（微电子学与固体电子学专业论文）锂离子电池充电控制芯片的设计.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师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的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南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。 研究生签名： 膨品昱 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：丝导师签名： 日期： 摘要 摘要 各类便携设备中j “泛使_ h j 锂离子电池供电。锂离子电池有许多明显的优点：较高的能量 密度、 高的i ：作电压、无记忆效麻、循环寿命k 、重昔轻、白放电小。由丁这些优点，使 其在便携式电子设备、电动汽下、空间技术、国防l ：业等多方面具有广阔的应_ 1 1 前景。 在对锂离子电池特性及充电方法的研究的基础上，设计一款锂离子电池充电管理i c 。 本文设计的系统采心恒流、恒压充电方法。充电分为三阶段：涓流、恒流和恒压。充电前对 电池检测，对电池进行涓流充电，避免对电池造成损害，然后对电池进行恒流快速充电，展 后是恒压充电。这种线性充电方式具有电路简单，充电时间短的优点。充电的同时对屯池状 态进行不断检测，避免过温、过流等情况对电池造成损害。 本文殴计的电路基丁c s m c 6l ：艺，利h jc a d e n c es p e c t r e 和h s p | c e 对电路进行仿 真和验证。电池充电曲线、保护电路和控制l 乜路的功能仿真符合设计要求，完成了设计目标。 关键词：锂离子电池充电器恒流，恒压 东南人学硕l ：论文 a b s t a c t w i t l lt h em o s td e s i r a b l eq u a l i t yo f ab a t t e r y , h i g he n e r g yd e n s i t yi nw e i g h ta n d v o l u m e ，n om e m o r ye f f e c t ，l i t t l es e l f - d i s c h a r g ea n ds oo n ，t h el i i o nb a t t e r yh a sb e e n w i d e l yu s e di np o r t a b l ea p p l i c a t i o n ，e l e c t r i cv e h i c l e s ，s p a c et e c h n i q u ea n dh a sab r i g h t f u t u r e t h eb a t t e r yp e r f o r m a n c ea n d c h a r g i n gm e t h o da r ea n a l y z e di nt h i st h e s i s b a s e d o nt h er e s e a r c h ，al i i o nb a t t e r yc h a r g e rw a sd e s i g n e d ，w i t hc o n s t a n t c u r r e n v c o n s t a n tv o l t a g ec h a r g em o d e t h i sc h a r g em o d ec o n c l u d e st h r e ep h a s e ：t h e t r i c k l ec h a r g i n gw i t hs m a l le t m 珊t , c o n s t a n tc u r r e n ta n dc o u s t a n tv o l t a g e t h ec i r c u i t w i l lc h e c kb a t t e r ys t a t eb e f o r ec h a r g i n g ，a n dt h et r i c k l ec h a r g i n gw i l lb ec a r d e do n w h e nb a t t e r yh a db e e no v e rd i s c h a r g e d ；a f t e rw h i c h ，t h eb a t t e r yw i l lb ec h a r g e dw i t h l a r g ea n dc o n s t a n tc u r r e n tt oa l l o wf a s tc h a r g i n g ；f i n a l l y ，t h ec o n s t a n tc h a r g i n gi s a d o p t e dt og u a r a n t e ei tw a sc h a r g e dt of u l lc a p a c 酊t h et h r e ep h a s em e t h o da l l o w s h o r t e rc h a r g i n gt i m ea n ds i m p l ec i r c u i ti m p l e m e n t a t i o n t h ec i r c u i ta l s om o n i t o rt h e b a t t e r ys t a t u sw h e nc h a r g i n g ，t op r o t e c tb a u e r yf r o mo v e r h e a to ro v e r c u r r e n t s i t u a t i o nw h i c h w o u l dp r o b a b l yd a m a g et h eb a t t e r y t h i sc i r c u i ti ss i m u l a t e di nc a d e n c es p e c t r ea n dh s p i c eb a s e do nc s m c 6p r o c e s s t h er e s u l t ，i n c l u d i n gb a t t e r yc h a r 百n gc u r v e ，p r o t e c tm o d u l ea n dc o n t r o ll o g i c p e r f o r m a n c e ，i n d i c a t e st h ed e s i g ni nt h i st h e s i sd e m o n s t r a t e se x c e l l e n tp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：l i i o nb a t t e r yb a t t e r yc h a r g e r c c c v 2 东南人学硕l 论文 1 1 研究的背景、目的和意义 第一章序言 随着便携设备的迅猛发展，手机、笔记本电脑的应_ h j 已经相当普及。对设备的要求也越 米越高。人们需要便携设备能够更轻便，能够i ：作更长时间。而这些要求能否满足，再很人 程度上依赖于电池的性能。 现在便携设备使用的主流电池是可充电( 二次耀离子电池，锂离子电池有许多明显的优 点：较高的能鼙密度、高的丁作电压、无记忆效戍、循环寿命长、重晕轻、臼放电小f 见表 1 1 【1 1 2 1 ) 。由丁这些优点，使其在便携式电子设备、电动汽午、空间技术、国防i ：业笛多方 面具有j 阔的应川前景。 表1 1 不同电池特性比较 技术参数 镍镉电池镍氢电池锂离子电池 额定电压，v 1 21 23 ，6 质量比能量( w h k 9 1 ) 5 06 59 0 体积比能量( w h 1 。) 1 5 02 0 02 8 0 充放电寿命，次 5 0 05 0 01 0 0 0 - 2 0 c _ t 作性能( 2 5 c 时1 0 0 ) 3 02 06 0 能鼍保持性能( 每月保持) 7 28 09 0 由丁锂离子电池的电极结构特殊，对电池的充放电要求非常严格，以避免不良的化学反 应发生。充l b 方式对电池的寿命也有明显影响，过充电、过放电均对电池寿命甚至安全造成 危害。冈此，电池的浮充电压、充放电电流和电池温度范围均需严格定义。一个好的充电电 路应在保证电池寿命不受损害的前提下，最人限度的给电池充电并提高电池的利川效率。 冈此，在当前的背景和发展趋势下，设计一个性能良好的锂离子电池充电管理i c 有着 重要的意义和应j h | 前景。 4 序占 1 2 论文主要工作及成果 论文选取目前士流的线性充电方式为研究对象，设计一个线形锂离子电池充电管理i c 。 主要一l ：作内容包含： 1 、 研究锂离子电池线性充电的原理及实现方式。 2 、锂离子电池充电管理i c 的系统结构。 3 、主充电同路和控制电路的设计。 4 ， 各子模块的设计和仿真。 5 、 系统仿真 论文章仃安排如f ： 第一章序言，分析研究饪离子电池充l 乜芯片的现实意义，捉山本文的研究内释和安排。 第二章研究锂离子电池的特性和流行的充电方式，根据实际情况选择论文的研究内容 选择线性锂离子电池充电芯片作为研究内容，进而确定系统结构和设计目标。 第三、四章给山主充电【亓| 路和主要子模块的设计和仿真结果。 最后给出总结。 东南大学顾i ：论文 第二章锂离子电池充电特性及充电方式研究 2 1 锂离子电池简介 现己广泛被使_ l f j 的锂离子电池是由锂电池发展而米的1 3 1 。锂l 乜池的负极材料是锂金属， l e 极材料是碳材。但锂是一种高度活跃的金属，在使朋时安全性著，经常会在充电时山现燃 烧、爆裂等异常情况，从而出现改进型的锂离子电池。锂离子电池加入了能抑制锂元素活跃 的成份( l l 如钴、锰等等) 从而使锂电池真止达到了安全、高效、方便。 锂离予电池的正极材料是氧化钴锂，负极材料是碳材。电池通过正极产生的锂离子在负 极碳材中的迁入与迁山来实现电池的充放电过稃。为了区别于传统意义上的锂电池，所以人 们称之为锂离子电池。 锂离子电池白1 9 9 0 年问世以来【4 1 1 5 l ，冈其卓越的性能得剑了迅猛的发展，并广泛地应 用丁社会。锂离子电池以其它电池所不可比拟的优势迅速占领了许多领域，象移动电话、笔 记本电脑、小型摄像机等等，且越米越多的国家将该电池应用于军事用途。应_ 【 j 表明，锂离 子电池是一种理想的小型绿色电源。 锂离子l h 池的基本构造包括止极、负极与电解质三项要素。一般锂离子技术使用液体或 无机胶体电解液，冈此需要坚嗣的外壳米容纳可燃的活性成分，这就增加了电池的重量和成 本，也限制了尺寸人小和造形的灵活性。一般而言，液体锂离子二次电池的最小厚度是6 m m ， 再减少就比较困难。 所谓聚合物锂离子t 抛( l i p o l y m e r ) 是在这三种主要构造中至少有一项或一项以上使用 高分子材料作为其主要的电池系统。新一代的聚合物锂离子电池在聚合物化的程度上已经 很高，所以形状上可做剑薄形化( 最薄0 5 m m ) 、任意面积化和任意形状化，大大提高了屯池 造型设计的灵活性，从而可以配合产品需求，做成任何形状与容簧的电池。同时，聚合物锂 离子电池的单位能量比目前的一般锂离子电池提高了5 0 ，其容量、充放l 乜特性、安全性、 工作温度范围、循环寿命与环保性能等方面都较锂离子电池有大幅度的提高。 通常所称的锂离子电池可包括锂离子( l i i o n ) 电池和聚合物锂离子( l i p o l y m e o 屯池。本 论文针对应1 i j 最为广泛的锂离子( l i i o n ) 电池研究和设计充电管理i c 。 2 2 锂离子电池充电方式 电池的使用时间、使埘寿命和使j 【 j 安全对于便携设备_ h j 户的t ：作效率及安全至关重要， 电池的充放电方式对以上冈素均有明显影响。不合适的充电、放电方式对电池的寿命和用户 安全会造成明显的损害。冈此理解锂离子电池特性、研究设计优良的锂离子电池充放电管理 l 乜路有着重要的意义和良好的市场前景。 6 钝离了i u 池充l u 特性发充电方a 研究 早期基本的锂离子电池充电i c 功能简单【7 一i ，通常只包括恒压充电和部分保护电路。 随着对电池_ 【i j 电时间的提高，对充电i c 的功能要求也愈加复杂。现代充电i c 基本上均包括 完整的充电过科和保护电路，以保证i 乜池安全升充满l b 池，延长电池使h j 时间，提高充电效 率。更复杂的充电管理l c 【9 l o “i 则可能包括更多模块，如a d d a 、电荷计、r o m 等，以适 应不同场合的要求或者可以适应不同电池类型，均能满足充电需要1 1 2 , 1 6 1 。 锂离子电池需要精密的充电电路以保证充电安全、电池充满以及快速。锂离子电池充电 的要求有限6 “1 ： l 、终止充电电压精度在额定值的l 之内( 过压充电可能对锂离子电池造成永久性损 坏) ；锂离子电池的充屯率( 充电电流) 虑根据电池生产厂的建议选用。过充电会造成电池内部 剧烈的化学反麻，使电池内部变形，造成对电池的一次性损害，严重则导致安全问题。 2 、锂离子电池在不同阶段对电流的承受能力不同，所以充电通常分阶段进行，并1 f 全 部采川恒流快速充电，还有恒压充电，所以实际满量袢充电时间为2 5 小时左右。 3 、锂离子l 乜池充电的温度在o 6 0 c 范围。如果充电电流过人会产生温度过高，不 仅会损坏电池，f = 可能引起爆炸。冈此在大电流充电时，需要对电池进行温度检测，并且在超 过设定充电温度时能停止充电以保证安全。另外，充电器电路中有设定的限流电阻，保证充 电电流不超过设定的限制电流。 4 、锂离子电池终止放电电压为2 5 3 v 。若电池中没有电池保护器或电子产品中没有 电池终止电压检测电路，则可能造成过放( 低丁| 2 5 v ) ，过放电导致电池内部电极产生化学反 应，使电池内部微短路，严重则恶化电池的性能，造成电池的完全失效。完善的充电器可对 过放的电池进行修复，即在充电前进行预处理，又称涓流充电。 现有锂离子电池充电方式有多种，包括线性充电、开关模式充电和脉冲充电。三种充l 乜 方式特点和应用场合各有不同1 ”】。 线性充电电路简单、面积小、容易实现且成本低，但效率低；开关模式充电电路由于需 要外部器件，且内部控制复杂，因此面积较人、但效率高。脉冲充电则是新出现的一种方式， 兼备前述两者的优点。 线性充电电路适合电压比较低的场合，如手机、r a p 3 或者单：协乜池使用；而开关模式电 路常见于电压较高的场合。如笔记本电脑、p d a 或者多个电池串联使闱等。 其它充电方式还有利用d c d c 变换器或者锁相环p l l 作为充电控制电路”1 。 目前的线性充电电路常采川三段充电法，即：预处理( 涓流充电) 、恒流充电( 快速充电) 、 恒压充电( 充满) 。 7 东南人学顾i 论文 目前市场上手机使h j 的电池几乎全部是锂离子( l i i o n ) 电池，而电池充电电路绝人部分 采_ h j 的是线性充电电路。 2 3 系统功能设计 本设计针对单1 7 锂离子( l i - i o n ) 电池，并根据上述锂离子( l i i o n ) 电池特性以及充电要求， 研究和设计一种锂离子( l i i o n ) 电池线性充电电路。参照相关产品，本文设计的充电系统二1 ： 作的流程图如图2 1 。 图2 1 、系统一【作流程图 系统上屯后首先检测电池电压所处的范围，当电池电压小于2 9 v 时，采刚涓流充电， 否则开始恒流充电。采用涓流充电后，当检测剑l b 池电压大于2 9 vj i 亓，转为恒流充电，开 始以设定的恒定电流充电，电池电压以较高的斜率增长，见图2 3 。充到接近4 2 v 时，恒流 充电阶段结束。接着以4 2 v 恒压充电，在恒乐阶段充电时，电压儿乎不变( 或稍有增加) ， 充电电流不断卜降。当充电电流下降剑1 1 0 恒流充电电流时，表示电池已充满，终i r 充电。 终止充电后系统不断监测电池电压，当电池l 乜压卜- 降到4 0 5 v 时，充电循环将再次启动。 8 锂离了i u 池充i u 特性及充电方式研究 在整个充电过程中，系统监测电源、电池温度等状态变量，当电源电压过低( 小丁3 6 v ) 或者温度超过1 2 0 ，将终i l 充电，笑断系统。 系统包括以卜模块： ( 1 ) 、恒流控制电路：其精度为5 左右；充电电流由外接电阻r p r o g 控制，最大充电电 流为8 0 0 m a ； ( 2 ) 、恒乐控制电路：浮充电压为4 2 v ，误差不超过l ； ( 3 ) 、充电电流检测电路：检测电池充电电流，当充电电流小于o 1 i c h r g 时，结束充电过 程； ( 4 ) 、屯池电压检测屯路：根据电池电压选择充电方式，包括涓流充电、恒流充电、恒 压充l 乜及再充电； ( 5 ) 、电池温度检测电路：检测l h 池温度，当电池温度超过1 2 0 时，关断系统； ( 6 ) 、基准电压源：为系统提供1 2 2 v 以内的高精度基准源； ( 7 ) 、多个电压比较器及逻辑控制电路、关闭控制电路等。 系统结构如图2 2 所示。 9 图2 2 系统结构示意图 东南人学顾，l ：论文 1 0 r e g u l a 咖v o l t a g e r e g u l a t i o nc u r r e n t m i n i m u m c h a r g e v o h a g e p r e c o 涮o t i 蕾n a a f l ( it a p e r d e t e c t 9 “篙訾“呻“”m ，。r e 。u “”。黜警谍鬈“s 8 一一 k ， ， ， ， 表2 1 给出系统的特性参数 幽2 3 、充电过程示意幽 表2 1 系统的特性参数 参数名称最小值典型值最人值单位 电源电压v d d 4 2 5 5 6 5v 浮充电压v n 4 1 5 84 24 2 4 2v 展大充电电流i c i r 6 5 0 0 m a 涓流充电fj 限电压 2 82 93 ov v d d 欠压闭锁j 限电压 3 53 63 7 v v d d 欠压闭锁迟滞电压 4 0 0m v 过温保护温度门限1 2 0 过温保护温度迟滞 2 0 终止充电电流| j 限( r r r o g = 2 k ) 5 0m a 充j u 嘲路赴计 3 1 设计思路 第三章充电回路设计 系统对丁充电【亓l 路的设计要求是：在恒流充电阶段对电池进行恒定电流充电，充电电流 由外接电阻控制；当处丁恒压充电阶段时，电流检测电路实现对充电电流的监测，检测电池 充电状态，当充电电流小丁恒流充电电流的0 1 i c h r g 时结束充电。 恒流，恒压充屯控制方式主要有两种：串联控制和并联控制在串联控制中，恒流控制 同路始终处i ：作。当处丁恒流充电时，恒乐控制同路不i 作，或者其控制信号输出对恒流控 制没有影响；当处丁恒压控制阶段时，电压检测信号和电流检测信号相结合，共同控制充电 电流，如文献【2 3 】中给山的适_ l i j 丁多种电池的充电控制电路。在并联控制中，恒流平恒压同 路分别i ：作，冈此可以分别设计，但需要注意的是充电同路的稳定性问题。 本论文选川并联充电的方式，分别设计恒流、恒压充电控制【亓l 路。 3 1 1 恒流充电电路 普通恒流源电路如下图3 1 ： 图3 1 恒流源电路原理图图3 2 恒流源及充电电路 如图3 1 ，由于运放的虚短作用，v r c f m v p r o g ，定义的电流为： ，：上卫 ”r p m ( 3 1 ) 当电流扰变时，变化晕将通过屯阻转化为电压信号，传递剑运放同相端，从而调：竹m e o n 的栅极电压，反向控制电流人小，保持电流的恒定。电流的绝对值可以通过电阻和基准电压 值设定。 t #穹 东南人学顾i ：论文 由丁充电电路需要将电流传递给待充电的电池，冈此系统设计需要将充电路径和恒流控 制路径分离，见幽3 2 ，充电路径通过合适的电流镜象电路复制恒流控制路径的电流，从而 间接达剑控制充电电流恒定的目的。 注意到充电电路为分阶段充电，当系统处于恒压充电阶段时，恒流控制电路不再工作， 但电流复制电路仍然必须l ：作，因此此时的v p r o g 便可作为对充电电流的监测信号。r p r o o 可以通过外接电阻实现，这样既保证检测电流i v 的精度，同时避免了常见方案存在的效率 低或者控制复杂的缺陷【”1 ，又可在外部实现充电电流的可编程。 基于以上考虑，设计时将恒流控制电路和电流检测电路通过合适的电流镜象电路相结 合。 3 1 2 恒压充电电路 恒压充电电路是当电池达剑4 2 v 时，系统将从对电池恒流充电状态转为恒压充电状态， 即维持施加在电池上的电压4 2 v 不变。在恒乐过程中，充电电流不断减小，从功能上比较， 恒压充电电路类似负载凋1 ，状态的l d o 电路2 ”。 1 2 图3 3 恒压源电路原理图 3 1 3 充电回路电路及稳定性分析 参照相关文献 2 2 1 、3 1 ，系统采用的充电回路结构如卜图3 4 ，对于恒流、恒压充 电模块，其结构基本与原理结构相同，仅在耦合处略有变化。 对于整个充电同路，其状态有三种：恒流( 含涓流) 充电阶段、( 恒流恒压) 过渡阶段、 恒压充电阶段。当处于恒流l ：作阶段时，由于电池电压比较低，恒压控制运放c v 不在 线性上作区域，其输出使得m v 关断，功率管的栅极由恒流控制运放c c 调。饥保持电 流恒定，充电l 乜流由基准电压和电阻决定；类似的，在恒压充电阶段，由y - c v 的作_ 【l j 充i u h 路设计 m c 笑断，功率管的栅极由恒压控制返放c v 调1 ，实现恒压功能；在过渡阶段，当恒 流运放仍然l l 作，恒压运放开始1 ：作，使电流不断减小，此时恒流运放为控制电流恒定， 其输山将变高，并逐渐高于恒压输山火去对功率管栅极的控制，进而进入恒压充电阶 段。c c 、c v 对功率管的控制可理解为取展小值的函数，其输出较小者获得对功率管栅 极的控制，即o u # - f f m i n ( c c o u , ，c v ) 】。 图3 4 充电同路电路示意图 图3 5c c 、c v 控制示意图 设计时需要注意，由丁二在不同充电阶段，电路的状态有所不同，电路应确保在每个阶段 充电| 亓i 路均稳定。 东南大学颂i 二论文 3 2充电回路电路级设计 3 2 1 恒压控制电路设计 电路级的设计应根据系统的要求合理选取指标。对丁：充电控制电路。系统要求浮充电压 的误著小丁1 且保证充电环路稳定。 浮充电压的误差主要来源丁电阻采样网络、运放火调和基准电压的误差。通过合理的版 图布局和设计，可以使电阻比例误差控制在千分之一以内；同时假设基准利用t r i m i n g 技术， 使基准的温度漂移小丁5 0 p p m ：根据上述前提，计算在最坏情况下浮充电压误差。 如图( 3 3 ) 在理想情况下： = 警= 等= t z ， 其中，f 为反馈网络系数，i 2 7 1 。 在最坏情况r ，假设在全温度范围内，基准电压变化a v 耐，( r l + r 2 ) r 2 = k ，运放火调电压 为av o s ，则总的输出误著为： z o = k p ：( 8 5 一( - 4 0 ) ) 5 0 p p m + a p 淼】 = ( 1 + 1 o )