第

11 卷第 1 期电路与系统学报 Vol.11 No.1

2006 年 2 月

JOURNAL OF CIRCUITS AND SYSTEMS

February， 2006

文章编号：

1007-0249 (2006) 01-0024-05

锂电池管理芯片的过流保护功能设计及实现

朱卓娅，

程剑平，魏同立

（东南大学

微电子中心，江苏南京 210096）

摘要：针对锂电池应用特点，设计了用于电池管理芯片的过流保护功能模块。电路采用

0.6

µm N 衬底双阱 CMOS

工艺实现。

HSPICE 后仿真结果表明，该模块不仅能对锂电池放电过程实现三级过流检测和保护，还能对充电过程中

的过流进行有效管理。通过功耗管理和采用基于亚阈值

MOS 管的电路，模块消耗电流仅为 1.2

µA，能充分满足较复杂

的电池管理芯片的需要。

关键词：锂离子电池；电池管理芯片；过流保护

中图分类号：

TN432

文献标识码：

1 引言

和其它二次电池相比，锂电池有更高的体积密度、能量密度，并有高达

4.2V 的单节电池电压，因

此在移动电话、个人数字助理（

PDA）、数码相机等便携式电子产品中获得了广泛的应用，甚至被认为

是上世纪

90 年代能源技术的一个重要里程碑

[1]

。

为了确保使用的安全性，锂电池应用中必须要有相应的电池管理芯片，来防止电池的过充电、过

放电和过电流

[2]

。但考虑到电路的成本和尺寸，有时并不需要将所有的功能都集成在一起，而是希望

针对不同的电池设计不同的保护功能。另外，在实际的锂电池管理芯片设计中，有以下因素需要着重

考虑：一是功耗，由于芯片的驱动电流始终来自于被保护的电池，因此要求芯片的电流消耗尽可能地

低，从而可以尽量延长电池的工作时间；二是工作电压，芯片有可能在电池过放电的情况下工作，甚

至还要保证电池在零伏时能够正常充电，所以设计时必须考虑电路的低电压工作能力；此外，电路必

须能适应电池电压在

1.5V

∼5V 范围内波动。

为了便于锂电池管理芯片中功能的组合，本文设计了三级放电过流检

测电路及充电过流检测电路。为了有效降低电流消耗，设计了基于亚阈值
MOS 管的电路，并对电路进行了功耗管理。最后，对电路进行了版图设计，
并结合一个芯片实例的后仿真来验证结果。

2 功能设计

锂电池既可以接充电器充电也可以接负载放电，图

1 给出了单节锂电池和保护电路的应用简图。

图

1 中，V

和 V

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功率 MOS 管 N1

和

N2，来控制电池的充电及放电回路。正常工作时，CO 和 DO 均为与 V

相等的高电平，此时

和

N2 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，N1 截止，充

电回路被切断，但电池仍然可以通过

N1 的寄生二极管向负载放电；当 DO 为低电平时，N2 截止，放

电回路被切断，但

N2 的寄生二极管仍保证了电池可以进行充电。

图

1 中还提供了 V

端检测充、放电过程中的过流情况。以放电为例，当电池接负载放电时，过

流检测电压：

⋅

= 2

（1）

式中，I 为放电电流，R

为功率

MOS 的导通电阻。应用中为了降低 V

值，有效利用放电或充电电流，

N1、N2 的导通电阻应尽可能地小，一般取 20mΩ~30mΩ。在放电时，过流检测电压 V

与式（

1）相

* 收稿日期：2005-05-25 修订日期：2005-06-28

图

1 锂电池应用简图