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功能设计及功耗优化

如图3.2.2所示，在电池接上负载放电和充电器充电的过程中，为了能有效地保护电池，保护IC将具有以下五种工作状态：正常、过压保护（充电过压和放电过压）、过流保护（过流1、过流2及负载短路三种放电过流及非正常充电电流）、充电检测和零伏电池充电抑制状态.下面分别加以说明：

①正常状态

IC监视VDD端和VSS之间的电池电压以及VM和VSS端之间的电压，假如V DD在放电检测电压V_DL和充电检测电压V_CU之间，VM电压在充电检测电压V_CHA和过流1检测电压V _IOV1之间，电路就正常工作。此时CO和DO均处于高电位，用于控制的两只FET都处于导通状态，电路可以向负载放电，也可以由充电器进行充电。为了有效利用放电电流或充电电流，FET采用导通电阻很小的功率MOSFET.

②过充电保护状态所谓过充电保护工作，是在电池电压升高到大于过充电检测电压V_CU并且这种状态持续到过充电保护延迟时间t_CU结束时，禁止充电器充电，CO从高电位变为低电位，充电控制管FET2截止，停止充电。但在检测出过充电以后，电路仍然可以通过FET2的寄生二极管向负载放电。V_CU大于过充电释放电压V_CL，即具有过充电滞后释放功能，可以在以下两种情况释放过充电保护：

一种是当电池电压降到低于V_CL，IC将FET2打开，使电路正常工作；另一种情况是，当连接电池负载开始放电时，IC打开FET2并使电路回到正常工作状态。具体释放机制如下：当连接负载并开始放电后，放电电流立即流过FET2内部寄生二极管，VM端电压同时增至0.7V.IC检测到这一高于过流保护1电压V IOV1的电压后，就使CO电位升高，释放过充电状态。此时如果电池电压等于或低于V CU，电路就立即回到正常工作状态，但如果电池电压高于V CU，即使接上负载，IC也要电池电压降到低于V CU才回到正常状态。而且当接上负载并且开始放电时，假如VM电压等于或低于V IOV1，IC则不会回到正常状态。

③过放电状态（具有Power Down状态功能）

在正常放电过程中，当电池电压下降到低于过放电检测电压V DL并且持续到过放电保护延时时间t_DL结束时，IC中DO降为低电位，放电控制管FET1截止，停止放电。FET1关闭后，VM电压被芯片中VM和VDD端之间电阻R_VMD抬高，同时VM和VDD端电位差下降，当达到1.3V的负载短路检测电压V_SHORT时，电流下降到低电流I_PDN，这种状态称为Power Down状态。

当接上充电器，VM和VDD端电位差变为1.3V或更高时，Power Down状态释放，此时FET1仍关闭。当电池电压等于过放检测电压V_DL或更高时，IC打开FET1将过放电状态转换为正常状态。

④放电过流状态

在正常状态下放电时，当放电电流等于或高于特定值，对应于VM电压等于或高于过流检测电压，并且持续到过流检测延迟时间结束时，IC中DO为低电位，放电控制管FET1截止，停止放电，这种状态称为过流状态，并按过流程度可以分为：过流1、过流2或负载短路状态。

在过流状态下，VM和VSS端被电阻RVMS内部短路。当连接上负载时，VM电压等于V_DD；当去掉负载时，由于RVMS的短路作用，VM电压恢复到V_SS.以过流1状态为例，如果检测到VM电压低于V_IOV1，电路就回到正常状态。

但在过充电状态下，IC禁止过流保护起作用。这是因为电池在过充电后接上负载的情况下，在刚放电的时候，放电电流必然很大，引起过流的可能性很大；而过流保护如果起作用，就会关断放电回路。这样，一旦电池过充电，就可能永远不能放电。但过充电状态结束后，IC又使这种禁止取消，过流保护重新起作用，又使系统能得到及时、有效的过流保护。

⑤非正常充电电流检测

如果在正常充电条件下，VM电压下降到低于充电器检测电压V CHA，并且持续了过充电检测延迟时间t_CU甚至更长，IC将关闭充电控制管FET2，停止充电，这被称为非正常充电电流保护。

但在过放电保护起作用时，IC禁止非正常充电电流保护起作用。因为当电池过放电后，刚接上充电器充电时，充电电流会很大。此时禁止非正常充电电流保护起作用，可有效防止充电回路被切断，从而保证电池在过放电后可以再充电。

当FET1打开，VM电压下降到低于V_CHA，非正常充电电流检测开始工作。

因此，如果在过放电条件下，有非正常充电电流流过电池，电池电压变到等于过放电检测电压V_DL甚至更高，并且过充电延迟时间消去后，IC将关闭FET2，停止充电。当去掉充电器，VM和VSS间电压低于V_CHA时，非正常充电电流检测被释放。

⑥充电检测

电池在过放条件下接上充电器，如果VM的电压低于充电检测电压V_CHA，当电池电压高于过放检测电压V_DL且过放检测延时滞后释放，此时过放状态被解除，FET1打开，这被称为充电检测。如果过放保护MOS管关闭，充电电流只能通过过放保护MOS管的内部寄生二极管进行充电，因此，充电检测状态减少了充电的时间。电池在过放条件下接上充电器，如果VM引脚的电压高于充电检测电压V_CHA，当电池电压高于过放释放电压V_DU，过放状态释放。