智能型锂电池保护板电路的设计与实现

智能型锂电池保护板电路的设计与实现摘要锂离子电池因储能容量大、使用寿命长、清洁环保、能量体积比大等众多优点，所以在各行各业被广泛使用，逐渐成为了电池的主流产品。然而因锂电池的能量密度高，也使得难以确保其平安性，所以需要相匹配的电池保护电路来确保电池以及使用设备的平安。本文介绍了通过锂离子电池的充放电特点设计一种支持多种规格锂电池及电池组的保护电路的详细过程。本文以锂电池的充放电特点作为研究主体，详细阐述了作者在学士学位论文工作期间对锂电池充放电过程中对其保护的研究与设计。介绍了锂电池的特点以及其保护电路的开展现状及趋势，其次说明了锂电池的充放电的概念、原理、制定目标设计参数以及保护电路的设计过程、实现方法。设计过程中，首先提出三种可行性方案，并通过理论分析进行方案筛选，确定由精工电子的电源管理芯片S-8209为核心构成的设计方案。然后通过对S-8209进行Pspice建模并仿真，验证其功能并为设计方案提供理论根底。然后绘制电路图，并施以改良优化设计方案。最后进行锂电池保护电路的调试，并对毕业设计期间的工作作出总结。关键词：锂电池保护电路电池组Pspice建模S-8209TheDesignandImplementationOfIntelligentLithium-ionBatteryProtectionCircuitAbstractLithium-ionbatteryiswidelyusedinalmostallwalksoflife,becauseofitslargecapacity,longusefullife,environmentfriendlyandlargevolumeratioofenergy.Itisbecomingthemainstreamproductsofbattery.Butitshighvolumeratioofenergyisalsotheunstablecautionofsecurity.Soitisnecessarytomatchthebatteryprotectioncircuitrytoensurethesafetyofthebatteryandtheequipmentofusingthebattery.Thisarticledescribestheadoptionoflithium-ionbatterychargeanddischargecharacteristicsofavarietyofspecificationstodesignalithiumbatterygroupandbatteryprotectioncircuit.Inthispaper,thechargeanddischargecharacteristicsoflithiumbatteryasaresearchsubjectduringtheprocess.Thisarticleintroducesthecharacteristicsoflithiumbatteryanditsprotectioncircuitdevelopmentandtrend,followedbyshowstheprinciplesoflithiumbatterychargeanddischarge.Andthenmakethedesignsettings.Duringthedesignprocess,firstlyproposedvariousofdesignoptions.Throughtheoreticalanalysistodeterminetheprogram,selectedSeikoelectronicpowermanagementICS-8209toachievethedesign.ThencarriedoutontheS-8209Pspicemodelandsimulationtoverifyitsfunctionalityandprovideatheoreticalbasisforthedesign.Thendrawthecircuitdiagram,andhelpingtoimproveoptimizationdesign.Finally,debugthelithiumbatteryprotectioncircuitandsummarymyworkduringthegraduationproject.Keywords:Lithium-ionbatteryBatteryprotectioncircuitPspice-modelingLithium-ionbatterygroupS-8209目录TOC\o"1-3"\u1绪论11.1课题研究背景11.2课题的研究方向和开展前景2锂电池保护电路的现状21.2.2锂电池保护电路的开展前景31.3选题的目的和意义41.4设计要求51.5主要工作及流程72技术背景及方案选择82.1锂电池的介绍82.1.1锂电池简介82.1.2锂电池的特点92.1.3锂电池的充电原理112.1.4锂电池的放电原理122.1.5锂电池的工作过程132.1.6锂电池保护的必要性132.2锂电池充电器的介绍142.2.1锂电池充电器简介142.2.2恒流——恒压式锂电池充电器152.3Pspice仿真软件的介绍172.3.1Pspice的开展与现状172.3.2Pspice的组成192.3.3Pspice的分析功能202.3.4使用Pspice建立仿真模型202.4实现方案的选择212.4.1方案介绍212.4.2方案的比照与选择222.4.3方案存在的问题243设计实现253.1原理分析253.1.1整体实现原理253.1.2各局部功能的实现方法263.1.3S-8209的性能指标283.1.4S-8209功能原理分析293.1.5S-8209的典型电路原理313.2使用Pspice进行仿真343.2.1仿真的意义及作用343.2.2对S-8209芯片建立仿真模型353.2.3锂电池保护电路的仿真373.3锂电池保护电路的制作413.3.1设计电路413.3.2确定选用元件的型号及参数423.3.3绘制PCB电路板434总结454.1实际电路测试454.2理论与实际比照分析454.3经验总结46致谢47参考文献48附录51附1Pspice仿真描述语句51附2锂电池保护电路电路图53附3锂电池保护电路实物图54外文资料翻译及原文551绪论1.1课题研究背景锂离子电池因储能容量大、使用寿命长、清洁环保、能量体积比大等众多优点，所以在各行各业被广泛使用，逐渐成为了电池的主流产品。然而锂电池的能量密度高，也使得电池的平安性难以得到确保。锂电池的过度充电〔以下简称“过充”〕、过度放电〔以下简称“过放”〕和电池组间的电量不平衡都会导致电池的内部耗损加速，使用寿命减短。锂电池过充甚至可能造成锂电池爆炸造成人员伤亡和财产损失的事故。所以需要相匹配的电池保护电路来确保电池以及使用设备的平安。图1.1六串锂电池组示意图现在市场上虽然锂电池保护电路很多，但大多都是只能应用于小型锂电池的保护，功能单一且只适用于个别型号的电池，比方、相机用的单节锂电池。在某些需要保护功能全面或是需要同时多节电池充放电的情况下，比方多芯锂电池、动力型锂电池，那些功能单一的保护电路就无法使用了。对于输出电流、电压值都比拟大的动力锂电池磷酸铁锂电池，市场上已有的保护电路并不多。而关于锂电池组的保护电路那么更少了，且这些锂电池组保护电路支持的电池串数较少〔一般不多于6串〕，这就使得其对大型锂电池组的保护力不从心了。基于此种情况，就需要一种功能全面且根本适用于各种型号及类型的锂电池甚至是锂电池组的保护电路系统。这种保护电路需要具备过充保护、过放保护、电量平衡保护、过流保护等功能、支持6串以上的电池组使用且可以扩展，根据其扩展性可让电路适用于更多的使用环境。并且基于这种扩展性可以使此电路作为锂电池保护电路的开发模板，以其为蓝本通过更改参数及更换不同功率的器件设计出同类型的衍生电路。1.2课题的研究方向和开展前景1.2.1锂电池保护电路的现状目前市场上已有的各种锂电池保护电路的类型有两种，一种是使用分立元件，另一种是使用专业的电池管理检测芯片。使用分立元件制作而成的保护电路本钱低廉，但是检测精度普遍不高，约在200毫伏左右；分立元件的集成度较低，造成整体电路体积过大；而且分立元件制成的锂电池保护电路考虑到稳定性的问题，一般不带有电量平衡保护局部，这些都使得分立元件的保护电路适用范围减小。其诸多的缺点使得其、它只能适用于低端产品市场，而对于相对高端的电子产品那么很少使用这种类型的保护电路。图1.2TSSOP封装图使用专业电池管理IC的话虽然本钱偏高一些，但是可以保证较高的精度，精度高的可以到达50mv以下；且集成度高，使用TSSOP或更高等级封装芯片构成的单节保护电路可做到指甲盖大小，其封装大小见图1.2；现在电池充放电管理的芯片在市场占有上根本是精工电子一家独大，占绝大局部市场，其产品功能全面，S-8209、S-8254、S-8211等都具有过放保护、过充保护、电量平衡保护的功能。1.2.2锂电池保护电路的开展前景锂电池保护电路未来的开展将以提高侦测电压的精度、降低保护IC的功耗及包装本钱、整合MOS、改良误动作防止功能等，同时充电器连接端子的高耐压化也是开发的重点。对于锂电池保护芯片的封装，目前已由SOT23渐渐的朝向SON，将来还有CSP的封装，甚至COB封装产品的出现，用以满足现在所强调的轻薄短小的需求。当然，功能组件单晶化是一致的目标，如目前行动制造商都朝向将保护IC、充电电路、电源管理IC等外围电路集成单芯片，与逻辑IC构成双芯片的芯片组。但目前要使PowerMOS管的开路阻抗降低使其与其它IC合组，即使以特殊技术制成单芯片本钱也将会过高。因此，锂电池保护芯片的单晶化将需一段时间来解决。锂电池保护电路的整体体积也会随着保护芯片封装的改良而越来越精巧，适用于更多的精密仪器。1.3选题的目的和意义锂电池保护电路是应用锂电池所必须的电路局部，缺少了保护电路的使用，锂电池将缩短使用寿命、造成平安隐患、损毁用电设备，所以设计并制作一个高效稳定的锂电池保护电路是有着实际意义的。由于目前市场上还没有推出功能齐全、功能可扩展且支持电池组串数超过6串的锂电池保护电路，所以设计并制作出这样一个锂电池保护电路具有一定的创新性。而且由于功能齐全，所以可以根据实际需要通过更改电路参数或器件类型来开发出新的型号。又因为它的可扩展性，可以根据电池组的串数组合出符合要求的保护电路。正是因为设计并制作出这样一种锂电池保护电路具有研究和实际应用的价值，所以我选择这个题目作为我的毕业设计。通过制锂电池保护电路可以加深对电源技术、电力电子技术等知识理解和掌握。在制作过程中，培养个人独立思考问题和解决问题的能力，为今后工作做好技术储藏。1.4设计要求类型功能工程参数精度保护功能过充保护过充保护电压〔V〕4.25±50(mV)过充保护延时(mS)＜1000±50(mS)过充保护解除电压〔V〕4.10±100(mV)过放保护过放保护电压〔V〕2.5±100(mV)过放保护延时(mS)＜100±50(mS)过放保护解除电压〔V〕2.6±100(mV)过流保护过流保护值〔A〕1±50(mA)过流保护延迟(mS)＜500±100(mS)过流保护恢复条件断开负载短路保护短路保护值(A)2±1(A)短路保护延迟(uS)＜200±100(uS)短路保护恢复条件断开负载均衡保护均衡电流(mA)500±60(mA)均衡开启电压〔V〕4.20±50(mV)均衡精度〔mV〕50±50(mV)表1.1各种保护功能的设计参数要求如表1.1所示，列出了过充保护、过放保护、过流保护、短路保护、电量均衡保护的具体执行阀值和精度的要求。其中过充保护、过放保护、电量均衡保护的精度是根据所选芯片决定的。表1.2锂电池及充电器性能参数BL-5C型锂电池充电电压〔V〕充电电流〔mA〕电池容量〔mAh〕4.2≤1000970万能型充电器输出电压〔V〕输出电流〔mA〕充电时间〔h〕4.2≤3003.5图1.3(a)BL-5C锂电池的充电特性曲线图1.3(b)BL-5C锂电池的放电特性曲线测试时电池使用NokiaBL-5C型锂电池，充电器选用与其匹配的万能型充电器，其具体参数见表1.2，BL-5C的充放电特性见图1.3(a)及1.3(b)，此图源于三洋能源测试组。根据设计要求，组成电路所选择的元件的耐压值要大于5v，耐流值要到达1A，这些要求是根据测试时选用的电池及充电器确定的。如果要使用磷酸铁锂电池及相应充电器，那么元件的耐流值要更大到达20A甚至更高，那么相应地，电路的制作本钱将大大超出毕业设计所提供的经费，无法选用动力电池对本毕业设计所制作的保护电路进行测试。应选用上述锂电池及充电器。1.5主要工作及流程一、查找相关资料，了解课题内容，开拓思路。二、提出具有可行性的实现方案，通过分析比照选出最优方案。三、根据所选方案设计电路，并绘制原理图。四、使用仿真软件Pspice对所选方案进行理论分析及验证，并找出缺乏之处从而作出合理优化。五、制作验证电路，对电路功能做初步的实际验证，并且找出实际应用中的问题并解决。六、通过实际验证的结果，在电路原理图的根底上绘制电路图，选购元器件并焊接电路。七、对制作完成的保护电路进行整体调试，使之到达设计要求。八、对本次的锂电池保护电路进行理论与实际的比照分析，并作出总结。2技术背景及方案选择2.1锂电池的介绍2.1.1锂电池简介锂电池〔锂原电池〕和锂离子电池是20世纪开发成功的新型高能电池。锂原电池的负极是金属锂，正极用MnO2，SOCl2，(CFx)n等。70年代进入实用化。现在，锂离子电池应用范围更加广泛，如移动、便携式计算机、摄像机、照相机等。锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。最早出现的锂电池使用以下反响：Li+MnO2=LiMnO2，该反响为氧化复原反响，放电。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高，所以锂电池生产要在特殊的环境条件下进行。锂原电池之后创造了以炭材料为负极，以含锂的化合物作正极的锂电池，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，到达负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时〔即我们使用电池的过程〕，嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。在锂离子电池的充放电过程中，锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。锂离子电池就像一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象运发动一样在摇椅来回奔跑，所以锂离子电池又叫摇椅式电池。现在锂离子电池的大量使用，已经逐渐代替了不平安的锂电池，所以已经习惯用锂电池来称呼锂离子电池。2.1.2锂电池的特点锂电池的优点：1、比能量高。具有高储存能量密度，目前已到达460-600Wh/kg，是铅酸电池的约6～7倍；2、使用寿命长，使用寿命可到达6年以上，磷酸亚铁锂为正极的电池用1ADOD充放，有可以使用10,000次的记录；3、额定电压高〔单体工作电压为3.7V或3.2V〕，约等于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压，便于组成电池电源组；4、具备高功率承受力，其中电动汽车用的磷酸亚铁锂锂离子电池可以到达15-30A充放电的能力，便于高强度的启动加速；5、自放电率很低，这是该电池最突出的优越性之一，目前一般可做到1%/月以下，不到镍氢电池的1/20；6、重量轻，相同体积下重量约为铅酸产品的1/5-6；7、上下温适应型强，可以在-20℃～60℃的环境下使用，经过工艺上的处理，可以在-45℃环境下使用；8、绿色环保，不管生产、使用和报废，都不含有、也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质；9、生产根本不消耗水，对缺水的我国来说，十分有利。锂电池的缺点：1、锂原电池均存在平安性差，有发生爆炸的危险；2、钴酸锂的锂离子电池不能大电流放电，平安性较差；3、锂离子电池均需保护线路，防止电池被过充过放电；4、生产要求条件高，本钱高。表2.1锂电池与其它电池性能的比拟性能锂电池镍氢电池镍镉电池铅酸蓄电池工作电压〔v〕3.61.21.22.0能量密度〔Wh-kg-1〕100~160655035循环寿命〔次〕500~1200300~700300~600150~400自放电率〔%/月〕6~930~3525~306工作温度范围〔℃〕-20~60-20~65-20~65-40~65容量高中低低平安性能平安平安平安不平安记忆效应无无有无环境污染无无有有本钱价格高中低低通过表2.1可以清楚地看出锂电池与其它各型主流电池的性能特点，锂电池除造价及工作温度范围两项外，性能均表现突出，综合性能最高。综合锂电池的优缺点来看，使用锂电池还是利大于弊的。并且观其缺点，根本是平安性上的问题，但是只要设有保护电路对锂电池进行实时的监控检测，还是可以使锂电池的使用平安性大大提高的。所以锂电池成为新一代的主流电池是有其必然性的。2.1.3锂电池的充电原理图2.1锂电池充电特性曲线目前锂电池的充电方法主要有两种，即恒流——恒压充电和脉冲充电。在本毕业设计中选取的充电器使用的是恒流恒压充电法，所以以下针对恒流恒压法进行详细介绍。如图2.1所示，锂电池的恒流恒压充电方法充电过程。电池接入充电器后，充电器首先进行预处理，主要对电池进行检查，检查方法是以A/l5量级的电流对电池进行温和的预充看其电压能否上升到规定门限〔2.5V〕，否那么断定电池报废；成功预充电后那么进入恒流区，以较高的恒定电流约1A对电池进行快速充电。当电池电压到达恒压门限(4.2V)时，电池容量接近于满容量的40%至70%，转入恒压区，对电池进行恒定电压充电，随着电池电压的不断上升，充电电流不断减小，当充电电流降到A/10或A/15量级时终止充电，即电池充电完成。锂电池充电的速度决定于充电器的恒流区输出电流，即最大充电电流。最大充电电流大那么充电速度快，最大充电电流小那么充电速度慢。一般锂电池所用的充电电流设定在0.2A至1A之间，电流越大，充电越快，但同时电池发热也越大。而且，过大的电流充电反而会使电池容量不够满，因为电池内部的电化学反响需要时间，电流过大将导致反响时间不充分。就跟倒啤酒一样，倒太快的话会产生泡沫，反而不满。2.1.4锂电池的放电原理锂电池的放电可以理解为是其充电的逆过程。对于锂电池来说，自放电率是很低的，所以其正常使用的过程就是放电的过程。锂电池的放电只需要注意两点：第一，放电电流不能过大，过大的电流导致电池内部发热过大，有可能会造成永久性的损害。第二，绝对不能过放电，锂电池一旦放电电压低于2.0V，将可能导致电池内部材料损坏严重的将导致电池报废。图2.2锂电池放电特性曲线由图2.2可以知道，放电电流越大放电曲线的下降趋势越大，也就是放电的速度越快。同时越大的放电电流也会导致电池发热，严重的将对电池造成损伤。所以为了保证电池的使用平安以及电池的供电效率，应选用不过大的适宜的供电电流。2.1.5锂电池的工作过程锂电池每一个“充电——放电”过程，称为一个充放电循环。锂电池从工作开始，每个循环后的容量都会出现轻微下降，这是由电池的电极材料的性质决定的。按照国家标准，当容量下降到额定容量的60%时，即认为电池寿命结束。通常锂电池寿命不小于500次循环，就是指500次充电循环后，容量不小于额定容量的60%。一般的充放电循环，是“充满——放空”。这样对电极材料来说负荷时比拟大的。所以每次充电不要完全充满，放电不要完全放空，可以大大延长锂电池的寿命。有测试说，如果把充放电过程控制在80%的容量，循环寿命可以超过2000次。控制电池使之充放电量控制在80%左右靠锂电池本身是不可能的，这也要通过保护板来实现，只要调节保护开启阀值就这一做到这点。2.1.6锂电池保护的必要性当锂电池发生过度充电时，电池内电解质会被分解，使得温度上升并产生气体，使得压力上升而可能引起自燃或爆裂的危机。在过度放电的情形下,电解液因分解而导致电池特性劣化,并造成充电次数的降低。在过流使用或是短路的情况下，会使电池因使用电流过大而温度过高导致外壳变形、电解液泄露甚至爆炸。从分子层面看，锂电池的过充过放将可能对锂离子电池的正负极造成永久的损坏。可以直观的理解为，过度放电将导致负极碳过度释出锂离子而使得其片层结构出现塌陷，而这种结构上的塌陷是无法恢复的；过度充电那么将把太多的锂离子硬塞进负极碳结构里去，而使得其中一些锂离子再也无法释放出来，使电池的容量大幅下降。总之，锂电池的过充和过放都会对电池本身以及用电设备造成很大的损害。而要极大程度地防止这些，使用锂电池保护电路就可以了，这也正是锂电池保护电路必要性的原因所在。2.2锂电池充电器的介绍2.2.1锂电池充电器简介锂离子电池充电方式主要方式有两种，恒流——恒压方式和脉冲方式。对于适用于单节锂电池的充电器其输入为110v～220v交流市电，输出电压一般为4.2v，输出电流范围在100mA～600mA之间，普遍为300mA。锂电池充电器通过监测电池的电压判断电池是否充满，检测电池电压是否到达4.2v。为有效利用电池容量并保证不过充需要较高的电压检测精度，一般精度需要高于5%，为保证平安充电，充电终止检测除电压检测外仍需采用其它的辅助方法作为防止过充的后备措施，如监测电池温度、限定充电时间等。另外，由于锂离子电池出现过放电时同样会造成电池的损坏，一般在电池充电前需要检测电池是否可充，通常在对锂离子电池进行预充电时需保证每节电池电压高于2.5v，这就要求充电器具有预充过程。由此可见，锂离子电池具有较高的性能指标，但对充电器的保护措施要求较高，所以每种类型的锂电池都需要使用与其配套的充电器。2.2.2恒流——恒压式锂电池充电器本毕业设计所用的锂电池充电器是恒流——恒压方式的充电器，所以对其做具体介绍。图2.3恒流——恒压式锂电池充电器如图2.3所示，其为一个简单的恒流——恒压式锂电池充电器。输入220v交流市电，输出接锂电池进行充电。其对锂电池充电的特性曲线见锂电池充电原理一节的图2.1。其工作原理：三极管VT1为开关电源管，它和变压器线圈、R1、R3、C2等组成自激式振荡电路。接通输入电源后，电流经启动电阻R1流向开关电源管VT1的基极，使VT1导通。当VT1导通后，变压器的初级线圈Np就加上了输入直流电压，其集电极电流Ic在Np中线性增长，反响线圈Nb中产生3正4负的感应电压，使VT1得到基极为正，发射极为负的正反响电压。此电压经C2、R3向VT1注入基极电流使VT1的集电极电流进一步增大，正反响产生雪崩过程，使VT1饱和导通。在VT1饱和导通期间，整体线圈通过初级线圈Np储存磁能。与此同时，感应电压给C2充电随着C2充电电压的增高，VT1基极电位逐渐变低，当VT1的基极电流变化不能满足其继续饱和时，VT1便退出饱和区进入放大区。VT1进入放大状态后，其集电极电流由放大状态前的最大值下降，在反响线圈Nb产生3负4正的感应电压，使VT1基极电流减小，其集电极电流随之减小，正反响再一次出现雪崩过程，VT1迅速截止。VT1截止后，变压器线圈储存的能量提供应负载，次级线圈Ns产生的5负6正的电压经二极管VD1整流滤波后，在C上得到直流电压给电池充电。在VT1截止时，直流供电输人电压和反响线圈Nb感应的3负4正的电压又经R1、R3给C2反向充电，逐渐提高VT1基极电位，使其重新导通。之后再次翻转到达饱和状态，电路就这样重复振荡下去，持续对输出端输出直流电。电路中的R5、R6、VD2、VT2等组成了限压电路，以保证电池不被过充电，以3.6v电池为例，其充电限制电压为4.2v。在电池的充电过程中，电池电压逐渐上升，当充电电压大于4.2v时经R5、R6分压后稳压二极管VD2开始导通，使VT2导通。VT2的分流作用减小了VT1的基极电流，从而减小了VT1的集电极电流Ic，到达了限制输出电压的作用。这时电路停止了对电池的大电流充电，用小电流将电池的电压维持在4.2v。此处的限压电路与锂电池保护电路中的过充保护的目的及原理都不相同，它们并不相互重复。限压电路是充电器根据电池型号设计的电压输出控制指标，而保护电路是直接对电池起作用的，当充电器出现故障时，保护电路仍可保证电池不过充。2.3Pspice仿真软件的介绍2.3.1Pspice的开展与现状根据实际电路〔或系统〕建立模型，通过对模型的计算机分析、研究和试验以到达研制和开发实际电路〔或系统〕的目的，这一过程，称为计算机仿真〔Simulation〕。因为它所具有的高效、高精度、高经济性和高可靠性，因此倍受业界喜爱。在设计或分析各类开关电源时,计算机仿真起了重要的作用。数字仿真手段可用以检验设计的系统是否满足性能要求。应用数字仿真可以减少电路实验的工作,与电路实验相比,计算机仿真所需时间要少得多,并可以更全面、更完整地进行,以期改良设计质量。目前流行的许多著名软件如PSpice、Icape等，它们各自都有其本身的特点。而随着Windows的全面普及，PSpice推出了Windows版本，用户不用象DOS版那样输入数据网表文件，而是图形化，只需选择相应的元器件的图标代号，然后使用线连接就可以自动生成数据网表文件，整个过程变得直观简单。因此它已广泛应用于电力电子电路〔或系统〕的分析中。用于模拟电路仿真的SPICE〔SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis〕软件于1972年由美国加州大学伯克利分校的计算机辅助设计小组利用FORTRAN语言开发而成，主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计。SPICE的正式实用版SPICE2G在1975年正式推出，但是该程序的运行环境至少为小型机。1985年，加州大学伯克利分校用C语言对SPICE软件进行了改写，1988年SPICE被定为美国国家工业标准。与此同时，各种以SPICE为核心的商用模拟电路仿真软件，在SPICE的根底上做了大量实用化工作，从而使SPICE成为最为流行的电子电路仿真软件。Pspice那么是由美国Microsim公司在SPICE2G版本的根底上升级并用于PC机上的SPICE版本，其中采用自由格式语言的5.0版本自80年代以来在我国得到广泛应用，并且从6.0版本开始引入图形界面。1998年著名的EDA商业软件开发商ORCAD公司与Microsim公司正式合并，自此Microsim公司的PSPICE产品正式并入ORCAD公司的商业EDA系统中。目前，ORCAD公司已正式推出了ORCADPSPICERelease9.0，与传统的SPICE软件相比，PSPICE9.0在三大方面实现了重大变革：首先，在对模拟电路进行直流、交流和瞬态等根本电路特性分析的根底上，实现了蒙特卡罗分析、最坏情况分析以及优化设计等较为复杂的电路特性分析；第二，不但能够对模拟电路进行，而且能够对数字电路、数/模混合电路进行仿真；第三，集成度大大提高，电路图绘制完成后可直接进行电路仿真，并且可以随时分析观察仿真结果。PSpice软件具有强大的电路图绘制功能、电路模拟仿真功能、图形后处理功能和元器件符号制作功能，以图形方式输入，自动进行电路检查，生成网表，模拟和计算电路。它的用途非常广泛，不仅可以用于电路分析和优化设计，还可用于电子线路、电路和信号与系统等课程的计算机辅助教学。与印制版设计软件配合使用，还可实现电子设计自动化。被公认是通用电路模拟程序中最优秀的软件，具有广阔的应用前景。2.3.2Pspice的组成以PSpiceforWindows为例，它是一个名为MicroSimEval8.0的软件包。该软件包主要包括Schematics、PSpice、Probe、Stmed〔StimulusEditor〕、Parts、PSpiceOptimizer等。1、Schematics是一个电路模拟器。它可以直接绘制电路原理图，自动生成电路描述文件，或翻开已有的文件，修改电路原理图；可以对元件进行修改和编辑；可以调用电路分析程序进行分析，并可调用图形后处理程序〔Probe〕观察分析结果。即它是集PSpice、Probe、Stmed和PSpiceOptimizer于一体，是一个功能强大的集成环境。2、PSpice是一个数据处理器。它可以对在Schematics中所绘制的电路进行模拟分析，运算出结果并自动生成输出文件和数据文件。3、Probe是图形后处理器，相当于一个示波器。它可以将在PSpice运算的结果在屏幕或打印设备上显示出来。模拟结果还可以接受由根本参量组成的任意表达式。4、Stmed是产生信号源的工具。它在设定各种鼓励信号时非常方便直观，而且容易查对。5、Parts是对器件建模的工具。它可以半自动地将来自厂家的器件数据信息或用户自定义的器件数据转换为PSpice中所用的模拟数据，并提供它们之间的关系曲线及相互作用，确定元件的精确度。6、PSpiceOptimizer是优化设置工具。它可根据用户指定的参数、性能指标和全局函数，对电路进行优化设计。2.3.3Pspice的分析功能PSpice的分析功能主要表达在以下几方面：直流分析〔DCSweep〕、交流扫描分析〔ACSweep〕、瞬态分析〔Transient〕、蒙特卡罗分析〔MonteCarlo〕、最坏情况分析〔WorstCase〕、温度特性分析〔Temperature〕和数字电路分析〔DigitalSetup〕。分析锂电池充电电路及保护电路不需要使用除了直流充电电压、电流量外的其他参数量，所以使用直流分析〔DCSweep〕就可以到达要求，一下对此详细说明。非线性直流分析功能简称直流分析，它是计算直流电压源或直流电流源作用于电路时电路的工作状态。对电路进行的直流分析主要包括直流工作点分析、直流扫描分析和转移函数分析。直流工作点是电路正常工作的根底。通过对电路进行直流工作点的分析，可以知道电路中各元件的电压和电流，从而知道电路是否正常工作以及工作的状态。一般在对电路进行仿真的过程中，首先要对电路的静态工作点进行分析和计算。直流扫描分析主要是将电路中的直流电源、工作温度、元件参数作为扫描变量，让这些参量以特定的规律进行扫描，从而获取这些参量变化对电路各种性能参数的影响。直流扫描分析主要是为了获得直流大信号暂态特性。2.3.4使用Pspice建立仿真模型在本毕业设计中，除了需要使用Pspice中的Schematics对电路进行分析仿真之外，还需要对锂电池电源管理芯片进行建立仿真模型。简单来说其方法原理就是利用Schematics绘制出芯片的电路进行封装。具体方法为：1、首先要知道芯片的功能，并且分析清楚芯片功能实现的原理，尤其是其内部的各个模块的结构。2、确定仿真模型实现的大体思路，对于器件手册里没有提及的内部模块或是某些功能的实现方法，需要进行等效。3、将确定好的方案在Pspice中用已有的器件模型或是宏模型绘制出电路图，然后进行封装〔对于测试电路或是仿真电路不复杂的可以直接用器件的模型电路紧系仿真而不需要封装〕。4、绘制出芯片的根本功能测试电路，然后进行仿真。5、通过仿真结果对电路进行修改，并根据器件手册的说明给有延迟的局部参加延迟模块。6、将修改后的模型电路再次封装，至此器件模型制作完成。2.4实现方案的选择2.4.1方案介绍根据设计要求与题目的设计目的，可以确定出三种可以实现的方案来制作锂电池保护电路。方案一：使用分立元件制作使用分立元件的话，由于可以根据设计的要求自由的选择参数适宜的器件，增大了制作电路的可选择余地。电路的个保护局部的实现方法是：使用三极管制作过充、过放的电压检测电路，并用其输出控制开关MOS管；过流保护用一个保险管实现；过流保护用MOS管配合高耐压电阻实现；用分立元件做电量平衡保护比拟困难，电路也很复杂，所以使用MOS管配合放电电阻来实现。方案二：使用FPGA做控制核心实现使用FPGA的话，就可以很容易的实现各种保护控制了。只需要分别用程序制作出过充、过放、电量平衡检测模块，分别检测电压值，再由输出控制端控制MOS管就可以了；过流保护依然可以使用保险管；过流保护可以用一个电阻将电流值转化为电压值进行测量，所用的方法与过充、过放、电量平衡检测模块相似。方案三：使用电源管理芯片制作现在可以使用的可以作为锂电池充电保护电路的电源管理芯片比拟多，但大多都较低档，较好的有日本理光公司的R5421系列、日本MITSUMI的MM3061系列、台湾富晶的FS312和FS313系列以及日本精工的S-8209系列等，其中又以精工的S-8209可扩展性能最是良好，所以选择其为里电池保护电路的检测管理芯片。S-8209本身就具备了过充、过放、电量平衡的检测和保护功能，只要外接少量的元件就可实现其功能；过流保护的实现方法如方案一所述，使用MOS管配合高耐压电阻实现；短路保护仍然使用保险管。2.4.2方案的比照与选择三种方案无疑都可以实现设计要求的大体功能，但是在精度、本钱、集成度上还是有较大差异的，所以要方案的选择要择优而定。表2.2三种方案的性能比照方案精度本钱集成度方案一低低一般方案二一般很高较高〔视本钱而定〕方案三高较低高方案一的精度低是由于分立元件本身参数值不精准以及三极管和二极管的结电压具有较大误差，而且大量的使用三极管和二极管在导通时造成的延迟也较高，所以其精度明显低于其他方案；但是分立元件的本钱低廉是其突出的优点，所有所需元件总共的价钱不超过4元，而且这些分立元件的稳定性还是较高的；如果不使用贴片元件的话，其体积是相当庞大的，由于使用大量三极管制作电压检测电路，即便是使用贴片元件也不能将其体积减小至放入普通电池中，所以适用性将大打折扣。方案二使用FPGA做控制核心，实现容易，电压的检测精度也可以做到很精准，但是其产生的延迟将使触发时长增大，导致保护功能启动滞后；而其使用的FPGA芯片和AD模数转换芯片的本钱是相当高的，而且集成度越高价格越高，假设要做到保护电路的体积极小〔1cm²左右〕，那么它的价格可达万元以上，显然用这么高的本钱制作锂电池保护电路是不现实的，即便是用体积较大的FPGA芯片，本钱也有数百元。方案三使用的是高精度的集成电源管理芯片，精度在50mv以下，所以精度方面是很有保证的；至于本钱，这款芯片作为工业用芯片，产量较大以致价格并不很高一般零售5元/片，成批购置那么更廉价；假设使用贴片元件组成其外接电路，其大小可以做到5cm²，保证了较高的集成度。由表2.2可以看出三种方案在精度、本钱、集成度上的比照。其实在设计要求中并没有对保护电路的体积做出明确的要求，但是考虑到本保护电路的一项实用意义是作为锂电池保护电路的可扩展开发电路，所以想方法使电路的体积尽量减小可以更好的拓宽在此电路根底上开发的电路的适用范围。本钱在设计要求中也没有做出要求，但考虑到其实际应用的价值，所以降低本钱更有利于此电路的工业需求。综合上述的介绍，方案三比之其他两方案有明显优势，应选其作为最终方案。2.4.3方案存在的问题锂电池保护电路最终的实现方案是用S-8209电源管理芯片，但这个设计方案的设计以及实施中还是存在一定的问题的。首先，根据S-8209的典型应用电路，要实现1～8串锂电池组的保护需要使用大量的单刀单掷及单刀双掷开关。这些开关器件的使用会使电路的整体体积变大，并且由于开关需要组合使用，所以也使得保护电路的操作变得较为复杂。其次是由于本钱问题，无法使用贴片元件制作，只有廉价的直插元件可以使用，这也使得电路的体积加大。并且由于芯片的封装是TSSOP-8，所以芯片与外接元件需要焊接到两块不同的电路板上，且需要使用插线连接两个局部，这样会使电路的连线增多，既令电路体积增大又使布局显得凌乱。以上这些问题都使得电路的整体体积无法到达所预想的水平，不能充分发挥出此贴片式芯片的特点。但在精度上根本是不存在问题的，S-8209的阀值精度足够到达设计参数要求。解决上述存在的问题的方法是绘出、制作PCB电路板并使用贴片元件焊制电路，通过这些可以使得电路更小巧、简洁。3设计实现3.1原理分析3.1.1整体实现原理本毕业设计的锂电池保护电路包括了过充、过放、过流、短路、电量平衡保护功能，在设计的时候也是将整体电路分为了相应的5局部模块作为电路整体的实现方法。图3.1整体功能原理框图电路的整体功能如图3.1所示。充电器及电池是电路的外接局部，不归属于此锂电池保护电路系统之内。此保护电路的系统组成包括了电流检测局部、短路保护局部、电压检测局部、电量平衡检测局部以及开关管控制电路，其中各检测局部是电路的核心控制端，而开关管局部那么是电路的具体实施端，其作为连接着充放电电路与控制系统的桥梁。其中电压检测局部包含了过充电压检测和过放电压检测的功能，且过流保护的实现需要电流检测和短路保护局部的功能组合使用。3.1.2各局部功能的实现方法本节将对上节所述的电路系统按各个功能模块作出详细的介绍，以说明各局部实现的原理机制。电压检测局部和电量平衡检测局部都可由S-8209来实现，S-8209本身就包括了过充保护、过放保护和电量平衡保护的功能。其具体的触发原理及参数指标详见局部。短路保护局部的实现方法简单可靠，使用一个保险管即可。根据设计要求选用额定电流为10A的快速保险管，保证其熔断时间为100ms左右。当电路正常导通时，保险管无明显变化，表现为导线；出现短路情况时，保险管发光，表现为断开。图3.2过流保护局部原理图过流保护功能是由电流检测局部与短路保护局部〔即保险管〕共同作用来实现的。电路中的MOS管采用P沟道增强型管，保险管与短路保护所用的保险管为同一个。在MOS管的栅极g与源极s之间接一个阻值为2Ω的大功率金属模电阻，组成了电流检测局部；漏极d接保险管，以实现过流保护功能，过流保护的电流阀值为1A。当电流值不过大时，MOS管不导通，输入量流过2Ω电阻，电路正常工作；当电流值到达1A时，电阻两端的电压值为2v，即MOS管栅源极电压VGS到达2v开启电压，此时MOS管导通，电流将跨过负载通过源漏极流向回路，这时的回路电流会因阻抗过小而导致电流急剧增大，造成短路现象，保险管此时启动将电路断开；当电流值超过1A时，过流保护功能依旧如上述过程实现。图3.3开关管控制局部原理图开关管控制局部所用的MOS管为N沟道增强型管，用来执行电压检测及电量平衡检测局部发出的控制信号。如图3.3，控制端与S-8209的功能控制端子CO、DO、CB相连接，图中的二极管作用为保护MOS管，防止其被击穿。当栅源极电压VGS大于2v时，MOS管导通，源极漏极之间呈现导通特性；VGS小于2v时，MOS管截止，电路断开。其在电路中的具体工作方式在分析S-8209的典型电路时介绍，详见局部。3.1.3S-8209的性能指标S-8209系列锂电池保护芯片根据实际应用的需要，以锂电池具体型号的不同又细分为很多的具体型号，根据其型号的尾缀判断区别。参照设计要求的功能参数，在此系列芯片中选用S-8209AAD-T8T1S型芯片，故在本论文中所提及的S-8209芯片都可认为是S-8209AAD-T8T1S型。此芯片的封装为TSSOP-8形式，其封装尺寸、外形等参数参见图1.2，其性能参数见表3.1，各管脚的符号与描述见表3.2。表3.1S-8209AAD-T8T1S性能参数过充电检测过充开启电压过充解除电压触发精度4.250v4.100v±25mv过放电检测过放开启电压过放解除电压触发精度2.500v2.800v±50mv电量平衡检测电量平衡开启电压电量平衡解除电压触发精度4.200v4.150v±50mv表3.2S-8209管脚描述管脚号描述符号描述说明1CTLC充电控制端子2CTLD放电控制端子3VDD电池正极端子4CDT延迟电容连接端子5VSS电池负极端子6DO过放电保护输出控制端子7CO过充电保护输出控制端子8CB电量平衡保护输出控制端子由此可见，S-8209芯片的参数指标完全到达设计要求，精度更大幅度优于设计要求。为了保证芯片的使用平安，还需要知道芯片的工作环境、电压电流的额定值，具体参数见表3.3。表3.3S-8209的绝对最大额定值工程记号适用端子绝对最大额定值单位VDD-VSS间输入电压VDSVDDVSS－0.3～VSS+12VCB输出电压VCBCBVSS－0.3～VDD+0.3VCDT端子电压VCDTCDTVSS－0.3～VDD+0.3VDO输出端子电压VDODOVSS－0.3～VSS+24VCO输出端子电压VCOCOVSS－0.3～VSS+24VCTLC输入端子电压VCTLCCTLCVDD－24～VDD+0.3VCTLD输入端子电压VCTLDCTLDVDD－24～VDD+0.3V最大允许功耗PD—700mW工作环境温度Topr—－40～+85℃保存温度Tstg—－55～+125℃3.1.4S-8209功能原理分析前面的章节中已经简单介绍了S-8209的功能，在本节中将对其功能及实现原理做出详细的说明。图3.4介绍了S-8209的内部原理结构，其各个管脚的描述见上节的表3.2。S-8209芯片正常工作时，CTLC、CTLD端子接入低电平，CDT外接电容，电容另一端接电池负极。当VDD与VSS之间的电压VDS超过4.2v时，CB端子输出高电平；当VDD与VSS之间电压VDS低于4.2v时，CB端子输出低电平。当VDD与VSS之间电压VDS呈增大趋势并超过4.2v时，CO端子输出高阻态；当VDD与VSS之间电压VDS呈减小趋势并低于4.0v时，CO端子输出低电平。当VDD与VSS之间电压VDS呈减小趋势低于2.5v，DO端子输出高阻态；当VDD与VSS之间电压VDS呈增大趋势并高于2.6v时，DO端子输出低电平。当CTLC、CTLD端子输入高电平的时候，芯片停止工作，CO、DO端子都输出高阻态。图3.4S-8209内部原理框图通过图3.4可以得知，过充电检测、过放电检测、电量平衡检测局部的实现原理是根本相同的，都使用了比拟器，即检测电压与控制动作阀值电压做比拟，从而决定输出值。CO、DO、CB端子的低电平与高阻态是用MOS开关管实现的。从过充保护和过放保护都有两个开启阀值〔即开启阀值和解除阀值〕可以知道过充电检测和过放电检测电路的比拟器使用的是滞回比拟电路，当检测电压波动时不致使CO、DO端子在高阻态与低电平之间反复跳动，使用这种比拟电路既可以有效地减小保护电路的误动作概率又可以降低开关管的功耗。由于电量平衡检测需要较高的灵敏度，所以不使用只会比拟的方法。CTLC、CTLD端子需要分别与过充检测、过放检测的输出端做或运算才可送入延迟控制局部，即CTLC、CTLD端子分别与过充检测、过放检测的输出端都置为高电平时，才会触发控制端子。延迟控制局部使S-8209电源管理芯片的核心局部，所以在器件手册中没有明确的说明其电路结构与实现方法，但是可以经推理得知，其延迟时间可以根据外接电容的值调节，并且这局部电路本身具有驱动的功能。3.1.5S-8209的典型电路原理S-8209只需要较少的外接元器件就可以形成有一定保护功能的锂电池保护电路，如图3.5所示。此电路可以实现8串锂电池组的过充保护、过放保护、电量平衡保护的功能。电路中EB+和EB-分别接充电器的正极和负极，BAT1～BAT8是8节锂电池，其整体构成了8串锂电池组。两个三极管为PNP型，所有的MOS管都是N沟道增强型管，二极管为普通单向导通硅管，其可以保护MOS管不被击穿损坏。接入VDD端子的470Ω电阻可以限制输入芯片的电流，此端子只需要检测电压值，由于芯片的功率只有700mW，所以必须对流入芯片的电流加以限制；而VDD与VSS之间的0.1μF陶瓷瓷片电容可以有效地滤除电路中的纹波干扰，使输入VDD的直流电压更精准。图3.5S-8209的典型应用电路一般情况下过压充电事故的出现都是由于锂电池充电器发生故障导致的，而过放在没有保护电路的情况下是很容易发生的。给锂电池充电时在充电器正常情况下，给电池充满电时会触发过充保护；使用锂电池也就是放电时会在电量用完〔锂电池电量的额定容量，非全部电量〕时触发过放保护。给单节锂电池充电时不会触发电量平衡保护，对于锂电池组，每节电池的型号、剩余电量、使用情况都根本相同时，也不会触发电量平衡保护功能，因为在充电时它们的充电电压、电流都是平均的，电量也会在根本同步的情况下充满；而对于电池型号、剩余电量等都不同的锂电池组成的电池组，电量平衡保护就会由于每节电池的充电情况不协调而触发。以下将对各个功能的实现原理及过程作详细说明。当电路正常工作时，每节电池两端的电压VDS由2.5v至4.2v逐渐变化，充电时逐渐增大升高，放电时逐渐减小降低。先将电路自下而上由输入端子至输出端子进行分析，CTLC8与CTLD8直接接地，CB8输出低电平，所以BAT8的电量平衡保护MOS管不导通；此时CO8、DO8都输出低电平，所以其上一级的CTLC7与CTLD7都置为低电平，以此类推，8个保护芯片的输入输出端子都一样，所有的CO、DO、CB都输出低电平，所有的CTLC、CTLD都输入低电平。由于此时的CO1、DO1都输出低电平，而EB+端的电压在2.5v～4.2v范围内，其电压值大于基极电压VB，所以两个PNP三极管导通，集电极电流IC经1MΩ电阻流向EB-端或电池负极端，此时在集电极也就是MOS管的栅极形成大于2v的抬高电压，此电压值可以使MOS管的栅源极电压VGS到达开启电压使其导通。至此，整个保护电路形成完整的回路，可以对电池进行正常的充放电使用。当充电发生故障时，例如充电电压突然升高，那么VDD～VSS间电压VDS将随之增大，当锂电池或锂电池组中任意一节电池的VDS超过4.2v，那么将触发与其相接的S-8209的CO端子输出高电平，从而使与此CO端子相连的CTLC端子输入高电平。最后顶部的CO1端子输出高电平，导致三极管的发射极电压VE和基极电压VB同为高电平，使三极管截止。此时的MOS管栅源极电压VGS小于其开启电压，MOS管也截止。这样整个保护电路就断开了，从而保护了锂电池不被过大的电压损坏。电量平衡保护也是在充电时起作用的，其功能的触发是由电池组中每节电池的电压决定。如果锂电池组中有某一节到达了满电电压先充满了，那么CB端子就会输出高电平，从而使与其相连的MOS管的栅源极电压VGS到达开启电压。当此MOS管导通后，电池可以通过漏极的电阻进行微放电，直至所有电池充满后，整个电路断开。电路的局部可以调节，CDT端子的外接电容可以控制延迟时间，其公式见公式〔3.1〕。〔3.1〕3.2使用Pspice进行仿真3.2.1仿真的意义及作用使用Pspice对此锂电池保护电路进行仿真主要是为了给S-8209锂电池电源管理芯片及其应用电路提供验证和理论根底，并且通过搭建S-8209的仿真模型可以更清楚地了解其内部的结构与功能的实现方法，对实际应用此芯片有所帮助。并且Pspice软件具有强大的电路图绘制功能、电路模拟仿真功能、图形后处理功能和元器件符号制作功能，以图形方式输入，自动进行电路检查，生成图表，模拟和计算电路。所以通过仿真还可以计算出电路中各节点的电压和支路的电流，得知这些数据后就可以更有效地优化电路中元件的参数。其输出的仿真波形还可以作为理论数据，与实际电路中用示波器和电压表得到的数据进行比拟，分析电路的性能。3.2.2对S-8209芯片建立仿真模型在上一节中已经对S-8209芯片的功能还有实现原理做了详细的解释说明，根据其内容就可以对S-8209进行建模仿真了。图3.6所示就是使用Pspice搭建出来的S-8209的仿真模型。此S-8209模型中的各个端子的名称、功能与实际的芯片描述是一致的，其内部的结构组成也大体与器件手册中给出的原理框图〔如图3.4〕一致。对于原理框图中没有给出的局部，那么根据各个功能端子的输入输出结果进行分析，从而得出等效实现的方案。搭建芯片模型的所使用的各分立模型中既使用了Pspice的宏模型也使用了实际器件的模型。宏模型可以理想地实现功能，实际器件模型那么可以使某些局部的运作更符合实际。其中运放采用的是LM324，非门电路采用了7404，或非门采用了7402，NPN型三极管使用的是2N2222，其它如电阻、电容、直流电源、EVALUE模块都是宏模型。以下是对模型的内部结构分为三个模块进行详细说明，其与之前3.1.4节所述有类似之处，但却有着本质区别。图3.6S-8209的Pspice模型过充保护局部：由输入端子VDD、VSS、CTLC及输出端子CO构成功能端子，由运算放大器U4B及与其连接的或非门U2A、非门U4A、15v直流电压源和三极管Q2及与其连接的直流电压源构成功能电路。运放U4B构成比拟器，同相端输入电池正极电压，反相端接入4.25v的比拟电压。当电池电压低于4.25v时，运放U2输出低电平与CTLC端子的低电平共同通过或门，输出低电平，三极管Q2此时不导通，所以CO输出低电平；当电池电压高于4.25v时，运放U4B输出高电平，通过两个逻辑门之后输出高电平，三极管Q2导通，所以CO输出高电平。过放保护局部：由输入端子VDD、VSS、CTLD及输出端子DO构成功能端子，由运放U3B及与其连接的或非门U1A、非门U3A、15v直流电压源和三极管Q1及与其连接的直流电压源构成功能电路。其实现思路与过充保护类似。运放U3B构成比拟器，同相端输入电池正极电压，反相端接入2.5v的比拟电压。当电池电压高于2.5v时，运放U1输出低电平与CTLD端子的低电平共同通过或门，输出低电平，三极管Q1此时不导通，所以DO输出低电平。当电池电压低于2.5v时，运放U1输出高电平，通过两个逻辑门之后输出高电平，三极管Q1导通，所以DO输出高电平。电量平衡保护局部：由输入端子VDD、VSS及输出端子CB构成功能端子，由逻辑功能模块〔EVALUE〕E1构成功能电路。当电池电压低于4.2v时，逻辑功能模块E1输出低电平0v，即CB输出低电平。当电池电压低于4.2v时，逻辑功能模块输出高电平5v，即CB输出高电平。在此还要重点说明一下，在Pspice仿真中高阻态不易实现，所以在此使用高电平代替高阻态。CO、DO、CB端子在实际芯片中都需要输出高阻态，这样就可以使与之连接的三极管或MOS管截止，在仿真模型中使用的是5v高电平，同样可以实现使三极管或MOS管截止的作用，所以用这种等效的方法是可行的。3.2.3锂电池保护电路的仿真S-8209芯片的Pspice模型已经制作完成，为了使电路看起来简洁，可以使用模型封装将整个模型电路制作成类似实际芯片的封装样式，如图3.7所示。当然，由于本电路的外接元件较少，可以不进行封装而直接连接电路，这样在分析时可以更直观，如图3.8。图3.7S-8209仿真模型封装图图3.8单节锂电池保护电路仿真由于锂电池充电器及配套锂电池的Pspice仿真模型搭建起来难度较大，在毕业设计过程中所制作的模型方案都不能正常使用，所以进行变通，采用等效模型的方法进行仿真。在图3.8所示的电路图中，外接元件的接法与S-8209的典型应用电路根本相同。图中的PNP型三极管以及N沟道增强型MOS管采用的都是宏模型。充电器和锂电池都使用可调脉冲电压源模型，设置低电平V1为2v作为起点，这样可以模拟锂电池在过放后的电压；设置高电平V2为4.5v，以便模拟锂电池过充的电压；时间常数中的延迟时间TD设置为1s，上升时间TR设置为4s，下降时间TF设置为1s，脉冲宽度PW设置为2s，脉冲周期PER设置为10s，这样的时间设置既可以使仿真波形方便观察，而且可以使仿真的时间长度不至于过长而导致仿真耗时过长。此仿真电路的工作原理与3.1.5节中的典型应用电路类似，但实际电路与等效仿真电路仍然在细节上有细微区别，以下对此仿真电路进行说明。仿真电路中三极管Q3、Q4及MOS管M1、M2共同构成了控制过充、过放的开关控制。当过充保护未开启时，CO输出低电平，三极管Q3导通，集电极高电平，MOS管M2导通；当过充保护开启时，CO输出高电平，三极管Q3截止，集电极低电平，MOS管M2截止。当过放保护未开启时，DO输出低电平，三极管Q4导通，集电极高电平，MOS管M3导通；当过放保护开启时，DO输出高电平，三极管Q4截止，集电极低电平，MOS管M3截止。所以只有当电池电压在2.5v～4.2v之间时，即过充保护与过放保护皆未开启时，充电器才可以对电池进行充电。否那么只要有过充保护或过放保护任何一个开启时，充电回路都无法形成。在对单节电池充电时，电量平衡保护的作用和过充保护功能重叠，它保证了电池电压在正常情况下不超过4.2v，当超过4.2v时，CB输出高电平，MOS管M1导通，电池通过电阻R12进行微放电。在仿真过程中高电平都设置为5v，而不同于实际电路中的高阻态，且仿真模型内部的供电电源局部作为了实际芯片内部的稳压供电电源。图3.9(a)、图3.9(b)、图3.9(c)分别是电池端电压与CO端子、DO端子、CB端子电压关系的仿真波形，这些可以清楚地说明S-8209芯片和电路的工作过程。仿真波形图中左下方有波形的描述符号，V(Battery)是电池电压，V(CO)是过充保护控制端子电压，V(DO)是国放保护控制端子电压，V(CB)是电量平衡保护控制端子电压。图3.9(a)锂电池电压与过充保护控制端子电压关系图3.9(b)锂电池电压与过放保护控制端子电压关系图3.9(c)锂电池电压与电量平衡保护控制端子电压关系3.3锂电池保护电路的制作3.3.1设计电路锂电池保护电路的各个功能的实现方法已经在前一章节3.2中给出了详细的说明，在本节将对之前的过流保护、短路保护及S-8209芯片局部的电路整合到一起实现完整功能的锂电池保护电路。由于电路图过大，不便在此处贴出，详见附2的电路图。此电路可以对1～8串锂电池或锂电池组进行充电，具有过充保护、过放保护、过流保护、短路保护、电量平衡保护这些设计要求中所提及的全部功能。此电路的根本框架是S-8209的典型应用电路，是在其根底上进行改良而成的扩展电路。为了使保护电路的充电、放电端不相互影响，使用一个单刀双掷开关。为了调节锂电池接入电路的串数，使用了8个开关进行控制，其中包括4个单刀双掷开关和4个单刀单掷开关。其中一个单刀双掷开关和一个相应的单刀单掷开关为一组需同步拨动。表3.4详细说明了开关的设置与接入电路的锂电池串数的关系，开关的上拨是跳过下一组电池接入回路，下拨是使下一组电池接入回路。表3.4锂电池接入串数的控制方法串数接入的锂电池单刀双掷开关单刀单掷开关1BAT1全部上拨全部上拨2BAT1、BAT2Sa1下拨，其它上拨Sb1下拨，其它上拨3BAT1、BAT2、BAT3Sa1、Sa2下拨，其它上拨Sb1、Sb2下拨，其它上拨4BAT1、BAT2、BAT3、BAT4Sa1、Sa2、Sa3下拨，其它上拨除Sb4外都下拨5BAT1、BAT5～8Sa4下拨，其它上拨Sb4下拨6BAT1、BAT2、BAT5～8Sa1、Sa4下拨，其它上拨Sb1、Sb4下拨，其它上拨7BAT1、BAT2、BAT3、BAT5～8Sa1、Sa2、Sa4下拨，其它上拨除Sb3外都下拨8全部接入全部下拨全部下拨在此保护电路中，锂电池BAT1是一直接入电路的。在实现1～4串电池或电池组使用时，BAT2、BAT3、BAT4可以依次接入到达要求；BAT5、BAT6、BAT7、BAT8作为一个4串电池组的整体，用BAT5～8表示。3.3.2确定选用元件的型号及参数为了绘制PCB电路板，和焊接电路，需要确定电路中各元器件的型号、参数以及封装。S-8209芯片在前边已有描述，采用TSSOP-8贴片式，其它如电阻、电容、三极管、MOS管和开关等都使用直插式元件。此锂电池保护电路的电流值不高，所以电阻可以使用普通的1/4W金属模电阻。电路中的电容都是1μF以下的小电容，且电路对其要求不高，所以使用普通的陶瓷瓷片电容。开关也没有特殊的要求，选用拨动式直插开关。三极管为PNP型，选用C9012，封装为SIP-3。开关管N沟道增强型MOS管选用IRFD120，封装为HEXDIP；P沟道增强型MOS管选用IRFD9120，封装为HEXDIP。这三种有源器件的参数详见表3.5。表3.5有源器件的参数PNP型三极管C9012CE耐压值CE耐流值10v1AN沟道增强型MOS管IRFD120GS耐压值DS耐流值150v1.3AP沟道增强型MOS管IRFD9120GS耐压值DS耐流值100v1A3.3.3绘制PCB电路板根据所选元器件类型及封装尺寸，使用Protel99SE绘制PCB电路板。电阻、电容都使用贴片式器件，其尺寸只有1.2mm×0.3mm。三极管、MOS管的尺寸如上节中所述一致。绘制PCB电路板的步骤大体分为绘图和制版。绘图的过程是首先在Protel中绘制电路原理图，然后根据器件的尺寸制作PCB元件库，而后在PCB图中以原理图为准连接所建立的PCB模块，本图为了绘制简单只采用了单层板，这样可以节省本钱并降低制作的工艺难度。制版的过程首先要将绘制好的PCB图打印到菲林胶片上，然后把胶片贴在覆铜板上放入曝光机曝光数分钟，之后放入腐蚀液中做腐蚀，将电路中的非导线局部的铜溶解掉，接着用酒精清洗一遍电路板，与PCB图一致的一块PCB电路板就制作完成了。最终制成的锂电池保护电路板的PCB电路如图3.10所示，其尺寸约为74mm×46mm。图3.10锂电池保护电路PCB电路板4总结4.1实际电路测试实际制成的锂电池保护电路的测试结果如表4.1所示。由于实际测试过程中在不破坏锂电池或充电器的情况下，几乎不可能测试过充、过放、过流、短路保护的功能，所以使用置位器分压的方法模拟电池电压以验证电路功能并获得相关参数。短路保护的功能原理实现方法简单且实际应用中已有大量验证，故不再做测试。表4.1实际电路测试结果工程开启阀值解除阀值过充保护4.25v4.20v过放保护2.39v2.40v电量平衡保护4.21v4.18v过流保护约为1A＜1A4.2理论与实际比照分析在过放保护开启时，开关MOS管栅源极电压VGS输出为0.8v，远低于MOS管开启电压2v，保护解除时，VGS为2.8v。过充保护开启时，MOS管栅源极电压VGS为1.5v，保护解除时，VGS为3.2v。这些值与理论值相差不多，其误差仅存在于MOS管的截止电压均高于理论的0v，其原因为三极管的基极与集电极间形成的微小电流。在过充保护时，这样的工作过程反而可以使过充保护缓慢开始，保证电池可以相对的充满，不致使其在未充满电的情况下断开充电回路。4.3经验总结此锂电池保护电路系统的设计与制作总体来讲并不是很难，根据器件商提供的器件手册，就可以由典型电路设计出符合设计要求的应用电路。设计制作过程中的难点在于Pspice的仿真建模。Pspice仿真之所以困难时因为器件手册只提供了一小局部S-8209芯片内部的结构资料，对核心的控制局部只字未提，所以制作一个S-8209的仿真模型几乎得不到什么已有资料作为参考。但是根据对芯片功能的分析以及对Pspice仿真软件的进一步了解，还是通过等效的方法建立出了这样一个模型。通过Pspice建模，我不但更清楚了解到了芯片的工作原理和Pspice软件的使用，而且还拓展了我对电路系统设计的思路。本锂电池保护电路完全到达了设计要求的参数，在性能方面可以说已有了较不错的水平，但美中缺乏之处就是其体积过大。使用通用电路板制作的电路足有两块板子，尺寸达20cm×15cm。所以为了更好的改良该电路，可以投入更多的资金使用专用的PCB板以及贴片式元件。总之通过这几个月的毕业设计，我对大学期间所学的知识进行了总结应用，稳固了曾经所学。并且在此过程中我还学到了很多新的东西，掌握了新的技能，我感觉获益匪浅。致谢经过过了三个多月的努力，我终于完成了我的毕业设计。在此，我谨对给予过我帮助的老师和同学表达最诚挚的谢意！首先衷心感谢的是我的指导老师张常年老师。张常年老师严谨的学风，渊博的学识，严谨的治学态度，以及严于律己、宽以待人的高尚品德都是我学习的楷模，必将使我受益终生。在这一个学期里，张老师给予了我许多无私的指导和帮助。正是由于张老师的悉心指导和严格要求，我才能够按时按质地完本钱次的设计任务。在这里，还要特别感谢张萌萌老师、王振红老师和毛鹏老师，我之所以能够顺利地完成毕业设计任务，同样得到了三位老师的大力帮助。张萌萌老师和王振红老师在我的电路设计思路上给予了重要的指导，使我拓展了设计思想并明确了设计方向；毛鹏老师在我的Pspice仿真上提出了很有针对性的建议，这让我终于完成了仿真任务。另外，我还要衷心的感谢康小麓老师为我提供了良好的实验环境，使我的毕业设计得以顺利进行；同时还要感谢同在一个实验室里的研究生杨方师兄，他对我的电路制作和调试提供了很多的指导和建议。最后我还要感谢学院所有领导和老师们的教诲，感谢我周围的同学们对我的帮助和支持，感谢我的家人、朋友们对我的关心。路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。我愿在未来的学习和工作过程中，以更加丰厚的成果来答谢曾经关心、帮助和支持过我的所有领导、老师、同学和朋友们。在此，我祝他们永远幸福安康！参考文献[1]PekenhamDrive.Methodandsystemformonitoringandbalancingcellsinbatterypacks[P].US，WorldIntellectualPropertyOrganization，WO2008/01195A2，2008-01-24[2]朱毅.单节锂离子电池保护电路[P].创造专利申请公开说明书.中国，CN1507128A，2004-6-23[3]林启钟，崔水石，李永兆等.电池管理系统及其驱动方法[P].韩国，KR10-2006-0100473，2006-10-16[4]李武岐.智能型锂电池充电保护电路[P].中国，CN201126961Y，2008-10-1[5]黄国林，冯兆瑞.一种蓄电池组充电自动均衡保护装置[P].中国，CN2850094Y，2006-12-20[6]何岳明.多节串联锂电池的充放电保护电路[P].中国，CN101098074A，2008-1-2[7]蒋新华，冯毅，解晶莹.锂离子蓄电池保护电路开展现状及趋势[J].电源技术，2004，28〔9〕：588-591[8]何晓帆，彭琼，刘丽.实用电源电路与充电电路图集[M].中国电力出版社，2009，15-37[9]匿名.锂电池保护IC的重要性[EB/OL].来源于电源网技术论坛，://bbs.dianyuan，2009-2[10]田中俊.用于锂电池的保护芯片[J].电源技术，2009，33〔10〕：887-888[11]金里.锂离子电池及其保护电路[J].电子产品世界，2000〔3〕，14-15[12]李凯，张斌.新型锂电池组智能管理模块的介绍[J].电源技术应用，2006〔22〕，169-173[13]张小东.电动汽车磷酸铁锂电池管理系统的研究[D].重庆：重庆大学，2008[14]田中俊.锂电池的保护芯片的使用[J].中国集成电路，2008〔6〕，45-47[15]王传福，罗如忠，杨钦耀等.锂电池保护电路保护阀值的调整装置[P].中国，CN1248352C，2006-3-29[16]黄合宝，李秀清.电动车用锂离子电池组充放电保护电路[P].中国，CN2826789Y，2006-10-11[17]戴海峰，魏学哲，孙泽昌.基于等效电路的内阻