耗尽型工艺实现锂电池充电保护芯片的设计

　　本文从低功耗、低成本、宽工作电压范围等考虑， 提出基于耗尽型工艺的独特设计方法。

　　基准电压源电路、过充过放迟滞电路、0 V 充电禁止电路、振荡器电路在整个芯片中起到关键的作用。其中多处的基准电压源电路分别为各比较器提供合适的参考电压和为振荡器提供合适的起振电压， 并且使比较器和振荡器工作在弱反型区。此处不对各基准电压源的具体数值单独分析， 只对其原理作详细的分析。

2.1 基准电压源电路

　　传统基准电压源电路由带隙基准电路、带隙基准启动电路、比较器电路和电阻分压网络组成。

　　但本文的电源电压有时工作在2 V, 此时传统的带隙基准电路由于电源电压太低而无法工作在正常的区域； 整个片子要求的功耗非常小， 若采用传统的带隙基准电路功耗会过大。本文提出了更有效的办法， 用耗尽型工艺取代了原始的BiCMOS 工艺。

　　电路如图2 所示，M84 为耗尽型管子， 其阈值电压是可调的。在版图设计中M84 单独设计在一个隔离层中， 避免其他器件的干扰。

　　该电路是具有负反馈功能的基准电路，产生基准电压Vbd、Vb1、V b2.因为电源在非正常情况下波动范围很大， 所以电容C 的作用是使电路对电源波动太大时不敏感； SD 是电路工作的使能端， 低电平有效； R22、R21、R25 构成负反馈网络， R23、R24 构成分压电路。

　　当耗尽型MOS 管M84 工作在线性区时， 由于VGS84=0, 则M84 为一个电阻， M81 和M82 将处于饱和区工作， 输出电压可以负反馈回来从而稳定输出。

　　其推导公式为：

当耗尽型MOS 管M84 工作在饱和区时， VGS84=0,M84 为一个恒流源， 所以VGS82 恒定， 即Vbd 不变，从而输出Vb1、Vb2 也保持不变。其中Vbd、Vb1、Vb2分别为过充电、过放电比较器提供基准电压， 并且为延时产生电路提供偏置电压。其推导公式为：

　　要使式（ 7） 等于式（ 10） , 即无论M84 工作在什么区域VGS82 都不变， 则：

　　所以可以通过调节M84 和M82 的宽长比（W/L） 使之满足式（ 11） , 使VGS82 保持恒定； 通过调小管子的阈值电压（ 调节管子的掺杂浓度） 来减小基准电压源的电流从而减小功耗。采用0.6 μm、n 阱的CMOS 工艺在Hspice 中仿真的结果如图3 所示。