《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種適用于鋰電池的電流監(jiān)測電路設(shè)計(jì)
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2014年第5期
段茂平，崔佳男，周澤坤，明 鑫，張 波
（電子科技大學(xué) 電子薄膜與集成器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610054）
摘要： 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(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 μm 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。
中圖分類號(hào)： TN386.3
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2014)05-0031-04
Design of a current monitoring circuit applicable to lithium battery
Duan Maoping，Cui Jianan，Zhou Zekun，Ming Xin，Zhang Bo
State Key Lab. of Electronic Thin Films and Integrated Device, University of Electronic Science & Technology of China，Chengdu 610054，China
Abstract： A kind of current monitoring circuit which is applicable to lithium battery is proposed in this paper. The current is sampled by a sensitive resistor，which is introduced by the power supply loop, and achieves analog to digital conversion by using a clock control switched capacitor amplifier and a high-speed comparator. Accurate current operates in the processor, which can protect the circuit from operating on overcurrent or short circuit state, and also can be used to calculate the impedance, charge remaining and so on. This circuit is based on a standard 0.18 μm CMOS process, the power supply is 2.5 V. The simulation result shows that the current can be sampled and encoded when the circuit works between -40 ℃~125 ℃, it also can judge the battery is charging or not.
Key words : lithium battery；current monitoring；switched capacitor amplifier

    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(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，延長使用壽命[1]。
    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，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，COMP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LI1、LI2、LI5、LI6、LI38。處理器輸出數(shù)字信號(hào)Logic Control改變量化電容。

 




    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125 mV變化到5 mV再跳變到-125 mV，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。

    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0 V，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(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)的寬長比，從而獲得更低功耗，提高電池使用壽命。
參考文獻(xiàn)
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