（微电子学与固体电子学专业论文）锂电池智能充电器ic芯片的设计研究.pdf

摘要 锂离子和锂聚合物电池由于能量密度高和长循环寿命等优点，存便携式设备 中得到了广泛的应用。充电管理是锂电池管理的重要组成部分，安全、可靠、快 速、高效的锂电池充电器对锂电池的性能及应用起着至关重要的作用。本文从锂 电池的结构原理着手，通过对锂电池性能及常用充电方法的研究，分析了充电过 程及充电方法对锂电池性能的影响，并在此基础上设计了一款智能锂离子和锂聚 合物电池的充电器蕊片。 本文设计的锂电池充电器芯片采用了恒流恒压的充电方法，并在此基础上将 充电过程分为三个阶段：预充电、恒流充电和恒压充电。在充电初划采用较小的 电流刑电池进行预处理，对出现过放电的电池进行修复 lj 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，确保申l 池充满。 这种充电力式具有充电时问短，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。 锂电池的充电过程需要进行严格的控制，以保证锂电池的充电安全。本文设 计了两种充电保护模式：充电温度保护和充电时剧保护。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在o 一4 5 之间，匀i 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。而一定容量锂电池的充电刚问是可以预计的，因此。j 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a c 适配器和u s b 端口。与现在普遍的只 采剧a c 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。芯片可以自动选择a c 适配器或u s b 端口作为供电电源，并保证a c 适配器的优先级选择。当电池电压高于a c 和u s b 输入电压时，芯片进入睡眠模式，降低芯片功耗。 此外，用户可以直接设定充电时的充电时间和充电电流，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，就可以完成充电功能，具有很高的集成度。 最后，本文设计的电路基于0 5 umb c d 工艺，片jh s p i c e 进行了仿真。从 摘要 仿真结果看到，锂电池充电的几个重要指标：电池的充电过程曲线、电池设定电 压随温度和输入电源电压的变化曲线以及充电电流随温度的变化曲线都符合设计 预期，醴明本文设计的锂电池充电器芯片电路具有良好的性能。 关键词：锂离子电池，锂聚合物电池，充电器，恒流恒压 l i a b s m a c t a b s t r a c t l i i o na n dl i p o l y m e rb a t t e r ya r eb e i n gw i d e l yu s e d t h e i rh i g he n e r g yd e n s i t y a n dl o n gl i f em a k et h e mt h es u i t a b l es e l e c t i o nf o rp o r t a b l ea p p l i c a t i o n c h a r g i n g m a n a g e m e n ti s t h ee s s e n t i a lp a r ti nb a t t e r ym a n a g e m e n t s a f er e l i a b l e ，f a s ta n dh i g h e f f i c i e n tc h a r g e rg u a r a n t e e sg o o dp e r f o r m a n c ea n da p p l i c a t i o no fb a t t e r y t h ec h e m i c s t r u c t u r e ，p e r f o r m a n c ea n dc h a r g i n gm e t h o do fl i i o na n dl i p o l y m e rb a t t e r y a r e s t u d i e di nt h i st h e s i s a n dd i f f e r e n ti m p a c t so nt h ep e r f o r m a n c eo fb a t t e r yv i ad i f f e r e n t c h a r g i n gw a y sa n dp r o c e s sa r ea n a l y z e di nd e t a i l ，b a s e do nw h i c h ，a ni n t e l l i g e n tc h a r g e r i cf o rl i - i o no rl i p o l y m e rb a t t e r yi sd e s i g n e d ， t h el i - i o no rl i - p o l y m e rb a t t e r yi cu s ec c c vc h a r g i n gm o d ew h i c hi n c l u d e st h e 3c h a r g i n gs t a g e s ：t h et r i c k l ec h a r g i n g ，l a r g ec o n s t a n tc u r r e n tc h a r g i n ga n dc o n s t a n t v o l t a g ec h a r g i n g t h et r i c k l ec h a r g i n gu s e ss m a l lc u r r e n ta tt h ei n i t i a lo fc h a r g i n gc y c l e t of i xa n dp r o t e c tt h eo v e r d i s c h a r g e db a t t e r y ；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 d b yl a r g ec o n s t a n t c u r r e n tt oa l l o wt h ef a s t c h a r g i n g ；f i n a l l y ，t h ec o n s t a n tv o l t a g e c h a r g i n gi sa d o p t e d t og u a r a n t e et h a tt h eb a t t e r yi sc h a r g e dt oi t sf u l lc a p a c i t y t h et h r e e p h a s e sa p p r o a c ha l l o w ss h o r t e rc h a r g i n gt i m ea n dh i g h e re f f i c i e n c y t h eb a t t e r ys t a t u s d e t e c t o r ，w h i c hi sd e s i g n e df o rc o n s t a n t l ym o n i t o r i n gt h ev o l t a g ea n dc u r r e n ti nb a t t e r y t oc o n f i r mt h ec h a r g i n gs t a g e ，i sa l s od i s c u s s e di nt h et h e s i s t h ec h a r g i n gp r o c e s sr e q u i r e ss t r i c t l yc o n t r o lt og u a r a n t e et h ec h a r g i n gs a f e t yo f t h eb a t t e r y t w oc h a r g ep r o t e c t i o nm o d e sa r ep r o p o s e d ：t e m p e r a t u r ep r o t e c t i o na n d p e r i o dp r o t e c t i o n t h eo v e r h e a t i n gc h a r g i n gw i l ld a m a g et h eb a t t e r ya n de v e nc a u s e e x p l o s i o n ，o nc o n t r a r y ，i ti sd i f f i c u l tt oc h a r g et h eb a t t e r yt oi t sf u l lc a p a c i t ya tt h eu n d e r t e m p e r a t u r ec o n d i t i o n a sar e s u l t ，t h ec h a r g i n gt e m p e r a t u r en e e d st ob ec o u f i n c dw i t h i n t h er a n g eo f0 - 4 5 。ca st h ec h a r g i n gw i l lb ed i s a b l e do n c et h et e m p e r a t u r eg o e sb e y o n d t h i sr a n g e ，w h i c hi sa c h i e v e db yt e m p e r a t u r ep r o t e c t i o nm o d u l e t h ec h a r g i n gi su n a b l e t oa c c o m p l i s h e di ft h eb a t t e r yi sd a m a g e do rr e m o v e da n di cw i l la l w a y ss t a ya tt h e c h a r g i n gs t a t u s ，f o r t u n a t e l y , d u et ot h ec h a r g i n gp e r i o do ft h el ib a t t e r yw i t hc e r t a m c a p a c i t yi sa s s e s s a b l e ，at i m e rc a nb ea d d e dt od i s a b l ec h a r g i n gi f t h em a ( i m u m c h a r g i n gp e r i o di se x c e e d 1 l i a b s t r a c t i nc h a r g i i l gp o w e rs u p p l 弘a ca d a p t 盯a n du s b p o f ta r es e l e c t e d c o m p a r e dt o o t h e rc b a 7 9 佃gi c ，i t sa p p l i c a t i 邮sa 佗w i d e n t h et ca u t o m “c a l l ys e l e c t st h ea c a d a p t e ro ru s bp o r ta st h 。p o w e f s o u r c ef o rt h es y s t 锄w h i l ea ca d 3 p t c rt a k c sh i 曲e r p r i o r i t y t h ei cw o u 坩e n t e rs l e e pm o d et or e d u c ep o w e rc o n s u m p t i o ni ft h eb a t l e r y v 0 1 t 8 9 cc x c c s s c st h cv o l t a g ca ta ca d a p t c ro ru s bp o r t b e s i d e s ，u s e rc a np r o g m mt h ec h a 。g i “gc u 工r e n ta dt h ep e r i o d ，s o “p m v i d e sm o r e f l e x i b n j t y t h ep o w e rm o s h 汀sa r ej n t e 伊a t e do nt h ed i e ，a n dt l l ei cj sc a p a b l eo f o p e r a t i n gc o r r e c t l yo n l yw i t ha d d i t j o no faf e we x t e m a lp a r t s ，w h i c hd e m o n s t r a t ei t s h i g hi n t e g m 廿o nl e v e j t h ec i r c u i ti ss i u l a t e dv j ah s p i c eb a s c do nb c do5 u mp m c e s s ，w h o s er e s u l i s i n d i c a t ct h a te s s 肌廿a lc h a r a c t e s t j cc u r v e sf o fc h a r g i n 舀i n c l u d i g ：t h ec h a 唱i n g v o l t a g e c u f r e n t v s 廿m e ，l h eb a t t e r yv o h a g ev s t e m p e r a t u r e i n p u tv o l t a g e a n d c h a r 酉n g c u e n t v s t e m p e r a t u r e ， a r ei n p e r f e c ta g r e e m e n tw n hl h e t h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n ds a t i s f yt h ed e s i g nr e q u i r e i i l e t sw e l l ，w h i c hd e m o n s t r a t e st 】1 e e x c e l l e n t p e r f o 珊a i l c eo ft h el ib a t t e r yc h a r g e ri cd e s c t m e di n 山i st h e s i s k e y w o r d ：l i i o nb a t t e r y ，u p o l y m “b a t t e ry ，b a t t e r yc h a r g e r ，c ( y c v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：型1 盥日期：枷6 年；月r 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：型l 盟导师签名： 日期：u o 第一章绪论 第一章绪论 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可充电电池 备受关注【l j 。 现在广泛采用的便携式可充电电池可以分为：镍镉( n i c d ) 电池、镍氢( n i m h ) 电池、锂离子( h - i o n ) 及锂聚合物( “p o l y m e r ) 电池眈相比于其它两类电池， 锂离子和锂聚合物电池有以下优点：1 3 4 1 5 1 1 比能量高。锂离子电他的最大特点是比能量高，即单位重量或单位体积的 能量高。因此，锂离子电池有高容量，高密度，尺寸小，重量轻等特点。 2 电压高。单节锂电池平均使用电压为3 + 6 v ，是单节镍镉、镍氢电池的3 倍， 充足电时电压可达4 2 v 。另外，锂电池还有使用电压平坦的特点。 3 无记忆效应。镍镉，镍氢等电池都有记忆效应，必须进行定期放电，甭则 就会因为记忆效应使电池报废。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 锂电池自放电率为每月2 - 5 ，非常的低( 镍镉，镍氢等电池白放电率达 到每月1 5 3 5 ) 。 5 工作温度范围宽。充放电寿命长。锂电池可在2 0 6 0 。c 之间正常工作，高 温放电性能优于其它类型电池。锂电池的充放电寿命长，经过5 0 0 次重复放电后， 其容量至少相当于新电池的7 0 以上。 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，以求在设各的便携性和 工作时间之间取得一定的平衡。同样，作为设备内部锂电池的管理系统，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，基于专用芯片的锂电池管理在便携式应用中非常普遍。 这些应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 x 电子科技大学硕士学位论文 各厂家的欢迎。目前的芯片有能够单独使用，实现简单充放电保护功能的；也有 带微机控制接l j ，能够与处理设备协同： 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幸要方式。 充电管理是锂电池管理的重要组成部分。根据锂电池的特点，锂电池充电器 芯片所需要达到的摹奉功能是提供可限流的充电电流和不超过电池充电终止电压 的最大电压。此9 ，充电器芯片还需要对充电过程进行保护。由电池的过充电、 过放电和充电不足等引起的电池损坏或使用寿命降低的主要原因与充电器的充电 方法及充电过程息息相关【。 t j 。因此，设计一款充电保护功能优良的充电器芯片对 锂电池非常重要。 本文首先对锉电池特性及常用充电方法进行了一些简单介绍。然后着重设计 一款智能锂电池充电器芯片。该芯片采用c c c v 模式对锂电池充电，并对充电过 程进行控制，具有多电源输入选择、充电电流控制、电池温度检测、充电时问保 护、充电状态显示等功能。最后给出了h s p i c e 仿真结果。 2 第二章锂电池特性及充电方法 第二章锂电池特性及充电方法 本文设计的是对镡电池充电的芯片，因此有必要对锂电池的结构和特性进行 一些了解。本章首先对锂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了屯池，可充电锂 电池又可以分为锂离子电池( l i i o n ) 和锂聚合物电池( l i p o l y m e r ) 。 2 11 锂离子电池 锂( l i ) 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口】。早期的锂电池直接在负极中使用金属锂，容易 在觅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，严秉时可造成电池短路甚至爆炸。 为了解决这一问题，人们丌发出了锂离子电池。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i 9 j 。 圈2 - 1 锂离子电池结构示意圈 第二章锂电池特性及充电方法 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电越来越强。目前锂电池充电主要有四种方法：恒流充 电、恒压充电、恒流恒压充电和脉冲充电。 1 恒流充电( c c ) 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， 在克电后期，若充电电流仍然不变，充电电流多用于电解质，产生大最气泡，这 不仅消耗电能，而且容易造成极板上活性物质脱落，影响锂电池的寿命。 图2 4 恒流充电法曲线 2 恒压充电法( c v ) 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 锂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。从图中刮以看 到，充电初期充电电流过大，这样对锂电池的寿命会造成很大影u 向。 图2 - 5 恒压充电法曲线 3 恒流恒压充电法( c c c v ) 在c c c v 充电器中，充电通过恒定电流开始。在恒流充电c c 周期l l ，为了防 第一章锂电池特性及充电方法 在以上四种充电方法中，锂电池充电仍以恒流叵压的方法为主。虽然恒流恒 压充电需要复杂得多的电路来实现，但由于其充电时间短，充r 乜效率高，因此在 锂离子电池充电中占主导地位。本文所设计的充电器i c 也将采用这种充电方法。 电子科技大学硕士学位论文 第三章锂电池充电器芯片的整体结构设计 3 1 锂电池充电器芯片的主要功能和特点 本文设训的是一款针对单节锂电池的充电器芯片。基于前一章所介绍的基本原 理，本文所设计的锂电池充电器芯片采用恒流恒压的充电方法。为了对电池进行 保护，我们将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。 图3 1 - 二阶段充电法曲线 恒流和恒压充电阶段可统称为快速充电。预充电和恒流充电都是恒定电流充 电，只是预充电充电电流较小，而恒流充电电流较大。在电池电压低于3 v 时，采 用预充电，它的目的是为了激活电池内部被过放电的单元；当电池电压上升到3 v 时，过度到恒流充电阶段，充电电流较大，加快充电速度：当电池电压达到4 2 v 时，电路切换为恒压充电模式，同时充电电流逐渐下降，在充电电流降到一定值 时结束充电。这种充电算法缩镉了充电时间、实现了总电荷量的最大化并可防止 电池遭受热和电损坏。 本芯片最主要的特点之一是兼容a c 适配器和u s b 端口对锂电池充电。现在 市面上的充电器一般只能通过a c 适配器对屯池充电，而近几年出现的u s b 端口 也町咀作为一种锂电池充电电源，随着u s b 端口的广泛应用，把它也设计成一种 充电电源类型，必将会大大提高充电器的使用范围。这样，用户既可以使用a c 适 配器对电池充电，也可以使用u s b 端口对电池充电。本芯片可吼自动选择a c 适 配器或u s b 端口作为供电电源，并保证a c 适配器的优先级选择。当电池电压高 1 0 电子科技大学硕士学位论文 陕速充电，同时开始快速充电计时，并显示正在进行快速充电。当电池电压达到 42 v 的电池设定电压时，会执行恒压充电，允电电流逐渐减小。当充电电流减小 到i 。r m ，值时，结束充电并显示充电完成。在预充电或快速充电过程r 1 ，如果定 时终止仍然没有结束某一充电过程，就进入充电错误状态，停止对电池充电并显 示充电错误。充电完成后，如果电池电压又降到4 1 v 以下，则会重新对电池充电。 存充电过程中，如果h 现电池电压v b a t 大于v c c 的情况，也将停止充电，芯片 进入睡眠模式， 表3 1 给出了芯片中各特性参数。 表3 一l 充电器i c 的设计参数 参数名称 m 矾t y pm a x单位 输入电压v c c ( a c 或u s b 输入) 4 56 5v 电池充电温度 04 5 过热保护温度 1 6 0 预充电到恒流充电的转换电压 3 v 电池设定电压 42v 欠压保护 2 5v 充电结束设置电压v 盯e r m l 0 0 1 6v ( v f 旺呻2 i 订h m ) r s e r ) 重新充电电压v r r h 。、 4 1v a c 充电电流1 0 1 1a u s b 充电电流i o n j s b 、 1 0 0 ，5 0 0n l a f 1 1 0 j 预充电充电电流l o 腓e c 眦 a i o 似。 快速充电定时时间k h 。) 3 6 0 0 f c m 职= 0 1 u f ) 预充电定时时间0 眦c h g 、1 8 t ( c h o ) 第= 藿掣矬型蛰盟霉笮晶糕 4 j j；- 4 ：；f j64 引扎驯i 0 碍 糟强蝉鲤憎 第三章锂电池充电器芯片的鞋体结构设计 模式充电；定时器模块主要对电池充电时间进行控制，起充电保护作用：逻辑控 制模块主要对各控制信号进行逻辑处理，实现充电过程的智能化管理。 该芯片各输入输出引脚如下： 1 ) a c ：a c 适配器电源输入引脚； 2 ) u s b ：u s b 端口电源输入引脚； 3 ) t s ：电池温度状态检测输入引脚： 4 ) t s e t ：定时器时间控制输入引脚，外接电容； 5 ) c b ：芯片使能输入引脚，低电平有效； 6 ) g n d ：地； 7 ) i s e t l ：a c 模式充电电流设置输入引脚，外接电阻： 8 ) i s e t 2 ：u s b 模式1 0 0 m 5 0 0 m a 充电电流选择输入引脚。为高选择5 0 0 m a ， 为低选择1 0 0 a ，悬空时不允许u s b 模式充电； 9 ) b a t ：电池输出引脚： 1 0 ) s t 1 ：充电状态输出引脚1 ； 1 1 ) s 吼：充电状态输出引脚2 ； 1 2 ) s 1 ：a 1 1 3 ：充电状态输出引脚3 ： 3 3 芯片引脚外部连接图 ll 毒厂 l 二唑i l c m m t 车 7 t 、p 且c x 。l 上一 _ l 1 i 争 i ； 工 t r 5 盯 二 图3 4 芯片引脚外部连接图 引脚a c 接a c 适配器，u s b 接u s b 端口。在引脚a c 和u s b 处都加了电 容，这样町以降低芯片内的电压基准噪声幅度，并避免芯片静电损坏：引脚b 灯 接电池，在b a t 端口加电容的目的是降低电池上纹波对充电判断的影响：引脚t s 连接电池r 的热敏电阻，检测电池温度；引脚t s e t 接定时设定电容c t i m e r ；引脚 电子科技大学硕士学位论文 i s 翻1 1 接充电电流设定电阻r s e t 引脚g n d 接地；其他的引脚：c e ，i se ，n ，s m 玎l s 1 1 a 1 1 2 ，s t a t 3 都与一个外部控制设备连接。 第册章电路设计 第四章电路设计 本文设计的锂电池充电器芯片的一大特点就是兼容a c 适配器和u s b 端口作 为供电电源，因此下面将对充电电源选择电路作详细介绍。另外，参考电流源、 参考电压源是系统不可获缺得电路，锂电池充电的基本电路预充电电路、快 速充电电路和电池充电的保护电路温度控制、时削控制电路，率文都作r 详 细介绍。 41 参考电流源 参考电流源，也称基准电流源，是给模拟电路提供稳定电流的模块。它提供 的电流数值比一般电流源的数值有更高的精度和稳定度。 现在广泛使用的结构是自偏置电流源结构。它是在电流镜式电流源的基础上 加入自偏置结构，以实现电路在电源电压和温度变化上的高度稳定性。 参考电流源结构虫图4 1 所示。 图4 - 1 参考屯流源电路 图中0 1 和q 2 的发射极面积之比为1 ：8 ，r hm p l 和m p 2 组成的电流镜保证 了电流1 1 和1 2 相等，则q 1 和q 2 集电极电流：- ，c ，反向饱和电流：= k 。 由于 电子科技大学硕士学位论文 1 = 2 + k ( 41 ) 将= 坞i n 等代入( 41 ) ，可得 ，s 仙鲁刊n 謦+ 譬 z ， 其中，：k t 为热电压，k 是b 。i t a m a n n 常数，q 是电荷量，凡是b i p o l a r 的电流增益a 把，。：；l 。，：= 8 ，代入( 4 2 ) ，化简可得，输出电流 吒= 惫半 。) 口j 以看出，输出电流与电源电压无关，其值由电阻r 决定。可根据输出电流 需要和电路功耗设定r 的大小。 在设计中r 采用p o l y 电阻，其温度系数较低。若忽略其温度系数，便得到 i o 的温度系数为 盟。坐o v a _ ：k i n 8 ( 盟一1 ) ( 4 - 4 ) o tro t r q卢f + 1 冈此i o 是温度系数为k o n s ) r q 的正温度系数电流，它随温度升高而增人。 对于图4 - 1 所示的自偏置电流源，它有两个工作平衡点，一个是零点，另一 个是非零点，即电路环路可以稳定在零电流值或者一个非零的电流值。为了使电 路正常工作时t 作平衡点是非零点，必须加启动电路为电路注入电流。完整的自 偏置电流源电路如图4 - 2 所示。 图42 完整的参考电流源电路 蔓些童皇整堡盐 型中m p 3 、m p 4 和m p 5 构成自启动电路。当刚加电源电压v d d a 时，通过 m p 4 向q l 注入电流，使电路进入非零平衡工作点。这时m p 3 导通，使m p 4 栅极 电压逐渐升高并关断，丌启电路就停止工作。输出端v b i a s 对其他电路提供基准 电流偏置电压。 此参考电流源的启动特性曲线如图4 3 所示，参考电流源的温度特性曲线如图 4 4 所示。 t i ”( 女) 剧43 参考电流源的启动特性曲线 4 2 参考电压源 国4 4 参考电流源随温瘦变化的戈系 在芯片内部需要高质量的内部稳压源，以提供稳定的偏置电压或作为电压比 较的基准。一般要求电压源的直流输出电平稳定，而且这个直流电平应该对电源 电压和工作温度的变化不敏感。基准电压的_ t 作原理很多，但是目前最成功最通 用的电压基准是能隙基准电压源电路，它有温度漂移系数小、电源抑制比高的特 点。所以，本设计也采用能隙基准电压源结构，以该基准电压源的输出作为芯片 第四章电路设计 图中q 1 和0 2 的基区一发射区电压差产生正温度系数的电压，q 3 、q 4 的基区 一发射区电压是负温度系数的电压，输出v r e f 就是利用这两个正温度系数电压和负 温度系数电压相加所产生的基准电眶。 虚框中为两级运算放人器电路。第级放大电路中采用三极管0 1 、0 2 作为 输入对管，以减小运放输入失漏电压，m n 5 做电流源，电流镜m p l 和m p 2 做负 载，有效地保证了流过0 1 和0 2 的电流相等，即i c d l = i c 0 2 。这里，q 1 的发射极面 积是0 2 的8 倍，故q 1 、q 2 的反向饱和电流有i s o l = 8 i s q 2 的关系。第一级为共源 放大电路，m p 3 做放人管，q 5 、q 6 为负载。运放直接采用基准电压v r e f 作为它 的电源电压，减小了运放的电源噪声，提高了运放的性能。 电阻r 2 上的电压可以表示为 k ：= ：一屹。 = e 2 一l = l f l 一l 【1 争 ( 4 5 ) s 2j r s i ：k i n 烨) 1 c 1 1 5 2 = 略i n 8 斟此流过r 2 的电流为 r：鱼：vrln8(4-6i 、r2 一r 2 一r 2 基准电压v r e f 可以表示为 e r = p 南+ p 盔4 + k r l 枷2 删】 = 3 + 4 + ( r 1 + r 2 + r 3 ) i r 2 ( 4 7 ) = + 学v , r h 8 式( 4 7 ) 两边对温度求导，得 监卫：20 v a s + r i + r 2 + r 3 1 n 8 o v r ( 4 8 ) a 2 。d 1 2d y 其中v r 为正温度系数，v b t 为负温度系数。在室温下等。o 0 8 7 m y 。k ， ! 筝。一1 5 m y 。k 。要使v r e f 在室温下为零温度系数，可令芝乎：0 ，则 a r a 2 皇王型垫查堂堡主兰堡堡塞 r i + ，r 2 + 。r 3 。：2 2 1 1 ( 4 - 9 ) 月2 因此，只要满足式( 4 9 ) 中r 1 r 3 的比例关系，就可以保证v r e f 在室温f 为零温度系数了。 在得到基准电压v r e f 后，通过电阻r 4 r 8 分压就可以得到其他所需的基准电 压值v r l v r e v 4 。 此电路还有欠压保护功能。欠压保护输出信号u v l o 是运放第一级输出信弓 绎过两级放大得到的。正常工作时，输出信号u v l o 为低电半；在v d d a 低于2 5 v 时，放大器不工作，u v i o 变为高电平，提示后续电路电源电压过低，这时芯片 不工作，并停止充电。 另外，电路中的电容c 1 为放大器的补偿电容，c 2 对基准电压起稳定和滤波 的作用。图中的输入端e n 来自仝电路使能信号c e ，v b i a s 来自参考电流源电路。 基准电压源电路仿真结果如下，其值约为2 5 v 。图4 7 是当电源电压为5 5 v 时，基准电压v r e f 随温度变化的曲线图，图4 - 8 是v 。，的启动曲线图，图4 - 9 是 v r e f 随电源电压变化的曲线图。从仿真结果可以看出，此基准电压的温度特性在 8 7 p p m 左右，完全满足电路的需要。 图4 7v r e f 的温度曲线 图4 - 8 v n z r 的启动特性曲线 2 2 第四章电路设计 图4 9v r e f 随v d d a 变化曲线 根据电路需要，设计得到的v r e f l v r e h 值仿真结果如图4 1 0 所而 v r e n = 1 0 v ，v r e f 2 = o 5 v ，v r e f 3 = 0 2 5 v ，v 唧= 0 0 1 6 v 。 r 1 1 1 “一1 1 1 1 1 7 7 7 7 r 7 7 7 7 1 7 1 1 1 1 1 1 1 1 7 7 r 7 7 7 7 7 1 7 1 1 1 1 1 1 1 1 7 7 r 7 7 7 1 1 1 1 1 1 0i 0 “2 0 “ 3 t 1 m e ( s ) 4 0 4 5 0 u6 0 “t 0 “ 图4 1 0v r e f l v r 删的启动过程仿真结果 欠压保护功能仿真结果如图4 1 1 所示。 v v l 0 ( v ) 1 43 电压选择电路 l2 v d d c v ) 34 v d d c v ) 图4 1 1u v l o 随v d d a 的变化关系 43 1 输入电源电压选择电路 电子科技大学硕士学位论文 本文设计的智能充电器芯片把a c 适配器和u s b 端几作为输入电压源。若芯 片接a c 适配器，则芯片把a c 适配器上的电压作为内部电路的电源电压和锂电池 充电电源；若芯片接u s b 端口，则芯片把u s b 端口的电压作为内部电路的电源电 压和锂电池充电电源；若芯片同时接了a c 适配器和u s b 端 j ，则芯片会优先把 a c 适配器上的电压作为内部电路的电源电压和锂电池充电电源。本电路完成的就 是a c 适配器和u s b 端口的输入电源选择功能，此外术电路还有睡眠模式控制的 功能。输入电源选择电路如图41 2 和图4 一1 3 所示。 图4 1 2 输入电源与电池电压比较电路及其符号 a c日rtus 日 图4 1 3 输入电源选择电路 图4 1 2 是输入电源a c 或u s b 与电池电压的比较电路。v n 输入a c 或u s b ， b a t 为电池电压，t a s 来自参考电流源。m p l 和m p 2 组成的电流镜构成比较 电路，它们的源极分别接电池电压b a t 和v n 。当v 大于b a t 时，m p 2 导通； 当v i n 小于b a t 时，m p 2 会因栅极电压过高而关断。在v i n 存在并且电压人于 第四章电路设计 b a t 时，m n 5 、m n 6 的栅极都为高电平，这时o u t 输出低电平；在 v - i n 不存在 或者v 1 n 电压小于b a t 时，m n 5 、m n 6 中必有一个管子不导通，这时o u t 输出 高电可王。 图4 1 3 是完整的电源选择电路，其中就包含了图4 1 2 中的电路。此电路可以 得到芯片中电路所需的电源电压v d d a 和v d d d 。v d d a 用于模拟电路，v d d d 用丁数宁电路。这样把芯片中电路的电源分开，有利于电路控制，也是节省能耗 的需要。 v d d d 可以通过二极管q i 、q 2 与电源a c 、u s b 直接连接得到，此外还通过 q 3 连接到了电池电压b a t ，v d d d 的值比a c 、u s b 和b a t 中较高的电压小一 个v b e 一0 7 v 。充电时，即使没有输入电源a c 和u s b ，由rv d d d 和b a t 干h 连， 数字甩路也仍然会工作，维持了对充电过挫的控制作用。v d d d 比输入电源低0 7 v 的电压，不会影响电路的功能，反而可以起到降低能耗的作用。 v d d a 的产生过程要复杂一些。a c 与b a t 比较后输出接信号a c d e t e c t ， u s b 与b a t 比较后输出接信号u s b d e t e c t 。a c d e t e c t 和u s b d e t e c t 为图 中r s 触发器的输入端，反相器i n v l 决定了信号a c d e t e c t 的优先级，即只要 a c d e t e c t 为低，则无论u s b d e t e c t 是何种状态，r s 触发器的输出都是使m p l 和m p 2 导通、m p 3 和m p 4 截止，v d d a 输入a c 的电压；如果a c d e t e c t 为高、 u s b d e t e c t 为低，则m p l 和m p 2 截止、m p 3 和m p 4 导通，v d d a 输入u s b 的电压；如果a c d e t e c w 和u s b d e t e c t 都为高，则m p l 一m p 4 都截止，v d d a 不接输入电压，这时芯片中的模拟电路不工作。m p 2 和m p 4 的衬底接在漏极是为 了防止当v d d a 电压高于a c 或者u s b 时，在i v i p 2 或m p 4 关断的情况下产生正 向的p n 结导通。 从上面的分析可以看到，在b a t 高于a c 和u s b 的电压时，v d d a 没有接输 入电压，整个模拟电路都牧有工作。这时芯片就进入了睡眠模式，芯片的功耗会 相当的低。 本电路的仿真结果如图4 1 4 所示。 电子科技路设让爵妻娄舅蠹 一 、一= ；，。一。一i | i 日i j 。 i 妊嚣嚣车鬻嚏各棼盟 4 z 鼍嚏需芏l 毒誓立皿出幽 茅葫筻尊竖? 臀耍兰i 三坠蠹犁落 ；b ；萋委鼯菁藤藩辇鞴裂黄孕谁戮篓弦； 塞萝雕塑啡糖基型孺毽粤型萎蛙黎悍黉蘑岜妻蓑嚣察；掣纛鐾爨罄酿篓暂囊( a c u s b ；鼎羹爵蓬糊；擎备螽薛置鬻攀毫南爵萄瑚囊墓葺蠢流熹苦海 ：罄快速充电电流，其大小由芯片外置的电阻设定，最高可达1 0 0 m a 。 预充电电路原理图如图42 0 所示。 ”，“节”；8 广i f1 。2 皤n 。1。 3 再3 1 f 划 图4 2 0 预充电电路原理图 预充电电路主要由电压调节器和电流镜电路组成。电压调节器由运算放大器、 器、 |一；l 电子科技大学硕士学位论文 ( 砷 嘞 ( c ) 图4 1 8a c b a t 信号关断功率管的控制图 图4 。1 8 ( a ) 中m p l 是功率管，m p 2 是m p l 的控制管。v b 是m p l 的栅极偏 置电压，e n 是控制信号。在e n 输入低电平，使m p 2 导通时，v b 端会被关断， 这时m p l 的栅极电压只由a c b a t 信号决定。 m p l 的衬底和m p 2 的源极、衬底都接a c b a t 信号。当要m p l 关断时，e n 输入低电平。如果这时b a t 端电压高于a c 电压，则m p l 的连接关系如图4 1 8 ( b ) 所示；如果这时a c 电压高于b a t 端电压，则m p l 的连接关系如图4 1 8 ( c ) 所示。这个电路会用在颈充电和快速充电电路中。 4 3 3 电压转换器 芯片中存在数字电路的电源电压v d d d 和模拟电路的电源电压v d d a 两种 电源，此外，功率开关管关断时使用了a c b a t 或u s b b a t 电压。使用不同电源