锂电池管理芯片的过流保护功能设计及实现 design and realization of over-current protective function in li-ion battery management ic.pdfVIP

第 11 卷 第 1 期 电路与系统学报 Vol.11 No.1 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 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 ∼ 范围内波动 1.5V 5V 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 图 1 锂电池应用简 图 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 和 V 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 DD SS 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 相等的高电平 此时 N1 DD 和 N2 导通 电池既可以 向负载放电