具有高適應(yīng)性的鋰電池充電器IC的研究與設(shè)計_圖文

1、 I摘 要鋰電池由于具有體積小、質(zhì)量輕、壽命長、能量密度高等優(yōu)點，在便攜式電子設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。鋰電池充電器作為電源管理系統(tǒng)的重要組成部分，其能否為鋰電池安全高效地充電，對鋰電池的性能及應(yīng)用來說至關(guān)重要。為了對鋰電池安全、可靠、快速、高效地充電，本文結(jié)合鋰電池的基本特性以及常用的充電方法，設(shè)計了一款針對單節(jié)鋰電池的充電器IC 。本文采用了以恒流恒壓充電法為基礎(chǔ)的三階段法：第一階段使用小電流對電池進行預(yù)處理，對出現(xiàn)過放電的電池進行修復(fù)和保護；第二階段采用較大的恒定電流對電池充電，實現(xiàn)快速充電的目的；第三階段采用恒壓充電，確保電池充滿。此充電器IC 的最大特點是其高適用性，可以使用各種不同的適

2、配器和USB 端口進行供電，尤其是當(dāng)其結(jié)合電流限制適配器時，兼有線性式充電和脈沖式充電的優(yōu)點，使充電效率大大提高。此外，本設(shè)計增加了芯片溫度控制、電池溫度檢測與保護、電源狀態(tài)檢測和充電定時等功能等，實現(xiàn)了對充電過程的智能控制。本文采用0.5µm CMOS N阱工藝，降低了成本。通過HSPICE 仿真可知，在各種工藝角，-40125的溫度范圍和4.3V6.5V的電源電壓輸入范圍內(nèi)，電池最終充電電壓達到4.1V ±0.56。充電器IC 結(jié)合限定電流為0.5A 的電流限制適配器進行恒流充電時，其充電效率高達96以上。此IC 還具有外部電路簡單的特點，只需與外部少數(shù)電容、電阻配合使

3、用，就可以完成充電功能。文中首先對鋰電池的組成及化學(xué)原理進行了簡單介紹，然后介紹鋰電池的特性及常用的充電方法，接著說明充電器IC 的整體結(jié)構(gòu)和原理，最后著重介紹內(nèi)部具體電路的設(shè)計與實現(xiàn)，并給出了HSPICE 仿真結(jié)果。關(guān)鍵詞：鋰離子電池，鋰聚合物電池，充電器，恒流/恒壓，電流限制適配器II ABSTRACTBecause of small size, light weight, long life and high energy densities, Li-ion and Li-polymer battery have become increasingly popular in portab

4、le electronic devices. Charger is an important component in the battery power management system. In order to charge battery safely, reliably, fast and efficiently, based on the Li-ion and Li-polymer batterys character and general charging method, a charger IC for single Li-ion or Li-polymer battery

5、is designed.The charging mode based on the CC/CV has been adopted, in which the process has been divided into three phases. At the first phase, the battery is pre-charged with a trickle current to repair and protect the over-discharged battery; at the secondary phase, the battery will be charged by

6、a large constant current to allow the fast charging; at the last phase, the constant voltage charging is adopted to guarantee the battery fully charged. The particular characteristic of this IC is high applicability, because its power supply can use different adapters or USB ports, especially when u

7、sing the current-limited adapter, it integrates the advantages of linear charging mode and pulse charging mode, which improves charging efficiency. Besides, the modules such as the chip temperature control, battery temperature detection and protection, power status detection and charge timing are al

8、so added to the system to allow the intelligent control of the charging process.The process of 0.5µm CMOS with N well has been applied, which reduces the cost. Through HSPICE simulation, batterys final float voltage reaches 4.1V±0.56% at different process corners, the temperature between -

9、40 and 125, and input voltage between 4.3V and 6.5V. The charging efficiency is up to 96% in constant current charging phase when the IC is supplied by a current-limited adapter whose limited current is 0.5A. This IC simplifies the outside circuit so that it can accomplish all the charging functions

10、 only at the cooperation of few additional capacitances and resistances. In this paper, the composition and chemical principle of the Li-ion and Li-polymerIIIbattery are firstly presented, which are followed by their characteristic and common charging approaches introduction. And then, the whole str

11、ucture and principle of this chager is illuminated. At last, the design and realization of actual circuits are emphasized, the HSPICE simulation results are provided as well.Keywords: Li-ion battery, Li-polymer battery, battery charger, CC/CV, current limitedadapterIV目 錄第一章 緒論.1第二章 鋰電池特性及充電方法.32.1鋰電

12、池的工作原理. 32.2 鋰電池特性.52.3 鋰電池對充電器的要求.62.4 鋰電池充電方法.7第三章 鋰電池充電器IC 的系統(tǒng)分析與設(shè)計.113.1鋰電池充電器IC 系統(tǒng)的主要功能與特點. 113.2鋰電池充電器IC 系統(tǒng)電路的設(shè)計. 14第四章 鋰電池充電器IC 內(nèi)部電路的設(shè)計與實現(xiàn).184.1帶有欠壓閉鎖功能的基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計與實現(xiàn). 184.1.1 基準(zhǔn)電壓的設(shè)計考慮.184.1.2 帶隙基準(zhǔn)的原理.194.1.3 欠壓閉鎖電路的設(shè)計與實現(xiàn).204.1.4 2.8V基準(zhǔn)電壓的設(shè)計與實現(xiàn). 244.1.5 可精確微調(diào)的基準(zhǔn)電壓源.284.2精確可調(diào)的基準(zhǔn)電流源的設(shè)計與實現(xiàn). 324.2

13、.1 基準(zhǔn)電流源結(jié)構(gòu)的選擇.324.2.2 基準(zhǔn)電流源電路的設(shè)計與實現(xiàn).344.3 充電電流編程模塊的設(shè)計與實現(xiàn).364.3.1 充電電流IREF 的設(shè)定.374.3.2 終止充電電流IMIN 的設(shè)置.404.4 恒流充電的設(shè)計與實現(xiàn).424.5 恒壓充電的設(shè)計與實現(xiàn).484.6 溫度控制電路的設(shè)計與實現(xiàn).52V4.6.1 電池溫度控制電路的設(shè)計與實現(xiàn).524.6.2 芯片溫度控制電路的設(shè)計與實現(xiàn).544.7 定時電路的設(shè)計與實現(xiàn).574.7.1 振蕩器的設(shè)計與實現(xiàn).574.7.2 計數(shù)器的設(shè)計與實現(xiàn).614.8其它電路的設(shè)計與實現(xiàn). 654.8.1 啟動模塊的設(shè)計.654.8.2 電流采樣電

14、路的設(shè)計.664.9 整體電路的仿真與驗證.674.9.1 鋰電池充電過程的仿真.674.9.2 鋰電池最終充電電壓的仿真.694.9.3 鋰電池充電電流的仿真.714.9.4 漏電流的仿真.724.9.5 性能參數(shù)表.73第五章 結(jié)論.75致 謝.76參考文獻.77攻碩期間取得的研究成果.791第一章 緒論鋰電池最早出現(xiàn)于1958年1，20世紀(jì)70年代進入實用化。20世紀(jì)80年代趨向研究鋰離子電池，以后就日益發(fā)展。隨著科技進步與社會發(fā)展, 像手機、筆記本電腦、MP3 播放器、PDA 、掌上游戲機、數(shù)碼攝像機等便攜式設(shè)備已越來越普及，這類產(chǎn)品常常采用二次電池進行供電。鋰電池產(chǎn)業(yè)作為一個朝陽產(chǎn)業(yè)

15、，擁有著廣闊的市場前景。當(dāng)今全球電子信息產(chǎn)業(yè)中，移動通信、手提電腦、數(shù)碼相機已經(jīng)成為發(fā)展最快的三個行業(yè)2。移動方面，2006年底全球手機銷量為9.7億，全球手機擁有量達到25億；其中，中國2006年手機銷量就突破1億，達到1.09億部，手機擁有量達4.3億，而且隨著3G 的即將發(fā)放，手機市場將維持一個高水平增長趨勢。筆記本電腦方面，2006年國內(nèi)筆記本銷量超過了320萬臺，全球銷量達到8240萬臺，預(yù)計到2010年筆記本銷量會超過臺式電腦，成為市場主體。數(shù)碼相機方面，2002年底中國數(shù)碼相機用戶約為250萬，而2006一年的銷量就達到644萬臺，估計2007年全球數(shù)碼相機銷量可突破1億3。伴隨

16、著這些產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，作為移動電話機、手提電腦、數(shù)碼相機最主要配件的二次電池，鋰電池因為自身的優(yōu)點有著越來越大的需求。就手機而言，以平均一部手機配2塊電池計算，2006年底中國移動通信用戶使用的手機電池為8.6億，全球的手機電池使用量達到50多億。與此同時，充電器作為二次電池的孿生兄弟，也必將隨著二次電池市場的不斷增大而得到前所未有的發(fā)展。市面上廣泛使用的便捷式二次電池主要有鎳鎘電池、鎳氫電池、二次堿錳電池及鋰電池，其中鋰電池包括鋰離子電池和鋰聚合物電池。而可充電鋰電池是目前便攜式電子設(shè)備中應(yīng)用最廣泛的電池，其以體積小、容量大、質(zhì)量輕、無記憶效應(yīng)、無污染、電池循環(huán)充放電次數(shù)多( 壽命長 等優(yōu)點

17、, 受到大家的青睞4。不過鋰電池與鎳鎘、鎳氫電池不太一樣，使用它時必須考慮充電、放電時的安全性，以防止特性劣化，對電池造成不可恢復(fù)的毀壞。因此鋰電池對充電器要求很高，還要有相應(yīng)的保護元器件或保護電路來保證電池安全、可靠、迅速地充電。由于各種化學(xué)成份的充電電池的容量不同(用mAh 或Ah 表示 、輸出電壓不同、充電過程要求不同，需要不同的充電器來滿足其不同的要求。因此各半導(dǎo)體廠商開發(fā)出多種充電器IC, 一些大的半導(dǎo)體廠商生產(chǎn)的充電器IC 有幾十種之多, 每年還2 不斷地推出各種新型充電器IC 以滿足市場的需要。目前我國手機電池充電器企業(yè)眾多，但技術(shù)水平、質(zhì)量水平參差不齊，而且核心技術(shù)多數(shù)掌握在國

18、外半導(dǎo)體廠商。隨著集成電路的不斷發(fā)展及二次電池市場的不斷增大, 研究如何延長二次電池的壽命，并設(shè)計、生產(chǎn)出高質(zhì)量、高效率、符合使用要求的充電器IC ，有著十分重要的意義。本文首先對鋰電池特性及常用充電方法進行了一些簡單介紹。然后著重設(shè)計一款鋰電池充電器IC 。此IC 采用基于CC/CV模式的充電方式對鋰電池充電，并具有充電電流可編程控制、電池溫度檢測與保護、電源檢測、充電時間設(shè)置、充電狀態(tài)顯示等功能。3第二章 鋰電池特性及充電方法本章首先介紹鋰電池的工作原理，然后說明鋰電池的特性，從而得出鋰電池對充電器IC 的要求，最后闡述鋰電池常用的充電方法。2.1鋰電池的工作原理鋰電池包括一次鋰電池和可充

19、電鋰電池兩種5，我們在此研究的只是后者?？沙潆婁囯姵赜挚梢苑譃殇囯x子電池（Li-Ion ）和鋰聚合物電池（Li-Polymer ）。鋰（Li ）是元素周期表中原子量最小、比重量小、電化學(xué)當(dāng)量最小、電極電勢最負(fù)的金屬。鋰作為負(fù)極的鋰電池具有開路電壓高、比功率高，放電電壓平穩(wěn)，適用范圍大和使用壽命長等特點6。早期的鋰電池直接在負(fù)極中使用金屬鋰，容易在充電過程中產(chǎn)生鋰沉積和鋰結(jié)晶，并產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象，大大縮短了電池的循環(huán)壽命，嚴(yán)重時可造成電池短路甚至爆炸。為了解決這一問題，人們開發(fā)出了鋰離子電池。所謂鋰離子電池，是在正極和負(fù)極中采用可以容納鋰離子的活性材料，使鋰離子隨著充放電從正極轉(zhuǎn)移到負(fù)極或者從負(fù)極轉(zhuǎn)

20、移到正極7。圖2-1 鋰離子電池結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-1所示，電池通過正極鋰金屬氧化物中產(chǎn)生的鋰離子在負(fù)極活性碳中的 嵌入與遷出來實現(xiàn)電池的充放電過程。當(dāng)對電池進行充電時，正極上的鋰原子電4離成鋰離子與電子。生成的鋰離子通過電解液運動到負(fù)極。而作為負(fù)極的活性碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，在負(fù)極復(fù)合的鋰原子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰原子越多，充電容量越高。當(dāng)對電池放電時，嵌在負(fù)極碳層中的鋰原子從活性碳內(nèi)部向表面移動，并在表面電離成鋰離子和電子。鋰離子和電子分別通過電解質(zhì)和負(fù)載到達正極，重新插入到鋰金屬化物中?；氐秸龢O的鋰離子越多，放電容量越高，通常所說的電池容量指的就是放電容量7。電池通過使用鋰離

21、子替代金屬鋰，大大增加了電池的穩(wěn)定性，基本消除了結(jié)晶現(xiàn)象和電極腐蝕，使電池循環(huán)壽命得到了很大的提高。正是因為在整個充放電過程中，鋰始終以離子得形態(tài)出現(xiàn)，不會以金屬態(tài)出現(xiàn)，所以將這種電池叫做鋰離子電池。一般鋰離子電池的負(fù)極由碳(C材料構(gòu)成，正極由鋰金屬氧化物(LiMO2 構(gòu)成，主要的化學(xué)反應(yīng)如下：負(fù)極反應(yīng): 66Li e C LiC +正極反應(yīng)： 2(1 2x LiMO Li MO xLi xe + 總反應(yīng)式： 2(1 266x LiMO xC Li MO xLiC + 對于鋰離子電池，使用不同的活性材料，包括電池的正極材料，負(fù)極材料和電解質(zhì)，電池的性能特性也會有所區(qū)別。負(fù)極材料中，目前常用的有

22、焦碳和石墨。其中，使用焦碳負(fù)極的鋰電池滿幅電壓為4.1V ，而使用石墨負(fù)極的鋰電池滿幅電壓為4.2V 。正極材料中，主要以鋰金屬氧化物為主。目前常用的有鋰鈷氧化物（LiCoO 2）、鋰鎳氧化物（LiNiO 2）、鋰錳氧化物（LiMn 2O 4）以及納米錳氧化物。其中，鋰鈷氧化物具有電壓高、放電平穩(wěn)、適合大電流放電、比能量高、循環(huán)性好的優(yōu)點，并且生產(chǎn)工藝簡單、電化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，其作為鋰離子電池的正極材料，適合鋰離子的嵌入和脫出。鋰鎳氧化物自放電率低，沒有環(huán)境污染，對電解液的要求較低, 與鋰鈷氧化物相比，具有一定的優(yōu)勢。鋰錳氧化物優(yōu)點是穩(wěn)定性好，無污染，工作電壓高、成本低廉。鋰離子電池中的電解質(zhì)使用

23、有機溶劑作為鋰離子的傳輸介質(zhì)。鋰離子電池對電解質(zhì)溶劑的要求是：高導(dǎo)電性、高分解電壓、無污染、安全。通常用鋰鹽作為有機溶液。目前使用的鋰鹽主要有LiClO 4、LiAsF 6、LiPF 6等8。聚合物鋰電是在原有鋼殼、鋁殼電池的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的第三代鋰離子電池，以其更輕、更薄、能量密度更高的特點，受到國內(nèi)外通訊終端廠商及設(shè)計公司的5青睞。在正、負(fù)極、電解質(zhì)三者中任何一種使用高分聚合物的鋰離子電池就可以成為鋰聚合物電池。現(xiàn)在常見的是使用高分子膠體取代常規(guī)液體電解質(zhì)的鋰聚合物電池9。鋰聚合物電池不僅具有鋰離子電池的優(yōu)點，即體積小、重量輕、能量密度高、自放電小、無記憶效應(yīng)，更重要的是，鋰聚合物電池可以

24、制成任意形狀。鋰聚合物電池中的電解液比鋰離子電池要少的多，因此更加安全4。2.2 鋰電池特性鋰離子電池和鋰聚合物電池的特性基本一致。下面的介紹中把鋰離子電池和鋰聚合物電池統(tǒng)稱為鋰電池10,11,12。在電壓方面，鋰電池對充電終止電壓的精度要求很高，誤差不能超過額定值的1%。終止電壓過高，會影響鋰離子電池的壽命，甚至造成過充電現(xiàn)象，對電池造成永久性的損壞；終止電壓過低，又會使充電不完全，電池的可使用時間變短。圖2-2顯示了充放電時電池電壓隨電池容量變化的關(guān)系，在4.1V 時鋰電池容量接近100%。圖2-3顯示了充電終止電壓對電池壽命的影響?？梢钥吹?，充電終止電壓越高，電池壽命越短，4.2V 是充

25、電曲線函數(shù)的拐點。因此，結(jié)合充電終止電壓對電池容量和電池壽命的影響，一般將充電終止電壓設(shè)定在4.2V 。圖2-2 電池電壓與電池容量的關(guān)系 6圖2-3 充電終止電壓對電池壽命的影響充電電流方面，鋰電池的充電率（充電電流）應(yīng)根據(jù)電池生產(chǎn)廠的建議選用。雖然某些電池充電率可達2C （C 為電池的容量），但常用的充電率為0.51C 9。在采用大電流對鋰離子電池充電時，因充電過程中電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)會產(chǎn)生熱，因此有一定的能量損失，同時必須檢測電池的溫度以防過熱損壞電池或產(chǎn)生爆炸。此外對鋰電池充電，若全部用恒定電流充電，雖然可以在一定程度上縮短充電時間，但很難保證電池充滿，如果對充電結(jié)束控制不當(dāng)還會造成

26、過充現(xiàn)象。放電方面，鋰電池的最大放電電流一般被限制在23C 左右。更大的放電電流會使電池發(fā)熱嚴(yán)重，對電池的組成物質(zhì)造成損壞，影響電池的使用壽命。同時，由于大電流放電時，電池的部分能量轉(zhuǎn)變成熱能，因此電池的放電容量將會降低。在造成過放電時，還會造成電池的失效。對于過放電的鋰電池，在充電前需要進行預(yù)處理，即使用小電流充電，使電池內(nèi)部被過放電的單元被激活。鋰電池的充電溫度過高會損壞電池并可能引起爆炸；溫度過低雖不會造成安全方面的問題，但很難將電池充滿。由于充電過程中，電池內(nèi)部將有一部分熱能產(chǎn)生，因此在大電流充電時，需要對電池進行溫度檢測，并且在超過設(shè)定充電溫度時停止充電以保證安全。2.3 鋰電池對充

27、電器的要求鋰電池對充電器主要要求是安全、快速、充滿、效率高, 其次要求成本低、使用方便、體積小及重量輕12。1、 安全。充電電池時伴隨著能量轉(zhuǎn)化，使電池的溫度上升。因此，鋰電池充電器要有檢測電池溫度的電路及溫升速度(T/t 電路，若電池達到某一設(shè)定溫7 度或溫升速度時，會自動終止充電，防止出現(xiàn)不安全情況；現(xiàn)在的充電器中逐漸將功率管集成到芯片內(nèi)部，大電流充電時同樣會使芯片溫度上升，需要設(shè)置溫度控制電路，防止芯片損壞。為了安全，充電器還需有充電定時器。另外,安全指的是充電電池在充電過程中不出現(xiàn)過充電，過充會損害電池，影響電池使用壽命。另一點是能檢測過放電電池，并用小電流預(yù)充電，到一定電壓后再用大電

28、流充電, 保證安全充電。2、 快速。使用充電器的人總是希望能快速充好電池，但快速充電往往會對安全性有影響，對安全性要求越嚴(yán)格，則充電器IC 越復(fù)雜。3、 充滿。充滿指的是充電結(jié)束時，電池充到最大的容量。這要求充電器能精確地檢測終止充電的方法。4、 效率高。充電器可看作一個特殊的電源，因此它同樣有效率問題。目前充電器IC 內(nèi)有兩種電源：線性及開關(guān)型(DC/DC變換器 。線性電源充電效率低，所以常常只用于充電電流小于1A 的場合，大于1A 充電電流時一般采用開關(guān)型DC/DC變換器，其效率比線性充電方案高得多，并且由于開關(guān)管功耗小，散熱也很少。2.4 鋰電池充電方法充電器IC 的設(shè)計要綜合考慮成本、

29、體積、噪聲、效率等因素，而選擇一個比較好的充電方式則會提高充電的速度和效率，降低充電器的成本和體積，同時對電池提供更好的保護，因此充電方法的選擇對鋰電池充電器IC 的設(shè)計來講顯得至關(guān)重要。隨著電源技術(shù)的不斷發(fā)展，充電的手段越來越豐富，充電方式對電池及應(yīng)用環(huán)境的針對性也越來越強。鋰電池的充電方式可分為三種13：交換式(switch-mode，線性式(linear及脈沖式(pulse，這三種架構(gòu)主要的差別為電路板面積大小、效率及成本。交換式充電器的效率較佳但其電路板面積較大，線路較為復(fù)雜及需較大的電感電容等被動組件；線性式及脈沖式充電器的電路板面積較小且只需較少的外部組件，但其效率較差。雖然線性式

30、充電器周邊組件不占過多的電路板面積，但仍需額外的面積以利于晶體管的散熱；脈沖式充電器不會有上述線性式的問題，但其需要有限電流功能的交流適配器(AC adapter，其價格較昂貴且大部分的適配器不具此功能。 盡管如此，隨著集成電路的高速發(fā)展，單芯片集成越來越成為發(fā)展趨勢，尤8其是在便攜式電子產(chǎn)品中，線性式和脈沖式成為了人們的主要考慮。下面主要介紹一下這兩種充電方式14，其中常規(guī)的線性式又主要包含恒流充電、恒壓充電、恒流恒壓三種。1. 線性式充電A 、 恒流充電法：恒流充電根據(jù)其充電電流的大小，又可分為涓流充電（小電流充電）和恒流充電。該方法在整個充電過程中采用恒定電流對電池進行充電，如圖2-4所

31、示。這種方法操作簡單，易于做到，特別適合對由多個電池串聯(lián)的電池組進行充電。但由于鋰電池的可接受電流能力是隨著充電過程的進行而逐漸下降的，并且，充電后期恒定的電流還會影響鋰電池的壽命。圖2-4 恒流充電法曲線B 、 恒壓充電法：在此充電法中，充電電源的電壓在全部充電時間里保持恒定，隨著鋰電池端電壓的逐漸升高，電流逐漸減少。充電曲線如圖2-5所示。從圖中可以看到，充電初期充電電流過大，這樣對鋰電池的壽命也會造成很大影響。圖2-5 恒壓充電法曲線C 、 恒流恒壓充電法：進行恒流恒壓充電時，充電過程首先是從恒定電流開始。在恒流充電(CC 周期中，為了防止過度充電而不斷監(jiān)視電池端電壓。當(dāng)電壓達到設(shè)定的端

32、電壓時，電路切換為恒定電壓充電，直到把電池充滿為止。在CC 9充電期間，電池可以以較高電流強度進行充電，這期間電池被充電到大約85的容量。在CV 周期中，電池電壓恒定，充電電流逐漸下降，在電流下降一定值時，充電周期完成。恒流恒壓充電曲線如圖2-6所示。圖2-6 恒流恒壓充電法曲線上述三類均為常規(guī)的線性充電法，具有低成本，低噪聲和操作簡單等特點，而且只需少量廉價小巧的外部元件。不過它們有一個致命的缺陷就是較高的功率消耗，尤其是在對電壓比較低的電池充電時的缺點是比較明顯的。而脈沖充電則解決了線性充電的缺陷。2脈沖式充電法8同恒流恒壓法一樣，脈沖式充電也是從對電池的恒流充電開始的，當(dāng)電池電壓上升到充

33、電終止電壓V CV 后，脈沖充電法由恒流轉(zhuǎn)入脈沖充電階段。在脈沖充電階段，充電器以一個較大的恒定電流值間歇性地對電池進行充電。每次充電時間為T C ，然后關(guān)閉充電回路。充電時由于充電電流的存在，電池電壓將繼續(xù)上升并超過充電終止電壓V CV ；當(dāng)充電回路被切斷后，電池又進行放電，電壓慢慢下降。電池電壓恢復(fù)到V CV 時，重新打開充電回路，開始下一個脈沖充電周期。在脈沖充電電流的作用下，電池會漸漸充滿，電池端壓下降的速度也漸漸減慢，這一過程一直持續(xù)到電池電壓恢復(fù)到V CV 的時間達到某個預(yù)設(shè)的值T O 為止，可以認(rèn)為電池已接近充滿，如圖2-7所示。脈沖充電方式中，由于在充電時功率FET 工作在非飽

34、和區(qū)，作為開關(guān)管用，因而大大降低了功率損耗。不過脈沖充電方式需要一個限流等于期望充電率的充電源，且不能調(diào)節(jié)充電電流，對電池保護相對要弱些。 10圖2-7 脈沖充電法曲線除了以上常規(guī)充電法外，還有定化學(xué)反應(yīng)狀態(tài)充電法、變電壓間歇充電法、恒壓變電流間歇充電法等。不過目前，恒流恒壓法仍以其充電時間短，速率高，實現(xiàn)線路簡單等優(yōu)點，在鋰電池的充電方式中占主導(dǎo)地位。本文所設(shè)計的鋰電池充電器IC 將采用基于恒流恒壓充電法的充電方式，而且當(dāng)其與電流限制適配器結(jié)合使用時，可以在恒流充電階段使功率MOS 處于線性開關(guān)狀態(tài)，來降低功耗，因而本文設(shè)計的充電器IC 結(jié)合了線性充電方式和脈沖充電方式兩者的優(yōu)點。 11第三

35、章 鋰電池充電器IC 的系統(tǒng)分析與設(shè)計3.1鋰電池充電器IC 系統(tǒng)的主要功能與特點本文設(shè)計的是一款針對單節(jié)鋰電池的充電器IC 。基于前一章所述，為了對單節(jié)鋰電池進行快速安全地充電，文章中所設(shè)計的鋰電池充電器IC 采用以恒流恒壓法為基礎(chǔ)的三階段充電法，即將充電過程分為3個階段：涓流充電、恒流充電和恒壓充電。其充電曲線如圖3-1所示。圖3-1 恒流恒壓法充電曲線涓流充電階段采用小電流對電池進行充電，充電電流一般設(shè)為恒流模式的10%，其主要目的是在電池過放電時，激活電池內(nèi)部被過放電的單元，對電池起保護作用；恒流階段采用較大的恒定電流對電池充電，實現(xiàn)對電池快速充電的目的；在電池電壓上升到4.1V 以后

36、進入恒壓充電階段，此階段采用恒壓模式對電池繼續(xù)充電，確保電池充滿。這種充電算法不僅實現(xiàn)了充電總電荷量的最大化，同時還有效地縮短了充電時間。本IC 的一個主要特點是高適應(yīng)性，可兼容多種類型的適配器和USB 端口對鋰電池充電。現(xiàn)在市面上的充電器還主要使用電壓型AC 適配器，但隨著近幾年USB 端口的廣泛使用，將USB 設(shè)計為一種充電類型，會給用戶提供更多的選擇，這樣也就大大提高了充電器的使用范圍。尤其關(guān)鍵的是，本IC 還可以結(jié)合電流限制適配器對鋰電池進行充電，當(dāng)充電過程處于恒流充電階段時，如果設(shè)定的編程充電電流超過適配器的限定值，IC 會降低充電電流至適配器的限定值，從而降低12 了功耗，同時也減

37、少了芯片在恒流充電階段所面臨的過熱風(fēng)險。由于鋰電池對安全要求比較高，因而在控制充電過程順利進行的基礎(chǔ)上，還需進一步采取措施保證充電過程的安全可靠。同時，為了用戶的不同需求以及現(xiàn)代應(yīng)用的各種要求，需要實現(xiàn)對充電過程的各種智能化控制。在參考了部分鋰電池充電器IC 的主要功能和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，本設(shè)計對充電器IC 的功能做了一定的設(shè)計，其主要的功能特點如下：1. 充電電源范圍廣。由于該IC 可以采用普通電壓型適配器和帶有電流限制的適配器，充電電源的范圍則相應(yīng)增大。當(dāng)電源電壓（VCC ）高于3.5V 時電路開始上電，而且當(dāng)電源電壓高于電池電壓100mV 時才能對電池開始進行充電。由于在采用電流限制型適配器

38、時，恒流充電過程中的輸入電壓會下降，因而需要將電路關(guān)斷條件設(shè)定為電源電壓低于3.5V 的一個更小的電壓，在本設(shè)計中，此電壓設(shè)定為2.4V 。這種情況就需要內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓源在一個很大的電壓范圍內(nèi)保證穩(wěn)定工作，設(shè)計難度提高。2. 精度高。本設(shè)計通過一個帶隙基準(zhǔn)首先產(chǎn)生一個基準(zhǔn)電壓V2P8作為內(nèi)部電路的工作電壓，因而使得內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓源和基準(zhǔn)電流源有一個穩(wěn)定的電源電壓，免受外接輸入的干擾，獲得較高的精度，其中基準(zhǔn)電壓V120的精度達到18.5ppm/。而基準(zhǔn)電壓和基準(zhǔn)電流的高精度又提高了鋰電池最終充電電壓及USB 充電電流的精度。3. 充電電流可編程。在CA 模式充電時，可通過一個芯片外接的電阻R

39、SET 設(shè)置充電電流，最高充電電流可設(shè)置高達2A 。對于USB 模式充電，由于USB 端口類型不同，本文設(shè)計的充電電流也不同。在涓流模式，充電電流可以通過電阻編程設(shè)置，否則，默認(rèn)設(shè)定值為CA 模式恒流階段充電電流的1/10。4. 鋰電池與芯片的溫度保護。對于鋰電池充電器IC 的溫度保護，不同于多數(shù)過熱關(guān)斷的形式，而是采用了負(fù)反饋的原理，使得芯片溫度達到100時，通過降低充電電流而使充電過程進入恒溫充電模式。在恒溫充電模式中，充電電流隨溫度升高而降低，功率減小，溫度恒定在設(shè)定值。此外，為了鋰電池的安全，需保證充電時的其溫度必須被限定在一定的范圍內(nèi)。電路通過一個熱敏電阻來監(jiān)測電池溫度，當(dāng)鋰電池超出

40、設(shè)定溫度范圍時將暫停充電。5. 充電終止的智能控制。為了避免電池?fù)p壞、移除或電池上帶有負(fù)載時充電一直進行不會結(jié)束，在鋰電池充電器IC 設(shè)置了一個安全定時器，用于控制涓流充電和整體充電時間（超時）的限制。用戶可以通過一個芯片外接的電容C TIMER 設(shè)定定時時間。同時，快充模式的充電定時可作為一個可選項，其由一個使能信號13（TOEN ）來禁止。 6.此外，芯片還集成了功率MOS 管，提高了集成度，降低了充電器成本。 綜上所述，本文設(shè)計的智能鋰電池充電器IC 的一個重要的特點就是其高適應(yīng)性，適用于各種類型的適配器和USB 端口；而且當(dāng)其結(jié)合電流限制適配器時能極大地降低功耗。充電電源、充電時間和充

41、電電流的可設(shè)定性，提高了芯片的應(yīng)用范圍，實現(xiàn)了與用戶的交互式管理。電池與芯片的溫度保護又提高了系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定性。芯片采用0.5µm CMOS工藝，降低了生產(chǎn)成本；并且只需要與少量的外部電容、電阻配合使用，就可以完成所有的充電功能，簡化了外部電路。下面表3-1給出了IC 設(shè)計的各種性能參數(shù)，也是設(shè)計要達到的目標(biāo)。 14電池反向漏電電流 I STANDBY 輸入VIN 懸空或EN 為低關(guān)斷漏電流 I 電池懸空或EN 為低再充電電壓 V 3.90涓流終止電壓 V MIN2.80（5%±） V 電池溫度過低保護電壓 V TMIN V2P8 = 2.8V 1.50 V 電池溫度過高

42、保護電壓 V V2P8 = 2.8V 0.38 V 電池移去電壓 V V2P8 = 2.8V 2.25 V 熱調(diào)整起始溫度 T FOLD100（5±） 充電電流熱調(diào)整速率 G FOLD 100mA/時鐘周期TCTIME = 15nF3.00（15%±） ms3.2鋰電池充電器IC 系統(tǒng)電路的設(shè)計基于本設(shè)計采用的三階段法充電方式，圖3-2中首先給出了鋰電池充電器IC 的工作流程。首先對芯片加輸入電源V IN （接AC 適配器或USB 端口），并判斷V IN 是否滿足欠壓閉鎖條件，若滿足欠壓閉鎖條件，系統(tǒng)會處于睡眠狀態(tài)，一直進行檢測，否則，系統(tǒng)進入充電狀態(tài)。充電開始，首先使定時

43、器清零。如果電池電壓低于2.8V ，則進行涓流充電，同時開始涓流充電計時；否則，進入快速充電階段，同時開始快速充電計時，并顯示正在進行快速充電。當(dāng)電池電壓達到4.1V 的電池設(shè)定電壓時，會進入恒壓充電階段，充電電流逐漸減小。當(dāng)充電電流減小到I MIN 時，結(jié)束充電并顯示充電完成。在涓流充電或快速充電過程中，如果定時終止仍然沒有結(jié)束某一充電過程，就認(rèn)為電池?fù)p壞或出錯，此時充電器停止對電池充電并顯示出錯。充電完成后，如果電池電壓又降到3.9V 以下，則會重新對電池充電，迫使定時器清零?；趫D3-2所示的工作流程，我們可以將充電器IC 劃分為具有一定功能的模塊，這樣鋰電池充電器IC 系統(tǒng)需要具備基準(zhǔn)

44、電壓源、基準(zhǔn)電流源、欠壓閉鎖、振蕩器等模塊，而且為了保證充電器IC 安全可靠的工作，還需要熱調(diào)整、電池溫度保護，以及一些基本放大器和邏輯控制模塊。在充電器IC 的工作流程和一定的保護措施的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了圖3-3所示的整體電路結(jié)構(gòu)。15圖3-2 鋰電池充電器IC 的工作流程其中基準(zhǔn)電壓模塊主要為芯片內(nèi)部電路提供2.8V 的工作電源和一些放大器、比較器的參考電壓；基準(zhǔn)電流源模塊主要為芯片內(nèi)部電路提供基準(zhǔn)電流；充電基準(zhǔn)電流模塊主要是編程充電電流的，通過該模塊用戶可以對充電電流進行設(shè)置；欠壓保護模塊主要對輸入電源電壓進行檢測；IC 溫度控制模塊主要檢測芯片溫度，當(dāng)溫度高于設(shè)定值時，為電路提供補償電

45、流，使芯片工作在恒溫模式；緩沖器模塊主要對恒流和恒壓模塊輸出的電流進行轉(zhuǎn)化處理，來調(diào)整充電電流；電池溫度保護模塊主要對鋰電池溫度進行檢測，使電池充電在允許的溫度范圍內(nèi)進行；振蕩器模塊為電路提供時鐘信號，通過外接電容可對充電時間進行控制； 數(shù)字電路模塊主要對16各控制信號進行邏輯處理，實現(xiàn)充電過程的智能化管理。此外，為達到芯片的可控性測試，在數(shù)字電路中我們增加了片上可測試模塊，節(jié)省了后期測試的時間與成本，同時提高了芯片成品率。圖3-3 鋰電池充電器IC 整體結(jié)構(gòu)圖充電器IC 引腳的功能如下：1 VIN：電源電壓輸入腳； 2 GND：地；3 VBAT：電池連接引腳；4 V2P8：2.8V 工作電壓

46、輸出腳，同時可作為電池溫度檢測電路的電源； 5 IREF：恒定充電電流的編程輸入腳； 6 IMIN：充電終止電流的編程輸入腳； 7 TEMP：電池溫度檢測輸入腳；8 TIME：振蕩周期設(shè)置引腳，用戶可通過該引腳電容設(shè)置內(nèi)部時鐘頻率； 9 FAULT：充電出錯輸出腳，當(dāng)充電出現(xiàn)錯誤時，該引腳被拉低； 1710 STATUS：充電狀態(tài)輸出腳，電池正在充電時，該引腳被拉低； 11 TOEN：超時使能輸入腳，當(dāng)該引腳接地時禁止快充模式的超時限制； 12 EN：芯片使能邏輯輸入腳，當(dāng)該引腳接地時，芯片關(guān)斷。圖3-4 芯片的外部連接圖圖3-4是芯片的外部連接圖。電源連接到AC 適配器或USB 端口，并且接

47、一個1µF的電容進行濾波；外接電容C TIME 連接到TIME 引腳，通過改變其大小來改變內(nèi)部振蕩頻率；R IREF 和R IMIN 分別接到IREF 和IMIN 引腳，通過兩個電阻可以為恒定充電電流和終止充電電流進行編程；R T 電阻為一個負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，可以對鋰電池溫度進行監(jiān)測；D1和D2為兩個發(fā)光二極管，分別連接至STATUS 和引腳，顯示充電狀態(tài)和是否出錯。 18第四章 鋰電池充電器IC 內(nèi)部電路的設(shè)計與實現(xiàn)相對雙極型集成電路來說，CMOS 集成電路具有尺寸小，功耗低，集成度高，抗干擾能力強等優(yōu)勢，用CMOS 集成電路代替雙極型會縮小芯片尺寸，大大降低生產(chǎn)成本，因此CM

48、OS 集成電路占據(jù)著目前市場的主要部分。本設(shè)計采用0.5µm CMOS N阱工藝來進行電路設(shè)計，有效降低了生產(chǎn)成本。由第三章分析得知，本設(shè)計的使用范圍較廣，可以采用普通適配器，USB 接口作為電源，同時也可以采用電流限制適配器。當(dāng)采用后者時，充電器便結(jié)合了線性式充電器和脈沖式充電器二者的優(yōu)點，實現(xiàn)了快速、低功耗充電。圍繞著這些特點，我們進行了具體電路設(shè)計，其中包括恒流充電和恒壓充電電路的設(shè)計，基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計，基準(zhǔn)電流源的設(shè)計，充電電流編程電路的設(shè)計，欠壓閉鎖的設(shè)計，電池和芯片的溫度控制電路的設(shè)計，以及定時電路設(shè)計等。本章主要介紹各模塊電路的具體設(shè)計與實現(xiàn)15,16,17。4.1帶有

49、欠壓閉鎖功能的基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計與實現(xiàn)4.1.1 基準(zhǔn)電壓的設(shè)計考慮基準(zhǔn)電壓源在模擬集成電路和混合集成電路中都是一個比較重要的單元，作為其輸出的基準(zhǔn)電壓的精度以及穩(wěn)定性都會直接影響芯片工作。近年來，隨著集成技術(shù)的不斷發(fā)展，系統(tǒng)對基準(zhǔn)電壓源的要求也越來越高，如何設(shè)計性能優(yōu)良的電壓基準(zhǔn)已經(jīng)成為廣大IC 設(shè)計者面臨的一個重要課題。在本設(shè)計中，因為鋰電池的最終充電電壓要達到1的精度，考慮到恒壓充電階段V A 放大器的失調(diào)電壓，需要使得基準(zhǔn)電壓輸出的精度更高?；鶞?zhǔn)電壓的結(jié)構(gòu)很多，但是在CMOS 工藝占主流的目前，最通用的電壓基準(zhǔn)是帶隙基準(zhǔn)電壓源，它有溫度漂移系數(shù)小、電源抑制比高的特點18。本設(shè)計也采用帶隙

50、基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，并將其輸出作為芯片中各電路的參考電壓。在本文所設(shè)計的鋰電池充電器IC 中，基準(zhǔn)電壓源模塊包括三部分。第一部分主要是產(chǎn)生一個基準(zhǔn)電壓V2P8，為內(nèi)部電路提供工作電壓。第二部分產(chǎn)生更加精19確的電壓，為電路中某些放大器或比較器等提供參考電壓。此外，本著減小芯片生產(chǎn)成本的考慮，基準(zhǔn)電壓源模塊還集成了欠壓閉鎖的功能。充電器IC 要保證鋰電池最終的充電電壓比較精確，就需要一個比較精確的基準(zhǔn)電壓值，而在電源電壓比較寬的范圍內(nèi)變化時難以保證，尤其是在IC 電源采用電流限制適配器提供時，其輸入電壓在充電過程有較大波動。為了內(nèi)部電路不受輸入電源波動的影響，確保其穩(wěn)定可靠的工作，芯片內(nèi)部需要用該基準(zhǔn)提供

51、一個基準(zhǔn)電壓作為電源。從保護電池的角度出發(fā)，參考部分國內(nèi)外產(chǎn)品設(shè)計，將充電器涓流到恒流階段轉(zhuǎn)變時的電池電壓設(shè)定為2.8V 。為了防止欠壓閉鎖，輸入電源電壓需高于電池電壓100mV 。內(nèi)部電源可以在小于輸入電源的一個范圍內(nèi)取定，但為了賦予內(nèi)部電路一定的裕度，我們將內(nèi)部電源定為2.8V 。此2.8V 基準(zhǔn)電壓作為內(nèi)部電路的工作電壓，需要其穩(wěn)定性比較高，負(fù)載能力強，但對其精度要求不高。通常的設(shè)計中，2.8V 的基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生需要一對雙極型晶體管來產(chǎn)生帶隙電路結(jié)構(gòu)，而欠壓閉鎖功能電路往往也采用帶隙比較結(jié)構(gòu)，然而在CMOS N阱工藝中，襯底PNP 晶體管所占芯片面積相對較大，應(yīng)該盡量避免過多使用；同時由于

52、系統(tǒng)對2.8V 基準(zhǔn)電壓的精度要求并不是太高，為了達到預(yù)期的效果，本設(shè)計采取了電路復(fù)用的思路，將欠壓閉鎖模塊和2.8V 基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路所需的帶隙電路結(jié)構(gòu)復(fù)用，在保證了電路的功能基礎(chǔ)上，減小了芯片的面積，降低生產(chǎn)成本?；鶞?zhǔn)電壓源是本設(shè)計的一個重點，正是因為兩級電壓基準(zhǔn)的產(chǎn)生，結(jié)合欠壓閉鎖功能，使得充電器芯片可以更好的結(jié)合電流限制適配器工作。下面來詳細(xì)介紹基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計與實現(xiàn)。4.1.2 帶隙基準(zhǔn)的原理帶隙基準(zhǔn)是目前最普遍的電壓基準(zhǔn)電路，其主要原理是利用具有正溫度系數(shù)電壓V T 和具有負(fù)溫度系數(shù)的電壓V BE 相疊加，產(chǎn)生一個穩(wěn)定的與溫度無關(guān)的電壓V REF 。圖4-1即為基準(zhǔn)電壓源的原理示意

53、圖。其中，PN結(jié)二極管的電壓降為V BE , 其溫度系數(shù)在室溫時大約為-2.0mV/K.而熱電壓為V T ,在室溫時的溫度系數(shù)為+0.085mV/K，將V T 電壓乘以常數(shù)并和V BE 電壓相加可得輸出電壓為：ref BE t V V KV =+ (4-1調(diào)整常數(shù)K，可使得PN 結(jié)電壓的負(fù)溫度系數(shù)和不同電流密度下兩個PN 結(jié)電20壓差的正溫度系數(shù)相互抵消,使輸出電壓達到很低的溫度漂移。圖4-1 基準(zhǔn)電壓源原理圖不過需注意的一點是，本設(shè)計采用的是P 襯底N 阱CMOS 工藝，其中雙極型晶體管只能用襯底PNP 晶體管來實現(xiàn)，而且作為集電極的P 型襯底必須接地電位。4.1.3 欠壓閉鎖電路的設(shè)計與實現(xiàn)欠壓閉鎖電路的功能主要是對充電器IC 的輸入電壓VCC 進行檢測，當(dāng)VCC 過低時關(guān)斷芯片，防止其工作在異