鋰離子電池用保護(hù)電路的低功耗設(shè)計(jì)

1、鋰離子電池用保護(hù)電路的低功耗設(shè)計(jì)90 年月浮現(xiàn)的鋰電池是能源技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)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(dòng)電話、個(gè)人數(shù)字助理(personal d igital a ssistan t, pda )、計(jì)算機(jī)等手提式設(shè)備中獲得了極為廣泛的應(yīng)用。一方面, 以鋰電池為供電電源的設(shè)計(jì)中, 要求將越來(lái)越復(fù)雜的混合信號(hào)系統(tǒng)集成到一個(gè)小面積芯片上, 這必定給數(shù)字、提出了低壓、低功耗問(wèn)題。在功耗和功能的制約中, 如何取得最佳的設(shè)計(jì)計(jì)劃也是當(dāng)前功耗管理技術(shù)( pow erm anagem en t, pm ) 的一個(gè)討論熱點(diǎn)。目前討論得較多的是系統(tǒng)級(jí)的動(dòng)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(shè)計(jì)也有許多文獻(xiàn)報(bào)道, 但基本只限于某類專用電路, 而對(duì)數(shù)模混合電路的功耗管理則少有文獻(xiàn)涉及。另一方面, 鋰電池的應(yīng)用也極大地推進(jìn)了相應(yīng)電池管理、電池庇護(hù)電路的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。鋰電池應(yīng)用時(shí)必需要有復(fù)雜的控制電路, 來(lái)有效防止電池的過(guò)充電、過(guò)放電和過(guò)狀態(tài)。本文針對(duì)鋰電池庇護(hù)電路, 在考慮功能實(shí)現(xiàn)的同時(shí), 重點(diǎn)從功耗的角度動(dòng)身, 采納了模擬電路中關(guān)鍵電路工作在亞閾值區(qū)的設(shè)計(jì)思路, 并利用內(nèi)部數(shù)字

3、信號(hào)反饋控制模擬電路進(jìn)入standby 狀態(tài), 從而滿足較低下的功耗管理。系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)圖1 給出了鋰電池庇護(hù)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(guò)流、充電過(guò)流檢測(cè)端。電路實(shí)現(xiàn)的功能如下:(1) 過(guò)充電、過(guò)放電檢測(cè): 圖中的取樣電路(sam pl e) 將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池電壓信號(hào), 并將之送入過(guò)充電(ov ercharge)、過(guò)放電比較器(ov erd ischarge) 和基準(zhǔn)電壓比較, 推斷電池電壓是否高于過(guò)充電檢測(cè)電壓或是

4、否低于過(guò)放電檢測(cè)電壓, 再由數(shù)字規(guī)律控制電路(con trollo g ic) 輸出相應(yīng)信號(hào)到co 端及do 端, 即完成過(guò)充電、過(guò)放電檢測(cè)功能。(2) 放電過(guò)流檢測(cè): 由vm 端來(lái)監(jiān)測(cè)電池接負(fù)載放電時(shí)的電流大小, 和不同的基準(zhǔn)電壓比較后, 由三個(gè)比較器: 過(guò)流1 (ov ercu rren t1)、過(guò)流2(ov ercu rren t2)、負(fù)載短路(load shortdetect ion ) 輸出相應(yīng)信號(hào), 并按照過(guò)流程度經(jīng)過(guò)相應(yīng)延時(shí)后, 由規(guī)律控制電路輸出信號(hào)控制do 端。(3) 充電過(guò)流檢測(cè): vm 端信號(hào)還可以反映電池接充電器時(shí), 充電電流的大小, 再經(jīng)充電檢測(cè)比較器(charge

5、detect ion ) 比較后, 由規(guī)律控制電路打算是否應(yīng)停止充電。(4) 零伏電池充電功能: 由電平轉(zhuǎn)換電路(conv ertor) 實(shí)現(xiàn), 能夠?qū)Υ潆姷碾姵嘏e行檢測(cè), 若電池電壓低于零伏電池充電電壓, 便輸出信號(hào)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(gè)延續(xù)工作的數(shù)?；旌舷到y(tǒng), 同時(shí)又以被監(jiān)測(cè)的鋰電池為供電電源, 在實(shí)現(xiàn)電路功能并滿足檢測(cè)精度的前提下, 電路的功耗成了另外一個(gè)重要的性能指標(biāo)。因?yàn)榭刂埔?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(shè)計(jì)重點(diǎn)。系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)standby 狀態(tài)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)中,

6、為了使電路在電池過(guò)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(jìn)入standby 狀態(tài)的控制部分, 原理圖由圖2 給出。圖中信號(hào)od 由數(shù)字電路產(chǎn)生, 當(dāng)比較器檢測(cè)到電池電壓低于過(guò)放電檢測(cè)電壓, 并經(jīng)過(guò)延時(shí)后,od 將從高電平變?yōu)榈碗娖? 此時(shí)通過(guò)p2 管將vm拉到高電平, 再經(jīng)反相后從負(fù)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(jìn)入standby狀態(tài); 一旦電池充電開(kāi)頭時(shí),vm 端快速被置為低電平, 此時(shí)不管od 如何, 都通過(guò)ou t l s 將stand復(fù)原為高電平, 系統(tǒng)進(jìn)入正常的檢測(cè)狀態(tài)。通過(guò)內(nèi)部數(shù)字

7、電路產(chǎn)生的standby 信號(hào), 可以有效打開(kāi)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(shí)候保持standby 狀態(tài), 以降低電源消耗。由于只需要單個(gè)mo s 便可充當(dāng)電路的控制開(kāi)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(shè)計(jì)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)低電壓下電路的功耗管理。亞閾值電壓基準(zhǔn)電路因?yàn)殡妷夯鶞?zhǔn)源同時(shí)要給過(guò)充比較器、過(guò)放比較器、過(guò)流1 比較器及過(guò)流2 比較器提供不隨溫度、電源電壓變幻而變幻的基準(zhǔn)電壓, 所以在模擬電路中起著十分重要的作用, 同時(shí)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(shè)計(jì)了工作在亞閾值區(qū)的電壓基準(zhǔn)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(gè)自偏置電路產(chǎn)生具有正溫度系數(shù)的電流, 該電流流過(guò)r 0 所產(chǎn)生的壓降和具有負(fù)溫度系數(shù)的pn 結(jié)壓降相加, 可以輸出一個(gè)零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓v bd; 為滿足同一電路中輸出不同的基準(zhǔn)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(shí), 為保證電路在加上電源電壓后能進(jìn)入正確的工作狀態(tài), 電路中還加入了r c 啟動(dòng)電路。由圖3 可見(jiàn), p0 和p1 組成電流鏡, 取相同的寬長(zhǎng)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(shí)

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(guò)p2 的電流為i p2, 則有:設(shè)正向壓降為v d , 分壓電阻r 1、r 2、r 3、r 4 對(duì)r 0 的影響可以用等效電阻r = (r 1 + r 2 ) (r 3 +r 4) 來(lái)表示, 則在正常工作時(shí), 滿足該電流產(chǎn)生電路有兩個(gè)

10、平衡工作點(diǎn), 即零點(diǎn)和正常工作點(diǎn), 所以需要一個(gè)啟動(dòng)電路, 使電路能在上電過(guò)程中脫離零點(diǎn)而穩(wěn)定工作。另外, 從電路功耗考慮, 啟動(dòng)電路在電路進(jìn)入正常工作后應(yīng)斷開(kāi), 沒(méi)有電流消耗。設(shè)計(jì)時(shí)從p 1 的漏端加入了r 6、c0, 構(gòu)成自偏置電路的啟動(dòng)電路。與傳統(tǒng)的bandgap 基準(zhǔn)源電路相比, 該電路有以下特點(diǎn): 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(kāi)了工藝漂移引起的輸出變幻; 電路設(shè)計(jì)中還加入了r c啟動(dòng)電路, 保證電路在上電后能準(zhǔn)時(shí)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。另外, 由內(nèi)部數(shù)字信號(hào)standb 的控制, 此電路能夠在低電壓下進(jìn)入standby 狀態(tài), 此時(shí)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(yàn)證。圖4 給出了電路對(duì)電池電壓vdd 進(jìn)入和退出過(guò)充電狀態(tài)時(shí)的模擬結(jié)果, 從圖中可看出, 過(guò)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(yǔ)基于的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)工作正常, 溫度采樣和顯示的誤差控制在設(shè)計(jì)要求的1之內(nèi)。系統(tǒng)應(yīng)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(wú)線通信過(guò)程中要求清晰數(shù)據(jù)編碼的波形, 以便調(diào)試時(shí)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(shí)行的抗干擾的措施。專用顯示驅(qū)動(dòng)芯片max7219 與mcs- 51 之間是用串行的方式通信, 時(shí)序的協(xié)作在通信中十分重要。數(shù)字化已經(jīng)是控制領(lǐng)域的進(jìn)展趨勢(shì)。溫度控制系統(tǒng)經(jīng)受了長(zhǎng)時(shí)光進(jìn)展以后, 智能化程度的要求越來(lái)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(lǐng)域?qū)囟瓤刂频囊蟆Ｅc微處理器其它方面的應(yīng)用相比, 以微處理器為核心的溫度控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)在中國(guó)來(lái)說(shuō)顯得更為迫切, 無(wú)數(shù)的控制領(lǐng)域還在沿用傳統(tǒng)的控制理論, 采納老的控制系統(tǒng), 適時(shí)性不強(qiáng), 處理速度慢,