用太阳能电池供电的锂电池充电管理集成电路的设计.doc

本文由hejiangxiu贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 用太阳能电池供 电的 锂电池充电管理集成电路的设计 程莉莉 ， 建龙， 赵 熊勇， 纪虹 ， 张为 ， 郑殷 （ 中国科学院上海微 系统 与信 息技术研 究所 ， 上海 ） 摘要 ： 本课题 研发 成功 了一款 具有 自主知 识产 权 的集成 电路 芯 片 集成 电路 主要 用 于使 用 太 阳能 电池 ， 该 为锂 电池 充 电的领 域 。 其主要 功 能 包括 ： 利用 太 阳能 电池对 锂 电池进行 恒 流 恒压 充 电： 充 电的过程 中 实时监测电池的温度 ， 监测输入 出电压 ， 输 以保证安全有效的对 电池充电； 充电状态 自动控制功能； 芯 片温度 调制 电路 ； 据 太 阳能 电池 的输 出电流能力 自动调 整充 电电流 的功 能 。该 芯片还具 有 集成度 高， 根 应用电路 简单等优点。 关键词 ： 电池； 锂 充电管理 集成 电路 ； 阳能 电池供 电 太 ， ， ， ， ， （ ， ， ， ） ： ： ； ； ； ； ； ； ： 本课题得到上海市科委 集成 电路设计专项 （ 目 项 编号： 的资助。 ） ， ， ： 一 巾国集成电路 ！ 器斗 一 。 简 介 太 阳能 电池 的发 展始 于上 世纪 五十 年代 ，最初 应 用于 宇宙 开 发 ， 航空 航 天 等领 域 。经 过 近 五 十年 的 发展 ， 论从 发展 速 度 、 术成 熟 性 ， 是 从应 用 无 技 还 领域来 看 ，太 阳能 电池都是 新 能源 中 的佼佼 者 。太 阳能 电池具 有许 多优 点 ， 比如： 全可 靠 、 噪声 、 安 无 无 污染 、 能量 随处可 得 、 不受地 域 限制 、 须 消耗燃 料 、 无 无机械转动部件 、 故障率低 、 维护简便 、 可以无人值 守、 建站 周期 短 、 模大 小 随意 、 须架 输 电线路 、 规 无 可 以方便地 与 建筑物 相结 合等 ，这些 优 点都是 其它 发 电方式所 不及 的。 图 太 阳 能 电池 简 化 电路 模 型 池 的特性 不 同而有 所差 异 。 是 ， 但 对于 大多数 硅 电池 而 言 ， 一 电压都 在 到 这 之 间 ， 也 是 这 结二 极 管的正 常正 向电压 。 太阳能电池作为有潜力的可再生能源 ，多年来 其 产 量一 直 以每年 到 的增 长率 在 增 加 ， 目 前 主要应 用领 域包 括航 空航 天 、军 事 以及 民用消 费 品等 。 图 展示了太 阳能电池的输出特性。由于串联 电阻 （ 的原因， ） 电压会稍有下降。然而 ， 有时如 果通 过 内部二 极管 的 电流太小 ， 导致偏 置不 够 ， 会 并 且 穿 过 它 的 电压 会 随着 负 载 电流 的增 加 而 急 剧 下 降。 后 ， 最 如果所 有 电流都 只流 过负 载而不 流过 二极 管 ， 出电压就会 变 为零 。 输 这个 电流被 称 为太 阳能 电 池 的短路 电流 （ 。和 都 是定 义太 阳能 ） 但是 太 阳能 电池 并不 是一个 理 想 的电源 ，其输 出特性 受光 照 强度 和 光线 频谱 等 因素 影 响 ， 出 电 输 流很 不稳 定 ，所 以太 阳能 电池不 能 直接驱 动用 电装 置， 而需要 将太 阳能 电池先 存储 在蓄 电池 中 ， 后通 然 过 蓄电池 为用 电装置 供 电。 本 课题 的芯 片可 以利用 太 阳能 电池为锂 电池充 工作性能的主要参数之一。 因此 ， 太阳能电池被认为 是 “ 电流 限制 ”型 电源 。 的输 出 电压 会 随着输 出 电 它 电 ， 面详 细介绍 芯 片的研 发 内容 。 下 流的增加而降低 ，并在负载电流达到短路电流时降 为零。 电路 设 计 太 阳 能 电池 的 特 性 太 阳能 电池一 般 由 结 组成 ， 由于 结 的 由于太 阳能 电池 的输 出 电流 随光 照强度 的变 化 而 变化 ，所 以一般 不 能用 太 阳能 电池 给用 电系统 直 接供 电， 一般需要将太阳能电池的能量先存储在蓄 电池 中， 然后通过 电池为系统供 电。 这就要求充电电 路能 够适 应太 阳能 电池 的 电压 一电流输 出特性 。 特性类似于二极管的特性 ，我们一般以如图 中所 示 的 电路 作为 太 阳能 电池 特性 的一 个简 化模 型 。 电流 源 产 生 的 电流 和 太 阳能 电池 上 接 收 锂 离 子 电 池 充 电时 的线 性 恒 流 恒 到 的光 量度 成 正 比 。在实 际 太 阳能 电池 应用 中 ， 并 联 电阻 （ ） 的泄漏 电流很小 ， 而 则 会 产生 连接 压控制技术 的研究 锂 离 子 电 池 的充 电要 求 是 在 电 池 电 压 低 于 时采 用 恒定 电流 模 式充 电 ，在 电池 电压 达 到 损耗 。在没 有负 载连 接 的时候 ，几乎 所有 产生 的 电 锂 流都流过二极管 ， 其正 向电压决定着太阳能电池 时采用 恒定 电压 充 电模 式充 电 ， 离子 电池 或 锂聚合物电池的充 电电压不能超过 ，否则将 的开路 电压 （ 。 电压会 因各种 类型 太 阳能 电 ） 该 导 致过 充 电现象 ， 轻则 影 响电池 的使 用寿命 ， 严重 的 、 ， ： 整管 的导通 ， 以稳定 充 电 电流。 是 电压 调制 放大 器 ，其功 能是 将反 馈 网络输 出的信 号 与 电压基 准 源 的误 差进 行 放 大 ， 放 大后 的信号用来调整功率调整管的导通 ，以达到调 制充 电 电压 的 目的 。 充 电时芯片温度 调制技术 的研究 对于线性充 电器 ， 在充电过程中， 由于功率管消 图 太 阳 能 电池 的一 般 性 特 耗功率， 会使功率管的结温升高 ， 过高的结温将使半 会 导致 电池报废 或爆 炸 。所 以要 求充 电芯 片的恒 压 导体器件工作不可靠 ， 甚至烧毁半导体器件。 线性充 电管理 芯片 的结 温可 由下 面的公式 计算 出 ： （ 矾一 ） 充 电电压的典型值在 ，其最大误差不超过 毫伏 。在 我们 的设计 中 ，采 用 电流调 制放大 器 和电 压 调 制 放大 器 分 别 对 充 电 电 流 和充 电 电 压进 行 调 制 ， 电池 电压低 于 在 时 电流调 制放 大器 主导充 电回路 ； 电池 电压达 到 在 时 电压 调制 放 大器 主 导充 电 回路 ， 其工 作原 理如 图 所示 。 其 中 ， 是半导 体 芯片 的结温 ， 是半导体芯片的环境温度 ， 是输 人 电压 ， 胛是 电池端 电压 ， 删是充 电电流 ， 是半导 体芯 片 的热 阻 。 从上 面的公 式可 以看 到 ，当半导体 芯 片的环境 温度 比较 高 ，或者输 入 电压与 电池端 的 电压差 比较 大， 或者充电电流比较大的时候 ， 半导体芯片的结温 会有 明显 的上 升 。所 以在没 有对 功率管 消耗 的功率 进行控 制 的情况 下 ，工程师 设计 充 电器 时必须 根据 最坏 情况 ， 即最 高 的芯 片环境 温 度 ， 最大 的输 人 电压 与 电池端 电压差 和最 低允许 的芯 片 的结 温 ，来 设计 充 电电流 ， 只有这 样才 能保证 系统 的可靠 性 。 是这 但 样 的设计对于多数时问工作在通常条件下，而不是 图 恒 流恒 压 控 制 原 理 最坏条件下的充电器来说 ，肯定会造成充电电流过 低 或 者系统 成本上 升 ，而且 如果对 最坏 情况考 虑不 充 分 的话 ， 也会 导致 充 电器工 作不 可靠 。 图 中 ， 沟道 是 场 效 应 晶体 管 ， 用作 功率 调 整管 ，充 电 电流通 过 此 功 率 调 整 管 从 输 入 电压 到 电池 端 流 。 和 构成 反 馈 网络 ， 电池 电压 进行 采 对 样。 是 电流调 制放 大器 ， 其功 能是将 对充 电 如果在芯片内部集成有热调制电路 ， 其作用就 是通过对功率管消耗 的功率进行控制而达到控制芯 片的结温的目的， 当芯片结温上升到 时， 内部 的热调制 电路开始工作 ， 通过调制充电电流， 使芯片 的温度维持在 的恒温状态 ， 这样 ， 即使在最坏 只要根据通 常情况进行设计就可以了，没有必要花 电流进行采样而反馈 回来的信号 与电流基准信 情况下 ，用户也不需担心芯片的温度过高。工程师 号的误差进行放大 ， 放大后 的信号用来调整功率调 ： 巾国集成电路 甜 一 。 费很 多 时间 ， 力去 考虑 最坏情 况 。 精 小 电流 回路 中对充 电 电流进行 调整 和监 测 ，这种方 法不需要使用几百毫欧姆的电阻 ， 具有精度高， 成本 充 电器 的状态控制的研究 在芯 片工作 时 ， 根据输 入 电压 、 电池 电压 及 电池 温度 等 因素 的具 体情 况 ，充 电器共 有下 面几 种工作 状态 ： 低， 功耗低和应用电路简单等优点。 充 电电流 自动调整技术研究 本课 题 的芯 片 内 部集 成 有 位模 拟 一数 字 转 换 电路 ，能够 根据输 入 电压源 的 电流输 出能力 自动 （ ）涓 流充 电状态 当 电池 电压 低 于 时 ，为 了激 活深 度 放 电的 电池 和减 小功耗 ， 采用 涓流 充 电模式 ， 时充 电 电流 此 为所设 置 的恒流 充 电电流 的十分 之一 。 （ ）恒 流充 电状 态 调整充电电流 ， 用户不需要考虑最坏情况 ， 可根据输 入 电压源 的最 大 电流输 出能力设 置充 电电流 ，最 大 限度 地利用 了输 入 电压源 的 电流输 出能力 ，非 常适 合 利 用太 阳能 电池等输 出电流有 限的 电压 源供 电 的 锂 电池 充 电应用 。 当 电池 电压 在 和 之 间时 ， 了实现 快 为 速充电， 采用恒流充电模式 。 （ ）恒压 充 电状 态 功 能框 图 将 上述功 能模 块集 成到 一起 ，就得 到 了本课 题 的芯 片功能框 图 ， 图 所示 。 如 当电池 电压 达到 时 ，进入 恒压 充 电模 式 ， 此时充 电 电压不再 上升 ， 电 电流 逐渐 减小 。 充 （ 充 电结 束状 态 ） ? 在 恒压充 电阶段 ，当充 电 电流 减小 到恒 流充 电 电流的十分之一的时候 ， 将进入充电结束状态。 在充 电结束状态 ， 功率调整管被关断 ， 没有充 电电流流 向 电池 ， 证 了电池 的安全 。 保 （ ）电池温 度异 常状态 锂离子 电池和锂聚合物 电池 的电解液一般 在 之 间具有 最 好 的活性 ，在 电池 温度 超 出 到 此 范 围时对 电池 充 电会损 害 电池 的寿命 。在充 电时 需要 监测 电池 的温度 ，在 电池 温度超 出正 常 范 围时 应该停 止 充 电 ， 以保 护 电池 。 以设 立 电池 温 度异 常 所 状态 。 （ ）睡 眠状态 当输入 电压 低于 电池 电压 时 ，为 了避 免 电流倒 灌现象 ， 即电流从 电池流向输入电压 ， 需要关断功率 调整管 ， 为此设立睡眠状态。在睡眠状态 ， 功率调整 管和 内部 电路 被关 断 ， 芯片 的 电流 消耗 极低 。 图 芯 片功 能框 图 充 电电流检测技术 的研究 在本课题的芯片中，我们采用有源跟踪 电流镜 技 术 ， 充 电电流精 确 映射 到另一 小 电流 回路 中 ， 将 在 流 片 与测 试 结 果 本课题的芯片采用无锡华润上华半导体有限公 ， ： 司的 米 微 工艺 制造 ，该 工艺 提供 高性 能 的 型 双极 晶体管 ， 以保证 充 电器 电路 的精 可 度。 该工艺的低压器件的沟道长度最低为 微米 ， 非 常适合 数 字 电路部 分 的高密 度布局 布线 。 本课 题 的芯 片采 用 散 热 增 强 型 的 管 脚 封 装和 管脚 的 封装 两种形 式 。 这两种 封装 对 于 表 面贴 装 器 件 ， 有 占用 的面 积 小 ， 度 薄 具 厚 的特 点 ，尤 其 是 封 装 ，其 外 形 只 有 ， 而且 散热 能力 极强 ， 以提 供高 达 可 安 培 的充 电 电流 。 图 典型 应 用 电路 本课题产生两款芯片 ，这两个应用电路都能独 般 的锂 电池 充 电管理 功能 ， 恒流 如 恒压 充 电 ， 电池 立 完成 对锂 电池 充 电过 程 的 自动 管理 ， 能 根 据输 并 入 电源的输 出电流能力 自动 调整充 电 电流 ，其 它功 温度的实时监测 ， 电状态 自动控制功能等。 充 流 片测试 结果表 明 ，该 芯 片成功 地达 到 了设 计 指标。 四 能包 括 电池 温 度 监 测功 能 和 充 电器 状 态 指示 、 。 等 这 两款 电路 只 有 封装 形 式 和最 大 持 续 充 电 电流 不 表 测 试 结 果 测 试 参 数 片 内 集成 功率 品体 管 最 低 输 入 电压 测 试 条 件 及 测 试 说 明 不 需 要 外 部 功 率 晶 体 管 和 反 向 阻 流 二 极 管 存 输 入 端 施 加最 低 输 入 电压 时 ， 电路 能 够正常作 状 态 指 示 均 正 常 在 电源 输 入 端 施加 工 作 电压 ， 电池 在 连 接 端 施加 电压 ， 芯 片 处 于充 电 使 结束状态 然 后 测培 流 入 第