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)

非正常充电电流检测比较器的主要功能是检测充电过程中的过流现象；另外，可以用此电路实现充电器检测功能，即在过放电状态下连接上充电器，假如VM电压低于充电检测电压V_CHA，则解除过放电迟滞。因此，上述两个功能都可归结为检测负电压。

负电压的检测不同于正电压的检测，为了简化设计，在过零比较器的基础上引入升压电路，如图4.3.11（a）所示，当VM≥V_CHA时，使得VN≥0，这样就避开了负的基准电压源的设计。



为 了降低功耗，可以采用CMOS电路来实现上述的负压比较器，如图4.3.11（b）所示。PMOS管P1和NMOS管N2的栅极都接地。当N1的栅源电压 小于它的阈值电压时，N1截止，而P1始终导通，VN端电位因为大于A1比较器同相输入端的GND电位，而使输出OUT_CDCB为低电平。随着VM端电 位向负方向的增大，N1逐渐导通，最后使得VN端电位变负，输出OUT_CDCB由此变为高电平。

图4.3.11中V N =0时的输入电压即为检测电压V CHA，此时P1和N1处于饱和状态，而且下列关系式成立



由（4.3.24）式可知，本电路中检测电压|V_CHA|的取值只能大于N1的阈值电压，改变P1和N1的宽长比可改变检测电压V_CHA。当N1未导通时，电路消耗的电流较小；当N1导通时，就会有电源到地的通路，为了减小消耗的电流，一般取P1的宽长比小于1. 3零伏充电抑制电路零伏电池抑制电路目的是在电池电压低于一定值（V_0INH）时，使CO端输出有效的低电平，禁止充电器对电池进行充电。而电平转换电路的功能也是要使CO端输出有效的低电平，以控制驱动片外的充电控制功率管FET2，因此两种功能可组合在同一电路中实现。如图4.3.12为零伏电池抑制电路检测结构图。



电平转换功能主要由P1、P2、N1、N2、R1和R2组成的电路完成；零伏抑制功能主要由P3、N3和R3完成；P4、P5、N4、N5和R4组成的与非门在电平转换功能和零伏抑制功能之间进行选择。

以 R3为例，分析电路中电阻的作用：当电池电压V DD很低时，接上电的瞬间，VM为一个绝对值很大的负值，N4管很容易导通，但如果此时V DD还没有低到使P3管关闭时，就会在VDD端到VM之间产生直流通路，形成大电流，为了避免这种情况出现，在P管和N管之间加入电阻，从电阻的上端输出 信号。

由于P3、N3的栅极接地，出现两管同时导通的可能性最大，时间最长，R3就应取稍大些。

电路需要将逻辑低电平转化为与VM相同的电位。而VM的电位有可能很负，在电路转换瞬间，VDD端和VM之间的高电压很容易将普通的MOS管击穿。基于此，本电路的所有管子都采用高压非对称管。

4.3小结

本章的内容是上章的系统分析设计基础上，选择适当工艺后的具体电路实现。

首先分析了电池管理芯片所适用的低功耗混合信号设计流程，探讨了所涉及的设计工具，并指出在电路实现层次，模拟电路和数字电路模块可以分别设计验证，并为下一章的版图实现和后模拟验证提供了正确的设计思路。

数字模块设计中，分析了系统的有限状态机模型，同时在上一章所提出的功耗管理模型基础上，设计了延时模块和逻辑控制模块，不仅能完成系统所需要的基本功能，而且能及时检测负载性质和状态，由数字电路内部输出相应的功耗管理信号。

模 拟电路模块设计时，首先对电池管理芯片中可通用的基础电路进行了重点分析设计。采用线性电路实现了电源电压取样；从降低数模电路的电源耦合噪声、降低电流 消耗出发，提出了基于热电压U T的亚阈值自偏置电路的设计思想；在此基础上，为了进一步提高所用工艺实现的可能性，分别设计了无电阻电流偏置电路和电流求和型电压基准源电路。接着，详 细介绍了模块中检测精度要求最为严格过充比较器，对其它的比较器电路有一定的实践指导作用。最后，对芯片中的关键功能模块给出了完整的设计方案。

本章也是下一章中芯片验证及实现的基础。