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一种单节锂电池保护IC设计

导读: 介绍了锂电池保护IC的工作原理,设计了适合CMOS工艺的锂电池保护电路,符合低功耗,高精度的要求。

  1 引 言

  设计了一种低功耗的单节锂离子电池保护电路,此保护电路不仅对锂离子电池提供过充电,过放电,放电过流保护,还提供充电异常保护,零伏电池充电禁止等功能。用1. 0μm双阱CMOS工艺实现。

  2 锂电池保护IC的功能原理分析

  锂电池保护电路的原理图如图1 所示, E +和E - 端之间加充电器或负载。电路工作原理如下:

 

图1 锂电池保护原理图

  正常状态:当电池电压在过放电检测电压以上且在过充电检测电压以下, VM端子的电压在充电器检测电压以上且在过电流检测电压以下时,充电控制用FET2 和放电控制用FET1 的两方均打开。

  这时可以进行自由的充电和放电。这种状态叫做正常状态。

  过充电保护:在充电过程中,当电池电压高于过充电检测电压,且该状态持续到过充电检测延迟时间后,控制电路输出一个低电平,关断充电控制用FET2,禁止充电。

  过放电保护:在放电过程中,当电池电压低于过放电检测电压,且该状态持续到过放电检测延迟时间后,控制电路输出一个低电平,关断放电控制用FET1,禁止放电。

  过电流保护:过电流保护包括一级过流保护,二级过流保护,短路保护,当放电电流过大, VM端电压上升,超过过流检测电压,且该状态持续时间超过过流检测延迟时间后,控制电路输出低电平,关断放电控制用FET1,放电禁止。在放电过程中, VM端电压就是两个处于导通态的FET上的压降(见图1) ,即VVM = I ×2RFET.式中I是通过FET的电流,即放电电流, RFET是FET的通态电阻。

  充电异常保护:电池在充电过程中如果电流过大,使VM端电压下降,当低于某个设定值,并且这个状态持续到过充电检测延迟时间以上时,控制电路关断充电控制用FET2,停止充电。当VM端电压重新上升到设定值以上后,充电控制用FET1打开,充电保护异常解除。

  零伏电池充电禁止:电池在久放不用的情况下,会自身放电使电池电压下降,甚至为零伏,有些锂电池因其特性的原因在被完全放电后不适宜再度充电。当电池电压低于某个设定值时,充电控制用FET2的栅极被固定在低电位,禁止充电。只有电池本身电压在零伏电池禁止充电电压以上时,才被允许充电。

  3 电路设计

  如图2所示,锂电池保护电路主要由基准源,比较器,逻辑控制电路以及一些附加功能块组成。比较器检测所用到的基准电压都要通过一个基准源电路来提供,此基准源在正常工作情况下,必须高精度,低功耗,以满足芯片要求,且能够在电源电压低至2. 2V时正常工作。

 

图2 锂电池保护电路的内部结构

 

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