【導讀】本文提出了一種適用于鋰電池的電流監(jiān)測電路，通過在鋰電池供電環(huán)路引入靈敏電阻對電流進行采樣，并使用時鐘控制開關(guān)電容運算放大器和高速比較器，實現(xiàn)從模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。在處理器中進行精確電流量的運算，能對過流、短路電流進行保護，也能用于精確計算電池阻抗、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。對所設(shè)計電路進行了仿真驗證。結(jié)果表明，該電路在- 40℃～+125℃應用環(huán)境溫度范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)對電流的采樣和編碼功能，并且能對充放電動作進行判斷。
鋰電池作為新型清潔、可再生的二次能源，需精確監(jiān)測其電流、電壓及溫度等參數(shù)，并做好相應的保護電路。對于手持設(shè)備而言，更需要追求高精度、低功耗，從而降低對鋰電池的“過度”使用，延長使用壽命。
本文設(shè)計的電路在鋰電池供電環(huán)路中引入靈敏電阻對電流進行監(jiān)測，給系統(tǒng)提供充放電提示，同時可用于電量計算以及保護控制。
本文將詳細闡述電流監(jiān)測系統(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)計的電流監(jiān)測電路
模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)由采樣、量化和編碼構(gòu)成。本文設(shè)計的鋰電池電流監(jiān)測系統(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高速比較器對數(shù)據(jù)進行量化，處理器對電路進行數(shù)字邏輯控制及編碼。偏置電路提供AMP放大器自啟動支路并產(chǎn)生Vbe1和Vbe4。時鐘模塊控制系統(tǒng)開關(guān)，包括LII、LI2、LI5、LI6、LI38。處理器輸出數(shù)字信號Logic Control改變量化電容。
圖1 鋰電池電流監(jiān)測系統(tǒng)框圖
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1.1 開關(guān)電容采樣電路
如圖2所示，通過V+和V-間的靈敏電阻進行采樣；。Vbe1和Vbe4是由BE結(jié)產(chǎn)生的電壓基準；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)；時鐘控制為高時開關(guān)導通，為低時開關(guān)斷開。采樣電路的5個狀態(tài)如圖3所示。
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+的正負由互不交疊時鐘LI1、LI2控制，當LI1在狀態(tài)l為高時， V- - V+取正； 當LI1在狀態(tài)1為低時，V- - V+取負。每隔一定周期控制LI1、LI2切換，V+、V-的接法可用于實時監(jiān)測電池充放電狀態(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)。
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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)兩級運放，包括MPI26、MPI27組成的全差分放大器、MNI25共源放大器和MNI24、 CIl5組成的米勒補償。其中，LI12與LI17為差分輸入；LI26為復位信號；H模塊為數(shù)字上電電路；Vbe1與Vbe4為基準輸出；LI22為運算輸出端。
圖4 AMP放大器電路圖
自偏置電路有使能信號，若工作異常可直接關(guān)斷電路。當LI26為低時，MPI9關(guān)斷，MPI5和MPI6導通，電路正常工作，MPI4、MPI6和MPI8構(gòu)成啟動支路，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。但在設(shè)計中需考慮襯偏效應對閾值的影響，VCC比計算值略高。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LI26為高時，MPI9導通，MPI5和MPI6關(guān)斷，電路被關(guān)斷。
AMP放大器帶有米勒補償，交流小信號等效電路圖如圖5所示。其中，gm1、gm2 分別為第一級和第二級跨導。增益表示為：
圖5 AMP放大器交流小信號等效圖
其中，Rout1、Rout2分別為第一級和第二級的輸出電阻，且Rout1是Rds_MPI27、Rds_MNI26的并聯(lián)，Rout2是Rds_MPI11、Rds_MNI25的并聯(lián)，C1為等效負載電容。為了使系統(tǒng)穩(wěn)定，需對整個環(huán)路的零極點進行分析：
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)字時鐘控制，實現(xiàn)復位功能。
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LG99為低時，MP3、MP4導通，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，MP3、MP4關(guān)斷，MN5、MN6導通。此時若IN1大于IN2，則V 減小，使OUT1減小；OUT1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之間存在壓差都會在輸出上快速響應。
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2 仿真結(jié)果與分析
本文采用0.18μm CMOS工藝，使用H-spice對數(shù)字時鐘、AMP運算放大器、偏置電路和高速比較器進行了仿真驗證。
圖 7為AMP放大器交流小信號仿真數(shù)據(jù)，其中復位信號LI26為低，在LI12上加入AC=1的交流小信號。對-40℃ 、25 ℃、125 ℃ 3種溫度進行AC掃描，可知：(1)當增益降為O時，相位裕度仍保持90?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)工作點仿真數(shù)據(jù)，其中LG99為復位信號，IN1為1.200 V，對IN2在1.200 V～1.210 V范圍進行瞬態(tài)掃描。若IN1=IN2，則輸出應高于數(shù)字觸發(fā)電平，以保證時序的正確性。仿真后可知：(1)電路存在失調(diào)電壓，IN2增加時，有少量輸出 與數(shù)字邏輯不符；(2)輸入相等時，輸出靜態(tài)工作點為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應的輸出會依據(jù)信號的大小進行量化，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)生時鐘饋通效應，該電路增大了運放輸入端的寄生電容，有效減小了頻繁切換開關(guān)對輸出的影響。
圖9 采樣電路整仿曲線
采樣電路整體仿真并不完整，當SRP與SRN的差值實時變化時，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上加入正弦波信號進行掃描，從圖中可知放大器輸出會跟隨SRP的變化而變化，采樣的分辨率能夠達到要求。
本 文設(shè)計了一種適用于鋰電池的電流監(jiān)測電路，能精確監(jiān)測電流及充放電狀態(tài)。這些信息可用于控制保護電路的啟動，且能用于精確計算電池阻抗、電量等參數(shù)。電路 添加了使能控制，當工作異常時可關(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
