（微电子学与固体电子学专业论文）锂离子电池充电器设计.pdf

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 2v 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 6 u m b i - c m o s 混合信号模型。通过对各模块和整体电路的 功能进行h s p i c e 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 a b s t r a c t a b s t r a c t b e c a u s eo ft h e i rw e i g h t ，s i z e , u s e f u ll i f ea n dh i g h e ra v a i l a b l ee n e r g yd e n s i t i e s ， l i t h i u m - i o nb a 位e d e sh a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l yp o p u l a rf o ru s ei np o r t a b l ed e c t r o n i c d e v i c e s t h en u m e r o u sa d v a n t a g e si ta r eo f f s e tb yt h ea d d i t i o n a lc a r ea n dd i h g e n c e r e q u i r e dt oe n s u r el i t h i u m - i o nc h a r g i n gs y s t e ma c c u r a c ya n ds a f e t y i nt h i st h e s i s ，t h ed e s i g no fac h a i g e rf o rt h es i n g l ec e l ll i t h i u m - i o nb a r e r yi s p r e s e n t e d w h e nt h eu n d e rv o l t a g el o c k o u tc o n d i t i o n sa r es a t i s f i e d ，t h et r i c k l e - c u r r e n t c h a r g i n gi na d v a n c ei su s e dt op r o t e c tl o w - v o l t a g eb a t t e r i e s t h ec h a r g ea l g o r i t h mi s c o n s t a n t - c u r r e n ta n dc o n s t a n b v o l t a g ec h a n g i n gm o d ea st h eb a r e r yv o l t a g er e a c h e sa s a f el e v e l m i n i m u m - c u r r e n tc o n s t a n t v o l t a g et e r m i n a t i n gi su s e dt oc o n t r o lc h a r g e p r e c i s i o n u n d e rv o l t a g el o c k o u tc i r c u i t s ，c h a r g i n gt e r m i n a t e dc i r c u i ta n dr e c h a r g i n g c i r c u i ta r ed e s i g n e dt om a k es u r eas a f ec h a r g i n gp r o c e s s 0 6 u r nb i - c m o sm i x s i g n a lm o d e la n dh s p i c et o o la r eu s e df o rs i m u l a t i o n t h e s i m u l a t i o ns h o w st h a tt h ed e s i g nm e e tt h er e q u i r e m e n t sa n dw o r kw e l l 。 k e y w o r d s ：l i t h i u m - i o nb a t t e r yc o n s t a n t - c u r r e n tc o n s t a n t - v o l t a g et h e r m a l t e r m i n a t i n gb a n d g a pr e f e r e n c e 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) 本人签名：丝毒蔓辱 别币獬：妻峪 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( n i c d ) 电池、镍氢( n i m h ) 电池、锂离子( l i i o n ) 及锂聚合物( l i p o l y m e r ) 电池。相比其它电池，锂离子 电池有其独有的优势h 1 ： 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3 0 ，重量可降低5 0 。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 6 v ，是单节镍镉、镍氢电池的3 倍，充足电时电压可达到4 2 v 。单体电池可为3 v 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1 2 0 0 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lc 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( m a ) e g 池容量( m a h ) 若电池的容量为5 0 0m a h ，c = 1 ，则充电电流为5 0 0m a 。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3 0 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1c 、2c 充电率，一般最大充电率可达4c 。 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，可在一2 0n + 6 0 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1 5 3 5 ) 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l e d 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u s b 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 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 5 一 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( l i - 1 0 n ) 和锂聚合物电池( l i p o l y m e r ) 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 负极 锂金属氧化物电荷 活性炭 氧离子 z 充电v 毒金属哥予丐- o 甑子鸟 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( l i m 0 2 ) 构成， 主要的化学反应如下： 负极反应：l i + + e 一十6 c l i c 6 正极反应：l i m 0 2 铮l i h m 0 2 + x l i + + x e 一 总反应式：l i m 0 2 + 6 x c l i t _ , , m 0 2 + 刎c 6 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( l i c o o ，) 、 锂镍氧化物( l i n i o ：) ，锂锰氧化物( l i m n ：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l i c l 0 。，l i a s f 6 ，l i p f 6 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 1 v 时锂电池容 第二章锂离子电池特性和充电方法 7 量接近1 0 0 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 2 v 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 2 v 。 ，三 ，二一 - i - ：一 。：一一 ；，一，f 7 j ，| | ，一| | z 一 - | ， 7， f ， i ， ， s t “o fc h 缸弘薯 图2 2 电池电压与电池容量的关系 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2 c ( c 为电池的容量) ，但常用的充电率为0 5 1 c 。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 3 c 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。 _ = _ ； 文 & 童 t - ； & 乏 乏 乏 _一曙【u 妊题髀骧埘坂 锂离子电池充电器设计与研究 在造成过放电( 低于3 o v ) 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i l j 3 o v 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 6 0 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( c o ) 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( 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 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。 图2 5 电池恒压方式充电曲线 3 恒压限流充电 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( 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c c 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8 5 的容量。在c v 充电周期中，电池电压恒定， 1 0 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 i o c 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) 。 图2 8 电池分级定电流充电曲线 6 脉冲充电方法 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v c v 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t c 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v c v ；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n v c v 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n v c v 的时间达到某个预设的值t o 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 1 0 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 1 0 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c c c v 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 1 0 ，当单节锂离子电池电压低 于2 9 v 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 9 v 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 2 v 时，电路切换为恒压充电模式，同时充电电流逐 渐下降，在充电电流下降到一定值( 1 i o c ) 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c t i m e r 设定定时时间。 1 4 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 1 0 ) 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u s b 端口直接供电的独立线性锂离子电池充电器。该i c 包括一个片上功率m o s f e t 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u s b 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n t c 温度检测，c 1 0 检测电路，a c 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u s b 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m o s f e t ，检测电阻器或阻塞二极管 5 可设置充电终止定时器 6 c 1 0 充电电流检测输出 7 a c 适配器接入的逻辑输出 8 停机模式下的供电电流为2 1 u a 9 自动再充电 1 0 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 v c c ：电源电压输入引脚。 一 2 p r o g ：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 f a u l t ：充电出错输出引脚，当充电出现错误时，该端口由一n m o s 接地。 4 t i m e r ：定时器控制引脚。定时器周期是通过布设一个接地电容器c 1 1 眦r 来设定的。 锂离子电池充电器设计与研究 5 c h r g ：充电状态输出引脚。电池正在充电时，该端口由一n m o s 接地。 6 b a t ：电池连接引脚。 7 n t c 电池温度状态检测输入引脚。当该引脚接地时可使n t c 功能失效。 8 s h d n ：停机输入引脚，将s h d n 引脚拉至地电位将使芯片置于停机模式。 9 a c p r ：电源状态输出引脚。当v c c 高于欠压锁定门限并至少比v b a t 高3 5 m y 时，该引脚将被拉至地电位。否则该引脚呈高阻抗状态。 1 0 g n d ：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 电终止的可设置定时器。充电电流最高可设定在1 2 5 a 。无需阻塞二极管或检测电 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 状态输出始终提供与芯片的状态有关的信息。一个n t c 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( u v l o ) 电路对输入电源电压v c c 进行监控，并在v c c 升至 欠压锁定门限v u v ( 本充电器设定其典型值为4 1 v ) 以上前使充电器保持在停机 模式。u v l o 电路一个内置1 5 0 m v 电压迟滞。另外，为防止功率p m o s 管m 1 中 的反向流动，当v c c 降到比电池电压高出的幅度不到3 5 m v 时，u v l o 电路将使 充电器保持在停机模式。在v c c 升至比电池电压高7 0 m v 之前，u v l o 比较器将 不会发生跳变，则充电器也不会退出停机模式。v c c 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p r o g 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s h d n 引脚电平被拉至停机门限以上时，充电循环开始。 s l e e p _ m o d e 模块输出的s l e e p 信号( a - - a 1 5 ) 由低变高。b i a s _ p ( d _ d 3 ) 正常工作。 这样芯片的基准模块b g r 也正常启动了。计数器模块c o u n t e r 的p o r ( c - a 8 ) 信 号在s u pd i g ，s w b ( aa 1 1 ) 信号的共同作用下，产生了一个s t a r tu p 的脉冲。p o r 信 号使o s c ，c o u n t e r 模块开始工作，即一个充电循环开始。充电模式选择比较 器c 3 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 4 8 v ，比 第三章锂离子电池充电器系统分析 较器c 3 输出为低电平，选择1 5 0 m v 作为c a 的基准电压( 负相输入端) 。此时 c a 放大器的正端p r o g 引脚电位为0 v ，因此c a 放大器的输出电流很小。通过 功率p m o s 管m 1 栅上的恒流源i l 放电，m 1 的栅压由高电平开始下降，m 1 中开 始有电流流过，对电池充电。 流过p r o g 引脚的电流设定为流过b a t 引脚电流的千分之一。当m 1 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p m o s 管m 2 流过p r o g 引脚，p r o g 引脚电位v p r o g 逐渐升高。由于v p r o o 升高，c a 输出端的电流也会 逐渐增大，m 1 的电位v m l 的下降速度变小。当v 隙o g 升高到1 5 0 m v 时，c a 输 出电流等于1 1 的电流大小，v m l 保持稳定。此时流过p r o ( 引脚的电流稳定为恒 流充电设定值的1 1 0 。在涓流模式下，c a 通过反馈稳定v p e o o 。 在涓流模式中，充电器向电池提供1 1 0 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b a t 引脚的 电压升至2 4 8 v 以上，比较器c 3 输出为高，选择1 5 v 作为c a 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b a t 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 2 v ) 时，充电器进入恒压充电模 式。此时电压放大器v a 输出的电流与涓i j f c 恒流模式时输出的电流值相比不可忽 略，对v m l 起到主要作用。v m l 在v a 的影响下升高，流过m 1 的电流逐渐减小， 继续对电池充电直至最终浮充电压4 2 v 。当电流减小到低于设定值的1 1 0 ，即 v m o c 降至o 1 5 v 以下时，终止比较器c 2 输出变为低电平，关断1 1 ，此时v m l 变 为高电平，m 1 关断，系统进入待机模式。b a t 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1 0 时，比较器c 2 将锁断c h r g 引脚上 m o s f e t 并把一个弱电流源( 3 0 u ) 连接至地。以指示一个接近充电结束( c 1 0 ) 的状态。可通过将s h d n 引脚短暂接地或短暂取消后再施加v c c 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r p r o g ， 从而使p r o g 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。 。 t i m e r 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， 充电循环终止且c h r g 引脚呈现高阻状态。为使充电循环重新开始，可在取消再 施加输入电压或短暂地强制删引脚电平为0 。如果b a t 引脚电压降至再充电 门限以下，则再充电比较器被触发，p o r 信号给重新产生，c o u n t e r 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5 5 度，芯片中一个内部热反馈环 路t a 便优先开始工作，c a 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 1 0 终止失效，系统不会在电流减小到设定值的1 1 0 时进入待机状态。当芯 片温度过高时，温度放大器的输出使v m l 升高，流过功率p m o s 管m 1 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( c h r g ) 。 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v c c 满足u v l o 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l b a t 降至5 u a 以下。这极大地减小了电池上的漏电流延长了待机时间。使s h d n 引脚电平为0 v 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 4 1 1 基准电压源特点 第四章芯片具体电路实现 4 1 带隙基准电压源模块 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i c 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p p m 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 1 0 h z ) 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 dn m o s 基准电 压源，x p e t 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 7 0 年代初，维德拉( w i d l a r ) 首先提出能带间隙基准电压源的概念，简称带 隙( b a n d g a p ) 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( ok ) 锂离子电池充电器设计与研究 时的带隙电压，其数值约1 0 2 5v ，用符号v g o 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b e 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。 t 1 v 哪 图4 1 带隙基准电压源简化示意图 t 1 、t 2 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t 1 、t 2 的共发射极电流放大系数h f e 很高，且忽略基极电流，则i e = i c 。由 图4 1 得到基准电压的表达式： = 3 + 2 + i c 2 r 2 ( 4 - 1 ) 下面首先推导i c 2 的表达式。根据半导体理论，对t 1 、他分别写出 q v b e i ，e l2isle灯=，cl(4-2) ，2 = ，s 2 e 盯= j c 2 ( 4 3 ) 其中：i s l 、i s 2 _ 分别为t 1 、t 2 的反向饱和电流，因两只管子完全相同，故i s l = i s 2 ； ( k 一波尔兹曼常数，k = 8 6 3x1 0 5e v 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 l n 粤= 旦a v , e (“)k l ，t 因= 豇一e 2 = i e 2 恐= i c 2 r 3 ，所以 从中解出 1 n 每i k t t ：尺， c 2 ，上j 耻击争鲁 ( 4 5 ) ( 4 6 ) 第四章芯片具体电路实现 2 1 将式4 - 6 代入式4 - 1 中，司得 = + 惫等m 鲁 由于r 1 、r 2 上的压降相等，根据欧姆定律有关系式i c l i c 2 = r 2 r 1 ，于是 = + 惫等h 鲁 c 4 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r 2 r 1 、r 2 r 3 有关，其余量均为常数，故v l 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v b e 来代替v b m ： o v ：r e p ：孽+ r 2k t l n e 2 ( 4 - 9 ) a ra r 最q蜀 式4 - 9 中，右边第一项为负数( a o t = 静l 艮 一 、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b g r 电路在s l e e pm o d e 关闭后才启动，为芯片提供2 4 8 5 v ，1 5 v ， 1 5 0 m v 的基准电压。还为t a 单元提供p t a t 电流源，进行对温度的监控。 b g r 电路的工作原理如图4 3 所示，其中 ( q s 7 r 8