赵 娟 陈伟元
锂离子电池具有能量高、电压高、寿命长、无记忆、无污染等其它电源无法比拟的优点，在以电池供电的便携式电子产品，如手提式MD、游戏机、数字摄像机和照相机、PDA等都采用锂离子电池作为工作电源，特别在移动电话和笔记本电脑领域中，锂离子电池更是占绝对优势。但是，锂离子电池必须有过充电、过放电和过电流保护电路，否则极易被损坏，甚至还会危及主机。可是，目前国内还没有企业掌握锂离子电池保护电路的核心技术，大部分的核心技术仍然掌握在少数几家国外大型企业手中。
因此，本文介绍一种锂离子电池保护电路，可以对锂离子电池提供过充电、过放电、过流及0V充电和0V充电判断保护，并用1.2μm n阱CMOS工艺实现。
工作原理
图1为锂离子电池保护电路的典型应用电路。两外接的MOS管（FET1、FET2）一般集成在另外一块芯片上，相当于两个开关，控制外电路的输入（充电时）和电池的功率输出。
其基本工作原理如下：
1.正常状态在一般情况下，从电池向负载的放电和从充电器向电池的充电是自由进行的。因此，用于放电控制的FET1和充电控制的FET2均处于导通状态。
2.过流保护当放电电流过大时，用于放电控制的FET1断开，禁止电池向负载放电，藉以执行过放电电流保护功能。过电流保护功能也利于保护电池组在运输过程中的安全。
保护电路检测VM的电压，一旦它大于电流检测电压（VIOV和VSHORT），即禁止电池放电。过电流检测结束后，接通负载，恢复到正常状态，即可放电。
值得注意的是，保护电路必须提供不同的过放电电流保护延迟时间（tIOV和tSHORT）。当放电电流愈大（如电池输出端短路时），延迟时间愈短，过放电电流保护功能会马上启动，以保护元件不致于损害；而当放电电流较小，接近保护边缘时，延迟时间会较长以避免过放电电流保护发生误动作。
3.充电过压保护当电池充电至过充电检测电压（VCU）时，FET2断开，禁止来自充电器的电流向电池充电。但是，在过充电检测工作结束后，电池必须能向负载继续放电。当电池放电电压大于过充电迟滞电压VCL时，过充电保护功能方可解除，FET2导通，重新启动过充电保护功能。
过充电保护过程中，FET2虽为截止状态，但放电路径依然可流过它的寄生二极管，故此时电池仍可放电。
为了提高电池的安全性，并可进行最大限度的充电，过充电检测电压的误差精度要非常高。另外，过充电检测功能要与脉冲充电相适应，为了防止因干扰引起的误动作，过充电检测电路设有延迟时间tCU。
4.放电欠压保护在过放电保护功能中，当电池电压下降到过放电检测电压（VDU）时，放电控制FET1关断，禁止电池向负载放电。之后，如果接通充电器，通过用于FET1的寄生二极管再开始充电，当电池充电电压大于VDL（过放电迟滞电压）时，过放电保护功能才能解除，FET1导通，过放电保护功能重新启动。在过放电保护过程中，即使FET1截止，充电电流可通过其寄生二极管，因此仍可充电。
在过放电保护功能中，为了防止电池电压过分降低，保护电路的耗电量必须尽量接近零。
另外，一般来言，锂离子电池有安全电压下限（2.4~2.7V），其所要求的误差精度并不如充电电压精确。为了与脉冲性放电相适应，过放电检测电路往往也必须有延迟时间tDU，以同时兼顾最大使用电量与过放电保护的要求。
5.充电器检测功能 若VM脚电压低于充电器检测电压VCHA（当放电欠压状态下电池接入充电器时），过放迟滞效应取消；当电池电压高于等于过放电检测电压（VDL），FET1重新导通。
当接入充电器，若VM脚电压未达到充电器检测电压（VCHA），当电压达到过放电停止电压（VDU）或更高时，放电欠压状态回到正常状态。
6.0V电池充电功能这一状态是用来实现当电池自放电到0V时给电池再充电。当锂离子电池接上充电器时，电池电压大于V0CHA（0V电池充电器起始电压）或更高时，FET2导通并开始充电。此时，FET1关断，充电电流通过放电控制FET的寄生二极管；若电池电压高于等于VDU（过放电停止电压），电路恢复到正常状态。
值得注意的是，0V电池充电状态的检测比过电流状态的检测快，因此，当电池电压低于V0CHA时，可以对电池进行充电，且此时保护电路不能检测到过电流状态。
7.0V电池充电关断功能这一功能是用在电池突然短路时终止再充电的。若电池电压低于某一电压时，FET1被固定接到某端电位以禁止充电。若电池电压为V0INH或更高，则可进行充电。
根据对保护电路的以上分析，其状态转换图如图2所示。其中BV为电池电压，VCHA为充电器检测电压，V0CHA是0V电池充电器起始电压。
保护电路的设计
根据保护电路的基本工作原理，锂离子电池保护电路的内部结构如图3所示。其中VDD、VSS分别是锂离子电池的正负极。下面重点介绍部分功能模块的电路设计。
1.比较器电路 锂离子电池保护电路的核心是五个比较器（充电器连接检测比较器、过充电检测比较器、过放电检测比较器、过流1检测比较器和过流2检测器）。它们均是电压比较器，均要求低功耗。考虑到锂离子电池对过充电、过电流的保护要求较高，充电器连接检测比较器、过充电检测比较器和过流1检测比较器采用四级放大，以满足对精度的要求。其余的因对精度要求略低，故采用两级放大。
五个电压比较器的结构大致相同。图4是设计的四级放大比较器。
图4中M1是比较器的开关管，由EN信号控制。当不需要此部分电路工作时，EN为高电平，电路处于STANDBY状态，这样就降低了功耗。比较器的参考电压来自于基准源电路的采样电压，精度要求很高。
2.采样电路和基准源电路图5为基准源电路。M1是开关管，控制整个电路的工作状态。由于锂离子电池电压即为整个电路系统的电源，而它会随着电池内储存的电能而发生变化（2.3~4.2V），因此采用耗尽管来提供稳定的电流。
MOS管M2、M4和M5组成负反馈基准源。由栅源短接的耗尽管M2作为与电源电压无关的恒流源，此恒定电流在普通MOS管（M3）上产生恒定的漏源电压作为参考电压。
图6是设计的采样电路。通过激光修正工艺对所需电阻值进行精确控制。M1是这段电路的开关管，同样由EN信号控制。另外，M2和M3也是开关管，用来短路部分电阻，改变分压大小，从而细调电路，满足精度的要求。B1、B2分别是过充电检测比较器和过放电比较器的输入信号，它们都是对电池电压的采样。
3.延时电路延时电路包括振荡器和触发器（见图7）。振荡器是给整个保护电路提供时间基准的，由七级反相器首尾相接而成，其输出连接到后面用作时钟分频的触发器（十二级D触发器）上，从而得到所需的各种延迟时间。它的周期由偏置电路恒流源决定。一旦出现异常状态，振荡电路便开始振荡，然后一个时间周期后，控制信号会使振荡电路停止工作，以等待下一次异常状态。T1、T2是状态检测电路的控制信号。
4.输出缓冲级缓冲级用来提高负载驱动能力。由两级反相器构成。前一级反相器相对后一级反相器而言MOS管的宽长比（W/L）略小，它只驱动第一级，起到匹配和整形的作用；而第二级的MOS管宽长比（W/L）非常大，是为了能驱动大电流负载。在第一级反相器中加电阻，以调节阈值电压。
结 论
本文设计的锂离子电池保护电路，采用1.2μm n阱CMOS工艺，用激光修正技术对电阻值进行精调。在上海贝岭股份有限公司进行试投片，样片经测试，结果达到设计要求，表明本设计方案是合理可行的。本设计具有以下特点：
1、具有充电器连接检测功能、异常充电电池检测功能，确保了充电器电压过大时电池的安全。
2、3级过电流检测电路（过电流1、过电流2、负载短路），提高了防止负载短路的安全性。
3、保护电路采用低功耗设计，以降低整个保护电路的功耗。
4、精度参考电压（误差小于1%）；高精度检测电压 （±40mV）。
