充电保护IC中比较器、电路基准源的工作原理

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随着便携式电子设备以及各种电动车辆的普及,可充电电池变得越来越重要。可充电电池能够方便地储存和释放电能,并且可以循环多次利用,因此,它具有广阔前景。而为了确保电池的安全与寿命,人们渐渐将保护电路发展成为充电电池的必备配件。鉴于此,下文将介绍充电保护集成电路结构中比较器、电路基准源的工作原理。

技术背景和理论基础

电池保护电路作为电源管理芯片的一种,是通过一些基本的模拟电路单元和数字电路单元来实现对输入电压、回路中的电流的检测以及对输出的控制。

过充和过放保护的工作原理:

首先,由基准源电路提供参考电压作为充电和放电的限制电压;然后,将使用双输入单输出的运算放大器作为比较器来比较输入电压和参考电压的大小;最后,将比较器的输出电压经过处理后连接至外部MOS管,来控制充放电回路的开关。

过流保护工作原理:

先由回路中的采样电阻(也可以是MOS管的导通电阻)将回路中的电流大小转化为电压信号,然后将其进行放大和处理,若超过设定值,则控制外接MOS管关断。

因此,电池保护芯片的主要工作原理就是对电压进行取样和比较,要实现这样的功能,就必须要有准确的参考电压和高性能的比较器,参考电压由电压基准源产生,比较器可以采用类似运算放大器的结构,下面将简要介绍二者的工作原理。

1、比较器

比较器是一种双输入,单输出的电路。它能够对两个输入端的电压高低进行比较,并在输出端以高电平或低电平表示出来。

模拟电路中,往往可以用运算放大器来代替比较器,由于运算放大器放大倍数很大,因此若不引入负反馈,采用开环连接的方式,则只要两个输入端电压不相等,其输出电压将很快达到电源电压或0,从而使输出只显示出两种状态。

运算放大器的工作原理源于基本的放大器结构。模拟电路中最基本的放大器是单管放大器,单管放大器利用MOS管的栅极电压控制其漏极电流,又通过漏极电流控制负载两端电压,从而达到电压放大的目的。为了拥有两个输入端,单管放大器可以演化为差分放大器,它们的结构如图1所示。

罗姆  ROHM  充电保护

 

图1 单管放大器的演化。(a)单管放大器;(b)并联的单管放大器;(c)差分放大器

图1(a)是一个使用NMOS的单管放大器,该电路只包含1个放大MOS管,这个MOS管的栅极连接输入端E,源极和衬底接地,漏极通过负载R1连至VCC,这个负载可以是电阻一类的无源负载,也可以是一个或多个MOS管组成的有源负载。

当MOS管栅极电压增大时,流过该管的电流相应增大,由于负载与MOS管串联,因此,流过负载的电流也增大,负载两端的电压也会增大。将MOS管与负载相连的漏极作为输出,就能得到一个单输入单输出的放大器,调整负载的阻值大小,就可以调整该放大器的放大倍数。

图1(b)是两个这样的单管放大器并联在一起,M1和M2的尺寸相同,R1和R2的阻值相同。当A点和B点电压相等时,P、Q两点间电压为0,若A、B两点电压不等,则两个单管放大器输出不一致,P、Q间也会存在电压,这个电压是A、B间电压的放大。

双输入的运算放大器与之原理相同,它的第一级差分放大器(图1(c))就是两个对称的单管放大器并联在一起。并在其下方设置一个栅极电压恒定的M1作为电流源使这两个单管放大器的总电流为定值。这样,当M2的栅极电压增大而使M2这一支路的电流增大时,M3这一支路上的电流将会被迫减小,又因为这两个对称的放大器负载相同,则它们的输出电压就会因电流不同而产生差异。两个输出点之间的电压就等效于输入电压的放大。

若M2和M3的栅极电压均较高甚至接近电源电压,由于存在M1限制电流,M2和M3的Vgs也不会过高,大部分电压将由M1承担。因此,这样的差分放大结构较适合于对两个点电压的比较,因而被广泛用作比较器的输入级。

 为了进一步增加放大倍数,差分输入级采用电流镜(图1(c)中的M4和M5)作为这两个单管放大器的负载,电流镜由栅极和源极均相连的一对MOS管组成,并将栅极连到了其中一个MOS管的漏极。由于电流镜中的每个晶体管都相当于一个电流源,具有极高的等效输出电阻,因此电流镜负载能够有效地增加差分放大电路的放大倍数。

最后,在差分放大电路的输出端连接单管放大器,可以进一步增加放大倍数并实现轨至轨输出。以上是两级比较器的基本工作原理,本文在后续设计中也将采用两级比较器的结构。

2、电压基准源

电压基准源是一个提供恒定输出电压的单元,在模拟电路中许多电路需要特殊的偏置电压,并且要求这样的电压具有极好的稳定性,不能随电源电压或温度的变化而变化,这时就需要一个专门的偏置电路来提供这样的偏置,高精度的偏置电路也称为电压基准源。

集成电路中需要对电压检测的模块都会使用电压基准源,本电路也不例外,充放电时限制电压的参考值由基准源提供。基准源电路可通过不同的方式实现,在分立器件搭建的电路中,利用二极管齐纳击穿时的I-V特性就可得到一个稳定的电压,但基于齐纳击穿效应的稳压二极管对PN结工艺要求较高,在集成电路中实现成本较高。

CMOS带隙基准源因为其主要使用了MOS管,而MOS管的结构又特别适合用来集成和小型化,所以CMOS带隙基准源以简单的结构和良好的性能而被广泛使用。 带隙电压基准源的原理如图2所示:

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图 2 带隙电压基准源的工作原理

将两个双极型晶体管(下文简称三极管)接成类似于电流镜的结构,每个三极管的I-V公式如下:

IC= IS exp[VBE/(kT/q)]                     (1)

公式(1)中,IC是流过集电极的电流,IS是发射结的反向饱和电流,三极管的IC和基极电压VBE成指数关系,也正比于IS,若IC不变,IS的增大会使VBE减小。又因为温度越高,PN结反向漏电IS越大,也就是说VBE具有负温度系数。

在接近室温时,温度上升1℃,VBE下降约2mV。这是一个很大的值,即使芯片正常使用的温度范围较小,是0℃-70℃,这也会产生140mV的偏差,若将基准电压放大,这一误差将会更大。因此还需要找一个具有正温度系数的电压,这就要用到上文中图2的结构。

图2中,令三极管B1和B2尺寸之比为m:1,并在B1的发射极上串联一个电阻R1,然后使流过两个三极管的电流I1和I2相同,那么它们的VBE会存在一个差值ΔVBE,可用如下公式表示:

ΔVBE= (k T/q)lnm                        (2)

从公式(2)中可以看出,IS已经在两个VBE相减时消去,这时ΔVBE与绝对温度成正比。ΔVBE就是R1两端的电压,又因为电流I1和I2相同,则R2两端的电压和ΔVBE成正比,并且比例系数可以调节。 带隙基准源的基本原理就是将B2的VBE和R2两端电压相加,通过调节R2使VBE和ΔVBE的R2/R1倍具有大小相等、正负相反的温度系数,从而使总的温度系数几乎为0,得到一个与温度无关的基准电压。

图2中的B1和B2也可以用MOS管代替。MOS管具有如下特性:在Vds足够的情况下,若MOS管的Vgs从0开始逐渐增大,它的Ids最初为0;之后当Vgs接近VT时,Ids随Vgs的增大而指数增大(此时称为亚阈值区);再之后Vgs继续增大,Ids和Vgs之间变为二次函数关系,若Vgs继续增大,Ids和Vgs之间变为线性关系。

利用MOS管工作在亚阈值区时它的Ids和Vgs之间存在指数关系,可以得到与双极型晶体管类似的性能。这样带隙基准源中就可以完全不使用三极管,从而降低工艺的复杂度。

总结

电池保护芯片的主要工作原理就是对电压进行取样和比较,要实现这样的功能,就必须要有准确的参考电压和高性能的比较器,参考电压由电压基准源产生,比较器可以采用类似运算放大器的结构。

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