（电路与系统专业论文）阀控式密封铅酸蓄电池充电芯片的研究与设计.pdf

竺兰查竺圭兰、业竺蔓8 2 昼3 墨立 摘要 随着通讯技术的飞速发展、通信终端设备中分布式电源日趋广泛的应用以及 便携电子产品市场的快速成长，对具有更高效率、更高电源密度、更小占位面积、 更大可靠性和更低成本的电源解决方案提出了迫切的需求。作为一种方便实用的 解决方案，二次电池即可充电电池的大量使用较好地满足了通讯领域发展的需 求。 由于使用寿命长，维护方便，性能优良，成本较低，阀控密封铅酸蓄电池在 二次电池中占据了重要的地位，市场前景广阔。除通讯领域外，在包括电动车等 应用场合都拥有广阔的潜在市场。 二次电池的广泛应用对充电技术以及用于充电控制的集成电路芯片提出了 更高的要求。现在的充电i c ( i n t c j f a t e dc i r c l l i t s ) 不仅要能控制充电电路顺利地 完成电池充电过程，还要求充电过程快速，准确，安全，且在各种变化的条件下 均能正常工作。因此，对蓄电池充电技术的深入研究势在必行，已成为电源技术 发展的一大焦点。然而，迄今为止我国的蓄电池充电芯片市场基本上处于被国外 公司占领的状态。研究开发具有自主知识产权的蓄电池充电i c 产品，对促进我 国集成电路产业的发展具有重大意义。 本文介绍了蓄电池和电源管理i c 相关的技术，在此基础上给出一个阀控式 密封铅酸蓄电池充电芯片v r l a c h a r g i 强的设计：从分析c h a r g e r 芯片的 原理和控制方式开始，根据功能抽象出芯片内部的主要模块，并逐一完成这些模 块的电路设计。这些模块可在各种电源管理i c 中复用，亦为电源管理i c 和各种 s o c 电源模块设计积累了一定的基础；论文由芯片内部电路到外部应用电路， 完成了电路设计的优化和系统的完善。在此基础上，对整个c h a r o e r 系统进 行系统仿真，通过对外电路建模，大大减少了计算量，缩短了设计周期。所提出 的系统仿真方案可以推广到其他高频开关电源系统中，具有普遍意义，是为本文 工作的一个重要特点。 芯片采用1 5 啪b c d 工艺设计，用s p e c 仃e s 进行仿真。仿真结果表明所设 计的b a t t e r yc h a r o e r 芯片内部电路和系统的性能指标己达到设计要求，具 有一定的先进性和实用性。设计方案已可交付f o l l n d r y 进行流片验证。 关键词：蓄电池、电源管理芯片、充电技术、系统仿真 浙江大学硕士毕业论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dg r o w t l li n 也ec o m m 嘶c a t i o na r e a ，d p r ( d i s c r e e tp o w c ra r m y ) h a sm o r ea n di n o f e 印p l i e dt o 也etc o m m u l l i c a t i o ne m m a ld e v i c e s a tm es 锄et i l n e ， t 1 1 ep o n a b l ep r o d u c tm a r k e ti sg r o w i n gr a p i d l y a ht h i sh a sp u t g r e a td e m a n d sf o r p o w e rs u p p l yh a v i n gm o r ee f f i c i e n c y ，h i 曲e rp o w e rd e n s i 劬l e s ss p a c e ，h j 啦r e l i a b l i t y a n dl e s sc o s t a s 觚a v a i la _ b l ea n dc o n v e n i e n ts o l l l t i o n ，t h ed e v d o p m e n to f 也e s e c o n d a r yb a t t e r y t h a t c a i lb ec h a r g e dr c p e a t e d l ys a t i s 位dt h ed e m a n d so f c o m m l l n i c a t i o nm a r k e ta 芏1 da d v a l l c c d “sg r 0 、池 b e c a u s eo fi t sl o n gu s a g el i f e ，c o n v e i l i e mm a i m e n a n c ef e a t u r e s ，q u i t el l i g h q u a l 岭a n dl o wc o s t ，v r l ab a t t e r i e sa t 仃a c t e di n o r ca t t e m i o n si nd i 髓r e n ts e c o n d a r y b a t t e r i e sa n dh a sh a dg r e a tp o t e n t i a l si n 如m r em a r k e t i l l g b e s i d e st l l ec o m 删m i c a t i o n a r e a ，i tc a n 谢d e r 印p l i e dt oo t l l e ra p p l i c 撕o n sl i k ei nt l l ee l e c 仃i c a lv c h i c l e s t h ew i d ea p p h c a t i o n so fs e c o n d a r yb a t t e r i e sf e a t l ya d v a n c e d 也er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e mo fm ec h a r g i n gt e c h l l o l o g y 踮w e l la sm ec h a r g i n gc o n t m li n t e 铲a t e d c i r c l l i t s c h a r g i n gc o n t r o li c ss h o u i dc o n 咖lt h ec h a r g 吨c i r c 血廿yt oc o m p l e t e 恤 c h a r g i n gp m p e r l ya r l dm a k ei tq u i c k l y 、a c c l l r a t e l ya n ds a f e l yn a l s om u s te n s u r et l l a t t 1 1 ec h a r g e r sw o r kp r o p e r l yi nd i 丘b r e n tc o n d “i o n s s oi ti si n e v i t a _ b l et op mm o r c e f r o r t si n t ot h er e s e 盯c ho nc h a r g i n gt e c h n o l o g yr e c e n t l y ，i th a sb e e naf o c u si nt h e p o w e rt e c h n o l o g i e s h o w e v e r ，t 1 1 ec h a 唱i n gc o n 劬1c 1 1 i p sh a v eb e e nm o n o p o l i z e db y f o r e i g nc o m p 枷e sf o rl o n g i ti ss i g n i f i c a l l tt o u rc o u m r yt 0d e v e l o pt l l ec h a r g e ri c s w i mo w n p r o p e r t yr i g h t s i nt 1 1 i st h e s i s ，t h et c c l l i l o l o g yo fs e c o n d a r yba _ t t e r i e s 趾dp o w e rm a n a g e m e mi c s w a si n t r o d u c e dn r s n y t h e nad e s 咖o f v er e g l l l a r e dl e i da c i d ( v r l a ) c h a r g ei cw a sp r o p o s e d b e g i n 舶ma n a l y s i so fm ec h a r g c ri ca n dc o n 仃0 1 m e t h o d s ，t l l ei 皿e rm o d u l e so f t l l ei cw e r ee c 廿c t e d a n dd e s i g no fa l l 也e s em o d l l l e s w a ss u c c e s s m l l yf u l f i l l c ds e r i a t i n lt h e s em o d u l e sc a nb er e u s e di n p o w e r m a n a g e m e n ti c sa sw e ua st h ep o w e rm o “l e s ms o c 1 ki 衄e rc i r c u 池a 1 1 da p p l i e d c i r c u i t sw e r eo p t i l n i z e d b yo u t e rc i r c l l i tm o d e l i n gi “sa c h i e v e dt or c d u c e 枷o u n to f c a 王c u l a t i o ni ns y s t e ms i m u l a t i o na n dt h u sm ed e s i 印p e r i o do fm ec h i p i ti sp o s s i b l e t ou s et h em e t l l o d o l o g yt os y s t e ms i m u l a t i o no fo t h e rp o w e rm a l l a g e m e n ti c st o i m p m v ei t ss y s t e md e s i g n a n di t i so n eo f h i g l l l i g h ti 1 1t l l i s 恤s i s t h ec h i pi sd e s i 萨e di n1 5 u i i lb c dp r o c e s s ，a n ds i m u l 眦db ys p e c 仃es t h e 浙江大学硕士毕业论文 s i m u l a t i o nr e s u h ss 1 1 0 w e dm a ta l ls p e c m c a t i o n s e x p e c t e dw e r ea c l l i e v e d t h ec h i p w i l lb et 印e do u ts 0 0 na 1 1 ds o m eo b v i o u s a d v a l l t a g e sc o u l d b ee x p e c t e d k - c yw o r d s ：s e c o n d a r yb a t t e r y 、p o 、e rm a l l a g e m e n ti c s 、c h a r g i n gt e c l l n o l o g y 、 s y s t e ms i m u l a t i o n 川 浙江大学硕士毕业论文 i亩 2 0 世纪中后期，信息、通信、电子技术等蓬勃发展，大大地推动了电池工 业的进程。特别近3 0 年中，二次电池3 1 发展迅猛，历史悠久的电池采用新技 术、新材料和新工艺，研发和生产出一批高性能、高可靠性的现代二次电池。 新型高性能二次电池的研发，使产品具有更广阔的空间，电池工业将是2 l 世纪 最有发展前途的行业之一，蓄电池充电器也将是2 1 世纪i c 界的一个热门。 蓄电池充电器应用的领域十分广泛，很多通讯设备，如固定电话、移动电话、 小灵通、对讲机、寻呼机等；办公设备，如笔记本电脑、个人数字助理机p e r s o n a l d i g i t a l a s s i s t a n t ( p d a ) 、快译通、文曲星等；家用电器，如遥控器、单放机、 剃须刀、手提电灯、电动牙刷等；音像设备，如收音机、录像机、数码照相机 等；电动玩具，如玩具机器人、玩具电动车、无线电控制玩具等。 铅酸蓄电池是最早的可充电电池之一，在各行各业有着广泛的用途。我国 的铅酸蓄电池年产量已经超过3 1 0 7 k 址，1 9 9 6 年生产厂家已经有4 0 0 0 多家。 因此铅酸蓄电池充电器就显得异常重要。现在市场上充电电池的型号很多，不 同容量需要不同的充电电流。国产的部分专用充电器最大的优势是价格便宜， 不过由于各生产厂采用不同的内部线路和不同的充电方式，很多产品为了降低 成本而使用简单的电子线路，充电效果不佳。阀控式密封铅酸蓄电池充电器 ( v r l ac h a r g e r ) 采用充电控制集成电路，以高频脉动电流给电池充电以 解决极化效应h 1 ，根据不同的电池特性检测不同的参数来准确判断电池是否充 满，并提供温度保护等措施和初始充电前的放电等附加功能，这样就能很好的 对电池进行快速、有效、安全的充电，也解决了大电流充电过程中会出现的极 化效应和电池发热等问题。但是这样的产品都是外国公司生产的，民族企业生 产的充电器一般都很简单，性能也做不到这么好，我们国内的充电芯片还处在 起步阶段，还需要一段很长的时间去摸索。 本设计就是基于上述形式，对阀控式密封铅酸蓄电池充电技术进行了研究。 特别是对v r l a c h a r g e r 芯片的原理、控制方式、内部电路设计、系统仿真 以及系统设计上的一些问题进行了深入细致的研究。 论文从一下几个方面展开： 绪论。对相关的电力电子技术、控制技术、集成电路设计技术以及制造技 浙江大学硕士毕业论文 术进行研究，指出蓄电池充电芯片的独特特点和技术要求。 蓄电池充电技术。在这一章介绍了现在国内外通用的蓄电池充电技术，以 及现在市场上流行的充电器，并比较了他们的优缺点，给出自己采用的技术。 介绍v r l a c h a r g e r 的控制方式、充电模式等。在此基础上对国外一些最先 进的控制技术进行探究。 c h a r g e r 芯片各模块的设计。在对蓄电池充电芯片的整体功能进行了分 析之后，提出了c h a r g e r 芯片所需要的模块电路的设计。 系统仿真。在各模块电路搭建好之后，从整个系统的角度进行了分析和仿真， 完成了对芯片功能性能的仿真验证。对芯片设计可能存在的问题进行了分析， 并尽可能的提出了解决方案。 结论与展望。完成了对整个芯片设计的回顾，并对未来的技术和市场进行 展望。 2 浙江大学硕士毕业论文 第一章绪论 电源管理芯片是模拟芯片里的一个重要组成部分，像l d o ，a p f c ，p w m ， c h a r g e r 等都有着广阔的市场应用前景。与其他模拟芯片不同的是，电源管 理芯片的设计不仅需要模拟集成电路知识，还涉及到多其他领域的知识与技术。 首先，它是建立在电力电子及其控制技术之上而发展起来的，每设计一款电源 管理芯片都需要对相关的电力电子及其控制技术有比较深入的了解，方能完成 设计，并使其真正具有实用价值：其次，由于很大一部分电源管理i c 是将功率 器件、低压逻辑控制电路、相关的驱动和保护电路集成在一块芯片上，形成一 高低压数模混合片上系统【i l ( s o c ) ，故对仿真技术和设计流程也有特殊要求； 最后，这类芯片一般需要特定的工艺来制造，以满足对高电压、大电流的要求。 本章将对这些相关技术进行探讨和研究。 第一节现代电力电子技术 电力电子技术是应用于电力领域的电子技术，也就是使用电力电子器件对 电能进行变换和控制的技术。从转换的功率来讲，可在1 w 1 g w 之间。电子 技术包括电力电子和信息技术两大分支。电力电子技术分为电力电子器件制造 技术和变流技术两大分支：电力电子器件制造技术；电力电子技术的基础，理 论基础是半导体物理；变流技术( 电力电子器件应用技术) ；进行控制的技术， 以及构成电力电子装置和电力电子系统的技术。电力电子技术的核心，理论基 础是电路理论。 在2 0 世纪7 0 年代后期，电力电子技术有了长足的发展，当时的代表器件 有：电力双极型晶体管( b j l ) 、场效应晶体管( m o s f e l ) 、功率晶体管g t r ( g i a m n a n s i s t o r ) 、门极可关断晶闸管( g t 0 1 ) 。其控制方式也有了进一步的发展，已经 以脉冲宽度调制( p w m ) 方式为主了，它和晶闸管电路的相位控制方式相对应， 采用全控型器件的电路作为主要控制方式哺1 。 在2 0 世纪8 0 年代后期，以绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 为代表的复合型器 件得到了迅速发展，它的出现极大的满足了市场的需要，因而在很大程度上改 变了电力电子技术的发展进程。i g b t 把场效应晶体管m o s f e t 和双极型晶体 浙江大学硕士毕业论文 管b j t 结合到了一起。它既有场效应管m o s f e t 的优点，也有双极型晶体管的 优点。驱动功率小、开关速度快、通态压降小、载流能力大，性能十分优越， 因而成为现代电力电子技术的主导器件。与i g b t 相类似的是m o s 控制晶闸管 ( m c t ) 和集成门极换流晶闸管( i g c t ) ，他们都是场效应管m o s f e t 和晶闸管 g t 0 的复合管。由于它们也具有了m o s f e t 和g t o 两种器件的优点，因此在 市场上也很受喜爱。随着技术的不断进步，人们的要求也越来越高，毕竟分立 的器件成本太高，一种降低成本的做法应运而生，这就是集成电路。它们把若 干个电力电子器件及必要的辅助元件做在一个板子上，外面接出引线，就象一 个器件一般，不过功能已经比较全面，这极大地方便了使用者。 最初的集成电路还是板子级的，象现在的电路板p c b 差不多，这是诞生于 美国的。后来，人们把越来越多的器件集成到一起，包括驱动、控制、保护电 路和功率器件等，这是最初的功率集成电路( p o w e ri c ) 。由于集成电路的制造特 点，决定了它的功率不能很高，但这代表了电力电子技术发展的一个方向。随 着工作频率地不断提高，电力电子器件的开关损耗也随之增大。为了减小开关 损耗，软开关技术便应运而生。零电压开关( z v s ) 和零电流开关( z c s ) 就是软开 关的最基本形式。从理论上讲，采用软开关技术可使开关损耗降为零，可以提 高效率。另外，它也使得开关频率可以进一步提高。现代电力电子技术的特点 如下： 1 ) 、高频化。在电力电子领域里，电路的供电频率跟电路的体积大小成反 比的，频率越高，所需的电路就越小，越简单，因此高频化是电力电子电路的 一个发展方向。现在这方面的技术也发展很快，取得了很好的应用效果。 2 ) 、模块化。模块化也是减小电路体积，使电路简单化的一个重要手段。 将很多电路都做到一个模块里边之后，应用电路将简单很多。它主要包括两个 方面的内容，一是功率器件的模块化，二是电源单元的模块化。 3 ) 、全控化。全控化也是现代电力电子电路的一个重要发展方向，它不仅 姚可以控制电路的开启和关断，还要能控制电路的应用过程，在8 0 年代计算机 应用到工业领域之后这个也得到了很好的实现。而早期的功率器件只能控制开 启，而不能控制关断，只能依靠外加的强迫换流电路来关断。 4 浙江大学硕士毕业论文 第二节集成电路设计技术 早在上世纪8 0 年代，由于数字电路的流行，使得模拟电路渐渐退出了一些 领域，一些专家就预言模拟集成电路设计将会逐渐走向消亡。可是2 0 多年过去 了，模拟集成电路还是不可取代，而且在很多领域，数字模拟都可以实现的时 候，往往模拟电路能表现出更好的性能。很多公司也意识到了模拟集成电路技 术的重要性，并在模拟电路的设计领域里有自己的建树，比如t i ，a d i ，n s c 等公司，不断的改进模拟电路的设计理念，不断更新电路所应用的工艺，使得 模拟集成电路的设计走向了一个更广阔的天地。 自9 0 年代开始，许多国际著名的公司都投入了很多的精力来研究和开发电 源管理芯片( p o w e rm a n a g e m e n ti c ) ，并取得了很好的成绩，其应用广泛渗透 到各个领域中去。电源管理集成电路已成为集成电路技术发展的一个极为熏要 的分支，而且在市场上广受欢迎，因为无论何时何地，降低使用成本都会是热 门。目前已知做电源管理芯片的公司有t i ，a d i ，n s c ，m p s ，p w e r i n t e g r a t i o n ， p a m 等公司。而在做s o c 的公司里电源管理也是很重要的部分，比如s a m s l l l l g ， 0 i 皿i v i s i o n 等。 下面我将从工艺，设计流程及仿真工具等方面就电源管理集成电路和数模 混和集成电路进行比较，以期得出共性，及设计电源管理电路的注意点。 ( _ ) 阀控式铅酸蓄电池充电芯片对工艺的要求 阀控式铅酸蓄电池( v m ac h a r g 职) 芯片的设计目标如下：工作在供 电电压为1 4 v 的条件下，产生可达1 a 的输出电流，具有过压欠压的保护功能， 工作温度为一4 0 6 5 。 它的特点为： 可调节充电电流大小。 可调节充电电池的数量。 正常的工作电压为9 1 4 v 。 过压和欠压时都启动保护电路。 电路工作在开关模式。 浙江大学硕士毕业论文 对于9 1 4 v 的工作电压而言，很多管子就会面临v d s 过压的情况，除非 采用特殊的电路结构，这就需要我们采用耐高压的m o s 管。对于一般的c m 0 s 工艺而言，b i c m o s 工艺更复杂，成本也更高，但是它所达到的性能也是普通 c m o s 工艺所不能比拟的。接下来我将介绍各种工艺，比较他们的优缺点，并 最终选择了a b c d l 5 0 作为本次设计所采用的工艺，它完全能达到本次设计所 需要的工艺要求。 o 集成电路制造工艺介绍 ( 1 ) 、双极工艺介绍 双极工艺的基本有源器件是双极型晶体管，故称为双极工艺。它可以简单 的分为两类：一类为在元器件问要做电隔离区，如p n 结隔离，全介质隔离及 p n 结全介质混和隔离等。另一类为元器件间自然隔离，如1 2 l 电路。 双极型电路的优点：电源电压及输出摆赋予器件尺寸无关，负载电容对速 度影响较小，比较容易获得良好的功耗速度值m 。因此，硅双极型器件在超高 速大型计算机的c p u 中及其它一些高速客户专用电路( a s i c ) 中依然占有重 要地位。 它的缺点主要有下面几点：1 ) 由于各接触孔之间要留有间隔、p n 结隔离之间要留有间隔等造成了管子面积很大，集成度不高。2 ) 因集电极与 基极之间没有隔离，虽然有n + 埋层存在，仍存在集电极电流的横向效应，而且 这一效应随b c 间距减小而增加，严重影响双极器件的直流特性n 1 。 双极工艺需要用到很多的技术，工艺复杂，流程也很长，以提高速度和集 成度为目标则还有更多的路要走。 ( 2 ) 、m o s 工艺 双极型工艺的器件速度快，驱动能力强，但是它的电流大，因而功耗也大， 不符合降低功耗的发展趋势，而且输出电压幅度都有阈值损失。m o s 工艺就是 在这样的市场需求下应运而生的。m o s 工艺根据有源期间导电沟道的不同而分 为p m o s 工艺、n m o s 工艺、c m o s 工艺。其中c m o s 工艺是现在集成电路 产业的主流工艺，因为它具有较低的静态功耗、宽的电源电压范围、宽的输出 电压幅度( 无阈值损失) ，且具有高速度、高密度的潜力。又可以与双极电路兼 容，所以应用很广泛。 6 浙江大学硕士毕业论文 c m o s 电路工艺中的基本单元是p m o s 管和n m 0 s 管，它将两种m o s 工 艺的优点进行了结合。现在有体硅结构和绝缘体上硅两种结构来实现这种工艺。 现在的f o u l l d r y 大部分都是c m o s 工艺的，比如中芯国际，台积电等。只不过 特征尺寸在一天天减小。 n 阱c m o s 工艺。 之所以叫n 阱c m 0 s 工艺，是因为在p 衬底上做了n 阱，然后在n 阱里 面做p m o s 管，这样p m 0 s 和n m o s 管都能做到同个衬底上面而得名。它 需要经过很多的工艺程序才能做到4 踟。n 阱c m o s 工艺的原始材料是以p + 或n + 为衬垫的轻掺杂外延层，其浓度和厚度可控，杂质分布均匀，双阱c m o s 工艺参数分别优化，因而m o s 器件的阈值电压、体迁移率和跨导等参数均可 分别优选，从而有利于抑制m o s 器件的闩锁效应。 如图1 2 1 所示为具体工艺流程图： 鱼唑璺些坠堕里 m n 血! ! ! 坠 ( b ) 一1 j 遘浒 p m m u 一 曲 翌雪 篓i 一 雾 浙江大学硕士毕业论文 壁童 图1 2 1n 阱工艺流程示意图 下面介绍一下它的工艺流程： 硅片准备。一般采用轻掺杂p 型硅片m 1 。为了更好的克服寄生闩锁效应， 器件可以做在p + 硅片的p 一外延层上，但是造价比较昂贵。 阱的制备：热氧化，形成缓冲层，从而减少下一个淀积s i 3 n 4 在硅表面造 成的应力，随后l p c v ds i 3 n 4 。第一次光刻形成n 阱( 涂胶，压版，显影，坚 膜) ，入图所示，n 阱注入，先注入p + ，然后注入a s + 。两次注入可以保证 退火后阱区的均匀性，同时有利于防止穿通以及场区开启h 8 1 。随后对n 阱进行 氧化，形成较厚的氧化层，作为掩蔽层从而阻挡在p 阱注入时，对n 阱的注入。 p 阱的形成，进行p 阱b 注入，随后进行第二或第三次b 注入以防止器件穿通， 并进行退火以使杂质推进到所需的深度。 场区隔离：不同的隔离方式，具有不同的流程。对于l o c o s 隔离，首先 要生长缓冲层氧化层并l p c v ds i 3 n 4 。第二次光刻形成场区。反应离子刻蚀 s i 3 n 4 ，并可进行场区注入以防止场区开启h 引。场区氧化。对于浅槽隔离s t i ， 8 浙江大学硕士毕业论文 首先进行第二次光刻形成场区，并刻蚀沟槽和场区注入。c v d 淀积二氧化硅和 阻挡层。最后是c m p 平坦化。 c m o s 器件的生成。 闽值调整注入。首先生长屏蔽氧化层并进行第三此光刻，对p m o s 进行 阈值调整注入1 。然后进行第四次光刻，对n m o s 进行阈值调整注入。最后去 胶和屏蔽氧化层。 形成栅：清洗后生长薄栅氧化层并淀积多晶硅，进行第四次光刻，形成 栅电极图形。 源漏的形成：光刻p 型注入区，露出所有p m o s 有源区，然后对于l d d 结构进行l d d 注入。对源漏扩展结构则进行p m o s 的去注入和l l a i o 注入。光 刻n 型注入区，露出所有i l m o s 有源区，进行l d d 注入。然后淀积二氧化硅， 并各向异性刻蚀形成侧墙棚。预非晶化离子注入。p + 注入区光刻，并对p m o s 进行源漏重掺杂注入。矿注入区进行光刻，并对源漏重进行掺杂注入，同时形 成n + 多晶硅和p m o s 的n + 体区引出。r t a 退火用以实现杂质激活。进行自对 准硅化物工艺，形成源漏接触。 c m o s 工艺的缺点 c m o s 工艺的优点在于它的集成度高以及功耗低，尤其是c m o s 反相器的 功耗可以为零，这是双极工艺所不能比拟的，但是它也有自己的一些缺点，比 如闩锁效应。 ( a ) 图1 2 2 闩锁效应示意图 d c 5 v c u i tm o d e l 如图1 2 - 2 所示，p m o s ，n m o s 做在同一个m f c r 上面，p m o s 生长在n 阱中。 衬底为p 注入，n 阱为n 注入，n m o s 的扩散也是n 注入，他们三端可以形成 一个寄生p n p 晶体管q 1 。衬底，n 阱，跟p m o s 的注入之间形成一个寄生的 9 浙江大学硕士毕业论文 n p n 晶体管q 2 。每一个双极型晶体管的基极都与另一个的集电极相连，另外 由于n 阱电阻的限制和衬底，q 1 和q 2 的基极各自对v 叻和地有一个寄生电阻 2 1 。因此寄生电路的等效电路可以被画成图1 2 2 ( b ) ，可以看出q 1 ，q 2 形成 一个正反馈环，当v x 升高时，一股电流注入x 点，i c 2 增大，引起y 点电压 降低，q 2 管e b 结电压增大，电流增大，x 点电压再次被拉高。这样循环终至 q 1 ，q 2 导通，从电源处拉走大的电流，而且能弓| 起电路其他部分不能正常工 作，这就是闩锁效应。在c m o s 集成电路里面，它危害很大，对应的处理方法 是p m o s 衬底接高电平，n m o s 衬底接地，让p n 结反偏，这样闩锁效应从电 路的角度上得到了避免。 ( 3 ) 、a b c d l 5 0 工艺介绍 通过上面两小节的介绍，我们可以发现，双极型工艺和m 0 s 工艺都有自 己的特点，双极型工艺工作速度快，驱动能力强，而m o s 工艺输入阻抗高、 开关速度快，热稳定性n 1 好。这些特点在v m ac h a r g e r 中都需要，因此我 们采用了a b c d l 5 0 工艺，它兼具两种工艺的优点，是最佳的选择。下面是对 其简单的介绍。 采用p n 结隔离技术，集成双极型的c m o s 和d m o s 的器件结构，在工艺 上要实现双极型，c m 0 s 和d m 0 s 的工艺兼容的技术就是b c d 技术。d m 0 s 是d o u b l e d o p i n gm o s ，重掺杂m o s 管。它的特点是能耐高压，目前的耐高 压m o s 器件有v d m o s 、v v m o s 等结构。它们的耐压非常高，但由于是纵向 结构，不适合与平面结构的集成电路相结合，因此i c 中的高压器件目前多采用 l d m o s ( l a t c r a ld o u b l e - d o p m gm o s ) 管。与双极型器件相比，它具有普通m o s 器件的优点，如输入阻抗高、开关速度快、热稳定性好等。由于l d m 0 s 器件 的三个电极均在表面引出，虽对封装密度有所影响，但易于与其它双极型及 m o s 器件集成，所以在高压与功率集成电路中具有巨大的应用前景旺1 。c m o s 工艺与b i p o l a r 工艺不同，可以不采用外延片而直接在硅单晶片上制作电路，这 样做可以有效地降低成本，成为当今c m o s 代工线的主流技术路线n 2 1 。为了 与其兼容，也要研究直接制作在p 型硅单晶上的l d m o s 结构。图1 2 4 给出 的是a b c d l 5 0 工艺中一种直接制作在硅单晶片上的高压l m o s 的剖面示意 图。 浙江大学硕士毕业论文 图1 2 3 高压l d m o s 器件剖面示意图 它能承受高压的原理2 1 如下：漏区n 阱很大的纵、横向尺寸构成了一个特殊 的载流予漂移区，这一区域可以承受很高的反向压降。对于图1 2 3 的结构来说， 就是p - 型衬底杂质浓度、n 阱杂质浓度和n 阱结深应满足一定的关系。这样就 可以使击穿尽可能发生在半寻体内部而不是在表面，就可以通过控制内部p n 结的杂质分布状态来控制击穿电压并使其达到理想的最大值。 下面是a b c d l 5 0 里面其他m o s 管的版图结构： 图1 2 4 l v p m o s 和h v p m o s 剖面示意图 图1 2 5 l v n m o s 和h v n m o s 剖面示意图 浙江大学硕士毕业论文 第二章阀控式铅酸蓄电池充电技术 在这一章里，首先介绍一下铅酸蓄电池的发展历史和技术，再具体讨论一 下铅酸蓄电池的充电技术，并对国内国外的技术做出比较和评价。 第一节铅酸蓄电池技术概述 从文献【1 l 】到【1 4 】中总结得到本节内容：蓄电池通过化学反应来取得 能量，是一种通过化学反应来获取电能的器件，又叫化学电源。化学电源是在 氧化还原的电化学过程中将化学能转化微电能的。它的结构跟普通电池一样， 是由正极、负极、电介质构成。在工作时，正极和负极发生化学反应而放电， 因此蓄电池在使用后，必须用充电器对其进行充电。 铅酸蓄电池通过极板化成，在正极板上生成二氧化铅，在负极板上生成海绵状 铅。在硫酸电解液中，正极负极电位不同，分别为1 6 8 2 v 和一0 3 9 5 v ( 对于单 个电压为2 v 的铅酸蓄电池而言) 。可以在很大的温度范围那正常工作，一般厂 家的铅酸蓄电池工作的温度范围都在一4 0 6 5 之间。 铅酸蓄电池技术在近代有了重大突破，性能有了极大提升，主要标志是2 0 世纪7 0 年代发展的阀控式密封铅酸蓄电池( v r l a ) 。v r j a 的应用范围很宽， 可以用在低电压的移动手持电子设备，比如p d a 中，也可以用在通讯设备中， 高电压的v r l a 电池还可以用在电动自行车中，市场需求十分强劲。 第二节也a 电池的工作原理及特点 自文献【8 】中得到：阀控铅酸蓄电池的工作原理基本上沿袭传统的铅酸蓄 电池，它的正极板是由二氧化铝( p b 0 2 ) 构成，负极板是由海绵状金属铅( p b ) 构成，电解液是硫酸( h 2 s 0 4 ) ，其电极反应方程式如下： 正极：p 6 s d 4 + 2 丑2 d p 6 d 2 + 月4 一+ 3 日+ + 2 b( 1 ) 负极：p 6 舳4 + 日+ + 2 p p 6 + 脚4 一( 2 ) 整个阀控式铅酸蓄电池的化学反应方程式如下： 2 p 6 s 0 4 + 2 日2 d 铮尸6 0 2 + 2 胃2 s d 4 + p 6( 3 ) 阀控铅酸蓄电池的设计原理很简单，就是把所需要的分量的电解液注入极 1 2 浙江大学硕士毕业论文 板和隔板中，这个分量是要经过严格计算的。没有游离的电解液通过负极板的 潮湿特性来提高吸收氧的能力。其结构如图2 2 1 所示。整个蓄电池的化学反应 在密封塑料外壳内进行，出气孔上加上单向安全阀。这种蓄电池结构，在规定 充电电压下进行充电时，正极析出的氧气( 0 2 ) ，可通过隔板通道传送倒负极板 表面还原为水( h 2 0 ) 。阀控密封铅酸蓄电池采用负极板比正极板多出1 0 的容 量，使氢气析出时电位提高，加上反应区域和反应速度的不同，使正极板出现 氧气先于负极板出现氢气。 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 图2 2 - 1 阀控式密封铅酸蓄电池 正极电解水的反应如公式( 3 ) 如下： 2 h 2 0 _ 0 2 “h + + 4 e( 4 ) 氧气通过隔板通道或顶部到达负极进行化学反应，如式( 4 ) 所示： 2 p b + 0 生+ 2 h 2 s 0 4 2 p b s 0 4 + 2 h 2 0 ( 5 ) 负极的金属铅反应后成硫酸铅，经过充电又变成金属铅，反应式如下： p b s 0 4 + 2 e + 一一p b + h s 0 4 ( 6 ) 上述化学反应式( 1 ) ( 6 ) 反映了阀控式密封铅酸蓄电池特有的内部氧 循环反映机理。在理想情况下的充电过程中，电解液中的水不损失，因此阀控 密封铅酸蓄电池在使用过程中也就可以实现不加水的目标。 浙江大学硕士毕业论文 v r l a 铅酸蓄电池在开路状态下，正、负极活性物质( 二氧化铅和金属铅) 与电解液的反应趋于稳定，即电极的氧化速率和还原速率相等，正负极板的活 性物质总量趋于守恒，此时的电极电势为平衡液电势。当充电反应进行时，正、 负极活性物质p b 0 2 和海绵状金属铅分别通过电解液反应与其放电态物质硫酸 铅来回转化，这就是v r l a 蓄电池的大致工作原理，下面详细叙述充放电的过 程。 放电过程 v r l a 蓄电池的放电过程就是将化学能转变为电能输出给负载，给后面的 负载供电。在放电过程中，对负极而言是失去电子被氧化，形成硫酸铅：对正 极而言，则是得到电子被还原，同样是形成硫酸铅。反应的净结果是外电路出 现了定向移动的负电荷，这就是释放出的电能，他将提供能源。 在充放电过程中，v r l a 蓄电池的端电压会有很大变化，这是因为正、负 极的电极电势离开了其平衡状态，即正、负极电势发生了极化。阀控密封铅酸 蓄电池的极化是由浓差极化、电化学反应和欧姆极化三种因素造成的，由于这 三种因素的存在，才有阀控铅酸电池使用过程中对充放电电压电流的严格限制， 以免对电池的性能造成较大的影响。 充电过程 v a 蓄电池的充电过程是将外电路提供的电能通过化学反应转化为能 量储存起来。就充电的实质而言，是负极的硫酸铅被还原为金属铅，正极的硫 酸铅被氧化为二氧化铅。负极被还原的速度大于硫酸铅的形成速度，导致硫酸 铅被转化为金属铅。正极的硫酸铅被氧化为二氧化铅的速度增大，超过了生成 硫酸铅的速度，因此正极被转化为二氧化铅。 阀控密封蓄电池在充电时，特别是充电末期，正极会产生氧气，负极会析 出氢气。由于阀控密封铅酸蓄电池是全密封的，而且他们发生反应成为水而消 气的速度小于气体产生的速度，所以气体会越来越多。产生的气体不会象普通 蓄电池那样随时都可以通过开口而散发到体外去，因此会在槽内积聚。随着气 体的增多，电池内部的压力逐渐上升。随着电池内部压力的上升，正极产生的 1 4 浙江大学硕士毕业论文 氧气会跑到负极上。由于氧原子有很强的氧化性，可以把负极的金属铅氧化， 生成氧化铅，氧化铅又跟硫酸反应生成水和硫酸铅。硫酸铅在充电时又生成金 属铅，这样的反应会一直重复进行，使得正极产生的氧气大部分都被负极吸收 掉了，在正常情况下实现了氧的内循环，在电池内部析出氧气而又消灭掉了氧 气，于是v r l a 蓄电池内部压力不会继续上升。 阀控密封铅酸蓄电池在充电时正极产生的氧被负极吸收了，所以可以将开 口结构做成密封结构。但是当充电电压达到氢离子放电的电位时，氢气还是会 产生的。因此所有的阀控密封铅酸蓄电池都有一个在一定范围内的浮充电压值， 其道理就是要控制氢气的产生，防止阀控密封铅酸蓄电池失水。 第三节阀控密封铅酸蓄电池的特性 阀控密封铅酸蓄电池( v r l a ) 的寿命通常分为循环寿命和浮充寿命两种。 阀控密封铅酸蓄电池的容量减少到规定值以前，其充放电循环次数成为循环寿 命。在正常维护下，阀控密封铅酸蓄电池( v r l a ) 浮充供电的时间称为浮充 寿命。阀控密封铅酸蓄电池( v r l a ) 的浮充寿命可达1 0 年以上。 ( j 初始充电 充电时间与充电速率有关。当充电速率大于c 5 ( c 为蓄电池额定容量) 时， 阀控密封铅酸蓄电池( v r l a ) 容量恢复到放出容量的8 0 左右，就开始过充 电反应，而过充电的后果比较严重，因此充电速率大于c 5 时就算大电流充电。 当充电速率小于c 1 0 0 时，阀控密封铅酸蓄电池( v r i a ) 容量恢复到1 0 0 后 再开始过充电反应，这种充电叫涓流充电。为了加快充电速率，缩短充电时间， 需要采用较大速率来充电。为了使阀控密封铅酸蓄电池容量恢复到1 0 0 ，必 需允许一定的过充电，当发生过充电反应后，单个阀控密封铅酸蓄电池的电压 迅速上升，达到一定数值后，上升速率开始减小，然后电池端电压也开始缓慢 下降。由此可知，阀控密封铅酸蓄电池充足电后，维持其容量的最佳方法是在 阀控密封铅酸蓄电浊组两端输入恒定的电压，这个电压叫浮充电压，因为它实 际上已经不在充电，只是维持了v r l a 蓄电池充满水平。因此。最佳的充电方 法就是阀控密封铝酸蓄电池( 也a ) 充足电后，充电器应输出恒定的浮充电 压。下图示出了初始充电时间与充电速率的关系 浮充电 - -o ， i - l o ， 量f 粉 图2 3 1 初始充电时间与充电速率的关系b 7 1 ( 1 ) 浮充电压 阀控密封铅酸蓄电池( v r l a ) 的浮充电压等于开路电压和极化电压之和。 而v r l a 蓄电池的开路电压为电解液比重核电结业比差系数之和，电解液比差 系数一般是o 8 5 。由市场上流行的阀控密封铅酸蓄电池参数可以得知，他们的 极化电压通常为o 1 0 o 1 8 v 。例如美国圣帝公司生产的阀控密封铅酸蓄电池 ( 单体电压为2 v 的阀控密封铅酸蓄电池) 电解液比重为1 2 4 c m 3 ，所以它的 浮充电压为2 0 9 v 。日本y u a s a 公司生产的阀控密封铅酸蓄电池的浮充电压 为2 2 3 v 。 ( 2 ) 浮充电流 阀控密封铅酸蓄电池的浮充电流有三个作用u ：其一是补充阀控密封铅酸 1 6 u ” u u o u 哺 协 v惜量基馨 浙江大学硕士毕业论文 蓄电池自放电的损失；其二是向日常性负载提供电流；其三是浮充电流值要足 以维持阀控密封铅酸蓄电池内部的氧循环。 浮充电压不能过高，如果太高了的话充电电流太大，会引起v i 也a 蓄电池 过充，这样会缩短它的寿命”。因浮充电流的主要作用是补充阀控密封铅酸蓄 电池自放电而失去的电量、维持其内部的氧循环及向日常性生活负载提供电流， 因此浮充电压可以设的低一些，比如单体额定电压为2 伏的，浮充电压在 2 1 0 v 2 3 0 v 之间都可以。 ( 3 ) 端电压的偏差( 静态偏差与动态偏差) 动态偏差在阀控密封铅酸蓄电池的浮充运行初期交大。实际上，对于刚出 厂的阀控密封铅酸蓄电池，因部分蓄电池中的电解液处于饱和状态，所以会影 响氧复合反应的进行，从而使浮充电压过高。 ( 4 ) 气体的复合 当充电电流在o 0 2 c 以下时，气体1 0 0 复合，正极析出的氧气扩散到负 极表面，并