一种用于锂电池保护芯片的关键电路研究

胡丹丹，鲍嘉明，宁可庆

（北方工业大学电子信息工程学院微电子系，北京100144）

随着便携式电子设备的兴起，锂电池由于其优良的性能：体积小、重量轻、能量密度高、寿命长、无记忆效应、无污染等，使它得到广泛的应用。随着科技的发展，一节锂电池已不能满足性能日益增强的电子设备，往往采用多节锂电池串并联满足电压电流要求。但是由于锂电池极易受到损坏，在充放电过程中可能会发生过充、过放、过流等情况，轻微可能导致电池使用寿命降低，严重时可能会发生爆炸，所以多节锂电池保护电路变得尤为重要，从而防止上述情况的发生[1-3]。

由于锂电池保护电路的应用环境，为了延长电池的工作时间，通常要求芯片的功耗非常小。然而传统的锂电池保护芯片过充和过放比较器往往分开来做[4-9]，每节电池分别需要一个过充比较器和一个过放比较器，增加了整体保护电路功耗[10-16]。

文中基于华润上华0.5 um BCD工艺设计一个低功耗的锂电池过充、过放比较器。

1 过充、过放比较器电路结构

文中给出的低功耗、锂电池过充过放比较器原理图如图1所示。

图1 过充过放比较器

图1中的比较器包括:电压采集模块（R0、R7），其中R7为可变电阻，比较模块（PM1、PM2、Q1、Q2、R5、R6），两个反相器和一个施密特触发器。VDD为单节锂电池的正极，gnd为单节锂电池的负极；PM1/PM2为电流镜负载，R6作为负反馈电阻，使电路稳定工作。

该比较器的创新点是：利用三极管的开启电压来设计比较器的翻转阈值，从而设计保护电路的翻转阈值，降低保护电路功耗。

此比较器的工作原理为：由于R7/R0比值不同，使电阻R7分压不同，当COMP_IN的值小于某个值时，Q1，Q2截止，PM1、PM2也截止；当COMP_IN大于某个值时，三极管导通，BIP_OUT翻转。当VDD从3.6 V上升到5 V时，调节R4的阻值，使它在VDD为4.28 V时翻转（其中4.28 V为锂电池的过充阈值）；当VDD从3.6 V下降到2 V时，调节R4的阻值，使它在VDD为2.8 V翻转（其中2.8 V为锂电池的过放阈值）。电路图中的反相器和施密特触发器的作用均为使比较器快速通过过渡区，使比较器翻转更快。当锂电池充电时，VDD为4.28 V时，比较器输出为高电平，表明电池过充；当锂电池放电时，VDD为2.8 V时，输出为低电平，表明电池过放。即此比较器完成了检测锂电池在充放电过程中的过充、过放检测。

2 仿真结果分析

为了验证比较器电路是否完成设定功能，给整体电路添加相应的测试信号，对比较器电路进行相应仿真。

2.1 锂电池充放电状态下的仿真

首先对充放电状态下的锂电池进行验证，设置适当的仿真条件对测试电路进行仿真，如图2和图3所示。

图2所示为验证锂电池充电状态的整体电路的仿真结果，从图中可以看出当VDD从3.6 V上升到4.28 V时，比较器翻转，输出为高电平，表明锂电池过充电；当VDD从过充状态转换到4.079 V时，比较器输出由高电平转换为低电平，锂电池恢复正常工作状态。

图2 锂电池充电状态（翻转阈值为4.28 V和4.08 V）下的仿真曲线

图3所示为验证锂电池过放电状态的整体电路的仿真结果，从图中可得出当VDD从3.6 V下降到2.801 V时，比较器翻转，输出为低电平，表明锂电池过放电，；当VDD从过放状态转换到3.0 V时，比较器输出由低电平转换为高电平，锂电池恢复到正常工作状态。

2.2 静态电路功耗仿真

由于过充过放比较器的功耗是由锂电池提供的，故需要降低比较器电路的功耗。

如图4所示为仿真比较器电路的功耗曲线，从图中可以看出在VDD为typical 3.6 V下，电路的功耗为7.781 μW，实现了电路低功耗。

2.3 不同CORNOR和温度下的仿真

由于锂电池保护电路的应用环境的温度不同，制造工艺也存在一定误差，需要验证一下不同温度、不同CORNOR下的电压比较器的翻转阈值，如图5和图6所示为不同条件下的模拟锂电池充放电情况下的仿真曲线。

图3 锂电池放电状态（翻转阈值为2.8 V和3.0 V）下的仿真曲线

图4 静态电路功耗

图5 锂电池充电状态（翻转阈值为4.28 V和4.08 V）下的不同CORNOR和温度下的仿真曲线

图6 锂电池放电状态（翻转阈值为2.8 V和3.0 V）下的不同CORNOR和温度下的仿真曲线

分析图5和图6中的CORNOR仿真曲线，可得出在不同PVT下的过充过放阈值偏差为±326 mV，远大于电路设计的精度。

2.4 电阻熔丝修调

造成翻转阈值较大偏差是由于电压比较器的翻转与三极管的VBE有关，可对比较器电路中R5进行电阻熔丝修调，修调模块如图7所示。

图7 电阻修调模块内部结构

输入输出口TM0～TM4及V_COMP连接 PAD，通过PAD之间的熔丝是否熔断，来确定这6个输入输出口之间连接5个开关K0～K4的断开与闭合。假设熔丝断开K=1，熔丝闭合K=0，那么用5位二进制数表示5个开关的状态。如00001表示开关K0断开；00101表示开关K0和K2断开。

表1为trimming修调向量表，列出了trimming电阻与阈值电压的变化之间的关系。通过trim可以将偏低的阈值电压调回，基本应该是trim一次左右就可以调回来，但必须按照给出的trimming修调向量表进行。设计最小能trim 10 mV；最大能trim 318 mV（5个trimming接口全部烧断）。

表1 trimming修调向量表（单位：mV）

表2 （续）trimming修调向量表（单位：mV）

3 结 论

仿真结果显示，实现使用单个比较器就完成常规锂电池保护芯片过充、过放状态的保护功能，降低了锂电池保护电路的功耗，使保护电路的翻转阈值与预设值：功耗为7.781 μW；过充阈值（理想：4.28 V实际：4.28 V）、过充释放阈值（理想：4.08 V实际：4.079 V）、过放阈值（理想：2.8 V 实际：2.801 V）、过放恢复阈值（理想：3.0 V实际：3.0 V）偏差在2 mV左右；通过修调也可使不同CORNOR下的阈值满足偏差在10 mV以内，基本上完成了设计目标。