90年代出現(xiàn)的鋰離子電池是能源技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要的里程碑。和其它二次電池相比，鋰離子電池具有更高的體積密度和能量密度，因此在移動(dòng)電話、個(gè)人數(shù)字助理(personalDigitalAssistant，pDA)、計(jì)算機(jī)等手提式電子設(shè)備中獲得了極為廣泛的應(yīng)用。

一方面，以鋰離子電池為供電電源的電路設(shè)計(jì)中，要求將越來(lái)越復(fù)雜的混合信號(hào)系統(tǒng)集成到一個(gè)小面積芯片上，這必然給數(shù)字、模擬電路提出了低壓、低功耗問(wèn)題。在功耗和功能的制約中，如何取得最佳的設(shè)計(jì)方法也是當(dāng)前功耗管理技術(shù)(powerManagement，pM)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

目前研究得較多的是系統(tǒng)級(jí)的動(dòng)態(tài)功耗管理技術(shù)(DynamicpowerManagement，DpM)，它的基本思想是關(guān)掉不工作的部分以節(jié)省系統(tǒng)功耗，但是在大多數(shù)情況下，這種方法僅用于數(shù)字系統(tǒng)的低功耗優(yōu)化。和模擬電路相關(guān)的低功耗設(shè)計(jì)也有許多文獻(xiàn)報(bào)道，但基本只限于某類專用電路，而對(duì)數(shù)模混合電路的功耗管理則少有文獻(xiàn)涉及。

另一方面，鋰離子電池的應(yīng)用也極大地推動(dòng)了相應(yīng)電池管理、電池保護(hù)電路的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。鋰離子電池應(yīng)用時(shí)必須要有復(fù)雜的控制電路，來(lái)有效防止電池的過(guò)充電、過(guò)放電和過(guò)電流狀態(tài)。

本文針對(duì)鋰離子電池保護(hù)電路，在考慮功能實(shí)現(xiàn)的同時(shí)，重點(diǎn)從功耗的角度出發(fā)，采用了模擬電路中關(guān)鍵電路工作在亞閾值區(qū)的設(shè)計(jì)思路，并利用內(nèi)部數(shù)字信號(hào)反饋控制模擬電路進(jìn)入Standby狀態(tài)，從而滿足較低電壓下的功耗管理。

系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)圖1給出了鋰離子電池保護(hù)電路的系統(tǒng)框圖。圖中，VDD和VSS分別是電池電源和地輸入端；CO和DO分別是充電及放電控制端，在正常工作模式下均為高電平，電池既可以充電又可以放電，反之，充電和放電回路被切斷；VM是放電過(guò)流、充電過(guò)流檢測(cè)端。電路實(shí)現(xiàn)的功能如下:

(1)過(guò)充電、過(guò)放電檢測(cè)：圖中的取樣電路(SAMpLE)將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池電壓信號(hào)，并將之送入過(guò)充電比較(OVERCHARGE)、過(guò)放電比較器(OVERDISCHARGE)和基準(zhǔn)電壓比較，判斷電池電壓是否高于過(guò)充電檢測(cè)電壓或是否低于過(guò)放電檢測(cè)電壓，再由數(shù)字邏輯控制電路(CONTROLLOGIC)輸出相應(yīng)信號(hào)到CO端及DO端，即完成過(guò)充電、過(guò)放電檢測(cè)功能。

(2)放電過(guò)流檢測(cè)：由VM端來(lái)監(jiān)測(cè)電池接負(fù)載放電時(shí)的電流大小，和不同的基準(zhǔn)電壓比較后，由三個(gè)比較器：過(guò)流1(OVERCURRENT1)、過(guò)流2(OVERCURRENT2)、負(fù)載短路(LOADSHORTDETECTION)輸出相應(yīng)信號(hào)，并根據(jù)過(guò)流程度經(jīng)過(guò)相應(yīng)延時(shí)后，由邏輯控制電路輸出信號(hào)控制DO端。

(3)充電過(guò)流檢測(cè)：VM端信號(hào)還可以反映電池接充電器時(shí)，充電電流的大小，再經(jīng)充電檢測(cè)比較器(CHARGEDETECTION)比較后，由邏輯控制電路決定是否應(yīng)停止充電。

(4)零伏電池充電功能：由電平轉(zhuǎn)換電路(CONVERTOR)實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)Υ潆姷碾姵剡M(jìn)行檢測(cè)，若電池電壓低于零伏電池充電電壓，便輸出信號(hào)將CO端置為低電平，從而切斷充電回路。

可以看出，此電路是一個(gè)持續(xù)工作的數(shù)模混合系統(tǒng)，同時(shí)又以被監(jiān)測(cè)的鋰離子電池為供電電源，在實(shí)現(xiàn)電路功能并滿足檢測(cè)精度的前提下，電路的功耗成了另外一個(gè)重要的性能指標(biāo)。由于控制邏輯部分屬于數(shù)字電路，靜態(tài)功耗幾乎可以忽略，所以如何降低模擬電路的靜態(tài)功耗并且限制低電壓下的電路功耗成了設(shè)計(jì)重點(diǎn)。

系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)

Standby狀態(tài)實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)中，為了使電路在電池過(guò)放電情況下盡可能地降低電流消耗，數(shù)字電路中加入了使系統(tǒng)進(jìn)入Standby狀態(tài)的控制部分，原理圖由圖2給出。圖中信號(hào)OD由數(shù)字電路出現(xiàn)，當(dāng)比較器檢測(cè)到電池電壓低于過(guò)放電檢測(cè)電壓，并經(jīng)過(guò)延時(shí)后，OD將從高電平變?yōu)榈碗娖剑藭r(shí)通過(guò)p2管將VM拉到高電平，再經(jīng)反相后從負(fù)載短路輸出OUT_LS端輸出低電平，使輸出端STAND變?yōu)榈碗娖剑琒TANDB為高電平，意味著系統(tǒng)可以進(jìn)入Standby狀態(tài);一旦電池充電開(kāi)始時(shí)，VM端迅速被置為低電平，此時(shí)不管OD如何，都通過(guò)OUT_LS將STAND恢復(fù)為高電平，系統(tǒng)進(jìn)入正常的檢測(cè)狀態(tài)。

通過(guò)內(nèi)部數(shù)字電路出現(xiàn)的Standby信號(hào)，可以有效打開(kāi)或者切斷模擬電路從電源到地的直流通路，使電路在不要的時(shí)候保持Standby狀態(tài)，以降低電源消耗。因?yàn)橹灰獑蝹€(gè)MOS便可充當(dāng)電路的控制開(kāi)關(guān)，所以這種方法簡(jiǎn)單可靠，不影響原有的模擬電路功能，并且能和模擬電路低功耗設(shè)計(jì)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)低電壓下電路的功耗管理。

亞閾值電壓基準(zhǔn)電路

由于電壓基準(zhǔn)源同時(shí)要給過(guò)充比較器、過(guò)放比較器、過(guò)流1比較器及過(guò)流2比較器供應(yīng)不隨溫度、電源電壓變化而變化的基準(zhǔn)電壓，所以在模擬電路中起著非常重要的用途，同時(shí)也是影響電路功耗的一大因素。本文利用MOS管的亞閾值特性，設(shè)計(jì)了工作在亞閾值區(qū)的電壓基準(zhǔn)電路，能夠滿足上述功耗要求，電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。電路利用一個(gè)自偏置電路出現(xiàn)具有正溫度系數(shù)的電流，該電流流過(guò)電阻R0所出現(xiàn)的壓降和具有負(fù)溫度系數(shù)的pN結(jié)壓降相加，可以輸出一個(gè)零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓VBD;為滿足電路中輸出不同的基準(zhǔn)電壓源，利用電阻分壓將VBD分成了VBI1及VBI2輸出。同時(shí)，為保證電路在加上電源電壓后能進(jìn)入正確的工作狀態(tài)，電路中還加入了RC啟動(dòng)電路。

由圖3可見(jiàn)，p0和p1組成電流鏡，取相同的寬長(zhǎng)比，則在p1、p0、N0、N1和R5構(gòu)成的自偏置電路中，選擇合適的R5值，可以使N0和N1工作在亞閾值區(qū)。并且，在時(shí)亞閾值MOS管的漏電流Id可表示為:

式中

與工藝參數(shù)有關(guān)，其中n為亞閾值因子，

k為波爾茲曼常數(shù),q為電子電荷。因?yàn)?VGSN0-VGSN1=IN0?R5,將式(1)代入,則有:

式(2)中可以看出，不考慮電阻R1的溫度系數(shù)，電流IN1與熱電壓UT，成線性關(guān)系，具有正溫度系數(shù)。p2和p1組成電流鏡，假定流過(guò)p2的電流為Ip2,則有:

設(shè)二極管正向壓降為VD，分壓電阻R1、R2、R3、R4對(duì)R0的影響可以用等效電阻R=(R1+R2)∥(R3+R4)來(lái)表示，則在正常工作時(shí)，滿足

該電流出現(xiàn)電路有兩個(gè)平衡工作點(diǎn)，即零點(diǎn)和正常工作點(diǎn)，所以要一個(gè)啟動(dòng)電路，使電路能在上電過(guò)程中脫離零點(diǎn)而穩(wěn)定工作。另外，從電路功耗考慮，啟動(dòng)電路在電路進(jìn)入正常工作后應(yīng)斷開(kāi)，沒(méi)有電流消耗。設(shè)計(jì)時(shí)從p1的漏端加入了R6、C0，構(gòu)成自偏置電路的啟動(dòng)電路。

與傳統(tǒng)的Bandgap基準(zhǔn)源電路相比，該電路有以下特點(diǎn)：電路工作在亞閾值區(qū)，功耗極低，電路中電阻值和器件參數(shù)均取比值，最大程度地防止了工藝漂移引起的輸出變化；電路設(shè)計(jì)中還加入了RC啟動(dòng)電路，保證電路在上電后能及時(shí)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。另外，由內(nèi)部數(shù)字信號(hào)STANDB的控制，此電路能夠在低電壓下進(jìn)入Standby狀態(tài)，此時(shí)消耗電流僅由控制管的漏電流決定，小到幾乎可以忽略。

模擬結(jié)果

電路采用UMC0.6μm數(shù)字電路SpICE模型進(jìn)行HSpICE模擬驗(yàn)證。圖4給出了電路對(duì)電池電壓VDD進(jìn)入和退出過(guò)充電狀態(tài)時(shí)的模擬結(jié)果，從圖中可看出，過(guò)充電出現(xiàn)后，CO端被置為低電平，反之則是與電源電壓相等的高電平。

基于單片機(jī)的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)工作正常，溫度采樣和顯示的誤差控制在設(shè)計(jì)要求的±1℃之內(nèi)。系統(tǒng)應(yīng)用于DF101B型集熱式恒溫磁力攪拌器，主控部分和從控部分通信穩(wěn)定。在AD590的電流模擬量輸出后，電阻分壓和放大倍數(shù)要很好的匹配，既要保證分辨率的大小適中，又要確保輸入的電壓在ADC0809轉(zhuǎn)換電壓范圍之內(nèi)。

無(wú)線通信過(guò)程中要求清楚數(shù)據(jù)編碼的波形，以便調(diào)試時(shí)了解發(fā)送數(shù)值的正確與否，以及傳輸中干擾和將要采取的抗干擾措施。專用顯示驅(qū)動(dòng)芯片MAX7219與MCS-51之間是用串行的方式通信，時(shí)序的配合在通信中非常重要。

數(shù)字化已經(jīng)是控制領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。溫度控制系統(tǒng)經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間發(fā)展以后，智能化程度的要求越來(lái)越高，以微處理器為核心的溫度智能控制系統(tǒng)能夠滿足絕大多數(shù)領(lǐng)域?qū)囟瓤刂频囊蟆Ｅc微處理器其它方面的應(yīng)用相比，以微處理器為核心的溫度控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)在我國(guó)來(lái)說(shuō)顯得更為迫切，很多的控制領(lǐng)域還在沿用傳統(tǒng)的控制理論，采用老的控制系統(tǒng)，適時(shí)性不強(qiáng)，處理速度慢，故障率比較高。

因此開(kāi)發(fā)以單片機(jī)為核心的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義，本系統(tǒng)是一套較完整的溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)。考慮到系統(tǒng)工作環(huán)境的因素和工作現(xiàn)場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)的具體要求，加強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力和工作穩(wěn)定性將是系統(tǒng)要進(jìn)一步改進(jìn)的首要方面。

我們可以在傳感器輸出與單片機(jī)的輸入之間加上光電隔離，同時(shí)單片機(jī)和繼電器控制之間也加上光電隔離，這對(duì)系統(tǒng)的抗干擾能力將有很大的提高。