CN101667740B

CN101667740B - 锂电池充放电保护芯片中的输出驱动电路

Info

Publication number: CN101667740B
Application number: CN2009100235947A
Authority: CN
Inventors: 魏廷存; 刘成; 孙井龙
Original assignee: Xi'an Longteng Micro-Electronics Tech Development Co Ltd
Current assignee: Xi'an Longteng Micro-Electronics Tech Development Co Ltd
Priority date: 2009-08-14
Filing date: 2009-08-14
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2029-08-14
Also published as: CN101667740A

Abstract

本发明公开了一种锂电池充放电保护芯片中的输出驱动电路，由增强型PMOS晶体管M1、电阻R1、耗尽型NMOS晶体管M2组成电平转换电路，电平转换电路的输入端为COUT_1，输出端为电阻R1一端的COUT_2；增强型PMOS晶体管M1的源极连接正电源VDD，栅极连接电路的输入端COUT_1，漏极连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接耗尽型NMOS晶体管M2的漏极，耗尽型NMOS晶体管M2的栅极和源极短接并连接到负电源VM。由于电平转换电路采用耗尽型NMOS晶体管M2，在V_GS＝0的情况下即可导通且提供极小的恒定电流，保证了正确的电平转换功能，降低了贯通电流，进而降低电路功耗。流过NMOS晶体管M2的最大电流由现有技术的800nA降低到110nA，比现有技术电流减小了86％。

Description

锂电池充放电保护芯片中的输出驱动电路

技术领域

本发明涉及一种输出驱动电路，特别是锂电池充放电保护芯片中的输出驱动电路。

背景技术

参照图4，公知的锂电池充放电保护芯片的外围电路中，所有的电路共用一个正电源VDD，但会出现两个负电源：一个是负电源GND，另一个是负电源VM，负电源GND是普通的电源地端，负电源VM是充电器对电池充电时的负相端。在电池放电过程中，负电源VM端是一个高于负电源GND的电位，在电池充电过程中，负电源VM端是一个低于负电源GND的电位。为了保证外围充电控制MOSFET管MC能够正常关闭和导通，MOSFET管MC的控制信号COUT的高电平应为VDD，而低电平应为负电源VM而不是负电源GND。另外，要求COUT信号具有足够的驱动能力去控制MOSFET管MC通断，这就需要对芯片内部逻辑电路的输出信号(高电平为VDD，低电平为GND)进行电平转换并且增强其驱动能力。

参照图5，文献“高俊，低功耗锂电池充放电保护芯片的设计[D]，武汉：华中科技大学，2006年，p44-45”公开了一种锂电池充放电保护芯片中的输出驱动电路。该电路由四个增强型PMOS晶体管M1、M3、M5、M7，四个增强型NMOS晶体管M2、M4、M6、M8，三个电阻R1、R2、R3以及正电源VDD和负电源VM组成。其中增强型PMOS晶体管M1、增强型NMOS晶体管M2以及电阻R1组成第一级反相器，增强型PMOS晶体管M3、增强型NMOS晶体管M4以及电阻R2组成第二级反相器，增强型PMOS晶体管M5、增强型NMOS晶体管M6以及电阻R3组成第三级反相器，增强型PMOS晶体管M7、增强型NMOS晶体管M8组成第四级反相器。增强型PMOS晶体管M1的源极连接正电源VDD，M1的栅极连接增强型NMOS晶体管M2的栅极并接到电路的输入端COUT_1，M1的漏极连接电阻R1的上端。电阻R1的下端连接增强型NMOS晶体管M2的漏极，增强型NMOS晶体管M2的源极连接负电源VM。第一级反相器的输入端为COUT_1，输出端为电阻R1的上端。第二级、第三级反相器中各器件的连接方式和第一级一样，第一级反相器的输出端为第二级反相器的输入端，第二级反相器的输出端为第三级反相器的输入端。增强型PMOS晶体管M7的源极连接正电源VDD，栅极连接电阻R3的上端，漏极连接增强型NMOS晶体管M8的漏极。增强型NMOS晶体管M8的栅极连接电阻R3的下端，源极连接负电源VM。第四级反相器的输入端为增强型PMOS晶体管M7和增强型NMOS晶体管M8的栅极，输出端为增强型PMOS晶体管M7和增强型NMOS晶体管M8的漏极。所有增强型CMOS晶体管的衬底都和各自的源极连接。

该输出驱动电路用了四级反相器，可以提供足够的驱动能力。但在充电过程中，由于负电源VM电位比负电源GND低，当逻辑电路的输出信号COUT_1为低电平GND时，增强型PMOS晶体管M1导通，此时如果负电源GND与负电源VM之间的电压差超过增强型NMOS晶体管M2的阈值电压，增强型NMOS晶体管M2也会导通且由于过驱动电压很大而产生很大的电流。由于增强型PMOS晶体管M1、增强型NMOS晶体管M2同时导通，且增强型PMOS晶体管M1工作于饱和区，有可能让第一级反相器的输出COUT_2出现错误的低电平，导致输出信号COUT出现错误的高电平VDD。同时，如果增强型PMOS晶体管M1、增强型NMOS晶体管M2同时导通，产生较大的贯通电流，导致功耗增加。

VDD＝2.2V，VM＝-6V，当COUT_1为低电平GND时，该电路的COUT不能被转换为低电平VM＝-6V，发生电平转换错误，电路中的增强型NMOS晶体管M2的最大电流约800nA。

发明内容

为了克服现有技术出现电平转换错误、贯通电流大而导致功耗大的不足，本发明提供一种锂电池充放电保护芯片中的输出驱动电路，该电路中电平转换电路采用耗尽型NMOS晶体管，可以保证正确的电平转换，降低贯通电流，进而降低电路功耗。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种锂电池充放电保护芯片中的输出驱动电路，包括增强型PMOS晶体管M1、增强型PMOS晶体管M3、增强型PMOS晶体管M5、增强型PMOS晶体管M7、增强型NMOS晶体管M4、增强型NMOS晶体管M6、增强型NMOS晶体管M8、电阻R1、电阻R2、电阻R3，其特点是：还包括一个耗尽型NMOS晶体管M2。增强型PMOS晶体管M3、增强型NMOS晶体管M4以及电阻R2组成第二级反相器，增强型PMOS晶体管M5、增强型NMOS晶体管M6以及电阻R3组成第三级反相器，增强型PMOS晶体管M7、增强型NMOS晶体管M8组成第四级反相器。增强型PMOS晶体管M1、电阻R1、耗尽型NMOS晶体管M2组成电平转换电路，电平转换电路的输入端为COUT_1，输出端为电阻R1一端的COUT_2；增强型PMOS晶体管M1的源极连接正电源VDD，栅极连接电路的输入端COUT_1，漏极连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接耗尽型NMOS晶体管M2的漏极，耗尽型NMOS晶体管M2的栅极和源极短接并连接到负电源VM。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种锂电池充放电保护芯片中的输出驱动电路，包括增强型PMOS晶体管M1、增强型PMOS晶体管M3、增强型PMOS晶体管M5、增强型PMOS晶体管M7、增强型NMOS晶体管M4、增强型NMOS晶体管M6、增强型NMOS晶体管M8、电阻R1、电阻R2、电阻R3，其特点是：还包括一个耗尽型NMOS晶体管M2。增强型PMOS晶体管M3、增强型NMOS晶体管M4以及电阻R2组成第二级反相器，增强型PMOS晶体管M5、增强型NMOS晶体管M6以及电阻R3组成第三级反相器，增强型PMOS晶体管M7、增强型NMOS晶体管M8组成第四级反相器。增强型PMOS晶体管M1、电阻R1、耗尽型NMOS晶体管M2组成电平转换电路，电平转换电路的输入端为COUT_1，输出端COUT_2连接在增强型PMOS晶体管M1的漏极与电阻R1之间；增强型PMOS晶体管M1的源极连接正电源VDD，栅极连接电路的输入端COUT_1，漏极连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接耗尽型NMOS晶体管M2的漏极，耗尽型NMOS晶体管M2的栅极和源极短接并连接到负电源VM；流过增强型PMOS晶体管M1和耗尽型NMOS晶体管M2的电流由耗尽型NMOS晶体管M2决定，该电流应当使COUT_1为低电平GND时，增强型PMOS晶体管M1工作在线形区。

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明锂电池充放电保护芯片中的输出驱动电路的电路图。

图2是本发明与现有技术电平转换的比较图。

图3是本发明与现有技术电流的比较图。

图4是现有技术锂电池充放电保护芯片外围电路的电路图。

图5是现有技术锂电池充放电保护芯片中的输出驱动电路的电路图。

具体实施方式

参照图1～3，本发明锂电池充放电保护芯片中的输出驱动电路由增强型PMOS晶体管M1、增强型PMOS晶体管M3、增强型PMOS晶体管M5、增强型PMOS晶体管M7，增强型NMOS晶体管M4、增强型NMOS晶体管M6、增强型NMOS晶体管M8，一个耗尽型NMOS晶体管M2，电阻R1、电阻R2、电阻R3以及正电源VDD和负电源VM组成。其中增强型PMOS晶体管M1、电阻R1、耗尽型NMOS晶体管M2组成电平转换电路，增强型PMOS晶体管M3、增强型NMOS晶体管M4以及电阻R2组成第一级反相器，增强型PMOS晶体管M5、增强型NMOS晶体管M6以及电阻R3组成第二级反相器，增强型PMOS晶体管M7、增强型NMOS晶体管M8组成第三级反相器。增强型PMOS晶体管M1的源极连接正电源VDD，栅极连接电路的输入端COUT_1，漏极连接电阻R1的一端。电阻R1的另一端连接耗尽型NMOS晶体管M2的漏极。耗尽型NMOS晶体管M2的栅极和源极短接并连接到负电源VM。电平转换电路的输入端为COUT_1，输出端为电阻R1一端的COUT_2。电平转换电路的输出端为第一级反相器的输入端，第一级反相器的输出端为第二级反相器的输入端，第二级反相器的输出端为第三级反相器的输入端。增强型PMOS晶体管M3的源极连接正电源VDD，PMOS晶体管M3的栅极连接增强型NMOS晶体管M4的栅极，PMOS晶体管M3的漏极连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接增强型NMOS晶体管M4的漏极。增强型NMOS晶体管M4的源极连接负电源VM。第一级反相器的输入端为增强型PMOS晶体管M3和增强型NMOS晶体管M4的栅极，输出端为电阻R2的一端。第二级反相器中各元器件的连接关系和第一级相同。增强型PMOS晶体管M7的源极连接正电源VDD，栅极连接电阻R3的上端，漏极连接增强型NMOS晶体管M8的漏极。增强型NMOS晶体管M8的栅极连接电阻R3的下端，源极连接负电源VM。输出驱动电路的输出端COUT在增强型PMOS晶体管M7的漏极。所有增强型CMOS晶体管的衬底都和各自的源极连接。

锂电池充放电保护芯片中的输出驱动电路由电平转换电路和驱动电路组成，其中NMOS管M2为耗尽型晶体管，其余均为增强型晶体管。电平转换电路由增强型PMOS晶体管M1、耗尽型NMOS晶体管M2以及电阻R1组成。驱动电路由三级反相器组成。电阻R1、R2、R3起限流作用。

COUT_1是由逻辑电路输出的控制信号，其高电平为正电源VDD，低电平为负电源GND。负电源VM是充电器对电池充电时的负相端，在电池充电过程中，负电源VM电位低于负电源GND，而在电池放电过程中，负电源VM电位高于负电源GND。耗尽型NMOS晶体管M2的栅极和源极短接，即V_GS＝0。由于耗尽型器件的特性，此时耗尽型NMOS晶体管M2处于导通状态并且可提供一个很小的恒定电流。当COUT_1为高电平VDD时，增强型PMOS晶体管M1关闭，耗尽型NMOS晶体管M2导通，COUT_2端通过电阻R1和耗尽型NMOS晶体管M2被下拉到低电平负电源VM，经过后面三级反相器驱动后输出电平为正电源VDD的驱动电压信号，实现了COUT和COUT_1之间高电平的转换并提供了驱动能力。反之，当COUT_1为低电平GND时，增强型PMOS晶体管M1导通，虽然此时NMOS晶体管M₂也导通，但由于流过增强型PMOS晶体管M1的电流很小，增强型PMOS晶体管M1工作在线性区，因而起到一个开关管的作用，此时COUT_2被上拉到高电平VDD，经过后面三级反相器驱动后输出电平为VM的驱动电压信号，实现了COUT和COUT_1之间低电平的转换并提供了驱动能力。

从图2中可以看出，VDD＝2.2V，VM＝-6V，当COUT_1为低电平GND时，对于现有技术的电路，COUT不能被转换为低电平VM＝-6V，发生电平转换错误，而本发明电路的COUT可被转换为低电平VM＝-6V。从图3中可以看出，流过现有技术电路中的增强型NMOS晶体管M2的最大电流约800nA，流过本发明电路中的耗尽型NMOS晶体管M2的最大电流为110nA，比现有技术的最大电流减小了86％。

通过上述分析可以看出，本发明电路的关键在于COUT_1与COUT_2之间的电平转换。为此，应注意增强型PMOS晶体管M1和耗尽型NMOS晶体管M2的尺寸设计。流过增强型PMOS晶体管M1和耗尽型NMOS晶体管M2的电流由耗尽型NMOS晶体管M2决定，该电流应当使COUT_1为低电平GND时，增强型PMOS晶体管M1工作在线形区，如果增强型PMOS晶体管M1工作在饱和区，那么会导致增强型PMOS晶体管M1的源-漏电压|V_SD1|增加，由于COUT_2电平等于VDD-|V_SD1|，可能使得COUT_2电平太低而不足以驱动后面的第一级反相器翻转，最终使COUT不能跟随COUT_1变化。同时，该电流直接决定了电路的静态功耗。

Claims

1.一种锂电池充放电保护芯片中的输出驱动电路，包括增强型PMOS晶体管M1、增强型PMOS晶体管M3、增强型PMOS晶体管M5、增强型PMOS晶体管M7、增强型NMOS晶体管M4、增强型NMOS晶体管M6、增强型NMOS晶体管M8、电阻R1、电阻R2、电阻R3，其特征在于：还包括一个耗尽型NMOS晶体管M2，增强型PMOS晶体管M3、增强型NMOS晶体管M4以及电阻R2组成第二级反相器，增强型PMOS晶体管M5、增强型NMOS晶体管M6以及电阻R3组成第三级反相器，增强型PMOS晶体管M7、增强型NMOS晶体管M8组成第四级反相器，增强型PMOS晶体管M1、电阻R1、耗尽型NMOS晶体管M2组成电平转换电路，电平转换电路的输入端为COUT_1，输出端COUT_2连接在增强型PMOS晶体管M1的漏极与电阻R1之间；增强型PMOS晶体管M1的源极连接正电源VDD，栅极连接电路的输入端COUT_1，漏极连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接耗尽型NMOS晶体管M2的漏极，耗尽型NMOS晶体管M2的栅极和源极短接并连接到负电源VM；流过增强型PMOS晶体管M1和耗尽型NMOS晶体管M2的电流由耗尽型NMOS晶体管M2决定，该电流应当使COUT_1为低电平GND时，增强型PMOS晶体管M1工作在线形区。