耗尽型工艺实现锂电池充电保护芯片的设计

以VGS82 恒定， 即Vbd 不变，从而输出Vb1、Vb2 也保持不变。其中Vbd、Vb1、Vb2分别为过充电、过放电比较器提供基准电压， 并且为延时产生电路提供偏置电压。其推导公式为：

要使式（ 7） 等于式（ 10） , 即无论M84 工作在什么区域VGS82 都不变， 则：

所以可以通过调节M84 和M82 的宽长比（W/L） 使之满足式（ 11） , 使VGS82 保持恒定； 通过调小管子的阈值电压（ 调节管子的掺杂浓度） 来减小基准电压源的电流从而减小功耗。采用0.6 μm、n 阱的CMOS 工艺在Hspice 中仿真的结果如图3 所示。

2.2 过充电、过放电迟滞电路

为了更快地解除过充电、过放电状态， 图1 中过充电、过放电比较器的输入差分电压须随电源电压的改变而改变， 当电池过充或过放时， 输出电压随电源电压变化的比例不同， 因此设计出图4 所示的迟滞电路。

　由图4 可知， 通过控制TCU 和TDL 的开关来控制MN1 和MP1 的导通与关断， 达到调节点IN_CON 和IN_ODP 电压大小的目的， 以实现迟滞效应。当输出信号在和过充比较器和过放比较器相比较时， 比较基准电压不变， 计算过充电、过放电的迟滞电压分别为：

由式（ 12） 和（ 13） 可知， 根据具体设计要求的不同， 调节R26、R27、R28、R29、R30 和R31 的大小及比例关系以达到实现不同迟滞电压的目的。

2.3 0 V电池充电禁止电路

当电池电压低于一定值时， 使CO 输出为低电平从而禁止充电器对电池进行充电。在此过程中因为VDD 比较低VM 会变得很负， 所以VDD 和VM 之间易形成很大的电流， 则VDD 到VM 之间的每一条支路上要有比较大的电阻。采用如图5 所示的电路来控制CO 的电压和VDD 到VM 之间的电流。

图5 中M1、M2、M3、M4、Rl 和R2 组成的电路完成电平转换功能， 抑制功能主要由M5、M6 和R3完成， M7、M8、M9、M10 和R4 组成的与非门在电平转换功能和0 V 抑制功能之间进行选择。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 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。

0 V 电池抑制功能发生在充电过程中， 此时，IN_ LCB=0, IN_ LC=1,VA 为高电平。当电池电压VDD 在1.2 V 左右时， 就认为它是内部短路。在这种情况下充电， 充电电流一定很大， 导致VM 的电位下降很大， VDD 的下降使M5 关闭， VM 的下降使M6 导通， 从而VB 由低电平转化为高电平（此时的VDD 电压为0 V 电池充电禁止电压V0INH） , CO 电位因此接近VM 电位。

模拟结果如图6 显示， 在VDD 降到1V 以下时，CO 端输出与VM 相同的电平， 关断充电回路， 实现0V 电池充电禁止功能。

3 芯片的测试结果

采用0.6 μm、n 阱的CMOS 工艺， 芯片的电特性参数测试结果如表1 所示。其中T 表示温度，在没有特殊说明的情况下均为T=25 ℃。表1 表明所设计的芯片满足宽的电压工作范围、宽的温度工作范围和低功耗的特点。

表1 CMOS 芯片的电特性

4 结语

本文对单节锂离子电池的充电保护芯片的功能原理进行了阐述， 详细分析了基于耗尽型工艺的关键电路设计原理， 重点分析了基于耗尽型工艺的低功耗基准电压源的设计， 测试结果显示所设计的芯片满足低功耗、低成本、宽工作电压范围的要求，可用于便携式电子产品和医疗测试仪器的锂离子电池的一级保护。