0 引言

    伴隨著我國汽車產業的飛速發展，空氣污染、能源短缺等一系列問題也日益加劇，具有高效節能或零排放優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，需要連續監測充放電電量，避免可能使電池發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而成以提供高到幾十伏甚至上百伏的總電壓，每節電池在不同溫度、不同荷電狀態下其電池容量、內阻、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監測，還需要根據實時監測的結果來周期性地均衡各電池^[2]。因此，電池組的電源管理系統芯片是延長電池壽命，維護電動汽車安全運行的關鍵模塊。

1 電路設計與原理分析

    本文設計的穩壓模塊應用于電池管理芯片內，外界待監測電池組由12節電池串聯，每節電池滿量程5 V，在電池組輸入高壓和寬范圍變化的情況下，能夠對芯片內模擬部分和數字部分分別提供穩定的工作電壓。針對數字部分對電源電壓不敏感的特點，數字電源電壓產生電路可簡化處理，以減小設計難度和芯片成本。同時本模塊具有上電復位、過流保護和過溫保護功能，使芯片在復雜的工作環境下能夠安全可靠地工作。整體電路結構如圖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首先導通，產生參考電流I_ref1，通過M2、M3、M4鏡像，分別產生V_b1、V_b2、V_b3、V_b4；由于柵電容充電， M5、M6-M7延時一定時間后導通，產生V_b5，M8接著導通產生V_b6。其中V_b1用于產生上電復位信號，V_b2、V_b6分別為數字電源電壓和模擬電源電壓產生電路提供偏置電壓。

1.2 模擬電源電壓產生電路及過流保護電路

    模擬電源電壓產生電路是穩壓模塊的核心部分，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導通， M16-M18導通后使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，產生零溫度系數的帶隙電壓^[4]。M9-M10與M11-M12過驅動電壓及W/L分別相等，即流過Q0與Q1的電流相等，其中Q0由10個Q1并聯而成，則Q1與Q0基極-發射極的電壓差在R2上產生正溫度系數電流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致內部電流變大,引起芯片損壞。因此需要保護電路檢測負載電流的變化，當電流超載時觸發保護機制。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，當負載電流達到所設定閾值時，D2管反向擊穿并流過電流，Q4、Q5導通，M19柵極電壓拉低，M19截止，則輸出得到保護。

1.3 數字電源電壓產生電路

    數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方法，電路結構既簡單、同時可高度兼容工藝偏差帶來的不確定性。

    數字電源電壓產生電路如圖4所示，DVDD=V_gs22+V_sg23+V_gs25-I₂·R7；為減小負載電流對I₂的影響，設計中M27采用15個并聯以增加分流能力，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導通，D3截止，當電路中出現負載過載等情況時，V_g22↓，則M22截止，V_g26↑，D3導通，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，M26得到保護。

1.4 上電復位電路

    上電復位電路對數字電路中的寄存器、觸發器、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設置，確保整個電路上電后進入正確的工作狀態。復位電路如圖5所示。在芯片內部集成上電復位電路可提高芯片集成度，簡化板級布局布線、減小線間串擾噪聲影響^[5-6]。電源上電后，M36截至， M2導通并通過M32-M34產生高電平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導通，V_b5產生， M36-M38導通并將V_b3拉低，M35截止，M39，M40-M41組成的電流鏡產生電流對電容C1充電，當電容兩端電壓升至施密特觸發器的閾值電壓時，POR信號跳轉至低電平，上電復位過程結束。施密特觸發器提供電壓遲滯，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部供電且工作在高壓下，因此功耗較大，當環境溫度較高或內部電流急劇變大時，都有可能導致芯片內部溫度過高，使芯片損壞。為了防止這種情況，需要過溫保護電路，在內部溫度超過某一設定的溫度時，將系統關閉。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導通，I_PTAT電流由上文中的帶隙電路產生，流過R8產生V_bQ7，溫度升高時，V_bQ7增大，V_beQ7減小，當V_bQ7＞V_beQ7時，Q7導通，M31截止，輸出電平跳轉產生過溫標志信號，此時I_PTAT流經R8、R9；反之，溫度降低時，當V_bQ7＜V_beQ7時，電路返回正常工作狀態。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-輸入穩壓特性、溫度特性、復位功能、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，輸出的掃描結果為圖8所示。全溫度范圍內AVDD變化為6 mV，溫漂系數為7.8 ppm/℃，DVDD變化0.76 V。

2.3 復位功能仿真

    用瞬態分析法，得復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，復位信號POR跟蹤DVDD，500 μs后變為高電平，電路處于復位狀態。2.1 ms后電容兩端電壓達到施密特觸發器的閾值電壓，POR翻轉為低電平，復位結束，電路進入正常工作狀態。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定為10 mA，對負載電流進行DC掃描如圖10所示，當電流從0增至10 mA時，DP開始開啟，輸出關斷，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，當溫度達到150 ℃時，過溫信號HOT變為高電平，過溫保護功能開啟；負方向掃描時，溫度降至145 ℃時，HOT變為低電平，芯片重新正常工作，溫度迴差為5 ℃。

3 結論

    本文基于XFAB 0.35 μm工藝，根據實際應用要求，完成了一款應用于電池管理芯片中穩壓模塊的設計，負載電流為4 mA，輸入電壓在10 V～60 V范圍內，模擬電源電壓與數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，模擬電源電壓變化6 mV，溫漂系數為7.8 ppm/℃，數字電源電壓變化0.76 V；電源正常上電及二次掉電情況下，復位電路能夠穩定可靠工作，復位脈沖寬度為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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