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

3.1 VLSI功耗优化设计流程

VLSI的Top-Down低功耗设计流程如图3.1.1所示。图中，虚框所示的是传统的VLSI设计流程。由图可见，和传统设计方法相比，低功耗优化设计在每个关键层次上都增加了功耗的约束条件：一是在关键层次上运用低功耗设计技术进行功耗优化，二是对功耗优化的结果进行分析或者评估。

正如第二章所提出，在设计的各个层次，功耗优化的效果都不一样。在系统/结构级，系统框架已经确定，在这个层次介入低功耗设计，还需要不涉及电路结构本身，所以功耗优化的空间很大，本章所提出的动态功耗管理技术便是在此时实施的。在这个阶段，低功耗设计的难点在于，建立一个较为准确的系统功耗模型，采用有效的功耗管理策略进行功耗优化。

3.2锂离子电池管理芯片的保护功能设计

3.2.1应用特点及要求

正如绪言中所提到的，随着便携式电子产品不断小型化、性能以及普及率的日益提高，作为其电源的二次电池市场正迅速拓宽。其中，锂离子电池以其能量密度高、重量轻、循环次数长、自放电率低而在笔记本电脑与移动电话领域中应用广泛，市场占有率已分别在80%与90%以上。

锂离子电池是以锂离子的储存与释放为电能转换介质。由于金属锂的化学活性极强，加上电池内部使用了可燃性的有机溶剂，锂离子可充电电池如果发生过充电、过放电、外部电路短路或放电电流过大时，电池很容易出现膨胀、漏液甚至爆裂等异常现象，从而导致电池性能恶化甚至失效。因此，每个电池（组）都必须安装具有保护功能的电池管理芯片，也可称电池保护芯片，并由其监视电池的工作状态。一旦电池达到过充电、过放电及过流状态，启动保护功能，断开系统，而在正常使用条件下，保护芯片不工作，电池仍可继续使用。

通常回路中充电电流的通断开关，由两个外加的背靠背的功率MOS管实现，它既可以是与电池（组）负端相接的N型功率MOS管，也可以是与电池正端相接的P型MOS管，如图3.2.1所示.

在这样的应用场合下，锂离子电池保护系统设计将遇到以下几个挑战：

①面积小、成本低。这样才能够内置在电池（组）中使用。

②功能强，精度高。一方面要求有内置高精度的电压保护电路，还要求包括过流1、过流2和短路保护在内的三级过流保护机制；此外，由内部实现延时，精度高达30%；最好还应该具有充电功能和非正常充电电流保护功能及零伏电池充电抑制功能。

③低电流消耗：为了尽量减小对电池寿命的影响，系统的电流消耗必须明显低于电池的自放电率，这意味着整个电路仅消耗几十微安电流。典型地，系统电流应不高于3.0μA.

④电压工作范围宽：对于单节电池保护系统设计而言，更大的挑战在于低电压工作能力，这样才能保证过放电的电池（低于2V）能正常充电；另外，直接和充电器相接的管脚需要能够承受高压。就整个系统而言，要求能在1.5V～8V的电压范围内正常工作。

⑤可靠性高。明显地，该系统要能够在较宽的温度范围（-40℃～85℃）内有较高的可靠性。

3.2.2保护功能设计

结合单节锂离子电池保护芯片的应用电路图，来讨论外围电路中器件的选择原则方法以及芯片保护功能设计，并在此基础上介绍不涉及功耗管理模块的系统框图。

1外围电路及功能设计

图3.2.2给出了单节锂离子电池保护芯片的应用图。

图3.2.2所示的保护芯片中，VDD和VSS分别是电池电源和地输入端；CO和DO分别控制芯片外接的两个N型功率MOS管FET1和FET2，来控制电池的充电及放电回路，工作原理如下：正常工作时，CO和DO均为与V DD相等的高电平，此时FET1和FET2导通，电池既可以向负载放电，又可以由充电器进行充电；当CO降为低电平时，FET1截止，充电回路被切断，但电池仍然可以通过FET1的寄生二极管向负载放电；当DO为低电平时，FET2截止，放电回路被切断，但FET2的寄生二极管仍保证了电池可以进行充电。此外，图中3.2.2中还提供了VM端，来检测充、放电过程中的过流情况。

图3.2.2中，保护芯片外接的元件十分重要。其中，FET1和FET2是放电和充电控制功率NMOS管，设计时应该重视以下参数：一是导通电阻R on，这两个NMOS必须具有尽可能低的导通电阻，以尽量降低压降和功耗损失；另一方面，从过流检测角度，如接负载放电时，过流检测电压为

式中，I为放电电流。应用中为了降低VM值，有效利用放电或充电电流，功率管的导通电阻也应尽可能地小，一般地，取20mΩ~30mΩ。二是能承受的电流峰值，由于在短路过程中，功率MOS管要能够承受瞬间的大电流，比如单节锂离子电池的内阻典型值为150m左右，当充电到4.1V时，电池产生的短路电流短时间内将超过20A；三是尺寸，为了便于封装，两个NMOS的尺寸应尽可能地小。另外，图3.2.2中的R1和C1用于电源波动保护，典型值分别为470和0.1μf；R2用于充电器反接保护，典型值为1kΩ.

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。

⑦零伏电池充电抑制功能

这一功能禁止对连接其上的内部短路的电池（即零伏电池）进行充电。当电池电压为0.9V或更低时，充电控制管FET2的栅极电位被固定为EB-的电位，从而禁止充电。当电池电压等于或高于零伏电池充电抑制电压V_OINH时，可以进行充电。

2系统框图

要实现上面所述的电池管理芯片的保护功能，芯片的系统框图如图3.2.3所示。



图3.2.3给出了不包含功耗管理模块的锂离子电池保护IC的系统框图。图中，取样电路（Sample）将实时监测电池电压信号，并将之送入过充电比较器（Overcharge Comparator）、过放电比较器（Over-discharge Comparator）和基准电压（Reference Voltage）比较，判断电池电压是否高于过充电检测电压或是否低于过放电检测电压，再由数字逻辑控制电路（Control Logic）输出相应信号到CO端和DO端，即完成过充电、过放电检测功能。

图3.2.3中的VM端可以监测电池接负载放电时的电流大小，和不同的基准电压比较后，由三个比较器：过流1（Overcurrent1）、过流2（Overcurrent2）、负载短路（Load Short Detection）输出相应信号，并根据过流的程度，经过相应延时后，由逻辑控制电路输出信号控制DO端。VM端的另一个作用是可以监测电池接充电器时的充电电流大小，并通过逻辑控制电路输出信号控制CO或者DO端。