耗尽型工艺实现锂离子电池充电保护芯片的设计

引言

便携式电子产品正向轻量化、超小型化发展，为此锂离子电池得到广泛应用，比较常见的正极材料为钴酸锂和锰酸锂的锂离子电池，还有磷酸铁锂离子电池和磷酸铁锰电池等。锂离子电池以能量高、寿命长、无记忆性、无污染等特点排在电池行业的最前列。但是锂离子电池和其他很多类型的电池相同极易出现过充电、过放电等现象，这些情况对锂离子电池更容易造成损害，从而缩短它的使用寿命。所以要求锂离子电池充电应具有一级保护功能。

目前国内还没有这种电池保护的核心技术，本文设计了一种锂离子电池充电保护电路，此保护电路的电压、电流源基于耗尽型工艺设计，便于实现低功耗。另外此保护电路的供电电压来源于电池电压，所以要求此保护芯片在电池电压变化范围（1~8V）内正常工作。本文设计的保护电路以低功耗、高精度、高能量密度、高内阻、高安全性等特性脱颖而出，因此这种锂离子电池保护电路的应用得到了普及。

1系统结构的设计

此芯片是单节电池的保护电路并且过电压、过电流的检测延迟时间是可改变的，其系统设计框图如图1所示，芯片设计VDD、VSS、Dp、CO、DO、VM6个引脚。通常情况下，即电池没发生过充电、过放电事件时，CO、DO都为高电平，Dp端子悬空，图1中右半部分的6个MOSFET是耐高压管。

工作原理是通过监视连接在VDD和VSS之间的电池电压及VM和VSS之间的电压差控制充电器的充电和放电。

1.1通常状态的设计

如图1所示，通常状态下，即电池电压在过放电检测电压（VDL）以上且在过充电检测电压（VCU）以下，VM端子的电压在充电器检测电压（VCHA）以上且在过电流1检测电压以下的情况下，设计振荡器模块不工作，充电控制用MOSFET和放电控制用MOSFET的两方均打开。这时可以进行自由的充电和放电。

1.2过电压检测的设计

当电池出现过充电时，过充比较器跳变，过充电检测电压VCU从H变成L,经过过充电检测延迟时间后，禁止电池充电。同时，电路的输出TCU为H,经过一个反馈电路使过充电比较器的输入电压升高，所以电池电压必须下降更多才能使比较器输出变为H.这就实现了过充电滞后电压的设计过程。

当电池过放电时，过放电检测电压VDL从H变为L,经过时间TDL后，禁止电池放电。此时，通过0V充电禁止模块使VM升高，从而五个比较器的使能端SD跳变为无效状态，此时电路中的五个比较器都不工作，而且振荡器也不工作，电路进入休眠状态。当VM降低使SD再次发生改变时，电路解除休眠状态。休眠状态的电流不能超过100nA.

1.3过电流检测的设计

当VM端子电压大于过电流1检测电压，并且这个状态在过电流1检测延迟时间以上时，关闭放电用的FET从而停止放电。

当VM端子电压大于过电流2检测电压，并且这个状态在过电流2检测延迟时间以上时，关闭放电用的FET从而停止放电。

通过不同环形振荡器的振荡频率，调整过电流的检测延迟时间的长短，可及时停止放电。