（电路与系统专业论文）应用于锂电池充电器的单片cccv开关电源芯片的设计.pdf

摘要 jilfli i i f li ii iii ir f l l l r lf fl1 0 y 2 0 6 8 16 5 锂电池作为便携式产品的主要电源已被广泛应用，为充分发挥自身的储能特 性，它对配套的充电设备也提出了更高的要求。因此，设计具有充电安全、满额 充电、快速充电、体积小和质量轻等特性的充电器成为电子设备生产的重要课题。 以重点科研项目“电源管理系列芯片的研究 为背景，本文对应用于反激式 拓扑的单片c c c v 开关电源芯片的设计原理和相关理论进行了研究，并在此基础 上设计实现了一款适用于锂电池充电的、安全的、高效率的、控制策略新颖的单 片c c c v 开关电源芯片x d l 6 1 6 。 x d l 6 1 6 应用在反激式拓扑结构中，使输入输出完全隔离，提高充电安全性； 芯片没有采用传统的p w m 调制方式，而采用了在小输出功率下效率明显更高的跳 周期调制方式，且应用了数字化的恒压调节方法，主要模块开关状态机设计新颖， 控制策略智能，无传统模拟模式下的环路稳定性问题；此外，芯片具有频率抖动 功能，有效解决了恒流模式时脉冲频率调制方式下产生的e m i 问题，更降低了外围 e m i 滤波电路对元件的要求，减小体积，降低成本；同时，芯片采用了电流求差型 复合补偿基准电流源，为振荡器提供恒定充电电流，保证芯片工作频率稳定；芯 片内集成了高压充电电路，简化外围应用电路的设计，减小体积；针对充电器的 应用，芯片设计了电缆压降补偿功能，使恒压控制更精确，达到满额充电目的。 此芯片的设计采用0 5 1 t mb c d 工艺，利用c a d e n c e 仿真平台对其进行仿真验证 和设计优化，最终投片。对样片的恒流恒压特性进行了测试，结果表明：在轻载 情况下，恒压输出4 7 6 4 8 6 v ，满足容差要求；重载情况下，输出1 a 左右，满足 容差要求，芯片的功能和性能均达到设计要求。 关键词：锂电池跳周期调制反激式拓扑脉冲频率调制恒流恒压 a b s 仃a c t l i - i o nb a t t e r yh a sb e e nw i d e l yu s e da st h em a i n l yp o w e rf o rp o r t a b l ed e v i c e s t o g i v ef u l lp l a yt oi t so w ns t o r a g ec h a r a c t e r i s t i c s ，i ta l s op r o p o s e sh i g h e rr e q u i r e m e n t sf o r t h ec h a r g i n ge q u i p m e n t t h e r e f o r e ，i th a sb e e na l li m p o r t a n tp r o j e c tt od e s i g nac h a r g e r w h i c hi ss a f e ，f u l lc h a r g e ，q u i c k , s m a l la n dl i g h t t a k i n gt h ep r o j e c t r e s e a r c ho nt h es e r i e so fp o w e rm a n a g e m e n ti c s a st h e b a c k g r o u n d ，t h i sp a p e rh a sd e s c r i b e dt h ed e s i g no ft h ex d 1616 ，b a s e do nt h ep r i n c i p l e s o ff l y b a c kc c ( c o n s t a n tc u r r e n t ) c v ( c o n s t a n tv o l t a g e ) s m p s ( s w i t c hm o d ep o w e r s u p p l y ) a n dt h et h e o r yr e l a t e d t h i sm o n o l i t h i cd e v i c ea p p l i e dt ol i - i o nc h a r g e ri sa c c c vs m p s 晰t 1 1s a f ec h a r a c t e r i s t i c ，h i g he f f i c i e n c ya n dn o v e lc o n t r o ls t r a t e g y x d1616i su s e di nt h ef l y b a c kt o p o l o g y , s ot h ei n p u ta n do u t p u ta r ef u l l yi s o l a t e d ， i ti m p r o v e st h ec h a r g i n gs a f e t y t h ei c ，u s i n gap s m ( p u l s es k i p p i n gm o d u l a t i o n ) c o n t r o lm o d ei n s t e a do ft h et r a d i t i o n a lp w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) ，h a sam u c h h i g h e re f f i c i e n c y t h es t a t em a c h i n ew h i c hi sn o v e la n di n t e l l i g e n ti st h ec o r em o d u l e ， b e s i d e st h ed i g i t a lc o n t r o lm e t h o dh a sn op r o b l e mo fl o o ps t a b i l i t yo c c u r si nt h e t r a d i t i o n a la n a l o gd e s i g n t h ec h i ph a sf r e q u e n c yj i t t e r i n gf u n c t i o nw h i c hc a ns o l v et h e p r o b l e mo fe m ia n dr e d u c et h es i z ea n dc o s to ft h ec h a r g e rb yl o w e rt h er e q u i r e m e n t s f o rt h ec o m p o n e n to fe m i ( e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) f i l t e rc i r c u i t t h i sd e v i c eh a sa p r e c i s i o nc o m p l e x c o m p e n s a t e dc u r r e n tr e f e r e n c eb a s e do nc u r r e n t sd i f f e r e n c em o d e w h i c hk e e pt h eo s c i l l a t o rg e n e r a t eas t a b l ef i e q u e n c yb yp r o v i d i n gac o n s t a n tc u r r e n t x d1616i n t e g r a t e sah i g hv o l t a g ec h a r g i n gc i r c u i tt os i m p l i f yt h ee x t e r n a la p p l i c a t i o n c i r c u i ta n dr e d u c et h ec h a r g e rs i z e t h ec h i pa l s oh a sac a b l ed r o pc o m p e n s a t i o n f u n c t i o nw h i c h m a k e st h ec vm o r ea c c u r a t ea n df u l lc h a r g e t h eo p t i m i z a t i o na n ds i m u l a t i o no fx d1616w e nc o m p l e t e db yu s i n gc a d e n c e s o f t w a r eb a s e do nt h eo 5 1 x mb c d ( b i p o l a r - c m o s - d m o s ) p r o c e s s ，t h e nt a p e do u t t h e t e s tr e s u l t sf o rt h ei cs h o wt h a t ：i nt h ec a s eo fl i g h tl o a d ，t h ec v o u t p u ti s4 7 6 4 8 6 v a n di nt h ec a s eo fh e a v yl o a d ，t h ec co u t p u ti sa l m o s t1 八b o t l lo ft h e mm e e tt h e t o l e r a n c e t h e r e f o r et h ef u n c t i o na n dp e r f o r m a n c eo ft h ec h i pc a nm e e tt h ed e s i g n r e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：l i - i o nb a t t e r y p s m f l y b a e kt o p o l o g y p f mc c c v 第一章绪论 第一章绪论 本章从c c c v 转换器的研究背景入手，提出了本论文的研究的目的和意义， 给出了本文的主要工作及本论文的各章节内容安排。 1 1c c c v 转换器的研究背景 在十九世纪时，人类为便携式应用发明了电池，直到如今，电池已成为人们 日常生活中必不可少的能源来源。电池的发展经历了铅酸电池、氧化银电池、镍 镉电池以及锌锰电池等，相关的电池理论研究也有日新月异的发展。在电池的构 成元素中，铅和镉等是有毒物质，在使用时存在中毒危险，在报废后的处理过程 中容易造成环境污染，因此，需要寻找更绿色的元素生产更环保的电池。另外， 现代生活的快节奏对便携式产品的要求越来越高，进而也对作为能源的电池提出 了更多要求：电池必须具有高能量密度，以便给便携式产品提供高的续航能力； 电池应该重量轻，体积和面积小；电池应足够安全，不能对用户造成危害；电池 应具有尽量低的成本，适应消费者的购买能力【l l 。当前广泛使用的锂离子电池就 是一个好的选择。 迅速发展的锂离子电池产业促进了锂离子电池在便携式产品中的推广应用， 如消费电子类产品：手机、笔记本电脑和m p 3 等，更进一步向汽车配套电子产品、 电动交通工具、军事和航空航天领域进军【2 j 。 锂离子电池的广泛应用带动了充电器的发展研究，针对锂离子电池的特点和 充电安全性的考虑，在保证将锂离子电池充电至最大电压以便有效利用电池容量 的前提下，防止过充问题成为重中之重，这要求充电器有较高的控制精度( 精度高 于1 ) 。过充问题除却利用检测电压方法外，还可利用检测电池温度和限定充电 时间的辅助手段，另外对电压过低的电池进行预充电，对电池提供多重保护。由 此可见，锂离子电池的安全充电是一个重要课题【3 j 。 最早使用的锂离子电池充电方法是恒定电压( c v ：c o n s t a n tv o l t a g e ) 充电法。这 种方法是采用一个将电压设定为锂电池满充电压的恒压源接在电池的两端，以最 大不超过电池的承载能力的充电电流给电池充电。在充电过程中，电池两端电压 慢慢上升，与恒压源的压差变小，充电电流随之变小。充电器检测电流的大小， 当电流小到一定程度时，认为电池充电已满，这时，为了安全，充电器必须完全 关断。这种方法的优点是设计简单，成本低，但充电时间长，效率低下。随着电 2 应用于锂电池充电器的单片c c c v 开关电源芯片的设计 池电压的上升，充电电流减小，一直小于电池可承受的最大电流，必然降低充电 的速度，这是这种充电方法最终被淘汰的原因。 恒定电流恒定电压( c c c v ：c o n s t a n tc u r r e n t c o n s t a n tv o l t a g e ) 充电法可以提供 更快速的充电。这种方法的原理是采用恒定的电流对电池充电，此电流接近电池 可承受的最大电流，因此可以最大限度的提高充电速率；而恒压阶段设定电压为 电池的满充电压，保证不发生过冲现象，检测这时的充电电流大小，当电流满足 一定值时认为充电已满；当电池充满后依然连接充电器，如果电池电压又下降到 定值时，充电器重新工作，保证电池有足够的电量。这种充电电路比简单的恒 压充电电路复杂，但是在提高充电效率及安全性方面有显著提高，已经成为充电 器中广泛采用的电路结构【4 l 。 在一些学术及商业资料中已经介绍了多种恒流恒压充电的实现电路。例如， j u n g 等人使用两个p n p 三极管实现电流环路与电压环路的切换【5 】；l i m a 等人令 一个连续、低增益、宽带宽的电流环路与一个开关采样的、高增益、窄带宽电压 环路同时工作【6 】；t s a i 等人使充电电路在两个低压差线性稳压器【刀( l d o ：l o w d r o p o u tr e g u l a t o r ) 之间切换；还有电路使用现场可编程门阵列【s 1 ( f p g a ： f i e l d - p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 和微控制器选择工作环路等 9 1 。 无论实现恒流恒压充电的方法是模拟控制为主或是数字控制为主，都可以从 以下角度对充电器的设计进行分析： 1 充电控制方式：在开关型充电器或者线性充电器这两种方式上的选择是最 基本的，可以根据具体充电器的功率、体积和成本等因素的需求，选定使用。 2 充电效率：不同的充电效率不只体现在两种不同的充电方式之间，在每种 充电方式下，考虑热损耗问题，都可以有符合效率要求的设计。例如在非常小的 空间内，对热量有特别优化的线性充电器就可大大提高产品的效率。 3 简单小巧：简单的电路可以造就小巧的方案。对于开关型充电器，在其体 积小的优势和保持效能变化不大的前提下，通过外围器件的选择，如果能找到更 小巧的方案，那对产品成本必然有利。 1 2 本课题研究的目的和意义 为提高电池充电速度、充电安全以及减少外围元器件简化p c b 板，需要效率 高、高压和低压完全隔离和集成度高的c c c v 转换器。( 1 ) 高效率：为减小无 用功的损耗，减少产热元件的使用是个常用的方法；另外，采用合理的控制方式 会大幅提高系统的效率。( 2 ) 高压和低压完全隔离：由于交流电的高压特性，对 锂电池保护是必须的。传统的b u c k 拓扑结构并不能保证输入端与输出端的完全隔 第一章绪论 离，依然存在输出端出现高压损害器件的危险，可以考虑f l y b a c k 的拓扑结构。( 3 ) 高集成度：充电器的体积是一个考量因素，更小的充电器携带灵活轻便，提高应 用感受。将更多的功能电路及元器件集成到芯片内可以大幅减小应用p c b 的体 积，更可减小充电器成本。 因此，研究一款高效率、完全隔离与高集成度的c c c v 转换器成为本论文的 研究重点。 1 3 论文的主要工作和章节安排 本论文研究并设计了一款应用于锂电池充电器的单片c c c v 开关电源芯片。 该芯片可广泛应用于锂电池充电的设备中。此芯片可提供1 a 的恒定电流，5 v 的 恒定电压，工作在6 5 k h z 的开关频率下。由于芯片内部集成开关功率管和芯片供 电电路，并采用频率抖动技术，因此，用此芯片设计的系统电路可选用物理尺寸 较小，重量较轻，价格便宜的外围元器件。同时，在负载较轻时，此款芯片将工 作在跳周期调制模式( p s m ) 下，这样可以保证系统在整个负载范围内均保持很高 的效率；同时，此款芯片可以智能反映负载状况，并在恒压工作模式中针对其进 行电缆压降补偿。 本文在章节安排上分为五部分，分别如下： 第一章介绍了c c c v 转换器的研究背景，分析了应用于锂离子电池充电设备 中的c c c v 转换器的需求，也对论文选题意义及工作做了说明，最后介绍论文结 构安排。 第二章介绍了锂电池充电器的理论基础，讨论了锂电池的工作原理，分析了 锂电池对充电器的要求及对锂电池充电的一般方法。 第三章阐述开关电源的理论基础，讨论了开关电源的控制方式和拓扑结构， 并介绍本课题芯片的系统结构，对恒流控制和恒压控制采取的技术进行详细阐述。 第四章详细介绍了芯片设计的关键模块。具体包括基准电压模块、基准电流 模块、主比较器模块、电缆压降补偿模块和内置高压充电模块。 第五章介绍了芯片的典型应用电路，并对系统进行仿真验证。 第二章锂电池充电器的理论基础 第二章锂电池充电器的理论基础 本章首先对锂电池的工作原理进行简要的介绍，然后对锂电池对充电器的要 求进行阐述，进而引申出几种常见的锂电池充电方法。 2 1 锂电池的工作原理介绍 锂( l i ) 是处在元素周期表中最左上方的金属元素，它具有最小的原子量、最 小的比重、最小的电化学当量和最负的电极电势。把它应用到电池中作为负极， 称为锂电池，这种电池具有开路电压高、放电电压平稳、比功率高、适用范围大 和使用寿命长等优点。在最早的锂电池中，负极材料直接使用金属锂，在充电放 电的化学反应后容易产生锂沉积和锂结晶，并伴随着产生腐蚀现象，电池的使用 寿命大大缩短，严重时电池会发生断路甚至爆炸。 锂离子电池就在研究这种问题的过程中被发明出来，效果明显。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，使锂元素以离子形式 随着充放电从正极( 电池阳极) 转移到负极( 电池阴极) 或者从负极转移到正极。电池 正极的锂金属氧化物会产生游离的锂离子，转移到电池负极，在负极活性碳中发 生嵌入与迁出现象，这就实现了电池的充放电。当对电池进行充电时，正极上的 锂金属氧化物电离出锂离子与电子。锂离子会得到外部输入的能量，在电解液中 由能量较低的正极迁移向能量较高的负极，并在负极复合成锂原子。电池的负极 材料活性碳呈层状结构，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。电池放电时，嵌在负极碳层微孔中的 锂原子从活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，与正极元素反应，重新生成锂金属氧化物。回 到正极的锂离子越多，放电容量越高，这就是通常所说电池容量。通过使用锂离 子替代金属锂的方法，电池的稳定性显著提高，基本消除了结晶现象和电极腐蚀， 使电池循环使用次数和寿命得到了明显的提高。正是因为在整个充放电过程中， 锂元素始终以离子的形态出现，所以将这种电池叫做锂离子电池p j 。 使用不同的正极材料，负极材料和电解质的锂离子电池，它们的性能并不相 同。锂金属氧化物一般作为锂离子电池的正极材料。目前常用的有锂钴氧化物 ( l i c 0 0 2 ) 、锂镍氧化物( l i n i 0 2 ) 、锂锰氧化物( l i m n 2 0 4 ) 和纳米锰氧化物。锂钴氧 化物作为锂离子电池的正极材料，其结构适合锂离子的嵌入和迁出，它的优点是： 6 应用于锂电池充电器的单片c c c v 开关电源芯片的设计 电压高、放电平稳、适合大电流放电、比能量高和循环性好。但是，它也有容量 减小的问题，因为这种材料在反复的充放电过程中，会发生内阻增大的现象。锂 镍氧化物的优点是：自放电率低，没有环境污染和对电解液的要求较低，相比锂 钴氧化物具有一定的优势。锂锰氧化物则具有稳定性好，无污染，工作电压高和 成本低廉的优点，因此采用最广泛。 负极材料中，常用的活性碳材料有焦碳和石墨，由于性质不完全相同，导致 两种电池特性有差别，主要体现在充电截止电压方面。另外，由于焦碳比石墨的 内阻稍大，故其放电曲线也略有差别。 锂离子电池通过内部化学反应完成储存能量与释放能量的功能，负极材料一 般为活性碳( c ) ，正极材料一般为锂金属氧化物( l i m 0 2 ) ，主要的化学反应如下： 正极反应：l i m 0 2 l i n - n 朋 d 2 + x e 一+ x l i + 负极反应： 三f + + p 一+ 6 c l i c 6 总反应式：l i m 0 2 + 6 x c l i f l - n m 0 2 + x l i c 6 锂离子电池充放电的化学反应原理很简单，但在实际的工业生产中，需要考 虑的问题要多得多：正极的材料需要添加剂来保持多次充放的活性，何种添加剂 可以起最大限度的作用；负极的材料需要容纳尽可能多的锂离子，研究其分子结 构可以达到设计目的；填充在电池内的电解液，需要性质稳定温和，为减小电池 内阻还需要具有良好导电性。 锂盐的有机溶液是最常见的锂电池的电解质材料，就是将锂盐溶解于非质子 性的有机溶剂中制备而成。目前使用的锂盐主要有l i c l 0 4 、l i a s f 6 和l i p f 6 等； 常使用的有机溶剂有碳酸已烯酯( e c ) 、碳酸丙烯酯( p c ) 、四氢呋喃( t h f ) 、碳酸二 甲酯( d m c ) 、f , - - 醇二甲醚( d m e ) 等，为了改善性能通常也会采用它们的混合溶 剂。 在最新的研究中，张基广和他在西北太平洋国家实验室的小组发表题目是分 层多孔石墨烯用作锂空气电池电极( h i e r a r c h i c a l l yp o r o u sg r a p h e n e 弱a l i t h i u m - a i rb a t t e r ye l e c t r o d e ) 的论文，提出一种新的空气电极，包含不寻常的分层 排列功能化石墨烯薄片( 无催化剂) ，可带来极高的锂氧电池容量，就是1 5 0 0 0 毫 安时克，这是这一领域有史以来报道的最高值【1 0 1 。 锂离子电池基本没有结晶问题，所以很少有记忆效应，但是，锂离子电池在 多次充放后容量仍然会下降，其原因是复杂多样的，主要是正负极材料在多次反 应后本身性能下降。从分子结构级来看，正负极上用于容纳锂离子的空穴结构会 产生塌陷和堵塞的现象；从化学角度来看，在电池正负极的化学反应并存发生着 副反应，会生成稳定的其他化合物，使活性钝化；从物理角度来看，可以自由移 动的锂离子数目会随着正极材料的逐渐剥落而降低，进而影响电池充放电能力随 着降低。 第二章锂电池充电器的理论基础 7 锂离子电池充电要注意保护电池的寿命，不能过充过放，这都是会损坏电池 正负极的操作。从分子结构级理解，可以有直观的解释：过度放电操作下，负极 活性碳材料被驱使过度释出锂离子，导致其片层结构出现塌陷；过度充电操作下， 大量的锂离子被电场力驱使硬塞进负极活性碳微孔结构里去，使得其中一些锂离 子失去活性，再也无法释放出来。 另外，过高的温度将诱发锂离子电池内部发生其他化学反应，生成我们不希 望的化合物，所以在设计锂离子电池时，通常给正负极之间设置保护性的温控隔 膜或加入保护性添加剂，在电池温度升高到一定程度时，复合膜膜孔闭合或添加 剂致使电解质变性，电池内阻增大直到断路。 2 2 锂电池对充电器的要求 锂电池对充电器主要要求是使用安全、满额充电、充电快速、效率高，其次 要求成本低、使用方便、体积小及重量轻。 1 ) 使用安全。充电安全包括充电电流的限制，必须保证其不超过电池所能承 担的最大电流；充电终止电压必须精确控制，防止发生过充现象。这两者是充电 器最优先考虑的设计因素。 另外，在电池的充电过程中，因为伴随着能量转化，所以电池的温度会逐渐 上升，为防止出现不安全情况，充电器应具有检测电池温度及温升速度( a t a t ) 的 功能，如果电池温度和温升速度高到一定值，充电器能够自动终止充电；为了提 高集成度，充电器i c 将功率管内置，由于流过功率管的电流很大，同样会产生很 多的热量损坏芯片，因此设计温度保护十分必要。 2 ) 满额充电。满额充电指的是电池充电结束时，储存了最大的电能量，可以 发挥最大效能。这就要求充电器具有能精确地检测电池充满的方法。 3 ) 充电快速。现代社会生活节奏快，人们普遍希望充电时间越短越好，但充 电过快会出现危险，于是在保证安全性的要求下提高充电效率，是充电快速的要 求。 4 ) 效率高。充电器可看作一个特殊的电源管理系统，因此它同样有效率问题。 目前充电器i c 有线性及开关型两种。根据应用需求合理选择充电方式。 5 ) 体积小。充电器的体积与其成本和使用感受密切相关，通过提高芯片的集 成度，减少外围元器件的数量，达到减小体积的目的，同时将元器件的成本缩减； 另外，用户外出携带时，体积小的充电器优势明显。 8 应用于锂电池充电器的单片c c c v 开关电源芯片的设计 2 3 锂电池的充电方法介绍 锂电池的产生与发展带动了配套产品的研发，最直接的影响就是充电器的发 展。根据锂电池的工作原理和特性，为充分发挥锂电池的储能能力及提高充电效 率，充电器设计者一直在研究及改进充电方法，充电控制变得复杂，但更安全、 更快速、环境适应性更强，这是充电器发展的方向。 纵观充电器的发展历程，存在的主要充电方式包括：恒流充电法、恒压充电 法、一般恒流恒压充电法、三阶段恒流恒压充电法、脉冲式充电法等【1 1 l 。每种 充电方法都在其特定历史需求下产生，发挥了重要的作用。 1 ) 恒流充电法 恒流方法在整个充电过程中采用恒定的电流对电池进行充电，电流大小必须 小于电池能承受的最大电流，这种方法简单，用一个恒流源易于实现，图2 1 描 绘了恒流充电的电压电流特性。这种方法适用于串联电池组的充电，可以为电池 组中电量落后的电池补充能量。但是，由于这种充电方法的电流选择比较适中且 保持不变，所以在充电初期，电流显得相对较小，充电后期充电电流又显得相对 过大，综合来看就容易造成充电速度慢且会发生过充现象。因此，在国内外已较 少使用。 图2 1 锂电池恒流充电特性示意图 2 ) 恒压充电法 这种充电方法与恒流充电法相对，在整个充电过程中以恒定的电压对电池进 行充电。因此在充电初期，压差较大，电流相对过大，控制不好会出现超过电池 承载能力的危险；随着充电的进行，压差减小，电流也逐渐减小，减慢了充电速 度；到充电结束时，充电电流微乎其微。图2 2 描绘了恒压充电的电压电流特性。 与恒流充电法一样，该方法简单，用恒压源易于实现。但在充电初期和末期的非 受控性是这种方法的缺点。 第二章锂电池充电器的理论基础 9 图2 2 锂电池恒压充电特性示意图 3 ) 一般恒流恒压充电法( c c c v ) 该方法结合恒流充电法与恒压充电法的优点，考虑充电的效率，最优选择是 采用接近电池的承载能力的电流充电，挺高充电速度；而为了保护电池不被过充， 及时转换到恒压状态。图2 3 描绘了这种方法的电压电流特性。这种充电方法应 用广泛，对电池的性能发挥和安全保护兼而有之。 图2 3 锂电池一般恒流j 匾压充电特性示意图 4 ) 三阶段恒流恒压充电法 三阶段恒流恒压充电法针对一般恒流恒压充电法的充电初期电流进行了优 化，对电池有更好的保护作用。三阶段充电法在一般恒流恒压充电法的两个阶段 前，加入一个预充电阶段，用小电流把电池激活的一定状态，再进入恒流充电阶 段，最终进入恒压充电阶段。图2 4 描绘了此种充电方法的电压电流特性关系。 这种方法既在初期保护了锂电池，又可以在更高的恒定电流下实现快速充电的目 的，还保证满额充电和防止过充电现象。 l o 应用于锂电池充电器的单片c c c v 开关电源芯片的设计 图2 4 锂电池三阶段恒流，恒压充电特性示意图 5 ) 脉冲充电方法 脉冲充电方式比较新颖，应用到实际充电器中的比较少。图2 5 描绘了脉冲 充电法的电压电流特性。与恒湔恒压充电法相比，脉冲充电方式在开始阶段也是 采用恒定电流充电，结合恒流充电法的优点，迅速将能量储存在电池中。当电池 接近充满v o 时，脉冲充电控制芯片会改变策略，进入真正的脉冲充电阶段，与 恒流恒压充电法的区别在此时产生，控制策略如下：以固定的时间t c h 对电池充 电，电池电压逐渐升高直到超过额定电压v o ，此时关断充电。之后，电池会发生 自放电现象，电池电压逐渐降低，直到低于额定电压v o 时，充电回路再次启动， 又以与恒流阶段相同的电流和时间t c h 充电，检测电池放电时间，当时间高于某 个值t o 时，认为电池充满，结束充电。 t c h lt - - t o - 4 t 图2 5 锂电池脉冲充电特性示意图 目前对锂电池充电以三阶段恒流恒压充电方法为主。充电初期采用涓流对电 池进行预充电，防止电池过放电可能带来的充电电流过大危险，进入恒流阶段用 大电流实现快速充电，最后在恒压模式下确保电池充满且不过充。 本文所设计的锂电池充电器芯片工作在一般恒流恒压充电法下，没有初期涓 流充电的控制，但在提高充电速度和保护电池非过充方面同样达到要求，且成本 第二章锂电池充电器的理论基础 比三阶段恒流恒压充电芯片低。 第三章c c c v 开关电源芯片的系统设计 1 3 第三章c c c v 开关电源芯片的系统设计 本章对应用于锂电池充电器的单片c c c v 开关电源芯片x d l 6 1 6 的系统设计 思想进行阐述，详细分析恒压控制和恒流控制方法的关键结构；再此之前，对开 关电源的一般调制方式和拓扑结构做理论性介绍，为x d l 6 1 6 系统设计提供理论 指导。 在开关电源出现之前，许多控制设备的工作电源都采用线性电源，但其体积 大、重量大、效率低、性能一般，随着电子产品技术的不断丰富，线性电源已不 能有效的满足它们对新型电源的需求。开关电源的出现有效解决了这个问题，其 体积小、重量轻、效率高等优点，在中小功率乃至大功率领域都得到了广泛的应 用。 开关电源( s w i t c hm o d ep o w e rs u p p l y , s m p s ) 是以功率半导体器件为开关元 件，利用输出反馈环节周期性地微调开关元件的占空比，调节储能器件能量，达 到调整电源的输出电压稳定的目的。 开关电源从不同角度分有多种类别：从输入输出之间是否有变压器隔离，可 以分成有隔离、无隔离两类。从拓扑结构分有b u c k , b o o s t , f l y b a c k 等。若按激励 形式不同，可分为自激式和他激式两种。按不同调制模式分类有脉宽调制、脉频 调制和脉冲跨周期调制等。脉冲跨周期调带j j ( p s m ) 检测反馈信号电平，决定是否 跳过一定数量的时钟周期，m o s 功率管将不会产生动作【1 2 】。 在本文的芯片应用中，考虑到a c d c 的电压变比大而需要完全隔离的情况， 采用了反激式f l y b a c k 拓扑结构，另外，充电器设定为5 w 功率输出，p w m 方式 效率低，而在小功率应用中脉冲跨周期调铝i j ( p s m ) 具有效率高的优点，此芯片采 用p s m 控制方式。 3 1 系统设计基础理论 3 1 1 开关电源调制方式 1 ) p w m 调制方式 目前s m p s 中最常用的调制方式就是p w m 调制方式，它的基本工作原理就 是控制电路通过被控制信号与基准信号的差值反馈信息，根据输入电压变化、内 部参数变化以及外接负载变化的情况，调节主电路中功率开关管的导通脉冲宽度， 但保持开关频率恒定，即实际改变的是导通脉冲占空比，达到控制开关电源的输 1 4 应用于锂电池充电器的单片c c c v 开关电源芯片的设计 出电压或电流等信号稳定的目的。 图3 1 是p w m 调制方式的原理图，结合( a ) 方框图和( b ) 波形图可见，为实现 p w m ，保持开关频率恒定，常利用p w m 比较器对误差放大器输出信号v 队与锯 齿波信号v s 比较来控制功率开关管通断时间。 ( a ) 结构方框图 v v 彳 。， ， 厶 i一_ 7 。7 刚m t 砸 l3 ( b ) 波形示意图 图3 1p w m 调制方式原理图 考虑p w m 调制方式的效率。在理想情况下，只考虑开关变换器中功率管的 开关损耗而忽略其他功耗，且认为开关信号每动作一次，功率管的开关损耗为固 定的平均损耗p m o s ，则应用在本文采用的f l y b a c k 拓扑下，其功耗如式所示 p u o s = a f( 3 一1 ) 其中a 为开关损耗因子，仁l 厂r 为时钟控制频率。p w m 调制下，开关变换器 的效率为公式( 3 2 ) 所示： ，7 j p 附= 卜生堕万 ( 3 - 2 ) + 等 其中，v o 为输出电压，r 为负载电阻。 p w m 主要是保持固定的开关频率，并可以通过改变电感的充电、放电时间 来改变传递到负载的能量，调节负载电压。p w m 调制的一个优点是：由于开关 频率是固定的，在频域中看，噪声频谱的带宽就很窄，于是采用简单的低通滤波 器就可以有效滤除输出噪声纹波。因此，这种控制结构广泛应用于电信设备等对 噪声干扰较为敏感的应用系统。 2 ) p f m 调制方式 p f m 调制模式利用固定的导通脉冲时间，根据反馈信息调制开关频率，调整 储能元件能量，从而实现调节输出电压的目的。p w m 型变换器有一个明显的缺 点，在小功率应用下变换效率很低，而脉冲频率调制模式p f m 则可以有效的克服 这一不足。图3 - 2 描述了p f m 调制方式的原理，参照图( a ) 可见，这种调制方式利 用调频调制器对变换器的输出误差进行调制，然后通过过零比较器得到p f m 方波 控制信号。图( b ) 是调制过程中关键点的波形图，功率管的驱动信号v d r i v e 高电平 第三章c c c v 开关电源芯片的系统设计 1 5 时间k 不变，低电平时间被调制，进而调整开关频率。 ( a ) 结构方框图 v d m v e t o ( b ) 波形示意图 图3 2p f m 调制方式原理图 制 理想情况下，仅考虑开关变换器中功率管的开关损耗而忽略其它损耗，且认 为开关每动作一次，功率管的开关损耗为固定的平均功耗。则在轻载时，输入功 率小，但控制脉冲相对稀疏，开关次数少，功率管开关损耗就小；重载时，输入 功率大，控制脉冲相对紧密，开关次数多，开关损耗大，但整体效率依然很高。 因此p f m 变换器在重载情况下与p w m 变换器具有相差不多的效率，但在轻载情 况下p f m 效率则明显比p w m 变换器高得多。p f m 调制的缺点是：p f m 调制存 在开关的频率变化，会导致边频效应。在频域可以直观的看出，p f m 调制信号的 谐波分布广泛杂散，虽然峰值比p w m 小的多，但带宽明显延展，对变换器的e m i 滤波电路的设计提出更高要求，这就限制了p f m 调制模式的全面应用。 3 ) p s m 调制方式 跳周期调带i j ( p u l s es k i p p i n gm o d u l a t i o n ) ，简称p s m 调制，是一种利用跳过相 应周期调节输出电压的开关变换器的调制方式。在重载时，负载能量需求大，脉 冲控制信号以满频驱动，控制开关管动作，当负载变轻时，根据芯片内设定的控 制策略，功率管的控制信号会跳过一定数目的控制周期，在这些跳过的周期里， 功率管一直处于关断状态，通过跳过周期的不同个数来控制储能元件的能量，稳 定输出电压。在轻载时，该模式的效率很高，且几乎与负载无关i l 1 4 j 。 图3 3 描述了p s m 调制方式的原理，由其中的图( a ) 和图( b ) 可以看出：振荡器 模块输出固定频率、固定占空比的时钟脉冲信号c l k ，在每个时钟上升沿来临时， 判断误差放大器的输出信号v 队。如果v e a 为低，即输出电压反馈值低于基准值， 则以时钟信号作为开关管控制信号；反之，如果v 队为高，即当输出电压反馈值 1 6 应用于锂电池充电器的单片c c c v 开关电源芯片的设计 高于基准值时，该周期开关管始终关断，即跳过该周期。p s m 通过调节跳过周期 的个数来得到稳定的输出电压【1 5 1 。 ( a ) 结构方框图 制瓷歹一 ( b ) 波形示意图 图3 3p s m 调制方式原理图 考虑p s m 调制方式应用在f l y b a c k 拓扑中的效率。在理想情况下，开关管的 功率损耗主要集中在开关动作时的动态功率损耗，把功率管开关过程中的电流和 电压变化做线性近似处理，可得到其损耗为： r ， = n 出+ 如啪一v a t , + t z ) 6 ( 3 - 3 ) 其中t r 为功率管漏电流上升时间，t f 为功率管漏电流下降时间，i d r ，u 出r 为t r 期间功率管的漏电流和漏源电压，i d f 和u d s f 为t f 期间功率管的漏电流和漏源电压， i i m 戤为变压器原边绕组的电流峰值，所以功率管的平均功耗为： p u o s = z 拼 ( 3 - 4 ) 其中为开关管的有效频率。当只考虑功率管的开关动态损耗，p s m 调制模 式下的效率为： 栌彘( 3 - 5 ) 3 1 2 开关电源的拓扑结构 1 ) 降压型b u c k 拓扑结构 b u c k 变换器主电路结构如图3 4 所示，由功率m o s 管s 、储能电感l 、续流 二极管d 、滤波电容c 及负载电阻耻组成，其中图( a ) 为开关管导通阶段的电路 图，图( b ) 为开关管断开阶段的电路图。在工作过程中，当栅极驱动信号使开关管 s 导通后，电感l 上有电流通过，且逐渐增加，电感l 开始存储磁场能量，且随 电流逐渐增加，电容c 开始充电，负载电阻r l 两端的输出电压v o t r r 上升，此时， 续流二极管d 因反向偏置而截止。当栅极驱动信号使开关管s 断开，l 中的电流 不能突变，导致l 两端产生感应电势极性翻转，使二极管d 导通，l 开始起电源 的作用，将存储的磁场能量传递给负载。当输出电压v o t r r 低于电容c 两端的电 第三章c c c v 开关电源芯片的系统设计 1 7 压时，c 开始将储存的能量释放给负载，维持输出电压不变。 ( a ) 开关导通阶段 + 丁 l hv o t r r 上 ( b ) 开关断开阶段 图3 4b u c k 拓扑结构工作原理图 + 彳 r lv o t r r 立 b u c k 拓扑结构根据储能电感的能量在开关管关断期间是否消耗完全而分为 两种工作状态：连续导通模式( c c m ) 和非连续导通模式( d c m ) 。当开关电源的功 率管导通时，拓扑中储能电感的电流开始上升；相应的，当功率管截止时，储能 电感中的电流逐渐减小。如果在开关电源的功率管截止期间且未到达导通时刻， 储能电感中的电流就已经降到零，而且电感中存储的能量在截止期间的剩余时间 内也为零，此时，称开关电源工作于非连续导通模式；否则称开关电源工作于连 续导通模式【l 引。 工作在连续导通模式的系统，电感能量在转换过程中有连续性，波动小，所 以输出电压纹波小；相反，工作在非连续导通模式的系统，电感能量不连续，在 功率管导通前的最后阶段由储能电容提供能量，必然增大输出电压纹波。 图3 5 所示为b u c k 拓扑结构工作在连续导通模式时各关键节点的电流电压波 形。由图可以看出，功率管导通时，电感电流i l 与输入电流i i l l 相同；功率管关断 时，电感电流i l 与续流二极管电流i d 相同。另一方面，电感电流i l 在功率管关 断期间并没有下降为零，也就是续流二极管电流i d 没有降到零，这就使电感电流 i i 在功率管导通与关断的转换时刻是连续的。 1 8 应用于锂电池充电器的单片c c c v 开关电源芯片的设计 v i d i l i o t s 图3 5 连续导通模式波形图 工作在这种模式的输出电压与输入电压的关系为 v o u r = 嚣2 等2 d ( 3 - 6 ) 由式( 3 - 6 ) 可知，输出电压v o t r r 与功率管驱动信号的占空比d 成正比。由于 占空比d 总是小于l ，所以v o t r r 总是小于v 玳，故常称为降压型开关稳压器。 图3 6 所示为b u c k 拓扑结构工作在非连续导通模式时各关键节点的电流电压 波形。 v i l 1 0 图3 6 非连续导通模式波形图 可以清楚的观察到，i l 在开关管关断的最后一段时间已经降到零，储存的能 量释放完全，工作在这种模式的输出电压与输入电压的关系如式( 3 7 ) 所示 第三章c c c v 开关电源芯片的系统设计 1 9 等= 击 ( 3 - 7 ) 一= = = = = = = = = = ij - ， 肌d ：+ 旦 一 尺。c 2 ) 升压型b o o s t 拓扑结构 b o o s t 变换器主电路结构如图3 7 所示，与b u c k 结构相同，同样由功率m o s 管s 、储能电感l 、续流二极管d ，滤波电容c 及负载电阻r l 组成，关键在于储 能电感、续流二极管和开关管的位置不同。其中，图( a ) 所示是开关管闭合导通阶 段的原理图，图( b ) 所示是开关管断开阶段的工作电路图。 ( a ) 开关管导通阶段 + 丁 甩v o u r j + 7 i kv o l r r j ( b ) 开关管断开阶段 图3 7b o o s t 拓扑结构开关原理图 在工作过程中，栅极驱动信号使功率开关管s 导通时，储能电感中流过电流 i l ，且线性增加，电感l 以磁能形式储存电能。此时电容c 以电流i o 向负载电阻 r l 放电，r l 两端产生极性上正下负的输出电压v o u t ，给二极管d 提供了反向电 压，