0 引言

    伴隨著我國(guó)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(wèn)題也日益加劇,，具有高效節(jié)能或零排放優(yōu)勢(shì)的電動(dòng)汽車對(duì)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(wú)污染，逐漸成為電動(dòng)汽車動(dòng)力蓄電池組的首選,，但是鋰電池對(duì)過(guò)充或過(guò)放的容忍度低得多,，需要連續(xù)監(jiān)測(cè)充放電電量，避免可能使電池發(fā)生損傷的情況來(lái)延長(zhǎng)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(guò)程中不但需要對(duì)鋰電池進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，還需要根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的結(jié)果來(lái)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(zhǎng)電池壽命，維護(hù)電動(dòng)汽車安全運(yùn)行的關(guān)鍵模塊,。

1 電路設(shè)計(jì)與原理分析

    本文設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓模塊應(yīng)用于電池管理芯片內(nèi),，外界待監(jiān)測(cè)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(duì)數(shù)字部分對(duì)電源電壓不敏感的特點(diǎn),，數(shù)字電源電壓產(chǎn)生電路可簡(jiǎn)化處理,，以減小設(shè)計(jì)難度和芯片成本,。同時(shí)本模塊具有上電復(fù)位、過(guò)流保護(hù)和過(guò)溫保護(hù)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(gè)電路中的各支路提供合適的靜態(tài)工作點(diǎn),，是整個(gè)電路能夠啟動(dòng)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(dá)60 V,，電路上電后,，M1首先導(dǎo)通，產(chǎn)生參考電流I_ref1,，通過(guò)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(shí)一定時(shí)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(hào),，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(guò)流保護(hù)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(dòng)電路、帶隙電路和過(guò)流保護(hù)電路三部分組成,。如圖3所示,。

    啟動(dòng)電路：模塊上電過(guò)程中，電路中存在簡(jiǎn)并偏置點(diǎn),，因此需要啟動(dòng)電路提供起動(dòng)電流使電路脫離零偏置點(diǎn),，并在電路正常啟動(dòng)后停止工作^[3]。M13-M14,、M15,、M16-M18組成啟動(dòng)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(guò)R5形成通路，使電路啟動(dòng),。M13-M14導(dǎo)通后上拉V_b2至高電平,，M15截至，電路啟動(dòng)完成,。

    帶隙電路：雙極晶體管基極-發(fā)射極電壓具有負(fù)溫度特性,，而工作在不同電流密度下的兩個(gè)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(bǔ)償,，產(chǎn)生零溫度系數(shù)的帶隙電壓^[4]。M9-M10與M11-M12過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓及W/L分別相等,，即流過(guò)Q0與Q1的電流相等,，其中Q0由10個(gè)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(guò)流保護(hù)電路：對(duì)芯片錯(cuò)誤使用或外界條件劇烈變化時(shí)可導(dǎo)致內(nèi)部電流變大,引起芯片損壞。因此需要保護(hù)電路檢測(cè)負(fù)載電流的變化,，當(dāng)電流超載時(shí)觸發(fā)保護(hù)機(jī)制,。Q3對(duì)負(fù)載電流進(jìn)行采樣，通過(guò)M20,、M21組成的電流鏡鏡像流過(guò)R6及Q6,，當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到所設(shè)定閾值時(shí)，D2管反向擊穿并流過(guò)電流,，Q4,、Q5導(dǎo)通，M19柵極電壓拉低,，M19截止,，則輸出得到保護(hù)。

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(qiáng),，對(duì)電平變化不敏感,，可以通過(guò)PMOS、NMOS的柵源電壓疊加的實(shí)現(xiàn)方法,，電路結(jié)構(gòu)既簡(jiǎn)單,、同時(shí)可高度兼容工藝偏差帶來(lái)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(fù)載電流對(duì)I₂的影響，設(shè)計(jì)中M27采用15個(gè)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(guò)負(fù)反饋機(jī)制減小了負(fù)載電流變化對(duì)I₂的影響,，即增加了DVDD的穩(wěn)定性,。電路中存在高壓?jiǎn)栴}，因此需要采取保護(hù)措施以防止某些管子被高壓擊穿,。正常工作時(shí),，M22導(dǎo)通，D3截止,，當(dāng)電路中出現(xiàn)負(fù)載過(guò)載等情況時(shí),，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(hù)。

1.4 上電復(fù)位電路

    上電復(fù)位電路對(duì)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(jìn)行初始狀態(tài)設(shè)置,，確保整個(gè)電路上電后進(jìn)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(jiǎn)化板級(jí)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(guò)M32-M34產(chǎn)生高電平V_b3作用于M35柵極，此時(shí)電容C1上極板通過(guò)M35對(duì)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(duì)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(shí),，POR信號(hào)跳轉(zhuǎn)至低電平,，上電復(fù)位過(guò)程結(jié)束,。施密特觸發(fā)器提供電壓遲滯，可防止POR信號(hào)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(guò)溫保護(hù)電路

    本文中的電源模塊為整個(gè)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(shí),，都有可能導(dǎo)致芯片內(nèi)部溫度過(guò)高，使芯片損壞,。為了防止這種情況,，需要過(guò)溫保護(hù)電路，在內(nèi)部溫度超過(guò)某一設(shè)定的溫度時(shí),，將系統(tǒng)關(guān)閉,。過(guò)溫保護(hù)電路如圖6所示。

    過(guò)溫保護(hù)電路利用IPTAT電流和雙極晶體管基極-發(fā)射極電壓的負(fù)溫度特性來(lái)檢測(cè)溫度變化,，并通過(guò)正反饋機(jī)制產(chǎn)生溫度迴差,，以防止過(guò)溫信號(hào)在臨界溫度處跳變。溫度較低時(shí),，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(guò)R8產(chǎn)生V_bQ7,，溫度升高時(shí),，V_bQ7增大,，V_beQ7減小，當(dāng)V_bQ7＞V_beQ7時(shí),，Q7導(dǎo)通,，M31截止，輸出電平跳轉(zhuǎn)產(chǎn)生過(guò)溫標(biāo)志信號(hào),，此時(shí)I_PTAT流經(jīng)R8,、R9；反之,，溫度降低時(shí),，當(dāng)V_bQ7＜V_beQ7時(shí)，電路返回正常工作狀態(tài),。溫度升高和溫度降低過(guò)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(guò)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(duì)模塊的輸出-輸入穩(wěn)壓特性,、溫度特性、復(fù)位功能,、過(guò)流保護(hù)和過(guò)溫保護(hù)功能進(jìn)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(fù)載電流均為4 mA時(shí),，AVDD與DVDD的變化如圖7所示,，鋰電池組作為電源不能過(guò)度放電，因此取芯片正常工作時(shí),，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(fù)載電流均為4 mA，溫度在-45 ℃～125 ℃變化時(shí),，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(hào)在電源上電過(guò)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(hào)POR跟蹤DVDD，500 μs后變?yōu)楦唠娖?，電路處于?fù)位狀態(tài),。2.1 ms后電容兩端電壓達(dá)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(jìn)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(guò)流保護(hù)功能仿真

    本模塊中模擬部分額定電流不超過(guò)4 mA設(shè)計(jì)中需考慮留有一定余量,，因此過(guò)流保護(hù)開啟的最小電流設(shè)定為10 mA,，對(duì)負(fù)載電流進(jìn)行DC掃描如圖10所示，當(dāng)電流從0增至10 mA時(shí),，DP開始開啟,，輸出關(guān)斷，從而達(dá)到了保護(hù)電路的目的,。

2.5 過(guò)溫保護(hù)功能仿真

    如圖11所示,，從正方向和負(fù)方向分別做溫度掃描，溫度正向變化時(shí),，當(dāng)溫度達(dá)到150 ℃時(shí),，過(guò)溫信號(hào)HOT變?yōu)楦唠娖剑^(guò)溫保護(hù)功能開啟,；負(fù)方向掃描時(shí),，溫度降至145 ℃時(shí)，HOT變?yōu)榈碗娖?，芯片重新正常工作,，溫度迴差? ℃。

3 結(jié)論

    本文基于XFAB 0.35 μm工藝,，根據(jù)實(shí)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(jì)，負(fù)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(fù)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(guò)流保護(hù)功能在在負(fù)載電流高于10 mA時(shí)開啟,，過(guò)溫保護(hù)電路溫度迴差為5 ℃。

參考文獻(xiàn)

[1] TERRAS J M,，SOUSA D M,，ROQUE A,，et al.Simulation of a commercial electric vehicle：Dynamic aspects and performance[C].Power Electronics and Applications(EPE 2011)，2011,，Aug 30-Sept 1：1-10.

[2] 何耀.動(dòng)力鋰電池組狀態(tài)估計(jì)策略及管理系統(tǒng)技術(shù)研究[D].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),，2012.

[3] ALLEN P E，HOLBERG D R.CMOS analog circuit design,，Second Edition[M].北京：電子工業(yè)出版社,，2005.

[4] RAZAVI B.Design of analog CMOS integrated circuits[M].Mcgraw-Hill，2001.

[5] NAJMI JARWALA.YAU C W.A new framework for analyzing test generation and diagnosis algorithms for wiring interconnects[C].Intl Test Conf.1989：63-70.

[6] CHEN K H,，LO Y L.A Fast-Lock DLL with power-on reset circuit[J].IE ICE Trans.on Fundamentals of Electronics,，Communications and Computer Sciences，2004,，E87-A(9)：2210-2220.