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一种耗尽型工艺锂电池充电保护芯片的设计

导读: 提出了一种基于耗尽型工艺的单节锂离子电池充电保护芯片设计。阐述了此芯片的设计思想及系统结构,并对芯片关键电路的独特设计方法及原理进行了详细分析,特别是基准电路和偏置电路,利用耗尽型工艺使电路具有非常低的电源启动电压和功耗。

  中心议题:

  *  系统结构的设计

  *  关键电路的实现

  *  芯片的测试结果

  解决方案:

 

  摘要:提出了一种基于耗尽型工艺的单节锂离子电池充电保护芯片设计。阐述了此芯片的设计思想及系统结构,并对芯片关键电路的独特设计方法及原理进行了详细分析,特别是基准电路和偏置电路,利用耗尽型工艺使电路具有非常低的电源启动电压和功耗。在Hspice 中仿真了采用0.6 μm 的n 阱互补金属氧化物半导体( CMOS) 工艺制作全局芯片的测试结果。验证了此芯片具有过电压检测、过电流检测、0 V 电池充电禁止等功能,可用于单节锂离子电池充电的一级保护。

  引言

  便携式电子产品正向轻量化、超小型化发展,为此锂离子电池得到广泛应用,比较常见的正极材料为钴酸锂和锰酸锂的锂离子电池,还有磷酸铁锂电池和磷酸铁锰电池等。锂离子电池以能量高、寿命长、无记忆性、无污染等特点排在电池行业的最前列。但是锂离子电池和其他很多类型的电池一样极易出现过充电、过放电等现象, 这些情况对锂离子电池更容易造成损害, 从而缩短它的使用寿命。所以要求锂电池充电应具有一级保护功能。

  目前国内还没有这种电池保护的核心技术,本文设计了一种锂离子电池充电保护电路, 此保护电路的电压、电流源基于耗尽型工艺设计,便于实现低功耗。另外此保护电路的供电电压来源于电池电压,所以要求此保护芯片在电池电压变化范围( 1~8 V) 内正常工作。本文设计的保护电路以低功耗、高精度、高能量密度、高内阻、高安全性等特性脱颖而出,因此这种锂离子电池保护电路的应用得到了普及。

  1 系统结构的设计

  此芯片是单节电池的保护电路并且过电压、过电流的检测延迟时间是可改变的,其系统设计框图如图1 所示,芯片设计VDD、VSS、DP、CO、DO、VM 6 个引脚。通常情况下,即电池没发生过充电、过放电事件时,CO、DO 都为高电平, DP 端子悬空,图1 中右半部分的6 个MOSFET是耐高压管。

图1

  工作原理是通过监视连接在VDD 和VSS 之间的电池电压及VM 和VSS 之间的电压差控制充电器的充电和放电。

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