单节锂离子电池保护芯片的设计

图1 3.6V 锂离子电池保护电路封装结构

锂离子电池保护芯片的应用场合要求其具有低电流驱动、高精度检测的特点，另外由于保护电路的供电电源即为电池电压，因此在电池电压的变化范围内，保护电路必须正常工作，本文根据图1 所示的连接关系，设计一种低功耗单节锂离子电池保护芯片，其电池电压可以在1V-5.5V范围内变化。

系统结构设计

锂离子电池保护芯片的基本功能是进行过充电保护、过放电保护和过电流保护，其中过电流保护包括充电过流保护和放电过流保护。下面以保护电路的基本功能为出发点，分析其系统的组成。

检测异常现象

锂离子电池保护电路为了实现其基本功能，首先需要检测异常现象。过充电和过放电检测是将电池电压进行分压（采样）后与基准电压比较实现的；而对于过流检测，保护芯片首先将充放电过程中的电流转化为在功率管FET1、FET2上的电压，然后通过VM与基准电压比较完成，放电过流检测的是正电压，充电过流检测的是负电压。

滤除干扰信号

通常在锂离子电池保护电路的工作过程中会有干扰信号存在，干扰信号的类型主要有两种：一种为瞬间干扰，它是指在正常的信号上，在极短的时间内叠加上一个较大的信号。另一种为波动干扰，它是指信号的起伏波动。如图2 以充电过程解释了这两类干扰，其中VCU 为过充电检测电压。

为了防止干扰信号的引入使保护电路产生误动作，可以从系统角度考虑采用适当的措施减小它们的影响。

瞬间干扰可以在保护电路内部加上延时电路加以滤除，即当保护电路检测到异常信号后，延时一段时间再关闭FET1或FET2。根据过充电、过放电、过电流对锂电池的危害程度选取不同的延时时间。为了更加合理的保护锂电池，放电过流可分为三个级别，分别为过流1保护、过流2保护以及负载短路保护，过流1的延时稍长，过流2的延时比过流1的延时短一些，而负载短路不加延时立即保护。波动干扰可以在保护电路内部加上迟滞电路加以滤除。

控制充电控制管有效关闭

在充电过程中，与FET2源极相连的VM端电位为负值，当过充电保护起作用时，必须在过充电延时信号与CO端之间加上电平转换电路，将控制逻辑电路产生的逻辑信号进行转换，使CO端的电位小于或等于VM端的电位，从而保证FET2有效关断。

0V电池充电抑制功能

锂离子电池保护电路可实现对0V电池进行充电，也可实现对0V 电池禁止充电，本文的设计采用后者，这一功能使保护电路禁止对内部短路的电池进行充电。当电池电压为0V电池充电抑制电压VOINH（典型值为1V左右）或更低时，FET2的栅极电位被固定为VM 的电位，从而禁止充电。当电池电压等于或高于VOINH 时，可以进行充电。

其它功能

1）在过充电状态下，保护电路需禁止放电过流保护起作用。因为电池在过充电后接上负载的情况下，在放电初期，系统仍处于过充电状态，此时放电电流必然很大，引起过流的可能性很大；而过流保护如果起作用，就会关断放电回路。这样，一旦电池过充电，就可能永远不能使用；

2）在过放电保护起作用时，保护电路需禁止充电过流保护起作用。因为当电池过放电后，刚接上充电器充电时，充电电流会很大。此时禁止充电过流保护起作用，可保证电池在过放电后可充电；

3）为了减少充电电流流过FET1内部寄生二极管的时间，如果在过放电状态下连接上充电器并且VM电压低于充电过流检测电压时，解除过放电迟滞。

根据上述分析，本文设计的锂离子电池保护电路的系统框图如图3所示。系统主要包括控制逻辑电路（CONTROL LOGIC CIRCUIT）、取样电路（SAMPLE CIRCUIT）、过充电检测比较器（OVERDIACHARGE COMPARATOR）、过放电检测比较器（OVERDISCHARGE COMPARATOR）、过流1检测比较器（OVERCURRENT1 COMPARATOR）、过流2 检测比较器（OVERCURRENT2 COMPARATOR）、负载短路检测电路（LOAD SHORT DETECTION CIRCUIT）、充电过流检测电路（CHARGER DETEDTION CIRCUIT）、电平转换电路（CONVERTOR CIRCUIT）、基准电路（REFERENCE CIRCUIT）以及偏置电路（BIAS CIRCUIT）。其中，偏置电路在图3 中没有给出，电平转换电路同时能实现0V 充电抑制功能。