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)

5取样电路

如果从输出与电源电压的相 关性角度，电阻分压型偏置电路的相关度为100%，显然不适合充当需要有稳定电流或电压输出的偏置电路。但是，这也从另一方面说明，电阻分压电路输出能很 好地跟随电源电压的变化，可以充当电池管理芯片中的另一个重要电路-取样电路。这是由电阻I-V特性是典型的线性所决定的。图4.3.7是系统所用的两个 分压电路，分别对过充电压、过放电压进行采样。

图中的控制信号均由数字模块产生。POWERDB是电路进入Power Down模式的控制信号，PM_OCB和PM_ODB则是根据负载特性对取样模式进行选择的信号，而CTR_OD_REFB和CTR_OC_REFB通过 调节分压电阻比，来实现过充和过放的迟滞释放功能。

和有源电阻分压电路相比，图7.3.7所示的电路有线性好，分压比可调，不受工作电压大小限制的优点，更重要的是，利用电阻分压，既可以尽可能地避免了工艺漂移引起的输出信号变化，又可以配合较成熟的Trimming技术来有效控制输出信号的精度。



4.3.2比较器电路

比 较器是电池管理芯片中较常见也较重要的模拟电路模块之一。其中，过充比较器更是较为关键的模块，不仅要求它具有较高的检测精度和较强的抗干扰能力，同时还 要求它消耗电流较小，设计难度较大。以下对具有代表性的过充比较器电路进行分析设计。图4.3.8为过充电检测比较器的结构图。



图 4.3.8中，电路的比较功能主要由前两级完成，功能实现并不困难，但需要着重从影响性能各个因素考虑设计该电路。输入级中，差分对采用PMOS管，主要 基于电路噪声和电源电压抑制比的考虑。一方面，由于电路工作于低频条件下，此时1/f噪声是器件重要的噪声源。PMOS管的1/f噪声比NMOS小，为了 减小输入噪声，采用PMOS管作为差分输入管，除瞬间干扰，过充电释放检测的延时可以短一些。这样，过充电释放的延时直接在过充电比较器中对电容充电实 现。另一方面，P差分对输入的电源电压抑制比高于N差分对输入，这是因为输出管N3不是将电源电压的变化直接馈通至输出端，而是利用电流源P3的隔离，使 输出端受电源电压的影响减小。

比较器消耗电流可以从两个方面考虑，一是减小偏置电流，将P0、P3、N4和P6偏置在亚阈值区。二是在过 放电状态下，用Power Down状态信号POWERD、POWERDB将整个电路关断，前三级用偏置电路关断，P4用于关断从V DD、P5和N5组成的通路，P8和P9保证比较器在Power Down状态和功耗管理状态下输出正确的信号。

由失调和1/f噪声分析可知，增大输入级管的栅面积可以减小失调和1/f噪声。

综合考虑失调和噪声性能，偏置电流取10nA时，P管和N管都能偏置在亚阈值区，再与偏置电路提供的信号相配合，可以确定P0的宽长比。在静态情况下，要求比较器输入级完全对称：



由于N1与N2中电流相等，且N1的栅极和漏极相连，根据平衡条件，N2的漏极电压应基本上等于N1的栅极电压，则



由（4.3.19）式和（4.3.20）式可以确定P3、N3的尺寸。至此，过充比较器的前两级已设计完成。还需验证比较器是否满足分辨率要求，设计过充比较器的检测精度为±25mV，提高分辨率的方法是提高比较器的增益，前两级的增益公式为



在亚阈值区的增益比强反型大，一般能满足要求。

后两级参数的选择主要根据COMP_OC的上跳变延时T RISE确定。根据对系统的分析，过充电保护释放检测精度相对低一些，设计其延时为0.4ms ~0.8ms.显然T_RISE主要通过恒流I_N4对电容C1放电产生的延时Δt和前两级的延时决定。

4.3.3其它重要功能电路

1过流短路保护电路

负载短路检测电路如图4.3.9所示，当电池在放电过程中出现负载短路时，保护电路VM端的电位就会大于或等于特定的值V_SHORT。短路保护电路的主要作用是当VM≥V_SHORT时， 通过两级反相放大，使OUT_LSB输出由低电平变为高电平，立即将外接开关管FET1关断，实现短路保护功能。OUT_LS信号控制电路的Power Down状态，当出现短路保护状态时，OUT_LS由高电平变为低电平，此时若过放比较器输出COMP_OD由高电平跳变到低电平（即出现过放状态），再 经过过放延时后，保护电路进入Power Down状态。



电路的工作原理十分简单，它通过两级反相器来实现信号翻转，反相器及其转换阈值V MID的定义如图4.3.10.因此有



式（4.3.21）可知，增加PMOS的宽长比或减小NMOS的宽长比可以使V_MID分别向V_DD与GND方向移动。因此，为了达到短路保护的设计要求，可调节宽长比来调整V MID，同时为了限制信号翻转时的电流，可在两MOS管之间加上电阻，调节电阻同样可调整V_MID。本电路的功能主要由第一级反相器完成，第二级反相器用于改善波型。

2非正常充电电流检测电路