同濟大學 梁陳婕

單節(jié)鋰電池線性充電系統(tǒng)的研究與設計

同濟大學 梁陳婕

電源是任何電子產(chǎn)品不可缺少的一部分，在日常生活中具有廣泛的應用。鋰離子電池作為電源的一種在重量，壽命，自放率，污染等方面比其他的電池有更大的優(yōu)勢，所以鋰離子電池得到了更廣泛的應用與普及。此款充電器是一款完整的單節(jié)鋰離子電池，采用恒定電流/恒定電壓的線性充電方式。利用充電模式選擇比較器C3, 電流放大器CA實現(xiàn)涓流、恒流充電技術。在涓流充電中充電電壓升高至2．9V，充電電流達到設定值的1/10。在恒流充電過程中充電電壓升高至4．2V，充電電流可以達到1000mA。利用電壓放大器VA實現(xiàn)恒壓充電技術。在恒壓充電過程中，充電的電壓保持4．2V不變，充電電流不斷減小。當充電電流下降到設定值的1/10時，充電完成。充電終止和再啟動比較器C2實現(xiàn)充電終止和再啟動功能。充電時C2用作充電終止功能，充電終止后充電終止后C2用作充電再啟動功能。利用CHRG和DONE了解充電和充電終止的狀態(tài)。對整體電路的功能進行Spectre仿真驗證了設計的可行性。

鋰離子電池充電器；恒流充電；恒壓充電；充電終止和再重啟

1 鋰電池發(fā)展的背景

電源是任何電子產(chǎn)品的依靠,產(chǎn)品性能的提高最主要靠電源管理技術的提高,所以電源又從另外一個方面來衡量一個產(chǎn)品的好壞。

目前可充電的電池主要有四類：鋰離子電池,鎳鎘電池,鎳氫電池、小密鉛電池。通過對這四種電池的比較,鋰離子電池具有污染少,體重輕,壽命長等明顯的優(yōu)勢,所以更多的人選擇鋰離子電池。鋰離子蓄電池1990年問世以來,得到了快速發(fā)展。鋰離子現(xiàn)己廣泛應川于便攜式計算機、移動通信等各領域。

2 充電器的介紹

本文設計了一款完整的單節(jié)鋰離子電池充電器。充電器采用恒定電流/恒定電壓的線性充電方式,在無過熱的情況下實現(xiàn)充電速率最大化的熱調(diào)節(jié)功能。此款充電器有高達1000mA的可編程充電電流,精度達到±1%的4.2V 預設充電電壓,在C/10時充電自動終止,待機模式下的供電電流達到55uA。本充電器還可以檢測電池電量,監(jiān)控電池的溫度并且顯示充電狀態(tài)和故障。本充電器不會有浪涌電流出現(xiàn),設計中無需額外的MOSFET、檢測電阻器或隔離二極管,采用8引腳SOP8-P(SOP--Small Outline PackaGe)的封裝方式。

3 鋰離子電池充電器系統(tǒng)分析

3.1 鋰離子電池充電芯片

芯片通過對溫度輸入端的電壓與電源電壓比較來實現(xiàn)溫度控制。當輸入的電壓在45%和80%之間時即滿足正常充電的條件。溫度監(jiān)控對電池的溫度進行監(jiān)控,當滿足芯片溫度大于145度時,才會滿足正常的充電條件。欠壓閉鎖電路對電源電壓進行監(jiān)控, 當沒有出現(xiàn)欠壓閉鎖時才會滿足正常的充電條件。

上面的三個基本條件都滿足了,電路才開始正常工作。

充電器的充電周期包括：涓流充電,恒流充電,恒壓充電,充電終止和再啟動。下面對充電器的充電狀態(tài)作具體分析。

3.2 涓流/恒流充電模塊的電路實現(xiàn)

3．2．1 涓流恒流充電技術

C3比較器有一個充電控制電壓,設定的充電控制電壓為2.9V。當檢測到電池電位低于充電控制電壓2.9V時,充電器選擇涓流充電模式。當檢測到電池電壓大于2.9V后則自動轉(zhuǎn)為恒流充電模式。

為了實現(xiàn)涓流/恒流充電技術,需要充電模式選擇比較器C3和控制電流大小的電路模塊CA。C3通過與電池電壓電位比較高低來判斷充電是處于涓流還是恒流的充電模式。CA根據(jù)C3選擇的充電模式來控制功率PMOS管的柵極電位,并且按照相應的模式來控制電池的電流。

圖1 涓流/恒流充電的整體模塊

3．2．2 涓流恒流充電模塊

當電路處在涓流/恒流充電過程中,充電比較器C3,電流放大器CA組成充電循環(huán)。在涓流/恒流充電過程中, CA的正負端輸入電壓一直會保持匹配一致。

在涓流充電狀態(tài)中,C3輸出為低電平,CA的負端選擇0.1V的,CA的正端為0。正負端的差值變大,CA的輸出電壓會變大,流過PROG引腳的電流會迅速變大,使CA的正端電壓迅速變大到0.1V。CA正負端保持一致,CA輸出電壓不變。在涓流充電中,充電電流是設定電流得1/10。當處于恒流充電狀態(tài)中,C3輸出為高電平,CA的負端選擇1V的電壓,CA的正端此時仍保持為0.1V。正負端的差值迅速變大,CA的輸出電壓也會變大,流過PROG引腳的電流會迅速變大,使CA的正端也變大到1V。此時CA正負端又會保持一致,CA輸出電壓不變。在恒流充電狀態(tài)中,充電電流保持設定值不變。

3.3 恒壓充電模塊的電路實現(xiàn)

3．3．1 恒壓充電技術

在恒壓狀態(tài)下,BAT引腳電壓達到最終浮充電壓,充電電流也開始減小。在恒壓充電狀態(tài)下,充電電壓保持不變。鋰離子電池充電器對輸出電壓有較高的精度,所以單節(jié)恒定充電電壓應在規(guī)定值的+1%之間變化。

恒壓充電終止的方法是最小充電電流終止。在恒壓充電過程中,鋰離子電池的充電電流相應的減小,當充電電流減小到恒流充電電流的1/10時,恒壓充電狀態(tài)自動終止。

恒壓充電技術需要電壓放大器VA和終止比較器C2。VA是對接近滿充電電壓時控制充電電流相應變小的電路模塊。當充電電流下降到恒流充電電流的1/10時,充電終止比較器C2起作用。C2除了用作終止比較器,還會在充電終止后功能轉(zhuǎn)換,檢測BAT引腳電位,產(chǎn)生再充電信號。

圖2 恒壓充電整體模塊

3．3．2 電壓放大器VA整體模塊實現(xiàn)

VA放大器的正端連著電池電壓的分壓,VA的負端連著參考電壓源。當參考電壓源的電壓大于電池的分壓,工作在涓流/恒流工作狀態(tài)。

參考電壓源的電壓小于電池電壓的分壓時,輸出的電壓變大。輸出電壓變大,加載在P2的電壓變大,所以流過P2的電流變小。同理流過R1,R2的電流都變小。流過VA正端的電壓變小,反過來抑制VA正端電壓的變大,使VA正端和負端保持匹配一致。

3.4 充電終止和再啟動C2整體實現(xiàn)電路

C2連接了充電狀態(tài)指示器CHRG和DONE。充電狀態(tài)有：下拉,高阻態(tài)。

CHEG和DONE決定了充電的狀態(tài),C2的外圍電路如圖3所示。

圖3 C2充電外圍電路圖

當涓流充電時,反相器一端連著C2的輸出,C2輸出為低電平。另一段連著C3選擇器,C3選擇比較器輸出為低電平。兩個低電平通過一個與非門輸出為高電平,所以B點為高電平。B點為高電平,N2導通,CHRG管腳為低電平,充電指示燈亮起,充電器正常充電,此時的比較器為充電終止比較器。C2輸出為低電平,N1斷開,所以DONE管腳為高電平,DONE不起作用。

恒流充電狀態(tài)時。C3選擇比較器的輸出為高電平, C2的輸出為低電平。一個高電平與一個低電平通過一個與非門輸出為高電平,所以B點為高電平。CHRG 管腳為低電平,充電指示燈亮起,C2為充電終止比較器,且電池工作在恒流充電模式。

恒壓充電狀態(tài)中,切換到VA環(huán)路工作,CA環(huán)路不工作。C3的輸出固定為高電平。此狀態(tài)下C2的輸出為低電平。一個高電平與一個低電平通過一個與非門輸出為高電平。同上,充電指示燈亮起,充電器正常工作。

當電池電壓接近浮充電壓時,充電電流減小。當充電電流小到設定值的1/10時,充電終止。此時C2的輸出是高電平,C3的輸出固定為高電平。反相器的兩個輸入端都為高電平,所以與非門輸出為低電平,B點為低電平。B點為低電平,N2斷開,所以CHRG 管腳為高電平。充電指示燈熄滅,充電停止。C2的輸出為高電平,N1導通,DONE管腳為低電平,充電完成指示燈亮起。電路自動切換成自動再啟動比較器。由于剛切換過來,C2輸出為高電平,C2保持為自動再充電比較器,充電器處于待機模式。

當充電器的電壓下降到自動重啟門限電壓時。此時C2的輸出是低電平,C3選擇比較器的輸出為高電平。一個高電平與一個低電平通過與非門的輸出為高電平,所以B點為高電平。B點為高電平,N2導通,CHRG 管腳為低電平,充電指示燈亮起,電路正常充電。C2輸出為低電平,N1斷開, DONE管腳為高電平,DONE不起作用。充電再次啟動。此時C2又切換成充電終止比較器,充電循環(huán)再次開始。

4 仿真結(jié)果分析

本芯片的設計仿真采用CADENCE公司的SPECTRE進行仿真。鋰離子電池充電器是一款數(shù)/?；旌想娐返男酒?本章首先對單元電路進行仿真結(jié)果的分析然后對整個充電器電路作仿真并分析仿真結(jié)果。

4.1 充電系統(tǒng)的整體分析

外部引腳的電路的原理圖如圖4所示。

圖4 外圍引腳的電路原理圖

當充電器向電池充電時,CHRG管腳被內(nèi)部開關拉到低電平,表示充電正在進行。當不充電時,CHRG管腳將處于高電平。在充電結(jié)束時,Done管腳被內(nèi)部開關拉到低電平,充電結(jié)束。當充電時,DONE管腳處于高電平。

BAT連接正端電池到管腳。在芯片停機狀態(tài)或者睡眠狀態(tài)中,BAT管腳的漏電流小于2uA。在充電工作狀態(tài)中,BAT管腳向電池提供充電電流和4.2V的限制電壓。

圖5 仿真結(jié)果

PROG管腳連接一個外部電阻到地端可以對充電電流進行編程。當在預充電階段,PROG 管腳的電壓被調(diào)制在0.1V。當在恒流充電模式下,PROG管腳的電壓被固定在1V。在充電的所有模式下,測量該管腳的電壓都可以根據(jù)下面的公式來估算充電電流：

PROG 管腳還可以用來關閉充電狀態(tài)。斷開連接地的電阻器并且允許一個3UA的電流使PROG管腳處于高阻狀態(tài),此時PROG引腳懸空。充電器會自動進入關機狀態(tài),充電停止并且充電電流下降到50ua。重新連接接地將會使充電器正常工作。

4.2 充電系統(tǒng)的整體仿真結(jié)果

對圖4的BAT,PROG引腳的電壓進行仿真,對CHRG和DONE引腳的電壓進行仿真,仿真的結(jié)果如圖5所示。

仿真的結(jié)果如圖5所示。

第一幅圖中有兩條曲線。上面的曲線代表BAT的電壓走勢,BAT的電壓走勢代表了充電電壓的走勢。下面曲線代表PROG電壓變化狀態(tài)。涓流充電狀態(tài)時,保持0.1V的電壓不變。根據(jù)曲線,M0～M1處于涓流充電狀態(tài),此時從2.002V緩慢增長到2.918V。涓流充電完成后,充電電壓提高到2.918V,仿真電壓的精度達到±0.6%。在恒流充電狀態(tài)時,保持1V的電壓不變。根據(jù)曲線,M1～M2處于恒流充電狀態(tài),此時從2.918V緩慢增長到4.189V。恒流充電完成后,充電電壓提高到最終的電壓4.189V,仿真電壓的精度達到±0.3%。恒壓充電狀態(tài)時,不斷減小,直到減小到0.1V后,充電終止。根據(jù)曲線,恒壓充電狀態(tài)時保持浮充電壓4.189V不變。

第二幅圖是CHRG的曲線圖,第三幅圖是DONE的曲線圖。圖中5V電位即表示信號的數(shù)字高電平,0V電位則表示數(shù)字低電平。在充電狀態(tài)時,DONE處于高電平,CHRG處于低電平,充電的指示燈亮起。在充電停止時,DONE處于低電平,CHRG處于高電平,充電停止的指示燈亮起。

[1]何樂年,王藝．模擬集成電路設計與仿真[D]．北京:科學出版社,2008．

[2]PHILLIP E A,DOUGLASR． Holberg．CMOS analog circuit design(第二版)[D]．北京:電子工業(yè)出版社,2002．

[3]屈偉平．鋰電池的發(fā)展概述[J]．城市車輛,2009(5):51-54．

[4]黃彥瑜．鋰電池發(fā)展簡史．物理學史和物理學家,2007, 36(8):643-651．

[5]徐靜萍．恒流-恒壓模式控制的鋰電池充電器的設計[J]．集成電路設計與研究,2011(4):291-295．

[6]高倩,侯建軍,王夢．智能鋰電池充電器設計與實現(xiàn)[J]．鐵路計算機應用，2012,21(9):60-63．

[7]彭穎．一種鋰離子電池充電芯片的設計[D]．成都:電子科技大學,2006．

[8]陳思韜．單節(jié)鋰電池充電管理電路的設計[D]．南京:東南大學,2008．

[9]樊曉燕,王興君．鋰離子電池充電器中基準源的設計[J]．現(xiàn)代電子技術, 2004,7(24):27-29．

[10]SpadyD．A CMOS Band gap Voltage Reference with Absolute Value and Temperature Drift Drims．IEEE Circuits and Systems,2005,10(2):38-42．

[11]S Eren,JCY Hui,D To．A High Performance Wind-Electic Battery Charging Systerm．IEEE CCECE／CCGEI,Ottawa,May 2006．

[12]Min Chen,Gabriel A．Rinc70n-Mora．Accurate Electrical Battery Model Capable of Predicting Runtime and I-V Performance．IEEE Trans on Conversion,2006,21(2):504-511．

[13]S．Dearborn,“Charging Li-ion batteries for maximum run times”Power Electron．Technol．Mag．,pp．40-49,Apr．2005．

[14]Zhang W,Skelton D,Martinez R．Modeling and analysis of an off-line battery charger for single cell lithium batteries．IEEE Circuits and Systems,2004,2(4):1796-1802．

[15]BoniA．Op—Amps and Startup Circuits for CMOS Band-gap References with near l-V Supply．IEEE J Solid-State Circuits,2002,37(10):1339．

[16]宗勇．高性能電源管理器芯片的測試研究[D]．天津:天津大學,2010．

[17]李文昌．修調(diào)技術在高精度集成電路中的實現(xiàn)[J]．微處理機,2006,1(2):1-6．