锂电池管理芯片的过流保护功能设计及实现

2006 年 2 月 JOURNAL

OF CIRCUITS AND SYSTEMS February ， 2006 文章编号：1007-0249 (2006) 01-0024-05

锂电池管理芯片的过流保护功能设计及实现*

朱卓娅， 程剑平， 魏同立

（东南大学 微电子中心，江苏 南京 210096）

摘要：针对锂电池应用特点，设计了用于电池管理芯片的过流保护功能模块。电路采用0.6µm N 衬底双阱CMOS 工艺实现。HSPICE 后仿真结果表明，该模块不仅能对锂电池放电过程实现三级过流检测和保护，还能对充电过程中的过流进行有效管理。通过功耗管理和采用基于亚阈值MOS 管的电路，模块消耗电流仅为1.2µA ，能充分满足较复杂的电池管理芯片的需要。

关键词：锂离子电池；电池管理芯片；过流保护

中图分类号：TN432 文献标识码：A

1 引言

和其它二次电池相比，锂电池有更高的体积密度、能量密度，并有高达4.2V 的单节电池电压，因此在移动电话、个人数字助理（PDA ）、数码相机等便携式电子产品中获得了广泛的应用，甚至被认为是上世纪90年代能源技术的一个重要里程碑[1]。

为了确保使用的安全性，锂电池应用中必须要有相应的电池管理芯片，来防止电池的过充电、过放电和过电流[2]。但考虑到电路的成本和尺寸，有时并不需要将所有的功能都集成在一起，而是希望针对不同的电池设计不同的保护功能。另外，在实际的锂电池管理芯片设计中，有以下因素需要着重考虑：一是功耗，由于芯片的驱动电流始终来自于被保护的电池，因此要求芯片的电流消耗尽可能地低，从而可以尽量延长电池的工作时间；二是工作电压，芯片有可能在电池过放电的情况下工作，甚至还要保证电池在零伏时能够正常充电，所以设计时必须考虑电路的低电压工作能力；此外，电路必须能适应电池电压在1.5V ∼5V 范围内波动。

为了便于锂电池管理芯片中功能的组合，本文设计了三级放电过流检

测电路及充电过流检测电路。为了有效降低电流消耗，设计了基于亚阈值

MOS 管的电路，并对电路进行了功耗管理。最后，

对电路进行了版图设计，并结合一个芯片实例的后仿真来验证结果。

2 功能设计 锂电池既可以接充电器充电也可以接负载放电，图1给出了单节锂电池和保护电路的应用简图。图1中，V DD 和V SS 分别是电池电源和地输入端；CO 和DO 分别控制芯片外接的两个功率MOS 管N1和N2，来控制电池的充电及放电回路。正常工作时，CO 和DO 均为与V DD 相等的高电平，此时N1和N2导通，电池既可以向负载放电，又可以由充电器进行充电；当CO 降为低电平时，N1截止，充电回路被切断，但电池仍然可以通过N1的寄生二极管向负载放电；当DO 为低电平时，N2截止，放电回路被切断，但N2的寄生二极管仍保证了电池可以进行充电。

图1中还提供了V M 端检测充、放电过程中的过流情况。以放电为例，当电池接负载放电时，过流检测电压： I R V on M ⋅=2 （1） 式中，I 为放电电流，R on 为功率MOS 的导通电阻。应用中为了降低V M 值，有效利用放电或充电电流，N1、N2的导通电阻应尽可能地小，一般取20m Ω~30m Ω。在放电时，过流检测电压V M 与式（1）相

* 收稿日期：2005-05-25 修订日期：2005-06-28

图1 锂电池应用简图

同，这时I 为充电电流。

为了提高检测精度，本文设计了放电过流三级检测和充电过流检

测电路，同时根据过流情况设有不同的延迟时间，以防有突发电流流

入时发生误动作。保护电路框图和具体的电学参数指标分别见图2和

见表1。

从图2可以看出，接负载放电时，V M 监测电池的电流大小，和不

同的基准电压比较后，由过流1、过流2输出相应信号，并根据过流

的程度经过相应延时后，由逻辑控制电路输出信号控制DO ；而一旦

发生短路，为确保安全，必须立即停止放电；电池接充电器时，V M 信

号可以反映充电电流的大小，再经充电检测电路后，由逻辑控制电路决定是否应停止充电。

3 电路实现

3.1 放电过流

图2所示的过流1和过流2比较器中，

均由V M 信号和基准电压充当输入信号，因

此电路结构相似。以过流1比较器为例，本

文采用如图3所示的四级结构，V M 和V ref 1比较后，输出电压信号1_oct comp V 。图3中，第一级为差分输入级，由于输入信号共模范围比较低采用P 对管P2、P3输入，N1、N2组成电流源负载，并且完成双端输入到单端输出的转换，这级的偏置电流由P1提供。第二、三级为电流沉反相器由N3、P4、N4、P5组成，N3、P5为工作管，P4、N4为有源负载提供偏置电流。第四级由N5、P6组成推挽放大器充当输出级，将输出信号1_oct comp V 拉到与V DD

或GND 相等的电位。

电路设计时，在静态情况下，要求比较器输入级要完全

对称：

⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧======132********)()()()(P P P N N N N P P I I I I I L W L W L W L W （2）

式中，I 为MOS 管的漏源极电流。由于N1与N2电流相等，

且N1的栅、漏极相连，根据平衡条件，N2的漏极电压应基本上等于N1的栅极电压，则：

⎪⎪⎪⎩

⎪⎪⎪⎨⎧===3422331144)()()()(N P N N N N P P P P I I I L W L W I I L W L W I （3） 由式（2）和式（3）可以得到第一级和第二级电路的尺寸关系。考虑到比较器的分辨率为：

V

OL OH A V V V −=∆ （4） 式中，OH V 、OL V 分别是比较器输出对应的高低电平，V A 是比较器总直流增益。从式（4）可知，为保证足够高的分辨率，需提高比较器的增益V A 。而在图3所示的四级结构中，有：

⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛++⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝

⎛+==56564554332334321dsN dsP mN mP dsN dsP mP dsP dsN mN dsN dsP mP V V V V V g g g g g g g g g g g g g A A A A A （5）

图2 锂电池过流保护

电路系统框图 表1

设计项目及参数 项目 检测电压（V ） 延时时间（ms ）过流1 0.150 4∼16 过流2 0.5 1∼4 放电过流短路（V M 基于V DD ）-1.1 1×10-3∼4×10-3 充电过流 -1.3 1∼4

图3 过流1比较器电路原理图