一种适用于锂电池的电流监测电路设计

　　提出了一种适用于锂电池的电流监测电路，通过在锂电池供电环路引入灵敏电阻对电流进行采样，并使用时钟控制开关电容运算放大器和高速比较器，实现从模拟信号到数字信号的转换。在处理器中进行精确电流量的运算，能对过流、短路电流进行保护，也能用于精确计算电池阻抗、电量等相关参数。电路基于0.18 m CMOS工艺，电源电压为2.5 V.对所设计电路进行了仿真验证。结果表明，该电路在- 40℃~+125℃应用环境温度范围内能够实现对电流的采样和编码功能，并且能对充放电动作进行判断。

　　锂电池作为新型清洁、可再生的二次能源，需精确监测其电流、电压及温度等参数，并做好相应的保护电路。对于手持设备而言，更需要追求高精度、低功耗，从而降低对锂电池的"过度"使用，延长使用寿命。

　　本文设计的电路在锂电池供电环路中引入灵敏电阻对电流进行监测，给系统提供充放电提示，同时可用于电量计算以及保护控制。

　　本文将详细阐述电流监测系统原理以及内部电路结构，并给出H-spice仿真结果及相关结论。

　　1 本文所设计的电流监测电路

　　模/数转换器（ADC）由采样、量化和编码构成。本文设计的锂电池电流监测系统框图如图1所示。其中，电容和AMP放大器组成开关电容采样电路，C0MP高速比较器对数据进行量化，处理器对电路进行数字逻辑控制及编码。偏置电路提供AMP放大器自启动支路并产生Vbe1和Vbe4。时钟模块控制系统开关，包括LII、LI2、LI5、LI6、LI38。处理器输出数字信号Logic Control改变量化电容。

　　图1 锂电池电流监测系统框图

　　1.1 开关电容采样电路

　　如图2所示，通过V+和V-间的灵敏电阻进行采样；.Vbe1和Vbe4是由BE结产生的电压基准；C3容值用n（2的倍数）表示（C为单位电容值，C1=C2=1C，C3=C4=nC，C5=8C）；时钟控制为高时开关导通，为低时开关断开。采样电路的5个状态如图3所示。

　　（1）LIl、LI2、LI38、LI5、LI6=10101，VA=Vbe1， VB=Vbe1，VC1=0，VC2=Vbe1 - Vbe4 ，VC3=Vbe1 - V+，VC4=Vbe1 - V-，VC5=0，VOUT为：

　　VOUT = VB = Vbe1 （1）

　　（2）LI1、LI2、LI38、LI5、LI6=10001，开关切换后状态2保持状态1，则VOUT = Vbe1。

　　（3）LI1、LI2、LI38、LI5、LI=00000，开关全断开，保持上一状态， VOUT = Vbe1。

　　（4）LI1、LI2、LI38、LI5、LI6=01010，V+、 V-切换，Vbe1、Vbe4也切换。根据C1、C3电荷守恒定律得：

　　由运放特性可知VB =VA 。已知 VA、VB 可以得到VC1 = VA - Vbe4， VC2 = VB - Vbe1， VC3 = VA - V-， VC4 = VB - V+， VC5 = VB - VOUT， 依据C2、 、C5电荷守恒定律得：

　　其中， V- - V+的正负由互不交叠时钟LI1、LI2控制，当LI1在状态l为高时， V- - V+取正； 当LI1在状态1为低时，V- - V+取负。每隔一定周期控制LI1、LI2切换，V+、V-的接法可用于实时监测电池充放电状态。根据式（3）和图1可知，VOUT与Vbe1通过比较器比较将产生△V 的差值，这时改变采样并联电容n的值可调节△V ，起到量化作用。

　　（5）LI1、LI2、LI38、LI5、LI6=00000，所有开关断开， oUr保持上一状态。

　　1.2 AMP放大器电路

　　AMP放大器电路如图4所示，主要包括：（1）自偏置电路，由MPI3~MPI9、QPI1和 QPI4组成；（2）两级运放，包括MPI26、MPI27组成的全差分放大器、MNI25共源放大器和MNI24、CIl5组成的米勒补偿。其中，LI12与LI17为差分输入；LI26为复位信号；H模块为数字上电电路；Vbe1与Vbe4为基准输出；LI22为运算输出端。

　　图4 AMP放大器电路图

　　自偏置电路有使能信号，若工作异常可直接关断电路。当LI26为低时，MPI9关断，MPI5和MPI6导通，电路正常工作，MPI4、MPI6和MPI8构成启动支路，则：

　　VCC≥2 VMPgs +Vbe （4）

　　其中，VMPgs是PMOS的Vth，Vbe是二极管开启电压。只要VCC满足式（4），电路就能正常启动。但在设计中需考虑衬偏效应对阈值的影响，VCC比计算值略高。QPI1和QPI4发射极面积比为 1:4，由此可得Vbe1与Vbe4差值为VTln4。当LI26为高时，MPI9导通，MPI5和MPI6关断，电路被关断。

　　AMP放大器带有米勒补偿，交流小信号等效电路图如图5所示。其中，gm1、gm2 分别为第一级和第二级跨导。增益表示为：

　　图5 AMP放大器交流小信号等效图

　　其中，Rout1、Rout2分别为第一级和第二级的输出电阻，且Rout1是Rds_MPI27、Rds_MNI26的并联，Rout2是Rds_MPI11、Rds_MNI25的并联，C1为等效负载电容。为了使系统稳定，需对整个环路的零极点进行分析：

其中，CI15为米勒电容，C1为VOUT1.节点等效电容，Rz为