基于CMOS工藝的鋰聚合物電池保護電路設計

1　引言

　　鋰電池產品以高能量密度、長循環壽命、快速充放電、高電池電壓、工作溫度范圍廣、無記憶等優異特性占據了市場很大份額。然而，鋰電池產品在充放電過程中的過充電、過放電、放電過電流及其它異常狀態(例如負載短路)，將會導致內部發熱，可能引起電池或其它器件的損害，嚴重影響到電池使用的安全性。因此，鋰電池產品保護電路的設計應用必不可少。

　　本論文基于標準CMOS工藝，設計了一種全功能電池保護電路。通過過放電檢測輸出端、過充電檢測輸出端的CMOS輸出電平控制外接的兩個N溝道場效應開關晶體管的關斷，從而達到對電池實施保護的目的。基于全功能電池保護電路原理，針對過放電、過充電、放電過電流、負載短路等異常狀態設置了相應的保護機制。

　　2　電池保護電路原理分析

　　本論文所設計的電池保護電路應用示意圖如圖1所示。實線框內為電池保護電路的系統結構圖，框外為外圍器件連接示意圖。

　　圖1中，DOUT為過放電檢測的CMOS輸出，COUT為過充電檢測的CMOS輸出，VDD為電池電壓輸入，VSS為芯片接地引腳，DS為響應延遲時間縮短控制輸入端，V-為放電過流檢測端。

　　在充電時，若電池電壓高于過充電檢測電壓并保持相應的延遲時間，COUT端由高電位變為低電位，充電控制MOS管MC關斷，芯片進入過充電保護狀態，停止充電。

　　在放電時，若電池電壓低于過放電檢測電壓并保持相應的延遲時間，DOUT端由高電位變為低電位，放電控制MOS管MD關斷，芯片進入過放電保護模式，停止放電。

　　圖1　鋰離子/鋰聚合物電池保護電路芯片應用電路圖以及內部系統結構框圖

　　在放電時，芯片同時監控V-端電壓。當因電流過大引起V-端電壓高于放電過電流檢測電壓，而低于短路檢測電壓時，芯片進入放電過電流保護狀態;當V-端電壓高于短路檢測電壓時，芯片進入短路保護狀態。此時，DOUT端輸出由高電位變為低電位，關斷MD防止電路中通過強電流。

　　圖1中，R1和C1起到對外接充電器或與其并聯的二次電池的電壓波動進行平滑濾波抑制的作用。而電阻R1、R2為當對電池反向充電或充電器充電電壓超過芯片絕對極限額定充電電壓值時的限流電阻。

　　該系統中主要包括過充電檢測電路(VD1)、過放電檢測電路(VD2)、放電過電流檢測電路(VD3)和短路檢測電路、電平轉換電路、基準電路、振蕩電路以及偏置電路等。

　　3　電路設計

　　由于保護電路依靠電池來供應其電源電壓，為了不影響電池的待機時間，應盡可能設計低電源電壓、低功耗的電池保護電路。

　　3.1　檢測電路設計

　　由于檢測電路VD1、VD2、VD3原理類似，在此以過放電檢測電路(VD2)設計為例進行分析。為了滿足整個芯片功耗小的要求，可設計該電路處于亞閾值工作狀態，有效降低其工作電流及電壓。

　　圖2　過放電檢測電路