锂电池电流监测电路设计：模拟到数字转换与保护

"本文介绍了一种适用于锂电池的电流监测电路设计，通过在供电环路中引入灵敏电阻，结合时钟控制的开关电容运算放大器和高速比较器，实现了电流的模拟到数字转换。该电路可以精确计算电流，提供过流和短路保护，以及电池阻抗和电量的计算。设计基于0.18 μm CMOS工艺，电源电压2.5 V，经过仿真验证，电路在宽温范围内具有良好的电流采样和编码能力，还能判断充放电状态。" 本文设计的电流监测电路是针对锂电池应用的专业电路，主要目的是实现精确的电流测量和保护功能。系统的核心组成部分包括： 1. **灵敏电阻**：在锂电池供电回路中引入灵敏电阻，用以感应微小的电流变化，从而转化为电压信号。 2. **开关电容采样电路**：由电容和运算放大器（AMP）组成，通过时钟控制的开关操作，将电流的模拟信号转换成可处理的电荷形式。 3. **高速比较器（COMP）**：用于量化采样电路产生的电荷，将电压信号转换为数字信号，确保数据处理的精度。 4. **处理器**：接收来自高速比较器的数字信号，进行逻辑控制和编码，计算电流量，并执行保护算法，如过流和短路保护。 5. **偏置电路**：为运算放大器提供启动电压，同时生成必要的参考电压Vbe1和Vbe4。 6. **时钟模块**：控制整个电路的开关动作，确保采样和数据处理的同步。 在实际应用中，这种设计需要考虑温度范围的影响。通过仿真，电路在-40℃至+125℃的环境中都能正常工作，能够准确采样电流并判断电池是在充电还是放电。例如，图8展示了高速比较器的静态工作点，表明即使存在失调电压，也能保证输出的稳定性和触发时序的正确性。 图9则展示了采样电路的性能，当锂电池电流发生变化时，采样端电压的变化能够被有效地量化，进而判断电池的工作状态。同时，电路设计通过增大运放输入端的寄生电容来减少时钟馈通效应，降低了频繁开关对输出的影响。 图10进一步验证了采样电路在实时电流变化下的跟踪能力，显示了在SRP端施加不同电压时，采样电路的响应性能。 这种电流监测电路为锂电池的应用提供了高效和可靠的电流监控方案，不仅能够保护电池免受过流和短路损害，还能用于计算电池的阻抗和剩余电量，对于优化电池管理系统(BMS)和提升电池性能具有重要意义。