文獻標識碼: A
文章編號: 0258-7998(2014)05-0031-04
鋰電池作為新型清潔、可再生的二次能源,需精確監測其電流、電壓及溫度等參數,并做好相應的保護電路。對于手持設備而言,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[1]。
本文設計的電路在鋰電池供電環路中引入靈敏電阻對電流進行監測,給系統提供充放電提示,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測系統原理以及內部電路結構,并給出H-spice仿真結果及相關結論。
1 本文所設計的電流監測電路
模/數轉換器(ADC)由采樣、量化和編碼構成。本文設計的鋰電池電流監測系統框圖如圖1所示。其中,電容和AMP放大器組成開關電容采樣電路,COMP高速比較器對數據進行量化,處理器對電路進行數字邏輯控制及編碼。偏置電路提供AMP放大器自啟動支路并產生Vbe1和Vbe4。時鐘模塊控制系統開關,包括LI1、LI2、LI5、LI6、LI38。處理器輸出數字信號Logic Control改變量化電容。
圖8為COMP高速比較器靜態工作點仿真數據,其中LG99為復位信號, IN1為1.200 V,對IN2在1.200 V~1.210 V范圍進行瞬態掃描。若IN1=IN2,則輸出應高于數字觸發電平,以保證時序的正確性。仿真后可知:(1)電路存在失調電壓,IN2增加時,有少量輸出與數字邏輯不符;(2)輸入相等時,輸出靜態工作點為1.5 V,能保證后端觸發器保持;(3)輸入差值不大于5 mV就能很快將輸出置高或置低。
圖9為采樣電路整仿數據,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125 mV變化到5 mV再跳變到-125 mV,采樣端電壓變化所對應的輸出會依據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。但切換開關瞬間可能產生時鐘饋通效應,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對輸出的影響。
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0 V,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。
本文設計了一種適用于鋰電池的電流監測電路,能精確監測電流及充放電狀態。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。電路添加了使能控制,當工作異常時可關斷電路。并且通過偏置的設置可調節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
[1] 張慶,李革臣.鋰離子電池充放電特性的研究[J].自動化技術與應用,2008,2(1):107-109.
[2] 明鑫,張波.一種基于開關電容的帶隙基準電路[J].微電子學,2007,37(4):603-605.
[3] 陳振宇,王立志,任曉岳.高性能可重構流水線ADC的設計與仿真[J].電子技術應用,2013,39(4):39-41.
[4] 畢查德·拉扎維.模擬CMOS集成電路設計[M].西安:西安交通大學出版社,2003.
[5] 姬厚濤,席月平,劉明菊.ADC低電壓高增益運算放大器VLSI設計[J].微型機與應用,2012,32(22):23-25.
[6] ALLEN P E.CMOS analog circuit design[M].Second Edition,Publishing House of Electronics Industry,2002.