基于耗尽型工艺的锂电池充电保护芯片设计(20180814161437)

Ｍｉｃｒｏｎａｎｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏｌ．４５ Ｎｏ．２ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２００８基于耗尽型工艺的锂电池充电保护芯片设计张艳红 ， 张滢清（ 华侨大学 信息学院 ， 福建 泉州 ３６２０２１ ）摘要 提出了一种基于耗尽型工艺的单节锂离子电池充电保护芯片设计 。 阐述了此芯片的设计思想及系统结构 ， 并对芯片关键电路的独特设计方法及原理进行了详细分析 ， 特别是基准电路和偏置 电 路 ， 利 用 耗 尽 型 工 艺 使 电 路 具 有 非 常 低 的 电 源 启 动 电 压 和 功 耗 。 在 Ｈｓｐｉｃｅ 中 仿 真 了 采 用０．６ μ ｍ 的 ｎ 阱互补金属氧化物半导体 （ ＣＭＯＳ ） 工艺制作全局芯片的测试结果 。 验证了此芯片具有过电压检测 、 过电流检测 、 ０ Ｖ 电池充电禁止等功能 ， 可用于单节锂离子电池充电的一级保护 。关键词 耗尽型 ； 互补金属氧化物半导体 ； 低功耗 ； 电压源 ； 过充电 ； 过放电中图分类号 ＴＮ４０２ ； ＴＮ４３２ 文献标识码 Ａ 文章编号 １６７１－４７７６ （ ２００８ ） ０２－０１１８－０５Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｃｈａｒｇｉｎｇ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ｃｈｉｐ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤｅｐｌｅｔｉｏｎＰｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ Ｌｉｔｈｉｕｍ ＢａｔｔｅｒｙＺｈａｎｇ Ｙａｎｈｏｎｇ ， Ｚｈａｎｇ Ｙｉｎｇｑｉｎｇ（ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｈｕａｑｉａｏ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｑｕａｎｚｈｏｕ ３６２０２１， Ｃｈｉｎａ ）Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｃｈａｒｇｉｎｇ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｃｈｉｐ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ｓｉｎｇｌｅ ｌｉｔｈｉｕｍ ｂａｔｔｅｒｙｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ． Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ， ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈｉｐ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｔａｉｌｅｄ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆ ｋｅｙ ｃｉｒｃｕｉｔｓ， ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｉｔｓ ｂｅｎｃｈｍａｒｋ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｂｉａｓ ｃｉｒｃｕｉｔ， ｗｅｒｅ ｅｘｐｌａｉｎｅｄ． Ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｈａｓ ｖｅｒｙｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｏｆ ａ ｄｅｌｅｐｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ． Ａｌｌ ｔｈｅ ｃｈｉｐｓ ｗｉｔｈ０．６ μ ｍ ｎ－ｗｅｌｌ ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｍｅｔａｌ－ｏｘｉｄｅ－ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ （ＣＭＯＳ） ｐｒｏｃｅｓｓ ｗｅｒｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ Ｈｓｐｉｃｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｈｉｐ ｈａｓ ｏｖｅｒｖｏｌｔａｇｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ， ｏｖｅｒｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ０ Ｖ ｂａｔｔｅｒｙ ｃｈａｒｇｉｎｇｉｎｈｉｂｉｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ， ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ＩＣ ｆｏｒ ｓｉｎｇｌｅ ｌｉｔｈｉｕｍ ｂａｔｔｅｒｙ ｐａｃｋ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ ； ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｍｅｔａｌ－ｏｘｉｄｅ－ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ （ＣＭＯＳ） ； ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ；ｖｏｌｔａｇｅ ｓｏｕｒｃｅ ； ｏｖｅｒｃｈａｒｇｅ ； ｏｖｅｒｄｉｓｃｈａｒｇｅＥＥＡＣＣ ２５７０Ｄ收稿日期 ２００７－１０－２２基金项目 福建省青年科技人才创新项目 （ ２００７Ｆ３０６６ ）Ｅ－ｍａｉｌ ｍａｇｇｉｃ８８２６＠ １６３．ｃｏｍ０ 引 言锂离子电池主要应用于便携式电子产品和医疗测试仪器 ， 它以能量高 、 寿命长 、 无记忆性 、 无污染等特点排在电池行业的最前列 。 但是锂离子电池和其他很多类型的电池一样极易出现过充电 、 过放电等现象 ， 这些情况对锂离子电池更容易造成损害 ， 从而缩短它的使用寿命 。 所以要求锂电池充电应具有一级保护功能 。目前国内还没有这种电池保护的核心技术 ， 本文设计了一种锂离子电池充电保护电路 ， 此保护电路的电压 、 电流源基于耗尽型工艺设计 ， 便于实现低功耗 。 另外此保护电路的供电电压来源于电池电压 ， 所 以 要 求 此 保 护 芯 片 在 电 池 电 压 变 化 范 围微电子器件 与 技术Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ１１８２００８ 年 ２ 月 微纳电子技术第 ４５ 卷第 ２ 期（ １ ～ ８ Ｖ ） 内正常工作 。 本文设计的保护电路以低功耗 、 高精度 、 高能量密度 、 高内阻 、 高安全性等特性脱颖而出 ， 因此这种锂离子电池保护电路的应用得到了普及 。１ 系统结构的设计此芯片是单节电池的保护电路并且过电压 、 过电流的检测延迟时间是可改变的 ， 其系统设计框图如 图 １ 所 示 ， 芯 片 设 计 Ｖ Ｄ Ｄ 、 Ｖ ＳＳ 、 ＤＰ 、 ＣＯ 、 ＤＯ 、Ｖ Ｍ ６ 个引脚 。 通常情况下 ， 即电池没发生过充电 、过放电事件时 ， ＣＯ 、 ＤＯ 都为高电平 ， ＤＰ 端子悬空 ， 图 １ 中右半部分的 ６ 个 ＭＯＳＦＥＴ 是耐高压管 。工作原理是通过监视连接在 Ｖ Ｄ Ｄ 和 Ｖ ＳＳ 之间的电池电压及 Ｖ Ｍ 和 Ｖ ＳＳ 之间的电压差控制充电器的充电和放电 。１．１ 通常状态的设计如图 １ 所示 ， 通常状态下 ， 即电池电压在过放电 检 测 电 压 （Ｖ Ｄ Ｌ ） 以 上 且 在 过 充 电 检 测 电 压（Ｖ Ｃ Ｕ ） 以 下 ， Ｖ Ｍ 端 子 的 电 压 在 充 电 器 检 测 电 压（Ｖ Ｃ ＨＡ ） 以上且在过电流 １ 检测电压以下的情况下 ，设计振荡器模块不工作 ， 充电控制用 ＭＯＳＦＥＴ 和放电控制用 ＭＯＳＦＥＴ 的两方均打开 。 这时可以进行自由的充电和放电 。１．２ 过电压检测的设计当电池出现过充电时 ， 过充比较器跳变 ， 过充电检测电压 Ｖ Ｃ Ｕ 从 Ｈ 变成 Ｌ ， 经过过充电检测延迟时间后 ， 禁止电池充电 。 同时 ， 电路的输出 Ｔ Ｃ Ｕ 为Ｈ ， 经过一个反馈电路使过充电比较器的输入电压升高 ， 所以电池电压必须下降更多才能使比较器输出变为 Ｈ 。 这就实现了过充电滞后电压的设计过程 。当电池过放电时 ， 过放电检测电压 Ｖ Ｄ Ｌ 从 Ｈ 变为 Ｌ ， 经过时间 Ｔ Ｄ Ｌ 后 ， 禁止电池放电 。 此时 ， 通过０ Ｖ 充电禁止模块使 Ｖ Ｍ 升高 ， 从而五个比较器的使能端 ＳＤ 跳变为无效状态 ， 此时电路中的五个比较器都不工作 ， 而且振荡器也不工作 ， 电路进入休眠状态 。 当 Ｖ Ｍ 降低使 ＳＤ 再次发生改变时 ， 电路解除休眠状态 。 休眠状态的电流不能超过 １００ ｎＡ 。１．３ 过电流检测的设计当 Ｖ Ｍ 端子电压大于过电流 １ 检测电压 ， 并且这个状态在过电流 １ 检测延迟时间以上时 ， 关闭放电用的 ＦＥＴ 从而停止放电 。当 Ｖ Ｍ 端子电压大于过电流 ２ 检测电压 ， 并且这个状态在过电流 ２ 检测延迟时间以上时 ， 关闭放电用的 ＦＥＴ 从而停止放电 。通过不同环形振荡器的振荡频率 ， 调整过电流的检测延迟时间的长短 ， 可及时停止放电 。２ 关键电路的实现本文从低功耗 、 低成本 、 宽工作电压范围等考虑 ， 提出基于耗尽型工艺的独特设计方法 。基准电压源电路 、 过充过放迟滞电路 、 ０ Ｖ 充电禁止电路 、 振荡器电路在整个芯片中起到关键的作用 。 其中多处的基准电压源电路分别为各比较器提供合适的参考电压和为振荡器提供合适的起振电压 ， 并且使比较器和振荡器工作在弱反型区 。 此处不对各基准电压源的具体数值单独分析 ， 只对其原理作详细的分析 。２．１ 基准电压源电路传统基准电压源 ［１］ 电路由带隙基准电路 、 带隙基准启动电路 、 比较器电路和电阻分压网络组成 。但本文的电源电压有时工作在 ２ Ｖ ， 此时传统的带隙基准电路由于电源电压太低而无法工作在正常的区域 ； 整个片子要求的功耗非常小 ， 若采用传统的带隙基准电路功耗会过大 。 本文提出了更有效的办法 ， 用耗尽型工艺 ［２－ ３］ 取代了原始的 ＢｉＣＭＯＳ 工艺 。电路如图 ２ 所示 ，Ｍ８４ 为耗尽型管子 ， 其阈值电压是可调的 。 在版图设计中 Ｍ８４ 单独设计在一个隔离层中 ， 避免其他器件的干扰 。张艳红等 基于耗尽型工艺的锂电池充电保护芯片设计１１９Ｍｉｃｒｏｎａｎｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏｌ．４５ Ｎｏ．２ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２００８该电路是具有负反馈功能的基准电路 ， 产生基准电压 Ｖ ｂｄ 、 Ｖ ｂ１ 、 Ｖ ｂ２ 。 因为电源在非正常情况下波动范围很大 ， 所以电容 Ｃ 的作用是使电路对电源波动太大时不敏感 ； ＳＤ 是电路工作的使能端 ， 低电 平 有 效 ； Ｒ ２２ 、 Ｒ ２１ 、 Ｒ ２５ 构 成 负 反 馈 网 络 ， Ｒ ２３ 、Ｒ ２４ 构成分压电路 。当耗尽型 ＭＯＳ 管 Ｍ ８４ 工作在线性区时 ， 由于Ｖ Ｇ Ｓ８４ ＝０ ， 则 Ｍ ８４ 为一个电阻 ， Ｍ ８１ 和 Ｍ ８２ 将处于饱和区工作 ， 输出电压可以负反馈回来从而稳定输出 。其推导公式为Ｒ Ｏ Ｎ ８４ ＝ １μ Ｎ Ｃ Ｏ Ｘ Ｗ Ｌ “８４（Ｖ Ｇ Ｓ８４ － Ｖ Ｔ Ｈ８４ ）＝１μ Ｎ Ｃ Ｏ Ｘ ＷＬ “８４｜Ｖ Ｔ Ｈ８４ ｜（１）Ｉ ８２ ＝ １２ μ Ｎ Ｃ Ｏ Ｘ ＷＬ “８２（Ｖ Ｇ Ｓ８２ － Ｖ Ｔ Ｈ８２ ）２（２）Ｖ Ｇ Ｓ８３ ＝Ｖ Ｄ Ｄ － Ｒ Ｏ Ｎ ８４ Ｉ ８２ － Ｖ Ｇ Ｓ８２ （３）Ｉ ８３ ＝ μ Ｎ Ｃ Ｏ ＸＷＬ “８３ ［（Ｖ Ｇ Ｓ８３ － Ｖ Ｔ Ｈ８３ ）（Ｖ Ｄ Ｄ － Ｖ Ｇ Ｓ８２ ）－（Ｖ Ｄ Ｄ － Ｖ Ｇ Ｓ８２ ） ２ ］ （４）Ｉ ８１ ＝ １２ μ Ｎ Ｃ Ｏ Ｘ Ｗ Ｌ “８１Ｖ Ｇ Ｓ８２ Ｒ ２１ ＋Ｒ ２５Ｒ２２ ＋Ｒ ２１ ＋Ｒ ２５－ Ｖ Ｔ Ｈ８１ “２（ ５ ）Ｖ Ｇ Ｓ８２ ＝（Ｒ ２２ ＋Ｒ ２１ ＋Ｒ ２５ ）（Ｉ ８３ － Ｉ ８１ ） （ ６ ）联立式 （ １ ） ￣ （ ６ ） ， 并令 Ｖ Ｇ Ｓ８２Ｖ Ｄ Ｄ ＝０｜Ｖ Ｔ Ｈ８３ ｜ ２μ Ｎ Ｃ Ｏ Ｘ ＷＬ “８２２ μ Ｎ Ｃ Ｏ Ｘ Ｗ Ｌ “８４２ （Ｗ／Ｌ） ８４（Ｗ／Ｌ） ８２｜Ｖ Ｔ Ｈ８３ ｜－ Ｖ Ｔ Ｈ８２ （ ７ ）当 耗 尽 型 ＭＯＳ 管 Ｍ ８４ 工 作 在 饱 和 区 时 ， Ｖ Ｇ Ｓ８４ ＝０ ，Ｍ ８４ 为一个恒流源 ， 所以 Ｖ Ｇ Ｓ８２ 恒定 ， 即 Ｖ ｂｄ 不 变 ，从而输出 Ｖ ｂ１ 、 Ｖ ｂ２ 也保持不变 。 其中 Ｖ ｂｄ 、 Ｖ ｂ１ 、 Ｖ ｂ２分别为过充电 、 过放电比较器提供基准电压 ， 并且为延时产生电路提供偏置电压 。 其推导公式为Ｉ ８４ ＝ １２ μ Ｎ Ｃ Ｏ ＸＷＬ “８４ （Ｖ Ｇ Ｓ８４ － Ｖ Ｔ Ｈ８４ ）２ ＝１２ μ Ｎ Ｃ Ｏ ＸＷＬ “８４ Ｖ ２ＴＨ８４ （ ８ ）Ｉ ８２ ＝ １２ μ Ｎ Ｃ Ｏ Ｘ ＷＬ “８２（Ｖ Ｇ Ｓ８２ － Ｖ Ｔ Ｈ８２ ） ２ ＝Ｉ ８４ （ ９ ）则 Ｖ Ｇ Ｓ８２ ＝ （Ｗ／Ｌ） ８４（Ｗ／Ｌ） ８２｜Ｖ Ｔ Ｈ８３ ｜＋Ｖ Ｔ Ｈ８２ （１０）要使式 （ ７ ） 等于式 （ １０ ） ， 即无论 Ｍ ８４ 工作在什么区域 Ｖ Ｇ Ｓ８２ 都不变 ， 则（Ｗ／Ｌ） ８４（Ｗ／Ｌ） ８２ ＝Ｖ Ｔ Ｈ８２２ － “１ ｜Ｖ Ｔ Ｈ８３ ｜（１１）所以可以通过调节 Ｍ ８４ 和 Ｍ ８２ 的宽长比 （ Ｗ／Ｌ ） 使之满足式 （ １１ ） ， 使 Ｖ Ｇ Ｓ８２ 保持恒定 ； 通过调小管子的阈值电压 （ 调节管子的掺杂浓度 ） 来减小基准电压源的电流从而减小功耗 。 采用 ０．６ μ ｍ 、 ｎ 阱 的ＣＭＯＳ 工艺在 Ｈｓｐｉｃｅ 中仿真的结果如图 ３ 所示 。图 ２ 基准电压源电路Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｏｕｒｃｅ图 ３ 输入输出信号关系Ｆｉｇ．３ Ｒｅｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｐｕｔ ａｎｄ ｏｕｔｐｕｔ ｓｉｇｎａｌｓ张艳红等 基于耗尽型工艺的锂电池充电保护芯片设计－ Ｖ Ｔ Ｈ８２ ＝则 Ｖ Ｇ Ｓ８２ ＝ｔ／ｍｓ０ ２０ ４０ ６０ ８０ １００１２０２００８ 年 ２ 月 微纳电子技术第 ４５ 卷第 ２ 期２．２ 过充电 、 过放电迟滞电路 ［４］为了更快地解除过充电 、 过放电状态 ， 图 １ 中过充电 、 过放电比较器的输入差分电压须随电源电压的改变而改变 ， 当电池过充或过放时 ， 输出电压随电源电压变化的比例不同 ， 因此设计出图 ４ 所示的迟滞电路 。由图 ４ 可知 ， 通过控制 ＴＣＵ 和 ＴＤＬ 的开关来控 制 ＭＮ １ 和 ＭＰ １ 的 导 通 与 关 断 ， 达 到 调 节 点ＩＮ＿ＣＯＮ 和 ＩＮ＿ＯＤＰ 电压大小的目的 ， 以实现迟滞效应 。 当输出信号在和过充比较器和过放比较器相比较时 ， 比较基准电压不变 ， 计算过充电 、 过放电的迟滞电压分别为Δ Ｖ Ｄ Ｄ ＿Ｃ Ｏ Ｎ ＝Ｖ ＲＥＦ＿Ｃ Ｏ Ｎ Ｒ ２８Ｒ２６（ １２ ）Δ Ｖ Ｄ Ｄ ＿Ｏ Ｄ Ｐ ＝Ｖ ＲＥＦ＿Ｏ Ｄ Ｐ Ｒ ２９Ｒ３１（ １３ ）由式 （ １２ ） 和 （ １３ ） 可知 ， 根据具体设计要求的不同 ， 调节 Ｒ ２６ 、 Ｒ ２７ 、 Ｒ ２８ 、 Ｒ ２９ 、 Ｒ ３０ 和 Ｒ ３１ 的大小及比例关系以达到实现不同迟滞电压的目的 。２．３ ０ Ｖ 电池充电禁止电路 ［５］当电池电压低于一定值时 ， 使 ＣＯ 输出为低电平从而禁止充电器对电池进行充电 。 在此过程中因为 Ｖ Ｄ Ｄ 比较低 Ｖ Ｍ 会变得很负 ， 所以 Ｖ Ｄ Ｄ 和 Ｖ Ｍ 之间易形成很大的电流 ， 则 Ｖ Ｄ Ｄ 到 Ｖ Ｍ 之间的每一条支路上要有比较大的电阻 。 采用如图 ５ 所示的电路来控制 ＣＯ 的电压和 Ｖ Ｄ Ｄ 到 Ｖ Ｍ 之间的电流 。图 ５ 中 Ｍ １ 、 Ｍ ２ 、 Ｍ ３ 、 Ｍ ４ 、 Ｒ ｌ 和 Ｒ ２ 组成的电路完成电平转换功能 ， 抑制功能主要由 Ｍ ５ 、 Ｍ ６ 和 Ｒ ３完成 ， Ｍ ７ 、 Ｍ ８ 、 Ｍ ９ 、 Ｍ １０ 和 Ｒ ４ 组 成 的 与 非 门 在 电平转换功能和 ０ Ｖ 抑制功能之间进行选择 。 电路需要将逻辑低电平转化为与 Ｖ Ｍ 相 同 的 电 位 。 而 Ｖ Ｍ的电位有可能很负 ， 在电路转换瞬 间 ， Ｖ Ｄ Ｄ 和 Ｖ Ｍ之 间 的 高 电 压 很 容 易 将 普 通 的 ＭＯＳ 管 击 穿 ， 基 于此 ， 本电路的所有管子都采用高压非对称管 。０ Ｖ 电池抑制功能发生在充电过程中 ， 此时 ，ＩＮ＿ ＬＣＢ＝０， ＩＮ＿ ＬＣ＝１，Ｖ Ａ 为 高 电 平 。 当 电 池 电 压Ｖ Ｄ Ｄ 在 １．２ Ｖ 左右时 ， 就认为它是内部短路 。 在这种情况下充电 ， 充电电流一定很大 ， 导致 Ｖ Ｍ 的电位下降很大 ， Ｖ Ｄ Ｄ 的下降使 Ｍ ５ 关闭 ， Ｖ Ｍ 的下降使Ｍ ６ 导通 ， 从而 Ｖ Ｂ 由低电平转化为高电平 （ 此时的Ｖ Ｄ Ｄ 电压为 ０ Ｖ 电池充电禁止电压 Ｖ ０ＩＮ Ｈ ） ， ＣＯ 电位因此接近 Ｖ Ｍ 电位 。模拟结果如图 ６ 显示 ， 在 Ｖ Ｄ Ｄ 降到 １Ｖ 以下时 ，ＣＯ 端输出与 Ｖ Ｍ 相同的电平 ， 关断充电回路 ， 实现 ０Ｖ 电池充电禁止功能 。３ 芯片的测试结果采 用 ０．６ μ ｍ 、 ｎ 阱 的 ＣＭＯＳ 工 艺 ， 芯 片 的 电特性参数测试结果如表 １ 所示 。 其中 Ｔ 表示温度 ，图 ４ 过充电 、 过放电迟滞电路Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ｌａｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｏｖｅｒｃｈａｒｇｉｎｇ ａｎｄ ｏｖｅｒｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇ图 ５ ０ Ｖ 电池充电禁止电路Ｆｉｇ．５ Ｔｈｅ ｃｉｕｃｕｉｔ ｏｆ ０Ｖ ｉｎｈｉｂｉｔｉｏｎ ｃｈａｒｇｉｎｇ图 ６ ０ Ｖ 电池充电禁止功能模拟结果Ｆｉｇ．６ Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ０Ｖ ｉｎｈｉｂｉｔｉｏｎ ｃｈａｒｇｉｎｇ张艳红等 基于耗尽型工艺的锂电池充电保护芯片设计１２１Ｍｉｃｒｏｎａｎｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏｌ．４５ Ｎｏ．２ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２００８［４］ ＬＵ Ｚ Ｙ ， ＬＥＥ Ｓ Ｈ ， ＢＡＢＵ Ｓ Ｖ ， ｅｔ ａｌ． Ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｍｏｎｏｄｉｓｐｅｒｓｅｄｃｏｌｌｏｉｄｓ ｉｎ ｔｈｅ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ ｏｆ ｃｏｐｐｅｒ ａｎｄ ｔａｎｔａｌｕｍ ［Ｊ］ ． Ｊ Ｃｏｌｌｏｉｄａｎｄ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ， ２００３ ， ２６１ （１） ５５－６４．［５］ ＳＯＮＧ Ｍ Ｙ ， ＭＡＮＡＵＤ Ｊ Ｐ ， ＤＡＲＲＩＥＴ Ｂ． Ｄｅｈｙｄｒｉｄｉｎｇ ｋｉｎｅｔｉｃｓｏｆ ａ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｌｙ ａｌｌｏｙｅｄ ｍｉｘｔｕｒｅ Ｍｇ－１０ｗｔ．％Ｎｉ ［Ｊ］ ． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＡｌｌｏｙｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ ， １９９９ ， ２８２ （１－２） ２４３－２４７．［ ６］ ＬＵＮＤＥＲ Ｏ ， ＬＥＩＮ Ｊ Ｅ ， ＡＵＮＥ Ｔ Ｋ ， ｅｔ ａｌ． Ｔｈｅ ｒｏｌｌ ｏｆＭｇ１７Ａ１１２ ｐｈａｓｅ ｉｎ ｔｈｅｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｏｆ ｍｇ ａｌｌｏｙ ＡＺ９１ ［Ｊ］ ． Ｃｏｒｒｏ－ｓｉｏｎ ， １９８９ ， ４５ （９） ７４１－７４８．［７］ ＢＥＬＤＪＯＵＤＩ Ｔ ， ＦＩＡＵＤ Ｃ ， ＲＯＢＢＩＯＬＡ Ｌ． Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｈｏｍｏｇｅ－ｎｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ａｇｉｎｇ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ ｏｎ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｂｅｈａｖｉｏｒｏｆ Ｍｇ－Ａｌ ａｌｌｏｙｓ ［Ｊ］ ． Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ， １９９３ ， ４９ （７） ７３８－７４５．［８］ 刘翠 ， 刘玉胜 ． Ｍｇ （ＯＨ） ２ 过滤性能优化研究 ［Ｊ］ ． 徐州师范大学学报 ， ２００６ ， ２４ （３） ５７－５９．［９］ ＭＣＩＮＴＹＲＥ Ｎ Ｓ ， ＣＨＥＮ Ｃ． Ｒｏｌｅ ｏｆ ｉｍｐｕｒｉｔｉｅｓ ｏｎ Ｍｇ ｓｕｒｆａｃｅｓ ｕｎ－ｄｅｒ ａｍｂｉｅｎｔ ｅｘｐｏｓｕｒｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ［Ｊ］ ． Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ， １９９８ ，４０ （１０） １６９７－１７０９．刘玉岭 （ １９４２ ） ， 男 ， 教授 ， 博导 ， 主要从事半导体器件工艺 技 术 与 电 子 材 料 理 论 应 用 开 发 研 究 工 作 ， 获 国 家 发 明 奖 ５ 项 ，省部级科技进步发明进步奖 ２２ 项 ， 国内外发表论文 １００ 余篇 。作者简介 陈 景 （ １９８０ ） ， 男 ， 河 北 沧 州 人 ，硕士研究生 ， 从事 ＩＣ 制造工艺技术及相关微 电 子 材 料 表 面 精 密 加 工 研 究 ， 目 前 主 要从 事 合 金 材 料 化 学 机 械 抛 光 工 艺 技 术 及 抛光液的研究 ；在没有特殊说明的情况下均为 Ｔ＝２５ ℃ 。 表 １ 表明所设计的芯片满足宽的电压工作范围 、 宽的温度工作范围和低功耗的特点 。４ 结 语本文对单节锂离子电池的充电保护芯片的功能原理进行了阐述 ， 详细分析了基于耗尽型工艺的关键电路设计原理 ， 重点分析了基于耗尽型工艺的低功耗基准电压源的设计 ， 测试结果显示所设计的芯片满足低功耗 、 低成本 、 宽工作电压范围的要求 ，可用于便携式电子产品和医疗测试仪器的锂离子电池的一级保护 。参考文献 ［１］ ＹＥ Ｘ Ｂ ， ＣＨＥＮ Ｚ Ｌ． Ｌｏｗ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｅｌｆ－ｂｉａｓｉｎｇ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｃｉｒｃｕｉｔｓ［Ｃ］ ／／ ２００１ ４ ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ ＡＳＩＣ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ， ｉｎ－ｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ ， ｉｎｃ ， ２００１ ２２７－３３６．［２］ ＲＡＺＡＶＩ Ｂ． Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａｎａｌｏｇ ＣＭＯＳ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ［Ｃ］ ． Ｏｘｆｏｒｄｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｐｒｅｓｓ ， ２００２ １５ ， １１３－１１６．［３］ ＡＬＬＥＮ Ｐ Ｅ． ＣＭＯＳ ａｎａｌｏｇ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ｄｅｓｉｇｎ ［Ｃ］ ． Ｏｘｆｏｒｄｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｐｒｅｓｓ ， １９９５ ５７１－５７８．［４］ ＡＬＬＥＮ Ｐ Ｅ ， ＨＯＬＢＥＲＧ Ｄ Ｒ． ＣＭＯＳ ａｎａｌｏｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ｄｅｓｉｇｎ ［Ｃ］ ．Ｏｘｆｏｒｄ ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｐｒｅｓｓ ， ２００２ ４５０－４５２．［５］ 毕 查 德 拉 扎 维 ． 模 拟 ＣＭＯＳ 集 成 电 路 设 计 ［Ｍ］ ． 陈 贵 灿 ， 程军 ， 张瑞智 ， 等译 ． 西安 西安交通大学出版社 ， ２００３ ３１２－３２７．表 １ ＣＭＯＳ 芯片的电特性Ｔａｂｌｅ．１ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｏｆ ＣＭＯＳ ｃｈｉｐ参 数 最小值 正常 最大值 测试条件过充电检测电压 Ｖ Ｃ Ｕ ／Ｖ ３．９ ４．４ Ｔ＝－ ４５ ～ ８５ ℃过充电检测电压 Ｖ ＨＣ ／Ｖ ０．０ ０．４ Ｔ＝－ ４５ ～ ８５ ℃过放电检测电压 Ｖ Ｄ Ｌ ／Ｖ ２．３１ Ｔ＝－ ４５ ～ ８５ ℃过放电滞后电压 Ｖ ＨＤ ／Ｖ ０．１ Ｔ＝－ ４５ ～ ８５ ℃休眠时消耗电流 Ｉ ｐｏｎ ／ｎＡ ２１ Ｖ Ｄ Ｄ ＝Ｖ Ｍ ＝１．５ Ｖ过 充 电 检 测 延 迟 时间 ｔ ｃｕ ／ｓ １．０８ Ｔ＝２５ ℃过 放 电 检 测 延 迟 时间 ｔ ｄｌ ／ｍｓ １６３ Ｔ＝２５ ℃张滢清 （ １９７９ ） ， 男 ， 江西九江人 ， 博士研究生 ， 现在华侨大学信息学院从事超大规模集成电路方面的研究 。作者简介 张 艳 红 （ １９８０ ） ， 女 ， 湖 北 孝 感 人 ，硕 士 研 究 生 ， 现 在 华 侨 大 学 信 息 学 院 从 事超大规模集成电路方面的研究 ；张艳红等 基于耗尽型工艺的锂电池充电保护芯片设计（ 上接第 １１７ 页 ）１２２