（电路与系统专业论文）具有USB电源管理器的锂离子电池充电器[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 随着电子技术的高速发展，便携式设备不断涌现，u s b 接口也得到了极大的 普及。在使用u s b 进行设备之间数据传输的同时，对便携式设备所用的锂离子电 池进行充电，是目前u s b 接口应用的一个热点。本论文紧密结合市场动向，以参 加的科研项目“电源管理类集成电路关键技术理论研究与设计”为背景，设计了一款 具有u s b 电源管理器的锂离子电池充电控制芯片x d 6 9 0 3 。 本文详细地介绍了u s b 充电器x d 6 9 0 3 的系统设计方案、关键功能模块电路 的设计，以及各项功能和性能指标的仿真验证。设计中采用了电源选择切换电路， 使得芯片可采用a c 适配器或u s b 供电，同时设置u s b 电源管理器，实现u s b 输出电流5 0 0 m a 或1 0 0 m a 的精确限制；设计带修调的高精度带隙电压基准，满 足锂离子电池对充电电压的严格要求；芯片采用可编程的充电电流和充电时间设 计，使得芯片应用更加灵活；在涓流、恒流、恒压充电模式的基础上增加恒温充 电模式，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。 最后，利用c a d e n c e 仿真平台，采用t s m c0 6 u mc m o s 工艺，对芯片在不 同模型、电压、温度组合下进行了前仿真验证，使最终结果得到优化。仿真结果 表明设计的芯片性能良好，满足预定的指标要求。 关键词：c m o su s b 充电器锂电池可编程 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dg r o w t ho fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , t h ep o r t a b l ee l e c t r o n i cd e v i c e s e x p a n dv e r ys p e e d i l y , s od o e st h eu s bp o r t t h ep o p u l a r i t yo fu s bm a k e si t a l l a t t r a c t i v ec h o i c ef o rc h a r g i n gt h el i i o nb a t t e r yo ft h e p o r t a b l e d e v i c e sw h i l e t r a n s f e r r i n gd a t ab e t w e e nd e v i c e s a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t s ，al i i o nb a a e r y c h a r g e rw i t hu s bp o w e rm a n a g e rw h i c hn a m e dx d 6 9 0 3i sd e s i g n e di nt h i sp a p e ro n t h eb a s i so ft h ep r o j e c t “t h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n dd e s i g no fk e yt e c h n i q u ef o rp o w e r m a n a g e m e n ti c t h ed e t a i l e ds y s t e md e s i g na n dt h ec i r c u i td e s i g n so ft h ek e ys u b - b l o c k so f x d 6 9 0 3a r eg i v e n a n dt h es i m u l a t i o no fa l lf u n c t i o na n de l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c s a r ep r e s e n t e d ap o w e rs u p p l ys e l e c t i n gc i r c u i tp r o v i d e sas m a l l ，s i m p l es o l u t i o nf o r o b t a i n i n gp o w e rf r o mt w od i f f e r e n tp o w e rs o u r c e s au s bp o r ta n daw a l la d a p t e r t h e u s bp o w e rc o n t r o l l e ra c c u r a t e l yl i m i t su s bc u r r e n tt o5 0 0 m ao r1 0 0 m a a h i 曲- a c c u r a c yb a n d g a pv o l t a g er e f e r e n c ec i r c u i tu s i n gt r i m m i n gm e e t st h ec r i t i c a l v o l t a g er e q u i r e m e n to fl i i o nb a t t e r i e s t h ep r o g r a m m a b l ec h a r g ec u r r e n ta n dc h a r g e t i m em a k et h ea p p l i c a t i o no ft h i sc h i pm o r ef a c i l i t y b ya d d i n gt h ec o n s t a n tt e m p e r a t u r e c h a r g ec o n t r o lb a s e do nt h et r i c k l e c h a r g ec o n t r o l ，c o n s t a n tc u r r e n tc h a r g ec o n t r o la n d c o n s t a n tv o l t a g ec h a r g ec o n t r o l ，t h ec h a r g ec u r r e n tw i l lb er e d u c e db yt h ei n t e r n a l t h e r m a ll i m i ti ft h ed i et e m p e r a t u r ea t t e m p t st or i s e w i t ho t h e rc o n t r o la n dp r o t e c t c i r c u i t s ，t h ei n t e l l e c t u a l i z e dc h a r g ec o n t r o lc o m e s t r u e f i n a l l y , t h es i m u l a t i o nh a sc o m p l e t e db yu s i n gt h ec a d e n c es o f t w a r ew i t ht h e t s m c0 & l mc m o s p r o c e s s m a n yk i n d so fs i m u l a t i o na r ef i n i s h e db a s e do nv a r i o u s s p i c em o d e l s ，o p e r a t i n g - t e m p e r a t u r ea n ds u p p l y v o l t a g e ，w i t ht h er e s u l t so ft h ec i r c u i t o p t i m i z e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c ei na p p l i c a t i o ni se x c e l l e n t a n dc a nm e e tt h ep r o s p e c t i v es p e c i f i c a t i o n s k e y w o r d ：c m o s u s bc h a r g e rl i - i o nb a t t e r y p r o g r a m m a b l e 声明 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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中所罗列的内容以外，论文中不 包括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做了明确的说明并表示了谢意。 本人签名： 篮室日期：型z ! ! ! g 关于论文使用授权的说明 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于西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或者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。 本人签名：焦之日期：丝2 ：! ：! 耋 导师签名：衅 日期：至亟! ! ：! 第一章绪论 第一章绪论 本章简单概述了充电管理i c 的现状和发展趋势，并对本论文的项目来源和论 文的主要工作以及论文章节安排进行简要介绍。 1 1 论文研究背景 随着科技的进步，笔记本电脑、微型计算机、数字照相机、移动电话以及各 种便携式产品的迅猛发展，电子设备正向小型化、轻量化发展【1 】，这对电源产业 提出了更高的要求。低成本、高能量密度、高电压、轻型化、使用温度宽、循环 寿命长、安全性好的全新的绿色电池，特别是可充电二次电池【2 】备受人们关注。 最近几年，电池技术的革新主要体现在锂电池技术上，锂离子电池1 1 】由于具 有能量密度高、电压高、重量轻、稳定的放电特性、优良的循环寿命特性、无记 忆效应和无环境污染等优点，受到越来越多的重视，已逐渐取代镍镉电池、镍氢 电池。锂电池的容量比目前大批量生产的任何可充电电池( 如n i c dn i m h ) 的容 量都大，虽然以体积作为度量尺度时，锂电池的容量比同样体积大小的n i m h 电 池容量仅大1 0 3 0 ；但当以单位重量计算储能多少时，就会体现出锂电池的巨 大优势，同等质量的容量相比，锂电池的容量接近n i m h 电池的两倍。 但是，锂离子电池也有其不足或局限，如对过充电和过放电十分敏感，在任 何情况下，这两个特性都不能超过锂离子电池的额定参数。为了最大限度的给电 池储能就必须将电池充电至其最大电压，但是过压充电可能对锂电池造成永久性 损坏；同样也不能过放电，放电到一个太低的电压可能降低锂离子电池的容量及 其寿命，甚至会造成永久性损坏；在过低或过高的温度下充电，或不能正确地终 止充电过程，也会对锂离予电池造成危害。为了确保锂离子电池安全充电、延长 电池的使用寿命，我们需要研究适应锂离子电池的充电控制技术，设计高智能型 的充电管理芯片1 3 1 ，提高锂离子电池容量的利用率，在所有充电控制方式中增长最 快的是通过u s b 给设备充电。 u s b ( 通用串行总线) 4 1 1 5 j 1 6 l 的普及使其成为在各类便携式设备中进行数据传 输的一种颇吸引的选择。因此，利用u s b 端口来为便携式设备供电并同时对其电 池进行充电是非常令人向往的，但实现起来却未必简单。随着数码相机、手持式 电脑以及m p 3 播放机等便携式设备性能的提高，其操作所需的功率也在增加。即 使不考虑其电池快速充电所需的功率，许多全功能便携式设备的峰值功率需求单 靠一个u s b 端口( 其最大功率输送能力为2 5 w ) 几乎也是难以满足的。 对于更加复杂的情形而言，u s b 端口并不是理想的电源。虽然每部设备最高 能够吸收5 0 0 m a 的电流( 在高功率模式中) ，但提供至便携式设备的电压却可能 2 具有u s b 电源管理器的锂离子电池充电器 发生显著的变化。尽管一个u s b 电源具有5 v 的标称额定电压，但如果把正常的 电源电压偏差、电缆损耗和瞬变条件考虑进去，则到达便携式设备的u s b 电压通 常要低得多( 往往降至仅有4 v ) 。由于u s b 端口具有5 0 0 m a 的严格电流限值，这 就意味着可提供给便携式设备的功率可能会低至2 w 。当试图完成单节锂离子电池 的满充电( 其最终充电电压为4 2 v ) 时，u s b 电压的下降也会带来问题，因为此 时u s b 电压本身或许已经低于或接近4 2 v 。 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，结合当今便携式设备流行的u s b 接口，设计了一款具有u s b 电源管理器的锂离子电池充电控制芯片，实现了通过 u s b 接口给设备安全充电的功能。该芯片具有锂离子电池充电器的完整功能，并 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，同时最 大充电电流受u s b 接口的严格限制。本论文设计成果对其它同类芯片的设计也大 有帮助。 本论文主要完成的工作为：首先，理解锂离子电池的工作原理及其充放电特 性、充电过程与充电方法及快充电终止控制方法等原理，并根据国内外同类芯片 的发展，确定了该充电管理芯片的功能和电特性指标。其次，采用的是全定制的 i c 设计过程，包括了芯片的理论研究与结构设计，功能分块，利用c a d e n c e 软件 平台进行了各个功能块的功能仿真验证，芯片整体电路的功能仿真验证，考虑工 艺漂移的性能调试。目前芯片已经通过仿真验证，实现了通过a c 适配器或u s b 接口给锂离子电池的充电控制。 本论文将重点讨论具有u s b 电源管理器的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。论文共分为五章： 第一章：主要介绍论文的背景、来源，国内外的发展，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 程与充电方法，快充电终止控制方法等相关知识；第三章：主要介绍芯片的系统 指标和功能特性，以及芯片的结构框架即实现方案；第四章：主要介绍芯片的几 个关键模块设计与仿真验证，对这些电路进行了详细推导与阐述，并给出了仿真 波形和仿真数据；第五章：主要介绍芯片的应用及整体功能仿真验证，包括基于 锂离子电池的整体电路功能仿真验证。 第二章锂离子电池原理及其充电控制 3 第二章锂离子电池原理及其充电控制 为设计品质优良、性能可靠的充电控制芯片，首先要清楚电池的特性与要求。 目前市场上的可再充电电池主要有三种，即镍镉、镍氢和锂离子电池。本章重点 介绍锂离子电池的工作原理、充放电特性、充电过程及充电方法、以及快速终止 控制方法等相关知识。 2 1 锂离子电池概述 当今的便携式应用对电池方面有很多特定的要求：电池必须具有高能量密度 来提供无限的电源( 瞬时的和持续的) ；电池必须重量轻且体积小；电池必须在使 用时保证安全，甚至在可能的误用情况下，还要有无限的保存寿命；另外电池的 成本必须尽可能降低。虽然锂离子电池在电池技术发展史上只有很短的历史，但 是由于锂离子电池能满足这些需求中的大部分，它们已经成为当前便携式应用的 首选电池，占领了可充电电池领域的领先地位。 锂离子电池【4 7 】在充放电过程中，锂永远以离子的形态出现。电池的阳极采用能 吸藏锂离子的碳电极( 锂碳化合物) ，阴极材料则为锂钴氧化物、锂锰氧化物、锂 镍氧化物等，电解质也有许多种可能：l i p f 6 、l i c l 0 4 、l i b f 4 等。放电时，锂变成 离子，脱离电池阳极，到达电池阴极。锂离子在阳极与阴极之间移动，电极本身 并不发生变化。锂离子电池具有相当商的能量密度及更高的电池电压( 带碳阳极 的电池为4 1 v ，带石墨阳极的电池为4 2 v ) 。锂离子电池以棱柱形式提供，还具 有更长的充电保持时间或保存寿命，再加上长循环寿命与无记忆效应等特性，使 得锂离子再充电电池的使用日益上升。但是，为了有效地利用这种电池的容量和 相当长的电池寿命，需要极其严格地控制充电参数。电池寿命的关键是选择合适 的电流、电压和温度等充电参数。在充电期间所施加电压的精度对于电池的效率 和寿命起到非常重要的作用。超过端接电压会导致过度充电，短期来看是增加了 电池的可用能量，但是长期来看将会引起电池失效，并且可能导致安全问题。锂 离子电池成本过高，过充、放电时有安全顾虑而需保护回路等问题仍是需要继续 克服的缺点，世界各国正积极研发与提高芯片集成水平，希望可以改善性能并降 低成本以符合市场需求。 2 2 锂离子电池充放电特性 设计用于单节锂离子电池的充电控制芯片，必须理解锂离子电池的充放电特 性。电池容量通常用a h ( 安时) 表示，1 a h 就是能在1 a 的电流下放电1 h 。电池的 4 具有u s b 电源管理器的锂离子电池充电器 充电电流通常用充电速率c 表示，c 为电池的额定容量。例如，用2 a 电流对5 0 0 m a h 电池充电，充电速率就是4 c 。 一充电特性【8 】 9 1 单节锂离子电池对过充电十分敏感，因此为了获得最大限度的储能又不至损 坏电池，其充电电压必须严格控制在锂离子电池额定输出值1 的容限范围内，即 4 1 ( 或4 2 v ) + _ 5 0 m v ，充电电流通常应限制在1 c 以下。若过压充电，可能会造 成锂离子电池永久性损坏。充电时，在提供的电荷作用下，阴极材料中的l j 原子 电离成i j 离子，该u 离子通过电解液移动到阳极c 附近，再与电子复合还原成 u 原子溶于c 中，6 个c 原子可吸收一个i j 原子。显然，阳极c 能够容纳的i j 原子数是有限的，并且，以上复合还原机制是存在一定的概率分布的，复合还原 作用随着充电的进行其机率逐渐下降，这意味着当阳极容纳的l j 原子接近饱和时， 其附近未还原的i j 离子数量逐步增加，导致电池电压逐步上升。当发生过充时， 将导致阳极电压过高，同时破坏了阴极材料结构，导致电池损坏。因此锂离子电 池通常采用恒流转恒压充电模式。首先以恒定的充电速率充电，此时，充电电流 稳定不变，电池的电压逐渐上升，保证了速度与可靠性。当单节电池的电压上升 到4 1 v 或4 2 v 时，充电器转入恒压充电状态，充电电压波动要控制在5 0 m v 以 内。充电电流逐渐减小，当电池充足电时，电流下降到一定阶段后停止充电。锂 离子电池的充电特性曲线如图2 1 所示。 t # ， 电 ，一 t 、 ； 、一g 蛀电番件，t - - - 衢。c 敏电遥事* 铆* ，o 厶2 0 c 、 o1 0 0 埘o 枷5 0 0咖 基电客t ( r r 澍 ) 图2 1 锂离子电池充电特性曲线图2 2 锂离子电池放电特性曲线 二放电特性【8 】 9 1 充电后的电池接负载后开始放电。单节锂离子电池对过放电十分敏感，放电 到一个太低的电压可能降低电池的容量，放电电流通常不应超过1 c 。放电时，单 节电池电压不应低于2 2 v 。若电池电压低于2 2 v ，可能会造成永久性损坏。放电 过程为：阳极附近的u 离子经电解液运动到阴极后，经与由电解液提供的电子进 5 a 2 ， ，喜舞 一ilve一尊 鼍-蒜哥 第二章锂离子电池原理及其充电控制 5 行复合后还原成“原子，溶于阴极材料中，同样因为复合还原的概率问题，在阴 极附近尚留有一定的l i 离子。这样，阳极材料c 中的i j 原子电离后以保持阳极 附近u 离子的浓度不变，以保持电压的稳定。阳极电离产生的电子供给负载以形 成驱动电流。放电充分进行后，阳极c 中i j 原子的数量不断减小，最终可导致电 离的i j 离子数下降，导致阳极电位逐步下降，同时在阴极未复合的“离子数增加， 阴极电位不为零，并且随充电过程而逐步提高，电池电压逐渐下降。当过放电发 生后，电池电压过低，电解液因发生过度反应而使电池损坏。因此，当检测到电 池电压小于2 5 v 后，必须停止放电。锂离子电池不适合用作大电流放电，过大电 流放电时会降低放电时间( 内部会产生较高的温度而损耗能量) 。同时，环境温度 对电池的放电容量有较大影响，锂离子电池放电时，允许环境温度范围为2 0 + 6 0 。由于锂离子电池的工作电压随时间慢慢下降，锂离子电池的一个特点是 比较容易显示剩余电量。图2 2 所示的是锂离子电池的放电特性曲线。 锂离子电池在充电或放电过程中若发生过充、过放或过流时，会造成电池的 损坏或降低使用寿命。为了保护锂电池免遭损坏，对其充放电时必须限定电流电 压，大多数锂电池内部都具有某种类型的欠压和过压断路电路。除此之外，典型 的锂电池内部还包括防止过流的保险丝和当高压出现时断开电池的开关，防止电 池被损坏。为此，开发出各种保护元件及由保护i c 组成的保护电路【1 0 1 1 1 1 l i 埘，它安 装在电池或电池组中，使电池获得完善的保护。 2 3 锂离子电池充电控制方法 一般来说给锂离子电池充电从概念上说是 非常简单的。为了了解锂离子电池充电的细微之 处，同时为了后面设计的充电控制l c 在给锂离 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2 3 所示。 漏电 电池的等效电路一般被看作是一个具有极 高电容c 及内部漏电电阻r 蛐。的电容器。引 线与电池本身之间的电阻和电感表述为等效内 阻( e s r ) 和等效串联电感( e s l ) 。这些参数是 图2 3 锂离子电池等效电路 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e s r 在5 0 到2 0 0 m q 之间，而e s l 在纳亨数量级( 通常可以忽略) 。 6 具有u s b 电源管理器的锂离子电池充电器 一充电过程、充电方法 电池的充电过程通常可分为预充电、快速充电、补足充电三个阶段l 。”。对长期 不用的或新电池充电时，一开始就采用快速充电，会影响电池的寿命。因此，这 种电池应先用小电流，即涓流充电，使其满足一定的充电条件，这个阶段称为预 充电。快速充电就是用大电流充电，迅速恢复电池电能。快速充电速率一般在1 c 以上，快速充电时间由电池容量和充电速率决定。快速充电至电池达到一定容量 后，进入补足充电方式，以小电流充电，至电池容量饱和。 锂离子电池可以采用不同的充电方法1 1 3 】【1 4 1 。 最简单的充电方法为恒压充电。采用恒压充电时，电池电压保持不变( 4 1 v 或4 2 v ) ，而充电电流将逐渐降低。当充电电流降到低于0 1 c 时，就认为电池被 充分充电了。为了防止有缺陷的电池无休止地进行充电，采用了一个备用定时器 来终止充电周期。恒压充电是一个相对节省成本的方法，但是这种方法却需要很 长的电池充电时间。由于在电池充电期间充电电压保持恒定，充电电流降低得很 快，因而充电速率也降低得很快。这样，电池就只是在比其能够接受的低得多的 电流强度下进行充电。 一个较快的方法是现在大多采用的恒流恒压( c c c v ) f 1 5 】充电。在c c 周期 中，电池以一个恒定电流进行充电，电池电压快速上升，为了防止过度充电而不 断检测电池端电压，当电池电压达到设定值时，电路切换至c v 周期，在c c 期间 电池被充电到大约8 5 的容量。在c v 周期中，电池电压保持不变，充电电流逐 渐下降，通过检测充电电流来确定充电结束，当充电电流逐渐下降到低于0 1 c 时， 表示充电周期完成。虽然c c c v 充电需要复杂得多的电路来实现，但由于其大大 降低了充电时间，因此各种c c c v 充电控制方法在锂离子电池充电控制中占主导 地位。 为有效的利用电池容量，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 电池需要进行预充电，使电池激活。充电终止检测除电压检测外，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、限定充电时间，为电池 提供附加保护。由此可见，实现安全高效的充电控制成为锂离子电池推广应用的 瓶颈。增加其它充电辅助功能是为了改善电池寿命，简化充电器的操作，其中包 括给过放电的电池使用涓流充电、电池电压检测、输入电流限制、充电完成后关 断充电器、电池部分放电后自动启动再充电等。所有或者部分功能都可以在充电 芯片中实现，当然，也可利用a s i c 、分立器件、或在微处理器的基础上用软件实 现。 第二章锂离子电池原理及其充电控制 7 二快充电终止控制方法 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 不及时停止快速充电，将使得阳极电压过高，同时破坏了阴极材料结构，导致电 池损坏。为了保证电池充足电又不过充电，锂离子电池可以采用定时控制、温度 控制等快充电终止控制方法川。 1 定时控制 根据电池的容量和充电电流，确定电池的充电时间。这种控制方法最简单，但 是由于电池的起始充电状态不完全相同，有的电池充不足，有的电池过充电，因 此，只有充电速率小于0 3 c 时，才允许采用这种方法。主要用于恒压充电阶段， 判断快速充电的终止。 2 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方法：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。 3 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包括定时控制、温度控 制的综合控制法。 具有u s b 电源管理器的锂离子电池充电器 第三章芯片系统设计 要设计一个集成电路芯片，首先要从系统的角度确定其技术指标及特性要求， 然后对其进行功能模块划分，在晶体管级对各模块功能加以实现，最后通过器件 物理级实现整个电路的功能。本芯片的设计指标参考国外先进半导体公司线性充 电器的指标要求，结合u s b 功率控制方案，实现了一款具有u s b 电源管理器的锂 离子电池充电控制芯片x d 6 9 0 3 的设计。本章首先列出了芯片的功能和性能设计 要求，然后详细讨论了芯片的系统设计方案。 3 1 芯片功能和性能设计要求 3 1 1 芯片功能设计要求 根据具体应用环境和市场需求，芯片主要功能及特点为： u s b 电源与a c 适配器供电的自动切换 准确的u s b 电流限制( 5 0 0 r n a 1 0 0 m a ) 全功能锂离子电池充电器 - 可实现多种充电模式的自动转换 一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 可编程的充电电流 可编程的充电定时器 多种充电保护电路确保芯片安全 芯片引脚图如图3 1 所示，主要引脚功能设计如下： v m a x ( 引脚1 ) ：输入输出电压引脚。a c 适配器通过 肖特基二极管接到此引脚，给系统供电的同时给该引脚 外接的设备供电。当只接通u s b ，无a c 适配器时，一 个内部p m o s 开关将该引脚连接至u s b 引脚。从而u s b 向该引脚提供电源，而且电池充电器从该引脚吸取功率。 当无外接电源时，由v b a t 给v m a x 引脚供电。在停机 模式中，该引脚被放电至地，以提供输出断接。 图3 1 芯片引脚图 u s b ( 引脚2 ) ：u s b 电源引脚。根据u s b h p 引脚状态的不同，可将该引脚的输 入电流限制为1 0 0 m a 或5 0 0 m a 。 u s b h p ( 引脚3 ) ：u s b 高功率模式引脚。该引脚被用于选择合适的u s b 电流限 值( 5 0 0 m a 或1 0 0 m a ) 。将该引脚拉至高电平时，选择的是5 0 0 m a ( 高功率模式) ； 而将该引脚拉至低电平时则选择的是1 0 0 m a ( 低功率模式) 。 t i m e r ( 引脚4 ) ：定时器电容引脚。在该引脚与地之间连接一个电容器c t i u e i l 第三章芯片系统设计 9 以设定充电循环终止时间。该定时器在u s b 或a c 适配器首次接入时起动。定时 器周期为：t t i m e r ( j 、时) = c r i e r + ( 3 小时) ( 0 f ) 将t i m e r 引脚接地可使内部定时器功能失效。把t i m e r 引脚连接至v m a x 将使 充电器工作于一个“只恒定电流”模式( 该模式使定时器、电压放大器和涓流充电功 能失效) 。 g n d ( 引脚5 ) ：芯片地引脚。 p r o g ( 引脚6 ) ：充电电流设最和充电电流监视引脚。在该引脚与地之间连接一 个电阻器r s 耵来设置电池充电电流：i b a t = 1 0 0 0 1 2 7 8 v r se ：r 在所有的模式中，p r o g 引脚上的电压都可以用来测量充电电流。p r o g 引脚上具 有一个弱的上拉电流源，用于在该引脚被置于开路状态时将充电器关断。 v b a t ( 引脚7 ) ：锂离子电池引脚。通过一个尽可能靠近器件的电容器对该引脚 进行旁路。 s t a t e ( 引脚8 ) ：漏极开路充电状态引脚。当电池充电器被使能时，利用一个内 部n 沟道m o s f e t 将该引脚拉至低电平。而当电池充电器失效时，该引脚被强制 为高阻抗状态。 3 1 2 芯片性能设计要求 芯片性能设计要求包括最大额定值设计要求和电特性设计要求1 1 6 1 1 1 7 1 1 1 8 l 。 最大额定值是指这些值超出范围的话系统就可能损坏，应用于系统的最大额 定值是相对独立的，不是正常的工作状态时所测量的，也不是同时有效的。如果 出现超出这些额定值的情况，系统的功能和可靠性会受到影响，芯片可能会损坏。 x d 6 9 0 3 的最大额定值要求如表3 1 所示。 表3 1 最大额定值 名称参数 最小值 最大值单位 u s b u s b 电源电压o 3 + 6 0v v m a xa c 电源电压0 3+ 6 0 v v b a r 电池连接引脚0 3+ 6 o v h s b h p u s b 功率模式选择引脚o 3 + 6 0v s t 蛆e 充电状态指示0 3+ 6 0 v t o r p工作环境温度2 0 + 8 0 t s t g 存储温度- 4 5+ 1 2 5 参考国外同类芯片设计的电特性参数指标，制定如表3 2 所示的电特性。通过 电路优化设计，使得芯片性能在同样条件下优于同类其他芯片，在第五章将给出 1 0 具有u s b 电源管理器的锂离子电池充电器 设计后的电特性参数对比表。表3 2 分两栏具体的制定了u s b 电源管理器和充电 器的各项指标，凡标注- k 表示该指标适合整个工作温度范围，即2 0 + 8 0 ，否 则仅指t a = 2 5 c 。 表3 2 电特性 参数条件最小值典型值最大值单位 a c 适配器电源 4 26 0 v u s b 电源 4 06 o v 电池引脚电流i b r s m = 2 6 9 k q ，u s b 供电 4 5 04 7 55 0 0m a ( 恒流模式时) r s e r = 1 6 0 k q ，a c 供电 7 5 08 0 08 5 0 m a 停机电流j mv m a x = 4 5 v ，p r o g 悬空 - + 1 5 a a 基准参考电压v r e f l _ 2 6 51 2 7 81 2 9 0 v u s b 电源管理器 u s b 欠压闭锁电压从低电平至高电平 3 8 54 0 04 1 0 v u s b 欠压闭锁迟滞 1 5 0m v 用于电池充电的最小 4 0 v u s b 电压 u s bp m o s 开关的导通 电阻 v u s b = 5 v 仉5q u s b 电流限值 v u s s = 5 v ，v u s b m , = 2 v 4 5 04 7 55 0 0m a v u s e = 5 v ，v u s a a v = 0 v 6 08 01 0 0 m a u s b 暂停模式偏置电流 v u s b = s v ，a c 接入 42 0“a u s b h p 引脚门限 o 81 1 v u s b h p 引脚f 拉电流v u s b i _ w = 0 5 v 2 5“a 电池充电器 稳定的浮动电压v b a t0 c - 1 r a = 8 5 4 1 5 84 2 0 04 2 4 2 v r s e r = 2 6 9 k q ，v u s b m , = 2 v ， 4 5 0 氍晤5 0 0m a 充电器电流限值( 采用 v u s a = s v ，0 c - r a - _ _ 8 5 。c ； u s b 供电) r s e r = 2 6 9 k q ，v u s b n p = 0 v ， 6 0 1 m a v u s b = 5 v ，0 c - 1 r a = 8 5 充电器电流限值( 采用 r s e t = 1 6 0 k q ， 7 5 0啪8 5 0r a a a c 适配器供电) v m a x = 4 5 v 再充电电池电压门限电池电压f 降 4 0 5 v 涓流充电跳变门限电池电压上升 2 8 5v 涓流充电跳变迟滞 6 0m v 涓流充电电流与恒流充 电电流的比率 v m a - = 2 v 81 01 2 充电器芙断电流与恒流 充电电流的比率 v a m = 4 2 v 81 01 2 p r o g 引脚电流内部上拉电流，没接r s 日 2 5 a a p r o g 引脚电压 恒流充电时 1 2 7 8 v s t a t e 引脚输出低电压l s r a a z = s m a0 7 5 v 定时器准确度c m i e r = 0 1 a f士l o 功率p m o s 开关的导通 0 1 5q 电阻 恒定温度模式中的结温 1 0 5 第三章芯片系统设计 3 2 系统方案设计 为了达到所要求的芯片功能和性能，首先需从电源供给、控制模式、工作模 式等方面对系统进行总体设计【1 9 l l 驯1 2 1 1 【2 2 1 。下面我们就这几个主要应该考虑的地方 入手，设计合适本芯片的总体方案，最后对系统的整体结构进行叙述。 3 2 1 电源供给方案设计 芯片的电源供给对芯片的总体设计是至关重要的，它直接影响系统工作的功 耗、稳定性、抗干扰能力和内部电路的结构设计等。 u s b | 2 3 l f 纠初期的主要应用目标是为了实现计算机与外围设备连接，如鼠标、 键盘、扬声器与调制解调器等，主要是用来取代以p s 2 为接口的鼠标和键盘等外 设接1 3 。随着u s b 2 0 、u s bo t g 等相继推出，u s b 技术以其高速、较低功耗受 到众多o e m 厂商的青睐。其中u s b 2 0 的传输率达到4 8 0 m b p s ，而u s bo t g 更 使u s b 设备摆脱了原来主从架构的限制，实现端对端的传输模式，u s b 的应用领 域也得到了进一步拓展，如今u s b 接口已成为p c 机上的标准外设接口之一。 u s b 标准其中一个特性是从主机为插入的u s b 外设供电1 2 5 】【2 6 1 1 2 7 1 。除直接供 电u s b 器件外，u s b 更有用的一个功能是用u s b 电源进行电池充电闭。由于很 多便携式设备都与p c 交换信息，所以，电池充电和数据交换同时在一条电缆线上 进行将会使便携式设备方便性大大增强。把u s b 和电池供电功能结合起来，扩大 了“非受限”设备( 如移动w e b 相机连接p c 或不连接p c 工作) 的工作范围。在很 多情况下，不必再携带不方便的a c 适配器。如今，使用锂离子电池的手机、数码 相机、m p 3 播放器等便携式设备大量涌现，如何利用随处可见的电脑u s b 接口为 这些设备所用的锂离子电池充电，是目前u s b 接口应用的一个热点。 本芯片采用u s b 电源，主要是考虑到u s b 应用的普遍性，使用u s b 端口给 电池充电相当方便【矧，使便携式设备更加的便携，但由于u s b 本身的限制【4 】1 5 1 1 6 ， 最大充电电流被设置成5 0 0 m a 。这使得芯片在设计时又多了一个难点，即在竭尽 全力给电池充电的同时，又需要将u s b 电流准确的控制在5 0 0 m a 之内。 传统充电控制芯片一般采用a c 适配器供电，其特点是应用方便、功率大，但 也存在着缺点，体积大，携带不方便。当然在u s b 盛行的今天，a c 适配器的方 便程度远不及u s b 充电器，但为了与传统充电控制芯片相兼容，x d 6 9 0 3 仍然保 留了a c 适配器充电功能，且能与u s b 电源同时存在，芯片内部的电源切换电路 会自动选择合适的充电电源，以得到最佳的性能。使用a c 适配器供电时，可通过 一个肖特基二极管接到v m a x 引脚，要求其直流电压值不能高于6 0 v ，否则需要 增加分压电路来降低v m a x 值，最大充电电流可根据需要来设置p r o g 引脚外接 的电阻r s l ，r ，最高可达8 0 0 m a 。 具有u s b 电源管理器的锂离子电池充电器 本芯片通过内部p m o s 开关的切换，实 现了芯片电源的自动转换【捌，同时输出电源 亦对应自动转换，其控制框图如图3 2 所示。 当有a c 适配器电源接入时，使能信号 i o g i c l 为低电平，l o g i c 2 使能m u x 21 选择器选择l 2 输出，此时m 1 截止，m 2 导 通。外接a c 电源通过v m a x 给电池充电， 充电电流不受u s b 规范限制，v m a x 同时给 外接其他负载供电。若此时同时存在u s b 电 源，则a c 适配器电源具有优先级，使芯片能 褥到更高的功率，快速的完成电池充电。 图3 2 电源转换图 当只有u s b 电源接入而无a c 适配器电源接入时，使能信号l o g i c l 为高电 平，l o g i c 2 使能m u x 21 选择器选择u 输出，此时 、 都导通，_m 1 m 2 v m a x 通过一个p m o s 开关m 1 接到u s b ，从而给外部其他设备供电，同时通过m 2 给 v b a t 引脚外接的电池充电。开关管m 1 不但用作选通开关使用，同时还设计了 u s b 电源管理器，使得流出m 1 管的电流( 包括芯片使用的静态电流、充电电流、 外部设备所需的电流) 始终不高于5 0 0 m a ( 低功率模式中为1 0 0 m a ) ，即流到v m a x 引脚的最大电流不会超过5 0 0 m a ，从而保护了u s b 端口的安全，使其满足u s b 的国际规范，具体电路的实现我们将在第四章中详细讲解。 当既无a c 适配器电源接入，也无u s b 电源接入时，需要将电池v b a t 接到 v m a x 引脚对外供电，故此时控制逻辑与有a c 适配器电源接入时一致，即信号 l o g i c l 为低电平，l o g i c 2 使能m u x 21 选择器选择l 2 输出，此时m 1 截止， m 2 导通。所不同的是电流的流向改变了，这需要我们检测v m a x 与v b a t 的电 压差即可，在v b a t 高于v m a x 时关断充电器模块即可，同时使电池通过v m a x 引脚给芯片外接的其他设备供电。 假设l o g i c 为高是选择u 输出，为低时选择l 2 输出，则图3 2 可得到表3 3 所示的功能。由l o g i c l 、l o g i c 2 的真值表我们能清楚的看到，通过控制这两 个逻辑信号，同时区分m 2 的导通方向，即能实现芯片工作电源及输出电源的选择 和切换。结合芯片所需要的功能，通过逻辑设置屏蔽了i 0 、0 1 两个状态，使得 芯片在有a c 适配器电源接入时，使用a c 适配器供电，并给电池充电；只有u s b 电源接入时，使用u s b 供电，并给电池充电；当无外接电源时，v m a x 引脚接到 v b a t 上，由电池给外部设备供电，从而实现了电源的自动切换。芯片的供电电源 优先级如下：a c 适配器 u s b 电池。 第三章芯片系统设计 1 3 表3 3 电源转换功能表 l o g i c ll o g i c 2m 1m 2 功能 u s b 通过m 1 给v m a x 供电，同时通过m 1 、 11 导通导通 m 2 给v b a t 外接电池充电，m 1 用来限流 10导通截止u s b 通过m 1 给v m a x 外接设备供电 01 截止截止芯片停止工作 v m a x v b a t ，a c 适配器供电 o o 截止导通 v m a x k t q 时，i i s e 9 肚7 ，则 ， - i n ( 4 - 2 ) j j 其中玢。坚为热电压，k 是b o l t s m a n n 常数，q 是电荷量。 g 如图4 1 所示，r 3 、q 1 和q 2 构成带隙电压产生器，放大器a m p 和m 3 为反 馈电路，保证a 和b 点电位相等。由运算