（电路与系统专业论文）基于恒流恒压方式的锂离子电池充电保护芯片设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

浙江大学硕士学位论文 基于恒流，恒压方式的锂离子电池充电保护芯片设计 摘要 便携式应用的发展与普及提高了对可充电电池性能的要求，而锂离子电池凭 借其独特的优点，如能量密度高、使用寿命长、放电电压高和无记忆效应等，成 为了便携式电子产品的首选电池。然而，锂离子电池相对脆弱的特性，如过充电 和高温可能对电池造成极大损坏，对其充电电路提出了严格的要求。作为便携式 产品的充电器，高集成度、高效率和准确的控制都是必需的特点。 针对锂离子电池的充电管理问题，本文采取了一种基于恒流恒压方式的充 电方法，设计并实现了锂离子电池充电保护芯片。该芯片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、温度 控制模式，以及各模式之间的自动转换，特别是采用了电流抽取的方式实现了恒 流充电向恒压充电模式的平稳过渡。为了降低功耗及成本，该芯片采用标准 c m o s 工艺设计，并将功率管集成到芯片中，实际使用中只需要极少量的外接元 件。锂离子充电保护芯片采用c s m c 公司的0 6 m 线宽双层多晶硅双层金属 c m o s 混合信号工艺进行设计和流片。仿真及测试结果表明该电路可实现各充电 模式及模式间的平稳过渡，充电完成后电池电压为4 1 4 4 2 2 v ，达到了士1 5 的 精度。 本文第一章回顾了锂离子电池及其充电电路的发展，并说明了本次设计的主 要内容。第二章介绍了本次设计的流程及使用的主要工具，以及所采用工艺的特 点。具体的电路设计在第三章介绍，包括各个充电模式的实现原理分析、电路模 块实现以及设计过程中特别考虑的问题。电路仿真和芯片测试结果在第四章展 示。第五章讨论了针对充电保护芯片的可能改进。 关键词：锂离子电池，充电，恒流，恒压 浙江大学硕士学位论文 基于恒涮恒压方式的锂离子电池充电保护芯片设计 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n ta n dp r e v a l e n c eo fp o r t a b l e a p p l i c a t i o n sr e q u i r e b e t t e r p e r f o r m a n c eo fr e c h a r g e a b l eb a t t e r i e s ，w h i l et h el i - i o nb a t t e r yb e c o m e st h eb e s t c h o i c eo fp o r t a b l ee l e c t r o n i cp r o d u c t sb e c a u s eo fi t su n i q u ea d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g h e n e r g yd e n s i t y , l o n gc i r c l el i f e ，h i g hv o l t a g ea n da b s e n c eo f m e m o r ye f f e c t s h o w e v e r , t h ec o m p a r a t i v ef r a g i l i t yo fl i i o nb a t t e r y , f o re x a m p l e ，t oo v e r c h a r g i n ga n dh i g h t e m p e r a t u r e ，i m p o s e ss t r i n g e n tc h a r g er e q u i r e m e m so nc h a r g e r s a sp o r t a b t e a p p l i c a t i o n s ，t h ec h a r g e r ss h o u l db ec o m p a c t , h i g he f f i c i e n ta n d a c c u r a t e i no r d e rt om a n a g et h ec h a r g ep r o c e s so fl i - i o nb a t t e r y , t h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no fal i - i o nb a t t e r yc h a r g ep r o t e c t i o ni n t e g r a t e dc i r c u i t0 c ) b a s e d o n c o n s t a n t - c u r r a n t c o n s t a n t v o l t a g e ( c c c v ) a p p r o a c hw a sp r e s e n t e d c o n t r o l l i n gt h e g a t ev o l t a g eo fp m o sp o w e rt r a n s i s t o rt h r o u g ht h ec o m p e t e n c eo fm u l t i p l ec o n t r o l l o o p s ，t h ec i r c u i t r e a l i z e st h ec o n s t a n t - c m r e n t , c o n s t a n t - v o l t a g ea n dt h e r m a l r e g u l a t i o nc h a r g em o d e ，a n da u t o m a t i ct r a n s i t i o n sb e t w e e nt h e m , a n d , e s p e c i a l l y , f u l f i l l st h es m o o t ht r a n s i t i o nf r o mc ct oc vm o d et h r o u g ht h eg r a d u a lc u r r e n td r a w m e t h o d t od e c r e a s et h ep o w e rl o s sa n dm o n e yc o s t , t h ei cw a sd e s i g nu s i n gs t a n d a r d c m o st e c h n i q u ew h i l et h ep o w e rt r a n s i s t o rw a si n t e g r a t e di n t ot h ec h i p , a n df e w e x t e r n a lc o m p o n e n t sa r en e e d e di na p p l i c a t i o n t h ec h i pw a si m p l e m e n t e du s i n g c s m c0 6 p m2 p 2 mc m o sm i xp r o c e s s t h es i m u l a t i o na n dt e s tr e s u l t sv c r i 母t h e f u n c t i o n so ft h ec i r c u i tt or e a l i z et h er e q u i r e dc h a r g em o d e sa n dt h es m o o t h t r a n s i t i o n sb e t w e e nt h e m ，a n dt h ev o l t a g e so f b a t t e r i e sa f t e rc h a r g i n ga r e4 1 4 _ 2 2 、 f u l f i l l i n gt h ea c c u r a c yo f 士1 5 c h a pir e v i e w st h ed e v e l o p m e n to fl i - i o nb a t t e r ya n di t sc h a r g e r , a n dd e s c r i b e s t h ec o n t e n to ft h i sd e s i g n c h a pi ii n t r o d u c e st h ed e s i g nf l o wa n dt h et o o l su s e d d u r i n gt h ed e s i g n ，a n ds o m es p e c i a lp o i n t so ft h ec s m c0 6 p mt e c h n i q u e t h e c o f l c r e t ec i r c u i td e s i g ni sp r e s e n t e di nc h a pi i i ，i n c l u d i n gt h ep r i n c i p l ea n a l y s i so f t h e c h a r g em o d e s ，t h er e a l i z a t i o n so fc i r c u i tb l o c k sa n ds o m es p e c i a la s p e c t st oc o n s i d e r d u r i n gt h ed e s i g no f t h ei c t h es i m u l a t i o na n dt e s tr e s u l t so f t h ei ca r cp r e s e n t e di n c h a pi v , a n dc h a pvd i s c u s s e s s k ) m ep o s s i b l ei m p r o v e m e n tt ot h ec h a r g e m a n a g e m e n ti c k e yw o r d s ：l i - i o nb a t t e r y , c h a r g e ，c o n s t a n t - c u r r e n t c o n s t a n t - v o l t a g e ( c c c v ) 浙江大学硕士学位论文 基于恒澍恒压方式的锂离子电池充电保护芯片设计 第一章绪论 计算机与通讯技术的发展极大地推动了便携式电子产品的推广与普及。各类 便携式产品，如笔记本电脑、移动电话、摄像机、个人数字助理设备( p d a ) 等， 对电池提出了许多独特的要求：能量密度高，能够为便携式应用提供充足的能量： 重量轻，体积小；足够安全并能够应对可能的不正确使用；循环使用寿命长；闲 置状态自放电小；成本低等与其它可充电电池相比，锂离子电池具有独特的优 点，使其成为当前便携式应用中电池的首选。 1 1 锂离子电池的特点 1 1 1 金属锂电池与锂离子电池 锂电池指以金属锂或锂化合物为负极，通过化学反应产生电能的电池，其 中金属锂电池与锂离子电池容易被混淆。金属锂电池以金属锂为负极，在二十世 纪七十年代作为产品问世。这种电池的能量密度较高，但安全性能较差。金属锂 电池放电时，负极的金属锂分解出锂离子，充电时锂离子还原成金属锂，在负极 析出。反复充放电时，金属锂反复分解和析出，在负极上形成枝状结晶。这种枝 状结晶容易刺破电池正负极之间的隔板，使电池内部因为局部短路而发生激烈反 应，有可能造成爆炸 二十世纪九十年代初，金属锂电池开始被锂离子电池取代。锂离子电池的正 极采用碳或石墨材料，负极采用含锂的过渡族金属氧化物。放电时，负极的锂化 合物分解出锂离子，锂离子离开电池负极，进入正极。充电时，锂离子离开电池 正极，到达电池负极形成化合物。充放电过程中，锂离子在电池正负极之间移动， 电极结构不发生变化，因此锂离子电池较金属锂电池安全性高。 浙江大学硕士学位论文 基于恒流，恒压方式的锂离子电池充电保护芯片设计 1 1 2 锂离子电池的优点 与镍镉和镍氢等其它可充电电池相比，锂离子电池的优点主要体现在： ( 1 ) 工作电压高。以碳为正极的锂离子电池满充电压为4 i v ，以石墨为正 极的为4 2 v ，为镍镉和镍氢电池的三到四倍。对于要求较高供电电压的电子设 备，串联构成电池组的电池数量可大大减少。 ( 2 ) 容量大、体积小、重量轻、比能量高。电池容量指电池在一定放电条 件下从满充状态放电至截止电压所放出的总能量，也就是电池储存电量的多少。 电池容量用电流和时间的乘积表示，常用单位为毫安时( m a h ) 。相同电压条件 下，衡量一个电池优劣的重要标准是电池容量与电池体积或质量之比。同样体积 或质量的电池，容量越高越好；同样容量的电池，体积越小，质量越小越好。电 池的质量比能量指单位质量的电池能够提供的能量，体积比能量指单位体积的电 池能够提供的能量。通常锂离子电池的比能量可达到镍镉电池的2 倍以上，与相 同容量的镍氢电池相比，体积可减小3 0 ，重量可降低5 0 ，因而更适用于便 携式电子设备。 ( 3 ) 寿命长。对于可充电电池，一般以充电次数来衡量其使用寿命的长短。 可充电电池允许充电、放电次数越多，使用寿命越长。经过多次充放电，电池容 量会逐渐下降，一般将电池的容量降低到标称容量6 0 时的充放电次数称为其使 用寿命。通常锂离子电池的循环使用寿命可达到千次以上。 此外，锂离子电池还具有自放电电流小、无记忆效应、无环境污染和成本低 等优点，这些优点使其成为便携式产品非常理想的首选电池。但是，为了有效利 用锂离子电池的容量及使用寿命，需要严格控制其充电参数。 1 1 3 对锂离子电池充电电路的要求 可充电电池的循环使用寿命不仅受制作电池采用的原料、制作工艺等因素影 响，而且与电池的充放电方法及实际使用情况有密切关系。采用合理的使用方法， 可充电电池完全可以达到甚至超过标称使用寿命。可充电锂离子电池充电过程 中，应重点注意几个方面： ( 1 ) 严格控制电池电压。一方面，充电电路应防止对锂离子电池过充电。 2 浙江大学硕士学位论文 基于恒流，恒压方式的锂离子电池充电保护芯片设计 已经充满的锂离子电池如果继续充电，电池负极将析出金属锂。过充电将严重缩 短锂离子电池循环使用寿命，并且过充电的锂离子电池可能发生爆炸。另一方面， 由于锂离子电池的储能主要集中在电池电压较高的阶段，电池电压低于满充电压 将极大降低电池的容量，不能满足便携式设备对高效电源的要求。例如，锂离子 电池电压低于其满充电压1 2 时，其容量减小9 。因此，一般要求充电结束时， 锂离子电池电压达到其额定满充电压的q - 1 范围内，以保证电池被充满并且循环 使用寿命长。 ( 2 ) 限制充电电流。锂离子电池的充电过程是一个通过化学反应将电能转 变为化学能的过程，而这个反应过程存在最大反应速率的限制。充电电流过大将 导致大量放热，使电池的温度上升，从而引起一系列的问题。因而在锂离子电池 的充电过程中，应对充电电流的最大值加以限制。一般采用充电率l 对锂离子电 池进行充电，例如电池容量为5 0 0 m a h ，则采用5 0 0 m a 电流对其进行充电。此 外，如果对故障电池快速充电，可能造成危险，因而对可能的故障电池，如过放 电电池，应采用小电流预充电，等判定电池正常时再采用大电流充电。 ( 3 ) 控制电池温度。在充电过程中，如果锂离子电池的温度超出设定的范 围，电池内部可能发生额外反应，继续对其进行充电是不安全的。因此，充电电 路应该时刻检测电池温度的变化，并通过减小充电电流等方法减小放热，控制电 池温度。必要时，充电电路应该中止充电。 锂离子电池充电电路应满足的其他要求包括：功耗应尽可能小，一方面可以 提高充电效率，另一方面也有利于减小散热，控制温度；充电速度应尽可能快， 这是便携式应用的要求；以及面积小、成本低等。 1 2 锂离子电池充电电路的发展 锂离子电池的充电方法有很多种，最简单的通常指恒定电压( c v ：c o n s t a n t v o l t a g e ) 充电法。恒压充电电路由与锂离子电池两端相连的一个电流受限的恒压 源组成，充电电流被限制在电池容许的范围内，输出电压调节为锂离子电池的满 充电压。采用恒压充电方式对锂离子电池充电时，电池两端电压将会上升，而充 电电流逐渐变小。当充电电流下降到一定程度时，可以认为锂离子电池已被充满。 浙江大学硕士学位论文 基于恒涮恒压方式的锂离子电池充电保护芯片设计 充电结束时，充电器必须被完全关闭或断开。虽然恒压充电是一种成本较低的方 法，但它需要很长的充电时间。由于电源电压保持恒定，随着锂离子电池电压不 断上升，充电电流将迅速下降，使充电速度也迅速降低。因而充电速率将远低于 电池可以承受的速率。 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。充电初期，恒流恒压充电电路采用恒定的大电流对锂离 子电池充电，当电池电压上升至一个预置电压时，充电电路将切换到恒定电压充 电模式。在恒压充电模式下，电路通过监测充电电流的变化，决定是否结束充电。 在恒流充电模式下，锂离子电池能以接近其最大能承受的电流进行充电，且不会 有过充电的危险。尽管实现恒流，恒压充电法需要更加复杂的电路，但它可以明 显地缩短充电时间。此外，为了防止对故障电池过快充电，当电池电压较低时恒 流恒压充电电路一般还采用小电流进行预充电。同时，为了保证接入充电器的 电池保持足够的电量，充满后如果电池下降到一定程度，充电将重新开始。恒流 恒压充电过程中充电电流与电池电压波形如图1 - 1 所示。 d 2 v 田卜1 恒流恒压充电过程中充电电流与电池电压波形 实现恒流，恒压充电方式的控制方法可以分为两类：并行控制和串行控制。 并行控制中采用不同的误差放大器分别实现恒流和恒压充电模式，这些放大器的 输出通过竞争对功率管的进行控制。并行控制方法的优点是恒流和恒压控制环路 4 浙江大学硕士学位论文 基于恒流，恒压方式的锂离子电池充电保护芯片设计 可以分别独立进行设计，但实现从恒流到恒压模式的平稳过渡较为困难。串行控 制方法使恒压误差放大器在恒流模式下不起作用，而在恒压模式下将恒流与恒压 误差放大器的输出叠加，因而比较容易实现两充电模式的顺利过渡【l j 。 在一些学术及商业资料中已经介绍了不少恒流，恒压充电的实现电路，但大 多采用较复杂的控制方法。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【2 】；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【3 】；t s a i 等人使充电电路在两 个低压差线性稳压器( l d o ：l o wr k o p - o u tr e g u l a t o r ) 之间切换川；还有电路使 用现场可编程门阵列( 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 ) 5 1 和微控制器选 择工作环路嘲等。无论采用模拟或是数字电路实现恒谚t ，恒压充电，难点都集中在 恒流、恒压两个控制环路的相互影响以及稳定性等方面的问题。 1 3 锂离子电池充电保护芯片设计主要工作 本文提出的锂离子电池充电保护芯片通过多个控制环路的竞争实现恒流恒 压充电，特别是采用电流抽取方式实现了恒流充电向恒压充电模式的平稳过渡， 并采用全c m o st 艺设计和流片，以降低芯片的功耗与成本。充电保护芯片实 现的主要功能及特点包括： ( 1 ) 实现恒流与恒压充电模式及两个模式之间的平稳过渡： ( 2 ) 对过放电锂离子电池采用小电流充电，以避免过快充电对过放电或故 障电池可能造成的危险，直到电池脱离过放电状态后再转入大电流充电状态； ( 3 ) 通过减小充电电流的方法控制电池温度，必要时关断电路，中止充电， 以避免温度过高对锂离子电池的损坏； ( 4 ) 充电结束与重新开始的自动判断； ( 5 ) 电源失效时防止从锂离子电池中拉电流； ( 6 ) 充电结束后将大部分电路模块关断以降低功耗； ( 7 ) 采用全c m o s 工艺，并将功率管集成到芯片内部以减小搭建充电电路 时需要的分立元件； ( 8 ) 允许通过改变外接电阻阻值设定充电电流大小。 浙江大学硕士学位论文 基于恒流，恒压方式的锂离子电池充电保护芯片设计 第二章设计与仿真环境 2 1 设计流程与工具介绍 本次锂离子电池充电保护芯片的设计流程如下： ( 1 ) 分析并确定芯片功能及性能要求： ( 2 ) 选择与设计实现各功能的电路原理图，搭建系统框图； ( 3 ) 设计各个电路模块，对模块与系统进行仿真与调整； ( 4 ) 绘制版图： ( 5 ) 提取版图寄生参数，进行后仿真； ( 6 ) 送代工厂流片、封装： ( 7 ) 芯片测试分析。 其中电路仿真、版图绘制分别采用c a d a n c e 公司的s p e c t r e 与v h t u o s o ，版 图验证与寄生参数提出采用d r a c u l a 工具进行，后仿真使用h s p i c e 工具芯片 设计流程如图2 1 所示。 6 浙江大学硕士学位论文 基于恒流恒压方式的锂离子电池充电保护芯片设计 图2 - 1 芯片设计流程 7 浙江大学硕士学位论文基于恒流，恒压方式的锂离子电池充电保护芯片设计 2 2 工艺特点 本文提出的锂离子电池充电保护芯片采用c s m c 公司的o 6 1 a m 线宽双层多 晶硅栅双层金属c m o s 混合信号工艺进行仿真与流片。该工艺中n m o s 与p m o s 管的主要小信号模型参数如表2 - 2 与2 - 3 所示，其中l 和w 分别表示表中参数 适用的m o s 管的沟道长度和宽度，v r n 表示m o s 管阈值电压，u o 表示载流子 迁移率，t o x 表示栅氧化层厚度。表中t t 、i f , f s 、s f 和s s 分别表示m o s 管各类 偏差模型参数，其中第一个字母对应n m o s 管，第二个对应p m o s 管，t 表示 标准模型，f 表示m o s 管导通速度较快，s 表示导通速度较慢。表中t t 列中参数 表示m o s 管的标准模型参数，其余各列数据表示对应模型参数与标准模型的偏 差。 表2 - 2c s m c 0 6 岬工艺n m o s 管参数 表2 - 3c s m c 0 6 岬工艺p m o s 管参数 由表2 - 2 与2 3 中的参数可知，c s m c 0 6 p m 工艺误差较大，例如n m o s 与 p m o s 管的阚值电压v r n 的可能偏差为其标准值的2 0 。而且对于长度在 o 6 2 0 p m 之间、宽度在0 8 2 0 t t m 之间的m o s 管，该工艺采用相同参数进行仿 真，因而当m o s 管的长度和宽度为边缘值时仿真的误差较大。综上所述，采用 浙江大学硕士学位论文 基于恒漉，恒压方式的锂离子电池充电保护芯片设计 c s m c o 6 p m 工艺设计电路与绘制版图时必须预留一定的误差余度，因而芯片尺 寸和功耗可能会比较大。 浙江大学硕士学位论文 基于恒涮恒压方式的锂离子电池充电保护芯片设计 第三章电路设计与实现 3 1 系统设计 本文提出的锂离子电池充电保护芯片主要设计参数如表3 1 所示。 表3 - 1 锂离子电池充电保护芯片主要设计参数 锂离子电池充电保护芯片采用线性控制方式，实现的功能主要包括恒流充 电、恒压充电以及温度控制等。充电电路功能示意图如图3 1 所示，其中p m o s 管m 1 为功率管，充电电流流过m i 向锂离子电池充电。充电保护芯片中主要包 括恒流充电、恒压充电、温度控制模块以及其它的逻辑控制模块。各个模块共同 工作，或相互竞争，通过改变m 1 管的栅极电压控制充电电流，从而实现各个充 电模式。 l o 浙江大学硕士学位论文 基于恒流，恒压方式的锂离子电池充电保护芯片设计 图3 - 1 锂离子电池充电电路功能示意图 3 1 1 恒定电流充电模式 恒流充电原理 为了实现恒定电流充电模式，必须对充电电流进行实时的监测，并通过调节 功率管m 1 的栅极电压对充电电流进行控制。检测充电电流可以通过将检测电阻 与锂离子电池串联，测量电阻上的压降来实现。但是，这种方法要求检测电阻的 阻值精确，并且由于充电电流一般较大，将在该电阻上产生很大的功耗，因而不 适用于充电电流的检测。 电流镜结构是模拟电路中一种常用的电路结构，用于复制电流，并且可以通 过镜像管的比例调整按缩小或放大比例复制电流。在锂离子电池充电电路中，可 以按缩小比例复制出充电电流，再使复制出的电流流过检测电阻，则电阻上的压 降也可以反映充电电流的大小。如图3 - 2 为利用电流镜结构检测充电电流的原理 图，其中p m o s 管m o 与m 1 组成电流镜结构，两管的宽长比之比为l ：n ，则复 制出的电流i d e c t 为充电电流b a t 的l ，n 倍，i d e c n - 流过检测电阻r d e c t 产生的压 r，一 浙江大学硕士学位论文基于恒涮恒压方式的锂离子电池充电保护芯片设计 降取即可以反映充电电流b a t 的大小，其关系如下式 k n 忐 - ， t 图3 - 2 采用电流镜结构复制充电电流 由于电阻p - v w r 上的压降珏可以实时反映充电电流i b a t 的大小，那么如果 可以通过反馈环路稳定昧，也就可以使- b a t 保持恒定。利用反馈环路实现恒流 充电的电路原理图如图3 - 3 所示，其中c a 为电流控制运算放大器( c u r r e n t a m p l i f i e r ) ，其正输入信号为h ，负输入信号v r e f l 为参考电压，c a 的输出控制 m o 与m 1 管的栅极电压v m 。反馈环路的工作原理定性说明如下：假设电源电 压v d d 变大，使充电电流 b a t 有变大的趋势，这个趋势将同时放映在电流镜复制 出的电流i d e c t 上，使电阻r 嗍上的压降珏变大，c a 的正输入信号变大将使 其输出，即m o 与m 1 管的栅极电压抬高，抵消d 变大1 s a t 的影响；v d d 降 低时反馈环路的工作原理与上述类似，但变化趋势相反。可见通过反馈环路的作 用，v d d 变化时充电电流b a t 将近似保持恒定。 浙江大学硕士学位论文 基于恒流恒压方式的锂离子电池充电保护芯片设计 v 围3 _ 3 恒定电流充电原理图 电源电压和参考电压对恒定充电电流的影响 以下将通过公式计算分析恒流充电时影响充电电流i b a t 精度的要素。忽略 m e 管的沟道长度调制效应，并假设c a 是理想运放，则分别可以对m l 管、c a 、 r d e c r 和m o 、m l 管电流镜像比例列小信号方程如下 毛a t = g m i ( 一) ( 3 2 ) = a c a ( 珞一v 占1 ) ( 3 3 ) v r2 ，d e c r r r d e c t ( 3 4 ) k t ：厶a t = 1 ：n ( 3 5 ) 由式( 3 2 ) 至( 3 5 ) 推导可得 浙江大学硕士学位论文基于恒流，恒压方式的锂离子电池充电保护芯片设计 k 掣裂 式中g i i l l 为m i 管的源栅跨导，a c 为c a 的增益。 得 监： 璺竖坐! 占n + g 。1 r d e c t a c a 如果g m l r d f 盱r a c a 远大于n ，式( 3 7 ) 可化简为 ( 3 6 ) 式( 3 6 ) 对求偏导，可 ( 3 7 ) 万 b a t 扣里 ( 3 8 ) 万r d e c t a c a 如果要求电源电压变化时充电电流毛a t 尽可能保持不变，则式( 3 8 ) 的值 应尽可能小，即电阻r d b c t 的阻值与c a 增益a c a 的乘积应远大于充电电流与复 制电流的比例n 。 式( 3 6 ) 对v v a v l 求偏导，可得 望旦生：呈! 垒坠 ( 3 9 ) j 珞e f ln + g m l r d e c t a c a 如果g m l r d e l = r a c 远大于n ，式( 3 9 ) 可化简为 善k j l _ ( 3 1 0 ) 万珞e f lr d 肼 式( 3 1 0 ) 与式( 3 8 ) 相比，可知参考电压v i 町l 对抽的影响比d 的影响大 得多，因此稳定的参考电压源是实现恒流充电的前提。 恒流反馈环路的稳定性考虑 由于恒流充电模式中采用反馈环路，因而应该考虑环路的稳定性问题。由图 3 3 可知，反馈环路由c a 、m o 管及r 1 ) e c - r 组成，假设c a 内部的极点频率足够 高，则环路主要包含c a 输出极点与m o 管漏极对应的极点。由式( 3 8 ) 可知， 为了提高恒流控制的精度，c a 的增益一般较高，输出电阻较大，而且m l 管的 尺寸很大，其栅电容也很大，因此c a 输出极点频率应该很低。而m o 管漏极的 极点主要由r d b c t 与c a 的输入管栅电容、m o 管漏极电容构成，其频率应该比 c a 输出极点的高很多。环路主次极点的频率相距足够远，则一般情况下不会存 1 4 浙江大学硕士学位论文 基于恒流，恒压方式的锂离子电池充电保护芯片设计 在环路震荡问题。最终的判定可以在电路设计完成后，用m o s 管实际尺寸及寄 生参数计算得到。 恒定小电流充电的实现 由于反馈环路的作用是使电阻r d e c r 上的压降珏等于参考电压v r e f l ，因此 改变v r e f l 就可以改变充电电流的大小。电池电压小于3 v 的锂离子电池处于过 充电状态，此时应该用小电流充电以保护电池，因此当检测到v a r 小于3 v 时可 以将c a 的负输入端切换到较小的参考电压，例如o 1 v r l 。当v b a t 上升到3 v 以上时，再将c a 的负输入端切换为v 唧l ，则可以进行恒定大电流充电。t 的比较判断与c a 负输入信号的切换可以通过比较器与逻辑电路实现，如图3 - 4 所示。 o 1 围3 - 4 恒定小电流充电与恒定大电流充电的切换 浙江大学硕士学位论文 基于恒流，恒压方式的锂离子电池充电保护芯片设计 而对于确定的v 肛f l ，可以通过改变r d e c t 的值改变恒定电流充电时采用的 充电电流，其计算公式如式( 3 1 ) 。在实际应用电路中，可以将电阻r d e c t 作为 外接器件，一方面可以选用高精度的片外电阻以提高充电电流的精度，另一方面 可以允许用户自行选择充电电流大小。 3 1 2 恒定电压充电模式 恒定电压充电模式是指锂离子电池电压接近满充电压时，充电电路逐渐减小 充电电流，使电池电压上升速度下降，近似保持恒定的充电过程。锂离子电池充 电末期采用恒压充电可以减小过充电的危险，同时充电电流减小可以减小电池串 联电阻上压降，有利于电池充满。 恒压充电原理 v r e n 图3 5 恒定电压充电原理图 t 由于恒压充电模式控制的是电池电压，因而需要实时监测电池电压，并根据 监测结果调整充电电流。由于本文提出的锂离子电池充电保护芯片采用p m o s 管作为功率管，因而只要逐渐提高该管的栅极电压即可以减小充电电流。实现恒 1 6 浙江大学硕士学位论文基于恒流，恒压方式的锂离子电池充电保护芯片设计 压充电的电路原理图如图3 5 所示，其中、，a 为电压控制运算放大器( v o l t a g e a m p l i f i e r ) ，其正输入信号为电池电压v b a t ，负输入信号v 髓f 2 为参考电压，v a 的输出控制m 1 管的栅极电压。当电池电压v b a t 升高到接近v r e f 2 时，v a 开 始起作用。随着v b t 的升高，v a 的输出，即m l 管的栅极电压也逐渐升高，使 充电电流五盯逐渐减小。 由上述分析可知，恒压充电模式采用的控制方法与低压差线性稳压器相似， 图3 5 中电路稳定后的效果就是使电池电压v b t 约等于v r e f 2 。由于充电保护芯 片中采用的恒定电压充电模式只利用v b a t 逐渐逼近v 髓f 2 的过程，在充电电流减 小到一定程度时就会停止充电，不会使图3 5 中电路达到反馈环路稳定状态，因 而可以不考虑环路稳定性问题。 v 图3 - 6 恒定电流与恒定电压充电模式过渡原理图 锂离子电池充电电路应该可以实现由恒流充电到恒压充电模式的自动转换， 因而充电保护芯片中还应该包含两个模式的判断及转换控制模块，如图3 - 6 所示， 浙江大学硕士学位论文 基于恒涮恒压方式的锂离子电池充电保护芯片设计 其中模式判断模块用于决定所应采用的充电模式并控制m o 与m l 管的栅极电压 v v o 。具体的模式转换实现方法将在3 2 2 节说明。 充电结束的判断 充电电路将进入恒压充电模式表示锂离子电池充电即将结束。在该模式下电 池电压上升速度较慢，而充电电流下降速度较明显，因而可以通过对充电电流的 检测判断实现充电结束的控制。而充电电流的变化体现在检测电阻r 。e c t 的压降 上，即垠电压的变化上，因而通过珏电压与参考电压的比较可以方便地判断充 电结束。如图3 - 7 为通过k 的检测与比较结束充电的原理图，并假设充电电流 下降到其最大值的i 1 0 时认为充电结束，图中c o 为比较器，其输出信号v c a a r o e 为高电平表示电路处于充电状态，为低电平表示充电结束，电路处于等待状态。 图3 - 7 充电结束判断原理图 浙江大学硕士学位论文基于恒流，恒压方式的锂离子电池充电保护苍片设计 3 1 3 温度控制与高温保护 锂离子电池充电过程中，一部分电能将被转换为热能，使电池温度升高。温 度过高可能使电池内部发生额外反应，造成电池损坏，甚至可能引起危险，因而 充电过程中必须对电池温度加以监测和控制。针对锂离子电池的温度问题，充电 电路实现的功能可以分为两个部分：首先是电池温度上升到一定程度时，通过减 小充电电流等方法减小发热，控制电池温度；如果电池温度继续上升并超过某一 安全限度，则应彻底关断电路，中止充电，直到电池温度下降到安全的范围内再 重新开始充电。 口 0 r e f 图3 _ 8 温度控制原理图 锂离子电池充电过程中的温度控制原理如图3 8 所示，其中t a 为温度控制 运算放大器( t h e r m a l a m p l i f i e r ) ，其正输入信号一为电池温度，负输入信号0 r e f 为参考温度，t a 的输出控制功率管m 1 的栅极电压为了及时有效地控制电池 温度，t a 的增益不能太高，即应该使电池温度日在e r 盯附近一个较大范围内， t a 都能对充电电流进行调整。t a 起作用时，随着0 的上升，1 - a 的输出，即 1 9 浙江大学硕士学位论文 基于恒流恒压方式的锂离子电池充电保护芯片设计 m l 管的栅极电压逐渐升高，使充电电流b a t 下降，从而实现温度控制的功能。 由于实际电路无法直接处理温度输入信号，在电路实现中，温度的变化应该 体现在某个电流或电压信号上，因而充电电路中温度控制功能还是通过电压或电 流信号的比较以及控制实现。此外，由于对电池温度的直接检测难以实现，充电 保护芯片检测的是芯片自身的温度。但由于实际使用中可以使充电关系芯片与锂 离子电池非常接近，只要采用适当的结构设计使芯片温度能够反映电池温度，并 留足余量，对锂离子电池温度的控制仍然可以实现。 由于1 a 对充电电流的调节也是通过改变功率管m 1 的栅极电压实现， 因而其输出与c a 、v a 的输出应该经过判断选择后，再对进行控制，如图 3 - 9 所示。但由于温度控制的重要性高于其它控制信号，t a 的输出应该享有最高 优先权。 口 o r e f 图3 - 9 恒流、恒压充电与温度控制竞争控制原理图 浙江大学硕士学位论文基于恒湖恒压方式的锂离子电池充电保护芯片设计 如果充电电路的温度控制功能仍无法有效地阻止锂离子电池温度上升，当电 池温度超过安全限度时，则应该中止充电等电池温度下降到安全范围内之后再 重新开始充电。这种高温保护功能可以由温度检测及其它比较判断和逻辑电路实 现。 3 1 4 充电电路包含的功能模块小结 由上文说明可知，为了实现恒流、恒压充电以及温度控制功能，锂离子电池 充电电路应该包含功率管m l 及其镜像管m o 、电流检测电阻r d f x r 、电流控制运 放c a 、电压控制运放v a 、温度控制运放t a 、产生参考电压的带隙基准( b a n d g a p r e f e r e n c e ) 模块。此外为了实现对过放电电池进行小电流充电、充电结束及重新 开始的判断与控制、高温中止充电等功能，电路中还应该包含必要的比较判断与 逻辑电路 3 2 电路模块实现 3 2 1 提高电流复制精度的电路实现 由3 1 1 节的分析可知，恒流充电模式下，充电电路实际上是通过反馈环路 的作用稳定检测电阻r o e c r 上的压降。从而控制流过m o 管的电流。由于m o 与 m 1 管采用镜像结构连接，此时流过m 1 的电流，即充电电流n a t 也就能保持恒定， 如图3 1 0 所示。因而m o 与m l 管的镜像精度将影响i b a r 的精度。由3 1 2 节可 知，电池充电末期，恒压充电模式下，随着电池电压的升高，充电电流b a t 逐渐 减小，当n a t 减小到一定程度时，表示电池已经充满，充电过程停止。充电电路 对b a t 的检测也是通过r d f r r 上的压降来实现的，因而流过m o 与m l 管电流的 镜像精度直接影响充电结束的判断，也就关系到锂离子电池能否充满。因而， m o 与m t 管的镜像精度是关系到充电保护芯片性能的关键，在电路设计中必须重 点加以关注和考虑。 影响m o 与m l 管镜像精度的要素首先应考虑m o s 管沟道长度调制效应，即 浙江大学硕士学位论文基于恒涮恒压方式的锂离子电池充电保护芯片设计 m o s 管漏极电压对其源漏电流的影响。如图3 1 0 所示，m o 与m 1 管的栅极和源 极分别相连，使两管的栅源压差相等，但它们的漏极电压并不相同。恒流充电模 式下，反馈环路使m o 管的漏极电压k 与偏置电压v m r l 相等，而芯片内部带隙 基准模块产生的v 矗- f 1 一般在l v 以下，因而取也在l v 以下：进入恒压充电模 式后，由于充电电流下降，昧也随之降低。而m l 管的漏极与锂离子电池正极相 连，在充电过程中将逐渐升高，大部分时间在3 5 v 以上。由此可见，m o 与m l 管的漏极电压存在较大差距，将降低两管的电流镜像精度。实际应用中，锂离子 电池的充电电流一般在5 0 0 m a 以上。而出于功耗的考虑，采用镜像结构复制出 的电流i d e c c r 不会太大。也就是说，m 1 管的宽长比会比m o 管的大很多，再加上 沟道长度调制效应的影响，m o 对m 1 的电流复制将存在较大的偏差。 v 图3 - 1 0 恒定电流充电原理图 浙江大学硕士学位论文 基于恒流，恒压方式的锂离子电池充电保护芯片设计 使m o 、m 1 漏极电压相等的电路 克服上述问题的一种方法是采用电路控制使m o 与m i 管的漏极电压相等。 由于充电电路的目的是按缩小比例复制充电电流，因而应该使m o 管的漏极电压 跟随m 管的变化。实现这一功能的电路结构如图3 - 1 1 所示，其中m a 为匹配控 制运算放大器( m a t c ha m p l i f i e r ) ，其正输入信号为m l 管漏极电压v b t ，负输入 信号为m 0 管漏极电压v o o ，m a 的输出控制p m o s 管m 2 的栅极电压，m 2 管的 源极与m o 管的漏极相连，漏极与电阻r d e c - r 相连。m a 与h t 2 管所组成结构的工 作原理定性描述如下。假设m l 管漏极电压v b a t 升高，m a 由于正输入信号升高 其输出信号也升高，使m 2 管的栅极电压升高，则m 2 管的源极电压v o o 相应升 高使流过检测支路的电流变化尽可能小，从而m o 管的漏极电压也升高；v b a t 降 低时m a 与m 2 管的工作原理与上述的相似，但趋势相反。由上述分析可知，充 电电路加入m a 与m 2 管组成的结构可以使m o 管与m 1 管漏极电压近似相等。一 t 图3 - ”姒与m 2 使m 0 与_ 1 的漏极电压相等 浙江大学硕士学位论文 基于恒流，恒压方式的锂离子电池充电保护芯片设计 对m a 的要求及其电路实现结构 m a 与m 2 管结构的工作原理与低压差线形稳压器的相似，稳定状态下将使 p 钿等于v b a t 。假设m a 为理想运放，并忽略m 2 管沟道长度调制效应，则可以 分别对m a 和流过m o 、m 2 管的电流列小信号方程如下 = a m a ( 一) ( 3 1 1 ) g l n 2 ( 一) = 一卫 ( 3 1 2 ) r d s o 其中a n 为m a 的小信号增益，i b 为m o 管的漏源电阻。由上二式推导可得 形2 瓦g ”m 2 r o s o g a i i l 2 m ”am av batdo ( 3 1 3 ) 7 一- l j l jj l + g 1 2 r d s o 十g i i l 2 r d s o a m a 由式( 3 1 3 ) 可知，如果g l i l 2 r d s a m a 远大于l + 星缸r d s 0 ，则p 凶约等于a t ，即 m a 的增益越大，m o 的漏极电压与m i 的越接近。 图3 _ 1 2 姒的电路结构图 浙江大学硕士学位论文 基于恒流恒压方式的锂离子电池充电保护芯片设计 除了足够大的增益，设计m a 电路时应该考虑的另一个问题是输入信号的 范围。由于m a 的输入信号为锂离子电池的正极电压，一般情况下较高( 3 v 以 上) ，所以m a 在共模输入信号较高时应该能够正常工作。为此