一种适用于锂电池的电流监测电路设计

提出了一种适用于锂电池的电流监测电路，经过在锂电池供电环路引进活络电阻对电流进行采样，并运用时钟操控开关电容运算放大器和高速比较器，完成从模拟信号到数字信号的转化。在处理器中进行准确电流量的运算，能对过流、短路电流进行维护，也能用于准确核算电池阻抗、电量等相关参数。电路根据0.18 m CMOS工艺，电源电压为2.5 V。对所规划电路进行了仿真验证。成果表明，该电路在- 40℃～+125℃运用环境温度规模内可以完成对电流的采样和编码功用，而且能对充放电动作进行判别。

锂电池作为新式清洁、可再生的二次能源，需准确监测其电流、电压及温度等参数，并做好相应的维护电路。关于手持设备而言，更需求寻求高精度、低功耗，然后下降对锂电池的“过度”运用，延伸运用寿命。

本文规划的电路在锂电池供电环路中引进活络电阻对电流进行监测，给体系供给充放电提示，一起可用于电量核算以及维护操控。

本文将具体论述电流监测体系原理以及内部电路结构，并给出H-spice仿真成果及相关定论。

1 本文所规划的电流监测电路

模/数转化器(ADC)由采样、量化和编码构成。本文规划的锂电池电流监测体系框图如图1所示。其间，电容和AMP放大器组成开关电容采样电路，C0MP高速比较器对数据进行量化，处理器对电路进行数字逻辑操控及编码。偏置电路供给AMP放大器自发动支路并发生V_be1和V_be4。时钟模块操控体系开关，包含LII、LI2、LI5、LI6、LI38。处理器输出数字信号Logic Control改动量化电容。

图1 锂电池电流监测体系框图1.1 开关电容采样电路

如图2所示，经过V₊和V_–间的活络电阻进行采样；。V_be1和V_be4是由BE结发生的电压基准；C3容值用n(2的倍数)表明(C为单位电容值，C1=C2=1C，C3=C4=nC，C5=8C)；时钟操控为高时开关导通，为低时开关断开。采样电路的5个状况如图3所示。

(1)LIl、LI2、LI38、LI5、LI6=10101，V_A=V_be1， V_B=V_be1，V_C1=0，V_C2=V_be1– V_be4，V_C3=V_be1– V₊，V_C4=V_be1– V_–，V_C5=0，V_OUT为：

V_OUT= V_B= V_be1(1)

(2)LI1、LI2、LI38、LI5、LI6=10001，开关切换后状况2坚持状况1，则V_OUT= V_be1。

(3)LI1、LI2、LI38、LI5、LI=00000，开关全断开，坚持上一状况， V_OUT= V_be1。

(4)LI1、LI2、LI38、LI5、LI6=01010，V₊、 V_–切换，V_be1、V_be4也切换。根据C1、C3电荷守恒规律得：

由运放特性可知V_B=V_A。已知 V_A、V_B可以得到V_C1= V_A– V_be4, V_C2= V_B– V_be1, V_C3= V_A– V_–, V_C4= V_B– V₊, V_C5= V_B– V_OUT, 根据C2、 、C5电荷守恒规律得：

其间， V_–– V₊的正负由互不交叠时钟LI1、LI2操控，当LI1在状况l为高时， V_–– V₊取正； 当LI1在状况1为低时，V_–– V₊取负。每隔必定周期操控LI1、LI2切换，V₊、V_–的接法可用于实时监测电池充放电状况。根据式(3)和图1可知，V_OUT与V_be1经过比较器比较将发生△V 的差值，这时改动采样并联电容n的值可调理△V ，起到量化效果。

(5)LI1、LI2、LI38、LI5、LI6=00000，一切开关断开， oUr坚持上一状况。1.2 AMP放大器电路

AMP放大器电路如图4所示，首要包含：(1)自偏置电路，由MPI3～MPI9、QPI1和QPI4组成；(2)两级运放，包含MPI26、MPI27组成的全差分放大器、MNI25共源放大器和MNI24、CIl5组成的米勒补偿。其间，LI12与LI17为差分输入；LI26为复位信号；H模块为数字上电电路；V_be1与V_be4为基准输出；LI22为运算输出端。

图4 AMP放大器电路图

自偏置电路有使能信号，若作业反常可直接关断电路。当LI26为低时，MPI9关断，MPI5和MPI6导通，电路正常作业，MPI4、MPI6和MPI8构成发动支路，则：

V_CC≥2 V_MPgs+V_be(4)

其间，V_MPgs是PMOS的V_th，V_be是二极管敞开电压。只需V_CC满意式(4)，电路就能正常发动。但在规划中需考虑衬偏效应对阈值的影响，V_CC比核算值略高。QPI1和QPI4发射极面积比为1：4，由此可得V_be1与V_be4差值为V_Tln4。当LI26为高时，MPI9导通，MPI5和MPI6关断，电路被关断。

AMP放大器带有米勒补偿，沟通小信号等效电路图如图5所示。其间，g_m1、g_m2分别为榜首级和第二级跨导。增益表明为：

图5 AMP放大器沟通小信号等效图

其间，R_out1、R_out2分别为榜首级和第二级的输出电阻，且R_out1是R_{ds_MPI27}、R_{ds_MNI26}的并联，R_out2是R_{ds_MPI11}、R_{ds_MNI25}的并联，C₁为等效负载电容。为了使体系安稳，需对整个环路的零极点进行剖析：

其间，C_I15为米勒电容，C₁为V_OUT1。节点等效电容，R_z为MNI24等效电阻(即调零电阻)。由式(9)可知，调理R_z和C_I15可完成体系安稳。

1.3 COMP高速比较器电路

如图6所示， 电路由MN1～MN6和MP1～MP4组成。IN1与IN2为输入端；OUT1与OUT2为输出端；LG99由数字时钟操控，完成复位功用。

图6 COMP高速比较器电路

电路选用正反馈技能，速度得到大大进步。当LG99为低时，MP3、MP4导通，MN5、MN6关断电路，OUT1、OUT2举高，后端触发器处于坚持状况。而LG99为高时，MP3、MP4关断，MN5、MN6导通。此刻若IN1大于IN2，则V 减小，使OUT1减小；OUT1效果于MP2与MN2，使OUT2被举高；而OUT2效果于MP1与MN1，使OUT1被拉低，构成正反馈。反之亦然，只需IN1与IN2之间存在压差都会在输出上快速呼应。2 仿真成果与剖析

本文选用0.18μm CMOS工艺，运用H-spice对数字时钟、AMP运算放大器、偏置电路和高速比较器进行了仿真验证。

图7为AMP放大器沟通小信号仿真数据，其间复位信号LI26为低，在LI12上参加AC=1的沟通小信号。对-40℃ 、25 ℃、125 ℃ 3种温度进行AC扫描，可知：(1)当增益降为O时，相位裕度仍坚持90?以上；(2)在不同温度下，增益与相位裕度受影响不大，体系处于安稳态。

图7 不同温度下放大器增益与相位裕度曲线

图8为COMP高速比较器静态作业点仿真数据，其间LG99为复位信号，IN1为1.200 V，对IN2在1.200 V～1.210 V规模进行瞬态扫描。若IN1=IN2，则输出应高于数字触发电平，以确保时序的正确性。仿真后可知：(1)电路存在失调电压，IN2添加时，有少数输出与数字逻辑不符；(2)输入持平时，输出静态作业点为1.5 V，能确保后端触发器坚持；(3)输入差值不大于5 mV就能很快将输出置高或置低。

图8 高速比较器静态作业点仿真曲线

图9为采样电路整仿数据，SRP、SRN为锂电池电流采样端，典型差值规模为-125 mV～125 mV；LI22是运放输出。输入差值从125mV改变到5mV再跳变到-125mV，采样端电压改变所对应的输出会根据信号的巨细进行量化，且经过输出的凹凸来判别作业在充电仍是放电状况。但切换开关瞬间或许发生时钟馈通效应，该电路增大了运放输入端的寄生%&&&&&%，有用减小了频频切换开关对输出的影响。

图9 采样电路整仿曲线

采样电路全体仿真并不完好，当SRP与SRN的差值实时改变时，采样电路跟从改变的才能如图10所示。固定SRN 的电压为0V，在SRP上参加正弦波信号进行扫描，从图中可知放大器输出会跟从SRP的改变而改变，采样的分辨率可以到达要求。

本文规划了一种适用于锂电池的电流监测电路，能准确监测电流及充放电状况。这些信息可用于操控维护电路的发动，且能用于准确核算电池阻抗、电量等参数。电路添加了使能操控，当作业反常时可关断电路。而且经过偏置的设置可调理MPI3、MPI4、MPI7、MPI8管（如图4所示)的宽长比，然后取得更低功耗，进步电池运用寿命。

图10 采样电路跟从功用仿真曲线