单锂离子电池保护电路具有高可靠性和低功耗外文翻译资料

A single lithium-ion battery protection circuit with high reliability and low power consumption

Jiang Jinguang(江金光)and LiSen(李森)

1InternationalSchoolofSoftware,Wuhan University,Wuhan430072,China

2SuzhouInstitute,Wuhan University,Suzhou215123,China

3SchoolofPhysicsandTechnology,Wuhan University,Wuhan430072,China

Abstract: A single lithium-ion battery protection circuit with high reliability and low power consumption is proposed. The protection circuit has high reliability because the voltage and current of the battery are controlled in a safe range. The protection circuit can immediately activate a protective function when the voltage and current of the battery are beyond the safe range. In order to reduce the circuitrsquo;s power consumption, a sleep state control circuit is developed. Additionally, the output frequency of the ring oscillation can be adjusted continuously and precisely by the charging capacitors and the constant-current source.The proposed protection circuit is fabricated ina0.5 mixed-signal CMOS process.The measured reference voltage is 1.19V,the over voltage is 4.2V and the under voltage is 2.2V.The total power is about 9.

Keywords: lithium-ion battery;OV;UV;reference voltage;over current(OC);short circuit(SC)

1. Introduction

Since lithium-ion batteries have high energy density,high cell voltage,no memory effect,low self-discharge rate and long service life compared to their main rival, NiMH batteries, Li-ion batteries have already been applied as power sources for many 3C (computer, communication, and consumer electronics)products,especially in portable electronics devices Additionally, many countries are taking steps to cut their nationsrsquo; greenhouse gas emissions. In particular, auto emission standards are getting stricter and will force vehicles to become more fuel efficient.Because of these demands,the electric vehicle(EV) and the hybrid electric vehicle(HEV) have attracted moreandmoreattentionforfueleconomyandeco-friendliness from automakers, governments, and customers. However, due to the fragility and sensitivity to voltage and current (for example an overcharge has a high risk of explosion and an over discharge of the battery cell reduces the life cycle of the battery cell, lithium-ion batteries are not considered for wide applications.So,the design and realization of a lithium-ion battery protection circuit with high reliability is a challenge and a difficult task for designers.Moreover,owing to the high demand for the length of time the battery is used,low consumption is another key factor f or the protection circuit. In order to realize the protection circuit, many methods have been proposed.The methods all have their advantages in protecting batteries from harm.However,most of these methods have been complex to understand and realize.Toimprovethereliabilityandlowerthepowerconsumption,thispaperfocusesonnewandsimplearchitecturesfortheprotection circuit. The voltage band gap reference (VBG) and produce a stable reference voltage with low temperature coefficient.The current detection circuits monitor the current of the battery to avoid short circuit (SC) and over current (OC). The voltage of the battery is detected by the over voltage detection (OVD) and under voltage detection(UVD) circuits to make the battery work in the range of the normal voltage.The controller is the brain of the whole circuit; it can deal with all the information from other blocks and give appropriate orders to protect the battery from harm.OSC in the controller provides the clock for the circuit.Additionally,a sleep state control(SSC) circuit is developed to reduce the power consumption of the circuit.

1. The structure of the single lithium-ion battery protection circuit

A block diagram of the proposed single lithium-ion battery protection circuit is shown in Fig.1.There are eight main blocks in the diagram: VBG, , voltage detection (VD), OVD, UVD, over current detection (OCD), short circuit protection(SCP)and controller.VBG and are band gap reference circuits which could generate reference voltage to meet the circuitrsquo;s application stability needs.VD monitors the voltage of the single lithium-ion battery and then sends the voltage to OVD and UVD in real time.is monitored and protected by OCD and SCP. According to the monitoring information above,the controller decides whether it is necessary to perform OV,UV,OC or SC protection schemes.If the lithium-ion battery is OV, DO is low so that the charging switch NMOS2 is turned off,then the circuit stops charging.Simultaneously,the circuit forbids discharging when the lithium-ion battery is UV, OC and SC.The power source for each component of the protection circuit is obtained from the battery itself.

Fig.1.Thesinglelithium-ionbatteryprotectioncircuit

1. Detailed description of the circuit

3.1. VBG and circuit

A schematic diagram of the proposed VBG is shown in Fig.2.The VBG is a band gap reference circuit relative to VDD. The negative temperature coefficient bipolar transistors npn1, npn2 and npn3 lower the temperature coefficient of the changeable power source circuit.The differential amplifier with active current mirror Mn4 constituted by Mn2, Mn3, Mp3 and Mp4 transforms differential input signals to a single-ended output signal Vo1. Then Vo1 is sent to some other blocks of the circuit through the common source stage amplifier made up of Mn5 and Mp6. The common source stage amplifier can enhance the efficiency and enlarge the output voltage swing. In order to solve the stability problem of the band gap reference circuit,a Miller compensation circuit consisting of R1 and Mp5 is developed. Mp1, Mp2 and Mn1 constitute a start-up circuit to guarantee that the amplifier works regularly when t

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单锂离子电池保护电路具有高可靠性和低功耗

1. 介绍

由于锂离子电池与其主要竞争对手NiMH电池相比，锂离子电池具有更高的能量密度，更高的电池电压，无记忆效应，更低的自放电率和更长的使用寿命等优点，锂离子电池已经被应用于许多3C（计算机，通信和消费电子）产品的电源，特别是便携式电子设备。此外，许多国家正在采取措施，削减其国家的温室气体排放。特别是对汽车排放的标准要求更高，由于这些要求，电动汽车（EV）和混合动力汽车（HEV）吸引了更多的汽车制造商、政府和客户的经济和环保友好的关注。然而，由于对电压和电流的脆弱性和敏感性（例如，过充电具有高的爆炸风险，并且电池单体的过度放电减少了电池单元的寿命），锂离子电池不被考虑用于广泛应用.因此，设计和实现高可靠性的锂离子电池保护电路是设计人员面临的挑战和难题。此外，由于对电池的长时间使用的需求很高，低耗电率是保护电路的另一个关键因素。

为了实现保护电路，已经有许多方法被提出了。这些方法都有其保护电池免受危害的优点。然而，这些方法中的大多数是很难去理解和实现的。为了提高可靠性和降低功耗，本文重点介绍了保护电路的新颖简单的架构。电压带隙基准（VBG）和产生具有低温度系数的稳定参考电压。电流检测电路监控电池的电流，以避免短路（SC）和过流（OC）。通过过电压检测（OVD）和欠压检测（UVD）电路检测电池的电压，使电池工作在正常电压范围内。控制器是整个电路的大脑，它可以处理来自其他区块的所有信息，并给出适当的命令以保护电池免受损害。控制器中的OSC为电路提供时钟。此外，开发了睡眠状态控制（SSC）电路以降低电路的功耗。

1. 单个锂离子电池保护电路的结构

提出的单个锂离子电池保护电路的框图如图1所示。图中有八个主要方块：VBG，，电压检测（VD），OVD，UVD，过电流检测（OCD），短路保护（SCP）和控制器.VBG和是带隙参考电路，可以产生参考电压 满足电路的应用可靠性需求。VD监视单个锂离子电池的电压，然后实时将电压发送到OVD和UVD。受到OCD和SCP的监控和保护。根据上述监控信息，控制器决定是否需要执行OV，UV，OC或SC保护方案。如果锂离子电池为0V，则DO为低电平，使充电开关NMOS2断开，电路停止充电。同时，当锂离子电池为UV，OC，SC时，电路不允许放电。保护电路的每个部件的电源是从电池本身获得的。

图1 单锂离子电池保护电路

1. 电路详细说明

3.1、 VBG和电路

所提出的VBG的示意图如图2所示。VBG是相对于VDD的带隙参考电路。 负温度系数双极晶体管npn1，npn2和npn3降低可变电源电路的温度系数。由Mn2，Mn3，Mp3和Mp4构成的有源电流镜Mn4的差分放大器将差分输入信号转换为单端输出信号Vo1。然后通过由Mn5和Mp6组成的公共源级放大器将Vo1发送到电路的其他模块。公共源级放大器可以提高效率并扩大输出电压的摆幅。为了解决带隙参考电路的稳定性问题，开发了由R1和Mp5组成的米勒补偿电路。 Mp1，Mp2和Mn1构成启动电路，以确保放大器上电时其能够工作正常。由于两个近似相等的输入电压差分放大器，等式（1）可以写成

,(1)

其中VBE2和VBE3分别是npn1和npn2的基极-发射极电压。根据公式,等式（1）可以被改进为

(2)

其中VT是热电压。假设，等式（2）可以重写为

，（3）

从图1可以看出输出电压

,(4)

根据等式（2）和（3），等式（4）可以简化为

.（5）

在等式（5）中，具有负温度系数，具有正温度系数，所以R3，R4，R5和n的适当值可以产生低温度系数VBG。 当R3，R4，R5和n被确定为显式值时，VVBG是相对于VDD的固定值。

为了将转换为，开发电路，如图3所示。 在输出端，使用低通滤波器净化，然后将作为OCD的参考电压进行保存.

图2 VBG的示意图

图3 所提出的电路的示意图

3.2、 电流检测电路

如图4所示，电流检测电路包括两部分：比较器和施密特触发器。比较器由具有有源电流镜的差分放大器和公共源单级放大器组成.可以将由充电或放电电流产生的信号与参考电压进行比较，然后输出单端信号。公共源单级放大器放大单端信号，施密特触发器重构单端信号，因此该信号具有更强的抵抗噪声干扰的能力。

图4 电流检测电路示意图

3.3、电压检测，过压检测和欠压检测电路

如图5所示，VD电路采用电阻分区的结构设置OV和UV的大小.电阻分级的并联结构增强了电压检测的稳定性，提高了从电源收集的电压精度。OVD和UVD电路是由具有有源电流镜的差分放大器和公共源级单级放大器组成的比较器。比较器将和与进行比较，然后将和分别作为充放电控制信号发送到控制器。

图5 VD、OVD和UVD电路示意图

3.4、控制电路

控制器电路是整个系统的关键部分。 所有检测到的信号都会聚合到该模块中，然后该部分输出信号来控制整个电路。图6中有七个主要方块：状态检测（SD），SSC，OSC，分频器，优先级判定（JOP），输出控制和禁止充放电（PCAD）。SD接收并处理检测到的信号，从而可以获得电池的工作状态。JOP判断来自SD的信号的优先级，然后将最高优先级信号输出到输出控制电路。 输出控制电路控制充电信号CO和放电信号DO以决定电池的工作状态.OSC和分频器为SD提供时钟信号。 为了降低功耗，当电池电压低于UV时，SSC使OSC和分频器进入空闲状态。

SSC电路如图7所示。 、、、和AMP构成减法器，所以可以写为

.(6)

当，，和具有相同的大小时，等式（6）可以改写为

.(7)

然后比较器COMP_2比较和来判断空闲状态。为了提高空闲状态信号的驱动能力，开发了由Mp28，Mp29，Mn23和Mn24组成的转换器的负电阻。 最后，使能信号EN由短路负载信号Short_De，UV信号和空闲状态信号决定。 如表1所示，可以通过改变Short_De，和来获得八种EN信号。

从表1可以看出，如果和为0且Short_De为1，则EN仅为0。因此，仅当负载未短路时，电池才进入空闲状态，同时电池电压处于UV且 lt;。

OSC提供时钟电路。 如图8所示，OSC的主要结构是环形振荡器。 时钟周期由电容器的充电和放电时间决定。方程可以写为

,(8)

其中U是容量上的电压差。 C和I分别为电容值和恒流源。 所以时钟周期可以大致写为

,(9)

因为和相同，所以具有相同的值，等于，其中是Mp30-Mp33的阈值电压。可以简化（9）为

,(10)

从等式（10）可以看出，可以通过改变容量的大小和恒流功率来建立电路的时钟周期。

表格1、Eight种类的EN信号

图6 控制器电路示意图

图7 SSC电路示意图

图8 OSC电路示意图

1. 建议的电池保护电路的仿真和测量

所提出的电池保护电路已经在具有3V电源的0.5混合信号CMOS工艺中实现。 芯片的总面积约为1.05〜0.73。图9显示了电池保护电路的显微照片，由Cadence Spectre进行了仿真，并由示波器测量。在正常工作环境下，提出的保护电路的总功率 约9W。 此外，当电路进入空闲状态时，功耗为0.3W。

首先，的仿真特性如图10所示，从图10（a）可以看出，与成正比，相对于VDD的参考电压为1.19V，如图10（b）所示， 为了获得稳定的参考电压，电路的最低工作电压为1.5V。图10（c）显示当温度从-40℃升至120℃时，电压波动仅为约4mV，因此温度系数 约为21ppm /℃。

图11显示了的仿真结果。 相对于GND的参考电压为1.19 V，电路最低工作电压为1.8V，因此整个电路的正常工作电压必须高于1.8V。

第二，电流检测电路的仿真特性如图12所示。当电流或短路电流升高到100mV时，电路停止放电，保护电池不受损害。当降至 79mV。

第三，OVD和UVD电路的模拟输出如图13所示。从图13（a）可以看出，当电压高于4.25V时，电池被禁止充电。因此电池的最高电压为4.25 V.电池恢复充电能力 当电压低于4.15V时，另请注意，图13（b）电池不能放电至0V; 它具有2.3V的最低电压。因此，电池的电压从2.3到4.25V的范围。图14显示了OSC的仿真结果。 输出频率为3.5kHz。

图15显示了电池保护电路的测量结果。图15（a）显示了OV的测试结果，图15（b）显示了UV的测量结果。 测量结果均符合有关责任要求.

图10（a）的仿真结果。

（b）参考电压相对于。

（c）的温度特性。

它们之间的关系和图13所示的仿真结果主要是由电容器的寄生效应和过程和温度的变化产生的。 触发保护方案和电路工作条件的保护标准如表2所示。 所提出的锂离子电池保护电路与其他相关的锂离子电池保护电路之间的性能比较列于表3。

图9保护电路的显微照片

图10 的仿真特性

图11 的仿真特性

图12 电流检测电路的特征

图13 （a）OVD电路的仿真结果（b）UVD电路的仿真结果

图14 OSC的仿真特性

图15（a）OV和（b）UV的测定结果

表2 保护标准和工作条件

表3 本工作相关的锂离子电池保护电路之间的比较

1. 结论

单锂离子电池保护电路具有高可靠性和低功耗消耗量。防护电路采用了保护电路的可靠性。首先，和采用差分放大器和负温度系数双极晶体管的结构，获得稳定和较低的温度系数参考电压。第二，通过检测电流进行充电和放电电流保护电池从电池中保存。同时，OVD和UVD电路避免了电池被OV和UV损坏。此外，控制器还处理其他方面的信号，并保护电池。最后，通过充电电容器连续精确地调整OSC，恒流源为控制器提供时钟信号，开发SSC电路以降低电路的功耗。所提出的保护电路采用具有3 V电源的0.5m混合信号CMOS工艺制造。测量结果表明，参考电压为1.19V，OV为4.2V，UV为2.2V。在正常工作环境下，所提出的保护电路消耗3在3V供电电压下。

基于DSP的全数字锂电池保护和充电系统

1. 引言

二十五世纪以来，随着环保和能源保护需求的增加，越来越多的政府开始开发新的实用，清洁的蓄电池蓄电系统。铅蓄电池，镍氢电池（NI-MH）和锂电池常用于蓄电系统[1〜5]。铅酸蓄电池最明显的缺陷如下：

1. 每单位电压低（平均电压lt;1.2v）
2. 功率密度低
3. 使用寿命短
4. 由于浪费造成环境污染
5. 自放电量高（每月20％〜35％）

NI-MH电池最明显的缺陷如下：

1. 每单位电压低（1.2v）
2. 功率密度低。
3. 使用寿命短
4. 记忆效应。
5. 自放电量高（每月15％〜30％）

与上述电池相比，锂电池最突出的特点如下：

1. 每单位电压高（3.6v）
2. 高功率密度
3. 使用寿命更长
4. 没有记忆效应
5. 自放电率低（每月2％〜5％）
6. 无环境污染。

由于上述优点，锂电池广泛应用于HEV驱动系统。

2传统锂电池保护及其缺陷

锂电池在广泛使用中，由于自身问题开始出现缺陷：

1. 对其电压敏感：过电压和低电压可能导致其损坏;
2. 对其电流敏感：高电流充放电可能导致其损坏;
3. 对周围温度敏感：高温可能导致爆炸;

鉴于这些事实，大多数制造工厂开始开发自己的锂电池保护芯片， 图1示出了基于芯片FS312的一种保护电路拓扑。

图2显示了其在充电模式下工作的电路拓扑。

图3显示了其在放电模式下工作的电路拓扑。

但是在许多情况下，由于电压低，电流不足，电源不能提供足够的能量来加载。 为了提高电力系统的电压和电流额定值，电池需要串联并联。 但经过一段时间的充放电后，上述电力系统开始暴露其缺点：

1）每台机组不能保持一致性，其电压差越来越大。

2）放电MOSFET V1经常在低电压下导通，导致很多热量不能消除。

3）当系统电压未达到其预期的充电电压额定值时，充电MOSFET V2关闭。

4）在很多情况下，高放电电流不能正常工作。 为了解决上述问题，开发出新的保护电路。

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