鋰離子電池充電器IC設(shè)計(jì)方案

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)鋰離子電池充電器IC設(shè)計(jì)方案鋰離子和鋰聚合物電池具有工作電壓高、無記憶效應(yīng)、工作溫度范圍寬、自放電率低及比能量高優(yōu)點(diǎn)。使其能夠較好地滿足便攜式設(shè)備對電源小型化、輕量化、長工作時(shí)間和長循環(huán)壽命以及對環(huán)境無害等要求，同時(shí)隨著鋰離子電池產(chǎn)量的提高，成本的降低，鋰離子電池以其卓越的高性價(jià)比優(yōu)勢在便攜式設(shè)備電源上取得了主導(dǎo)地位，這也使得鋰離子電池充電器得到了巨大的發(fā)展和廣闊的市場。本文設(shè)計(jì)一款針對單節(jié)鋰電池的線性IC，采用CMOS工藝設(shè)計(jì)了一款具有智能熱調(diào)整功能的單片線性鋰離子電

2、池充電器IC,在此設(shè)計(jì)的線性鋰離子電池充電器IC在恒流/恒壓充電模式的基礎(chǔ)上，增加了涓流充電模式和智能熱調(diào)整模式。1 線性鋰離子電池充電器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖1所示為本文鋰離子電池充電器的整體功能模塊圖。這些子模塊包括。基準(zhǔn)電壓源、基準(zhǔn)電流源、欠壓閉鎖模塊、恒流充電放大器、恒壓充電放大器、智能熱調(diào)整放大器、鉗位放大器、振蕩器、計(jì)數(shù)器、電池溫度保護(hù)模塊、功率管襯底保護(hù)模塊、邏輯模塊以及多個(gè)比較器模塊。考慮芯片的實(shí)際應(yīng)用，本文設(shè)計(jì)的鋰離子電池充電器具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：(1)芯片的溫度保護(hù)方面在充電過程中，當(dāng)電池的電壓達(dá)到涓流充電跳變電壓門限而進(jìn)入恒流階段時(shí)，恒流階段為大電流充電，由于本文的功率管為PMO

3、S,在負(fù)載電池和電源之間只有該功率管，此時(shí)電池電壓較低，芯片功率耗散達(dá)到最大。其功率耗散為：P=(Vcc-VBAT)Icc (1)大功率耗散將導(dǎo)致芯片的溫度急劇上升，因此設(shè)置了一個(gè)智能的熱反饋回路。當(dāng)芯片溫度上升到熱反饋溫度點(diǎn)105時(shí)，啟動熱反饋回路，使芯片溫度維持在105。當(dāng)電池電壓進(jìn)一步升高時(shí)，由式(1)可知，功率耗散逐漸降低，在較小的功率耗散下，芯片的溫度會逐漸降低。此時(shí)退出智能熱調(diào)整工作模式，進(jìn)入恒流充電模式，使用大電流Icc對電池充電，或者直接進(jìn)入恒壓充電階段。該熱反饋回路的使用，使充電的速率最大化，同時(shí)用戶無需擔(dān)心芯片的溫度過高。(2)成本方面。本文介紹的芯片采用CMOS工藝設(shè)計(jì)，

4、成本低，工藝易于實(shí)現(xiàn)。(3)與用戶的交互式管理方面。芯片提供了多個(gè)外部用戶編程引腳以方便用戶對芯片的管理和使用。在充電電流的控制方面，用戶可以通過連接1只電阻至芯片一個(gè)引腳對充電電流進(jìn)行編程;在充電最終電壓的控制方面，用戶可通過將芯片的一個(gè)引腳接高電平或低電平來設(shè)置最終充電電壓為4.1 V或4.z V,以適應(yīng)對使用不同的負(fù)極材料的鋰離子電池進(jìn)行充電;在充電時(shí)間的控制上，用戶可通過連接1只電容至芯片1個(gè)引腳對充電時(shí)間進(jìn)行編程，滿足用戶不同的充電時(shí)間要求。芯片設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)達(dá)到的特性和參數(shù)見表1.芯片引腳的外部連接如圖2所示。在圖2中，CHRG,FAULT,ACPR三引腳分別與一個(gè)1 k的電阻以及一個(gè)發(fā)

5、光二極管相連，用于指示芯片的充電狀態(tài);4.7F電容為電源Vcc的旁路電容，在電池BAT引腳處接有一個(gè)ESR為1 的1 F旁路電容，用于在沒有電池時(shí)，將紋波電壓保持在低水平。NTC引腳處，一個(gè)10 k的負(fù)溫度系數(shù)的電阻RNTC與4 k電阻相串連，將RNTC上的分壓作為NTC引腳的輸入。2 線性鋰離子電池充電器的整體仿真結(jié)果仿真中，為縮短仿真時(shí)間，將電池等效為一個(gè)大電容CBAT,其等效串連電阻為RESR.2為對預(yù)設(shè)定的充電器芯片特性參數(shù)表仿真后得到的結(jié)果。2.1 電器充電過程波形圖圖3圖5是充電器的充電過程在不同的條件下仿真得到的結(jié)果。為縮短仿真時(shí)間，電池預(yù)設(shè)的電壓為2.3 V,以便充電過程能夠迅

6、速地由涓流充電模式過渡到恒流充電模式。在仿真中，RPROG的值設(shè)置為3 k，涓流充電電流為50 mA,恒流充電電流為500mA;SEL 引腳接地電位，電池的最終充電電壓為4.1V.由圖3圖5中可以知，在各種工作條件下，充電器都能正常工作。在圖4中充電的過程與溫度的關(guān)系曲線中，當(dāng)溫度為125時(shí)，充電電流為零，這是由于芯片中的智能熱調(diào)整溫度Tc是105，智能熱調(diào)整電路正常運(yùn)行使芯片的充電電流在125時(shí)降至零，電池的電壓一直維持在2.3 V.鋰離子電池充電器IC設(shè)計(jì)方案(2)充電器充電電流和智能熱調(diào)整波形圖如圖6所示。當(dāng)芯片的溫度達(dá)到105附近時(shí)，智能熱調(diào)整電路自動啟動，減小充電電流。以降低芯片的功耗。2.3 最壞情況下電池最終充電電壓仿真數(shù)據(jù)為確保即使在最壞情況下，鋰離子電池最終充電電壓達(dá)到要求，對全電路進(jìn)行了電阻的所有corner RES_TT,RES_FF,RES_SS與MOSFET的所有cornerTT,FF,FS,SF,SS的交叉仿真，仿真后得到如表2和表3所示的電池最終充電電壓的典型情況與最差情況。其中，表3是在基準(zhǔn)電壓2.485 V未進(jìn)行微調(diào)情況下仿真得到的結(jié)果，表4是在對基準(zhǔn)電壓2.485 V微調(diào)后得到的仿真結(jié)果。由表2、表3的仿真結(jié)果可知電池的最終充電電壓的仿真結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求其精度如下：(1)VREF微調(diào)后，SEL=0或Vcc時(shí)，VBAT可控制在4.1 V或4.