（电路与系统专业论文）智能型锂离子电池充电芯片xd0818的研究和设计.pdf

摘要 1 1 1 i l l l | 1 1 1 l l l i l l l l i 咖l y 2 0 6 7 2 6 7 本论文源于西安电子科技大学c a d 研究所的科研项目“锂离子电池充电芯片 的研究与设计”，设计了一款智能型锂离子充电器芯片x d 0 8 1 8 ，主要应用于数码 相机、手机等便携式电子产品。 该芯片为线性充电器，采用三段充电方式：预充电、恒流充电和恒压充电， 充电电流外部可编程，最大充电电流为1 a 。通过多控制环路竞争对p m o s 功率管 的栅极电压进行控制，实现了恒定电流充电、恒定电压充电、恒温控制模式，以 及各模式之间的自动平稳过渡。该芯片还具有电池检测功能，提供了可设置电流 的充电终止方案，并满足一系列安全要求：j e i t a ( 日本电子信息技术产业协会) 温 度标准、输入欠压过压保护、安全充电时间、电池短路过压保护等。油0 8 1 8 能 够自动准确地检测出充电的状态信息，及时的做出相应的调整，并通过两个引脚 输出信号指示芯片的充电状态。 本文设计的智能充电器芯片x d 0 8 1 8 采用o 5 岫c m o s 工艺，经投片验证， 测试结果表明：恒流充电误差小于4 ，恒压充电误差小于o 5 ；各项电气指标及 保护功能均满足设计要求。 关键词：锂离子电池充电器恒流恒压j e i t a 温度标准 a b s t r a c t b a l s e do nm ep r o j e c to f “n l e o r e t i c a lr e s e a r c ha i l dd e s i 弘o fl i - i o nb a t t e 巧 c h 鹕e r ，觚硫e l l i g e ml i i o nb a n e 巧c t 萨rx d 0 818i sd e s i 印e df o rd i g i t a lc 锄e r a s ， m o b i l ep h o n e sa n do 曲rp o i t d b l ee l e c t 鼻o n i cp r o d u c t s ) 0 8 18i sal i n e 盯c h a r g e r w k c hc 锄d e l i v e ru pt 0l ao f p r 0 伊a i i u i l a b l ec h 鹕e c u r r e n t t h ec h a 玛e rh 嬲m r e ep h a s e so f c h a 曜i n g ：p r e c h a 玛e ，c o i l s t a mc l l r r e n tc h a 略i n g a i l dc o n s t a n tv o l 切g ec h a r g 吨b yc o n t r o l l i n g 也eg a t ev o l 切g eo fp m o sp o w e r 仃a _ i l s i s t o rt i l r o u 曲m ec o m p e t e n c eo fm u l t i p l ec o m r o ll o o p s ，t l l ec i r c u i t 如1 f i l l st h e c o n s t a m c u r r e n t ，c o i l s t a n t v o l t a g ea i l dt l l e 姗a lr e g u l a t i o nc h a 玛em o d e s ，a r l dt h es m o o t h 吣i t i o n sb e t 、7 岭e nt h e m t h ec h a 唱e rc a nc h e c kt 0 ei fa b a t t e 巧i sp r e s e n t 锄da l l o w p r o 鲈m 瑚【i i l go ft c 肌i i l a t i o nc u 盯e n t i na d d i t i o n ，t l l ec h 鹕e ra i l s 0c o m e s 、 ，i t l la 觚ls e t o fs 旅毋f e a n 鹏s ：j e l l a ( j 印a i le l e c 仃o m c s 锄dh l f i o m l a t i o nt e c l l i l o l o g ) ra s s o c i a t i o n ) t b m p e r a ：t u r es t a n 出帕，t l l e 证p u tu n d e n ，o l t a g e o v e n ，o l t a g ep r o t e c t i o l l ，s a f e 够t h e r m e b a 吮d rs h o n o v e n ，o l t ；唱ep r o t e c t i o n x d 0 818c 趾a u t o m a t i c a l l yd e t e c tt l l es t a t eo f c l l a r 苫i n gi n f o n n a t i o na n dm a l ( et l l ea p p r o p r i a t ea 由u s t n l e n t s n e 出pw 弱i m p l 锄e n t e dt l s i n go 5 p mc m o sp r o c e s s s i i n u l a t i o na n dt e s t r e s u l t ss h o wt 1 1 a tm ec o n s t a n tc u 盯e n ta c c u r yi s 谢“n4 ，锄dc 0 i l s t a n tv o l t a g e a c c u r a c yi s 谢m m0 5 ；t l l eo t l l e re l e c t r i c a li n d i c a t o r s 锄dp r o t e c t i o n 觚c t i o n sa r em e t w i t l l l ed e s i g nr 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 “e i yc h a r g e rc o n s t a n t - c u r r e n ta n dc o n s t a n t - v | o l t a g e j e i t a b a t t e r yt e m p e r a t u 心s t a n d a r d 第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍了锂离子电池的工作原理及其特点，总结了若干锂离子电池的 充电技术，最后介绍了论文的主要工作和章节安排。 1 1 1 锂离子电池的原理 1 1 锂离子电池的原理及特点 目前广泛使用的便携式可充电电池主要包括镍氢( n i m h ) 电池、镍镉( n i c d ) 电 池、锂聚合物( l i p l o y m e r ) 及锂离子( l i i o n ) 电池。与其他电池相比，锂离子电池具 有体积小、重量轻、电压高、能量密度大等优点，被广泛的应用于各类便携式电 子产品。 锂离子电池，是指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的装置【l 】。锂离子电池的充 放电过程是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脱嵌 来实现的。锂电池负极的活性碳呈层状结构，有很多微孔。当对电池进行充电时， 电池正极的锂原子电离成电子和锂离子，生成的锂离子通过电解液运动到负极后， 就会嵌入到碳层的微孔中。能嵌入的锂离子越多，表明充电容量越高。当电池放 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，重新插入到锂金 属化合物中。能回到正极的锂离子越多，表明放电容量越高，通常所说的电池容 量指的就是放电容量。同早期的锂电池相比，由于使用锂离子代替了金属锂，基 本消除了结晶现象和电极腐蚀，故增加了电池的稳定性，提高了电池循环寿命。 通常锂离子电池的正极由锂金属氧化物( l i m 0 2 ) 构成，负极由碳( c ) 材料构成， 主要的化学反应如下【2 1 。 负极反应：历+ + e 一+ 6 c 三f e( 1 1 ) 正极反应：三洲d 2 三础一。出r d 2 + 儿广+ 刀p 一 ( 1 2 ) 总反应：三朋q + 6 疗c 三l 一。q + 以f c 6 ( 1 - 3 ) 采用不同的电解质、正极材料和负极材料，锂电池的性能会有所差别【3 】。 锂离子电池对电解质的要求是：高导电性、高分解性、高安全性和低污染。 通常使用锂盐作为电解质溶剂，目前主要采用l i c l 0 4 、l i a s f 6 、l i p f 6 等【4 l 。 锂离子电池的负极材料，目前常用的是焦炭和石墨。其中，使用石墨做负极 智能型锂离子电池充电芯片) a ) 0 8 1 8 的研究和设计 材料可以得到高的电池电压，且具有低成本、高容量和可恢复等优点而被广泛采 用。 锂离子电池的正极材料，主要以锂金属氧化物为主。目前常用的有锂镍氧化 物( l i n i 0 2 ) 、锂钴氧化物( l i c 0 0 2 ) 、锂锰氧化物( l i m h 2 0 4 ) 以及纳米锰氧化物。其中， 锂镍氧化物特点是自放电率低、没有环境污染，对电解液的要求较低；锂钴氧化 物的特点是电压高、放电平稳、比能量高、适合大电流放电及循环性好；锂锰氧 化物的特点是稳定性好、无污染、工作电压高、成本低廉。 1 1 2 锂电池的充电特性 锂离子电池的电压和电量存在着一定的对应关系，当然不同厂商不同规格的 锂离子电池会有所差别，表1 1 给出了一个大致的对应关系。 表i 1 电池的开路电压与电容量的对应关系 电量 电池电压( 电量电池电压 l o o 4 25 0 3 8 2 9 0 4 0 6 4 0 3 7 9 8 0 3 9 83 0 3 7 7 7 0 3 9 2 2 0 3 7 4 6 0 3 8 71 0 3 6 8 由表l 可以看出，如果锂离子电池的充电终止电压过低，充电将不完全。但 是，如果充电终止电压过高，将会影响锂离子电池的使用寿命，充电终止电压越 高，可充电循环次数越少。当电池电压达到4 5 v 时，将会对电池造成永久性损坏。 通常要求锂离子电池的充电终止电压误差不超过额定值的1 。 在充电电流方面，应根据锂电池生产厂商的建议设置。常用的充电率为o 5 l c ( c 为电池容量) ，某些型号的电池充电率可达2 c 。由于充电过程中，电池内部的 电化学反应会产生热量导致电池温度升高。因此采用大电流对锂离子电池充电时， 需要检测电池的温度，以防止过热损坏电池或者产生爆炸【5 】。 在电池温度方面，较高的电池温度不仅会加速电池的老化，而且会增加电池 故障的风险。为了提高锂离子电池充电的安全性，j e i t a ( 日本电子信息技术产业协 会) 和日本电池协会在2 0 0 7 年4 月2 0 日颁布了新的安全规范。该规范强调了在某 些低、高温范围内避免使用高充电电流和高充电电压的重要性。j e i t a 认为，锂离 子电池问题均出现在高充电电压和高电池温度下。图1 1 给出了单电池手持应用的 锂离子电池充电j e i t a 规范。 第一章绪论 m 缸岫a 坷喀c a l 肿m ：1 c ( 1 0 )( 5 0 ) 图1 1 单电池手持应用的锂离子电池充电厄i t a 规范 锂离子获得一个电子，会变成金属锂。如果充电期间电池的温度低于t 2 ，锂 离子在低温下传输速率下降，使锂离子进入负电极碳的穿透速度减慢，从而使金 属锂堆积在正极。这些金属锂可轻易的与电解质反应，造成锂离子的永久性丢失， 从而使电池更快老化【6 】。另外，金属锂和电解质的化学反应会产生大量的热量，从 而产生散热失控。如果充电期间电池温度升至t 3 以上，则阴极材料锂金属氧化物 变得更加活跃，会在电池电压升高时与电解质产生化学反应。如果电池温度进一 步升高至t 4 ，则系统应禁止进行充电，如图1 1 所示。在标准充电温度范围( 砣到 t 3 ) 内，可以根据电池制造厂商建议的上限充电电压和上限充电电流，对锂离子电 池充电，以获得对电池充电的安全性。 1 2 1 锂电池的充电方式 1 2 锂离子电池的充电技术 锂电池充电方式主要包括四种【7 】。【1 0 】：恒流充电、恒压充电、恒澍恒压充电和 脉冲充电。 1 恒流充电( c o n s t a i l tc u 仃e n t ) 该充电方式是指在整个充电的过程中采用恒定电流对电池进行充电，如图1 2 所示。这种方法结构简单，充电快速，比较适合对多个电池串联的电池组进行充 电。但是由于锂电池可接受电流能力与电池电压及电池温度都有密切的关系，在 充电过程后期，若充电电流仍然较大，充电电流多作用于电解质，产生大量的气 泡，消耗了电能，而且由于化学反应放热造成电池温度过高，容易使电池极板上 的活性物质脱落，影响电池的寿命。另外，恒流充电方式很难把握充电终止的时 机，容易造成过充电或充电不完全的现象。 4 智能型锂离子电池充电芯片) 0 8 1 8 的研究和设计 v j 图1 2 恒流充电 2 恒压充电( c o n s t 锄tv o l t a g e ) 该充电方式是指在整个充电过程中采用恒定的电压对电池进行充电。对于单 节锂离子电池而言，一般为4 2 v 。随着充电过程的持续，锂电池端电压逐渐升高， 充电电流逐渐减少。电特性曲线如图1 3 所示。充电初期，由于充电电压和电池电 压压差较大，因此充电电流过大，这样会影响到锂电池的使用寿命。另外，充电 后期，由于充电电流减小，会导致充电时间过长。 图1 3 恒压充电 3 恒流j 叵压充电( c c c v ) 这种方式需要监控电池电压，充电开始阶段，电池电压较低，采用恒流充电， 快速的为电池补充电量。充电过程中，电池的电压逐渐上升，当单节电池的电压 升到十分接近4 2 v 时，充电器立即转入恒压充电。在恒压充电阶段，充电电流逐 渐下降，在电流降至恒流充电电流的l l o 时，充电周期完成【l l 】【1 2 l 。在恒湔恒压充 电方式基础上又衍生出三阶段充电方法【1 3 j ：第一阶段为涓流充电，主要用来唤醒 过放电的电池，起到保护作用；第二阶段为恒流快速充电阶段；第三阶段为恒压 阶段，保证电池充满，同时有效的防止过充电现象。三阶段充电方式如图1 4 所示。 第一章绪论 v 量 图1 4 三阶段充电电特性曲线 4 脉冲充电 脉冲充电方式的初始阶段，即电池电压较低时，也采用恒流充电，大部分的 能量在恒流充电过程中被转移到电池内部。这同恒流恒压充电方式相同，不同的 是充电终止的判断方式。当电池电压上升到充电终止电压后，进入脉冲充电阶段， 充电器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。每次充电持续 时间t c 后，关闭充电回路。充电时，电池电压降继续上升并超过充电终止电压， 停止充电后，电池电压又会慢慢下降。当电池电压恢复到终止电压以下时，重新 开始充电，进入下一个脉冲充电周期。随着电池存储电量的增加，电池端电压下 降的速度会逐渐减慢，直到某个脉冲周期中，电池电压下降到终止电压的时间超 过了预设的值t o ，可以认为电池已经充满，如图1 5 所示。 v 。i 八八八 充帆睢 图1 5 脉冲充电 目前对锂离子电池以恒流恒压的充电方法为主，采用三阶段充电控制。既能 满足快速充电的要求，又能保证充电完全，同时可防止过充电。另外，由于充电 初期采用小电流方式进行预处理，能避免大电流对过放电的电池带来的影响。由 于上述优点，目前锂离子电池充电方案主要采用三段充电方式。 1 2 2 充电器的拓扑结构 充电器芯片的整体充电拓扑结构包括三种：线性充电、开关模式和脉冲充电。 6 智能型锂离子电池充电芯片0 8 1 8 的研究和设计 前两种主要采用恒i i i 恒压的充电方式，后一种则采用脉冲充电方式。 这三种拓扑结构中，线性的充电结构是复杂度最小，成本最低的方案【1 4 l 【1 5 】。 一般由输出功率管、调整电路、检测电路和保护电路等组成，如图1 6 所示。 图1 6 线性充电拓扑 电路中使用了一个p 沟道m o s f e t 功率管m 1 来提供充电回路，并且把从交 流适配器输入的电压降到电池电压大小，以实现对电池的充电，结构简单。线性 充电方法的缺点是功率损耗较大，由于交流适配器的输入电压和电池电压之间的 差值完全由功率管承受，功率管的功耗就是这个差值与充电电流的乘积。如果交 流适配器的输出电压为5 v ，充电电流为1 a ，而电池电压变化的范围为2 5 v 4 2 v ， 那么功率管上的功耗将为o 8 w 2 5 w 。对于充电器芯片，这么大的功耗会使芯片 过热，甚至烧毁。因此，线性充电器充电电流一般较小，不适合给大容量电池充 电。尽管该结构充电功耗大，充电电流小，但它仍然是便携式设备首选的充电方 案，因为这样芯片成本低廉，易于实现， 非常适合对噪声敏感的无线设备的应用。 要采用线性的充电拓扑结构。 且内部无须电感元件，无须开关动作， 因此，小功率便携式设备的充电方案主 由于线性充电方式损耗高、效率低、热设计复杂，不能被用在笔记本电脑等 大功率设备中。因此这种情况下有必要采用高效率的开关充电模式【1 6 】【1 刀。又由于 充电过程包含恒流充电和恒压充电两个阶段，因此开关充电器电路相对一般的 b u c k 型d c d c 电路要复杂些，图1 7 给出了开关充电系统结构。 图1 7 开关模式 第一章绪论 7 由图1 7 可明显看出，开关模式的充电器结构复杂。由于控制器、功率管和 l c 滤波器都需要占用较大的芯片级和板级面积，因此整体电路应用尺寸较大、成 本较高。除此之外，开关充电器还存在较严重的频率干扰问题。因此，引入高频 开关和电感元件所导致的e m i 及高频噪声将严重限制开关模式充电器的系统应 用。 脉冲充电器综合了开关方式和线性方式的优点。当电池电压较低时，开关导 通，交流适配器直接给电池充电；当电池电压达到设定的阈值电压时，充电器控 制开关管的导通或断开，进入脉冲充电阶段。脉冲模式的锂离子电池充电器要求 输入是限流型的交流适配器【1 8 】，而且对精度也有一定要求，但这样的交流适配器 并不通用，成本较高。 1 2 3 充电控制技术 充电器的设计，主要要满足下面的三个关键要求： 1 ) 电池安全性：毫无疑问，终端用户安全是系统设计中需首要考虑的问题。 虽然大多数锂离子电池都含有保护电路，但是，还是有一些系统设计所需考虑的 关键因素。其中包括锂离子电池充电最后阶段的稳压容限、安全处理过放电电池 的预处理模式、安全充电计时器以及电池温度监控。 2 ) 电池容量：所有的电池充电解决方案都要确保在每一次和每一个充电周期 都能将电池容量充至充满状态。过早的终止充电会导致电池运行时间缩短，这是 当今高功耗的便携式设备所不希望的。 3 ) 电池的使用寿命：遵循建议的充电算法是确保终端用户实现每个电池最多 充电周期的重要一步。利用电池温度和电压限定每一次充电、预处理过放电电池 并避免过晚或非正常充电终止是最大化电池使用寿命所必须的一些步骤。 表1 2 给出了一些的充电控制总结。 表1 2 充电控制总结 充电控制 电池安全性电池容量 电池使用寿命 精准的电压和电流调节 充电限制( 电压或温度) 温度监控( j e l l - a 温度标准) 预处理过放电电池 充电结束终止 安全充电计时器 充电状态指示 电池插入或去除检测 最小电池泄露 短路电流限制 自动再充电 8 智能型锂离子电池充电芯片x d 0 8 1 8 的研究和设计 1 3 1 论文的主要工作 1 3 论文主要工作和章节安排 锂离子电池目前已经大量应用于便携式电子产品上，包括移动电话、数码相 机、笔记本电脑、摄像机、掌上电脑及游戏机等。但是锂离子电池的电化学特性 决定了其对充电的电压、电流和电池温度的要求非常高。因此，研究能充分适应 锂电池特性、满足安全快速的充电要求的智能型充电器芯片，具有十分重要的意 义。 根据锂离子电池的特点及充电方式，本文设计实现了一款智能型锂离子电池 充电器芯片) 0 8 1 8 。该芯片是为单节锂离子电池设计的线性充电器，采用三段充 电方式：预充电、恒流充电和恒压充电，各充电模式自动转换，可安全高效的完 成对锂离子电池的充电。芯片的外部可编程电阻用于设定充电电流( 最高可达1 a ) ； 内置定时器，外部引脚电阻可调节最长充电时间；全程监控电池温度，满足j e i t a 温度标准；具有热调节功能，在充电过程中无过热风险；外接l e d 灯，对充电状 态进行显示；另外，还具备电压短路保护、电池过压保护等功能。 1 3 2 论文的章节安排 本论文一共分为五章。第一章是绪论，主要介绍了锂离子电池的化学原理、 特性和充电技术；第二章主要是智能充电器x d 0 8 1 8 的系统设计，包括功能定义、 电特性参数及整体架构；第三章详细介绍了充电芯片0 8 1 8 中智能充电控制方 案的设计，并给出了相应的控制流程图和电路架构图；第四章主要介绍关键的模 拟子模块电路设计与仿真验证，在对这些电路进行原理阐述和公式推导的基础上， 给出了仿真波形和仿真数据；第五章介绍了芯片的典型应用及整体功能仿真、测 试验证。 第二章芯片的系统设计 9 第二章芯片的系统设计 弟一早心厅驯尔现阪丌 本章首先提出了该芯片的主要特点，然后根据系统功能的设计要求，介绍了 芯片的封装及内部主要结构框图，并给出了相应的电特性指标，最后介绍了 ) 0 8 1 8 的系统工作原理。 2 1 芯片的整体介绍 本文设计的芯片是一款先进的线性锂电池充电管理芯片，适用于单节4 2 v 锂 离子电池和锂聚合物电池，主要应用在数码相机、移动手机等便携式电子产品及 一些独立充电器中。该芯片采用主流的恒澍恒压充电方式，设计了众多的安全保 护措施，另外，外围应用电路结构简单，使用灵活。该芯片的主要特点包括： 内置功率m o s f e t ，最大1 a 的可编程电流 最小充电电流检测来终止充电 可编程的最长安全充电时间 过放电电池预充电处理 反向漏电保护，反向漏电电流 l u a 可编程的预充电电流和充电终止电流 l e d 或是系统接口指示充电状态和异常情况 电池温度监测：1 0 1 0 0 k q 负温度系数电阻可选 满足j e i t a 温度标准，另外增加电池初始温度检测 自动电池再充电 电池短路、过压保护 芯片部分引脚短路、悬空检测 2 2 芯片的内部结构分析 2 2 1 芯片的引脚描述 本文设计的芯片采用s o p 1 6 ( e p ) 封装，如图2 1 所示。 i o 智能型锂离子电池充电芯片x d 0 8 1 8 的研究和设计 删u v c c 匪 i s 盯臣 陬睚跚臣 v 蹲匪 垤s 匝 辄盯1 臣 s t t 2 厂百 图2 1 芯片封装 芯片引脚的描述如表2 1 所示。 表2 1 芯片引脚表述 到o u t 固b a t 刃m 固硼r 蛋v 筠 刃v 豁 固x c e 百1 n t 乩 引脚s o p 1 6 凹)描述 i nl 电源电压输入端，连接到v c c 引脚 v c c2 电源电压输入端 i s e t3 充电电流设置端 p r e t e r m4 预充电电流和充电终止电流阈值设置端 v s s 5 ，6 ，1 1 ，1 2 地 s t a t l7 充电状态指示引脚( 开漏端输出) s 1 28 充电状态指示引脚( 开漏端输出) n t c s e l 9 电池温度监测：l o 10 0 k q 负温度系数电阻选择引脚 x c el o 充电使能引脚( 低有效) 7 乃承1 3 最长安全充电时间设置端 n t c1 4 温度电阻接入端 b a t1 5 电池电压监测端 o u t1 6 充电电流输出端 2 2 2 芯片的最大额定值 最大额定值指芯片所能承受的电压、电流及温度范围，芯片的最大额定值是 相互独立的，不是在正常状态下测量得到的，也不是同时有效的。超出此范围工 作，芯片的功能及可靠性将会受到影响，甚至可能损坏。 根据芯片的应用范围及功能设计情况，如0 8 1 8 的最大额定值要求如表2 2 所 示。 第二章芯片的系统设计 表2 2 芯片的最大额定值 名称最小值典型最大值单位 输入电压( 除v s s 以外的引脚) m 36 5v s i n k s o u p c ec i l r r e l l t ( s t a t l ，s t a t 2 )1 5i n a 输出电流( n t c ) 2 0 0u a 输出电流( o 1 5a e s dh b m ( 所有引脚) 2 0 0 0v e s d m m ( 所有引脚) 2 0 0 存储温度 _ 6 51 5 0 2 2 3 芯片的内部结构 根据充电器电路的主要功能及实现方案，整个芯片的功能框图如图2 2 所示。 整个芯片主要包括以下功能模块： 1 ) 电压基准模块和电流基准模块，用于给其他模块电路提供参考电压和基 准及偏置电流； 2 ) 电池电压检测电路，用于电池短路和电池过压检测、预充电状态切换、 重复充电以及电池插入检测功能等； 3 )电池温度监测电路，用于监测电池温度，输出控制信号调整充电状态， 以满足厄i t a 温度标准； 4 ) 振荡器l ，用于最长安全充电时间计时，振荡频率可通过t m r 电阻调节； 5 ) 振荡器2 ，用于内部防噪声所需锁存时间计时； 6 ) 过温保护电路o t p ，用于芯片温度过高时，关断电路，停止充电； 7 ) 测试电路，用于投片量产后，便于c p ( c k pp r o b e ) 及f t ( f i n a jt e s t ) 测试芯 片的电特性指标； 8 ) 休眠模式电路，用于比较电源电压和电池电压，当电池电压高于电源电 压时，关闭电路，降低功耗，同时防止电池反向漏电； 9 ) 恒压电路v a ，用于控制电路进入恒压充电模式，保证充电电压精度； 1 0 ) 恒流电路c a ，用于控制电路的预充电和恒流充电； 11 ) 热调制电路t a ，用于芯片温度升高时减少充电电流，降低芯片温度，使 芯片温度维持在所设置的调制温度； 1 2 ) 逻辑电路，用于充电控制及充电状态显示。 1 2 智能型锂离子电池充电芯片) a ) 0 8 1 8 的研究和设计 2 2 4 芯片的电特性指标 图2 2 充电器芯片功能框图 结合芯片的应用及2 2 3 节细分的功能结构，本设计芯片正常工作的电特性指 标如表2 3 所示。 表2 3 芯片的电特性指标 参数条件最小值典型值最大值单位 输入电压v c c 5 6 v x c e = h i g i ， 静态电流i c c 1 0 0 2 0 0 u a 0 g r j 垡5 第二章芯片的系统设计 1 3 漏电电流i s l p 睡眠模式下，电池漏电 l5u a - 2 s r b 9 5 4 1 84 2 1 54 2 5 v 充电电压v i 皿l 4 5 s r b v b a t 表明电源电压处于正常的工作范围：若v c c 6 v ，表明输入过压，停止充电，但 电路主要模块均工作；若v c c 4 2( 3 2 ) l 1 0 - v 因此，如果输出没有电池，那么电压会快速的被拉至3 8 v ，从而小于3 9 v ， 判断为电池不存在；如果是大于4 1 v 或十分接近4 1 v 的电池，在如此短暂 的时间内，电压基本不会发生变化，肯定大于3 9 v ，判断为电池存在。 3 3 2 电池检测的时机 所谓电池检测的时机，主要是指在何种的情况下触发电池检测。实际用户使 用充电器的时候，关于电池的接法并不只是先接上电池再上电，还有可能是充电 器先上电再接入电池。对于接好电池后，充电器后上电或后使能的这种情况，电 源电压上电和x c e 引脚使能动作均需要做一次电池检测，检测到有电池且各种充 电条件正常，则开始充电。下面主要分析充电器先上电，或是已经使能后，再接 入电池的这种情况。 充电器上电或使能后，检测出输出端未接电池，并不充电。现在接入锂离子 电池，如何使芯片感知到输出端接入了电池，自动的进入充电流程，是锂离子电 池插入移除智能检测的一个难点。目前同类的国外某些i c 芯片，例如1 1 的 b q 2 4 0 4 0 、b q 2 4 1 7 1 等主要是采用重复电池检测的方法【2 4 】。即当上电或使能后，检 测到输出没有电池，则重复电池检测过程，直到检测到电池接入，进入充电流程。 这种方法虽然可以实现电池接入移除检测，但是由于电池检测需要重复充电和放 电，因此在电池未接入的情况下这种方法浪费了能量，不满足某些客户需求的未 充电时刻的低功耗的要求。 0 8 1 8 采用了一种新颖的电池接入判断方法。通常锂离子电池有三个端口： 正极、负极和n t c 电阻端，根据第二章的图2 2 的芯片功能框图可知，电池n t c 端连接到芯片n t c 引脚后，芯片内部电流流经n t c 电阻，n t c 引脚上的电压反 映了电池的温度信息。如果电池n t c 端未连接到芯片的n t c 引脚，即n t c 引脚 第三章芯片的智能控制方案设计 悬空，无电流流出，因此可以将n t c 电阻是否接入充电器作为电池接入的一个判 断依据。图3 5 给出了电池接入的判断电路框图。 图3 5 电池接入判断电路框图 如图3 5 所示，n t c 电流源串联有电阻r s ，r s 并联在比较器c o m p 的正反输 入端，且比较器的正反输入端存在着一定的失调电压v o s 。当n t c 电阻端未接入 充电器时，流经电阻r s 上的电流为0 ，r s 上的电压为0 ，由于失调电压的影响， 比较器输出为低；当n t c 电阻端接入充电器后，电阻r s 上流经电流i n t c ，且满足： ，| 7 c 咫 ( 3 3 ) 此时比较器正向输入电压高于反向输入端电压，比较器c o 御输出发生翻转，由 低变高，触发电池检测电路工作。 由于电池有三个端口，接入的顺序会有所差别，其中正极和负极接入先后无 差别，但n t c 电阻端和正极，负极接入先后有差别。如果电池正极负极先接入充 电器后，再接入n t c 电阻，会触发一次电池检测，检测到电池存在，进入正常充 电流程；如果n t c 电阻先接入，触发电池检测后，检测到无电池存在，此时电池 的正极负极再接入，则无法重新触发电池检测。因此，仍然有必要引入重复电池 检测。即当芯片检测到输出端电池不存在，且n t c 电阻已经接入，则重复电池检 测，直到正极负极接入充电器。 充电流程中，电池快充满时刻，如果电池电压大于4 1 v ，充电电流小于预充 电电流且无其他异常状态( 即充电环路仍保持开启) ，会触发电池检测，如果电池在， 则判断为充满电，本文中称这次电池检测为t e 蹦触发。整个充电过程中，电池 检测触发时刻控制如图3 6 所示。 如图3 6 所示，触发电池检测的情况主要包括四种：输入电源上电、x c e 引 脚使能、n t c 电阻接入和t e i w 触发。如果检测到有电池，那就进入正常的充电 流程；如果检测到没电池，且n t c 电阻不存在，则停止充电，停止检测；如果检 测到没电池而n t c 电阻存在，则重复电池检测，直到电池插入。 智能型锂离子电池充电芯片x d 0 8 1 8 的研究和设计 图3 6 电池检测控制流程图 3 4 电池温度监测 电池温度监测是智能充电芯片中必不可少的模块，充电器根据监测到的电池 温度情况，调整充电器的充电状态，这就是第一章中所介绍的j e i t a 温度标准。 本文设计的充电器不但满足该标准，而且在其基础上，增加了锂电池初始温度检 测这一功能，以进一步提高充电的安全性和可靠性。 根据j e i t a 温度标准，本文中设定的正常充电过程中的温度范围为2 5 7 ，超出此范围后，停止充电，而且需要返回到o 4 0 以内，电池才能恢复 正常充电。在2 9 内，充电电流减半( 快速恒流充电，预充电除外) ，在4 5 5 7 内，恒压充电电压由4 2 v 降为4 1 v 。所谓锂电池初始温度检测，指的是在电 池的n t c 电阻后的8 0 n 啮内，作为初始温度检测的时间段，在这段时间内，如果 第三章芯片的智能控制方案设计 温度范围超出2 4 2 ，不会对锂离子电池充电，且s m 盯1 以2 5 h z 的频率闪 烁，直到温度恢复到o 4 0 以内，才能恢复正常充电状态。改进后的j e i t a 温 度标准控制流程图如图3 7 所示。 图3 7 改进的j e l l a 温度标准控制流程图 为了扩大使用范围，增加使用的灵活性，芯片通过n t c s e l 引脚可设置接两 种不同型号的n t c 电阻( 常温阻值为1 0 k q 或1 0 0 k q ) 。整个温度监测电路的架构图 如图3 8 所示。 智能型锂离子电池充电芯片) 0 8 1 8 的研究和设计 图3 8 锂离子电池温度监测架构 当n t c s e l 引脚接高电平时，p m o s 开关m l 导通，输出5 “的基准电流；当 n t c s e l 引脚接低电平时，p m o s 开关m 2 导通，输出5 0 p 的基准电流；接负温 度系数电阻砾玎，电阻上的电压即反映了电池的温度，电池温度越高，n t c 引脚 的电压越低。芯片设计时，参照电池生产厂商所提供的温敏电阻阻值和温度的对 照表，根据输出的基准电流，计算出相应的温度点所对应的电压。x d 0 8 1 8 中设计 中所需的计算的温度点为：2 、0 、9 、1 0 、4 0 、4 2 、4 4 、4 5 和 5 7 。其中1 0 为9 的迟滞恢复温度，4 4 为4 5 的迟滞恢复温度。从2 到 5 7 的温度点所对应的电压值分别为：1 8 7 v 、1 6 8 v 、1 0 6 v ，o 9 9 v 、0 2 6 5 i i l v 、 0 2 4 5 m v 、0 2 2 7 i n v 、0 2 1 8 m v 和0 1 3 9 m v 。上述温度点的监测主要用5 个比较器 来实现，如图3 7 所示。其中9 、4 2 和4 5 这三个温度点，主要采用带迟滞的 比较器实现迟滞恢复，而2 和5 7 由于迟滞量较大，采用外部基准电压切换实 现迟滞恢复。另外，为了保证状态监测判断的准确性，比较器的输出会接有延迟 触发模块，延迟触发的时间( 即检测时间) 本文设置为3 2 i 璐。只有经过3 2 l 璐后，确 定比较器发生翻转后，才能将此比较器的阈值切换为迟滞电压。 x d 0 8 1 8 在传统j e i t a 温度标准上有所改进，增加了初始温度检测，如图3 8 中右边的初始温度检测模块和正常充电过程中的温度检测模块，其中唧e t 信 号为这两个模块工作选择信号。当检测到n t c 电阻接入时，n i - d e t 由低变高， 开始初始温度检测。如果初始温度正常，那么经过8 0 m s 后，n i - d e t 由高变低， 初始温度检测结束；如果检测到锂电池温度超出了初始温度，则i i - d e t 保持为 低，直到温度恢复到正常温度中。图3 9 给出了信号小r i _ d e t 的产生电路原理图。 第三章芯片的智能控制方案设计 图3 9i n l _ d e t 信号产生电路 如图3 9 所示，当n t c 电阻接入时，n t cf l o a t 信号由低变高，使d 触发 器1 7 的q 端输出信号i n id e t 由低变高，初始检测开始：经过8 0 i i l s 的计时后， 计数器i o 的输出变低。如果在这8 0 m s 的时间内，检测出初始温度异常，即 t s 烈if a u l t 变高，那么1 1 保持o 不变，d 触发器1 4 的x q 端输出保持为1 ， 因此d 触发器1 7 的输出i n id e t 不会被清零；如果在这8 0 m s 的时间内，检测出 初始温度正常，即t si n if a u l t 保持为o ，那么1 1 在8 0 1 n s 后会由o 变为l ，d 触发器1 4 的x q 端输出变为o ，d 触发器1 7 的输出i n id e t 被清零。 上述初始温度检测实现方式的好处在于能分别输出两个信号t s 玳if a u l t 和t sf a u u ，因此可以通过s t a t l 引脚外接的l e d 来区别指示。当初始温度检 测异常，t si n if a u u 为1 时，s t a t l 引脚外接l e d 以2 5 h z 的频率闪烁；当 正常充电过程中温度检测异常，t sf a u l t 为l 时，s 1 a 1 l 引脚外接l e d 熄灭。 3 5 电池短路保护 锂电池短路时，为了充电的的安全性，充电器不能继续以正常充电电流对短 路的电池充电，而需要限制短路电流【2 5 1 ，通常为1 0 i l 认左右，用于在短路移除后， 唤醒短路电池。 x d 0 8 1 8 中电池短路主要包括两种判别方式：第一种是静态电压判断，即如果 电池电压低于设定0 5 v ，判断为短路；第二种是动态电压判断，如果电池电压在 3 2 m s 内从3 v 以上降至2 5 v 以下，判断为电池短路。动态电压判断相比传统的静 态电压判断而言，反应更为快速，判断更为准确；而静态电压判断可适用于已经 短路的电池接入充电的情况。结合这两种判断方式，可以使短路保护更加可靠。 电路实现上，x d 0 8 1 8 并没用增加电池电压监测比较器，而是两种判断方式共 用一个比较器，通过阈值电压选择切换判断，从而节省了芯片面积。图3 1 0 给出 了短路保护电路的架构原理图。 智能型锂离子电池充电芯片) 0 8 1 8 的研究和设计 图3 1 0 短路保护电路架构图 1 4 为短路监测比较器，阈值电压为传输门1 2 和传输门1 3 组成的选择器输出 2 5 v 或o 5 v 电压，比较器有o 1 v 的迟滞量。信号c c h g 为预充电结束信号，电 池电压高于3 v 时，c c h g 为高，电池电压低于3 v 时，c c h g 为低，其中延迟触 发时间为3 2 m s ，即电池电压低于3 v 后经过3 2 m s 的判断，c c h g 才由高变低。 0 8 1 8 中的短路保护的动态电压判断正是利用了这一信号。短路保护的具体工作 过程分析如下： 假设电池电压大于3 v ，处于正常充电过程，由于异常原因，电池电压迅速下 降，如果在3 2 m s 以内，降至2 5 v 以下，比较器1 4 迅速翻转。经过延迟触发模块 1 5 后( 1 5 的延迟时间为6 4 “s ) ，信号cb a t s c 由低变高，而此时c c h g 信号仍保 持为高，反相器1 7 的输出由低变高，因此d 触发器1 8 的q 输出端信号b a r - s q p 5 变为高，总短路信号b a ts c 变为高，判断为短路。 假设电池电压大于3 v ，处于正常充电过程，由于某种原因，电池电压下降， 如果超过3 2 1 1 1 s ，电池电压才降至2 5 v 以下，此时c c h g 信号已经由高变低，因 此反相器i l 的输出为低，比较器1 4 的阈值电压由2 5 v 切换为0 5 v 。 如果电池电压继续下降，降至o 5 v 以下，比较器1 4 的输出翻转，经过6 4 “s 后，信号cb a t s c 由低变高。由于此时c c h g 已经为低，因此反相器1 7 保持为 低，d 触发器输出b a t _ s c _ 2 p 5 保持为低，而此时反相器1 1 6 的输出b 朋叫p 5 变为高，总短路信号b a ts c 变为高，判断为短路。 对于动态电压判断，当电池电压上升至2 6 v 后，比较器1 4 输出翻转，延迟触 发模块1 9 ( 1 9 的延迟时间为3 2 “s ) 的输出变为低，反相器1 1 0 的输出为高，而b a r _ s c 的电压为高，因此反相器1 1 2 的输出为高，或非门1 1 3 的输出为低，将b a r _ s c _ 2 p 5 输出清为零，短路信号b a t s c 变为低，短路解除。 因为电池移除后，输出电压也会降至o v ，但不能将这种情况误判为电池短路。 第三章芯片的智能控制方案设计 因此，需要引入电池检测中的信号b a ：fa b s 信号，如果电池不在，b a ta b s 为 高，或非门1 1 3 的输出为低，使d 触发器1 8 清零，不会发生短路。 3 6 充电状态显示 x d 0 8 1 8 设有两个开漏端的引脚s 耵虹1 和s t a t 2 来指示充电的状态。通常 s l 虹l 和s t a t 2 驱动l e d 灯，用l e d 的熄灭、闪烁和亮来表明不同的充电情况。 s 可虹的截止和导通分别表示l e d