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行連續(xù)監(jiān)測,，還需要根據(jù)實時監(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,，維護電動汽車安全運行的關(guān)鍵模塊。

1 電路設(shè)計與原理分析

    本文設(shè)計的穩(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，數(shù)字電源電壓產(chǎn)生電路可簡化處理,，以減小設(shè)計難度和芯片成本,。同時本模塊具有上電復(fù)位、過流保護和過溫保護功能,，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

    偏置電路為整個電路中的各支路提供合適的靜態(tài)工作點,，是整個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延時一定時間后導(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，因此需要啟動電路提供起動電流使電路脫離零偏置點,，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)射極電壓具有負溫度特性,，而工作在不同電流密度下的兩個晶體管，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,。

    過流保護電路：對芯片錯誤使用或外界條件劇烈變化時可導(dǎo)致內(nèi)部電流變大,引起芯片損壞,。因此需要保護電路檢測負載電流的變化,，當(dāng)電流超載時觸發(fā)保護機制。Q3對負載電流進行采樣,，通過M20,、M21組成的電流鏡鏡像流過R6及Q6，當(dāng)負載電流達到所設(shè)定閾值時,，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,。

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，對電平變化不敏感,，可以通過PMOS,、NMOS的柵源電壓疊加的實現(xiàn)方法，電路結(jié)構(gòu)既簡單,、同時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,；為減小負載電流對I₂的影響,，設(shè)計中M27采用15個并聯(lián)以增加分流能力，V_gs27=V_gs26+I₂·R7,，I₂+I₃=I,；I↑→I₂↑→V_gs27↑→I₃↑→I₂↓；通過負反饋機制減小了負載電流變化對I₂的影響,，即增加了DVDD的穩(wěn)定性,。電路中存在高壓問題，因此需要采取保護措施以防止某些管子被高壓擊穿,。正常工作時,，M22導(dǎo)通，D3截止,，當(dāng)電路中出現(xiàn)負載過載等情況時,，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,。

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,、比較器等模塊進行初始狀態(tài)設(shè)置，確保整個電路上電后進入正確的工作狀態(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，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 過溫保護電路

    本文中的電源模塊為整個芯片內(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,，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,，需要過溫保護電路，在內(nèi)部溫度超過某一設(shè)定的溫度時,，將系統(tǒng)關(guān)閉,。過溫保護電路如圖6所示。

    過溫保護電路利用IPTAT電流和雙極晶體管基極-發(fā)射極電壓的負溫度特性來檢測溫度變化，并通過正反饋機制產(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，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,，V_bQ7增大，V_beQ7減小,，當(dāng)V_bQ7＞V_beQ7時,，Q7導(dǎo)通，M31截止,，輸出電平跳轉(zhuǎn)產(chǎn)生過溫標志信號,，此時I_PTAT流經(jīng)R8、R9,；反之,，溫度降低時，當(dāng)V_bQ7＜V_beQ7時,，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,、過流保護和過溫保護功能進行了仿真,。

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，負載電流均為4 mA時,，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，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,，負載電流均為4 mA,，溫度在-45 ℃～125 ℃變化時，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)楦唠娖剑娐诽幱趶?fù)位狀態(tài),。2.1 ms后電容兩端電壓達到施密特觸發(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 過流保護功能仿真

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

2.5 過溫保護功能仿真

    如圖11所示,，從正方向和負方向分別做溫度掃描，溫度正向變化時,，當(dāng)溫度達到150 ℃時,，過溫信號HOT變?yōu)楦唠娖?，過溫保護功能開啟；負方向掃描時,，溫度降至145 ℃時,，HOT變?yōu)榈碗娖剑酒匦抡９ぷ?，溫度迴差? ℃,。

3 結(jié)論

    本文基于XFAB 0.35 μm工藝，根據(jù)實際應(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,，負載電流為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過流保護功能在在負載電流高于10 mA時開啟，過溫保護電路溫度迴差為5 ℃,。

參考文獻

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