（电路与系统专业论文）锂电池充电器芯片的研究与设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 随着便携式电子产品的高速发展以及可充电电池市场的不断增大，研究如何 充分适应电池特性，最大可能延长电池寿命，并且符合电子设备充电单元小型化 的发展趋势，具有较高效率、安全快速的充电器芯片，具有十分重要的意义。 本文从锂电池化学特性与工作原理入手，通过对可充电电池特性认识以及常 用充电方法的研究，分析了充电过程及充电方法对锂电池性能的影响，并在此基 础上完成了一款锂离子电池线性充电器芯片的设计。该锂电池充电器芯片采用了 恒流恒压( c c c v ) 线性充电方式，能够提供高达1 a 的可编程充电电流，为充分 保护电池，将充电过程细分为三个阶段：涓流预充电、恒流充电和恒压充电。先 检测待充电电池电压，对过放电电池在充电初期采用涓流对电池进行激活处理； 然后采用较大的恒定电流对电池充电，实现快速充电的目的；充电后期采用恒压 浮充，确保电池充满。这种充电方式具有充电时间短，充电效率高的优点。芯片 内部检测电路通过检测锂电池的电压和电流，确定锂电池应该进行的充电阶段。 本文设计的充电器芯片面向单节锂电池，除了具有完善的充电算法外，提供 了基于可设置时间和可设置电流的充电终止方案。芯片内部使用专门的带隙基准 电压源以及基准电流源，高电源抑制以及出色的温度特性保证了浮充电压精度。 由于对芯片整体电路的设计采用了内部m o s f e t 架构，无须使用外部检测电阻器 或外部隔离二极管，因此基本充电器电路仅需要两个外部元件，简化了芯片应用， 热调整功能可自动调节充电电流，以便在大功率工作或高环境温度条件下对芯片 温度加以限制。对应于每一项技术或功能，文章介绍了各个电路模块的结构和工 作原理。 最后，文章基于0 5 u m 的c m o sn 阱工艺库对重点模块电路以及整体电路做 了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；充电器；电池管理 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fp o r t a b l ea p p a r a t u sa n ds e c o n d a r yb u i l t i nb a t t e r yh a sb e e n p r o l i f e r a t i n gr a p i d l yi nr e c e n ty e a r s ，i ti ss i g n i f i c a n ta n dn e c e s s a r yt og i v ear e s e a r c h o nd e s i g no fs a f er e l i a b l e ，f a s ta n dh i g l le f f i c i e n tc h a r g e rw h i c hi ss u i t a b l et ob a t t e r y c h a r a c t e r i s t i c ，a b l et oe x t e n dt h eb a t t e r yl i f ea n di na c c o r dw i t hm i n i a t u r i z a t i o no f c h a r g i n gu n i t 1 1 1t h i s 也e s i s ，t h ec h e m i cs t r u c t u r e p e r f o r m a n c ea n dc h a r g i n gm e t h o do f l i t h i u m i o nb a t t e r ya r es t u d i e d a n dd i f f e r e n ti m p a c t so nt h ep e r f o r m a n c eo fb a t t e r y v i ad i f f e r e n tc h a r g i n gw a y sa n dp r o c e s sa r ea n a l y z e di nd e t a i l ，b a s e do nw h i c h ，a l l l i n e a rc h a r g e ri cf o rl i i o nb a t t e r yi sd e s i g n e d u s i n gt h ec o n s t a n tc u r r e n t c o n s t a n t v o l t a g ea l g o r i t h m ，t h ec h a r g e rc a nd e l i v e ru pt 0l ao fp r o g r a m m a b l ec h a r g ec u r r e n t 1 1 1 ec h a r g i n gm o d ei n c l u d e st h et h r e ec h a r g i n gs t a g e s ：t h et r i c k l ec h a r g i n g ，l a r g e c o n s t a n tc u r r e n tc h a r g i n ga n dc o n s t a n tv o l t a g ec h a r g i n g t h et r i c k l ec h a r g i n gu s e s s m a l lc u r r e n ta tn l ei n i t i a lo fc h a r g i n gc y c l et of i xa n dp r o t e c tt h eo v e r - d i s c h a r g e d b a t t e r y ；a f t e rw h i c h t h eb a t t e r yw i l lb ec h a r g e db yl a r g ec o n s t a n tc u r r e n tt or e a l i z et h e f a s tc h a r g i n g ；f i n a l l y , t h ec o n s t a n tv o l t a g ec h a r g i n gi sa d o p t e dt og u a r a n t e et h a tt h e b a t t e r yi sc h a r g e dt oi t sf u l lc a p a c i t y t h ea d v a n t a g e so ft h i sc h a r g i n ga l g o r i t h ma r e s h o r t e rc h a r g i n gt i m ea n dh i g h e re f f i c i e n c y t h ec h a r g e ri cm o n i t o r st h ev o l t a g ea n d c u r r e n ti nb a t t e r yt oc o n f i r mt h ec h a r g i n gs t a g e t h ec h a r g e ri cd i s c u s s e di nt h i st h e s i s i s d e s i g n e dt oc h a r g es i n g l ee e l l l i t h i u m - i o nb a t t e r i e s b e s i d e si t se x c e l l e n tc h a r g i n ga l g o r i t h m ，b o t hp r o g r a m m a b l e t i m ea n dp r o g r a m m a b l ec u r r e n tb a s e dt e r m i n a t i n gs c h e m e sa r ea v a i l a b l e ab a n d g a p v o l t a g er e f e r e n c ea n dac u r r e n tr e f e r e n c eu s e di nt h ec h a r g e ra r ed e s c r i b e d , w h i c hh a s s u c hh i g hs u p p l y - v o l t a g er e j e c t i o nr a t i oa n dg o o dt e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i ct h a t g u a r a n t e e sf m a lf l o a tv o l t a g ea c c u r a c y n oe x t e r n a is e n s er e s i s t o ro re x t e r n a lb l o c k i n g d i o d ei sr e q u i r e df o rc h a r g i n gd u et ot h ei n t e r n a lm o s f e ta r c h i t e c t u r e t h u s t h e b a s i cc h a r g e rc i r c u i tr e q u i r e so n l yt w oe x t e m a lc o m p o n e n t s ，w h i c hs i m p l i f i e st h e a p p l i c a t i o n i n t e r n a lt h e r m a lf e e d b a c kr e g u l a t e st h ec h a r g ec u r r e n tt om a i n t a i na c o n s t a n td i et e m p e r a t u r ed u r i n gh i 曲p o w e ro p e r a t i o no rh i g ha m b i e n tt e m p e r a t u r e c o n d i t i o n s t h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo fe a c hc i r c u i tm o d u l ea l s oa r ep r e s e n t e d t h ec i r c u i ti ss i m u l a t e dv i ah s p i c eb a s e do n0 5 u r nnw e l lc m o sp r o c e s s ， w h o s er e s u l t sd e m o n s t r a t et h ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c eo ft h el ib a t t e r yc h a r g e ri c d e s c r i b e di nt h i st h e s i s k e yw o r d s ：l i i o nb a t t e r y ；c h a r g e r ；b a t t e r ym a n a g e m e n t 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。 本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明 确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。 尸- - i - 明人( 签名) ：磊 二。7 年r 月即e 1 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大 学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电 子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学 校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适 用本规定。 本学位论文属于 1 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( 以 ( 请在以上相应括号内打“4 ) 作者签名：芝磊 日期：一z 口夕年5 月弦日 导师签名：穆 日期：勿夕年厂月加日 绪论 1 1 锂离子电池特性与充电器 1 绪论 电池是十九世纪人类最伟大的发明之一，是人类社会必不可少的便捷能源。 从铅酸电池、氧化银电池，到后来的镍镉电池以及锌锰电池等，电池理论与技术， 经历了一个多世纪的快速发展时期。随着人们环保意识的日益增加，铅、镉等有 毒金属的使用日益受到限制，因此需要寻找新的可代替传统铅酸电池和镍一镉电 池的可充电电池，另外，随着电子产品技术的不断发展，便携式应用对电池更提 出了许多独特要求：电池必须具有高能量密度，以为便携式应用提供源源不断的 能量( 突发或连续模式) ；电池重量要轻，占位面积要小；电池应能够安全地使用 和防止可能的滥用，并具有无限期的闲置使用寿命；最后，电池应该具有极低的 成本 1 。由于锂离子或锂聚合物电池能满足大多数上述要求，因此它们已经成 为当前便携式应用的首选电池。 锂离子电池与其他可充电电池相比，主要有以下优点 2 3 4 ： 一，工作电压高。通常单节锂离子电池的电压为3 7v 。单体电池即可为3 v 的逻辑电路供电。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。 二，体积小、重量轻、比能量高。通常锂离子电池的比能量可达镍镉电池 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 ，有 利于便携式电子设备小型轻量化。 三，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。 四，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1 c 充电速率，可在两小时内充足 电，而且安全性能大大提高。 五，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- 2 0 一+ 6 0 锂电池充电器芯片的研究与设计 之间工作。高温放电性能优于其它各类电池。 此外，锂离子电池还具有自放电电流小、无记忆效应和无环境污染等优点， 综合性能优于铅酸、镍镉、镍氢和金属锂电池 5 。表1 - 1 给出了几种可充电电 池的性能比较。 表1 - 1 镍镉镍氢锂离子电池性能比较 种类内容镍镉电池镍氢电池锂离子电池 容量低中高 待机时间短中长 重量重重轻 单个电池电压v 1 21 23 6 记忆效应有稍不明显无 充放电次数约5 0 0 5 0 0 约1 0 0 0 污染性有少极小 重复使用可靠度一般好很好 价位可以接受可以接受偏高 安全性好好好 自9 0 年代日本索尼公司开发成功以来，锂离子电池迅速向产业化发展，并 在移动电话、摄像机、笔记本电脑等便模式电器上大量应用，世界锂离子电池的 生产曾一度被日本人垄断。美国和欧洲国家曾经也投巨资从事锂离子电池的研究 和生产，终因竞争不过日本而被迫放弃。目前在锂离子电池的研究、开发行列中 走在前列的大公司有索尼、三洋、东芝、三菱、富士通、日产、t d k 、佳能、永 备、贝尔、富士、松下、日本电报电话、三星等。便携式电子产品是此类小型二 次电池的主要市场，如手机、笔记本电脑、微型摄像机、i c 卡、电子翻译器、 汽车电话等，另外，其他一些重要的领域，如电动交通工具、航空航天、军事等 领域也正在进行渗透。目前，全球袖珍式计算机销量已突破7 0 0 0 万台，移动通 讯器件从2 0 0 2 年的2 亿件发展到2 0 0 5 年底的1 4 亿件，其它移动电器如数码相 2 绪论 机等仅我国就有超过5 0 0 万的用户，由此可见小型二次电池市场前景十分可观。 据统计，各系列电池2 0 0 5 年的市场占有率情况，镉镍电池市场份额将从2 0 0 0 年 的7 4 下降到4 6 ，氢镍电池市场份额从2 0 0 0 年的2 1 上升到3 1 ，锂离子电池 从5 上升到1 8 9 。这说明尽管目前锂离子电池的绝对消费量有限，但其潜在市 场需求非常巨大。 锂离子电池同样也存在其诸多不足之处 6 ，比如它对充电器的要求比较苛 刻，对保护电路的要求较高。一般说来，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需 要进行预充、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。 目前，电池的充电解决方案很多，在设计充电器时应大致从以下角度考虑： 1 、充电架构：根据功率需求，选定使用开关型或线性充电器。手机产品以嵌入 线性充电器为主。2 、热设计：无论所选是那种充电架构，都要考虑到发热问题。 例如在非常小的空间内，高效率的开关型或对热有特别控制的线性充电器必定 可大大提升产品的性能。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，如果能找到更小巧的外围器件方案( 假设效能不变) ，那必然对 产品有利。线性充电器如果能把控制管整合在单个充电控制芯片内，是小型化 的一种理想设计 7 。 1 2 论文的组织结构及所做工作 本论文重点论述了锂离子电池线性充电控制芯片的具体设计过程。首先通过 对可充电电池特性认识以及常用充电方法的研究，分析了充电过程及充电方法对 锂电池性能的影响，并在此基础上完成了一款锂离子电池线性充电控制芯片。随 着便携式电子产品的高速发展以及可充电电池市场的不断增大，研究如何充分适 应电池特性，最大可能延长电池寿命，并且符合电子设备充电单元小型化的发展 趋势，具有较高效率、安全快速的充电控制芯片，具有十分重要的意义。 论文从第二部分开始讲述锂离子电池充电芯片的系统分析与设计。从锂电池 锂电池充电器芯片的研究与设计 化学特性与工作原理入手，通过对目前常用的几种充电方式进行对比分析，选择 了线性充电控制模式，接下来给出了整体电路的原理结构图，简单阐述了设计规 格与目标功能实现。 论文第三部分是芯片的具体电路实现。根据上一部分系统级设计的要求，详 细设计了芯片每一部分的具体电路，着重讨论完成了模拟部分基准电源电路、电 压选择电路、欠压闭锁电路、温度保护电路、滞回比较器、运算放大器等模块的 设计与仿真，本充电器芯片设计的数字逻辑部分由主要其他工作人员完成，因此 本论文并没有给出数字逻辑部分的具体实现电路。 接下来是芯片整体电路功能仿真以及典型应用电路。论文的最后给出了整个 设计的总结以及充电器芯片设计领域尚需要进一步深入研究的相关工作等。 电路设计当中应用的模拟仿真平台：在s u n 软件连接的工作站上，用c a d e n c e 软件输入原理图，并用h s p i c e 软件进行模拟仿真，而后用a v a n t 波形浏览器查看 输出波形，完成了电路仿真工作。 4 锂离子电池充电芯片的系统分析与设计 2 锂离子电池充电芯片的系统分析与设计 2 1 锂离子电池工作原理 锂离子电池目前有液态锂离子电池( l i b ) 和聚合物锂离子电池( p l i b ) 两 类。其中，液态锂离子电池是指以l i + 嵌入化合物为正负极的二次电池。正极采 用锂离子化合物锂钻氧化物( l i c 0 0 2 ) ，锂镍氧化物( l i n i 0 2 ) 或锂锰氧化物 ( l i m n 2 0 4 ) ，负极采用锂一碳层间化合物l i x c 6 电解质为溶解有锂l i p f 6 ，l i a s f 6 等有机溶剂。聚合物锂电池的正极和负极与液态锂离子电池相同。只是原来得液 态电解质改为含有锂盐的凝胶聚合物电解质，而目前主要开发的就是这种。 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，电池的性能特性也会有所区别。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) 、高容量和高可恢复 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 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 ) 以及纳 米锰氧化物。其中，锂钻氧化物具有电压高、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。锂镍氧化物自放电率低，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 4 、l i a s f 6 、l i p f 6 等 8 。 当锂离子电池工作时，它的电化学表达式为 ( 一) c n i l i c l 0 4 - - e c + d e c i l i m 0 2 ( + ) 正极反应：l i m 0 2 = l i l - x m 0 2 + x l i + + x e 或l i l + y m n 2 0 4 = l i l + y - x m n 2 0 4 + l i x c n 负极反应：n c + x l i + x e = l i x c n ( 式中m 为c o ，n i ，f e ，w 等；正极化合物有：l i c 0 0 2 ，l i n i 0 2 ，l i m n 2 0 4 ，l i f e 0 2 ， 锂电池充电器芯片的研究与设计 l i w 0 2 等，负极化合物有l i x c 6 ，t i s 2 ，w 0 3 ，n b s 2 ，v 2 0 5 等) 锂离子电池实际上是一种锂离子浓差电池，正负两极由两种锂离子嵌入化合 物组成。如图2 1 ，充电时，l i + 从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，负极处于富 锂态，正极处于贫锂态，同时电子的补偿电荷从外电路供给到碳负极，保证负极 的电荷平衡，放电时则相反，l i + 从负极脱嵌，经电解质嵌入正极( 这种循环被 形象的称为摇椅式机制) 。在正常的充放电情况下，锂离子在层状结构的碳材料 和层状结构氧化物层间嵌入嵌出，因为过渡金属氧化物l i c 0 0 2 ，l i n i 0 2 中低自 旋配合物多，晶格体积小，在锂离子嵌入脱嵌时，晶格膨胀收缩性小，结晶结构 稳定，因此循环性能好，而且充放电过程中，负极材料化学结构基本不变，因此 从充放电反应的可逆性看锂离子电池反应是一种理想的可逆过程 9 。 一隔膜层 图2 - 1 锂离子电池结构示意图 2 2 锂电池的电特性以及充电方式 锂离子电池的充放电特性 根据锂离子电池本身的结构特征，其充放电有着与镍基材料化学电池完全不 同的充放电特性 1 0 。它的充电过程一般采用恒流转恒压的充电模式。充电开始 为恒流充电阶段：电池的电压较低，充电的电流基木不变，充电的速率一般为1 c ( c = 充电电流电池容量) ，对于5 0 0 m a h 的电池即为5 0 0 m a 的充电电流。随着充 电的继续进行，电池的电压逐渐上升。当单体电池的电压升到4 2 v 时，充电器 立即转入恒压充电：恒压充电时，单体锂离子电池的充电电压必须严格保持在 4 2v + - 5 0 m v ，若充电电压超过4 5v 可能造成理离子电池的永久性破坏。此阶 6 锂离子电池充电芯片的系统分析与设计 段为恒压充电阶段，充电电流下降较快，温度上升，最后当电流下降到某一范围， 进入涓流充电阶段：涓流充电也称维护充电，在维护充电状态下，充电器以某一 充电速率给电池继续补充电荷，最后使电池处于充足状态。用这种方法，第一个 小时可充入电池额定容量的8 0 ，两小时后电池即可充到额定容量。电池充电终 止的检测方法是判断充电电流，当充电电流降到某一定值时终止充电。例如充电 电流降到8 0 m a ( 典型值为起始充电电流的1 0 左右) 时终止充电，也可以在检测到 电池电压达到4 2v 时启动定时器，在一定的延时后终止充电。锂离子电池典型 充电特性曲线如图2 2 。 电池电压 ( v ) t = 2 5 、 电池容量(2 0 0 心, h ) x n 皇鎏三r 充电时间( h ) 图2 - 2 锂电池充电特性曲线示意图 0 锂离子电池的放电特性比较简单，如图2 3 所示。一般，锂离子电池放电起 始电压为4 2 v ，放电终止电压约为2 5 v ，放电终止时，电池电压不得低于2 2 v ， 否则将造成电池的永久性损坏。此外锂离子电池的放电电流也不应过大，放电电 流一般不应超过3 c ，否则也会严重影响电池寿命与使用质量。需强调的一点是， 不同的放电速率放出锂离子电池额定容量的程度也不同，如0 2 c ( 1 0 0 m a ) 的放电 速率，可放出全部额定容量，而采用1 c ( 5 0 0 m a ) 的放电速率，只能放出额定容量 的9 0 。锂离子电池的一个特点是比较容易显示剩余电量，因为其工作电压随时 间徐徐下降，而镍镉电池镍氢电池则保持一定的电压值，直到放电末期，电压才 急速下降 1 1 1 2 。因此锂离子电池放电过程，可通过对照放电特性曲线图，测 7 5 4 3 2 1 l 善)咧申u爆-申(av吲申 锂电池充电器芯片的研究与设计 量电池两端的电压来判断剩余电量。 5 4 3 2 1 l 1 c 、 iic 。c il 。瑚5 l cl llll 02 0 04 0 0 6 0 0 8 0 01 0 0 0 放电容量( m a h ) 图2 - 3 锂电池放电特性曲线示意图 锂电池的充电方法 锂离子电池的更高化学能量密度和更高电池电压使得我们可以为便携式应 用制造出更小和更轻的电池，更轻和更小的电源对便携式应用而言常常是至关重 要的。不过，要想充分利用电池容量或延长电池寿命，必须极其严格地控制充电 参数。在充电过程中，施加电压的精度对提高电池的效率和延长电池的寿命具有 非常重要的作用。超过充电终止电压将导致过充电，这在短期内会增加电池的供 电量，但长期来说则会导致电池失效并产生安全问题。充电终止电压每提高1 ， 电池的初始容量就会增大约5 。这种显而易见的短期增益效应会对电池的充电 放电次数产生严重的后果。过充电导致了充电次数的减少。另一方面，欠充电尽 管不会产生安全问题，但会显著减小电池的容量。因此，延长电池寿命的关键是 合理选择充电方法及参数，如电流、电压和温度。 最早的充电方法无非就是恒流( c c ) 充电与恒压( c v ) 充电，其充电曲线如 图2 - 4 、图2 - 5 所示 1 3 。这类充电方式操作简单，易于实现。但是它们的缺点 也是显而易见的。锂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，恒流( c c ) 充电方法在充电的后期，由于充电电流仍然保持不变，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，影响锂电池的寿命。而恒压( c v ) 充电，在充电初期充电电流过大，这样 8 (av幽-申爨申 锂离子电池充电芯片的系统分析与设计 的结果是直接影响锂电池的寿命与使用质量。 厂、 1 - 4 墀 删 v 幽 脚 时间 时间 图2 - 4 恒流方式充电曲线图2 5 恒压方式充电曲线 根据电池特性，将恒流与恒压两种充电方式有效结合起来，就是现在最常用 的恒流恒压( c c c v ) 充电，如图2 6 所示。当开始充电时，c c c v 充电器首先施 加一个等价于电池容量c 的恒定电流。为防止在恒流充电周期中过充电，需要监 视电池封装两端的电压。当电压上升到给定的终止电压时，电路切换到恒压源工 作模式。在恒流充电期间，电池能以接近其终止电压的高电流速率充电，且不会 有任何被施加高电压和发生过充电的危险。经恒流充电后，电池的容量将达到其 额定值的约8 5 。在恒流周期结束后，充电器切换到恒压周期。在恒压周期，充 电器通过监视充电电流来决定是否结束充电。通常的设定是，当充电电流减小到 电池的o 1 c 以下时充电周期结束。 i - - 4 墀 删 v 幽 删 时间时间 图2 - 6 恒流恒压充电曲线图2 - 7 三段式充电曲线 在恒流恒压( c c c v ) 充电模式基础上进一步细划，将充电过程划分为几个 阶段，不同的阶段采用不同的充电电流或电压，以达到更好的保护电池和快速充 9 h蟒脚v净幽t申 h蜉-申v净幽删 锂电池充电器芯片的研究与设计 电的目的。这就是所谓的三段充电法。三段充电法实质上就是恒流恒压( c c c v ) 充电的一个简单变体，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，主要起唤起和保护电池的作用；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之目的；第三阶段为恒压阶段，主要是保证电池充满 和防止过充电。充电曲线如图2 7 所示。 就充电器芯片的整体充电方案来说，主要采用以下三种充电方式：线性充电 方式、开关充电方式以及脉冲充电方式。其中，线性充电方式和开关充电方式采 用的都是恒流恒压( c c c v ) 的充电模式，而脉冲充电则是采用脉冲电流充电模 式。下面主要从应用及优缺点方面讨论一下这三种充电方式 1 4 ： 一，线性充电方式，线性充电方式是三种充电方式中，成本最低，复杂 度最小的方案。一般的锂电池线性充电器包括一个传输电能的晶体管( 通常是 m o s f e t 或者是二极管) 、输入输出电容和一些设定电压电流限制值的电阻。晶 体管的任务是提供充电回路，并且把从交流适配器输入的电压降到实时的电池端 压大小，以实现对电池的充电。这种充电方式的最大缺点，就是功率损耗较大。 由于交流适配器的输入电压与电池电压之间的差值完全由晶体管来承受，晶体管 的功耗就是这个差值与充电电流的乘积。电池端压最小，即输入电压与电池端压 之差最大的时候，也就是晶体管功耗最大的时候。因此，一般的线性充电芯片在 端压过小的时候会提供一个预充电的模式，此时充电电流很小，一般是充电恒流 值的1 0 左右，该模式即三段法的第一阶段，逐渐唤起电池端压，也减小了晶体 管上可能的最大功耗。但是这个措施的缺点是牺牲了快速充电时间，因为电池的 充电时间会随着充电电流的减小而增加，因此最佳充电电流大小的选择是电路功 耗和充电时间折中考虑的结果。尽管该充电方式有着较大的功耗，它仍然是便携 设备首选的充电方案，因为这样芯片成本低廉，易于实现，且内部无须电感元件， 无须开关动作，从而它的传导和辐射是三种方式当中最小的，非常适合对噪声敏 感的无线设备的应用。 二，开关充电方式，由于线性充电方式的高损耗，低效率，不能被用在 像笔记本电脑等大功率便携设备中，因为这会使热设计变的复杂起来。一旦散热 条件不足够，可能给电池乃至整个设备的安全运作带来难以预估的后果，而这种 情况下，就要采用高效率的开关充电方式。开关充电方式也有其自身的缺点，首 1 0 锂离子电池充电芯片的系统分析与设计 先是相比线性充电方式，增加了额外的成本和电路设计上的复杂度；其次由于引 入高频开关和电感元件，电路的e m i 和噪声以及电磁辐射等开关电源的缺点也一 并引入到开关充电方式的充电器中。 图2 - 8 脉冲充电方式充电曲线 三，脉冲充电方式，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，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，电池电压将继续上并升超过充电终止电压v c v ；当充电回路被切 断后，电池电压又会慢慢下降。电池电压恢复到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到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 8 所示。脉冲充电 方式中晶体管不是工作在线性区，而是以开关状态工作，因而具有开关充电方式 的高效率的特点；另外，脉冲充电方式不需要额外的l c 输出滤波电路，因此不 存在干扰问题，体积也可以做到很小；更重要的是脉冲充电方式可以有效的缩短 充电时间，因为脉冲方式与前面两种充电方式样都是第一阶段恒流充电，该阶 段所用时间是一样的，而接下来脉冲电流充电阶段能比恒压充电阶段使用更少的 时间，从而缩短了总充电时间。该充电方式的缺点是需要一个有限流功能的电源， h爆申u净幽-申 锂电池充电器芯片的研究与设计 增加了成本，其高效率实际上是通过把损耗从晶体管转移到了限流电源内，就整 个系统来说效率并不是太高。 2 3 充电芯片的整体结构设计 芯片充电工作流程 基于以上的基本原理与各类充电方案分析，本设计的锂电池充电器采用线 性充电方案。锂离子电池的整个充电过程包括如下几个阶段： 1 ，小电流预充电阶段。在该状态下，充电电路连续监测电池的放置情况以 及待充电电池两端的电压。如果电池电压较低，则采用小电流对电池进行激活 充电，一般该小电流为恒流充电电流的1 1 0 左右，当电池端电压上升到某一个 可安全充电值时( 本设计中为2 9 v ) ，进入下面的恒流充电状态。 2 ，恒流充电阶段。该状态下，充电电流保持不变，电池或者电池组的最大 充电电流取决于电池或者电池组的容量，通常充电电流采用数值上和容量相等 的电流。比如2 0 0 0 m a h 的电池充电电流一般用2 a ，也可用4 a 或者更大的电流 充电，这样能缩短充电时间。在恒流充电和预充电状态下，充电保护电路连续 监控电池组的电压和温度，并且可以采用下列2 种方法中止恒流充电过程： ( 1 ) 电池最高电压中止法：当单体电池的电压达到4 2 v 时，恒流充电状 态应立即停止。 ( 2 ) 电池最高温度中止法：在恒流充电过程中，当电池组温度达到6 0 摄 氏度时，恒流充电状态应立即中止。本设计采用电池最高电压中止法。 3 ，恒压充电阶段。恒流充电阶段中止后电路将立即进入恒压充电状态，该 状态下，充电电压保持恒定，因为锂离子电池对充电电压的精度要求比较高， 恒压充电电压应和规定值的误差不超过1 ，因此要求充电电路输出的充电电压 有很高的精度。在恒压充电过程中，保护板连续监测电池的电压，温度，充电 电流和充电时间。常用的恒压充电中止方法有以下四种： ( 1 ) 电池最高电压：当单体电池电压达到4 2 5 v 时，恒压充电立即中止。 ( 2 ) 电池最高温度：当电池最高温度达到6 0 摄氏度时，恒压充电应立即 中止。 ( 3 ) 最长充电时间：为了确保锂离子电池安全充电，除了设定最高电压和 1 2 锂离子电池充电芯片的系统分析与设计 最高温度外，还应设置最长恒压充电时间，在温度和电压检测失败的情况下， 可保证电池安全充电。 ( 4 ) 最小充电电流：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 0 ) 的时候，恒压充电 状态自动中止。本设计提供设置充电时间法跟检测最小充电电流两种中止方法。 4 ，维护充电阶段。电池充足电后，为了补偿电池因自放电而损失的电量， 充电器应以非常小的电流继续对电池充电或是监测电池电位以备对电池再充 电，这种状态称为维护充电状态。 1 0 2 图2 - 9 充电过程分解示意图 系统原理框图与引脚功能 全电路原理框图如图2 1 0 所示。整个电路系统主要由内置基准电压源、欠 锂电池充电器芯片的研究与设计 压闭锁电路、涓流预充电恒流充电电路、恒压充电电路、电流采样检测电路、 温度保护电路以及震荡电路、计数器还有数字逻辑控制部分等子模块组成。其中， 参考电压源为其他电路模块比如滞回比较器、误差放大器等提供1 2 v 基准电压； 欠压闭锁电路对输入电源电压进行检测以确保电池能够安全快速充电；恒流恒压 充电电路是整个芯片的核心模块，是线性充电方案的主要功能实现电路；温度保 护电路主要检测芯片及电池温度，保证整个充电过程的安全进行；电流采样检测 电路用于充电终止的判断，当采样检测电流小于所设置的门限电流时整个充电周 期结束；震荡电路计数器等完成用户可能需要用到的第二种充电终止方案，对充 电时间进行有效控制，实现智能化充电管理。 f 图2 - 1 0 整体电路原理框图 1 4 锂离子电池充电芯片的系统分析与设计 该芯片输入输出引脚功能如下： ( 1 ) b a t ：充电电流输出。该引脚连接电池，提供至电池的充电电流，并将最终浮 充电压调节至4 2 v 。 ( 2 ) p r o g ：充电电流设置引脚。通过一个接地电阻r p 凡o c 来设置充电电流，该芯片 可提供最高达1 a 的充电电流。当在恒流充电状态下充电时，该引脚通过内部电 路维持1 v 电位。该引脚上的电压被用来测量充电电流，基本设置公式为： i n a r ：v p r o g 1 0 0 0 。 j h 0 g ( 3 ) i d e t ：电流检测门限设置引脚。用来检测终止电流，该电流b 可以通过连 接一个接地电阻肺来设定= 妇= 怒i b a t = 罟或r d e t = 警。当充电 电流降至妇以下时，状态引脚c h r g 呈高阻态。 ( 4 ) t i m e r ：定时器设置和时间终止选择引脚。该引脚用于选择以何种方法来终止 充电周期。连接一个接地电容可选择充电时间终止。充电时间由下面公式 设定：丁( h o u r s ) = 3 h o u r s x 怒 或c n m r = 0 1 a f x 笺等。将连接至地则选择 充电电流终止。 ( 5 ) e n ：充电器使能输入，提供用户手动停机功能。当该引脚为逻辑高电平时， 充电器停机；当该引脚为逻辑低电平时，将充电操作使能，一般情况下，可以通 过一个阻值较大( 典型3 m 欧) 的下拉电阻将充电器预置成使能状态。 1 ( 6 ) c 5 ：使能输入。用于控制从u s b 端口吸收的电流大小，当其为逻辑高电平 时，电流限值被设定为由p r o g 引脚所设置的电流的1 0 0 ；当其为逻辑低电平时， 电流限值被设定为由p r o g 引脚所设置的电流的2 0 。 ( 7 ) c h r g ：漏极开路的充电状态输出。该充电状态指示引脚处于下拉状态表示 该芯片正在对电池进行正常充电；高阻状态表示充电电流已经降至蛔以下，充 电周期结束，i o e r 未被连接的场合( 充电时间终止情况下) ，该引脚上的高阻状 态表示芯片未对电池充电。 ( 8 ) v c c ：电源输入引脚。 ( 9 ) g n d ：地。 锂电池充电器芯片的研究与设计 表2 - 1 充电芯片性能参数 参数名称m i n t y p e l x单位 输入电源电压v c c 4 38v 充电器工作温度 08 5 过热保护温度 1 0 5 欠压闭锁电压v u v 3 8v 迟滞 2 0 0m v 涓流充电门限v u 置z 2 9v 迟滞1 0 0m v 浮充电压v r l o _ r 4 2v 恒流充电电流i o la 涓流充电电流如眦：r p r o g = 1 0 k 1 0m a r p r o ( ；= 1 2 5 k8 0m a 电流终止检测门限i o e r ：r o a r = 1 0 k l om a r o e r = 2 k5 0m a 充电定时时间t c h g ( c r i e r = 0 1 u f ) 3 6 0 0s 再充电电压v 肚c z o 4 1v 表2 - 1 给出了芯片的各性能参数。充电芯片具体应用电路见论文的第4 部分。 充电状态流程图如图2 1 1 所示，下面根据系统框图对芯片充电工作原理做一介 绍。 一个内部欠压闭锁电路负责对输入电压进行监控，如果v c c 低于欠压闭锁门 限( 3 8 v ) ，充电器保持停机状态。该u v l 0 电路具有一个2 0 0 m v 的内置迟滞，另 外，为了防止充电通路功率m o s f e t 中的反向电流，当v c c 降到比电池电压高出 的幅度不到6 0 m v 时，u v l 0 电路将使充电器保持在停机状态，1 0 0 m v 的迟滞功能 可防止充电器在停机与工作状态之间循环震荡。当检测到v c c 引脚上的电压高于 门限电压( 3 8 v ) ，并且一个电量耗尽的电池被连接至b a t 引脚时，欠压闭锁电 路失效，充电器开始正常工作。我们可以通过一个连接在p r o ( ；引脚与地之间的 电阻来设置充电电流。此时比较器c 3 开始工作，比较待充电电池端电压与 1 6 锂离子电池充电芯片的系统分析与设计 涓流充电门限电压v r z r z ( a k 充电器设置为2 9 v ) 。若电池电压小于v r z r z ，c 3 输 出信号通过逻辑电路选择c a 放大器负输入端接0 1 v ，充电器进入涓流充电模式， 该模式中提供恒流充电电流的1 1 0 小电流对电池进行预充电，以便把电池电压 提升至一个安全的电平，从而实现接下来的满电流快速充电；若电池电压升至 v r z r z 以上，c 3 输出信号要根据c 5 的逻辑状态共同决定选择1 v 还是0 2 v 电压 接在c a 的负端子，0 2 v 是u s b 输入情况下的满电流恒流充电选择( 参考引脚c 5 功能) 。c a 放大器的输出连接功率m o s f e t 的栅极，形成负反馈回路，调节充电 电流大小，实现恒流充电。在恒流充电过程中，电池两端电压不断升高，v a 放 大器正输入端电压采样电池电压，因而也不断升高，当电池两端电压逐渐接近最 终浮动电压4 2 v 时，v a 放大器的输出端对充电通路的功率m o s f e t 栅极控制作 用大于c a 输出端，使得电压放大器v a 成为主要控制电路，同时由于v a