【正文】 護(hù)鉛酸蓄電池具有密封好、無(wú)泄漏、無(wú)污染、免維護(hù)、價(jià)格低廉、供電可靠，在電池的整個(gè)壽命期間電壓穩(wěn)定且不需要維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，所以在各類(lèi)需要不間斷供電的電子設(shè)備和便攜式儀器儀表中有著廣泛的應(yīng)用。采用適當(dāng)?shù)母〕潆妷?，在正常使?防止過(guò)放、過(guò)充、過(guò)流)時(shí)，免維護(hù)鉛酸蓄電池的浮充壽命可達(dá)12~16年，如果浮充電壓偏差5%則使用壽命縮短1/2。由此可見(jiàn)，充電方式對(duì)這類(lèi)電池的使用壽命有著重大的影響。由于在光伏發(fā)電中，蓄電池?zé)o需經(jīng)常維護(hù)，因此采用正確的充電方式并采用合理的保護(hù)方式，能有效延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。傳統(tǒng)的充電和保護(hù)IC是分立的，占用而積大并且外圍電路復(fù)雜。目前，市場(chǎng)上還沒(méi)有真正的將充電與保護(hù)功能集成于單一芯片。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種集蓄電池充電和保護(hù)功能于一身的IC是十分必要的。系統(tǒng)主要包括兩大部分:蓄電池充電模塊和保護(hù)模塊。這對(duì)于將蓄電池作為備用電源使用的場(chǎng)合具有重要意義，它既可以保證外部電源給蓄電池供電，又可以在蓄電池過(guò)充、過(guò)流以及外部電源斷開(kāi)蓄電池處于過(guò)放狀態(tài)時(shí)提供保護(hù)，將充電和保護(hù)功能集于一身使得電路簡(jiǎn)化，并且減少寶貴的而積資源浪費(fèi)。圖1是此Ic在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的具體應(yīng)用，也是此設(shè)計(jì)的來(lái)源。圖1 光伏電路系統(tǒng)框圖 免維護(hù)鉛酸蓄電池的壽命通常為循環(huán)壽命和浮充壽命，影響蓄電池壽命的因素有充電速率、放電速率和浮充電壓。某些廠家稱(chēng)如果有過(guò)充保護(hù)電路，充電率可以達(dá)到甚至超過(guò)2C(C為蓄電池的額定容量)，但是電池廠商推薦的充電率是C/20~C/3。電池的電壓與溫度有關(guān)，溫度每升高1℃，單格電池電壓下降4 mV，也就是說(shuō)電池的浮充電壓有負(fù)的溫度系數(shù)4 mV/℃。普通充電器在25℃處為最佳工作狀態(tài)；在環(huán)境溫度為0℃時(shí)充電不足；在45℃時(shí)可能因嚴(yán)重過(guò)充電縮短電池的使用壽命。要使得蓄電池延長(zhǎng)工作壽命，對(duì)蓄電池的工作狀態(tài)要有一定的了解和分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池進(jìn)行保護(hù)的目的。蓄電池有四種工作狀態(tài):通常狀態(tài)、過(guò)電流狀態(tài)、過(guò)充電狀態(tài)、過(guò)放電狀態(tài)。但是由于不同的過(guò)放電電流對(duì)蓄電池的容量和壽命所產(chǎn)生的影響不盡相同，所以對(duì)蓄電池的過(guò)放電電流檢測(cè)也要分別對(duì)待。當(dāng)電池處于過(guò)充電狀態(tài)的時(shí)間較長(zhǎng)，則會(huì)嚴(yán)重降低電池的容量，縮短電池的壽命。當(dāng)電池處于過(guò)放電狀態(tài)的時(shí)間超過(guò)規(guī)定時(shí)間，則電池由于電池電壓過(guò)低可能無(wú)法再充電使用，從而使得電池壽命降低。 根據(jù)以上所述，充電方式對(duì)免維護(hù)鉛酸蓄電池的壽命有很大影響，同時(shí)為了使電池始終處于良好的工作狀態(tài)，蓄電池保護(hù)電路必須能夠?qū)﹄姵氐姆钦９ぷ鳡顟B(tài)進(jìn)行檢測(cè)，并作出動(dòng)作以使電池能夠從不正常的工作狀態(tài)回到通常工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的保護(hù)。 芯片的充電模塊框圖如圖2所示。該電路包括限流比較器、電流取樣比較器、基準(zhǔn)電壓源、欠壓檢測(cè)電路、電壓取樣電路和邏輯控制電路。圖2 充電模塊框圖 該模塊內(nèi)含有獨(dú)立的限流放大器和電壓控制電路，它可以控制芯片外驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器提供的輸出電流為20~30 mA，可直接驅(qū)動(dòng)外部串聯(lián)的調(diào)整管，從而調(diào)整充電器的輸出電壓與電流。電壓和電流檢測(cè)比較器檢測(cè)蓄電池的充電狀態(tài)，并控制狀態(tài)邏輯電路的輸入信號(hào)。當(dāng)電池電壓或電流過(guò)低時(shí)，充電啟動(dòng)比較器控制充電。電器進(jìn)入涓流充電狀態(tài)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器截止時(shí)，該比較器還能輸出20 mA左右，進(jìn)入涓流充電電流。這樣，當(dāng)電池短路或反接時(shí)，充電器只能以小電流充電，避免了因充電電流過(guò)大而損壞電池。此模塊構(gòu)成的充電電路充電過(guò)程分為二個(gè)充電狀態(tài):大電流恒流充電狀態(tài)、高電壓過(guò)充電狀態(tài)和低電壓恒壓浮充狀態(tài)。充電過(guò)程從大電流恒流充電狀態(tài)開(kāi)始，在這種狀態(tài)下充電器輸出恒定的充電電流。同時(shí)充電器連續(xù)監(jiān)控電池組的兩端電壓，當(dāng)電池電壓達(dá)到轉(zhuǎn)換電壓過(guò)充轉(zhuǎn)換電壓Vsam時(shí)，電池的電量己恢復(fù)到放出容量的70%~90%，充電器轉(zhuǎn)入過(guò)充電狀態(tài)。在此狀態(tài)下，充電器輸出電壓升高到過(guò)充電壓Voc，由于充電器輸出電壓保持恒定不變，所以充電電流連續(xù)下降。當(dāng)電流下降到過(guò)充中止電流Ioct時(shí)，電池的容量己達(dá)到額定容量的100%，充電器輸出電壓下降到較低的浮充電壓VF。 芯片內(nèi)部保護(hù)電路模塊框圖如圖3所示。該電路包括控制邏輯電路、取樣電路、過(guò)充電檢測(cè)電路、過(guò)放電檢測(cè)比較器、過(guò)電流檢測(cè)比較器、負(fù)載短路檢測(cè)電路、電平轉(zhuǎn)換電路和基準(zhǔn)電路(BGR)。圖3 電池保護(hù)的系統(tǒng)框圖此模塊構(gòu)成的保護(hù)電路如圖4所示。當(dāng)芯片的供電電壓在正常工作范圍內(nèi)，且VM管腳處的電壓在過(guò)電流I檢測(cè)電壓之下，則此時(shí)電池處于通常工作狀態(tài)，芯片的充放電控制端CO和DO均為高電平，這時(shí)芯片處于通常工作模式。而當(dāng)電池放電電流變大，會(huì)引起VM管腳處的電壓上升，若VM管腳處的電壓在過(guò)電流檢測(cè)電壓Viov之上，則此時(shí)電池處于過(guò)電流狀態(tài)，如果這種狀態(tài)保持相應(yīng)的過(guò)電流延時(shí)時(shí)間tiov，芯片禁止電池放電，這時(shí)充電控制端CO為高電平，而放電控制端DO為低電平，芯片處于過(guò)電流模式，一般為了對(duì)電池起到更加安全合理的保護(hù)，芯片會(huì)對(duì)電池的不同過(guò)放電電流采取不同的過(guò)放電電流延時(shí)時(shí)間保護(hù)。一般規(guī)律是過(guò)放電電流越大，則過(guò)放電電流延時(shí)時(shí)間越短。當(dāng)芯片的供電電壓在過(guò)充電檢測(cè)電壓之上（VddVcu）時(shí)，則電池處于過(guò)充電狀態(tài)，如果這種狀態(tài)保持相應(yīng)的過(guò)充電延時(shí)時(shí)間tcu芯片將禁止電池充電，此時(shí)放電控制端DO為高電平，而充電控制端CO為低電平，芯片處于過(guò)充電模式。當(dāng)芯片的供電電壓在過(guò)放電檢測(cè)電壓之下(VddVdl)，則此時(shí)電池處于過(guò)放電狀態(tài)，如果這種狀態(tài)保持相應(yīng)的過(guò)放電延時(shí)時(shí)間tdl，芯片將禁止電池放電，此時(shí)充電控制端CO為高電平，而放電控制端DO為低電平，芯片處于過(guò)放電模式。圖4 保護(hù)電路應(yīng)用原理圖 由兩個(gè)充電與保護(hù)模塊結(jié)構(gòu)圖可將電路分為四部分:電源檢測(cè)電路(欠壓檢測(cè)電路)、偏置電路(取樣電路、基準(zhǔn)電路以及偏置電路)、比較器部分(包括過(guò)充電檢測(cè)比較器/過(guò)放電檢測(cè)比較器、過(guò)流檢測(cè)比較器和負(fù)載短路檢測(cè)電路)及邏輯控制部分。文中主要介紹欠壓檢測(cè)電路設(shè)計(jì)(圖5) ，并給出帶隙基準(zhǔn)電路(圖6) 。圖5 欠壓檢測(cè)電路圖6 基準(zhǔn)電源電路圖 蓄電池的充電、電壓的穩(wěn)定尤為重要，欠壓、過(guò)壓保護(hù)是必不可少的，因此通過(guò)在芯片內(nèi)部集成過(guò)壓、欠壓保護(hù)電路來(lái)提高電源的可靠性和安全性。并且保護(hù)電路的設(shè)計(jì)要簡(jiǎn)單、實(shí)用，此處設(shè)計(jì)了一種CMOS工藝下的欠壓保護(hù)電路，此電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝實(shí)現(xiàn)容易，可用做高壓或功率集成電路等的電源保護(hù)電路。 欠壓保護(hù)的電路原理圖如圖5所示，共由五部分組成:偏置電路、基準(zhǔn)電壓、分壓電路、差分放大器、輸出電路。本電路的電源電壓是10V；M0，M1，M2，R0是電路的偏置部分，給后級(jí)電路提供偏置，電阻Ro決定了電路的工作點(diǎn)，M0，M1，M2組成電流鏡；R1，M14是欠壓信號(hào)的反饋回路；其余M3，M4，M5，M6，M7，M8，M9，M10，M11，M12，M13，M14組成四級(jí)放大比較器；M15，DO產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓，輸入比較器的同相端，固定不變（V＋），分壓電阻R1，R2，R3輸入到比較器的反相端，當(dāng)電源電壓正常工作時(shí)，反相端的欠壓檢測(cè)輸給比較器的反相端的電壓大于V+。比較器輸出為低，M14截止，反饋電路不起作用。當(dāng)欠壓發(fā)生時(shí)，分壓電阻R1，R2，R3反應(yīng)比較敏感，當(dāng)電阻分壓后輸給反相端的電壓小于V，比較器的輸出電壓為高，此信號(hào)將M14開(kāi)啟，使得R兩端的電壓變?yōu)镸兩端的飽和電壓，趨近于0V，從而進(jìn)一步拉低了R1R2分壓后的輸出電壓，形成了欠壓的正反饋。輸出為高，欠壓鎖定，起到了保護(hù)作用。本設(shè)計(jì)電路采用CSMC μm數(shù)字CMOS工藝對(duì)電路進(jìn)行仿真分析。在對(duì)電路做整體仿真時(shí)，主要觀察的是保護(hù)模塊對(duì)電池的充放電過(guò)程是否通過(guò)監(jiān)測(cè)Vdd電位和Vm電位而使芯片的CO端和DO端發(fā)生相應(yīng)的變化。圖7所示的整體仿真波形圖是保護(hù)模塊隨著電池電壓的變化從通常工作模式轉(zhuǎn)換到過(guò)充電模式，然后回到通常工作模式，接著進(jìn)入過(guò)放電模式，最后再回到通常工作模式。由于本設(shè)計(jì)處于前期階段，各個(gè)參數(shù)還需要優(yōu)化，只是提供初步的仿真結(jié)果。圖7 過(guò)壓與欠壓保護(hù)電路仿真波形 設(shè)計(jì)了一種集蓄電池充電與保護(hù)功能于一身的IC。利用此設(shè)計(jì)既可以減小而積，又可以減少外圍電路元器件。電路同時(shí)采用了低功耗設(shè)計(jì)。由于此項(xiàng)目正在進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化階段，完整的仿真還不能達(dá)到要求，還需要對(duì)各個(gè)模塊電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。13