鋰電池充電器中恒流恒壓控制電路的設(shè)計(jì)-圖文

第38卷第3期2008年6月微電子學(xué)Ⅻc(diǎn)roelectronicsVoL38.No.3Ju幾2008鋰電池充電器中恒流恒壓控制電路的設(shè)計(jì)應(yīng)建華,陳建興,唐仙,黃楊(華中科技大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系,武漢430074摘要:設(shè)計(jì)了一種采用開(kāi)漏輸出MOS管取代二極管的恒流恒壓控制電路,對(duì)電路處于過(guò)渡區(qū)的原理進(jìn)行了詳細(xì)分析;通過(guò)在放大器內(nèi)部引入負(fù)反饋的方式,優(yōu)化了恒流向恒壓過(guò)渡時(shí)的穩(wěn)定性。電路采用德國(guó)XFAB公司的0.6tzmBiCMOS工藝模型,得到最終測(cè)試電壓為4.192V,充電精度為0.19%。關(guān)鍵詞:恒流;恒壓;鋰電池充電器;過(guò)渡區(qū)中圖分類號(hào):TN432文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1004—3365(200803-0445-04DesignofConstant—Current/Constant-VoltageRegulationLoopinLi—ionBatteryChargerYINGJianhua,CHENJianxing,TANGXian,HUANGYang(Dept.ofElectronicScienceandTechnology,HuazhongUniversityofScience&Technology,Wuhan430074,P.R.ChinoAbstract:Aconstant-current/constant-voltageregulationcircuitwasdesignedusingopen-drainMOSFETtOre-placediode.TheprincipleofthetransitionwasanalyzedindetailThestabilityofthesystemwasimprovedbyin-trodueingnegativefeedbackintoamplifier.ThecircuitwasimplementedinXFAB’s0.6tann-wellBiCMOSmixed-signaltechnology.Testresnl協(xié)showedthatthecircuithadaconstantvoltageof4.192Vandanaccuracyerrorofonly0.19%.Keywords:Constantcurrent;Constantvoltage;Li-ionbatterycharger;TransitionregionEE艙C:2570F引言鋰離子電池具有較高的能量重量比、無(wú)記憶效應(yīng)、可重復(fù)充電多次、使用壽命長(zhǎng)、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。因此,在便攜式產(chǎn)品向更小更輕方向發(fā)展的今天,選用單節(jié)鋰離子電池供電已成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)者的普遍選擇。鋰電池的充電過(guò)程一般包括預(yù)充電、恒流充電(CC和恒壓充電(Cv三個(gè)過(guò)程。預(yù)充電是指當(dāng)電池電壓低于芯片設(shè)定的預(yù)充電閾值時(shí),充電器以小電流對(duì)電池進(jìn)行涓流充電。當(dāng)電池電壓上升到預(yù)充電閾值以上時(shí),以大電流對(duì)電池進(jìn)行恒流充電;當(dāng)電池電壓接近浮充電壓閾值(4.2V,充電器逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楹銐耗Ｊ匠潆?充電電流逐漸減小;當(dāng)電流減小到終止電流k時(shí),充電過(guò)程結(jié)束。收稿日期:2007-09—25;定稿日期:2007—12—182電路分析與設(shè)計(jì)采用恒流恒壓(CC-CV充電方式的電路分串聯(lián)和并聯(lián)兩種結(jié)構(gòu):串聯(lián)結(jié)構(gòu)通常采用多輸入級(jí)運(yùn)算放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)[1],其優(yōu)點(diǎn)是環(huán)路穩(wěn)定性比較容易設(shè)計(jì),缺點(diǎn)是沒(méi)有獨(dú)立的誤差放大器,由CC向CV的過(guò)渡性能不好。并聯(lián)結(jié)構(gòu)控制電路的過(guò)渡性能比較好,通常在電壓放大器VA輸出端接一個(gè)二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)渡[2]。但這種方式有兩個(gè)缺點(diǎn):1在CMOS工藝中,二極管很難制作;而且會(huì)因?yàn)槁╇娏鞫斐砷]鎖效應(yīng)。2電壓放大器VA內(nèi)部存在一個(gè)低頻極點(diǎn),在過(guò)渡區(qū)二極管微導(dǎo)通時(shí),較大的導(dǎo)通電阻會(huì)引入另一個(gè)低頻極點(diǎn),這將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。萬(wàn)方數(shù)據(jù)應(yīng)建華等:鋰電池充電器中恒流恒壓控制電路的設(shè)計(jì)2008年本文采用開(kāi)漏輸出MOS管取代二極管并同時(shí)引入負(fù)反饋的方式,保證在過(guò)渡區(qū)時(shí)只有一個(gè)低頻極點(diǎn),優(yōu)化了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本文設(shè)計(jì)的恒流恒壓控制電路如圖l所示,它主要包括三個(gè)放大器:電流放大器(CA,電壓放大器(vA,匹配放大器(MA;兩個(gè)主控制環(huán):其中CA、M1、M3、R魄構(gòu)成電流控制環(huán)(CA環(huán);VA、M4、M2、R,和Rz構(gòu)成電壓控制環(huán)(VA環(huán);充電電流檢測(cè)電路:M1、MA、M3、R婀。圖1中,M4采用開(kāi)漏輸出連接方式,它和VA一起構(gòu)成跨導(dǎo)放大器[3]。圪。O圖1本文提出的恒流一恒壓控制電路Fig.1TheproposedCC-CVregulationloop2.1恒流充電當(dāng)電池電壓較低時(shí),VA輸出高電平,M4截止,G點(diǎn)電壓完全由放大器CA決定。此時(shí),有Vb=y懈,則流過(guò)R鵬的電流為f螂=Vb/R撕,所以,M2將給電池提供大小為1000Ⅵ/R鉚的恒定充電電流。當(dāng)電池電壓低于2.9V時(shí),Ⅵ的電壓為0.1V,充電電流為0.1C(C=充放電電流(mA/電池容量(mAh;電池電壓高于2.9V而低于4.2V時(shí),Ⅵ的電壓為1V,充電電流為lC。2.2恒壓充電當(dāng)VA的負(fù)輸入端電壓接近基準(zhǔn)電壓U,時(shí),VA輸出端電壓下降,M4導(dǎo)通,此時(shí),VA、M4、M2、R。、R:構(gòu)成一個(gè)LDO穩(wěn)壓器,輸出電壓為%_(1+愛(ài)%(1此時(shí),%端以恒定的電壓4.2V向電池充電,充電電流逐漸減小;當(dāng)電流減小到k時(shí),邏輯控制電路自動(dòng)將充電器關(guān)閉。2.3CⅣVA電路結(jié)構(gòu)由VA和M4構(gòu)成的跨導(dǎo)放大器以及CA皆采用帶內(nèi)部負(fù)反饋的結(jié)構(gòu)。以VA和M4構(gòu)成的跨導(dǎo)放大器為例,其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。L圖2VA和M4構(gòu)成的跨導(dǎo)放大器Fig2OTAconsistingofVAandM4其中,第一級(jí)由一對(duì)NPN管T1和T2構(gòu)成輸入級(jí),電流鏡M7、M8和電阻R,、Rz作負(fù)載,引入M4作為反饋管。其中,M4的源端不直接連到瓏,而是連到VA內(nèi)部的A點(diǎn),給B點(diǎn)反饋一個(gè)小信號(hào)電流。在B處加小信號(hào)測(cè)試電壓△y,經(jīng)M4反饋后,有C點(diǎn)電壓變化△Ⅵ≈△V,即反饋回B點(diǎn)的電流為g,棚△y/(1+g橢R2;又因?yàn)閺腗8漏極和T2集電極看進(jìn)去的小信號(hào)電阻都很大,所以,△J主要由小信號(hào)電壓K通過(guò)M8跨導(dǎo)產(chǎn)生,則B點(diǎn)的小信號(hào)電阻為:A1廠1Rosrs=囂≈士+R2(2u15ri948由(2式可以看出,B點(diǎn)的等效阻抗已經(jīng)大大減小,B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的極點(diǎn)已被推向單位增益以外。2.4恒流向恒壓的過(guò)渡由第3節(jié)分析可以看出,VA、CA內(nèi)部分別都只有一個(gè)高頻極點(diǎn);系統(tǒng)在恒流區(qū)、過(guò)渡區(qū)和恒壓區(qū)都只有一個(gè)低頻極點(diǎn)(G點(diǎn)。將電路從G點(diǎn)斷開(kāi),則可以得到CA和VA兩個(gè)平行的反饋環(huán)路。忽略CA和VA內(nèi)部的高頻極點(diǎn),CA環(huán)和VA環(huán)的開(kāi)環(huán)增益可分別表示為:1LG飄=g刪1R肋GG積(r04//ROUr//季一一J、—7Gg棚1R冊(cè)GG積(roJ/Rctrr一1+sCo(r04//R。五萬(wàn)‰(3,(1+sC:Gt04//R?！?萬(wàn)方數(shù)據(jù)第3期應(yīng)建華等:鋰電池充電器中恒流恒壓控制電路的設(shè)計(jì)447LG吼=跏zR肋4吼g棚(rot∥R凹∥壺=星趟墜絲娑g堂!墊么星盟2:l+sG(r04//R?！蕖诎偃f(wàn)‰(4(1+sc:Gr04//R。,”7其中,‰為CA的輸出電阻,R眥為電池的內(nèi)阻,G甜為CA的跨導(dǎo),G為G點(diǎn)的柵電容,‰為M4漏極看進(jìn)去的小信號(hào)電阻。系統(tǒng)增益等于兩個(gè)環(huán)路的開(kāi)環(huán)增益之和,若在波特圖中顯示,則LG-≈-max(LGc_A,LGvA。LG=L魄+‰一訐磊K麗I+K刃v面(5電池電壓較低時(shí),VA環(huán)不起作用,輸出電壓為高,M4管截止,西批很小,凰可以忽略。LG=L(黽,系統(tǒng)由CA環(huán)控制。當(dāng)電池電壓上升到4.2V附近時(shí),VA輸出電壓減小,M4管開(kāi)始導(dǎo)通,g棚迅速增大,Ky迅速增大。流過(guò)M4的電流疊加到CA的輸出級(jí),G點(diǎn)電壓上升,充電電流開(kāi)始下降。由于CA的負(fù)反饋?zhàn)饔?電流減小比較緩慢。此時(shí),K-和Ky都較大,系統(tǒng)增益LG達(dá)到最大。隨著M4的進(jìn)一步導(dǎo)通,協(xié)逐漸減小,K,呈減小趨勢(shì),同時(shí)電池電壓上升;流過(guò)M4的電流增大,硒進(jìn)一步增大;充電電流進(jìn)一步減小,直至CA進(jìn)入線性區(qū),K,迅速下降,電路由VA環(huán)控制,進(jìn)入恒壓充電。忽略K-,系統(tǒng)增益LG=LGva。根據(jù)以上分析,得到CA環(huán)和VA環(huán)增益及系統(tǒng)增益隨電池電壓變化,如圖3所示。o勺、弋V。毒N圖3CA、VA及系統(tǒng)增益變化Fig.3Aversus%ofCA,VAandsystemgain利用Cadence的Spectre工具對(duì)電路進(jìn)行仿真,分別得到處于恒流、過(guò)渡、恒壓區(qū)的CA環(huán)、VA環(huán)、系統(tǒng)增益和相位曲線,如圖4所示。ACResponse100mioIkIOOk10M朋}Iz(a恒定電流區(qū)仿真曲線(aSimulationofconstantcurrentACResponse(b過(guò)渡區(qū)仿真曲線。(bSimulationoftransitionregionACRespome厶蠱(c恒定電壓區(qū)仿真曲線(cSimulationofconstantvoltage圖4恒流、過(guò)渡和恒壓區(qū)仿真曲線Fig.4Simulationofconstantcurrent,transitionandconstantvoltageregions由仿真結(jié)果可以看出,圖4(a是恒流充電狀態(tài),CA環(huán)增益為77.5dB,VA環(huán)增益約為0,系統(tǒng)增益等于CA環(huán)增益,相位裕度為88.10;圖4(b是過(guò)渡區(qū)狀態(tài),此時(shí),電池電壓取4.191V,CA增益為76.8dB,VA增益為78.7dB,系統(tǒng)增益為83.8dB,相位裕度為63.2。;圖4(c表示恒壓充電狀態(tài),%=4.2V,此時(shí),CA環(huán)增益很小,系統(tǒng)增益等于VA環(huán)的增益(79dB,相位裕度為71.2。。綜上所述,系統(tǒng)即使處在最不穩(wěn)定的過(guò)渡區(qū),其相位裕度都超過(guò)60,因此,系統(tǒng)是穩(wěn)定的。萬(wàn)方數(shù)據(jù)448應(yīng)建華等:鋰電池充電器中恒流恒壓控制電路的設(shè)計(jì)2008年3仿真分析與驗(yàn)證本電路采用德國(guó)XFAB公司的XB06BiCMOS工藝實(shí)現(xiàn)。取U----5V,R舢=2kQ時(shí),得到完整的充電循環(huán)的曲線,如圖5所示。圖5中,曲線a、b、C分別表示電池電壓、充電電流和功率管的柵控信號(hào)。該充電器經(jīng)過(guò)涓流、恒流、恒壓充電,最終充電電壓Vrar保持為4.2V。●.’O耋::l,O●J墨::?OJ,.10§::3.0609.012t/ksr圖5一個(gè)完整的充電周期Simulationofawholechargingcycle圖6鋰電池充電器的整體版圖Fig.6LayoutoftheLi-ionbatterycharger本電路已通過(guò)流片驗(yàn)證。芯片的整體版圖如圖6所示;電路設(shè)計(jì)指標(biāo)與測(cè)試結(jié)果列于表1。表1設(shè)計(jì)指標(biāo)與測(cè)試結(jié)果比較Table1DesignguidelinevS.testresults4結(jié)論本文采用開(kāi)漏輸出MOS管取代二極管,設(shè)計(jì)了一種恒流恒壓控制電路;通過(guò)在放大器內(nèi)部引入負(fù)反饋的方式,得到過(guò)渡區(qū)的相位裕度為63.2。;最終測(cè)試電壓為4.192V,精度為0.19%。該方案已經(jīng)應(yīng)用于鋰電池充電管理芯片的研發(fā)設(shè)計(jì)。這種控制電路還可以廣泛應(yīng)用于鋰電池充電’器中。參考文獻(xiàn):[1]POTANINV,POTANINVY.Li-ionbatterychargerwiththree-parameterregulationloop[C]//IEEE36山PowerElectronicsSpecialistsConf.2005:2836—2840.[23CHENM,GABRIELA,MORARAccurate,com—pactandpower-efficientLi-ionbatterychargercircuit[刀.IEEETramCircandSysL2006,53(11;1180-1182.[3]LINEARTCStandalonelinearLi-ionchargerwithmicropowerlowdropoutlinearregulator[EB/OL].http:}f啦Ⅷ.、inear.COITLan.2005.作者簡(jiǎn)介:應(yīng)建華(1954一,男(漢族,四川人,副教授,1977、1991年于華中科技大學(xué)微電子學(xué)專業(yè)分別獲得工學(xué)學(xué)士和碩士學(xué)位,目前主要從事數(shù)?；旌霞呻娐返目蒲信c教學(xué)工作。(上接第444頁(yè)[2]ALLENPKCMOSanalogcircuitdesign[M].馮軍,等譯.第二版.北京:電子工業(yè)出版社,2006:533-544.[3]薛亮,沈延釗,張向民.一種CMOS高速采樣/保持放大器[J].微電子學(xué),2004,34(3:310-313.[4]WANGY-T,RAZAVIRAn8-bit15@MHzCMOSA/Dconverter口].IEEEJSolStaCirc,2000,35(3:308-3】7.[5]HUX-Y,MARTINKW.Aswitched-currentsample-and-holdcircuit[J].IEEEJSolStaCirc,1997,32(6:898-904.作者簡(jiǎn)介:潘星(1983一,