鋰離子電池用保護電路的低功耗設計.doc

鋰離子電池用保護電路的低功耗設計內(nèi)容摘要：設計了一種單節(jié)鋰離子電池保護電路。分析了系統(tǒng)的特點和應用要求, 提出了采用亞閾值電路和由內(nèi)部數(shù)字信號來控制模擬電路工作狀態(tài)的方法, 優(yōu)化了系統(tǒng)的功耗。電路采用0. 6 m UMC 數(shù)字電路工藝實現(xiàn)。HSP ICE 模擬結果表明, 該電路不僅能滿足鋰離子電池應用中的保護要求, 而且具有較低的電流功耗, 在正常和Standby 模式下, 系統(tǒng)消耗電流分別3. 23A 和0. 15 A。 90 年代出現(xiàn)的鋰電池是能源技術領域的一個重要的里程碑。和其它二次電池相比, 鋰電池具有更高的體積密度和能量密度, 因此在移動電話、個人數(shù)字助理(Personal D igital A ssistan t, PDA )、計算機等手提式電子設備中獲得了極為廣泛的應用。一方面, 以鋰電池為供電電源的電路設計中, 要求將越來越復雜的混合信號系統(tǒng)集成到一個小面積芯片上, 這必然給數(shù)字、模擬電路提出了低壓、低功耗問題。在功耗和功能的制約中, 如何取得最佳的設計方案也是當前功耗管理技術( Pow erM anagem en t, PM ) 的一個研究熱點。目前研究得較多的是系統(tǒng)級的動態(tài)功耗管理技術(Dynam icPow erM anagem en t, DPM ) , 它的基本思想是關掉不工作的部分以節(jié)省系統(tǒng)功耗, 但是在大多數(shù)情況下, 這種方法僅用于數(shù)字系統(tǒng)的低功耗優(yōu)化。和模擬電路相關的低功耗設計也有許多文獻報道, 但基本只限于某類專用電路, 而對數(shù)模混合電路的功耗管理則少有文獻涉及。另一方面, 鋰電池的應用也極大地推動了相應電池管理、電池保護電路的設計開發(fā)。鋰電池應用時必須要有復雜的控制電路, 來有效防止電池的過充電、過放電和過電流狀態(tài)。本文針對鋰電池保護電路, 在考慮功能實現(xiàn)的同時, 重點從功耗的角度出發(fā), 采用了模擬電路中關鍵電路工作在亞閾值區(qū)的設計思路, 并利用內(nèi)部數(shù)字信號反饋控制模擬電路進入Standby 狀態(tài), 從而滿足較低電壓下的功耗管理。系統(tǒng)功能實現(xiàn)圖1 給出了鋰電池保護電路的系統(tǒng)框圖。圖中,VDD 和V SS 分別是電池電源和地輸入端; CO 和DO 分別是充電及放電控制端, 在正常工作模式下均為高電平, 電池既可以充電又可以放電, 反之, 充電和放電回路被切斷;VM 是放電過流、充電過流檢測端。電路實現(xiàn)的功能如下:(1) 過充電、過放電檢測: 圖中的取樣電路(SAM PL E) 將實時監(jiān)測電池電壓信號, 并將之送入過充電比較器(OV ERCHARGE)、過放電比較器(OV ERD ISCHARGE) 和基準電壓比較, 判斷電池電壓是否高于過充電檢測電壓或是否低于過放電檢測電壓, 再由數(shù)字邏輯控制電路(CON TROLLO G IC) 輸出相應信號到CO 端及DO 端, 即完成過充電、過放電檢測功能。(2) 放電過流檢測: 由VM 端來監(jiān)測電池接負載放電時的電流大小, 和不同的基準電壓比較后, 由三個比較器: 過流1 (OV ERCU RREN T1)、過流2(OV ERCU RREN T2)、負載短路(LOAD SHORTDETECT ION ) 輸出相應信號, 并根據(jù)過流程度經(jīng)過相應延時后, 由邏輯控制電路輸出信號控制DO 端。(3) 充電過流檢測: VM 端信號還可以反映電池接充電器時, 充電電流的大小, 再經(jīng)充電檢測比較器(CHARGE DETECT ION ) 比較后, 由邏輯控制電路決定是否應停止充電。(4) 零伏電池充電功能: 由電平轉換電路(CONV ERTOR) 實現(xiàn), 能夠對待充電的電池進行檢測, 若電池電壓低于零伏電池充電電壓, 便輸出信號將CO 端置為低電平, 從而切斷充電回路?？梢钥闯? 此電路是一個連續(xù)工作的數(shù)模混合系統(tǒng), 同時又以被監(jiān)測的鋰電池為供電電源, 在實現(xiàn)電路功能并滿足檢測精度的前提下, 電路的功耗成了另外一個重要的性能指標。由于控制邏輯部分屬于數(shù)字電路, 靜態(tài)功耗幾乎可以忽略, 所以如何降低模擬電路的靜態(tài)功耗并且限制低電壓下的電路功耗成了設計重點。系統(tǒng)低功耗設計Standby 狀態(tài)實現(xiàn)設計中, 為了使電路在電池過放電情況下盡可能地降低電流消耗, 數(shù)字電路中加入了使系統(tǒng)進入Standby 狀態(tài)的控制部分, 原理圖由圖2 給出。圖中信號OD 由數(shù)字電路產(chǎn)生, 當比較器檢測到電池電壓低于過放電檢測電壓, 并經(jīng)過延時后,OD 將從高電平變?yōu)榈碗娖? 此時通過P2 管將VM拉到高電平, 再經(jīng)反相后從負載短路輸出OU T L S端輸出低電平, 使輸出端STAND 變?yōu)榈碗娖?STANDB 為高電平, 意味著系統(tǒng)可以進入Standby狀態(tài); 一旦電池充電開始時,VM 端迅速被置為低電平, 此時不管OD 如何, 都通過OU T L S 將STAND恢復為高電平, 系統(tǒng)進入正常的檢測狀態(tài)。通過內(nèi)部數(shù)字電路產(chǎn)生的Standby 信號, 可以有效打開或者切斷模擬電路從電源到地的直流通路, 使電路在不需要的時候保持Standby 狀態(tài), 以降低電源消耗。因為只需要單個MO S 便可充當電路的控制開關, 所以這種方法簡單可靠, 不影響原有的模擬電路功能, 并且能和模擬電路低功耗設計相結合,實現(xiàn)低電壓下電路的功耗管理。亞閾值電壓基準電路由于電壓基準源同時要給過充比較器、過放比較器、過流1 比較器及過流2 比較器提供不隨溫度、電源電壓變化而變化的基準電壓, 所以在模擬電路中起著非常重要的作用, 同時也是影響電路功耗的一大因素。本文利用MO S 管的亞閾值特性, 設計了工作在亞閾值區(qū)的電壓基準電路, 能夠滿足上述功耗要求, 電路結構如圖3 所示。電路利用一個自偏置電路產(chǎn)生具有正溫度系數(shù)的電流, 該電流流過電阻R 0 所產(chǎn)生的壓降和具有負溫度系數(shù)的PN 結壓降相加, 可以輸出一個零溫度系數(shù)的基準電壓V BD; 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V BD 分成了V B I1 及V B I2輸出。同時, 為保證電路在加上電源電壓后能進入正確的工作狀態(tài), 電路中還加入了R C 啟動電路。由圖3 可見, P0 和P1 組成電流鏡, 取相同的寬長比, 則。在P1、P0、N 0、N 1 和R 5 構成的自偏置電路中, 選擇合適的R 5 值, 可以使N 0 和N 1 工作在亞閾值區(qū)。并且, 在時, 亞閾值MO S 管的漏電流I d 可表示為:式中, 與工藝參數(shù)有關, 其中n 為亞閾值因子, k 為波爾茲曼常數(shù), q 為電子電荷。因為,V GSN 0- V GSN 1= IN 0R 5,將式(1) 代入, 則有:式(2) 中可以看出, 不考慮電阻R 1 的溫度系數(shù),電流IN 1與熱電壓U T 成線性關系, 具有正溫度系數(shù)。P2 和P1 組成電流鏡, 假定流過P2 的電流為I P2, 則有:設二極管正向壓降為V D , 分壓電阻R 1、R 2、R 3、R 4 對R 0 的影響可以用等效電阻R = (R 1 + R 2 ) (R 3 +R 4) 來表示, 則在正常工作時, 滿足該電流產(chǎn)生電路有兩個平衡工作點, 即零點和正常工作點, 所以需要一個啟動電路, 使電路能在上電過程中脫離零點而穩(wěn)定工作。另外, 從電路功耗考慮, 啟動電路在電路進入正常工作后應斷開, 沒有電流消耗。設計時從P 1 的漏端加入了R 6、C0, 構成自偏置電路的啟動電路。與傳統(tǒng)的Bandgap 基準源電路相比, 該電路有以下特點: 電路工作在亞閾值區(qū), 功耗極低, 電路中電阻值和器件參數(shù)均取比值, 最大程度地避免了工藝漂移引起的輸出變化; 電路設計中還加入了R C啟動電路, 保證電路在上電后能及時進入正常工作狀態(tài)。另外, 由內(nèi)部數(shù)字信號STANDB 的控制, 此電路能夠在低電壓下進入Standby 狀態(tài), 此時消耗電流僅由控制管的漏電流決定, 小到幾乎可以忽略。模擬結果電路采用UMC 0. 6 m 數(shù)字電路SP ICE 模型進行HSP ICE 模擬驗證。圖4 給出了電路對電池電壓VDD 進入和退出過充電狀態(tài)時的模擬結果, 從圖中可看出, 過充電出現(xiàn)后, CO 端被置為低電平, 反之則是與電源電壓相等的高電平。結束語基于單片機的溫度自動控制系統(tǒng)工作正常, 溫度采樣和顯示的誤差控制在設計要求的1之內(nèi)。系統(tǒng)應用于DF101B 型集熱式恒溫磁力攪拌器, 主控部分和從控部分通信穩(wěn)定。在AD590 的電流模擬量輸出后, 電阻分壓和放大倍數(shù)需要很好的匹配, 既要保證分辨率的大小適中, 又要確保輸入的電壓在ADC0809 轉換電壓范圍之內(nèi)。無線通信過程中要求清楚數(shù)據(jù)編碼的波形, 以便調試時知道發(fā)送數(shù)值的正確與否, 以及傳輸中干擾的大小和將要采取的抗干擾的措施。專用顯示驅動芯片MAX7219 與MCS- 51 之間是用串行的方式通信, 時序的配合在通信中非常重要。數(shù)字化已經(jīng)是控制領域的發(fā)展趨勢。溫度控制系統(tǒng)經(jīng)歷了長時間發(fā)展以后, 智能化程度的要求越來越高, 以微處理器為核心的溫度智能控制系統(tǒng)能夠滿足絕大多數(shù)領域對溫度控制的要求。與微處理器其它方面的應用相比, 以微處理器為核心的溫度控制系統(tǒng)的開發(fā)在中國來說顯得更為迫切, 很多的控制領域還在沿用傳統(tǒng)的控制理論, 采用老的控制系