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)

由式（4.3.7）可以计算出，要降低偏置电路的消耗，将M1和M2偏置nA级电流工作，则需要提高电阻R的值。根据MOS在线性区的工作特性，可以用MOS来代替电阻，基于这种想法可以实现无电阻的MOS亚阈值自偏置结构，电路图见4.3.3.



由图4.3.3可知，如果支路电流较小，则N 1和N2工作在亚阈值区，N4工作在线性区，其中P1和P2构成比例电流镜。图中可以得到



若P1和P2为等比例电流镜，则有S_P1=S_P2。上式可化简为：



通常，取（S_N1 /S_N2）﹤19，所以VDSN4为100mA左右，只要保证VGSN4〉VTH+80mA,则N4即可工作在线性区，作为电阻来使用。为了保证电流精度，设计时应保证P1~P5及N3、N6、N7工作于饱和区，而工作区域的设定主要依靠W/L的调节来实现。




其中式(4.3.14)可以看出，输出电流与热电压 UT的平方成正比，而与电源电压无关，从而可以达到恒流的目的。

4电流求和型的亚阈值电压基准源

前面所提出的电压或电流源能够保证与电源电压基本无关，但是，式（4.3.14）

可 以看出，输出的温度稳定性不够。因此，基准源的设计主要是在电路结构上采取补偿技术以抵消温度特性，即利用各具有正温度系数和负温系数的电压量，配以适当 的权重系数，获得零温度系数的稳定输出。典型结构的带隙基准源可以归为电压求和型，输出电压V REF =V BE +KU T，其中，K是调节温度系数的权重系数，输出基本是固定值1.26V.其中，采用运放结构的带隙基准源性能较优，但同时有大的失调电压和较高的功耗；即使 不考虑运放对最低工作电压的影响，其最低的电源电压也仅在1.5V左右。由于在电池管理芯片中，电压基准源是集成是系统内部的。在保证一定性能的前提下， 功耗、工作电压乃至芯片的面积都是设计的重要指标，因此可以采用无运放的简单补偿电路结构。而采用电流求和模式[106-109]的带隙基准源可以克服利 用电压求和的低电压场合工作局限性，其基本原理图如图4.3.4所示。

从图4.3.4中可以得到：

可 见，这种基准源的模式是先得到电流值（括号内的两项）：一路和U T相关，并具有正温度系数（Proportional To Absolute Temperature， PTAT）的电流，另一路是和V BE相关的，并具有负温度系数（Inversely Proportional To Absolute Temperature，IPTAT）的电流，再通过从电阻上取压降来获得基准输出电压，所以这种模式通常被称为电流模式基准源。式（4.3.15）可 知，当R=R 1时，和电压求和模式完全等价；取不同的R值，就可以得到不同的电压值，输出较电压求和模式的灵活；只要保证R和R₁采用相同类型的电阻，即温度系数也相同，就不会对输出基准电压的温度系数产生影响。

根 据分析可知，由于采用电流求和模式既可以利用带隙基准源的原理产生高性能的输出结果，又可以得到调节范围较大的输出电压，比电压求和模式有明显的优势。此 外，电流求和模式更有利于在较低的电源电压下工作。电路设计的难点在于，如何产生I PTAT以及如何利用I IPTAT，同时各支路电流应尽可能减小以降低电路功耗。为了能利用P阱CMOS工艺实现，本文设计了一种电流求和型的电压基准源，电路结构见图 4.3.5 。

从图中可以看出，电路可以分为三个主要部分：PTAT电流产生电路、IPTAT电流产生电路和电流求和电路。此外，为了使电路在加上电源电压后能正常工作，还设计了启动支路。

PTAT 电流产生电路采用了自偏置结构，其原因如下：根据前面的分析，基于U T的亚阈值自偏置电路，具有较高的电源电压抑制比，同时，如果不考虑电阻的温度系数，则输出电流将和U T一样，具有正温度系数。电路由R1、P3、P4、N3和N4组成。通过选择合适的R1值来使N3和N4工作在亚阈值区；为保证电流精度，P3和P4需工 作在饱和区。计算过程和前面类似，当SP₃ =SP₄时，则输出电流



式（4.3.16）可以看出，不考虑电阻R1的温度系数，电流IP₄与热电压U_T成线性关系，同样具有正温度系数。

在P阱CMOS工艺中，如何利用产生IPTAT电流，最后实现相对于地而非电源电压的基准电压是一个设计难点。CMOS工艺中寄生NPN示意图见图4.3.6.图中可知，和N阱工艺不同，P阱工艺中输出的V BE是相对于V DD的压降。



因此，图4.3.5中的IPTAT电流由Q0、R0、P1、P2、N1和N2产生。其中N1、N2组成的电流镜和由P1、P2组成的电流镜叠加后，形成一个反馈回路，保证A点和B点电位相等。流过R0的电流则为



不考虑电阻R0的温度系数，则此电流具有与V_BE相关的负温度系数，而与电源电压无关。

图4.3.5中的电流求和电路由N5、N2、P5、P4、P6、P7电流镜以及求和电阻R2构成，所输出的基准电压V REF可表示为



从（4.3.18）式可以看出，通过调整电路中P4～P7、N2～N5的K值、R0以及R1值，理论上可以实现在R2上输出具有零温度系数的基准电压V_REF。适当调整R2值，可以使输出基准可调；或者利用电阻分压结构，可以输出不同的基准电压，因此电路输出比较灵活。此外，电路中电阻值和器件参数均取比值，能最大程度地避免工艺漂移引起的输出变化。

（4.3.18） 式还表明，要尽可能降低两部分电流产生电路的功耗，使电路的电流有效地消耗在求和电阻上，这既可以降低电路总功耗，又可以在电路输出一定基准电压时减小求 和电阻值，节省芯片面积。在IPTAT电流产生电路中，可以通过提高R0阻值，同时降低流过Q0的电流来降低电流消耗；在PTAT电流产生电路，N3和 N4正确工作在亚阈值区则保证了极低的消耗电流。

图4.3.5中的电流产生电路均有两个平衡工作点，即零点和正常工作点。因此，都需要一个启动电路，使电路能在上电的过程中脱离零点而稳定工作；从电路功耗考虑，启动电路在电路进入正常工作后应断开，没有电流消耗。

以 PTAT电流产生电路为例，设计时从P4的漏极加入了RC电路，构成自偏置电路的启动电路。上电的过程中，即当有一个阶跃型电压加到电路的瞬间，C1近似 为短路，R3和C1给P4提供了从电源到地的直流通路，经过3～5个RC时间常数后，C1中电流降为零，而此时P4也进入了稳定工作状态，电路完成启动。 同样，IPTAT电流产生电路中加入了启动电容C0以使电路在上电后能进入正常工作状态