一种适用于锂电池的电流监测电路设计

段茂平，崔佳男，周泽坤，明 鑫，张 波

（电子科技大学 电子薄膜与集成器件国家重点实验室，四川 成都610054）

锂电池作为新型清洁、可再生的二次能源，需精确监测其电流、电压及温度等参数，并做好相应的保护电路。对于手持设备而言，更需要追求高精度、低功耗，从而降低对锂电池的“过度”使用，延长使用寿命[1]。

本文设计的电路在锂电池供电环路中引入灵敏电阻对电流进行监测，给系统提供充放电提示，同时可用于电量计算以及保护控制。

本文将详细阐述电流监测系统原理以及内部电路结构，并给出H-spice仿真结果及相关结论。

1 本文所设计的电流监测电路

图1 锂电池电流监测系统框图

模/数转换器（ADC）由采样、量化和编码构成。本文设计的锂电池电流监测系统框图如图1所示。其中，电容和AMP放大器组成开关电容采样电路，COMP高速比较器对数据进行量化，处理器对电路进行数字逻辑控制及编码。偏置电路提供AMP放大器自启动支路并产生Vbe1和 Vbe4。 时钟模块控制系统开关，包括 LI1、LI2、LI5、LI6、LI38。处理器输出数字信号 Logic Control改变量化电容。

1.1 开关电容采样电路

如图2所示，通过V+和V-间的灵敏电阻进行采样；Vbe1和 Vbe4是由 BE结产生的电压基准；C3容值用 n（2的倍数）表示（C为单位电容值，C1=C2=1C，C3=C4=nC，C5=8C）；时钟控制为高时开关导通，为低时开关断开。采样电路的5个状态如图3所示。

图2 电流监测电路采样原理图

图3 采样电路状态图

(2)LI1、LI2、LI38、LI5、LI6=10001，开关切换后状态 2保持状态 1，则 VOUT=Vbe1。

(3)LI1、LI2、LI38、LI5、LI=00000，开关全断开，保持上一状态，VOUT=Vbe1。

(4)LI1、LI2、LI38、LI5、LI6=01010，V+、V-切 换 ，Vbe1、Vbe4也切换。根据C1、C3电荷守恒定律得：

由运放特性可知VB=VA。已知VA、VB可以得到VC1=VA-Vbe4，VC2=VB-Vbe1，VC3=VA-V-，VC4=VB-V+，VC5=VB-VOUT，依据 C2、C4、C5电荷守恒定律得：

其中，V--V+的正负由互不交叠时钟 LI1、LI2控制，当LI1在状态1为高时，V--V+取正；当 LI1在状态1为低时，V--V+取负。 每隔一定周期控制 LI1、LI2 切换，V+、V-的接法可用于实时监测电池充放电状态。根据式(3)和图1可知，VOUT与 Vbe1通过比较器比较将产生 ΔV的差值，这时改变采样并联电容n的值可调节ΔV，起到量化作用[2-4]。

(5)LI1、LI2、LI38、LI5、LI6=00000，所有开关断开，VOUT保持上一状态。

1.2 AMP放大器电路

AMP放大器电路如图4所示，主要包括：(1)自偏置电路，由 MPI3～MPI9、QPI1 和 QPI4 组成；(2)两级运放，包括MPI26、MPI27组成的全差分放大器、MNI25共源放大器和 MNI24、CI15组成的米勒补偿。其中，LI12与 LI17为差分输入；LI26为复位信号；H模块为数字上电电路；Vbe1与 Vbe4为基准输出；LI22为运算输出端[5]。

图4 AMP放大器电路图

自偏置电路有使能信号，若工作异常可直接关断电路。当 LI26为低时，MPI9关断，MPI5和 MPI6导通，电路正常工作，MPI4、MPI6和MPI8构成启动支路，则：

其中，VMPgs是 PMOS的 Vth，Vbe是二极管开启电压。只要VCC满足式(4)，电路就能正常启动。但在设计中需考虑衬偏效应对阈值的影响，VCC比计算值略高。QPI1和QPI4发射极面积比为1:4，由此可得Vbe1与Vbe4差值为VTln4。当 LI26为高时，MPI9导通，MPI5和 MPI6关断，电路被关断。

AMP放大器带有米勒补偿，交流小信号等效电路图如图5所示。其中，gm1、gm2分别为第一级和第二级跨导。增益表示为：

图5 AMP放大器交流小信号等效图

其中，Rout1、Rout2分别为第一级和第二级的输出电阻，且Rout1是 Rds_MPI27、Rds_MNI26的并联，Rout2是 Rds_MPI11、Rds_MNI25的并联，CL为等效负载电容。为了使系统稳定，需对整个环路的零极点进行分析：

其中，CI15为米勒电容，CI为 VOUT1节点等效电容，Rz为MNI24等效电阻（即调零电阻）。由式（9）可知，调节 Rz和CI15可实现系统稳定。

1.3 COMP高速比较器电路

如图6所示，电路由 MN1～MN6和 MP1～MP4组成。IN1与IN2为输入端；OUT1与 OUT2为输出端；LG99由数字时钟控制，实现复位功能。

图6 COMP高速比较器电路图

电路采用正反馈技术，速度得到大大提高。当LG99为 低 时 ，MP3、MP4 导 通 ，MN5、MN6 关 断 电 路 ， OUT1、OUT2抬高，后端触发器处于保持状态。而LG99为高时，MP3、MP4关断，MN5、MN6导通。此时若 IN1大于 IN2，则 VA减小，使 OUT1减小；OUT1作用于 MP2与 MN2，使OUT2被抬高；而 OUT2作用于 MP1与 MN1，使 OUT1被拉低，形成正反馈。反之亦然，只要IN1与IN2之间存在压差都会在输出上快速响应[6]。

2 仿真结果与分析

本文采用 0.18 μm CMOS工艺，使用 H-spice对数字时钟、AMP运算放大器、偏置电路和高速比较器进行了仿真验证。

图7为AMP放大器交流小信号仿真数据，其中复位信号LI26为低，在LI12上加入AC=1的交流小信号。对-40℃、25℃、125℃ 3种温度进行 AC扫描，可知：(1)当增益降为 0时，相位裕度仍保持 90°以上；(2)在不同温度下，增益与相位裕度受影响不大，系统处于稳定态。

图7 不同温度下放大器增益与相位裕度曲线

图8 高速比较器静态工作点仿真曲线

图8为COMP高速比较器静态工作点仿真数据，其中LG99为复位信号，IN1为1.200 V，对 IN2在 1.200 V～1.210 V范围进行瞬态扫描。若IN1=IN2，则输出应高于数字触发电平，以保证时序的正确性。仿真后可知：(1)电路存在失调电压，IN2增加时，有少量输出与数字逻辑不符；(2)输入相等时，输出静态工作点为1.5 V，能保证后端触发器保持；(3)输入差值不大于5 mV就能很快将输出置高或置低。

图9为采样电路整仿数据，SRP、SRN为锂电池电流采样端，典型差值范围为-125 mV～125 mV；LI22是运放输出。输入差值从125 mV变化到5 mV再跳变到-125 mV，采样端电压变化所对应的输出会依据信号的大小进行量化，且通过输出的高低来判断工作在充电还是放电状态。但切换开关瞬间可能产生时钟馈通效应，该电路增大了运放输入端的寄生电容，有效减小了频繁切换开关对输出的影响。

图9 采样电路整仿曲线

采样电路整体仿真并不完整，当SRP与SRN的差值实时变化时，采样电路跟随变化的能力如图10所示。固定SRN的电压为0 V，在SRP上加入正弦波信号进行扫描，从图中可知放大器输出会跟随SRP的变化而变化，采样的分辨率能够达到要求。

图10 采样电路跟随功能仿真曲线

本文设计了一种适用于锂电池的电流监测电路，能精确监测电流及充放电状态。这些信息可用于控制保护电路的启动，且能用于精确计算电池阻抗、电量等参数。电路添加了使能控制，当工作异常时可关断电路。并且通过偏置的设置可调节 MPI3、MPI4、MPI7、MPI8 管(如图4所示)的宽长比，从而获得更低功耗，提高电池使用寿命。

[1]张庆，李革臣.锂离子电池充放电特性的研究[J].自动化技术与应用，2008，2(1)：107-109.

[2]明鑫，张波.一种基于开关电容的带隙基准电路[J].微电子学，2007，37(4)：603-605.

[3]陈振宇，王立志，任晓岳.高性能可重构流水线ADC的设计与仿真[J].电子技术应用，2013，39(4)：39-41.

[4]毕查德·拉扎维.模拟 CMOS集成电路设计[M].西安：西安交通大学出版社，2003.

[5]姬厚涛，席月平，刘明菊.ADC低电压高增益运算放大器VLSI设计[J].微型机与应用，2012，32(22)：23-25.

[6]ALLEN P E.CMOS analog circuit design[M].Second Edition，Publishing House of Electronics Industry，2002.