胡丹丹，鮑嘉明，寧可慶

（北方工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院微電子系，北京100144）

隨著便攜式電子設(shè)備的興起，鋰電池由于其優(yōu)良的性能：體積小、重量輕、能量密度高、壽命長(zhǎng)、無(wú)記憶效應(yīng)、無(wú)污染等，使它得到廣泛的應(yīng)用。隨著科技的發(fā)展，一節(jié)鋰電池已不能滿足性能日益增強(qiáng)的電子設(shè)備，往往采用多節(jié)鋰電池串并聯(lián)滿足電壓電流要求。但是由于鋰電池極易受到損壞，在充放電過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流等情況，輕微可能導(dǎo)致電池使用壽命降低，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)發(fā)生爆炸，所以多節(jié)鋰電池保護(hù)電路變得尤為重要，從而防止上述情況的發(fā)生[1-3]。

由于鋰電池保護(hù)電路的應(yīng)用環(huán)境，為了延長(zhǎng)電池的工作時(shí)間，通常要求芯片的功耗非常小。然而傳統(tǒng)的鋰電池保護(hù)芯片過(guò)充和過(guò)放比較器往往分開(kāi)來(lái)做[4-9]，每節(jié)電池分別需要一個(gè)過(guò)充比較器和一個(gè)過(guò)放比較器，增加了整體保護(hù)電路功耗[10-16]。

文中基于華潤(rùn)上華0.5 um BCD工藝設(shè)計(jì)一個(gè)低功耗的鋰電池過(guò)充、過(guò)放比較器。

1 過(guò)充、過(guò)放比較器電路結(jié)構(gòu)

文中給出的低功耗、鋰電池過(guò)充過(guò)放比較器原理圖如圖1所示。

圖1 過(guò)充過(guò)放比較器

圖1中的比較器包括:電壓采集模塊（R0、R7），其中R7為可變電阻，比較模塊（PM1、PM2、Q1、Q2、R5、R6），兩個(gè)反相器和一個(gè)施密特觸發(fā)器。VDD為單節(jié)鋰電池的正極，gnd為單節(jié)鋰電池的負(fù)極；PM1/PM2為電流鏡負(fù)載，R6作為負(fù)反饋電阻，使電路穩(wěn)定工作。

該比較器的創(chuàng)新點(diǎn)是：利用三極管的開(kāi)啟電壓來(lái)設(shè)計(jì)比較器的翻轉(zhuǎn)閾值，從而設(shè)計(jì)保護(hù)電路的翻轉(zhuǎn)閾值，降低保護(hù)電路功耗。

此比較器的工作原理為：由于R7/R0比值不同，使電阻R7分壓不同，當(dāng)COMP_IN的值小于某個(gè)值時(shí)，Q1，Q2截止，PM1、PM2也截止；當(dāng)COMP_IN大于某個(gè)值時(shí)，三極管導(dǎo)通，BIP_OUT翻轉(zhuǎn)。當(dāng)VDD從3.6 V上升到5 V時(shí)，調(diào)節(jié)R4的阻值，使它在VDD為4.28 V時(shí)翻轉(zhuǎn)（其中4.28 V為鋰電池的過(guò)充閾值）；當(dāng)VDD從3.6 V下降到2 V時(shí)，調(diào)節(jié)R4的阻值，使它在VDD為2.8 V翻轉(zhuǎn)（其中2.8 V為鋰電池的過(guò)放閾值）。電路圖中的反相器和施密特觸發(fā)器的作用均為使比較器快速通過(guò)過(guò)渡區(qū)，使比較器翻轉(zhuǎn)更快。當(dāng)鋰電池充電時(shí)，VDD為4.28 V時(shí)，比較器輸出為高電平，表明電池過(guò)充；當(dāng)鋰電池放電時(shí)，VDD為2.8 V時(shí)，輸出為低電平，表明電池過(guò)放。即此比較器完成了檢測(cè)鋰電池在充放電過(guò)程中的過(guò)充、過(guò)放檢測(cè)。

2 仿真結(jié)果分析

為了驗(yàn)證比較器電路是否完成設(shè)定功能，給整體電路添加相應(yīng)的測(cè)試信號(hào)，對(duì)比較器電路進(jìn)行相應(yīng)仿真。

2.1 鋰電池充放電狀態(tài)下的仿真

首先對(duì)充放電狀態(tài)下的鋰電池進(jìn)行驗(yàn)證，設(shè)置適當(dāng)?shù)姆抡鏃l件對(duì)測(cè)試電路進(jìn)行仿真，如圖2和圖3所示。

圖2所示為驗(yàn)證鋰電池充電狀態(tài)的整體電路的仿真結(jié)果，從圖中可以看出當(dāng)VDD從3.6 V上升到4.28 V時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出為高電平，表明鋰電池過(guò)充電；當(dāng)VDD從過(guò)充狀態(tài)轉(zhuǎn)換到4.079 V時(shí)，比較器輸出由高電平轉(zhuǎn)換為低電平，鋰電池恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

圖2 鋰電池充電狀態(tài)（翻轉(zhuǎn)閾值為4.28 V和4.08 V）下的仿真曲線

圖3所示為驗(yàn)證鋰電池過(guò)放電狀態(tài)的整體電路的仿真結(jié)果，從圖中可得出當(dāng)VDD從3.6 V下降到2.801 V時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出為低電平，表明鋰電池過(guò)放電，；當(dāng)VDD從過(guò)放狀態(tài)轉(zhuǎn)換到3.0 V時(shí)，比較器輸出由低電平轉(zhuǎn)換為高電平，鋰電池恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。

2.2 靜態(tài)電路功耗仿真

由于過(guò)充過(guò)放比較器的功耗是由鋰電池提供的，故需要降低比較器電路的功耗。

如圖4所示為仿真比較器電路的功耗曲線，從圖中可以看出在VDD為typical 3.6 V下，電路的功耗為7.781 μW，實(shí)現(xiàn)了電路低功耗。

2.3 不同CORNOR和溫度下的仿真

由于鋰電池保護(hù)電路的應(yīng)用環(huán)境的溫度不同，制造工藝也存在一定誤差，需要驗(yàn)證一下不同溫度、不同CORNOR下的電壓比較器的翻轉(zhuǎn)閾值，如圖5和圖6所示為不同條件下的模擬鋰電池充放電情況下的仿真曲線。

圖3 鋰電池放電狀態(tài)（翻轉(zhuǎn)閾值為2.8 V和3.0 V）下的仿真曲線

圖4 靜態(tài)電路功耗

圖5 鋰電池充電狀態(tài)（翻轉(zhuǎn)閾值為4.28 V和4.08 V）下的不同CORNOR和溫度下的仿真曲線

圖6 鋰電池放電狀態(tài)（翻轉(zhuǎn)閾值為2.8 V和3.0 V）下的不同CORNOR和溫度下的仿真曲線

分析圖5和圖6中的CORNOR仿真曲線，可得出在不同PVT下的過(guò)充過(guò)放閾值偏差為±326 mV，遠(yuǎn)大于電路設(shè)計(jì)的精度。

2.4 電阻熔絲修調(diào)

造成翻轉(zhuǎn)閾值較大偏差是由于電壓比較器的翻轉(zhuǎn)與三極管的VBE有關(guān)，可對(duì)比較器電路中R5進(jìn)行電阻熔絲修調(diào)，修調(diào)模塊如圖7所示。

圖7 電阻修調(diào)模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)

輸入輸出口TM0～TM4及V_COMP連接 PAD，通過(guò)PAD之間的熔絲是否熔斷，來(lái)確定這6個(gè)輸入輸出口之間連接5個(gè)開(kāi)關(guān)K0～K4的斷開(kāi)與閉合。假設(shè)熔絲斷開(kāi)K=1，熔絲閉合K=0，那么用5位二進(jìn)制數(shù)表示5個(gè)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。如00001表示開(kāi)關(guān)K0斷開(kāi)；00101表示開(kāi)關(guān)K0和K2斷開(kāi)。

表1為trimming修調(diào)向量表，列出了trimming電阻與閾值電壓的變化之間的關(guān)系。通過(guò)trim可以將偏低的閾值電壓調(diào)回，基本應(yīng)該是trim一次左右就可以調(diào)回來(lái)，但必須按照給出的trimming修調(diào)向量表進(jìn)行。設(shè)計(jì)最小能trim 10 mV；最大能trim 318 mV（5個(gè)trimming接口全部燒斷）。

表1 trimming修調(diào)向量表（單位：mV）

表2 （續(xù)）trimming修調(diào)向量表（單位：mV）

3 結(jié) 論

仿真結(jié)果顯示，實(shí)現(xiàn)使用單個(gè)比較器就完成常規(guī)鋰電池保護(hù)芯片過(guò)充、過(guò)放狀態(tài)的保護(hù)功能，降低了鋰電池保護(hù)電路的功耗，使保護(hù)電路的翻轉(zhuǎn)閾值與預(yù)設(shè)值：功耗為7.781 μW；過(guò)充閾值（理想：4.28 V實(shí)際：4.28 V）、過(guò)充釋放閾值（理想：4.08 V實(shí)際：4.079 V）、過(guò)放閾值（理想：2.8 V 實(shí)際：2.801 V）、過(guò)放恢復(fù)閾值（理想：3.0 V實(shí)際：3.0 V）偏差在2 mV左右；通過(guò)修調(diào)也可使不同CORNOR下的閾值滿足偏差在10 mV以內(nèi)，基本上完成了設(shè)計(jì)目標(biāo)。