的引入使保护电路产生误动作，可以从系统角度考虑采用适当的 措施减小它们的影响。瞬间干扰可以在保护电路内部加上延时电路加以滤除，即当保护电路检测到异常信 号后，延时一段时间再关闭FET1或FET2。根据过充电、过放电、过电流对锂电 池的危害程度选取不同的延时时间。为了更加合理的保护锂电池，放电过流可分为 三个级别，分别为过流1 保护、过流2保护以及负载短路保护，过流
5、1 的延时稍 长，过流2的延时比过流1 的延时短一些，而负载短路不加延时立即保护。波动干 扰可以在保护电路内部加上迟滞电路加以滤除。控制充电控制管有效关闭在充电过程中，与FET2源极相连的VM端电位为负值，当过充电保护起作用时， 必须在过充电延时信号与CO端之间加上电平转换电路，将控制逻辑电路产生的逻 辑信号进行转换，使CO端的电位小于或等于VM端的电位，从而保证FET2有效关断。0V 电池充电抑制功能锂离子电池保护电路可实现对0V电池进行充电，也可实现对0V电池禁止充电， 本文的设计采用后者，这一功能使保护电路禁止对内部短路的电池进行充电。当电 池电压为0V电池充电抑制电压VOINH （典型
6、值为1V左右）或更低时，FET2的 栅极电位被固定为VM的电位，从而禁止充电。当电池电压等于或高于VOINH 时，可以进行充电。其它功能1）在过充电状态下，保护电路需禁止放电过流保护起作用。因为电池在过充电后 接上负载的情况下，在放电初期，系统仍处于过充电状态，此时放电电流必然很大， 引起过流的可能性很大；而过流保护如果起作用，就会关断放电回路。这样，一旦 电池过充电，就可能永远不能使用；2）在过放电保护起作用时，保护电路需禁止充电过流保护起作用。因为当电池 过放电后，刚接上充电器充电时，充电电流会很大。此时禁止充电过流保护起作用， 可保证电池在过放电后可充电；3）为了减少充电电流流过FET1
7、内部寄生二极管的时间，如果在过放电状态下 连接上充电器并且 VM 电压低于充电过流检测电压时，解除过放电迟滞。根据上述分析，本文设计的锂离子电池保护电路的系统框图如图3 所示。系统 主要包括控制逻辑电路(CONTROL LOGIC CIRCUIT)、取样电路(SAMPLE CIRCUIT)、过充电检测比较器(O VERDIACHARGE COMPARATOR )、过放 电检测比较器(OVERDISCHARGE COMPARATOR)、过流1检测比较器(OV ERCURRENT1 COMPARATOR)、过流 2 检测比较器(OVERCURRENT2 C OMPARATOR)、负载短路检测电路(
8、LOAD SHORT DETECTION CIRCUIT)、 充电过流检测电路(CHARGER DETEDTION CIRCUIT)、电平转换电路(CONVERTOR CIRCUIT)、基准电路(REFERENCE CIRCUIT)以及偏置电路(BIAS CIRCUIT)。其中，偏置电路在图3中没有给出，电平转换电路同时能实现 0V 充电抑制功能。图3 锂离子电池保护电路系统框图图3中MN在过电流时导通，它的作用是使过大的电流不经过FET1和FET2而 通过MN流向地。MP与待机状态有关，待机状态电路的工作原理是：当保护电路 进入过放电状态后，产生一个待机状态信号，使保护芯片中的大多数电路停止
9、工作， 它是通过控制逻辑电路和负载短路检测电路的配合完成的。M3的作用是在待机状 态下，使采样电路不消耗静态电流。M4和M5分别用于实现过放电和过充电检测 迟滞以滤除充放电过程中的波动干扰信号。而瞬时干扰信号的滤除由控制逻辑电路 中的延时电路实现。关键电路实现 锂离子电池保护芯片的性能，不仅与系统结构密切相关，与具体电路的实现也是密 不可分的，下面的电路模块在整个芯片中具有关键的作用，本文从功耗和精度等角 度考虑，提出了独特的设计方法。待机状态电路保护电路进入待机状态有赖于过放电状态的检测，进入待机状态后，为了减小功耗 应使尽可能多的电路模块停止工作，但如果所有的检测电路都不工作，待机状态将
10、无法退出，为此在设计负载短路检测电路时不引入待机状态控制信号，其目的即为在电池电压升高后使保护电路能及时退出待机状态。图 4 给出了待机状态信号产 生和撤销的原理图。MP1；SO/):负载短路 检测山铭当 MMB*I OUT LSli图 4 待机状态实现电路图4中SOD为过放电检测信号，系统处于正常状态时，SOD为高电平，VM为 低电平，因此待机状态控制信号POWERD输出高电平、POWERDB输出低电平。 当系统进入过放电状态时，SOD （延时后的信号）变为低电平，MP导通使VM变 为高电平，最终使POWERD变为低电平、POWERDB变为高电平，它们控制保 护电路相应模块停止工作，系统进入待机状态。当对电池进行充电时，由图 1 可知 VM被强制拉到低电平，使负载短路检测电路的输出信号OUT_LSB变为高电平； 此时，不论SOD为何值或非门都将输出低电平，POWERD由此变为高电平，这 样，就可实现待机状态的退出。
