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锂离子电池充电器设计

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    西安电子科技大学 硕士学位论文 锂离子电池充电器设计 姓名:姚和平 申请学位级别:硕士 专业:微电子学与固体电子学 指导教师:朱樟明 20080101 摘要 摘要 锂离子电池具有体积小、质量轻、比能量高、寿命长、可快速充电等优点。 相较于其它类型的电池而言,具有明显优越的综合性能,竞争优势不可忽视。它 的特点决定了它要求有性能完备的充电管理芯片。 本文论述了一种锂离子电池充电器芯片的设计:在通过欠压闭锁电路检测充 电条件满足之后,先对电压过低的电池进行涓流充电。当电池电压达到安全电平 时,采用恒流.恒压充电方式对电池快速充电。当电池最终浮充电压达到4.2 V时, 充电过程终止。芯片采用最小电流恒压终止控制实现较高的精度,从而有效利用 电池容量并防止电池的过充损坏。并且在芯片温度升高时,内部的热限制电路将 自动减小充电电流。再结合其他控制和保护电路,实现了充电控制的智能化。 芯片的设计采用0.6umBi-CMOS混合信号模型。通过对各模块和整体电路的 功能进行HSPICE仿真,验证了设计的可行性。 关键词:锂离子电池恒流充电恒压充电热限制带隙基准 Abstract Abstract Because of their weight,size,useful life and higher available energy densities, lithium-ion ba位edes have become increasingly popular for use in portable dectronic devices.The numerous advantages it are offset by the additional care and diHgence required tO ensure lithium-ion charging system accuracy and safety. In this thesis,the design of a chai'ger for the single cell lithium-ion baRery is presented.When the under voltage lockout conditions are satisfied,the trickle-current charging in advance is used tO protect low-voltage batteries.The charge algorithm is constant-current and constanbvoltage changing mode as the baRery voltage reaches a safe level.Minimum-current constant—voltage terminating is used tO control charge precision.Under voltage lockout circuits,charging terminated circuit and recharging circuit are designed tO make sure a safe charging process. 0.6urn Bi-CMOS mix—signal model and Hspice tool are used for simulation.The simulation shows that the design meet the requirements and work well。 Keywords:lithium-ion battery Constant-current Constant-voltage Thermal Terminating Bandgap reference 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外,论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果;也不包含为获得西安电子科技大学 或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处,本人承担一切相关责任。 本人签名: 关于使用授权的声明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定,即:研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业 离校后,发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学 校有权保留送交论文的复印件,允许查阅和借阅论文;学校可以公布论文的全部 或部分内容,可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。(保密的论文在 解密后遵守此规定) 别币獬:妻峪 本人签名:》丝毒蔓辱 日粉 潮‘/‘诊。 第一章绪论 第一章绪论 1.1论文研究背景 随着电子技术的不断发展,便携式设备不断涌现,丰富和方便了人们的生活。 现在,移动电话、笔记本电脑、数码相机等便携式设备已经成为人们生活的一部 分,而且有着更为广阔的市场前景和发展空间。今后,还会有更多的便携式设备 出现。便携式设备的发展,对电池产业提出了更高的要求。低成本、高电压、高 能量密度、轻型化、长寿命、高安全性的电池,特别是可重复使用的电池备受关 注。 目前广泛采用的便携式可充电电池可以分为镍镉(Ni.Cd)电池、镍氢(Ni.Mh) 电池、锂离子(Li.Ion)及锂聚合物(Li.Polymer)电池。相比其它电池,锂离子 电池有其独有的优势H1: 1.比能量高。锂离子电池的比能量可达镍镉的2倍以上,与同容量镍氢电池相比 体积可减少30%,重量可降低50%。因此,锂离子电池有高容量,高密度,尺寸 小,重量轻等特点,有利于便携式电子设备小型轻量化。 2.工作电压高。通常单节锂离子电池使用电压为3.6V,是单节镍镉、镍氢电池的3 倍,充足电时电压可达到4.2V。单体电池可为3V的电路供电。对于要求较高供 电电压的电子设备,电池组所需串联电池数也可大大减少。 3.无记忆效应。像镍镉电池都有记忆效应,必须进行定期放电,否则就会因记忆 效应使电池失效。而锂电池无记忆效应,不必理会残余电量的多少,可直接进行 充电。 4.寿命长。锂离子电池采用碳负极,在充放电过程中,碳负极不会生成金属锂从 而可以避免电池因内部金属锂短路而损坏。目前,锂离子电池的寿命可达1200次 以上,远远高于各类电池。 5.安全快速充电。锂离子电池与金属锂电池不同,它的负极用特殊的碳电极代替 金属锂电极,因此允许快速充电。采用l C充电速率,可在两小时内充足电,而 且安全性能大大提高。(注:充电率C表示充电的速度。若不考虑充电过程的损 耗,充电率可表示为: C=充电电流(mA)/Eg池容量(mAh) 若电池的容量为500 mAh,C=1,则充电电流为500 mA。但实际的充电过程是一 个电化学反应过程,有一定的损耗(如发热),故实际充电电流要比计算值大30% 锂离子电池充电器设计与研究 左右。为缩短充电时间,可采用1 C、2 C充电率,一般最大充电率可达4 C。 6.允许温度范围宽。锂离子电池具有优良的高低温放电性能,可在一20 N+60℃之间 工作。高温放电性能优于其它各类电池。 此外,锂离子电池自放电率为每月2-5%,非常的低【2】。 (镍镉,镍氢等电池 自放电率达到每月15.35%)并且具有无环境污染等优点,被称为“绿色电池”。综 合性能优于铅酸、镍镉、镍氢和金属锂电池,被称为性能最好的电池。 基于以上优点,锂电池被广泛应用在便携式设备中。在便携式应用中,一般采 用容量相对不大的锂电池,以求在设备的便携性和工作时间之间取得一定的平衡。 同样,作为设备内部锂电池管理系统,其体积和重量也应该相应缩小。由于电池容 量不大,管理系统相对简单,一般不涉及复杂的均衡等问题。因此,基于专用芯片 在一定的外围电路配合下,能够实现锂电池的充放电管理和保护功能,完全满足便 携式设备的需要,同时有效的控制了设备的体积和成本,深受设备厂家的欢迎。目 前的芯片有能够单独使用,实现充放电保护功能;也有带微机控制接口,能够与处 理设备协同工作,实现复杂功能的。基于专用芯片的锂电池管理已成为便携式设备 电池管理的最主要方式。 充电管理芯片是专为电池设计的理想产品,一个理想的充电管理芯片要使电 池的三项关键指标达到最优化:容量、寿命和安全性。目前一些大的厂家生产的 充电管理芯片都具有以下特点:具备限流保护,电流短路与反充保护线路设计; 自动、快速充电;充满电后自动关断等等。有的还具有LED充电状态显示;低噪 声;模拟微电脑控制系统等特点。由于锂离子的特点使得其对充电管理芯片的要 求比较苛刻。其要求的充电方式是恒流恒压方式,为有效利用电池容量,需将锂 离子电池充电至最大电压,但是过压充电会造成电池损坏,这就要求较高的控制 精度(精度高于1%)。另外,对于电压过低的电池除了需要进行预充、充电终止 检测、电压检测外,还需采用其他的辅助方法作为防止过充的后备措施,如检测 电池温度、限制充电时间,为电池提供附加保护。 由此可见实现安全高效的充电控制己成为锂离子电池推广应用的目标。随着 各种采用电池供电的便携式和可移动式设备的广泛应用,充电器的需求量也越来 越大。人们对充电器的要求是:在电池充足电、但不过量充电而把电池充坏的前 提下,尽量方便使用。同时电化学的发展使得新型电池层出不穷,市场要求在充 电器的设计上能够充分适应这些变化,并利用最先进的电子技术降低成本和改善 性能。 1.2论文主要工作和章节安排 本论文主要针对锂离子电池充电器的研究,设计了一款单节锂离子电池充电 第一章绪论 控制芯片,并且可以从USB接口充电。该芯片具有锂离子电池充电器的完整功能, 并且具有热调节功能,可在无过热危险的情况下实现电池充电速率的最大化。同 时可以人工通过芯片外接电阻电容控制充电电流和充电时间。并且具有充电状态 显示功能,智能化控制充电流程。本论文的设计成果对其他同类芯片的设计也大 有帮助。 本论文将重点讨论锂离子电池充电器的设计原理及其功能仿真验证,同时也 将对其相关知识加以介绍,论文共分为四章: 第一章:主要介绍论文的背景,来源,前沿发展状况,以及论文的研究工作 和章节安排;第二章:主要介绍锂离子电池的工作原理及其充放电特性,充电过 程和充电方法,以及充电保护措施等相关知识;第三章:主要介绍芯片的系统框 架,以及整个芯片工作过程;第四章:主要介绍芯片的关键模块设计与功能验证, 并且介绍芯片的应用及整体仿真验证。 第二章锂离子电池特性和充电方法 5 一 第二章锂离子电池特性和充电方法 本文设计的是对锂离子电池充电的芯片,因此有必要对锂离子电池的结构和 特性进行一些了解。本章首先对锂离子电池化学原理及特性作了简要介绍,并说 明锂电池在使用过程中必须注意的问题,最后介绍了锂电池的常用充电方法。 2.1锂离子电池化学原理 锂电池主要分为两大类,一次锂电池和可充电锂电池。一次锂电池只适用于 某些特殊场合,这里不作详细介绍。本章着重介绍可充电锂离子电池,可充电锂 电池又可以分为锂离子电池(Li-10n)和锂聚合物电池(Li—Polymer)口】。锂是元素周期 表中原子量最小、比重量小、电化学当量最小、电极电势最负的金属。锂作为负 极的锂电池具有开路电压高、比功率高,放电电压平稳,适用范围大和使用寿命 长等特点。早期的锂电池直接在负极中使用金属锂,容易在充电过程中产生锂沉 积和锂结晶,并产生腐蚀现象,大大缩短了电池的循环寿命,严重时可造成电池 短路甚至爆炸。 为了解决这一问题,人们开发出了锂离子电池。所谓锂离子电池,是在正极 和负极中采用可以容纳锂离子的活性材料,使锂离子随着充放电从正极转移到负 极或者从负极转移到正极。【4】 正强 锂金属氧化物电荷 负极 活性炭 o甑子鸟 ●毒氧金离属子哥z予充丐电 - V 图2.1锂离子电池结构示意图 如图2.1所示,电池通过正极锂金属氧化物中产生的锂离子在负极活性碳中的 嵌入与迁出来实现电池的充放电过程。当对电池进行充电时,正极上的锂原子电 离成锂离子与电子。生成的锂离子通过电解液运动到负极。而作为负极的活性碳 呈层状结构,它有很多微孔,在负极复合的锂原子就嵌入到碳层的微孔中,嵌入 的锂离子越多,充电容量越高。当对电池放电时,嵌在负极碳层中的锂原子从活 锂离子电池充电器设计与研究 性碳内部向表面移动,并在表面电离成锂离子和电子。锂离子和电子分别通过电 解质和负载到达正极,重新迁入到锂金属化物中。回到正极的锂离子越多,放电 容量越高,通常所说的电池容量指的就是放电容量。电池通过使用锂离子替代金 属锂,大大增加了电池的稳定性,基本消除了结晶现象和电极腐蚀,使电池循环 寿命得到了很大的提高。正是因为在整个充放电过程中,锂始终以离子的形态出 现,不会以金属态出现,所以将这种电池叫做锂离子电池。 一般锂离子电池的负极山碳(C)材料构成,正极由锂金属氧化物(LiM02)构成, 主要的化学反应如下: 负极反应:Li++e一十6C§LiC6 正极反应:LiM02铮LihM02+xLi++xe一 总反应式:LiM02+6xC§Lit_,,M02+刎c6 对于锂离子电池,使用不同的活性材料,包括电池的正极材料,负极材料和 电解质,电池的性能也会有所区别,负极材料中,目前常用的有焦碳和石墨。其 中,石墨由于低成本、低电压(可以得到高的电池电压)、高容量和可恢复的优点, 被广泛采用。 正极材料中,主要以锂金属氧化物为主目前常用的有锂钴氧化物(LiCoO,)、 锂镍氧化物(LiNiO:),锂锰氧化物(LiMn:O。)以及纳米锰氧化物。其中,锂钴氧 化物具有电压高、放电平稳、适合大电流放电、比能量高、循环性好的优点,并 且生产工艺简单、电化学性质稳定,其作为锂离子电池的正极材料,适合锂离子 的嵌入和脱出。锂氧化物自放电率低,没有环境污染,对电解液的要求较低,与 锂钴氧化物相比,具有一定的优势。锂锰氧化物优点是稳定性好,无污染,工作 电压高、成本低廉。 锂离子电池中的电解质使用有机溶剂作为锂离子的传输介质。锂离子电池对 电解质溶剂的要求是:高导电性、高分解电压、无污染、安全。通常用锂盐作为有 机溶液。目前使用的锂盐主要有LiCl0。,LiAsF6,LiPF6等。 2.2锂离子电池充放电特性 锂离子电池和锂聚合物电池的外特性基本一致。下面的介绍中把锂离子电池 和锂聚合物电池统称为锂电池。 在电压方面,锂电池电池对充电终止电压的精度要求很高,误差不能超过额 定值的1%。终止电压过高,会影响锂离子电池的寿命,甚至造成过充电现象,对 电池造成永久性的损坏;终止电压过低,又会使充电不完全,电池的可使用时问 变短。图2.2显示了充放电时电池电压随电池容量变化的关系,在4.1v时锂电池容 第二章锂离子电池特性和充电方法 7 量接近100%.图2.3显示了充电终止电压对电池寿命的影响。可以看到,充电终止电 压越高,电池寿命越短,4.2V是充电曲线函数的拐点。因此,结合充电终止电压 对电池容量和电池寿命的影响,一般将充电终止电压设定在4.2V。 _= _; ,三 文 ,,二—’一 -I-—:——一 & 。—’’:一.—一 童 ,;|,|,—一.|一 |—,’fZ7J [|—, 7 t-; .—●一 ..·, -—’ _¨一√曙}—【.u & f, i 乏, , 乏 乏 St“●of Ch缸弘.薯 图2.2电池电压与电池容量的关系 妊题髀骧埘坂 充电终止电压 图2.3充电终止电压对电池寿命的影响 .. 充电电流方面,锂电池的充电率(充电电流)应根据电池生产厂的建议选用。 虽然某些电池充电率可达2C(C为电池的容量),但常用的充电率为0.5.1C。在采 用大电流对锂离子电池充电时,因充电过程中电池内部的电化学反应会产生热, 因此有一定的能量损失,同时必须检测电池的温度以防过热损坏电池或产生爆炸。 此外对锂电池充电,若全部用恒定电流充电,虽然可以在一定程度上缩短充电时 间,但很难保证电池充满,如果对充电结束控制不当还会造成过充现象。 放电方面,锂电池的最大放电电流一般被限制在2.3C左右。更大的放电电流 会使电池发热严重,对电池的组成物质造成损坏,影响电池的使用寿命。同时, 由于大电流放电时,电池的部分能量转变成热能,因此电池的放电容量将会降低。 锂离子电池充电器设计与研究 在造成过放电(低于3.OV)时,还会造成电池的失效。对于过放电的锂电池,在充 电前需要进行预处理,即使用小电流充电,使电池内部被过放电的单元被激活。 在电池电压被充电至ilJ3.OV后再按正常方式充电通常将这一阶段的充电称为预充 电。 锂电池的充电温度一般应该被限制在O℃.60℃范围。电池温度过高会损坏电 池并可能引起爆炸;温度过低虽不会造成安全方面的问题,但很难将电池充满。 由于充电过程中,电池内部将有一部分热能产生,因此在大电流充电时,需要对 电池进行温度检测,并且在超过设定充电温度时停止充电以保证安全。 2.3可充电电池主要充电方法 充电管理是锂离子电池管理系统的重要组成部分,它对电池的特性及寿命有 着至关重要的影响。随着电源技术的不断发展,充电的手段越来越丰富,充电方 式对电池及应用环境的针对性也越来越强。目前针对各种各样的可充电电池,存 在的主要充电方法包括:恒流充电法、恒压充电法、恒压限流充电法、恒流恒压 充电法、分级定流充电法、脉冲式充电法、定化学反应状态充电法、变电流间歇/ 恒压充电法及变电压间歇充电法等【4】【6】。这些充电方法根据各自特点,被运用在不 同充电管理系统中。 1.恒流充电(co) 恒流充电根据其充电电流的大小,又可分为浮充充电(又称涓流充电)、标准 充电及快速充电。该方法在整个充电过程中采用恒定电流对电池进行充电,如图 2.4所示。这种方法操作简单,易于做到,特别适合对由多个电池串联的电池组进 行充电。但由于锂离子电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降 的,在充电后期,若充电电流仍然不变,充电电流多用于电解质,产生大量气泡, 这不仅消耗电能,而且容易造成极板上活性物质脱落,影响锂离子电池的寿命。 y/I 图2.4电池恒流方式充电曲线 2.恒压充电法(CV) 在恒压充电法中,充电电源的电压在全部充电时问里保持恒定的数值,随着 第二章锂离子电池特性和充电方法 9 锂离子电池端电压的逐渐升高,电流逐渐减少。充电曲线如图2.5所示。从图中可 以看到,充电初期充电电流过大,这样对锂离子电池的寿命会造成很大影响。 与恒流充电一样,该方法操作简单,易于做到。但在电池放电深度过深时, 充电初期电流过大,容易对电池及电路造成损伤。 3.恒压限流充电 图2.5电池恒压方式充电曲线 该方法在恒压充电的基础上,通过在充电设备输出电压与电池之间增加限流 元件(一般为电阻)来对充电电流进行调整。充电初期,充电电流大,电阻上的 压降也大,充电设备输出的电压损失也大,充电电流被限制在一定范围以内。充 电结束时,电流减小,充电设备输出的电压损失也小(如图2.6所示)。 该方法克服了恒压模式下电流过大的缺点。但由于增加了限流电阻,充电效 率降低。 图2.6电池恒压限沉方式充电曲线 4.恒流恒压充电法(cc/cv) 在CC/CV充电器中,充电通过恒定电流开始。在恒流充电CC周期中,为了防 止过度充电而不断监视电池端电压。当电压达到设定的端电压时,电路切换为恒 定电压充电,直到把电池充满为止。在CC充电期间,电池可以以较高电流强度进 行充电,这期间电池被充电到大约85%的容量。在CV充电周期中,电池电压恒定, 10 锂离子电池充电器设计与研究 充电电流逐渐下降,在电流下降到低于电池的I/IOC容量时,充电周期完成。恒流 恒压充电曲线如图2.7所示。 图2.7电池晋通恒流恒压方式充电曲线 5.分级定电流充电法 分级定电流充电法与恒流恒压充电方法相似。它根据电池充电过程中不同充 电阶段的特性,将充电过程划分为几个阶段,在不同的阶段采用不同的充电电流 或电压,这种充电方法在恒流恒压充电方法的基础上,将充电过程进一步细划, 可以达到保护电池和快速充电的目的,是目前运用最广泛的充电方法。 在锂离子电池充电管理中所采用的三阶段充电法,基本上就是这种方法在应 用过程中的一种变体。三阶段充电法将锂电池充电过程分为三个阶段,第一阶段 为小电流充电阶段,主要起保护电池的作用;第二阶段为恒流充电阶段,采用固 定电流对电池充电以实现快速充电的目的:第三阶段为恒压阶段,主要是保证电 池充满及防止过充电。(如图2.8所示)。 6脉冲充电方法 图2.8电池分级定电流充电曲线 脉冲充电方式是比较新的一种充电方式。脉冲充电法是从对电池的恒流充电 开始的,大部分的能量在恒流充电过程中被转移到电池内部。当电池电压上升到 充电终止电压Vcv后,脉冲充电法由恒流转入真正的脉冲充电阶段。在这一阶段, 第二章锂离子电池特性和充电方法 脉冲充电方式以与恒流充电阶段相同的电流值间歇性的对电池进行充电。每次充 电时间为Tc后,然后关闭充电回路。充电时由于充电电流的存在,电池电压将继 续上升并超过充电终止电压Vcv;当充电回路被切断后,电池电压又会慢慢下降。 电池电压恢复NVcv时,重新打开充电回路,开始下一个脉冲充电周期。在脉冲充 电电流的作用下,电池会渐渐充满,电池端压下降的速度也渐渐减慢,这一过程 一直持续到电池电压恢复NVcv的时间达到某个预设的值To为止,可以认为电池已 接近充满,如图2.9所示。 0 图2.9电池脉冲充电法曲线图 7.定化学反应状态充电法 定化学反应状态充电是近几年提出来的充电方法。采用这种方法充电,充电 设备的闭环跟踪系统动态跟踪电池可接受的充电电流。这样充电电流始终与电池 可接受的充电电流保持良好的匹配关系,使充电过程在最佳状态下进行(图2.10 所示)。这种充电方式具有充电效率高,充电时间短等优点。但其电路系统较为 复杂,造价高,不易实现。 图2.10定化学状态充电法曲线图 8.变电流间歇/定电压充电法 。变电流间歇/定电压充电法与变电压间歇充电法也是近几年提出来的充电方 锂离子电池充电器设计与研究 法。该方法目前主要用于对铅酸蓄电池进行充电。它们采用分级电流或电压对电 池进行间歇式充电,以提高充电效率和速度。 目前对锂电池仍然以恒流恒压的充电方法为主。充电初期一般采用小电流对 电池进行预处理,防止电池过放电带来的影响;接着用大电流快速充电;在电池 电压达到额定充电终止电压时,转为恒压模式确保电池充满。本文采用目前广泛 充电方法CC.CV模式,这种方法电路相对复杂,但充电时间短,效率高,因此在 锂离子电池充电方案中占主导地位。 第三章锂离子电池充电器系统分析 第三章锂离子电池充电器系统分析 3.1锂离子充电方法及其控制方法 本文设计的是一款对单节锂离子电池充电的芯片,基于前章所介绍的基本原 理,这款充电管理芯片采用恒流恒压的充电方案。完整的充电过程分为三个阶段: 即预充电,恒流充电和恒压充电。充电曲线如图3.1所示。 V,I ’I’ 图3.1电池三阶段充电法曲线 恒流和恒压充电阶段可称为快速充电。预充电和恒流充电都是恒定电流充电, 只是预充电电流比恒流充电电流较小,大约是其1/10,当单节锂离子电池电压低 于2.9V时,采用预充电,是为了激活电池内部过放电的单元;当电池电压上升2.9V 时,转换到恒流充电阶段,充电电流较大,充电效率高;随着充电过程继续,电池 电压上升,当电池电压达到4.2V时,电路切换为恒压充电模式,同时充电电流逐 渐下降,在充电电流下降到一定值(1/IOC)时充电过程结束。这种充电算法缩短 了充电时间,效率高。实现了总电荷量的最大化并可防止电池遭受热和电损坏。 对电池进行快速充电时,充电电流为常规充电电流的十几倍。充足电后,如 果及时停止快速充电,充电电压增高,电解液进行分解,在负极就会析出金属锂, 导致电池损坏。为此,充电电压的精度要控制在1%以内。为了保证电池充足电而 又不过充电,锂离子电池可以采用定时控制,温度控制,电流检测等多种充电终 止控制方法。 1.定时控制 在电池损坏,电池被移除或电池上有负载时,充电会一直进行下去而不能完 成,为了排除这些情况,本文设计了充电定时器,分别对预充电阶段和快速充电 阶段进行时间控制。如果定时停止,预充电或快速充电仍未结束,那么就会停止 充电,用户可以通过一个芯片外接的电容Ctimer设定定时时间。 14 锂离子电池充电器设计与研究 2.最小充电电流控制 在恒压充电过程中,锂离子电池的充电电流逐渐减小,当充电电流下降到一 定数值(通常为恒流充电电流的1/10)时,恒压充电状态自动终止。 3.温度控制 考虑到锂离子电池的温度特性,在电池温度过高或过低时都不能进行正常的 充电,通常有两种温度控制法:一种是设置正常充电的最高和最低电池温度值, 通过热敏电阻来检测,这种方法的缺点是热敏电阻的响应时间较长,温度检测有 一定滞后;另一种是设置恒温充电模式,如果芯片温度达到设定值,则启动热限 制电路来减小充电电流,这能够防止芯片过热,并允许用户提升给定电路板的功 率处理能力极限而没有损坏芯片的风险。该热限制电路所具有的另一个优点是能 够在保证充电器在最坏情况下自动减小充电电流的前提下,根据某一给定应用的 典型环境温度来设定充电电流。本设计采用了第二种温度控制方法。 4.综合控制 上述各种控制方法各有优缺点。为了保证在任何情况下,均能准确可靠的控制 电池的充电状态,目前锂离子电池快速充电器中通常采用定时控制,温度控制等 多种综合控制方法。 3.2芯片的描述 此芯片是一个可从USB端口直接供电的独立线性锂离子电池充电器。该IC 包括一个片上功率MOSFET并免除了增设一个外部检测电阻器和阻塞二极管之 需。具有热调节功能,可以根据环境温度来自动调节充电电流,以便在大功率工 作或高温环境条件下对芯片的温度加以限制。这个功能能够使芯片以最大充电速 率对电池进行不间断充电时免受热应力的影响。 芯片的充电电流和充电时间可分别由电阻器和电容器进行外部设置。当拿掉 输入电源(交流适配器或USB电源)时,芯片将自动进入一个低功耗电流的睡眠 模式。芯片还包括NTC温度检测,C/10检测电路,AC适配器接入的逻辑信号, 电池低压充电调节(涓流充电)和人工停机功能。 该芯片具体特点如下: 1.直接从USB端口对单节锂离子电池进行充电 第三章锂离子电池充电器系统分析 2.热调节功能可在无过热危险的情况下实现充电速率的最大化 3.高精度的可设置充电电流 4.无需要外部MOSFET,检测电阻器或阻塞二极管 5.可设置充电终止定时器 6.C/10充电电流检测输出 7.AC适配器接入的逻辑输出 8.停机模式下的供电电流为21uA 9.自动再充电 10.可用于电池电量检测的充电电流器 芯片整体示意图如图2.2示: 图3.2芯片整体功能框图 该芯片各输入输出引脚如下: 1.VCC:电源电压输入引脚。 一 2.PROG:充电电流设置和充电电流监控引脚。用户可以根据该引脚电阻设置充 电电流。 一· 3.FAULT:充电出错输出引脚,当充电出现错误时,该端口由一NMOS接地。 4.TIMER:定时器控制引脚。定时器周期是通过布设一个接地电容器C11眦R 来设定的。 锂离子电池充电器设计与研究 5.CHRG:充电状态输出引脚。电池正在充电时,该端口由一NMOS接地。 6.BAT:电池连接引脚。 7.NTC.电池温度状态检测输入引脚。当该引脚接地时可使NTC功能失效。 8.SHDN:停机输入引脚,将SHDN引脚拉至地电位将使芯片置于停机模式。 9.ACPR:电源状态输出引脚。当VCC高于欠压锁定门限并至少比VBAT高35mY 时,该引脚将被拉至地电位。否则该引脚呈高阻抗状态。 10.GND:芯片接地。 3.3芯片的工作过程 此芯片采用了一种恒定电湔恒定电压充电算法和可设置电流以及一个用于充 阻器,从而使充电器的外部器件减少到3个,丽,丽,和瓦而漏极开路 电终止的可设置定时器。充电电流最高可设定在1.25A。无需阻塞二极管或检测电 状态输出始终提供与芯片的状态有关的信息。一个NTC热敏电阻输入提供了利用 电池温度来进行充电判断的选项。具体的工作框图如图3.3所示。 如图3.3所示是充电器的系统示意图。下面将根据系统框图对充电器的工作过 程作以介绍。 首先欠压锁定(UVLo)电路对输入电源电压VCC进行监控,并在VCC升至 欠压锁定门限VUv(本充电器设定其典型值为4.1V)以上前使充电器保持在停机 模式。UVLO电路一个内置150mV电压迟滞。另外,为防止功率PMOS管M1中 的反向流动,当VCC降到比电池电压高出的幅度不到35mV时,UVLO电路将使 充电器保持在停机模式。在VCC升至比电池电压高70mV之前,UVLO比较器将 不会发生跳变,则充电器也不会退出停机模式。VCC满足欠压锁定条件,充电器 才开始正常工作。 欠压锁定条件满足的情况下,在PROG引脚与地之间一个精度为1%的设定的 电阻器被连接至地,并且SHDN引脚电平被拉至停机门限以上时,充电循环开始。 Sleep_mode模块输出的sleep信号(A--A15)由低变高。Bias_p(D_D3)正常工作。 这样芯片的基准模块BGR也正常启动了。计数器模块Counter的POR(c-a8)信 号在sup dig,swb(A A11)信号的共同作用下,产生了一个start up的脉冲。Por信 号使OSC,COUNTER模块开始工作,即一个充电循环开始。充电模式选择比较 器C3工作,选择对电池进行预充电或者恒流充电。如果电池电压小于2.48V,比 第三章锂离子电池充电器系统分析 较器C3输出为低电平,选择150mV作为CA的基准电压(负相输入端)。此时 CA放大器的正端PROG引脚电位为0V,因此CA放大器的输出电流很小。通过 功率PMOS管M1栅上的恒流源Il放电,M1的栅压由高电平开始下降,M1中开 始有电流流过,对电池充电。 流过PROG引脚的电流设定为流过BAT引脚电流的千分之一。当M1中有电 流流过且不断增大时,也有千分之一的采样电流通过采样PMOS管M2流过PROG 引脚,PROG引脚电位VPROG逐渐升高。由于VPROO升高,CA输出端的电流也会 逐渐增大,M1的电位VMl的下降速度变小。当V隙oG升高到150mV时,CA输 出电流等于11的电流大小,VMl保持稳定。此时流过PRO(]引脚的电流稳定为恒 流充电设定值的1/10。在涓流模式下,CA通过反馈稳定Vpeoo。 在涓流模式中,充电器向电池提供1/.10的设定值的涓流充电电流,以便将电 池电压提高至一个适合充电的安全电平,继而实现满电流充电。一旦BAT引脚的 电压升至2.48V以上,比较器C3输出为高,选择1.5V作为CA的基准电压(负 相输入端),充电器进入快速恒定电流模式,通过BAT引脚的电流为设定的恒流充 电电流。 . 当电池电压接近最终浮动电压(典型值为4.2v)时,充电器进入恒压充电模 式。此时电压放大器VA输出的电流与涓ijfc/恒流模式时输出的电流值相比不可忽 略,对VMl起到主要作用。vMl在vA的影响下升高,流过M1的电流逐渐减小, 继续对电池充电直至最终浮充电压4.2V。当电流减小到低于设定值的1/10,即 Vmoc降至O.15V以下时,终止比较器C2输出变为低电平,关断11,此时VMl变 为高电平,M1关断,系统进入待机模式。BAT引脚下面的电阻通路由电池供电。’ 流过这条通路的电流很小,不会对电池的电量造成很大的影响。 当电流降至全表度充电电流的10%时,比较器C2将锁断CHRG引脚上 MOSFET并把一个弱电流源(30u)连接至地。以指示一个接近充电结束(C/10) 的状态。可通过将SHDN引脚短暂接地或短暂取消后再施加VCC来把锁存器清零。 手动停机是一个相对比较的过程。在充电循环中的任何时刻,通过去掉RPROG, 从而使PROG引脚浮置,充电器处于停机模式。重新连接设定电阻器可启动一个 新的充电循环。 。 TIMER引脚上的一个外部电容器用于设定总充电时间。当这段时间过去后, 充 施电 加循输环入终电止压且或C短HRG暂引地脚强呈制现删高引阻脚状电态。 平为 为使0。充如电果循B环AT重引新脚开电始压,降可至在再取充消电再 门限以下,则再充电比较器被触发,POR信号给重新产生,COUNTER重新开始 计时。高速充电的恒定电流模式给重新建立。充电循环将重新开始。 在大电流充电过程中,如果芯片的温度高于55度,芯片中一个内部热反馈环 路TA便优先开始工作,CA这时不能正常工作。随着温度的升高,充电电流会减 锂离子电池充电器设计与研究 小。恒温充电的过程可以防止芯片产生过热现象,并使得用户能够在无需冒损坏 芯片或外部元件的情况下提升一个给定电路板的功率处理能力限值。在限制模式 中,1/10终止失效,系统不会在电流减小到设定值的1/10时进入待机状态。当芯 片温度过高时,温度放大器的输出使VMl升高,流过功率PMOS管M1的电流减 小,芯片功耗降低,温度下降。 为了在芯片工作时能够了解其工作状态,还设计了充电状态指示器(CHRG)。 充电状态有以下三种:强下拉,弱下拉和高阻态。强下拉状态表示芯片处于一个 充电循环中。一旦充电循环被终止,则引脚状态由欠压锁定条件来决定。弱下拉 状态表示VCC满足UVLO条件且充电器处于充电就绪状态。高阻抗状态表示充电 器处于欠压锁定 当输入电压不存在时,充电器进入睡眠模式,从而将电池漏电流lbat降至5uA 以下。这极大地减小了电池上的漏电流延长了待机时间。使SHDN引脚电平为0V 可将充电器关断。 接电源电压 图3.3芯片工作原理图 第四章芯片具体电路实现 第四章芯片具体电路实现 4.1带隙基准电压源模块 4.1.1基准电压源特点 基准电压源是集成电路中一个非常重要的组成单元,其精度和稳定性直接影 响着这个芯片的工作精度。近年来,随着集成电路技术的不断发展,系统对基准 电压源的要求也越来越高,如何设计性能优良的电压基准已经成为广大IC设计者 面临的一个重要课题。基准电压源的精度常常从以下几个方面来衡量: 1.初始精度:初试精度是指基准电压源工作时,其输出电压偏离正常值的大小, 常用来衡量一个基准源输出电压的精度或者容限。 2.输入电压调整率:输入电压调整率用来衡量当负载和环境温度不变时,因输入 电压变化而引起的输出电压的改变量,有时也称电源抑制比。 3.温度系数:温度系数用来衡量一个基准电压源因受环境温度变化而偏离正常值 的程度。也就是通常说的温度抑制比,一般用ppm/0*C表示。 4.负载调整率:负载调整率用来衡量当输入电压不变时,负载电流变化引起基准 输出电压的改变。 5.噪声:这里所说的噪声是指基准电压输出端的电噪声,可分为两类:一类是宽 频带的热噪声;另一类是窄带(0.1.10Hz)噪声。在高精度设计中,噪声因数是可 忽视的。 6.导通建立时间:导通建立时间是指系统加电后基准输出电压达到稳定过程所需 的时间。该参数对于采用电池供电的便携式系统来说是比较重要的,因为这类系 统为了节省电能,常采用短时间或间隙方式供电。 基准电压源的实现有很多方式,比如:齐纳基准电压源,E/D NMOS基准电 压源,XP'ET基准源和带隙基准电压源。随着集成电路的发展,带隙基准电压源是 用得最为广泛且非常成功的一种电路结构。它的温度漂移系数可以做到很小,电 源抑制比可以做到很高。 4.1.2带隙基准电压源的基本原理 70年代初,维德拉(Widlar)首先提出能带间隙基准电压源的概念,简称带 隙(bandgap)电压。所谓能带间隙是指硅半导体材料在热力学温度为零度(O K) 锂离子电池充电器设计与研究 时的带隙电压,其数值约1.025 V,用符号Vgo表示。带隙基准电压源的基本工作 原理,就是利用电阻上的压降的正温度系数去补偿BE结正向压降的负温度系数, 从而实现了零度温漂。因为它不使用工作在击穿状态下的齐纳二极管,所以其噪 声电压很低。 带隙基准电压源的简化电路如图4.1所示。 V哪 T1 图4.1带隙基准电压源简化示意图 T1、T2是两只几何尺寸完全相同的三极管,在集成电路中称之为“镜像管"。 假定T1、T2的共发射极电流放大系数hFE很高,且忽略基极电流,则IE=Ic。由 图4.1得到基准电压的表达式: ‰=‰3+%2+Ic2R2(4-1) 下面首先推导Ic2的表达式。根据半导体理论,对T1、他分别写出 .q....V...B.—E—I ,El 2Isl·e灯=,cl(4-2) ,£2=,s2·e盯=Jc2 (4·3) 其中:Isl、Is2_分别为T1、T2的反向饱和电流,因两只管子完全相同,故Isl=Is2; (K一波尔兹曼常数,K=8.63 X 10—5 eV/K;q一电子电量;T_热力学温度。)式 4.2和式4-3二式相除,两边再取自然对数,得到 ln粤=旦.AV,E‘ l,,T (“)k 因△‰=%豇一%E2=IE2恐=Ic2R3,所以 1n每I』kT t:尺, ‘,上 J (4.5) c2 从中解出 耻击争鲁 (4.6) 第四章芯片具体电路实现 21 将式4-6代入式4-1中,司得 ‰=‰+惫等m鲁 ㈤ 由于R1、R2上的压降相等,根据欧姆定律有关系式Icl/Ic2=R2/R1,于是 ‰=‰+惫·等h鲁 c4渤 在此基准电压表达式4-8中,第二项仅与集成电路内部的电阻比R2/R1、R2/R3 有关,其余量均为常数,故Vl溉值可以做得很准。 下面分析带隙基准电压源的温漂表达式,以及实现零温漂的条件。 将式4-8对温度求导数,并用VBE来代替VBm: OV:REp:孽+…R2 kTln—e2(4-9) ar ar 最 q 蜀 式4-9中,右边第一项为负数(a‰/OT=%<o),第二项则为正数。因此,可以 选择恰当的电阻比R2/R3和R2/R1,使这两项之和等于零,从而实现零温漂。 下面推导零温漂之条件。根据半导体理论,有关系式 ‰吨(1_争‰丢 ㈤∽ 即 鲁一鲁+等 ㈤∽ 式中,V嘲是常温To下的VBE值。将式(4一11)代入式(4—9)中并且令 a‰lOT=%=O,则 ar=鳖:一生+鳖+生.生hl生:o(4-12) 0T ro ro 恐q 尺l 最后得到‰=%。+鲁·等lIl鲁=Ko=1.20Ⅳ (4.13) 此即实现零温漂的条件。只要使左式恰好等于硅材料的带隙电压值(1.205 V), 基准电压值就与温度变化无关。实际上,这里忽略了基极电流的影响,严格讲只 是近似于零温漂。这种基准电压源的热噪声电压可降至微伏级。 . 4.1.3带隙基准电压源的设计 由上所述,基准电压源的作用是产生一个与电源和工艺无关并且有良好的温 度特性的直流电压或电流。在很多的应用中,所要求的温度关系通过以下三项中 的一项来表示:(1)与绝对温度成正比PTAT(Proportional To Absolute Temperature); (2)常数跨导gra特性,即某些晶体管的跨导保持常数;(3)与温度无关。因此在设 计时要考虑问题的主要有两个:与电源无关的偏置和温度系数。 传统的基准电压源一般仅采用具有正温度系数的VT和具有负温度系数的VBE 锂离子电池充电器设计与研究 进行相互补偿,在O一70度的温度范围内能产生温度系数为10-4的基准电压。但由 于VBE为温度的高阶函数,而Vr=KT/Q为温度的一阶函数,要在更宽的范围内得 到更低的温度系数,就必须对VBE中温度的高阶项进行补偿。如图4.2所示,为了 对VBE中的高阶项进行补偿,我们引入了补偿电流INL。 tⅥ瞧 黼 .×/一 =>\静l艮 、彳 ‘\ 讷芷I :确旧虽靖械玎 J■’一—一 T r嫌£F=划 B}哺璃丌埔蹯 l—,—。、- —一、 图4.2曲率补偿原理图 本芯片的BGR电路在sleep mode关闭后才启动,为芯片提供2.485V,1.5V, 150mV的基准电压。还为TA单元提供PTAT电流源,进行对温度的监控。 BGR电路的工作原理如图4.3所示,其中 %(Qs7r8)=Vc(Q18T22) %E(Qsl5)+J£(Qsl5)·R17=%(Q18r22)+,船5+Rss (4_14) (4—15) 由4.14,4—15可得 k5=lc(915)(4-16) 又因为 %E(Q17)=%E(Qs7r8) (4-17) 所以k(Q。,):k(Q18勉):k(g。,):吾,E(g,r。):—VB—e(—Q1—7)1-V_Be—(Q一,sr:2)(4-18) %肝=%E(Q17)+,£(Q17)·凡4+%E(酝15)+2,E(Q17)·(心l+马8+尺删) (4-19) 把4.18代入4.19可得 VREF≈2.485y (4—20) 如图4.3中,QSl4,QS27,QS28,QS29为启动电路,PS8为基准得使能信 号,当sleepmode关闭时,PS8才打开,基准才正常启动。PSll,PSl2,PSl3,PS 14 为补偿电路。QSlT2,QS4,QS3,RSl为钳位电路。 第四章芯片具体电路实现 。椭,甩."眩黼憎rprrpp№b№。e。JmI。.虬1z=g.U.2,bgr 图4.3 BGR的电路 (1)与电源无关的偏置 如上图所示,对于一个好的基准电压源而言偏置电流及电流镜是十分重要的。 通常的电流源(如图4.5所示)产生的参考电流会受到电源电压变化和MOS管沟 长调制效应的影响 Ⅳ耐=≠‰,而(WIL)i2‘ 凶, 图4.5(a)理想电流源 (b)电阻作偏置的电流镜 为了降低参考电流对电源电压的敏感性,应该使电路自偏置,即IR砰只与Iout 有关,是对Iout的复制。因此得到如图4.6所示典型的与电源电压无关的偏置电路 结构。 : 锂离子电池充电器设计与研究 慨 图4.6与电源电压无关的偏置电路 跞+Kw。。=一跞+K扣w:驰+,。mB 由于M3、M4具有相同的物理尺寸,因此要求Iout=IREF。根据Vcsl=Vcs2+ID2RS 可得: (禾22) 忽懒一 (4-23) 因此电流源的输出电流为,D埘=瓦南瓦寺。一去户 “以’ 可以看到,这个电流是与电源电压无关的函数。 如果不忽略沟长调制效应,则图4.6中所示电路一定程度上仍然受到电源电压 的影响。因此,在实际的设计中对于晶体管应采用相对长的沟道长度。 模拟电路中MOS管的跨导决定了噪声、小信号增益和速度等特征参数,对于 电路特性起着至关重要的作用。因此,经常需要给这些晶体管的偏置使得它们的 跨导是与温度、工艺或电源电压无关的函数。 图4.8中,偏置电流为 IⅢoⅢu.C=似—(W/—L)二ⅣR一s2卜.瓶7去(1一去)2(4-25) 因此M1的跨导等于 g脚I=√2z‘露c甜(w/L)ⅣJ历=:}(1一—兰)(4-26) 瓜s 、/K 这是一个与电源电压和MOS管器件参数无关的量。 事实上RS是随温度和工艺变化的参数。如果电阻的温度参数是已知的,带隙 和PTAT基准产生技术可以抵消RS对温度的依赖性。但工艺的波动则确实会限制 电路的精确度. (2)基准仿真结果 第四章芯片具体电路实现 表4.1 BGR的仿真说明 conner f,I.I' Vref(Triml的电压)I 2.486V I SS f FF I 2.540V l 2.457V I SF l 2.485V I FS l 2.487V 备注t 1,本芯片采用2.486V的基准电压,电路是把Trim5与Triml短接就可 2,fuse的每步的调整电压是6mV 3,基准的最高电压为2.555V(ss,pb=0.88);最低电压为2.458V(ff,pb--1.12) 表4.2 BGR的工作点 Transistor QSlT2 Qs4 QS5 NSlT2 NS3T6 QSTT8 QSl5 PS8 Qsl6 Current 10.5n 4n 24u 30.5u 70Il 24u 12u 1.35u 12u 图4.4BGR的TEMP扫描 4.1.4电压调节模块 锂离子电池充电器设计与研究 芯片电路中往往有多个参考电压需求,如欠压保护电路,比较器基准电压。 然而,带隙基准电压源产生的基准电压一般都在1.2V左右。系统需要一种电压调 节电路来满足电路中多个基准电压的需求。 图4.7所示电路可以将基准电压调整为系统需要的多种不同的参考电压。电路 实际上是一个简单电压负反馈电路,利用了运算放大器在深度负反馈条件下输入 端电压相等的特性。电路设计时,运算放大器需要采用高增益结构,如折叠运放 或共源共栅输出的运放。 图4.7电压调节器电路图 图中,VREF是基准电压源的输出电压,是一个相对稳定的电压参数。通过与 运算放大器反相输入端电压比较,运放输出电压作为NMOS管的栅极电压,控制 流过NMOS管的电流,达到控制调整输出电压(VREFl和VV,EV'Z)的目的。当流过 NMOS管的电流增大时,通过砒、R2、R3的电压转换,反馈到运算放大器反相输 入端的电压也增大,运算放大器输入电压减小,NMOS管的栅极电压减小,迫使 流过NMOS管的电流减小。通过这样的负反馈控制可以得到比较稳定的输出电压。 图中,运放工作在深度负反馈状态,流过MNl的电流为: Ihea=VREF/R2+R3 “一27) 调节分压电阻Rl、R2、R3的比值,可以得到不同大小的输出电压VREFl和 VREV2。为了满足输出电压对后级电路驱动能力要求,NMOS管的宽长比(W/L) 一般做得比较大,使输出电压具有提供一定驱动电流的能力。 第四章芯片具体电路实现 4.2欠压锁定模块 欠压锁定电路从两方面对输入电源电压Vet进行监控,电路分为偏置部分, VCC-BAT电压比较器和欠压锁定三部分。在Vet上升至欠压锁定门限以上前,充电 器保持在停机状态。为了减少电源电压波动对充电器的影响,欠压锁定电路设计 有内置150mY的电压迟滞。为了防止功率MOSFET中发生电流反向,如果Vcc降 至电池电压的35mY以内,则UVLO电路将充电器保持于停机模式。如果UVL0比 较器发生跳变,则在Vcc升至电池电压以上70mY之前充电器将不会退出停机状态。 Vcc满足欠压锁定条件,充电器才开始正常工作。具体电路如图4.8所示。“ 图4.8欠压锁定电路图 其中图4.8右边类似BGR接法的电路便是欠压锁定电路,原理是利用电阻把 Vcc分压,当Vcc的分压电压高于能把Q1打开的阈值电压(基准电压1.25左右) 时,其输出F_用便变成低电平,从而能使Mll导通。F_F8为低电平,从而sleep (A』15)为低电平,芯片进入低功耗的睡眠模式。如图4.8,中间标注“Vet det'’ 是Vcc--Bat比较器,左边是它的偏置电路。当Vcc--Vbat小于35rnV(由高变低) 或小于约70mV(由低变高)。F_F14便变为高电平,从而F_F8变成低电平。像上 面所述芯片进入睡眠模式。取Vbat=4.15V,对Vet作dc扫描的仿真结果如图4.9 和图4.10所示。其各支路的工作电流如表4.3所示。 28 .÷/ 锂离子电池充电器设计与研究 5.a -'Vj~,11-~I一, .I.0 p一一 3.廖 2.口 1。0 害.0 3.日 3.4 3.8 4.2 v2 f volts) 图4.9 Vcc的DC扫描图 4.6 5.a 一:VS(’*/net'3“) ·:VS(’"/net 13”> 5.0 4.0 3.0 2。0 1.0 彩.囱 4.130 4.15彩 耳.170 4.190 4.210 4.239 v2(volts) 4.250 图4.10 Vcc(大于4V)的DC扫描 4.270 M0 4.4u M13 lu M15 0.5u M1l M23 R3 M12 lu 2.6u 4.3u 1.6u 表4.3UVLO的工作点 M1 M17 NF8 1.6u O.7u 3u 4.3涡流恒流充电电路 涓流充电指的是用恒定的小电流(本芯片采用恒流设定值的1/10)对电池进行 充电,这样做的目的是唤醒睡眠状态的电池,起到保护电池的作用。本芯片设定 第四章芯片具体电路实现 了一个涓流充电门限电平(2.48V)。当电池电位低于门限电位,充电器即进入涓 流充电模式。在该模式中,充电器向电池提供约1/10的设定电流,以便将电池电 压提升至一个安全的电平,继而实现满电流充电。 随着充电过程的进行,电池电压逐步升高。当高于门限电压时候,充电器进 入快速充电模式,此时充电器向电池提供设定的恒定电流,实现高效率的充电。 因此,要实现涓湔恒流充电技术,需要两个电路模块,一是选择充电模式的 电路模块(充电模式选择器比较器C3)和控制充电电流大小的电路模块(电流放 大器CA)。其中,C3检测电池电位,判断电池电压和门限电压大小,从而选择充 电器工作在恒流充电模式还是涓流充电模式。CA则根据c3的选择模式输出相应 的电流,控制功率PMOS管的栅极电位,实现对电池的涓流或恒流充电。 ● 4.3.1充电模式选择比较器C3 c3的主要作用是检测恒流充电阶段锂离子电池的充电模式,当电池的电压小 于2.485V时,比较器C3的输出信号使CA的基准电压选择150mV,从而使充电 系统进行涓流充电。若电池电压大于2.485V,C3的输出信号使CA的基准电压选 择1.5V,充电系统进行大电流充电。 P 气 《 2∈ O ‘ 正a。 \1 · ·}· · · · k弋一一A_枷’ ·’毫 B缱R I &鲁 ...j;邕b/A—A11 星芝. 一^A^一 一 . i_A17~…’/ bgr_trim<1>。VV V。一: !妒’‘+‘‘ 《 . · 《I Ic蠢二I::::’::’I。 ,忑c=18‘船4 山 I1 · ll _·· · gnd . 弋7 图4.11 C3的整体电路 .一. . 其整体电路如图4.11所示,其中BG_'IRIMI基准电压,大小为2.48V,R9与 CF6组成BG_TRIMl的滤波网络,防止外界信号的干扰,影响比较器整体性能结 构。SWB为比较器正相输出端,SW为负相输出端。从其具体电路可知,偏置A.-A17 是保证负相端的基准电压没有建立起来前SWB输出为高电平。为了防止在输入信 号产生波动时输出控制信号反复跳变,确保电路稳定地工作。在此比较器中引入 了正反馈回路,使电路产生迟滞。其中,MN51,MN54,MPA55,MPA56,MPA57 是比较器的滞回电路。 锂离子电池充电器设计与研究 图4.12C3内部电路结构 C3内部电路图如图4.12所示。具体工作原理如下:NMOS管MNA45和MNA46 组成差分输入极,正相输入端接电池电压,负相输入端接基准电压。MNA49和 MNA48通过电流镜镜像偏置电流,提供比较器工作所需电流。MPA58和MPA60 组成电流镜提供所需有源负载。第二级以MPA52共源级输出,以提供大的输出摆 幅。当电池电压VBAT大于基准电压时,第一级输出相对为高电平,使得MPA52 工作在线性区,MPA54栅极直接接地,处于导通状态,相当于开关管。从而输出 SW为低电平,SW使用MPASl处于饱和状态,输出SWB为高电平。滞回电路通 过正反馈使输出SWB电平更高,SW电平更低。具体仿真波形如图4.13所示: VS<。./^-A11“) vs(’,/冉A11”) 图4.13 C3的dc扫描结果 Transistor NA48 NA49 NA53 NA52 PA56 PA55 Current 3.76u 8u 7u 7u 4u 4u 表4.4C3的工作点 第四章芯片具体电路实现 由以上仿真波形可看出,比较器C3输出曲线平坦,转换速率快。电压滞回度 为80mV,由于C3具有电压迟滞,可以确保其对电池电压的变化不至于过分敏感。 可以满足充电选择模块,提供CA放大器选取的基准电压150mV或者1.5V。 4.3.2电流放大器CA CA电路结构如图4.14所示。CA就是一个折叠式共源共栅差分输入,共源放 大器单端输出。MPF88P4和MPF88P5构成PMOS管差分输入对,MPF75P3和 MPF74P3组成共栅共源电流镜,镜像偏置电流,提供CA工作所电流。MPF80, MPF81和MPF75P2,MPF77P2组成共源共栅电流源负载。MNF44P2受使能端EN 控制,高电平有效,当其工作时输出恒为低电平,以达到节省芯片功耗目的。 图4.14CA内部电路图 工作原理:CA是一个电流反馈放大器,其反馈类型为电流串联负反馈。它受 C3所选择的充电工作模式的控制,对应涓流或恒流模式,改变功率PMOS管M1 的栅压,得到相应的涓流或恒流充电电流。涓流大小为恒流的1/10。CA放大器的 输入端分别是PROG电位(同相输入端)和基准电位端A-A8。当电路上电后,功 率PMOS管被恒流源充电至VCC电位,这时电路的电流镜输出级截止,不镜像电 流 MP。F8A删-AP1F27通7P过2电 中流有源镜1像1逐电渐流放流电过,,从对而功VA率.A管12充减电小,。从当而VA-VAA1.2减A1小2减到小一变定值慢时。,这 就是充电软启动过程:确保了充电初期电流的缓慢增大,从而对电池起到保护作 用。随着充电过程进行,充电电流缓慢增大,直到稳定的恒流1/10大小,而VA_A12 也保持在这一电压值。涓流充电一段时间后,若vBAT升高到门限电位4.2V以上, C3选择恒流充电模式。A-A8由0.15V跳变到1.5V的基准电压。此时PROG的电位 Vvaoo仍为0.15V,‘A-A8远大于VPROG,使得流过电流镜的电流变小,VA-A12进一 锂离子电池充电器设计与研究 步下降,充电电流增大,VPROG上升。当VpRoc;上升到1.5V时,VA-A12保持在提供 恒流充电电流的电压值。这就是CA所起的反馈作用。 ea 60 4a 8 20 已 口.0 《0 —0 毒.盘0 川盘O .220 曰 曼七∞ :1 I 1西 l叠蟹 1t l蛰‘ l簪oK 什●摹■∞y 1∑Z. l肪lt5]M I廿口■ I‘, 图4.15 CA的AC仿真结果 由图4.15所示为CA放大器的AC仿真结果,CA增益为65.47dB,相位裕 度为80度,带宽为761K。 4.4恒压充电电路 当BAT引脚电压达到最终浮充电压Vn.oxr(4.105)时,充电器进入恒定电压 模式。此时充电电流开始减小。在该状态下,充电电压保持恒定。因为锂离子电 池对充电电压精度的要求比较高,单节电池恒压充电电压应在规定值的1%之间变 化,因此要锂离子电池充电器输出电压有较高的精度。 本芯片设计的恒压充电终止方法采用最小充电电流终止。在恒压充电过程中, 锂离子电池的充电电流逐渐减小,当充电电流下降到一定数值(恒流充电电流的 1/10)时,恒压充电状态自动终止。 因此实现恒压充电技术也需要两个电路模块:一是在VBAT接近满充电压时控 制充电电流逐渐变小的电路模块(电压放大器VA),二是在充电电流下降到恒流 充电电流的1/10时,终止充电的电路模块(终止比较器C2)。在芯片中,C2要求 反应灵敏度很高,能很快判断最小电流值,从而实现芯片的最小电流终止功能。 vA电路图4.16如示: m雌‰ #●卜_《刮罱赢 嬲 第四章芯片具体电路实现 图4.16VA内部电路图 如图所示,VA是一个标准的二级运放结构。它由一对NPN管QF8P2和QF7P2 为差分输入对管,采用B/POLAR工艺一方面能够减低放大器的噪声,因为 BIPOLAR晶体管的1/f噪声低于MOSFET的1/f噪声,同时,BIPOLAR晶体管的 拐点频率(1/f噪声和热噪声的交叉点)比较低,采用双极结构输入级无疑是提高 运放性能的一种有效手段,另一方面,采用BIPOLAR输入级还有助于增大运放的 增益,并且转化速度快,也利于抑制温度漂移。第二级为了增大输出摆幅采用标 准共源级结构,MPF59P6为第二级输出结构,输入对管一端接基准电压2.48V, 一端接电池电压分压。电流镜MPF63P3和MPF62P3组成有源负载,电阻RF7和 RF8起限流作用。MNF48P3和MNF55P3组成共源共栅电流镜,镜像偏置电流, 为TA正常工作提供工作电流。 工作原理:VA是一个电压反馈放大器,其反馈类型为电流串联负反馈。在充 电过程中,VA用于监控BAT引脚电位。当电池充满,电压上升高浮充电压时, VA使功率PMOS管电位升高,从而流过电流减小。当电池还未充满时,VBAT小 于4.2V时,INP也小于基准电位。VA较高,M5工作在线性区,只对A-A12提供 很小的电流。此时处于充电状态,A-A12的电位主要受CA的控制。当电池快要充 满时,VBAT接近4.2V时,A-A5接近A-A19,VA逐渐下降,流过M5的电流逐 渐增大。这使A.A12的电位升高,功率PMOS管M1的栅极电平升高,充电电流 逐渐减小。当充电电流减小到1110的恒流充电电流时,充电循环终止。 aB20tVF[’协^12.')) 1娩1.O I 啪露 嬲o (日p) 0 郴椰 . 宙 锂离子电池充电器设计与研究 ·I盛彦 国 岩-200 ·3a0 -400 120k 1M l盘M I当0— 10 图4.17 VA的AC仿真结果 VA的交流分析结果如图4.17所示。VA的增益为60.15(1B,相位裕度为80 度,带宽为424K。 4.5过热保护电路 4.5.1热限制技术 当充电器以最大电流(1.25A)充电时,因为功率损耗PD=-(Vcc.Vbat)*Ibat, 所以用1.25A的大电流充电,芯片温度必定上升。TA为芯片提供热调节功能,这 功能可在无过热危险的情况下实现充电速率的最大化。由NPN管感应芯片温度, 如果芯片温度超过过高时,则一个内部热反馈环路(温度放大器TA)将减小设定 的充电电流。在热限制模式中,1/10终止失效,系统不会在电流减4,N设定值的 1/10时进入待机状态。当芯片温度升高到门限温度以上时,温度放大器输出使功 率PMOS管栅极电位升高,从而流过电流减小,芯片功耗降低,温度降了下来, 起到保护芯片的作用。 4.5.2温度放大器TA TA的工作原理如图4.18所示,它实质就是一个I—V转换电路,通过检测PTAT 电流的变化,来体现芯片工作温度的变化,TA的输出直接与CA,VA的输出相连。 当温度过高时候,TA的输出就取代了CA,、後的输出。如图,其中12为PTAT电流, Q4的发射极为TA的输出。当芯片的温度正常时,运放输出B_B18为低电平,这 时TA对CA,VA都没影响。当芯片的工作温度超过门限温度时,12的电流增加了, 以使13的电流减小。运放的输出B—B18为中间电平,随着温度的升高,因为I—V 转换电路的环路增益很高,运放很容易就饱和输出,以至输出变成高电平。那么, TA的输出电压为V。B B㈣.2*Vbe。这输出电压取代了恒流恒压环的输出电压来控 第四章芯片具体电路实现 制充电功率管和采样管的栅极。如果温度继续上升,TA就利用QS25和Q4的VBE 的负温度系数的特性使电池的充电电流线性减小。 ^ re王 图4.18TA工作原理图 娶氏 图4.19TA内部电路图 TA的内部结构如图4.19所示,其工作原理如下:VA是一个标准的二级运放 结构。NMOS管M1和M2为差分输入级,M3,M4,M5,M6组成共源共栅电流 镜提供有源负载,电源抑制比比较高。M7,M8管镜像偏置电流,提供运放工作 所需电流,为了提供较大摆幅,第二级采用共源级结构,PMOS管M9为第二级输 出,M10和Mll提供第二级偏置电流。B—S4,B.B3为运放正向输入端和反向输 入端,当刚开始工作芯片温度正常时,B-B3端电位相对于B—S4端电位较高,从 而B.s5端电位较高,PMOS管M9工作在线性区,从而输出B—B18电平较低。随 着充电过程的进行,芯片温度逐渐升高,PATA电流使得B.B3电位逐渐降低,从 锂离子电池充电器设计与研究 而B.s4和B-B3之间电位相差较大,M9工作区域逐渐趋于饱和,输出电平趋于中 间电平,慢慢升高,从而控制功率PMOS管栅极电位升高,从而充电电流降低下 来,芯片功耗也下降下来,温度降低,这就是热限制模块TA起的作用。 仿真结果如图4.20所示,为TA的温度扫描结果。 ¨…。…‘…-一’-。…。… 图4.20 TA温度扫描的B—B18的输出电压 T,々r臻赫村R●5∞n§e ="。r'。L',b,I!P,。DC…m"fill5"。:ff,i。m=:器£蕊::罂;浮:;;l羞器瑟:遥2::耍}::;琵落毖::甾:黔i磋篷氍:鬻:羹#蔓琵耄器瑟::器甾f: 图4.2l恒温时的电流温度扫描 第四章芯片具体电路实现 4.6充电终止和再启动电路实现 4.6.1充电终止比较器C2 充电周期结束有两种方式:第一是小电流关断,第二是定时关断。小电流关 断与定时关断并不冲突,而是一种双重保护,因为小电流关断的检测阈值比较低, 随工艺的漂移比较大,很可能过早的关断充电器,使电池未达到满容量充电,或 者无法及时关断充电器,定时关断作为一种二级保护而存在,防止电池过充电。 在这里主要小电流关断的实现。其等效电路图如图所示,其中VR,1wl是带隙基准电 压VREF的分压,典型值为基准电压的1/10,PROG是充电电流设置引脚,外接电 阻RPOG,ICS是充电电流的采样电流,为充电电流的1/1000,通过检测PROG引 脚的电压值,即检测充电电流,当充电电流逐渐减小到某一设定值时,输出OUT 为高电平,从而通过逻辑关断充电器,关断阈值lcs=V娜l/RpRoG。由式可知,当充 电电流减小到1/10恒流充电电流时,将输出逻辑信号1TER/Vl关断充电器。考虑到 涓流充电时,其充电电流也约为恒流充电电流时的1/10,故在涓流充电过程中, 此模块是不工作的,以防止芯片误以为完成充电而关断充电器。 比较器C2的电路如图4.22所示,其中比较器的正相端输入为AI_A7(150mV 的基准电压),反相端接的是PRoG端的采样电压。为了防止电源电压的抖动影响 比较器的翻转结果,电路设计了由非门1136,M43,M44组成比较器的滞回电路。 M4,M7,M14,M15共源共栅电流镜提供电流。C_A8为比较器的使能信号,高 电平有效,节省芯片功耗的目的。 ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ···h ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● 。 ● ● ●● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ’‘‘。’。’‘‘+s忻缸‘+‘‘’‘。4‘’‘‘’。’ 图4.22C2内部电路图 锂离子电池充电器设计与研究 图4.23是它的DC扫描曲线,其跳变的阈值为150.755mV,滞回电压为26mV。 一:vs(‘"/C.B5”1 ·:vs(’"/C.B5”) 1仍0m 12必m 142m 160 m 1813m 200m 220m 24flm v5(volts) 图4.23 C2的IX;扫描图 4.6.2再充电比较器RECHARG 本芯片具有自动再充电的功能,当电池充电完成以后,RECHARGE比较器 一直监控BAT的电压。当vBAT的电压低于4.035V时,比较器输出翻转。重新产 生POR信号,OSC重新启动,进行大电流充电。 一一一‘’’’ 。::::‘’::::::::::.. 图4.24 recharge比较器的电路结构 RECHARGE比较器的具体电路如图4.24所示。进行重新充电的前提是之前芯 片不进行充电,即CHARGE EN_B为高电平。具体工作过程如下:A-A17电位高 于A.A4电位时,F-F35电位较低,MNF36工作在线性区或者截止。此时F-F32 电位较高,通过一级反相器输出F-F31变低,F-F31使得MPF35打开,MNF41截 第四章 芯片具体电路实现 止。流过Q1的电流为偏值电流,而迫使F-F26电位变高,F-F26经过数字锁存器, 输出高电平。当RECHARGE比较器检测到Vbat小于4.035时,OUT_RE,CHG信 号跳变为高电平。B_A6变为低电平,使POR由高变低的变化。从而使COUNTER 激活,进行大电流充电。仿真结果如图4.25所示。Recharge的延迟时间为1.7mS。 VsC。"/R-A1 6”) 图4.25a recharge比较器的DC扫描 VT(’’/B(}.TRMl”, \\ VT(“/A-A1 5’’ 图4.25b recharge比较器tran仿真 4.7手动停机电路 在充电过程中,用户如果需要终止充电过程,可以人为通过SHDN和PROG 引脚的操作来实现。停机可通过将SHDN引脚电平拉至0V来关断此芯片 (Icc一-21uA)。对于正常操作,将SHDN引脚拉至手动停机门限电压电平以上。不 要将该引脚置于开路状态。在停机模式下,内部线性稳压器被关断,且内部定时 器被复位。 手动停机的具体电路如图4.26所示,实质是一个反相器,其输出直接影响sleep (A A15)信号。即只要SHDN引脚的电压低于停机门限,芯片便进入睡眠模式。 锂离子电池充电器设计与研究 n 馓限 啪 蝴^犷≥}一斗≥斗哳 佣●m. 腑J可叩土 图4.26手动停机电路及仿真结果 手动停机是一个相对比较独立的过程。在充电循环中的任何时刻,通过去掉 RpROG,从而使PROG引脚浮置,充电器处于停机模式。重新连接设定电阻器可启 动一个新的充电循环。 4.8采样匹配电路 在锂离子电池充电器控制电路中,对充电电流的控制是通过采样电流进行的。 因此,电流采样的精度直接影响着对充电电流的控制精度。由前面对充电器工作 原理叙述可知,充电器是由PROG引脚的电位和流过它的电流来反映电池的充电 情况的。 通过合理选择采样PMOS管M2和功率PMOS管M1的比例,可以使得流过 PROG引脚的电流是流过BAT引脚电流的千分之一。根据前面我们对各个模块的 分析,内部电路就是根据PROG引脚的电压和电流的状况来控制充电模式:手动 停机和充电终止都是通过PROG引脚的电位来改变充电器的工作状态。因此,要 精确控制充电状态,就需要采样电流,即流过PROG引脚的电流能准确反映充电 电流的大小。 在本芯片中,设计了采样匹配放大器MA。MA检测BAT引脚和采样PMOS 管M1的漏端电位VMl,使两端电位总保持近似相等,从而保证流过PROG支路 的电流和流过BAT引脚支路的电流保持1:1000的比例关系。 4.8.1采样匹配放大器MA MA是一个采用NMOS管作为输入的折叠式共源共栅放大器。其作用是在充 电系统进行大电流充电或部分涓流充电时,把充电功率管和采样管的漏端钳在相 第四章芯片具体电路实现 41 同的电位。保证采样管和充电功率管的电流比率为l:1000,消除名效应引起的比 率的误差。 工作原理:由于该运算放大器采用NMOS管MNA71和MNA78作为输入管, 所以当电池的电压小于lV时,MA不能正常工作,即采样管和功率管的比率不能 保证。但不会影响锂电池的大电流充电。MNA81,MNA82电流镜提供工作所需电 流,运放第二级采用共源共栅结构,通过提供高的输出阻抗来获得高增益。在运 放的输出端有一补偿电容。 图4.27 MA的电路结构 dB2eI(VF(“/net翻5..,】' 岔10 已 -10 一叮鳓艄 懈物 甸Up) :黝|i ∞黝 108 1k fok 1密0k 1M ftequeney 图4.28 MA的AC仿真结果 图4.27是MA的具体电路,考虑到相位裕度的问题,在运放的输出端加了个 2pF的电容。仿真结果如图4.28所示。其增益为48dB,相位裕度为70度。带宽 为9.4M。 锂离子电池充电器设计与研究 4.8.2功率管衬底高电平选择电路 充电过程中,必须要防止电池的漏电,这也是充电器芯片设计中的重点之一。 电池漏电主要出现在芯片中与电池端连接的P型功率管它跨接在输入电压源(Ac或 USB)和电池之间,控制从输入电压源同电池充电的开关和充电电流。在电池没有 充电时,如果功率管没有被彻底关断,电池就会通过功率管漏电。使功率管完全 关断的方法是:在功率管关断时,把栅极短接到其源极或者漏极中电压较高的端。 另外,功率管的衬底不能简单的接在其源极或者漏极。这是因为,如果一直把功 率管衬底连接到输入电压源,在电池电压大于输入电压源时,即使把功率管关断, 仍然会存在一个从电池电压到输入电压源的正向PN结导通,这时电池就会放电; 同理,如果一直把功率管衬底连接到电池端,在输入电压源大于电池电压时,即 使把功率管关断,仍然会存在一个从输入电压源到电池电压的正向PN结导通,这 时就不能完全停止对电池的充电,可能使电池出现过充而受损坏。因此,功率管 衬底就需要接到电压较高的一端。 4.9时钟控制电路 在充电器设计中,为防止过充电,本芯片设计采用了两级保护措施即就是定 时器控制模块和最小电流终止模块。本节主要介绍一下定时器控制原理。时钟信 号产生电路又称为时钟发生器或振荡器,其主要功能是将直流信号转变为周期性 变化的信号。振荡器的种类很多,大致可分为调谐振荡器和非调谐振荡器两大类。 调谐振荡器产生近似于正弦波的输出,非调谐振荡器的输出通常为方波和三角 波。,本芯片采用的是非调谐振荡器件,通过恒定电流对电容充放电实现。由于电 容值与电流值在集成电路中都能较容易控制,因此这样得到的时钟频率也比较精 确。 4.9.1振荡器设计 本节提出的振荡电路应用于定时控制模块,定时器包括一个振荡器和若干个 分频器,振荡器电路用来产生周期性的方波信号,分频器根据充电电流的大小, 用来设定充电时间的长短,从而达到控制充电终止。所以振荡器输出方波频率的 精度直接影响充电终止时间的精度。可见振荡器的设计尤为重要。 1.偏置电路设计 对于偏置电路,要求它产生的电压随温度变化很小。偏置电路如图4.29所示。 它输入信号为外界基准电压,温度系数良好,其为整个振荡电路提供各种偏置电 第四章芯片具体电路实现 43 压。如图4.29所示, 图4。29偏置电路 SW为使能控制端,其为低电平时电路正常工作。MII在外加Ibs作用下工作在饱 和区,M13,M14与Mll,M12组成恒流源电流镜,确保113恒定,以提高稳定度。 同样M5,M6和M3,M4组成电流镜,给QNX3集极提供电流,大小等于Ibs,故 V2点电位为阈值电压0.7V,为外部电路提供钳位电压。M7,M8和M3,M4组 成电流镜,由于宽长比倍数为3,故IS=3Ibs。M7,M8,M15,QNXl,R1,QNX2 为直流通路,M15为栅漏短接的二极管连接器件,工作在饱和区,输出特性曲线 平坦。同样,QNXl,QNX2为二极管连接器件,输出接点Voa与VoL之间电压相 差为阈值电压O.7V,它提供两比较器的翻转电压。R1起分压作用,大小影响Vo. 与VoL的值。VoL=Is*RI+VBE2,VoH=VOL+0.7。还有MI,M2组成恒流源电流镜, M9为二极管连接的有源负载,工作在饱和区,为外部比较器提供稳定的偏置电压 Vbias。总之,偏置电路为振荡电路提供不同的偏置电压,关键是输入偏置电流对 温度不敏感,并且电流镜使得电流匹配要精确,才能得到稳定精确的偏置电压。 2.振荡电路设计 振荡波形产生电路如图4.30所示。COMPl,COMP2为电压比较器,内部结 构基本相同。LST为一电平转换器。工作原理如下:EN为使能端控制信号,高电 平有效。电路开始上电后,电源电压VDD从零上升到3.3V,起始CLKB信号为 低,开关管M24打开,同时M23关断。而M25在偏置电压下一直处于导通状态, 所以M23,M24形成恒流通路,而M20,M21与M18,M19构成共源共栅电流镜, 而IDM2l开始给电容C1开始充电,Cl电压开始上升,由于是恒流充电,V c 1线性 上升,在此过程中,CLKB一直为低,它使能COMPl工作,而COMP2不工作。 Vc l低于阈值电压VoH,比较器输出CLK为高,CLKB为低,符合逻辑。直到VCl 上升到高于VoH,COMPl翻转,CLKB为高,此时充电过程结束,CLKB关断 锂离子电池充电器设计与研究 M24,而打开M23,C1通过M23,M27形成的直流通路放电,Vcl电压线性下降, 此时由于CLKB为高,它使能COMP2工作,而COMPl不工作。放电开始V c l 从VoH下降,VOH大于VoL,比较器输出为低,CLKB为高,符合逻辑。当V c 1 降之低于VoL之后,比较器翻转,CLKB又变为低,充电过程又开始,如此反复 循环,V c l端便生成锯齿波波形,同时在比较器的输出端产生时钟信号CLKB作 为电路的同步信号。最后有一电平转换器LST,以提高CLKB信号的幅值,从而 与外部电源电压匹配。 3.振荡频率计算 图4.30振荡电路 如图4.30所示,整个振荡电路充放电电流大小由TIFMER引脚外接电阻Rtimer 控制,用户可根据不同需要设定充电时间。V1为偏置电路提供电压,它钳位VDM26, VDM27于O.7V,R2,R3起微调作用。R2采用多晶硅电阻,这种电阻的寄生电容很 小并且与电压无关,温度系数为+1500ppm/'C,优于常用的扩散电阻,所以温度对 R2不敏感,从而充电电流对温度的影响很小。R3比较大,支路电流可以忽略不计。 M26,M27栅源电压相同,工作在饱和区。C2起钳位M19漏极电位的作用。M28 和M29为二极管连接器件,相当于两串联电阻,用来防止Vom6、偏大,起限流 作用。M20,M21和M18,M19构成共源共栅电流镜,这种电流镜有利于提高电 源抑制比,所得振荡频率随电源电压影响比较小。M20,M21宽长比为M18,M19 的3倍,故充电电流I充是放电电流I放的1/3。VCl在VoL到VoH之间周期性变化, 它限制了所得锯齿波幅度在VoL到Vo.之间变化,由于充放电过程起始电压相同, 所以充电时间为放电时间的3倍,所得到CLKB信号占空比为25%。具体振荡频 第四章芯片具体电路实现 率计算过程如下所示: IR2--"币VDeM29 (4·28) IM27"iCwC矿川IL)MM拍z7 1,4拍=喜气衢(蚴) k=如27 (4-32) k巧+k押=厶z(4-29) 。k=面OV瓦IL)M21 k"=吾乙刀(4-31) Z=—C,(Vo.—-Vow)(4.33) ‘ ‰ 瓦=吾互 (4-34) 厂=—二一(4.35) 。 z=+兀 联立以上(4.28)。(4.35),可得 。,16=c—l‰—一— ‰)— (尺—2+!R啊五)垡l一———一(4-36) 由上式(4.36)可看出,影响,大小的主要因素是R妇和C1。VDM29被钳位在 0.67V,代入R.11MER=49.9K,C1--0.15pF时,VOH—VOL----'O.7V时,f=73.53KHz。 4.电压比较器和电平转换器的设计 电压比较器电路图如图4.31所示,本文设计两电压比较器控制信号相反,同 一时间只有一个工作,电路结构相似,下面就一个介绍。以往的电压比较器由于 单级增益不高,并以牺牲输出电压范围来提高增益,进而不能达到满幅度输出。 本文设计的比较器采用普通两级结构,由于比较器输入端电压比较低,故采用P 型输入对管M3、M4宽长一致,并且宽长比比较大,有利于减少失调电压。M5、 M6作为电流源负载,M1、M7在外加偏置电压下导通形成恒流源,EN为使能端, 低电平有效。第二级为共源级结构。整个比较器在开环条件下使用,故不需要补 偿电路。 图4.31电压比较器 图4.32电平转换器.. .. 由于电路中存在INTVDD,VDD两种电源电压,两种电压值不同,所以不同电源 电压在互连时就需要加入一个电平转换器,以保证高电平信号能被正常传输。‘电 平转换器原理图如图5所示,VDD是输入端电源,INTVDD是输出端电源。、输入 锂离子电池充电器设计与研究 信号玳连接到M4栅极,并通过反相器连接到M3栅极。当玳为低电平时,M3 导通,M4关断,M2导通,下拉INTVDD,通过INV2输出电平为低。当矾为高 电平时,M4导通,输出为低电平,通过反相器输出为高电平。通过控制两个N管 M3,M4的通断,使输出信号OUT与玳电平相同,并实现了从VDD到INTVDD 的转换。 5.仿真结果及性能分析 基于CSMC 0.69in Bi.CMOS工艺的BSIM3V3 Spice模型,采用Hspice对振荡 电路的特性进行了瞬态分析。仿真条件为:电源电压VDD为3.3V,温度25℃(室 温下),仿真波形如下: 14 1 0 2,m 0m ^I|1)竹萤一。》 0m ∞∞加{己 0m 0 】—1rJ_.j 3.5-| 3{ Z.5_j 2-了 1.5{ J 1_| ^量IJ∞置一口> 500小j 0] ] ^ 0 50u 100u "lime(fin)(TIME) 图4.33仿真波形 如图4.33所示,锯齿波的幅度被钳位于两比较器的翻转电压VoL与Voa之间, 大小约为0.67V。由于是恒流源充放电,锯齿波线性度好。所得方波信号波形规则, 占空比为25%,经测量,周期为13.8us,频率为72.25KHz,与理论计算结果73.53KHz 相比较误差很小,满足预期设计要求,可以得到应用。 表l给出在室温下(25℃)不同电源电压情况下,振荡频率变化情况。当电 源电压从2.1V变化到2.7V时振荡频率增大,而在2.7V到3.6V这个范围内频率基 本不随电源电压变化,表明该电路适合在电源电压为3.3V左右时工作,而后频率 随着电源电压有所增加,这是由于电源电压的增大引起充放电电流的增大,从而 充电周期减小,振荡频率增加。经计算电源抑制系数为0.017KHz/mV,满足性能 要求,可以应用。 第四章芯片具体电路实现 47 表1‘振荡频率随电源电压的交化: 表2给出了在电源电压为3.3V,不同温度下振荡频率变化情况。当温度在.20 到0℃这个范围内频率基本保持不变。在25到60℃这个范围内频率有所下降,又 保持一幅度基本不变化。温度继续上升90到12012这个范围,频率严重下降。这 是因为偏置电路产生电压V2为双极晶体管BE结电压,它具有负温度系数,随着 温度升高V2降低,从而充放电电流减小,充电周期变大,所以振荡频率降低。经 计算温度系数为-0.046KHz/.12,所以在室温下,该电路性能良好,能满足实际要 求。 一 ’~, ‘ 表2(振荡频率随温度的变化) 此充电器模块的振荡电路,它产生所需要的锯齿波或方波信号,其频率大小 可调节,由TIMER引脚外接电阻大小控制。基于Cadence平台,用Hspice仿真工 具验证,所得信号频率随电源电压和温度变化不大,性能良好。由于整个过程是 恒流源控制电容充放电,使得锯齿波线性度良好。因此可以满足需要。 4.9.2计数器设计 计数器由D触发器级联构成的分频率电路实现,用来检测多个周期的累加。如 图所示,是一个D触发器级联电路,其各个D触发器输出波形如图所示。假设用高 电平来检测计数的结束,则一个D触发器可以实现2个周期的检测,三个级联则 可以实现4个周期的检测,由此推得,N个级连则可以实现2川个周期的检测,则 计时时间为: ….。 T=2一f (4-37) 锂离子电池充电器设计与研究 图4.34D触发器内部结构 分频延迟电路就是借助分频器来获得时间量,即按照脉冲计数的方式来实现 时间信号转化。一般情况下,分频器常常利用D触发器的时钟边沿触发特性来设 计。图4.34是芯片中实际采用的一种D触发器电路。D触发器采用传输门设计,在 时钟的上升沿,传输门将触发器D端输入信号导入触发器;在时钟的下降沿,触发 器将数字信号输出到Q和QN端。如果将D触发器的反向输出端直接与输入端相 连,就形成一个时钟上升沿触发的T触发器,对cP输入时钟进行二分频。将多个 这样的二分频电路串联,就可以得到24分频电路。芯片中软启动时间控制电路就 是一个多分频电路,它将10个二分频电路串联,组成一个时钟脉冲计数器,具体 电路如图4.35所示。 其中T为振荡器周期,因此,只要对已知的固定频率方波进行计数,就可以实 现一定的定时。如图4.36为分频电路仿真波形。 图4.35 DFF构成响计数器 0Sc门l n几r]f]门门几一几n几门n r ∞厂]厂—一 掣 ¨一厂厂]几。]几厂几一].几厂几.].厂门厂 叭!型厂————一 Q4———————————————————————————一 图4.36{,-I-粒器功能示煮图 第四章芯片具体电路实现 49 4.10芯片系统应用及整体仿真 经过前面对充电器芯片各个具体模块的全面分析,讨论和设计后,整个芯片 电路严格按照第二章中总体设计要求得以实现。配上电容,电感,二极管,电阻 等简单外围器件,就可以构成一个充电器芯片。为了进一步验证芯片功能的正确 性和一些关键参数的测试,本节将搭建一个芯片的典型应用电路,并对其做Hspice 验证。 4.10.1应用信息 , 此芯片是一块全功能锂离子电池充电控制芯片,不仅可以利用交流适配器供 电,还可以使用USB电源供电,在USB接口广泛使用的今天,利用USB电源充 电具有极大的便利性,且具有广阔的市场前景。使用USB供电的典型应用电路如 图所示,VCC引脚外接一个大小为4.7uF的电容,该电容是用来提高处理瞬变大 负载的能力的。TIMER引脚外接O.1uF的电容,用来设定时间;PROG弓『脚外接 电阻15K,用来设定充电电流;BAT引脚外接锂离子电池和系统负载。典型值为 4.2V;NTC引脚外接热敏电阻来感应电池温度,当其接地时NTC控制失效。 针对图4.37中充电器的典型应用电路,下面给出芯片在应用中需要注意的几 个地方。 嗡PORT 4删T0 5-甜 1.欠压闭锁(IⅣI,o) 图4.37充电器典型应用电路 一个内部欠压闭锁电路用于监视输入电压并将充电器保持在停机模式下,直 到USB升至欠压闭锁门限以上,UVLO电路具有一个150mY的内置迟滞。而且, 为了防止功率MOSFET中发生电流反向,如果USB电压降至接近电池电压35mY 以内,则UVLO电路将使充电器工作于停机模式。如果UVLO比较器发生跳变, 则在USB升至电池电压以上70mV之前充电器将不会退出停机状态。 2.涓流充电和故障电池检测 锂离子电池充电器设计与研究 在一个充电循环的始端,如果电池电压较低(低于2.85V),则充电器进入涓 流充电模式,从而将充电电流减小至全标度电流的10%。如果这种低电池电压状 态的持续时间达到总充电时间的四分之一,则认为电池损坏,充电循环终止, CHRG引脚输出呈现高阻抗状态。 3.停机 可通过将PROG引脚电平拉至高电平或悬空来关断此芯片。在停机模式下,内 部线性稳压器被关断,且内部定时器被复位。对于正常操作,将PROG引脚接一 充电电流设置电阻RPROG,不要将该引脚置于开路状态。 4.充电电流的设置 电池充电电流的计算公式如下: ,一=,职∞‘1。。。2i1.5V·1000 (4—38) 尺删=半.1000 (4—39) 1CHRG 其中的RPORG是从PROG引脚至地的总电阻,ICaRG是充电电流,在涓流充电 条件下,该电流被降至全标度值的10%。 例如,在USB供电时最大的充电电流设置为475mA,则可计算出: 足PROa=砑I.J面V·1000=3.15Kf2(4-40) 同样可得AC供电时为获得最大充电电流800mA,可计算得到RPORG为 1.87KQ。 为了获得最佳的温度和时间稳定性,建议采用精度为1%的金属膜电阻器。 如果充电器处于恒定温度或恒定电压模式,则可通过测量PROG引脚电压来监视 电池电流,具体如下: ,侧=警盟·1000 I【PROG (4-41) 5.定时器的设置 可设置定时器被用于终止充电循环,定时器工作时间由一个接于TIMER引脚 上的外部电容器来设置,总的充电时间T为: 刑、时)=(3小时)‘器(4-42) ‰=(0.1订)·然 定时器外接电容可由式4-42得到: (443) 定时器在施加了一个高于欠压闭锁门限的输入电压,且PROG引脚连接充电 电流设置电阻RPRoG后被启动,在计时结束后,充电电流停止,并且状态输出呈现 高阻抗状态,以指示充电已经停止。将TIMER引脚连接至地将使定时器功能失效。 第四章芯片具体电路实现 51 将TIMER引脚连接至VCC引脚来使定时器、电压放大器和涓流充电功能失效, 使充电器工作在只恒定电流模式。 6.再充电 在一个充电循环终止之后,如果电池电压降至4.05V的再充电门限以下,则 一个新的充电循环将开始。再充电电路对VB灯引脚电压进行数毫秒的积分以防止 一个瞬变使充电循环再起动。在涓流充电过程中,如果电池电压维持在2.85V以 下的时间超过了总充电时间的四分之一,则电池有可能损坏且充电循环将终止。 此时再充电比较器失效,并且不会启动一个新的充电周期。 7.功率损耗 导致芯片因过热保护而减小充电电流的条件可通过IC中的功耗来估算,对于 大充电电流,芯片的功耗约为: 易=%一‰r)·,肌r(4雄) 其中的PD为耗散的功率,Vcc为输入电源电压,vBAT为电池电压,]BAT为电 池充电电流。不必考虑任何最坏情况下的功耗,因为芯片将自动减小充电电流, 以便把芯片温度维持在105"C左右。然而,当热反馈开始对IC提供保护时,环境 温度近似为: L=105。C一易以(4-45) 结合式(4出)可得 瓦=105。C一%一‰r)·kr·如(4-46) 对于一个给定的环境温度,充电电流可由式(4-46)求出 ,:!Q童:竺二乙(4-7)IBAT —。‘(。。V。。。c。c’’。‘-‘。。。v。。B。。,。,。r。。。)’。"。。01。’.,。A。‘ 不仅如此,正如“充电电流的设置"部分所讨论的那样,PRoG引脚上的电压 将随充电电流的变化成比例地改变。切记不需要在芯片应用设计中考虑最坏的热 条件,这一点很重要,因为该IC将在结温达到105℃左右时自动降低功耗。 8.稳定性 在接有电池时,恒定电压模式反馈环路无需任何补偿的情况下就能保持稳定。 但是,在没有接电池时,为了将纹波电压保持在低水平,建议在VBAT引脚与地之 间连接一个具有1Q串联电阻的l心电容器。 在恒定电流模式中,位于反馈环路中的是PROG引脚,而不是电池,恒定电 流模式的稳定性受PROG引脚阻抗的影响。在PROG引脚上没有附加电容时,充电 器能在采用阻值高达10KQ的设置电阻器获得可接受的稳定性。然而,该节点上 的附加电容可降低最大容许设置电阻器的阻值,PROG引脚上的极点频率应保持在 500KHz以上。 . 4.10.2整体仿真 锂离子电池充电器设计与研究 整个芯片设计不仅要完成所有的功能,更主要的是实现芯片的电特性参数, 由于元器件性能随着工艺步骤的变动会产生漂移,根据元器件参数漂移范围,存 在慢模型,典型模型,快模型之分,所以在仿真中需要进行多种工艺参数,各种 温度,不同电压的组合仿真。基于Cadence仿真平台,利用Bi-CMOS工艺进行仿 真验证,本节主要给出芯片整体功能仿真波形。如无特别说明,仿真条件为 VCC=5V,温度为室温25度。 在此充电控制芯片给锂离子电池充电仿真时,有一个确切的电路模型与之对 应,这里给出了一般情况下锂离子电池的等效电路图,如图所示4.38所示。 漏电 图4.38电池等效电路图 电池的等效电路一般被看作是~个具有极高电容C及内部漏电电阻 RLEAKAGE的电容器。引线与电池本身之间的电阻和电感表述等效内阻(ESR) 和等效串联电感(ESL)。这些参数是电池机械结构以及特定化学成分的函数,在 充放电过程中是可变的。与电池相关的等效内阻ESR在50到200M欧之间, 而 ESL在纳亨数量级(通常可以忽略)。 下面给出整体仿真时主要模块的仿真结果: 1.Shutdown: 第四章芯片具体电路实现 翻■m ●●l■哺 ,蜘 蜀■嘲 ■●鞭 憎■ . tt●●_ 6,11 ,‘氓■麟嘴 ¨ 轴 一 -J .} _-p-一 U ●● ;。_.__■ ·L黼 5翩 7·帅 汹 ¨翩他翱 ● {《翩 由上图看出,在人工停机以后的工作电流为21.3u. 2:充电电流和电池电压变化: ,勤 捌I霸■ ,囊娜 叠啊蚋 掏■h 埔 .1 . ★谓●嗽 ¨ ■孵n∞附’ 一 ●J 舳 .{ 。 -,一 ” 墉 ,:.—_■ 一{,貅’ 3腓晴 t●擘m 蝣,n● 11.Im ’蕊锄一 ’翟瓤 当Rprog=3k时Vtrikl--2.488,Itrikl=50mA。 54 4:欠压锁定电路曲线: 锂离子电池充电器设计与研究 -l■_■ ·2断· -2D,I* _●●毋 ·5-咖 ·iOn* _.,一一H . 矗● ‘● U 拍 Ij 二r ¨ 抽}// ÷~ ¨fl。哪删’ 。/\ :■/ 一●,● 蜘 2酗 跏 撕 tlH幛 Vcc电源电压从0V上升到5V,然后从5V降到零。其中(1)为Ice电流, (2)为sleep信号。 5:NTC ¨¨¨¨”墟" M " 轴 塘 墉 ¨ ¨ 船 抽 谴 ¨ NTC管脚电压从0到5V逐渐往上升。(1)为ACPR的电压。 6.恒温充电 第四章芯片具体电路实现 =嚣麓:粼;器鬣:馏::;黩饔麓麓:菩墨敬i搿隘:嚣:萋聚;器鬣i:嚣鬻躁翟鬣::嚣豁S ·:潮IP%·_7r坩‘:记qpDc-’矿邮件:琵¥∞‘-飞§-州气:硼I瞄_1秽‘蛳‘':珊嗍c矿何’撑Tn:T【Ⅳ麟r’跚”髫If’ §■ 矗曩 温度50度~105度变化时的BAT端的电流变化。 温度50度~105度变化时的BAT端的电压变化。 总结:全电路仿真结果是衡量电路设计优劣的重要标准。从本节的全电路仿 真曲线,我们可以看到: ’’ 锂离子电池充电器设计与研究 1.锂离子电池的AC模式充电过程曲线符合理论分析。 2.电池设定电压随温度和输入电源电压的变化都比较小。 3.充电电流随温度的变化较小,使用户对充电电流和充电时间的控制能做到 非常的准确,有利于充电高效的完成 综合以上的分析,全电路仿真结果曲线说明本文设计的锂离子电池充电器 芯片电路符合设计要求,具有良好的性能。 第五章结论 第五章结论 本文设计的锂离子电池充电器芯片的一个特点是兼容Ac适配器和USB端口作 为供电电源。把电源选择、温度保护、时间控制、充电状态控制一所有这些功能 全部集成在一块芯片上,实现了充电控制的智能化。充电时间和充电电流的可设 定性,提高了芯片的应用范围,实现了与用户的交互式管理。芯片中集成了功率 场效应管,并且只需要与少数的几个外部电容、电阻配合使用,就可以完成所有 的充电功能,具有很高的集成度。 在充电方法方面,芯片以恒流恒压充电法为基础,增加了小电流预处理模式。 即在充电初期采用较小的电流对电池进行预处理,对出现过放电的电池进行修复 和保护:然后采用较大的恒定电流对电池充电,实现快速充电的目的:最后采用恒 压充电,确保电池充满。这种充电方式具有充电时间短,充电效率高的优点。 芯片中有电池状态检测电路,不间断的检测锂电池的电压和电流,以确定锂电池 应该进行的充电阶段。 在充电保护方面,本文设计了两种保护模式:充电温度保护和充电时间保护充 电温度保护:锂电池充电温度过高会损坏电池并可能引起爆炸,温度过低则很难 将电池充满因此,把锂电池充电时的温度控制适宜之间,如果超出这个温度范围, 就停止对锂电池充电。充电时间保护:锂电池被损坏或被移除时,充电不能完成, 芯片会被一直设定在充电状态。而一定容量电池的充电时间是可以预计的,因此 可以设计一个定时器,在锂电池超出最大充电时间时,停止对它的充电。 在充电电源方面,本文选择了使用AC适配器和USB端口与现在普遍的只采用 AC适配器作为供电电源的充电器芯片相比,虽然本文设计充电器芯片显的更复杂 但却极大的提高了充电器的应用范围。当电池电压高于AC和USB输入电压时,芯片 进入睡眠模式,降低芯片功耗。 未来的锂离子池将会具有更高的能量密度,更小的体积和更轻的重量。随着 对锉电池的深入研究,对电池各种参数的了解将越来越多也越来越精确。与其相 应的新的充电方法和充电控制也会诞生,今后也必将会出现更新更好的锂电池充 电器芯片。 致谢 致谢 感谢我的导师朱樟明副教授给予我的悉心指导和帮助。在我的研究生学习阶 段,朱老师向我传授的不仅仅是专业知识,更多的是让我学会如何在学习中摸索 总结科学的方法,从浩如烟海的知识宝库中有选择地吸收养分,提高自身的学习 能力。这将是我一生享用不尽的宝贵财富。在和朱老师共同从事项目研发的过程 中,朱老i)O r甸我传达的发现问题,分析问题,解决问题的思想方法和严谨作风, 同样令我获益良多。在此谨向朱老师表示衷心的谢意。 感谢我的同学史斌、过伟在学习和工作中给我的关心和帮助。感谢我在公司 实习期间的同事雷晗、刘帘曦、刘洪涛、崔志强等人,他们业务精湛,经验丰富, 给了我极大的帮助,使我获益匪浅。与他们一起工作学习的日子里我学到了不少 东西,也分享到许多的快乐。我会怀念这段短暂而难忘的时光。 最后,感谢父母对于研究生学习的支持!感谢对我论文工作支持的所有同事、 同学和朋友! 参考文献 参考文献 【l】戴维德.充电器IC概述尘日电子,2005(02):46-48 【2】戴维德.锂离子电池及其充电器.今日电子2001年02期 【3】潘靖.锂电池智能管理系统.浙江大学硕士论文.2004 【4】罗光毅.蓄电池智能管理系统.浙江大学硕士论文.2003 【5]Cheng KWE, Choi WF.Development of intelligent rapid batteries charger,PowerElectronics Systems and Applications,2004.2004 First International Conference on 9.11 Nov.2004:243.246 [6】王鸿麟.钱建立.周晓军等.智能型快速充电器设计与制作【M】.科学出版社.2001 [7]Cao Xi-唧.Cheng Ya-ming.Luo Li—hui.A design of charging for lithium-ion battery of ambulatory medical instruments[M].Chinese Journal of Medical Physics.2003.01. 【8】钟国华.吴玉广.锂电池充电保护电路的设计【M】. 《通信电源术》.2003.5. 【9】扬帮文.实用电池充电器与保护器电路集锦【M】.电子工业出社.2000.1 1. 【10】张艳红.桑红石.陈朝阳.低功耗多系列的锂离子电池保护IC[M】. 《计算机 与数字工程》.2006.9. 【1 l lMAXIM.Switch-Mode,liner,and Pulse Char薛ng Techniques for Li+Battery in Mobile Phone and PDAs.MAXIM Application Note 913[M].Dec 27.2001. 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