基于恒流_恒压方式的锂电池充电保护芯片设计_图文

1、第42卷第4期2008年4月浙江大学学报(工学版Journal o f Z hejiang U niv ersity (Engineering Science Vol .42No .4Apr .2008收稿日期:2006-08-16.浙江大学学报(工学版网址:w w w .journals .z ju .edu .cn /eng作者简介:胡清琮(1983-,男,福建厦门人,硕士生,从事模拟与数模混合集成电路研究.E -mail :huqc vlsi .zju .edu .cn通讯联系人:何乐年,男,教授,博导.E -mail :helenian vlsi .z ju .edu .cn基于恒流/

2、恒压方式的锂电池充电保护芯片设计胡清琮,陈琛,王菁,张鲁,陈东坡,梁斌,何乐年(浙江大学超大规模集成电路研究所,浙江杭州310027摘要:针对锂电池的充电保护问题,提出了一种基于恒流/恒压充电方式的充电器芯片的设计方法.电路采用电流镜结构为主体,以多控制参数竞争方法对输出PM O S 管的栅极进行控制,实现了恒定电流充电、恒定电压充电和高温调节控制模式,以及各模式之间的平稳过渡.芯片采用CSM C 公司的0.6m 双层多晶硅双层金属CM OS 混合信号模型设计和流片.仿真及测试结果表明,该电路可实现各充电模式及模式之间的平稳过渡,充电完成后电池电压为4.144.22V ,满足±1%的

3、精度要求.关键词:锂电池;充电保护;恒流/恒压模式;温度保护中图分类号:T N432文献标识码:A 文章编号:1008-973X (200804-0632-04Design and implementation of Li -ion battery charger IC based onconstant -current /constant -voltage approachHU Qing -cong ,CHEN Chen ,WANG Jing ,ZHANG Lu ,C HEN Dong -po ,LIANG Bin ,HE Le -nian(I nstitute of VLS I Desig

4、n ,Zhej iang Univ ersity ,H angzhou 310027,China A bstract :The design m ethod of a charge circuit based o n constant -current /co nstant -v oltag e (CC /CV ap -proach w as presented in o rder to manag e the charge process of Li -io n batte ry .Using cur rent mirror as main structure and controlling

5、 the g ate vo ltage o f o utput PM OS transistor through the competence of mul -tiple co ntro l parame ters ,the circuit fulfills the co nstant -cur rent ,co nstant -vo ltage and therm al reg ulation charge m odes ,and the sm oo th transitio ns betw een them .The chip w as implemented using CSM C 0.

6、6m 2p2m CM OS mix process .Simulation and test results verified the functions of the circuit to realize the re -quired charge modes and the smoo th transitio ns betw een them ,and the battery voltage afte r charging w as4.144.22V ,fulfilling the accuracy of ±1%.Key words :Li -io n battery ;char

7、ge pro tection ;co nstant -current /co nstant -vo ltag e mode ;thermal reg ulation 锂离子充电电池是目前使用最广泛的可充电电池,为了防止过充电引起安全问题,并尽可能延长使用寿命,在锂电池的应用中必须包含以充电保护芯片为核心的充电电路,用于控制充电电流、判断充电是否结束及防止掉电倒流等.最早的锂电池充电保护芯片采用恒定小电流充电,并依靠手动结束充电1.这种方式需要10h 以上的充电时间,并且由于手动控制降低了可靠性,容易导致充电不足或过度,造成对电池的损坏.Rich -ard 等人1提出的恒定大电流充电方法,可以缩

8、短锂电池的充电时间.然而,大电流充电容易导致锂电池过充电,因而充电保护电路必须具备判断并结束充电的功能.同时,过快的充电可能超过锂电池内部反应物物质的量浓度允许的反应速率,因而可能导致大量放热及锂电池容量减小、寿命缩短.恒流-恒压充电方式是对大电流充电方式的改进2-3.该方式在充电初期采用恒定大电流充电,在锂电池电压达到一定值后,即当电池内部可供化学反应物质的物质的量浓度较小时,逐渐减小充电电流,最后通过充电电流的减小程度判断充电是否结束.充电后期采用小电流充电有利于减小恒定大电流充电对电池的损坏,同时锂电池电压的升高速率减缓有利于防止过充电.恒流-恒压充电方式实现的关键是恒流与恒压充电模式的

9、平稳过渡,以及充电完成时锂电池电压的精度.虽然Barcelo 等人2-3已经提出实现恒流-恒压充电的基本方案,但至今尚未有采用CM OS 工艺的具体实现电路的文献报告.本文提出了一种基于恒流-恒压充电方式的锂电池充电保护芯片设计方案,并采用CSMC 公司的0.6m 双层多晶硅双层金属CMOS 混合信号模型,进行了设计以及流片测试.电路仿真及测试结果表明,电路采用的电流镜结构,以及多控制参数竞争控制输出PMOS 管栅极电压的方法,可实现恒定电流充电、恒定电压充电和高温调节控制模式,以及各模式之间的平稳过渡.1电路设计1.1电路结构图1为锂电池充电电路原理图,其中R PROG 为外接电阻,用于设定

10、充电电流.虚线框内为充电保护芯片结构框图,其中PMOS 管M 0与M 1的栅极相连形成镜像结构,M1的漏极作为输出端对锂电池充电.本设计中M1与M0宽长比之比(W /L M1(W /L M0=4001,即充电电流I BA T 为流过R PR OG 电流I PROG 的400倍,可通过电压V R 控制或检测I BA T .M0与M 1的栅极电压V PG 由恒流-恒压控制模块与温度检测控制模块的两个输出电压中较大的值决定.充电停止与重新开始控制模块,判断并决定充电的结束与重新开始.恒流-恒压控制模块用于控制恒定电流、恒定电压充电模式以及两模式间转换过程中的充电电流变化.温度检测控制模块用于防止充电

11、过程中温度上升过高而损坏锂电池或引起安全问题.该模块的功能为:当电路温度较高时减小充电电流,从而减少发热;如果温度继续升高并超过限制值,温度检测模块将关断充电电路.1.2恒定电流充电模式锂电池充电初期,即当电池电压VBAT为3.04.1V 时,充电电路采用恒定电流充电,其实现电路 如图2所示.在恒定电流充电模式下,CA 与M0、R PR OG 构成负反馈回路,稳定状态下使V R =V b 1,而V b 1由偏置电路确定,因而在恒定电流充电模式下,V R 电压恒定.外接电阻R PRO G 的阻值可根据实际应用需要选择,以确定该充电模式下的I PR OG ,则充电电流I BA T 由式(1确定:I

12、 BAT =(W /L M 1(W /L M 0I PR OG =(W /L M1(W /L M0V R R PROG=(W /L M 1(W /L M 0V b1R PROG.(1式中:参数(W /L M1、(W /L M0均可在芯片设计或实际应用中确定,因而只要在M1管允许的导通电流范围内,恒定电流充电模式的充电电流可自由选择.当R PROG 保持不变时,可通过改变V b1,调整充电电流大小.本设计设定:当V BAT <3V 时,V b1=0.1V ;当V BAT >3V 时,V b1=1V ,用于保护过放电的锂电池.当V BA T 下降到3V 以下时,称为过放电,会对电池造成

13、一定损坏.为了减小损坏的程度,对过放电的锂电池应采用小电流充电,因而在本设计中,通过切换V b1,实现锂电池过放电与正常条件下充电电流大小的不同.1.3恒定电压充电模式当锂电池电压达到4.1V 时,充电保护芯片开始由恒定电流充电模式向恒定电压充电模式转换.图3为恒定电压充电模式的实现电路.在恒定电流633第4期胡清琮,等:基于恒流/恒压方式的锂电池充电保护芯片设计充电模式下,图3(b 中的PMOS 管M 4关断,VA 不起作用.随着V BA T 的逐渐升高,VA 输出级中的PMOS 管M4逐渐导通.由于VA 输出级的下拉电流源M2与图2中的CA 共用,此时M4将逐渐抽取M2的电流,使CA 输出

14、级中PMOS 管M3的电流逐渐减小.当M2的电流完全提供给M4时,CA 输出级中的M3关断,使镜像PMOS 管M0与M1的栅极电压完全由VA 控制,充电电路进入恒定电压充电模式.这种渐进的电流抽取方式,可以实现恒定电流充电模式向恒定电压充电模式的平稳过渡.在恒定电压充电模式下,VA 的输出信号V PG随V BAT 升高而迅速升高,导致I BAT 减小,因而将使V BA T 升高速率减小.由于M0与M1组成镜像结构,此时流过M 0的电流I PR OG 也将迅速减小.当I PROG 减小到0.1/R PROG V 时,通过对V R 信号的检测即可实现自动结束充电.由于恒定电压充电模式下锂电池电压升

15、高速度较慢,而充电电流减小速度较快,采用这种充电结束检测方式精度较高 .图3恒定电压充电模式实现电路Fig .3Cir cuit to realize co nstant -v oltag e mode1.4高温调节模式大电流充电容易导致锂电池的温度升高,而过高的温度将对锂电池造成永久损坏,因而充电过程中应对温度进行控制.由于实际应用中,锂电池与充电保护芯片封装在一起,可以认为两者温度相同.本设计采取的方案是,当充电电路温度上升到80时,减小充电电流以减小发热;如果温度继续升高超过120,则关断电路,停止充电.高温调节模式的实现电路如图4所示.如图4(a 所示,TA 将电路温度与参考温度b 进

16、行比较,TA 的输出信号V PG 随升高而升高.由图2、3可知,镜像PM OS 管M 0与M 1的栅压V PG 还受CA 与VA 的影响.为了实现各个控制参数间的竞争关系,在TA 的输出信号与V PG 之间加入 一个二极管,如图4(b 所示.只有当TA 输出电压图4高温调节模式实现电路Fig .4Cir cuit to realize the rmal regulation比CA 、VA 的输出电压高一个二级管开启电压以上时,TA 才能获得对V PG 的控制权,即当温度足够高时,高温调节电路才开始起作用.充电保护芯片检测温度的实际结构如图4(b 所示,即当温度升高时,与温度成正比的电流I PT

17、A T 增大,使TA 的负输入信号V 减小,从而使TA 输出信号增大.图5充电保护芯片的状态转换F ig .5State transitio n of cha rge IC1.5充电保护芯片的整体工作状态转换锂电池充电保护芯片包含恒定电流充电、恒定电压充电、高温调节以及充电完成后的等待模式,其中恒定电流充电模式还包括小电流与大电流充电两个过程,而高温调节可视为其他充电模式的特殊状态.此外,在锂电池充电完成后,如果因为工作放电导致电池电压下降,应该使电路重新进入充电状态.实际应用中还应该考虑在充电电路的供电电压太低、电路温度过高等不利条件下,关断充电电路,以保护电路和电池.锂电池充电保护芯片的整

18、体状态转换如图5所示.其中,在锂电池充电完成后,如果当V BAT 下降到4.05V 以下时,电路将重新进入充电状态.而在充电及等待模式下,如果电路供电电压V DD 太低或者过高,充电电路将进入关断状态,等待条件改善后再重新开始充电.634浙江大学学报(工学版第42卷2仿真与流片测试结果图6是锂电池充电过程中充电电流变化的仿真结果.仿真采用Cadance 公司的Spectre 仿真工具,以及CSMC 公司的0.6m CMOS 混合信号模型.仿真条件为:供电电压V DD =5V ,电路温度为27,V BAT 为仿真设定量,I BA T 为仿真输出结果.V BA T 的变化趋势如图6所示,在014s

19、 内,由3.8V 上升至4.2V ,模拟电池充电过程;在1420s 内,由4.2V 下降至4V ,模拟充电完成后电池工作放电导致电压下降;在2022s 内,由4V 上升至4.2V ,模拟重新充电使电池电压上升的过程 .图6模拟锂电池充电过程中充电电流变化图Fig .6I BAT -V BAT graph simulated图6中I BAT 曲线为充电保护芯片根据V BA T 产生的充电电流,可通过I BAT 曲线了解充电模式的转换.由图6可知,在02s 内,即当V BAT <3V 时,电路采用恒定小电流充电;当V BAT >3V 时,电路自动转入恒定大电流充电;当t =13s 时,

20、即当V BAT 约为4.1V 时,电路开始由恒定电流充电模式向恒定电压充电模式过渡;当t =14s 时,即当V BAT 达到4.2V 时,充电停止;当t 约为19s 时,即当V BA T 为4.03V 时,电路重新开始充电,直到V BAT 达到4.2V .在上述充电过程中,保护芯片的工作状态转换经过流片测试获得验证.本充电保护芯片采用CSM C 公司的0.6m 双层多晶硅双层金属CMOS 混合信号工艺设计流片.电路版图如图7所示,其面积为1.0mm ×1.4mm .对3块芯片测试结果如表1所示,其中V fin 和V rec 分别为各充电芯片的充电结束与重新开始对应的锂电池电压.测试结

21、果表明,当表1锂电池充电保护芯片测试结果T ab .1Te st results of Li -io n batter y charg e IC 芯片编号V fin /V V rec /V 1号4.1804.1252号4.2154.1263号4.1444. 072图7锂电池充电保护芯片版图照片Fig .7Pho to of Li -ion ba ttery char ge IC lay out充电完成时,电池电压范围为4.144.22V ,当重新开始充电时,对应的锂电池电压范围为4.074.13V ,满足±1%的精度要求;并且在充电过程中,充电保护芯片可以实现恒定电流充电、恒定电压充电、充电停止等待以及重新开始充电等模式的正常转换.在工业生产中,可以使用流片后在大圆硅片测试中修正(trimming 的技术,进一步保证充电电压的精度.3结语本文提出了一种基于恒流/恒压充电方式的锂电池充电保护芯片的设计方法.电路采用电流镜结构为主体,以多控制参数竞争方法控制输出PM OS 管的栅极电压,