锂离子电池管理芯片的研究及其低功耗设计 — 锂离子电池管理芯片的电路实现 (三)

4.3关键模拟电路设计

4.3.1偏置电路及基准源 电路电池管理芯片中，偏置电路设计是整个系统设计的基础和关键，具体可以分为电流偏置和电压偏置电路，而且这两者相互之间可以转换。偏置电路的功能是用来 给其它的电路模块提供稳定的电压或电流，也被称为基准电流或基准电压，所以其稳定性对整个电路的性能有较大影响。

1设计考虑

电池管理芯片对偏置电路的指标要求有一定的特殊性。总的说来，无论是电压基准还是电流基准都要求其输出特性稳定，包括低的电源电压相关性（即高

PSRR）、低温度系数，良好的负载特性，低的电流消耗（最好在1uA以内）及工艺无关性。其中，输出对电源电压的相关性是可以用输出敏感度来表征



式中，Y表示输出的电压或电流。而温度系数反映了输出值随温度的变化量，通常定义如下：



对于高性能偏置电路来讲，理想偏置电路所提供的电压或电流与电源电压、温度和工艺等因素是无关的。但在实际的电路中，这些不可能同时实现。只能通过电路结构原理上的改进及优化设计，版图布图、工艺的改进等方面更进一步提高偏置电路输出电压或电流的稳定性。

应 该指出，在偏置电路的所有设计指标中，输出与电源电压相关性或者PSRR是一个关键的设计指标。如果PSRR特性退化，必然造成抗噪声能力减弱。尤其对数 模混合系统，数字部分的大量噪声干扰，通过衬底和电源耦合等各种途径，影响到模拟信号的品质。PSRR是抗电源噪声耦合的重要指标，良好的PSRR特性可 以保证，在规定的范围内，无论电源如何改变，电路输出的变化可控制在规定范围内，即近似认为不变。下面将从偏置电路的输出特性入手，分析具有较高电源电压 抑制比的低功耗偏置电路的原理、设计及实现。

2基于U_T的亚阈值自偏置电路

在一般的电流偏置结构中，输入电流I IN由电源电压和电阻决定，即I IN对电源电压的灵敏度很高。为了使产生的偏置电流I OUT对电源电压具有较低的灵敏度，可以利用一些与电源电压相关度不高的电压来产生偏置电流。常用的电压有V_BE、V_TH、V_GS、U_T、齐纳二极管的反向击穿电压等，这些电压随电源的变化较小，利用这些电压可以极大改善输出电流对电源电压的灵敏度。如果对基于V_BE和V_TH的电流源加以改进，形成自偏置结构，可进一步减小输出电流对电源电压的灵敏度。

自偏置结构的基本思想是使I_IN不再基于电源电压和电阻，而是基于跟踪电流源本身的输出电流I_OUT。其原理框图如图4.3.1所示：



图4.3.1中，两个变量I_IN和I_OUT的关系由电流源和电流镜共同决定。从电流源的角度来看，输出电流和输入电流间的函数关系将随不同的电流源而变化；从电流镜的角度来看，如果电流镜为单位增益，则输入电流与输出电流保持相等。

即输出电流和输入电流互为变化的基准。整个电路的工作点位于电流源和电流镜输出特性的交叉点。

相 对而言，基于热电压U T的自偏置结构的温度系数较小。U T的产生有两种方法：一是可以利用两个PN结的差值来获得，二是可以利用MOS管工作在亚阈值区时具有类似PN结的I－V特性来产生。第二种方案中，由于 MOS管工作在亚阈值区，可使得电路的功耗变得很小，在低功耗设计中很有竞争力。图4.3.2给出了MOS工作在亚阈值区的自偏置结构：



图中，N1、N₂和R组成Peaking电流镜，其优点是可以方便地得到电流为几μA甚至是nA级的电流；P1和P2则组成基本电流镜。

在该电路中，假设I IN很小，则R上的压降也较小，N1工作在饱和区。根据KVL知：



其中，实际上，如果输入电流I_IN很小，则V_OVN1﹤2nU_T时，根据使用的工艺模型求得k≈100μA/V²,若取W/L=10，则只要电流小于5μA，N1就工作在亚阈值区。

根据式（4.3.4），V_OVN2﹤V_OVN1时，所以N1和N2均工作于亚阈值区，当满足V_DS﹤4U_T,有I_D=(W/L)L_ESexp[V_GS/(nU_T)]根据电路原理图可求出输出电流I_OUT：有根据电路原理图可求出输出电流I_OUT：



式中，S表示各管的W/L比， I_ES是一个与工艺有关的参数，可表示为I_ES =μC_OXnU_T²exp[（-V_T0-nU_T）/ nU_T].假定由P1和P2组成电流增益为1的电流镜，当电路稳定时，其工作电流可通过上式求得：



从上式可以看出输出电流与V_DD无关，但在实际电路中，由于存在沟道长度调制效应，I_IN和I_OUT随V_DD的增加而缓慢增加，且I_OUT/I_IN的比值也稍有变化。

再求输出电流的温度系数，将式（4.3.7）两边分别对T求导，有



从式（4.3.8）可以看出，由于U_T具有正的温度系数，约0.086mV/℃，电阻也具有正的温度系数，所以能够互相抵消一部分。和基于V_BE和V_TH的自偏置电路相比，基于U_T的自偏置电路的温度系数显然较低。

3无电阻的亚阈值电流偏置电路