0 引言

    伴隨著我國汽車產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，空氣污染、能源短缺等一系列問題也日益加劇，具有高效節(jié)能或零排放優(yōu)勢的電動汽車對于緩解上述難題具有重要意義^[1]。鋰離子電池性能優(yōu)異且基本無污染，逐漸成為電動汽車動力蓄電池組的首選，但是鋰電池對過充或過放的容忍度低得多，需要連續(xù)監(jiān)測充放電電量，避免可能使電池發(fā)生損傷的情況來延長電池壽命；其次，車用鋰電池是由一組鋰電池串聯(lián)而成以提供高到幾十伏甚至上百伏的總電壓，每節(jié)電池在不同溫度、不同荷電狀態(tài)下其電池容量、內(nèi)阻、放電率均存在差異，因此，在使用過程中不但需要對鋰電池進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，還需要根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測的結(jié)果來周期性地均衡各電池^[2]。因此，電池組的電源管理系統(tǒng)芯片是延長電池壽命，維護(hù)電動汽車安全運(yùn)行的關(guān)鍵模塊。

1 電路設(shè)計(jì)與原理分析

    本文設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓模塊應(yīng)用于電池管理芯片內(nèi)，外界待監(jiān)測電池組由12節(jié)電池串聯(lián)，每節(jié)電池滿量程5 V，在電池組輸入高壓和寬范圍變化的情況下，能夠?qū)π酒瑑?nèi)模擬部分和數(shù)字部分分別提供穩(wěn)定的工作電壓。針對數(shù)字部分對電源電壓不敏感的特點(diǎn)，數(shù)字電源電壓產(chǎn)生電路可簡化處理，以減小設(shè)計(jì)難度和芯片成本。同時(shí)本模塊具有上電復(fù)位、過流保護(hù)和過溫保護(hù)功能，使芯片在復(fù)雜的工作環(huán)境下能夠安全可靠地工作。整體電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 偏置電路

    偏置電路為整個(gè)電路中的各支路提供合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，是整個(gè)電路能夠啟動和正常工作的先決條件。偏置電路如圖2所示。

    芯片輸入電壓可高達(dá)60 V，電路上電后，M1首先導(dǎo)通，產(chǎn)生參考電流I_ref1，通過M2、M3、M4鏡像，分別產(chǎn)生V_b1、V_b2、V_b3、V_b4；由于柵電容充電， M5、M6-M7延時(shí)一定時(shí)間后導(dǎo)通，產(chǎn)生V_b5，M8接著導(dǎo)通產(chǎn)生V_b6。其中V_b1用于產(chǎn)生上電復(fù)位信號，V_b2、V_b6分別為數(shù)字電源電壓和模擬電源電壓產(chǎn)生電路提供偏置電壓。

1.2 模擬電源電壓產(chǎn)生電路及過流保護(hù)電路

    模擬電源電壓產(chǎn)生電路是穩(wěn)壓模塊的核心部分，由啟動電路、帶隙電路和過流保護(hù)電路三部分組成。如圖3所示。

    啟動電路：模塊上電過程中，電路中存在簡并偏置點(diǎn)，因此需要啟動電路提供起動電流使電路脫離零偏置點(diǎn)，并在電路正常啟動后停止工作^[3]。M13-M14、M15、M16-M18組成啟動電路，電路上電后， M4導(dǎo)通， M16-M18導(dǎo)通后使V_b2下拉至低電平，從而M15開啟并通過R5形成通路，使電路啟動。M13-M14導(dǎo)通后上拉V_b2至高電平，M15截至，電路啟動完成。

    帶隙電路：雙極晶體管基極-發(fā)射極電壓具有負(fù)溫度特性，而工作在不同電流密度下的兩個(gè)晶體管，其基極-發(fā)射極電壓的差值具有正溫度特性，利用兩者之間的相互補(bǔ)償，產(chǎn)生零溫度系數(shù)的帶隙電壓^[4]。M9-M10與M11-M12過驅(qū)動電壓及W/L分別相等，即流過Q0與Q1的電流相等，其中Q0由10個(gè)Q1并聯(lián)而成，則Q1與Q0基極-發(fā)射極的電壓差在R2上產(chǎn)生正溫度系數(shù)電流I_PTAT。

    過流保護(hù)電路：對芯片錯(cuò)誤使用或外界條件劇烈變化時(shí)可導(dǎo)致內(nèi)部電流變大,引起芯片損壞。因此需要保護(hù)電路檢測負(fù)載電流的變化，當(dāng)電流超載時(shí)觸發(fā)保護(hù)機(jī)制。Q3對負(fù)載電流進(jìn)行采樣，通過M20、M21組成的電流鏡鏡像流過R6及Q6，當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到所設(shè)定閾值時(shí)，D2管反向擊穿并流過電流，Q4、Q5導(dǎo)通，M19柵極電壓拉低，M19截止，則輸出得到保護(hù)。

1.3 數(shù)字電源電壓產(chǎn)生電路

    數(shù)字電路抗干擾能力強(qiáng)，對電平變化不敏感，可以通過PMOS、NMOS的柵源電壓疊加的實(shí)現(xiàn)方法，電路結(jié)構(gòu)既簡單、同時(shí)可高度兼容工藝偏差帶來的不確定性。

    數(shù)字電源電壓產(chǎn)生電路如圖4所示，DVDD=V_gs22+V_sg23+V_gs25-I₂·R7；為減小負(fù)載電流對I₂的影響，設(shè)計(jì)中M27采用15個(gè)并聯(lián)以增加分流能力，V_gs27=V_gs26+I₂·R7，I₂+I₃=I；I↑→I₂↑→V_gs27↑→I₃↑→I₂↓；通過負(fù)反饋機(jī)制減小了負(fù)載電流變化對I₂的影響，即增加了DVDD的穩(wěn)定性。電路中存在高壓問題，因此需要采取保護(hù)措施以防止某些管子被高壓擊穿。正常工作時(shí)，M22導(dǎo)通，D3截止，當(dāng)電路中出現(xiàn)負(fù)載過載等情況時(shí)，V_g22↓，則M22截止，V_g26↑，D3導(dǎo)通，由于D3的鉗位作用，則V_gs26=V_g26-V_g22被限制在M26的耐壓容限范圍內(nèi)，M26得到保護(hù)。

1.4 上電復(fù)位電路

    上電復(fù)位電路對數(shù)字電路中的寄存器、觸發(fā)器、鎖存器等具有記憶功能的元件及模擬電路中的振蕩器、比較器等模塊進(jìn)行初始狀態(tài)設(shè)置，確保整個(gè)電路上電后進(jìn)入正確的工作狀態(tài)。復(fù)位電路如圖5所示。在芯片內(nèi)部集成上電復(fù)位電路可提高芯片集成度，簡化板級布局布線、減小線間串?dāng)_噪聲影響^[5-6]。電源上電后，M36截至， M2導(dǎo)通并通過M32-M34產(chǎn)生高電平V_b3作用于M35柵極，此時(shí)電容C1上極板通過M35對地泄放電荷，上極板保持低電平。隨著M5-M7柵電容充電，M5-M7導(dǎo)通，V_b5產(chǎn)生， M36-M38導(dǎo)通并將V_b3拉低，M35截止，M39，M40-M41組成的電流鏡產(chǎn)生電流對電容C1充電，當(dāng)電容兩端電壓升至施密特觸發(fā)器的閾值電壓時(shí)，POR信號跳轉(zhuǎn)至低電平，上電復(fù)位過程結(jié)束。施密特觸發(fā)器提供電壓遲滯，可防止POR信號在閾值電壓附近的跳變，增大了復(fù)位電路的抗干擾能力。

1.5 過溫保護(hù)電路

    本文中的電源模塊為整個(gè)芯片內(nèi)部供電且工作在高壓下，因此功耗較大，當(dāng)環(huán)境溫度較高或內(nèi)部電流急劇變大時(shí)，都有可能導(dǎo)致芯片內(nèi)部溫度過高，使芯片損壞。為了防止這種情況，需要過溫保護(hù)電路，在內(nèi)部溫度超過某一設(shè)定的溫度時(shí)，將系統(tǒng)關(guān)閉。過溫保護(hù)電路如圖6所示。

    過溫保護(hù)電路利用IPTAT電流和雙極晶體管基極-發(fā)射極電壓的負(fù)溫度特性來檢測溫度變化，并通過正反饋機(jī)制產(chǎn)生溫度迴差，以防止過溫信號在臨界溫度處跳變。溫度較低時(shí)，Q7截止，M31導(dǎo)通，I_PTAT電流由上文中的帶隙電路產(chǎn)生，流過R8產(chǎn)生V_bQ7，溫度升高時(shí)，V_bQ7增大，V_beQ7減小，當(dāng)V_bQ7＞V_beQ7時(shí)，Q7導(dǎo)通，M31截止，輸出電平跳轉(zhuǎn)產(chǎn)生過溫標(biāo)志信號，此時(shí)I_PTAT流經(jīng)R8、R9；反之，溫度降低時(shí)，當(dāng)V_bQ7＜V_beQ7時(shí)，電路返回正常工作狀態(tài)。溫度升高和溫度降低過程中，I_PTAT電流的臨界值分別為I_PTAT1=V_beQ7/R8，I_PTAT2=V_beQ7/(R8+R9)，可知，I_PATA1＞I_PATA2，即T1＞T2。通過改變R8、R9的大小，可選擇合適的溫度迴差。

2 電路仿真結(jié)果分析

    基于XFAB 0.35 μm BCD工藝和HSPICE Cadence 仿真工具，對模塊的輸出-輸入穩(wěn)壓特性、溫度特性、復(fù)位功能、過流保護(hù)和過溫保護(hù)功能進(jìn)行了仿真。

2.1 輸出-輸入特性曲線仿真

    當(dāng)輸入電壓從0 V～60 V全量程變化，負(fù)載電流均為4 mA時(shí)，AVDD與DVDD的變化如圖7所示，鋰電池組作為電源不能過度放電，因此取芯片正常工作時(shí)，輸入電壓范圍為10 V～60 V。AVDD與DVDD分別變化12 mV、0.12 V。

2.2 溫度特性仿真

    輸入電壓為50 V，負(fù)載電流均為4 mA，溫度在-45 ℃～125 ℃變化時(shí)，輸出的掃描結(jié)果為圖8所示。全溫度范圍內(nèi)AVDD變化為6 mV，溫漂系數(shù)為7.8 ppm/℃，DVDD變化0.76 V。

2.3 復(fù)位功能仿真

    用瞬態(tài)分析法，得復(fù)位信號在電源上電過程中的波形如圖9。上電后電容上電壓為低電平，復(fù)位信號POR跟蹤DVDD，500 μs后變?yōu)楦唠娖?，電路處于?fù)位狀態(tài)。2.1 ms后電容兩端電壓達(dá)到施密特觸發(fā)器的閾值電壓，POR翻轉(zhuǎn)為低電平，復(fù)位結(jié)束，電路進(jìn)入正常工作狀態(tài)。POR脈沖寬度為1.6 ms。電源二次掉電情況下，POR模擬如圖，6 ms～6.01 ms，電源快速掉電，6.01 ms～6.51 ms電源再次上電，POR功能正常。

2.4 過流保護(hù)功能仿真

    本模塊中模擬部分額定電流不超過4 mA設(shè)計(jì)中需考慮留有一定余量，因此過流保護(hù)開啟的最小電流設(shè)定為10 mA，對負(fù)載電流進(jìn)行DC掃描如圖10所示，當(dāng)電流從0增至10 mA時(shí)，DP開始開啟，輸出關(guān)斷，從而達(dá)到了保護(hù)電路的目的。

2.5 過溫保護(hù)功能仿真

    如圖11所示，從正方向和負(fù)方向分別做溫度掃描，溫度正向變化時(shí)，當(dāng)溫度達(dá)到150 ℃時(shí)，過溫信號HOT變?yōu)楦唠娖剑^溫保護(hù)功能開啟；負(fù)方向掃描時(shí)，溫度降至145 ℃時(shí)，HOT變?yōu)榈碗娖?，芯片重新正常工作，溫度迴差? ℃。

3 結(jié)論

    本文基于XFAB 0.35 μm工藝，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求，完成了一款應(yīng)用于電池管理芯片中穩(wěn)壓模塊的設(shè)計(jì)，負(fù)載電流為4 mA，輸入電壓在10 V～60 V范圍內(nèi)，模擬電源電壓與數(shù)字電源電壓變化分別為12 mV、0.12 V；負(fù)載電流4 mA，溫度-45 ℃～125 ℃內(nèi)，模擬電源電壓變化6 mV，溫漂系數(shù)為7.8 ppm/℃，數(shù)字電源電壓變化0.76 V；電源正常上電及二次掉電情況下，復(fù)位電路能夠穩(wěn)定可靠工作，復(fù)位脈沖寬度為1.6 ms；AVDD過流保護(hù)功能在在負(fù)載電流高于10 mA時(shí)開啟，過溫保護(hù)電路溫度迴差為5 ℃。

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