耗盡型工藝實現鋰電池充電保護芯片的設計

　　為了更快地解除過充電、過放電狀態， 圖1 中過充電、過放電比較器的輸入差分電壓須隨電源電壓的改變而改變， 當電池過充或過放時， 輸出電壓隨電源電壓變化的比例不同， 因此設計出圖4 所示的遲滯電路。

　由圖4 可知， 通過控制TCU 和TDL 的開關來控制MN1 和MP1 的導通與關斷， 達到調節點IN_CON 和IN_ODP 電壓大小的目的， 以實現遲滯效應。當輸出信號在和過充比較器和過放比較器相比較時， 比較基準電壓不變， 計算過充電、過放電的遲滯電壓分別為：

　　由式（ 12） 和（ 13） 可知， 根據具體設計要求的不同， 調節R26、R27、R28、R29、R30 和R31 的大小及比例關系以達到實現不同遲滯電壓的目的。

　　2.3 0 V電池充電禁止電路

　　當電池電壓低于一定值時， 使CO 輸出為低電平從而禁止充電器對電池進行充電。在此過程中因為VDD 比較低VM 會變得很負， 所以VDD 和VM 之間易形成很大的電流， 則VDD 到VM 之間的每一條支路上要有比較大的電阻。采用如圖5 所示的電路來控制CO 的電壓和VDD 到VM 之間的電流。

　　圖5 中M1、M2、M3、M4、Rl 和R2 組成的電路完成電平轉換功能， 抑制功能主要由M5、M6 和R3完成， M7、M8、M9、M10 和R4 組成的與非門在電平轉換功能和0 V 抑制功能之間進行選擇。電路需要將邏輯低電平轉化為與VM 相同的電位。而VM的電位有可能很負， 在電路轉換瞬間， VDD 和VM之間的高電壓很容易將普通的MOS 管擊穿，基于此， 本電路的所有管子都采用高壓非對稱管。

　　0 V 電池抑制功能發生在充電過程中， 此時，IN_ LCB=0, IN_ LC=1,VA 為高電平。當電池電壓VDD 在1.2 V 左右時， 就認為它是內部短路。在這種情況下充電， 充電電流一定很大， 導致VM 的電位下降很大， VDD 的下降使M5 關閉， VM 的下降使M6 導通， 從而VB 由低電平轉化為高電平（此時的VDD 電壓為0 V 電池充電禁止電壓V0INH） , CO 電位因此接近VM 電位。

　　模擬結果如圖6 顯示， 在VDD 降到1V 以下時，CO 端輸出與VM 相同的電平， 關斷充電回路， 實現0V 電池充電禁止功能。

　　3 芯片的測試結果

　　采用0.6 μm、n 阱的CMOS 工藝， 芯片的電特性參數測試結果如表1 所示。其中T 表示溫度，在沒有特殊說明的情況下均為T=25 ℃。表1 表明所設計的芯片滿足寬的電壓工作范圍、寬的溫度工作范圍和低功耗的特點。

表1 CMOS 芯片的電特性

　　4 結語

　　本文對單節鋰離子電池的充電保護芯片的功能原理進行了闡述， 詳細分析了基于耗盡型工藝的關鍵電路設計原理， 重點分析了基于耗盡型工藝的低功耗基準電壓源的設計， 測試結果顯示所設計的芯片滿足低功耗、低成本、寬工作電壓范圍的要求，可用于便攜式電子產品和醫療測試儀器的鋰離子電池的一級保護。