鋰離子電池用保護電路的低功耗設計

1、鋰離子電池用保護電路的低功耗設計90 年月浮現(xiàn)的鋰電池是能源技術(shù)領域的一個重要的里程碑。和其它二次電池相比, 鋰電池具有更高的體積密度和能量密度, 因此在移動電話、個人數(shù)字助理(personal d igital a ssistan t, pda )、計算機等手提式設備中獲得了極為廣泛的應用。一方面, 以鋰電池為供電電源的設計中, 要求將越來越復雜的混合信號系統(tǒng)集成到一個小面積芯片上, 這必定給數(shù)字、提出了低壓、低功耗問題。在功耗和功能的制約中, 如何取得最佳的設計計劃也是當前功耗管理技術(shù)( pow erm anagem en t, pm ) 的一個討論熱點。目前討論得較多的是系統(tǒng)級的動態(tài)功耗

2、管理技術(shù)(dynam icpow erm anagem en t, dpm ) , 它的基本思想是關(guān)掉不工作的部分以節(jié)約系統(tǒng)功耗, 但是在大多數(shù)狀況下, 這種辦法僅用于數(shù)字系統(tǒng)的低功耗優(yōu)化。和模擬電路相關(guān)的低功耗設計也有許多文獻報道, 但基本只限于某類專用電路, 而對數(shù)?；旌想娐返墓墓芾韯t少有文獻涉及。另一方面, 鋰電池的應用也極大地推進了相應電池管理、電池庇護電路的設計開發(fā)。鋰電池應用時必需要有復雜的控制電路, 來有效防止電池的過充電、過放電和過狀態(tài)。本文針對鋰電池庇護電路, 在考慮功能實現(xiàn)的同時, 重點從功耗的角度動身, 采納了模擬電路中關(guān)鍵電路工作在亞閾值區(qū)的設計思路, 并利用內(nèi)部數(shù)字

3、信號反饋控制模擬電路進入standby 狀態(tài), 從而滿足較低下的功耗管理。系統(tǒng)功能實現(xiàn)圖1 給出了鋰電池庇護電路的系統(tǒng)框圖。圖中,vdd 和v ss 分離是電池電源和地輸入端; co 和do 分離是充電及放電控制端, 在正常工作模式下均為高電平, 電池既可以充電又可以放電, 反之, 充電和放電回路被切斷;vm 是放電過流、充電過流檢測端。電路實現(xiàn)的功能如下:(1) 過充電、過放電檢測: 圖中的取樣電路(sam pl e) 將實時監(jiān)測電池電壓信號, 并將之送入過充電(ov ercharge)、過放電比較器(ov erd ischarge) 和基準電壓比較, 推斷電池電壓是否高于過充電檢測電壓或是

4、否低于過放電檢測電壓, 再由數(shù)字規(guī)律控制電路(con trollo g ic) 輸出相應信號到co 端及do 端, 即完成過充電、過放電檢測功能。(2) 放電過流檢測: 由vm 端來監(jiān)測電池接負載放電時的電流大小, 和不同的基準電壓比較后, 由三個比較器: 過流1 (ov ercu rren t1)、過流2(ov ercu rren t2)、負載短路(load shortdetect ion ) 輸出相應信號, 并按照過流程度經(jīng)過相應延時后, 由規(guī)律控制電路輸出信號控制do 端。(3) 充電過流檢測: vm 端信號還可以反映電池接充電器時, 充電電流的大小, 再經(jīng)充電檢測比較器(charge

5、detect ion ) 比較后, 由規(guī)律控制電路打算是否應停止充電。(4) 零伏電池充電功能: 由電平轉(zhuǎn)換電路(conv ertor) 實現(xiàn), 能夠?qū)Υ潆姷碾姵嘏e行檢測, 若電池電壓低于零伏電池充電電壓, 便輸出信號將co 端置為低電平, 從而切斷充電回路?？梢钥闯? 此電路是一個延續(xù)工作的數(shù)模混合系統(tǒng), 同時又以被監(jiān)測的鋰電池為供電電源, 在實現(xiàn)電路功能并滿足檢測精度的前提下, 電路的功耗成了另外一個重要的性能指標。因為控制規(guī)律部分屬于數(shù)字電路, 靜態(tài)功耗幾乎可以忽視, 所以如何降低模擬電路的靜態(tài)功耗并且限制低電壓下的電路功耗成了設計重點。系統(tǒng)低功耗設計standby 狀態(tài)實現(xiàn)設計中,

6、為了使電路在電池過放電狀況下盡可能地降低電流消耗, 數(shù)字電路中加入了使系統(tǒng)進入standby 狀態(tài)的控制部分, 原理圖由圖2 給出。圖中信號od 由數(shù)字電路產(chǎn)生, 當比較器檢測到電池電壓低于過放電檢測電壓, 并經(jīng)過延時后,od 將從高電平變?yōu)榈碗娖? 此時通過p2 管將vm拉到高電平, 再經(jīng)反相后從負載短路輸出ou t l s端輸出低電平, 使輸出端stand 變?yōu)榈碗娖?standb 為高電平, 意味著系統(tǒng)可以進入standby狀態(tài); 一旦電池充電開頭時,vm 端快速被置為低電平, 此時不管od 如何, 都通過ou t l s 將stand復原為高電平, 系統(tǒng)進入正常的檢測狀態(tài)。通過內(nèi)部數(shù)字

7、電路產(chǎn)生的standby 信號, 可以有效打開或者切斷模擬電路從電源到地的直流通路, 使電路在不需要的時候保持standby 狀態(tài), 以降低電源消耗。由于只需要單個mo s 便可充當電路的控制開關(guān), 所以這種辦法容易牢靠, 不影響原有的模擬電路功能, 并且能和模擬電路低功耗設計相結(jié)合,實現(xiàn)低電壓下電路的功耗管理。亞閾值電壓基準電路因為電壓基準源同時要給過充比較器、過放比較器、過流1 比較器及過流2 比較器提供不隨溫度、電源電壓變幻而變幻的基準電壓, 所以在模擬電路中起著十分重要的作用, 同時也是影響電路功耗的一大因素。本文利用mo s 管的亞閾值特性, 設計了工作在亞閾值區(qū)的電壓基準電路, 能

8、夠滿足上述功耗要求, 電路結(jié)構(gòu)3 所示。電路利用一個自偏置電路產(chǎn)生具有正溫度系數(shù)的電流, 該電流流過r 0 所產(chǎn)生的壓降和具有負溫度系數(shù)的pn 結(jié)壓降相加, 可以輸出一個零溫度系數(shù)的基準電壓v bd; 為滿足同一電路中輸出不同的基準電壓源, 利用電阻分壓將v bd 分成了v b i1 及v b i2輸出。同時, 為保證電路在加上電源電壓后能進入正確的工作狀態(tài), 電路中還加入了r c 啟動電路。由圖3 可見, p0 和p1 組成電流鏡, 取相同的寬長比, 則。在p1、p0、n 0、n 1 和r 5 構(gòu)成的自偏置電路中, 挑選合適的r 5 值, 可以使n 0 和n 1 工作在亞閾值區(qū)。并且, 在時

9、, 亞閾值mo s 管的漏電流i d 可表示為:式中,與工藝參數(shù)有關(guān), 其中n 為亞閾值因子,k 為波爾茲曼常數(shù), q 為電子電荷。由于,v gsn 0- v gsn 1= in 0?r 5,將式(1) 代入, 則有:式(2) 中可以看出, 不考慮電阻r 1 的溫度系數(shù),電流in 1與熱電壓u t 成線性關(guān)系, 具有正溫度系數(shù)。p2 和p1 組成電流鏡, 假定流過p2 的電流為i p2, 則有:設正向壓降為v d , 分壓電阻r 1、r 2、r 3、r 4 對r 0 的影響可以用等效電阻r = (r 1 + r 2 ) (r 3 +r 4) 來表示, 則在正常工作時, 滿足該電流產(chǎn)生電路有兩個

10、平衡工作點, 即零點和正常工作點, 所以需要一個啟動電路, 使電路能在上電過程中脫離零點而穩(wěn)定工作。另外, 從電路功耗考慮, 啟動電路在電路進入正常工作后應斷開, 沒有電流消耗。設計時從p 1 的漏端加入了r 6、c0, 構(gòu)成自偏置電路的啟動電路。與傳統(tǒng)的bandgap 基準源電路相比, 該電路有以下特點: 電路工作在亞閾值區(qū), 功耗極低, 電路中電阻值和器件參數(shù)均取比值, 最大程度地避開了工藝漂移引起的輸出變幻; 電路設計中還加入了r c啟動電路, 保證電路在上電后能準時進入正常工作狀態(tài)。另外, 由內(nèi)部數(shù)字信號standb 的控制, 此電路能夠在低電壓下進入standby 狀態(tài), 此時消耗電

11、流僅由控制管的漏電流打算, 小到幾乎可以忽視。模擬結(jié)果電路采納umc 0. 6 m 數(shù)字電路sp ice 模型舉行hsp ice 模擬驗證。圖4 給出了電路對電池電壓vdd 進入和退出過充電狀態(tài)時的模擬結(jié)果, 從圖中可看出, 過充電浮現(xiàn)后, co 端被置為低電平, 反之則是與電源電壓相等的高電平。結(jié)束語基于的溫度自動控制系統(tǒng)工作正常, 溫度采樣和顯示的誤差控制在設計要求的1之內(nèi)。系統(tǒng)應用于df101b 型集熱式恒溫磁力攪拌器, 主控部分和從控部分通信穩(wěn)定。在ad590 的電流模擬量輸出后, 電阻分壓和放大倍數(shù)需要很好的匹配, 既要保證辨別率的大小適中, 又要確保輸入的電壓在0809 轉(zhuǎn)換電壓范圍之內(nèi)。無線通信過程中要求清晰數(shù)據(jù)編碼的波形, 以便調(diào)試時知道發(fā)送數(shù)值的正確與否, 以及傳輸中干擾的大小和將要實行的抗干擾的措施。專用顯示驅(qū)動芯片max7219 與mcs- 51 之間是用串行的方式通信, 時序的協(xié)作在通信中十分重要。數(shù)字化已經(jīng)是控制領域的進展趨勢。溫度控制系統(tǒng)經(jīng)受了長時光進展以后, 智能化程度的要求越來越高, 以微處理器為核心的溫度智能控制系統(tǒng)能夠滿足絕大多數(shù)領域?qū)囟瓤刂频囊?。與微處理器其它方面的應用相比, 以微處理器為核心的溫度控制系統(tǒng)的開發(fā)在中國來說顯得更為迫切, 無數(shù)的控制領域還在沿用傳統(tǒng)的控制理論, 采納老的控制系統(tǒng), 適時性不強, 處理速度慢,