一種適用于鋰電池的電流監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)

提出了一種適用于鋰電池的電流監(jiān)測(cè)電路，通過在鋰電池供電環(huán)路引入靈敏電阻對(duì)電流進(jìn)行采樣，并使用時(shí)鐘控制開關(guān)電容運(yùn)算放大器和高速比較器，實(shí)現(xiàn)從模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。在處理器中進(jìn)行精確電流量的運(yùn)算，能對(duì)過流、短路電流進(jìn)行保護(hù)，也能用于精確計(jì)算電池阻抗、電量等相關(guān)參數(shù)。電路基于0.18 m CMOS工藝，電源電壓為2.5 V.對(duì)所設(shè)計(jì)電路進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明，該電路在- 40℃~+125℃應(yīng)用環(huán)境溫度范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電流的采樣和編碼功能，并且能對(duì)充放電動(dòng)作進(jìn)行判斷。

鋰電池作為新型清潔、可再生的二次能源，需精確監(jiān)測(cè)其電流、電壓及溫度等參數(shù)，并做好相應(yīng)的保護(hù)電路。對(duì)于手持設(shè)備而言，更需要追求高精度、低功耗，從而降低對(duì)鋰電池的“過度”使用，延長(zhǎng)使用壽命。

本文設(shè)計(jì)的電路在鋰電池供電環(huán)路中引入靈敏電阻對(duì)電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，給系統(tǒng)提供充放電提示，同時(shí)可用于電量計(jì)算以及保護(hù)控制。

本文將詳細(xì)闡述電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理以及內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)，并給出H-spice仿真結(jié)果及相關(guān)結(jié)論。

1 本文所設(shè)計(jì)的電流監(jiān)測(cè)電路

模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）由采樣、量化和編碼構(gòu)成。本文設(shè)計(jì)的鋰電池電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖如圖1所示。其中，電容和AMP放大器組成開關(guān)電容采樣電路，C0MP高速比較器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行量化，處理器對(duì)電路進(jìn)行數(shù)字邏輯控制及編碼。偏置電路提供AMP放大器自啟動(dòng)支路并產(chǎn)生Vbe1和Vbe4。時(shí)鐘模塊控制系統(tǒng)開關(guān)，包括LII、LI2、LI5、LI6、LI38。處理器輸出數(shù)字信號(hào)Logic Control改變量化電容。

圖1 鋰電池電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖

1.1 開關(guān)電容采樣電路

如圖2所示，通過V+和V-間的靈敏電阻進(jìn)行采樣；.Vbe1和Vbe4是由BE結(jié)產(chǎn)生的電壓基準(zhǔn)；C3容值用n（2的倍數(shù)）表示（C為單位電容值，C1=C2=1C,C3=C4=nC,C5=8C）；時(shí)鐘控制為高時(shí)開關(guān)導(dǎo)通，為低時(shí)開關(guān)斷開。采樣電路的5個(gè)狀態(tài)如圖3所示。

（1）LIl、LI2、LI38、LI5、LI6=10101,VA=Vbe1, VB=Vbe1,VC1=0,VC2=Vbe1 - Vbe4 ,VC3=Vbe1 - V+,VC4=Vbe1 - V-,VC5=0,VOUT為：

VOUT = VB = Vbe1 （1）

（2）LI1、LI2、LI38、LI5、LI6=10001,開關(guān)切換后狀態(tài)2保持狀態(tài)1,則VOUT = Vbe1。

（3）LI1、LI2、LI38、LI5、LI=00000,開關(guān)全斷開，保持上一狀態(tài)， VOUT = Vbe1。

（4）LI1、LI2、LI38、LI5、LI6=01010,V+、 V-切換，Vbe1、Vbe4也切換。根據(jù)C1、C3電荷守恒定律得：

由運(yùn)放特性可知VB =VA .已知 VA、VB 可以得到VC1 = VA - Vbe4, VC2 = VB - Vbe1, VC3 = VA - V-, VC4 = VB - V+, VC5 = VB - VOUT, 依據(jù)C2、 、C5電荷守恒定律得：

其中， V- - V+的正負(fù)由互不交疊時(shí)鐘LI1、LI2控制，當(dāng)LI1在狀態(tài)l為高時(shí)， V- - V+取正； 當(dāng)LI1在狀態(tài)1為低時(shí)，V- - V+取負(fù)。每隔一定周期控制LI1、LI2切換，V+、V-的接法可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池充放電狀態(tài)。根據(jù)式（3）和圖1可知，VOUT與Vbe1通過比較器比較將產(chǎn)生△V 的差值，這時(shí)改變采樣并聯(lián)電容n的值可調(diào)節(jié)△V ，起到量化作用。

（5）LI1、LI2、LI38、LI5、LI6=00000,所有開關(guān)斷開， oUr保持上一狀態(tài)。

1.2 AMP放大器電路

AMP放大器電路如圖4所示，主要包括：（1）自偏置電路，由MPI3~MPI9、QPI1和QPI4組成；（2）兩級(jí)運(yùn)放，包括MPI26、MPI27組成的全差分放大器、MNI25共源放大器和MNI24、CIl5組成的米勒補(bǔ)償。其中，LI12與LI17為差分輸入；LI26為復(fù)位信號(hào)；H模塊為數(shù)字上電電路；Vbe1與Vbe4為基準(zhǔn)輸出；LI22為運(yùn)算輸出端。

圖4 AMP放大器電路圖

自偏置電路有使能信號(hào)，若工作異?？芍苯雨P(guān)斷電路。當(dāng)LI26為低時(shí)，MPI9關(guān)斷，MPI5和MPI6導(dǎo)通，電路正常工作，MPI4、MPI6和MPI8構(gòu)成啟動(dòng)支路，則：

VCC≥2 VMPgs +Vbe （4）

其中，VMPgs是PMOS的Vth,Vbe是二極管開啟電壓。只要VCC滿足式（4），電路就能正常啟動(dòng)。但在設(shè)計(jì)中需考慮襯偏效應(yīng)對(duì)閾值的影響，VCC比計(jì)算值略高。QPI1和QPI4發(fā)射極面積比為1:4，由此可得Vbe1與Vbe4差值為VTln4。當(dāng)LI26為高時(shí)，MPI9導(dǎo)通，MPI5和MPI6關(guān)斷，電路被關(guān)斷。

AMP放大器帶有米勒補(bǔ)償，交流小信號(hào)等效電路圖如圖5所示。其中，gm1、gm2 分別為第一級(jí)和第二級(jí)跨導(dǎo)。增益表示為：

圖5 AMP放大器交流小信號(hào)等效圖

其中，Rout1、Rout2分別為第一級(jí)和第二級(jí)的輸出電阻，且Rout1是Rds_MPI27、Rds_MNI26的并聯(lián)，Rout2是Rds_MPI11、Rds_MNI25的并聯(lián)，C1為等效負(fù)載電容。為了使系統(tǒng)穩(wěn)定，需對(duì)整個(gè)環(huán)路的零極點(diǎn)進(jìn)行分析：

其中，CI15為米勒電容，C1為VOUT1.節(jié)點(diǎn)等效電容，Rz為MNI24等效電阻（即調(diào)零電阻）。由式（9）可知，調(diào)節(jié)Rz和CI15可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定。

1.3 COMP高速比較器電路

如圖6所示， 電路由MN1~MN6和MP1~MP4組成。IN1與IN2為輸入端；OUT1與OUT2為輸出端；LG99由數(shù)字時(shí)鐘控制，實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能。

圖6 COMP高速比較器電路

電路采用正反饋技術(shù)，速度得到大大提高。當(dāng)LG99為低時(shí)，MP3、MP4導(dǎo)通，MN5、MN6關(guān)斷電路，OUT1、OUT2抬高，后端觸發(fā)器處于保持狀態(tài)。而LG99為高時(shí)，MP3、MP4關(guān)斷，MN5、MN6導(dǎo)通。此時(shí)若IN1大于IN2,則V 減小，使OUT1減?。籓UT1作用于MP2與MN2,使OUT2被抬高；而OUT2作用于MP1與MN1，使OUT1被拉低，形成正反饋。反之亦然，只要IN1與IN2之間存在壓差都會(huì)在輸出上快速響應(yīng)。

2 仿真結(jié)果與分析

本文采用0.18μm CMOS工藝，使用H-spice對(duì)數(shù)字時(shí)鐘、AMP運(yùn)算放大器、偏置電路和高速比較器進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

圖7為AMP放大器交流小信號(hào)仿真數(shù)據(jù)，其中復(fù)位信號(hào)LI26為低，在LI12上加入AC=1的交流小信號(hào)。對(duì)-40℃ 、25 ℃、125 ℃ 3種溫度進(jìn)行AC掃描，可知：（1）當(dāng)增益降為O時(shí)，相位裕度仍保持90度以上；（2）在不同溫度下，增益與相位裕度受影響不大，系統(tǒng)處于穩(wěn)定態(tài)。

圖7 不同溫度下放大器增益與相位裕度曲線

圖8為COMP高速比較器靜態(tài)工作點(diǎn)仿真數(shù)據(jù)，其中LG99為復(fù)位信號(hào)，IN1為1.200 V,對(duì)IN2在1.200 V~1.210 V范圍進(jìn)行瞬態(tài)掃描。若IN1=IN2,則輸出應(yīng)高于數(shù)字觸發(fā)電平，以保證時(shí)序的正確性。仿真后可知：（1）電路存在失調(diào)電壓，IN2增加時(shí)，有少量輸出與數(shù)字邏輯不符；（2）輸入相等時(shí)，輸出靜態(tài)工作點(diǎn)為1.5 V,能保證后端觸發(fā)器保持；（3）輸入差值不大于5 mV就能很快將輸出置高或置低。

圖8 高速比較器靜態(tài)工作點(diǎn)仿真曲線

圖9為采樣電路整仿數(shù)據(jù)，SRP、SRN為鋰電池電流采樣端，典型差值范圍為-125 mV~125 mV;LI22是運(yùn)放輸出。輸入差值從125mV變化到5mV再跳變到-125mV，采樣端電壓變化所對(duì)應(yīng)的輸出會(huì)依據(jù)信號(hào)的大小進(jìn)行量化，且通過輸出的高低來判斷工作在充電還是放電狀態(tài)。但切換開關(guān)瞬間可能產(chǎn)生時(shí)鐘饋通效應(yīng)，該電路增大了運(yùn)放輸入端的寄生電容，有效減小了頻繁切換開關(guān)對(duì)輸出的影響。

圖9 采樣電路整仿曲線

采樣電路整體仿真并不完整，當(dāng)SRP與SRN的差值實(shí)時(shí)變化時(shí)，采樣電路跟隨變化的能力如圖10所示。固定SRN 的電壓為0V,在SRP上加入正弦波信號(hào)進(jìn)行掃描，從圖中可知放大器輸出會(huì)跟隨SRP的變化而變化，采樣的分辨率能夠達(dá)到要求。

本文設(shè)計(jì)了一種適用于鋰電池的電流監(jiān)測(cè)電路，能精確監(jiān)測(cè)電流及充放電狀態(tài)。這些信息可用于控制保護(hù)電路的啟動(dòng)，且能用于精確計(jì)算電池阻抗、電量等參數(shù)。電路添加了使能控制，當(dāng)工作異常時(shí)可關(guān)斷電路。并且通過偏置的設(shè)置可調(diào)節(jié)MPI3、MPI4、MPI7、MPI8管（如圖4所示）的寬長(zhǎng)比，從而獲得更低功耗，提高電池使用壽命。

圖10 采樣電路跟隨功能仿真曲線