鉅大鋰電 | 點(diǎn)擊量：0次 | 2020年06月03日
鋰離子電池用保護(hù)電路的低功耗設(shè)計(jì)
90年代出現(xiàn)的鋰離子電池是能源技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要的里程碑。和其它二次電池相比,鋰離子電池具有更高的體積密度和能量密度,因此在移動(dòng)電話、個(gè)人數(shù)字助理(personalDigitalAssistant,pDA)、計(jì)算機(jī)等手提式電子設(shè)備中獲得了極為廣泛的應(yīng)用。一方面,以鋰離子電池為供電電源的電路設(shè)計(jì)中,要求將越來越復(fù)雜的混合信號(hào)系統(tǒng)集成到一個(gè)小面積芯片上,這必然給數(shù)字、模擬電路提出了低壓、低功耗問題。在功耗和功能的制約中,如何取得最佳的設(shè)計(jì)方法也是當(dāng)前功耗管理技術(shù)(powerManagement,pM)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。目前研究得較多的是系統(tǒng)級(jí)的動(dòng)態(tài)功耗管理技術(shù)(DynamicpowerManagement,DpM),它的基本思想是關(guān)掉不工作的部分以節(jié)省系統(tǒng)功耗,但是在大多數(shù)情況下,這種方法僅用于數(shù)字系統(tǒng)的低功耗優(yōu)化。和模擬電路相關(guān)的低功耗設(shè)計(jì)也有許多文獻(xiàn)報(bào)道,但基本只限于某類專用電路,而對(duì)數(shù)模混合電路的功耗管理則少有文獻(xiàn)涉及。另一方面,鋰離子電池的應(yīng)用也極大地推動(dòng)了相應(yīng)電池管理、電池保護(hù)電路的設(shè)計(jì)開發(fā)。鋰離子電池應(yīng)用時(shí)必須要有復(fù)雜的控制電路,來有效防止電池的過充電、過放電和過電流狀態(tài)。本文針對(duì)鋰離子電池保護(hù)電路,在考慮功能實(shí)現(xiàn)的同時(shí),重點(diǎn)從功耗的角度出發(fā),采用了模擬電路中關(guān)鍵電路工作在亞閾值區(qū)的設(shè)計(jì)思路,并利用內(nèi)部數(shù)字信號(hào)反饋控制模擬電路進(jìn)入Standby狀態(tài),從而滿足較低電壓下的功耗管理。系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)
圖1給出了鋰離子電池保護(hù)電路的系統(tǒng)框圖。圖中,VDD和VSS分別是電池電源和地輸入端;CO和DO分別是充電及放電控制端,在正常工作模式下均為高電平,電池既可以充電又可以放電,反之,充電和放電回路被切斷;VM是放電過流、充電過流檢測端。電路實(shí)現(xiàn)的功能如下:(1)過充電、過放電檢測:圖中的取樣電路(SAMpLE)將實(shí)時(shí)監(jiān)測電池電壓信號(hào),并將之送入過充電比較(OVERCHARGE)、過放電比較器(OVERDISCHARGE)和基準(zhǔn)電壓比較,判斷電池電壓是否高于過充電檢測電壓或是否低于過放電檢測電壓,再由數(shù)字邏輯控制電路(CONTROLLOGIC)輸出相應(yīng)信號(hào)到CO端及DO端,即完成過充電、過放電檢測功能。(2)放電過流檢測:由VM端來監(jiān)測電池接負(fù)載放電時(shí)的電流大小,和不同的基準(zhǔn)電壓比較后,由三個(gè)比較器:過流1(OVERCURRENT1)、過流2(OVERCURRENT2)、負(fù)載短路(LOADSHORTDETECTION)輸出相應(yīng)信號(hào),并根據(jù)過流程度經(jīng)過相應(yīng)延時(shí)后,由邏輯控制電路輸出信號(hào)控制DO端。(3)充電過流檢測:VM端信號(hào)還可以反映電池接充電器時(shí),充電電流的大小,再經(jīng)充電檢測比較器(CHARGEDETECTION)比較后,由邏輯控制電路決定是否應(yīng)停止充電。(4)零伏電池充電功能:由電平轉(zhuǎn)換電路(CONVERTOR)實(shí)現(xiàn),能夠?qū)Υ潆姷碾姵剡M(jìn)行檢測,若電池電壓低于零伏電池充電電壓,便輸出信號(hào)將CO端置為低電平,從而切斷充電回路。可以看出,此電路是一個(gè)持續(xù)工作的數(shù)模混合系統(tǒng),同時(shí)又以被監(jiān)測的鋰離子電池為供電電源,在實(shí)現(xiàn)電路功能并滿足檢測精度的前提下,電路的功耗成了另外一個(gè)重要的性能指標(biāo)。由于控制邏輯部分屬于數(shù)字電路,靜態(tài)功耗幾乎可以忽略,所以如何降低模擬電路的靜態(tài)功耗并且限制低電壓下的電路功耗成了設(shè)計(jì)重點(diǎn)。系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)Standby狀態(tài)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)中,為了使電路在電池過放電情況下盡可能地降低電流消耗,數(shù)字電路中加入了使系統(tǒng)進(jìn)入Standby狀態(tài)的控制部分,原理圖由圖2給出。
圖中信號(hào)OD由數(shù)字電路出現(xiàn),當(dāng)比較器檢測到電池電壓低于過放電檢測電壓,并經(jīng)過延時(shí)后,OD將從高電平變?yōu)榈碗娖?此時(shí)通過p2管將VM拉到高電平,再經(jīng)反相后從負(fù)載短路輸出OUT＿LS端輸出低電平,使輸出端STAND變?yōu)榈碗娖?STANDB為高電平,意味著系統(tǒng)可以進(jìn)入Standby狀態(tài);一旦電池充電開始時(shí),VM端迅速被置為低電平,此時(shí)不管OD如何,都通過OUT＿LS將STAND恢復(fù)為高電平,系統(tǒng)進(jìn)入正常的檢測狀態(tài)。通過內(nèi)部數(shù)字電路出現(xiàn)的Standby信號(hào),可以有效打開或者切斷模擬電路從電源到地的直流通路,使電路在不要的時(shí)候保持Standby狀態(tài),以降低電源消耗。因?yàn)橹灰獑蝹€(gè)MOS便可充當(dāng)電路的控制開關(guān),所以這種方法簡單可靠,不影響原有的模擬電路功能,并且能和模擬電路低功耗設(shè)計(jì)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)低電壓下電路的功耗管理。亞閾值電壓基準(zhǔn)電路由于電壓基準(zhǔn)源同時(shí)要給過充比較器、過放比較器、過流1比較器及過流2比較器供應(yīng)不隨溫度、電源電壓變化而變化的基準(zhǔn)電壓,所以在模擬電路中起著非常重要的用途,同時(shí)也是影響電路功耗的一大因素。本文利用MOS管的亞閾值特性,設(shè)計(jì)了工作在亞閾值區(qū)的電壓基準(zhǔn)電路,能夠滿足上述功耗要求,電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。
電路利用一個(gè)自偏置電路出現(xiàn)具有正溫度系數(shù)的電流,該電流流過電阻R0所出現(xiàn)的壓降和具有負(fù)溫度系數(shù)的pN結(jié)壓降相加,可以輸出一個(gè)零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓VBD;為滿足電路中輸出不同的基準(zhǔn)電壓源,利用電阻分壓將VBD分成了VBI1及VBI2輸出。同時(shí),為保證電路在加上電源電壓后能進(jìn)入正確的工作狀態(tài),電路中還加入了RC啟動(dòng)電路。由圖3可見,p0和p1組成電流鏡,取相同的寬長比,則。在p1、p0、N0、N1和R5構(gòu)成的自偏置電路中,選擇合適的R5值,可以使N0和N1工作在亞閾值區(qū)。并且,在時(shí),亞閾值MOS管的漏電流Id可表示為:式中,與工藝參數(shù)有關(guān),其中n為亞閾值因子,k為波爾茲曼常數(shù),q為電子電荷。因?yàn)?VGSN0-VGSN1=IN0?R5,將式(1)代入,則有:式(2)中可以看出,不考慮電阻R1的溫度系數(shù),電流IN1與熱電壓UT成線性關(guān)系,具有正溫度系數(shù)。p2和p1組成電流鏡,假定流過p2的電流為Ip2,則有:設(shè)二極管正向壓降為VD,分壓電阻R1、R2、R3、R4對(duì)R0的影響可以用等效電阻R=(R1+R2)∥(R3+R4)來表示,則在正常工作時(shí),滿足該電流出現(xiàn)電路有兩個(gè)平衡工作點(diǎn),即零點(diǎn)和正常工作點(diǎn),所以要一個(gè)啟動(dòng)電路,使電路能在上電過程中脫離零點(diǎn)而穩(wěn)定工作。另外,從電路功耗考慮,啟動(dòng)電路在電路進(jìn)入正常工作后應(yīng)斷開,沒有電流消耗。設(shè)計(jì)時(shí)從p1的漏端加入了R6、C0,構(gòu)成自偏置電路的啟動(dòng)電路。與傳統(tǒng)的Bandgap基準(zhǔn)源電路相比,該電路有以下特點(diǎn):電路工作在亞閾值區(qū),功耗極低,電路中電阻值和器件參數(shù)均取比值,最大程度地防止了工藝漂移引起的輸出變化;電路設(shè)計(jì)中還加入了RC啟動(dòng)電路,保證電路在上電后能及時(shí)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。另外,由內(nèi)部數(shù)字信號(hào)STANDB的控制,此電路能夠在低電壓下進(jìn)入Standby狀態(tài),此時(shí)消耗電流僅由控制管的漏電流決定,小到幾乎可以忽略。模擬結(jié)果電路采用UMC0.6μm數(shù)字電路SpICE模型進(jìn)行HSpICE模擬驗(yàn)證。圖4給出了電路對(duì)電池電壓VDD進(jìn)入和退出過充電狀態(tài)時(shí)的模擬結(jié)果,從圖中可看出,過充電出現(xiàn)后,CO端被置為低電平,反之則是與電源電壓相等的高電平。
基于單片機(jī)的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)工作正常,溫度采樣和顯示的誤差控制在設(shè)計(jì)要求的±1℃之內(nèi)。系統(tǒng)應(yīng)用于DF101B型集熱式恒溫磁力攪拌器,主控部分和從控部分通信穩(wěn)定。在AD590的電流模擬量輸出后,電阻分壓和放大倍數(shù)要很好的匹配,既要保證分辨率的大小適中,又要確保輸入的電壓在ADC0809轉(zhuǎn)換電壓范圍之內(nèi)。無線通信過程中要求清楚數(shù)據(jù)編碼的波形,以便調(diào)試時(shí)了解發(fā)送數(shù)值的正確與否,以及傳輸中干擾和將要采取的抗干擾措施。專用顯示驅(qū)動(dòng)芯片MAX7219與MCS-51之間是用串行的方式通信,時(shí)序的配合在通信中非常重要。鋰離子電池用保護(hù)電路的低功耗設(shè)計(jì)"src="/uploadfile/dygl//201306/20130614
圖1給出了鋰離子電池保護(hù)電路的系統(tǒng)框圖。圖中,VDD和VSS分別是電池電源和地輸入端;CO和DO分別是充電及放電控制端,在正常工作模式下均為高電平,電池既可以充電又可以放電,反之,充電和放電回路被切斷;VM是放電過流、充電過流檢測端。電路實(shí)現(xiàn)的功能如下:(1)過充電、過放電檢測:圖中的取樣電路(SAMpLE)將實(shí)時(shí)監(jiān)測電池電壓信號(hào),并將之送入過充電比較(OVERCHARGE)、過放電比較器(OVERDISCHARGE)和基準(zhǔn)電壓比較,判斷電池電壓是否高于過充電檢測電壓或是否低于過放電檢測電壓,再由數(shù)字邏輯控制電路(CONTROLLOGIC)輸出相應(yīng)信號(hào)到CO端及DO端,即完成過充電、過放電檢測功能。(2)放電過流檢測:由VM端來監(jiān)測電池接負(fù)載放電時(shí)的電流大小,和不同的基準(zhǔn)電壓比較后,由三個(gè)比較器:過流1(OVERCURRENT1)、過流2(OVERCURRENT2)、負(fù)載短路(LOADSHORTDETECTION)輸出相應(yīng)信號(hào),并根據(jù)過流程度經(jīng)過相應(yīng)延時(shí)后,由邏輯控制電路輸出信號(hào)控制DO端。(3)充電過流檢測:VM端信號(hào)還可以反映電池接充電器時(shí),充電電流的大小,再經(jīng)充電檢測比較器(CHARGEDETECTION)比較后,由邏輯控制電路決定是否應(yīng)停止充電。(4)零伏電池充電功能:由電平轉(zhuǎn)換電路(CONVERTOR)實(shí)現(xiàn),能夠?qū)Υ潆姷碾姵剡M(jìn)行檢測,若電池電壓低于零伏電池充電電壓,便輸出信號(hào)將CO端置為低電平,從而切斷充電回路。可以看出,此電路是一個(gè)持續(xù)工作的數(shù)模混合系統(tǒng),同時(shí)又以被監(jiān)測的鋰離子電池為供電電源,在實(shí)現(xiàn)電路功能并滿足檢測精度的前提下,電路的功耗成了另外一個(gè)重要的性能指標(biāo)。由于控制邏輯部分屬于數(shù)字電路,靜態(tài)功耗幾乎可以忽略,所以如何降低模擬電路的靜態(tài)功耗并且限制低電壓下的電路功耗成了設(shè)計(jì)重點(diǎn)。系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)Standby狀態(tài)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)中,為了使電路在電池過放電情況下盡可能地降低電流消耗,數(shù)字電路中加入了使系統(tǒng)進(jìn)入Standby狀態(tài)的控制部分,原理圖由圖2給出。
圖中信號(hào)OD由數(shù)字電路出現(xiàn),當(dāng)比較器檢測到電池電壓低于過放電檢測電壓,并經(jīng)過延時(shí)后,OD將從高電平變?yōu)榈碗娖?此時(shí)通過p2管將VM拉到高電平,再經(jīng)反相后從負(fù)載短路輸出OUT＿LS端輸出低電平,使輸出端STAND變?yōu)榈碗娖?STANDB為高電平,意味著系統(tǒng)可以進(jìn)入Standby狀態(tài);一旦電池充電開始時(shí),VM端迅速被置為低電平,此時(shí)不管OD如何,都通過OUT＿LS將STAND恢復(fù)為高電平,系統(tǒng)進(jìn)入正常的檢測狀態(tài)。通過內(nèi)部數(shù)字電路出現(xiàn)的Standby信號(hào),可以有效打開或者切斷模擬電路從電源到地的直流通路,使電路在不要的時(shí)候保持Standby狀態(tài),以降低電源消耗。因?yàn)橹灰獑蝹€(gè)MOS便可充當(dāng)電路的控制開關(guān),所以這種方法簡單可靠,不影響原有的模擬電路功能,并且能和模擬電路低功耗設(shè)計(jì)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)低電壓下電路的功耗管理。亞閾值電壓基準(zhǔn)電路由于電壓基準(zhǔn)源同時(shí)要給過充比較器、過放比較器、過流1比較器及過流2比較器供應(yīng)不隨溫度、電源電壓變化而變化的基準(zhǔn)電壓,所以在模擬電路中起著非常重要的用途,同時(shí)也是影響電路功耗的一大因素。本文利用MOS管的亞閾值特性,設(shè)計(jì)了工作在亞閾值區(qū)的電壓基準(zhǔn)電路,能夠滿足上述功耗要求,電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。
電路利用一個(gè)自偏置電路出現(xiàn)具有正溫度系數(shù)的電流,該電流流過電阻R0所出現(xiàn)的壓降和具有負(fù)溫度系數(shù)的pN結(jié)壓降相加,可以輸出一個(gè)零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓VBD;為滿足電路中輸出不同的基準(zhǔn)電壓源,利用電阻分壓將VBD分成了VBI1及VBI2輸出。同時(shí),為保證電路在加上電源電壓后能進(jìn)入正確的工作狀態(tài),電路中還加入了RC啟動(dòng)電路。由圖3可見,p0和p1組成電流鏡,取相同的寬長比,則。在p1、p0、N0、N1和R5構(gòu)成的自偏置電路中,選擇合適的R5值,可以使N0和N1工作在亞閾值區(qū)。并且,在時(shí),亞閾值MOS管的漏電流Id可表示為:式中,與工藝參數(shù)有關(guān),其中n為亞閾值因子,k為波爾茲曼常數(shù),q為電子電荷。因?yàn)?VGSN0-VGSN1=IN0?R5,將式(1)代入,則有:式(2)中可以看出,不考慮電阻R1的溫度系數(shù),電流IN1與熱電壓UT成線性關(guān)系,具有正溫度系數(shù)。p2和p1組成電流鏡,假定流過p2的電流為Ip2,則有:設(shè)二極管正向壓降為VD,分壓電阻R1、R2、R3、R4對(duì)R0的影響可以用等效電阻R=(R1+R2)∥(R3+R4)來表示,則在正常工作時(shí),滿足該電流出現(xiàn)電路有兩個(gè)平衡工作點(diǎn),即零點(diǎn)和正常工作點(diǎn),所以要一個(gè)啟動(dòng)電路,使電路能在上電過程中脫離零點(diǎn)而穩(wěn)定工作。另外,從電路功耗考慮,啟動(dòng)電路在電路進(jìn)入正常工作后應(yīng)斷開,沒有電流消耗。設(shè)計(jì)時(shí)從p1的漏端加入了R6、C0,構(gòu)成自偏置電路的啟動(dòng)電路。與傳統(tǒng)的Bandgap基準(zhǔn)源電路相比,該電路有以下特點(diǎn):電路工作在亞閾值區(qū),功耗極低,電路中電阻值和器件參數(shù)均取比值,最大程度地防止了工藝漂移引起的輸出變化;電路設(shè)計(jì)中還加入了RC啟動(dòng)電路,保證電路在上電后能及時(shí)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。另外,由內(nèi)部數(shù)字信號(hào)STANDB的控制,此電路能夠在低電壓下進(jìn)入Standby狀態(tài),此時(shí)消耗電流僅由控制管的漏電流決定,小到幾乎可以忽略。模擬結(jié)果電路采用UMC0.6μm數(shù)字電路SpICE模型進(jìn)行HSpICE模擬驗(yàn)證。圖4給出了電路對(duì)電池電壓VDD進(jìn)入和退出過充電狀態(tài)時(shí)的模擬結(jié)果,從圖中可看出,過充電出現(xiàn)后,CO端被置為低電平,反之則是與電源電壓相等的高電平。
基于單片機(jī)的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)工作正常,溫度采樣和顯示的誤差控制在設(shè)計(jì)要求的±1℃之內(nèi)。系統(tǒng)應(yīng)用于DF101B型集熱式恒溫磁力攪拌器,主控部分和從控部分通信穩(wěn)定。在AD590的電流模擬量輸出后,電阻分壓和放大倍數(shù)要很好的匹配,既要保證分辨率的大小適中,又要確保輸入的電壓在ADC0809轉(zhuǎn)換電壓范圍之內(nèi)。無線通信過程中要求清楚數(shù)據(jù)編碼的波形,以便調(diào)試時(shí)了解發(fā)送數(shù)值的正確與否,以及傳輸中干擾和將要采取的抗干擾措施。專用顯示驅(qū)動(dòng)芯片MAX7219與MCS-51之間是用串行的方式通信,時(shí)序的配合在通信中非常重要。
