简化Bi_CMOS工艺设计的锂离子电池充电管理电路
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１前言
在电池市场中，锂离子电池由于其充电密度高而受到普遍欢迎，同时由于锂离子材料的特殊性，它要求配备高精度的充电电路，其容差一般仅允许为±５０ｍＶ。
在锂离子电池充电管理电路中，代表产品有：Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ的ＡＤＰ３８２０，Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ的ＢＱ２０５７，Ｌｉｎｅａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 的ＬＴＣ１７３２，ＮａｔｉｏｎａｌＳｅｍｉｃｏｎｄｕｔｏｒ 的ＬＭ３６２２，Ｔｅｌｃｏｍ 的 ＴＣ３８２７等，由于国外这些公司的加工工艺先进，因而其产品所采用的器件结构复杂，售价也较高。
我们在参考了ＢＱ２０５７的基础上，采用了简化的Ｂｉ－ＣＭＯＳ工艺，设计成功锂离子电池充电管理电路。
２工作原理
电路内部的基准电压源电路产生基准电压Ｖ
ｒｅｇ，
Ｖ
ｒｅｇ
通过电阻网络产生内部阈值电压Ｖ
ｒｃｈ
和Ｖ
ｍｉｎ。
电路开始工作时首先检测电池的深度放电，将充电电
池的端电压与内部阈值电压 Ｖ
ｍｉｎ
进行比较，如果电池电压低于阈值电压，充电器便进入预充电模式，
其充电电流很小，限流可以控制旁通器件（通常是
一个ＰＭＯＳ或ｐｎｐ管）的功耗，而且可以防止电
路把过量的驱动电流输入不正常的电池之内。
一旦
电池电压达到了测试阈值，电路就转换至恒流充电
模式，当电池的电压达到充电电压的上限Ｖ
ｒｃｈ
时，电路将以恒定电压源的状态工作，保持电池电压在
充电器额定精确度之内。
在这种模式下，电池吸收
的电流越来越少，当电池电流低于设定阈值（为编
程充电电流的１０％）时，它便会终止充电。
由于锂的化学材料性能特别灵敏，使用不当会造成爆炸、起火等后果，因此在该电路中加入了过
电压保护、外置热敏电阻作为电池的测温输入（过
低或过高的温度情况下均为禁充电）、ＬＥＤ状态输
简化Ｂｉ－ＣＭＯＳ工艺设计的
锂离子电池充电管理电路
樊子宇，高永红，黄立朝
（信息产业部电子五十八所，江苏 无锡 ２１４０３５）
摘要：介绍了一种用简化的Ｂｉ－ＣＭＯＳ工艺设计的锂离子电池充电管理电路，主要是器件结构的设计和线路设计两个方面。
关键词： Ｂｉ－ＣＭＯＳ；锂离子电池；充电电路
中图分类号：ＴＮ４３２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００３－３５３Ｘ（２００２）１２－００２４－０２
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｌｉ－ｉｏｎ ｂａｔｔｅｒｙ ｃｈａｒｇｅ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ＩＣ
ｉｎ ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｂｉ－ＣＭＯＳ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ＦＡＮ Ｚｉ－ｙｕ，ＧＡＯ Ｙｏｎｇ－ｈｏｎｇ，ＨＵＡＮＧ Ｌｉ－ｃｈａｏ
（Ｗｕｘｉ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｉｎｓｔｉｔｕｅ，Ｗｕｘｉ ２１４０３５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ａ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｌｉ－ｉｏｎ ｂａｔｔｅｒｙ ｃｈａｒｇｅ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ＩＣ ｉｎ ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｂｉ－ＣＭＯＳ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｅｍｐｈａｓｉｓ ｉｓ ｐｌａｃｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｂｉ－ＣＭＯＳ；Ｌｉ－ｉｏｎ ｂａｔｔｅｒｙ；ｃｈａｒｇｅ ｃｉｒｃｕｉｔ
半导体技术第２７卷第１２期二ＯＯ二年十二月24
Semiconduc tor Technology Vol. 27 No. 12
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出等以保证电池充电的安全。
当电池电流低于设定阈值（为编程充电电流的１０％）时，它便会终止充电。
３器件结构的设计
在电路设计中，采用了ｎｐｎ管、纵向ｐｎｐ管、
ＰＭＯＳ、ＮＭＯＳ、电阻、电容等元器件，用１．０μｍ、Ｎ－阱Ｂｉ－ＣＭＯＳ工艺来实现，下面介绍一些典型元器件的结构。
图１是一种以ＣＭＯＳ工艺为主的ｎｐｎ管结构，相比较于ＢＩＰＯＬＡＲ工艺制造的ｎｐｎ管，缺少了ｎ＋埋层。
因为Ｎ－阱的电阻率要比ｎ＋埋层的电阻率大１￣２个数量级，所以图１所示的ｎｐｎ管的集电极串接电阻ｒｃｓ 很大，从而影响ｎｐｎ管的驱动能力，在版图设计时，我们充分考虑了这一点。
作为ＮＭＯＳ管的沟道，Ｎ－阱作漏端的漂移区，以提高管子耐压，这种结构的ＮＭＯＳ管的漏、源击穿可达３０Ｖ。
４ Ｂｉ－ＣＭＯＳ模拟电路的线路分析
该电路为Ｂｉ－ＣＭＯＳ模拟电路。
它综合了双极型器件高跨导、强负载能力和ＣＭＯＳ器件高输入阻抗、低功耗的优点，使电路各方面性能优越，特别是其高精度的特点，使用该充电管理电路能控制充电电压在４．１Ｖ，误差不超过±１％。
在这个电路中，引用了很多Ｂｉ－ＣＭＯＳ模拟电路单元，限于篇幅，这里简单介绍两种典型的Ｂｉ－ＣＭＯＳ模拟电路单元。
４．１ Ｂｉ－ＣＭＯＳ基准电压源电路
如图４所示，电阻Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３和ＭＯＳ管Ｍ１、Ｍ２完成对电压的取样，其中Ｍ１、Ｍ２构成一个二选一电路，双极管Ｔ１、Ｔ２和电阻Ｒ４～Ｒ６是一个带
图２所示为高压ＰＭＯＳ管，图中的ｐ－为基区注入，与ｎｐｎ管的基区注入兼容，在这种结构的ＰＭＯＳ管中，被作为漏端漂移区，以提高ＰＭＯＳ管的耐压，使电路在电源电压高至１８Ｖ时也能正常工作。
图３所示为高压ＮＭＯＳ管， 同ＰＭＯＳ管一样，图中的ｐ－为基区注入，与ｎｐｎ管的基区注入兼容，
隙基准源，双极管Ｔ３～Ｔ７，电阻Ｒ７～Ｒ１０为运算放大器作为反馈网络，ＰＭＯＳ管Ｍ３～Ｍ５为恒流源作有源负载用。
可看出，在这个电路中，双极型器件和ＭＯＳ器件互取其优点，组成了精密的基准电压源，通过ＳＰＩＣＥ模拟，电源电压在４～１８Ｖ范围内变化时，基准电压输出范围在４．１２３３～４．１２３７Ｖ，基准电压的输出精度非常高。
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半导体技术第２７卷第１２期
二ＯＯ二年十二月
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４．２ Ｂｉ－ＣＭＯＳ比较器电路
图５是一个双比较器，用于完成电池温度对充电器的控制，当电池温度过高或过低时双比较器输
Ｍ１和Ｍ２是比较器的差分输入端，Ｍ３为比较器提供电流，Ｔ１、Ｔ２组成恒流源作有源负载，比较结果经Ｔ３放大后输出。
在这个比较器中，输入差分对管采用了ＰＭＯＳ管，是由于ＭＯＳ管相对于双极管，它的输入阻抗要高很多，而采用ｎｐｎ管作放大输出，是因为ｎｐｎ管的增益比ＭＯＳ大。
５ 结论
该电路以双极型器件和ＭＯＳ器件互取其优点，组成了精密的基准电压源，电源电压在４～１８Ｖ范围内变化时，基准电压输出范围在４．１２３３～４．１２３７Ｖ，输出精度非常高；电路采用双比较器完成电池温度对充电器的控制等。
具有预充电模式和恒流充电模式，在恒流充电模式下，以恒定电压源的状态保持电池电压在充电器额定精确度之内，当电池电流低于设定阈值时，便会终止充电。
该电路中加入了过电压保护、外置热敏电阻作为电池的测温输入（过低或过高的温度情况下均为禁充电）、ＬＥＤ状态输出等以保证锂离子电池充电的安全。
作者简介：
樊子宇 （１９７０ －）女，１９９１年毕业于南京大学物理系，从事集成电路的设计研制工作，以模拟电路和数／模混合电路的设计开发为主。
（收稿日期：２００２０６２８）
出ｄ３１和ｃ５中有一个的输出电平为高，从而控制整个电路处于不充电状态。
ＰＭＯＳ管Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４和ｎｐｎ管Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３构成了比较器，其中
（上接第２５页）
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