中心議題：

• 介紹鋰電池保護IC的工作原理
• 設計適合CMOS工藝的鋰電池保護電路

解決方案：

• 單節鋰電池保護IC設計方案　　

1 引 言　　

設she計ji了le一yi種zhong低di功gong耗hao的de單dan節jie鋰li離li子zi電dian池chi保bao護hu電dian路lu
，此ci保bao護hu電dian路lu不bu僅jin對dui鋰li離li子zi電dian池chi提ti供gong過guo充chong電dian，過guo放fang電dian，放fang電dian過guo流liu保bao護hu，還hai提ti供gong充chong電dian異yi常chang保bao護hu，零ling伏fu電dian池chi充chong電dian禁jin止zhi等deng功gong能neng。用yong1. 0μm雙阱CMOS工藝實現。　

2 鋰電池保護IC的功能原理分析　　

鋰電池保護電路的原理圖如圖1 所示
， E +和E - 端之間加充電器或負載。電路工作原理如下：
 

圖1 鋰電池保護原理圖　　

正常狀態：當電池電壓在過放電檢測電壓以上且在過充電檢測電壓以下
， VM端子的電壓在充電器檢測電壓以上且在過電流檢測電壓以下時
，充電控製用FET2 和放電控製用FET1 的兩方均打開。　　

這時可以進行自由的充電和放電。這種狀態叫做正常狀態。　　

過充電保護：在充電過程中
，當電池電壓高於過充電檢測電壓，且該狀態持續到過充電檢測延遲時間後

，控製電路輸出一個低電平，關斷充電控製用FET2,禁止充電。　　

過放電保護：在放電過程中

，當電池電壓低於過放電檢測電壓

，且該狀態持續到過放電檢測延遲時間後，控製電路輸出一個低電平
，關斷放電控製用FET1,禁止放電。　　

過電流保護：過電流保護包括一級過流保護
，二級過流保護，短路保護，當放電電流過大， VM端電壓上升
，超過過流檢測電壓，且該狀態持續時間超過過流檢測延遲時間後，控製電路輸出低電平，關斷放電控製用FET1,放電禁止。在放電過程中， VM端電壓就是兩個處於導通態的FET上的壓降（見圖1） ,即VVM = I ×2RFET.式中I是通過FET的電流，即放電電流， RFET是FET的通態電阻。　　

充電異常保護：電池在充電過程中如果電流過大
，使VM端電壓下降
，當低於某個設定值，並且這個狀態持續到過充電檢測延遲時間以上時，控製電路關斷充電控製用FET2,停止充電。當VM端電壓重新上升到設定值以上後，充電控製用FET1打開
，充電保護異常解除。　　

零伏電池充電禁止：電dian池chi在zai久jiu放fang不bu用yong的de情qing況kuang下xia，會hui自zi身shen放fang電dian使shi電dian池chi電dian壓ya下xia降jiang，甚shen至zhi為wei零ling伏fu，有you些xie鋰li電dian池chi因yin其qi特te性xing的de原yuan因yin在zai被bei完wan全quan放fang電dian後hou不bu適shi宜yi再zai度du充chong電dian。當dang電dian池chi電dian壓ya低di於yu某mou個ge設she定ding值zhi時shi，充chong電dian控kong製zhi用yongFET2的柵極被固定在低電位
，禁止充電。隻有電池本身電壓在零伏電池禁止充電電壓以上時，才被允許充電。　　
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3 電路設計　　

如圖2所(suo)示(shi)，鋰(li)電(dian)池(chi)保(bao)護(hu)電(dian)路(lu)主(zhu)要(yao)由(you)基(ji)準(zhun)源(yuan)，比(bi)較(jiao)器(qi)，邏(luo)輯(ji)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)以(yi)及(ji)一(yi)些(xie)附(fu)加(jia)功(gong)能(neng)塊(kuai)組(zu)成(cheng)。比(bi)較(jiao)器(qi)檢(jian)測(ce)所(suo)用(yong)到(dao)的(de)基(ji)準(zhun)電(dian)壓(ya)都(dou)要(yao)通(tong)過(guo)一(yi)個(ge)基(ji)準(zhun)源(yuan)電(dian)路(lu)來(lai)提(ti)供(gong)
，此(ci)基(ji)準(zhun)源(yuan)在(zai)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)情(qing)況(kuang)下(xia)
，必(bi)須(xu)高(gao)精(jing)度(du)
，低(di)功(gong)耗(hao)，以(yi)滿(man)足(zu)芯(xin)片(pian)要(yao)求(qiu)

，且(qie)能(neng)夠(gou)在(zai)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)低(di)至(zhi)2. 2V時正常工作。
 

圖2 鋰電池保護電路的內部結構

圖3就是符合此要求的帶隙基準源。在該電路中， P4, P5, P6, P7,N3,N4, N6組成一個二級運放作為基準源的反饋
，而運放的偏置電壓由基準源來提供，既簡化了電路與版圖
，又減少了額外功耗。通過調節MOS管的尺寸，使運放具有較高增益，較低失調電壓。基準源采用級連二極管的形式， Q1, Q2發射區麵積相等， Q3, Q4發射區麵積相等，為了減少功耗，取Q3的麵積為Q2的兩倍。級連二極管形式能有效減少運放失調對輸出基準電壓精度的影響。　　

保護電路中所用的檢測電壓一般較低，比如一級過流檢測電壓為0. 15V 左右
，二級過流檢測電壓為0. 6V左右，但一般帶隙基準電路隻能輸出1. 2V左右的電壓
，電阻R5的引入就是通過對輸出基準電壓進行再次分壓來解決這個問題。以下給出輸出基準電壓的計算公式：

圖3 基準源電路結構　　

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從式（4）中可以看出2 ln （ IS3 / IS2 ） VT相對於ln（ IS3 / IS2 ）VT受失調電壓VOS的影響明顯減少，即級連二極管的采用使基準電壓受運放失調影響減少。　　

式中產生因子R5 / （R4 +R5 ） ,通過調整R4 , R5 的電阻值

，可以得到小於1. 2V的基準電壓。　　

圖1中N1,N2, P1, P2, P3, C1作為啟動電路，有源電阻P1, P2 起限流作用。N5, P13 為開關管，當保護電路處於休眠狀態時，電路必須停止工作
，使功耗降為最低
，此時通過內部控製電路使L1 為低電位， P13 管打開
，使偏置點VB IAS上升為高電位，P4, P7, P8, P9 , P10, P11, P12管截止

，N5管關閉，切斷由P13,N6形成的支路
，該電路停止工作，電流幾乎為零。經仿真
，該基準電路在2. 2V電壓下可正常工作。

以下介紹此款鋰電池保護IC的附加功能，包括充電異常檢測功能，零伏電池充電禁止功能。如圖4所示。
 

圖4 附加功能電路結構　　

當鋰電池接上充電器進行充電時， VM端相當於充電器的負端（見圖1） ,產生一個- 4V左右的脈衝電壓，N1管瞬間導通
，同時OUT1端也產生- 4V的脈衝電壓
，當邏輯電路監測到OUTI端的負脈衝電壓後通過邏輯控製使L2 為高電位，使N3 管導通，又因為P1管的柵極接地
，當VDD大於P1管的閾值電壓時
， P1 管導通， D1 點為高電位
， N2 管導通，D2點為低電位
， P4管導通， CO為高電位，充電控製用FET2打開，允許充電
，即充電器檢測完成。　　

當鋰電池由於自放電使自身電壓降為PMOS管閾值以下時， P1管截止
， D1為低電位

，使N2管截止，節點D2無法下降到VM端電壓， P4管截止
， CO端為低電位，充電控製用FET2關閉
，禁止充電，即為零伏電池充電禁止功能。在充電過程中， VM端電位為- I ×2RFET （見圖1） , I為充電電流， RFET為FET導通電阻。當電流過大
， 使VM 端電位下降到負的NMOS閾值以下時，N5管導通， D3電位下降
， P6管導通
，輸出OUT2為高電位，當該狀態持續一段時間以後，控製邏輯判斷該狀態有效
，使L2 為低電位
，N3管截止

， P3管導通，D2為高電位，使CO端為低，充電控製用FET2關閉，充電停止，即為充電異常檢測功能。　　

4 仿真時序圖　　

圖5為過充與過放電檢測的HSPICE仿真時序圖
，從中可以看出，當比較器檢測到電池過充，在這裏過充檢測點為4. 25V,且該狀態保持時間達到過充電檢測延遲時間，在這裏約為1. 2秒， CO輸出低電平，關斷充電用FET2,停止充電。當檢測到電池過放電
，這裏過放電檢測點為2. 25V,且該狀態保持時間達到過放電檢測延遲時間約150毫秒
，DO輸出低電平
，關斷放電用FET1,停止放電。其它如放電過流檢測等功能經HSP ICE仿真完全符合要求

，在這裏不一一列出。
 

圖5 過充與過放電檢測仿真時序圖　　

5 結 論　　

設計的單節鋰電池保護IC在正常工作狀態下消耗電流為3. 3uA,休眠狀態下為0. 15uA,過充電檢測精度為±25mV,能在- 40°C~85°C的溫度下工作，產品性能完全符合要求。