鋰離子電池充電控制芯片的設(shè)計

1、東南大學(xué)碩士學(xué)位論文鋰離子電池充電控制芯片的設(shè)計姓名：黃晶生申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：微電子學(xué)與固體電子學(xué)指導(dǎo)教師：吳金20070301東南大學(xué)學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得東南大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。研究生簽名：膨品昱東南大學(xué)學(xué)位論文使用授權(quán)聲明東南大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)信息研究所、國家圖書館有權(quán)保留本人所送交學(xué)位論文的復(fù)印件和電

2、子文檔，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。本人電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致。除在保密期內(nèi)的保密論文外，允許論文被查閱和借閱，可以公布（包括刊登）論文的全部或部分內(nèi)容。論文的公布（包括刊登）授權(quán)東南大學(xué)研究生院辦理。研究生簽名：絲導(dǎo)師簽名：日期：摘要摘要各類便攜設(shè)備中“泛使鋰離子電池供電。鋰離子電池有許多明顯的優(yōu)點(diǎn)：較高的能量密度、高的：作電壓、無記憶效麻、循環(huán)壽命、重昔輕、白放電小。由丁這些優(yōu)點(diǎn)，使其在便攜式電子設(shè)備、電動汽下、空間技術(shù)、國防：業(yè)等多方面具有廣闊的應(yīng)前景。在對鋰離子電池特性及充電方法的研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計一款鋰離子電池充電管理。本文設(shè)計的系統(tǒng)采心恒流、恒壓充電方法

3、。充電分為三階段：涓流、恒流和恒壓。充電前對電池檢測，對電池進(jìn)行涓流充電，避免對電池造成損害，然后對電池進(jìn)行恒流快速充電，展后是恒壓充電。這種線性充電方式具有電路簡單，充電時間短的優(yōu)點(diǎn)。充電的同時對屯池狀態(tài)進(jìn)行不斷檢測，避免過溫、過流等情況對電池造成損害。本文毆計的電路基丁：藝，利和對電路進(jìn)行仿真和驗(yàn)證。電池充電曲線、保護(hù)電路和控制乜路的功能仿真符合設(shè)計要求，完成了設(shè)計目標(biāo)。關(guān)鍵詞：鋰離子電池充電器恒流，恒壓東南人學(xué)碩：論文，：珊，；，；，酊，百，：東南人學(xué)碩論文研究的背景、目的和意義第一章序言隨著便攜設(shè)備的迅猛發(fā)展，手機(jī)、筆記本電腦的應(yīng)已經(jīng)相當(dāng)普及。對設(shè)備的要求也越米越高。人們需要便攜設(shè)備能

4、夠更輕便，能夠：作更長時間。而這些要求能否滿足，再很人程度上依賴于電池的性能?，F(xiàn)在便攜設(shè)備使用的主流電池是可充電（二次耀離子電池，鋰離子電池有許多明顯的優(yōu)點(diǎn)：較高的能鼙密度、高的丁作電壓、無記憶效戍、循環(huán)壽命長、重暈輕、臼放電小見表【）。由丁這些優(yōu)點(diǎn)，使其在便攜式電子設(shè)備、電動汽午、空間技術(shù)、國防：業(yè)笛多方面具有闊的應(yīng)川前景。表不同電池特性比較技術(shù)參數(shù)鎳鎘電池鎳氫電池鋰離子電池額定電壓，質(zhì)量比能量（）體積比能量（。）充放電壽命，次作性能（時）能鼉保持性能（每月保持）由丁鋰離子電池的電極結(jié)構(gòu)特殊，對電池的充放電要求非常嚴(yán)格，以避免不良的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。充方式對電池的壽命也有明顯影響，過充電、過放電

5、均對電池壽命甚至安全造成危害。岡此，電池的浮充電壓、充放電電流和電池溫度范圍均需嚴(yán)格定義。一個好的充電電路應(yīng)在保證電池壽命不受損害的前提下，最人限度的給電池充電并提高電池的利川效率。岡此，在當(dāng)前的背景和發(fā)展趨勢下，設(shè)計一個性能良好的鋰離子電池充電管理有著重要的意義和應(yīng)前景。序占論文主要工作及成果論文選取目前士流的線性充電方式為研究對象，設(shè)計一個線形鋰離子電池充電管理。主要一：作內(nèi)容包含：、研究鋰離子電池線性充電的原理及實(shí)現(xiàn)方式。、鋰離子電池充電管理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。、主充電同路和控制電路的設(shè)計。，各子模塊的設(shè)計和仿真。、系統(tǒng)仿真論文章仃安排如：第一章序言，分析研究飪離子電池充乜芯片的現(xiàn)實(shí)意義，捉山本

6、文的研究內(nèi)釋和安排。第二章研究鋰離子電池的特性和流行的充電方式，根據(jù)實(shí)際情況選擇論文的研究內(nèi)容選擇線性鋰離子電池充電芯片作為研究內(nèi)容，進(jìn)而確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)計目標(biāo)。第三、四章給山主充電【亓路和主要子模塊的設(shè)計和仿真結(jié)果。最后給出總結(jié)。東南大學(xué)顧：論文第二章鋰離子電池充電特性及充電方式研究鋰離子電池簡介現(xiàn)己廣泛被使的鋰離子電池是由鋰電池發(fā)展而米的。鋰乜池的負(fù)極材料是鋰金屬，極材料是碳材。但鋰是一種高度活躍的金屬，在使朋時安全性著，經(jīng)常會在充電時山現(xiàn)燃燒、爆裂等異常情況，從而出現(xiàn)改進(jìn)型的鋰離子電池。鋰離子電池加入了能抑制鋰元素活躍的成份（如鈷、錳等等）從而使鋰電池真止達(dá)到了安全、高效、方便。鋰離予電

7、池的正極材料是氧化鈷鋰，負(fù)極材料是碳材。電池通過正極產(chǎn)生的鋰離子在負(fù)極碳材中的遷入與遷山來實(shí)現(xiàn)電池的充放電過稃。為了區(qū)別于傳統(tǒng)意義上的鋰電池，所以人們稱之為鋰離子電池。鋰離子電池白年問世以來【，岡其卓越的性能得劍了迅猛的發(fā)展，并廣泛地應(yīng)用丁社會。鋰離子電池以其它電池所不可比擬的優(yōu)勢迅速占領(lǐng)了許多領(lǐng)域，象移動電話、筆記本電腦、小型攝像機(jī)等等，且越米越多的國家將該電池應(yīng)用于軍事用途。應(yīng)【表明，鋰離子電池是一種理想的小型綠色電源。鋰離子池的基本構(gòu)造包括止極、負(fù)極與電解質(zhì)三項(xiàng)要素。一般鋰離子技術(shù)使用液體或無機(jī)膠體電解液，岡此需要堅嗣的外殼米容納可燃的活性成分，這就增加了電池的重量和成本，也限制了尺寸人

8、小和造形的靈活性。一般而言，液體鋰離子二次電池的最小厚度是，再減少就比較困難。所謂聚合物鋰離子拋（）是在這三種主要構(gòu)造中至少有一項(xiàng)或一項(xiàng)以上使用高分子材料作為其主要的電池系統(tǒng)。新一代的聚合物鋰離子電池在聚合物化的程度上已經(jīng)很高，所以形狀上可做劍薄形化（最薄）、任意面積化和任意形狀化，大大提高了屯池造型設(shè)計的靈活性，從而可以配合產(chǎn)品需求，做成任何形狀與容簧的電池。同時，聚合物鋰離子電池的單位能量比目前的一般鋰離子電池提高了，其容量、充放乜特性、安全性、工作溫度范圍、循環(huán)壽命與環(huán)保性能等方面都較鋰離子電池有大幅度的提高。通常所稱的鋰離子電池可包括鋰離子（）電池和聚合物鋰離子（屯池。本論文針對應(yīng)最為

9、廣泛的鋰離子（）電池研究和設(shè)計充電管理。鋰離子電池充電方式電池的使用時間、使塒壽命和使【安全對于便攜設(shè)備戶的：作效率及安全至關(guān)重要，電池的充放電方式對以上岡素均有明顯影響。不合適的充電、放電方式對電池的壽命和用戶安全會造成明顯的損害。岡此理解鋰離子電池特性、研究設(shè)計優(yōu)良的鋰離子電池充放電管理乜路有著重要的意義和良好的市場前景。鈍離了池充特性發(fā)充電方研究早期基本的鋰離子電池充電功能簡單【一，通常只包括恒壓充電和部分保護(hù)電路。隨著對電池【電時間的提高，對充電的功能要求也愈加復(fù)雜?，F(xiàn)代充電基本上均包括完整的充電過科和保護(hù)電路，以保證乜池安全升充滿池，延長電池使時間，提高充電效率。更復(fù)雜的充電管理【“

10、則可能包括更多模塊，如、電荷計、等，以適應(yīng)不同場合的要求或者可以適應(yīng)不同電池類型，均能滿足充電需要，。鋰離子電池需要精密的充電電路以保證充電安全、電池充滿以及快速。鋰離子電池充電的要求有限“：、終止充電電壓精度在額定值的之內(nèi)（過壓充電可能對鋰離子電池造成永久性損壞）；鋰離子電池的充屯率（充電電流）慮根據(jù)電池生產(chǎn)廠的建議選用。過充電會造成電池內(nèi)部劇烈的化學(xué)反麻，使電池內(nèi)部變形，造成對電池的一次性損害，嚴(yán)重則導(dǎo)致安全問題。、鋰離子電池在不同階段對電流的承受能力不同，所以充電通常分階段進(jìn)行，并全部采川恒流快速充電，還有恒壓充電，所以實(shí)際滿量袢充電時間為小時左右。、鋰離子乜池充電的溫度在范圍。如果充電

11、電流過人會產(chǎn)生溫度過高，不僅會損壞電池，可能引起爆炸。岡此在大電流充電時，需要對電池進(jìn)行溫度檢測，并且在超過設(shè)定充電溫度時能停止充電以保證安全。另外，充電器電路中有設(shè)定的限流電阻，保證充電電流不超過設(shè)定的限制電流。、鋰離子電池終止放電電壓為。若電池中沒有電池保護(hù)器或電子產(chǎn)品中沒有電池終止電壓檢測電路，則可能造成過放（低丁），過放電導(dǎo)致電池內(nèi)部電極產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，使電池內(nèi)部微短路，嚴(yán)重則惡化電池的性能，造成電池的完全失效。完善的充電器可對過放的電池進(jìn)行修復(fù)，即在充電前進(jìn)行預(yù)處理，又稱涓流充電。現(xiàn)有鋰離子電池充電方式有多種，包括線性充電、開關(guān)模式充電和脈沖充電。三種充乜方式特點(diǎn)和應(yīng)用場合各有不同”】

12、。線性充電電路簡單、面積小、容易實(shí)現(xiàn)且成本低，但效率低；開關(guān)模式充電電路由于需要外部器件，且內(nèi)部控制復(fù)雜，因此面積較人、但效率高。脈沖充電則是新出現(xiàn)的一種方式，兼?zhèn)淝笆鰞烧叩膬?yōu)點(diǎn)。線性充電電路適合電壓比較低的場合，如手機(jī)、或者單：協(xié)乜池使用；而開關(guān)模式電路常見于電壓較高的場合。如筆記本電腦、或者多個電池串聯(lián)使闈等。其它充電方式還有利用變換器或者鎖相環(huán)作為充電控制電路”。目前的線性充電電路常采川三段充電法，即：預(yù)處理（涓流充電）、恒流充電（快速充電）、恒壓充電（充滿）。東南人學(xué)顧論文目前市場上手機(jī)使的電池幾乎全部是鋰離子（）電池，而電池充電電路絕人部分采的是線性充電電路。系統(tǒng)功能設(shè)計本設(shè)計針對單

13、鋰離子（）電池，并根據(jù)上述鋰離子（）電池特性以及充電要求，研究和設(shè)計一種鋰離子（）電池線性充電電路。參照相關(guān)產(chǎn)品，本文設(shè)計的充電系統(tǒng)二：作的流程圖如圖。圖、系統(tǒng)一【作流程圖系統(tǒng)上屯后首先檢測電池電壓所處的范圍，當(dāng)電池電壓小于時，采剛涓流充電，否則開始恒流充電。采用涓流充電后，當(dāng)檢測劍池電壓大于亓，轉(zhuǎn)為恒流充電，開始以設(shè)定的恒定電流充電，電池電壓以較高的斜率增長，見圖。充到接近時，恒流充電階段結(jié)束。接著以恒壓充電，在恒樂階段充電時，電壓兒乎不變（或稍有增加），充電電流不斷卜降。當(dāng)充電電流下降劍恒流充電電流時，表示電池已充滿，終充電。終止充電后系統(tǒng)不斷監(jiān)測電池電壓，當(dāng)電池乜壓卜降到時，充電循環(huán)將再

14、次啟動。鋰離了池充特性及充電方式研究在整個充電過程中，系統(tǒng)監(jiān)測電源、電池溫度等狀態(tài)變量，當(dāng)電源電壓過低（小?。┗蛘邷囟瘸^，將終充電，笑斷系統(tǒng)。系統(tǒng)包括以卜模塊：（）、恒流控制電路：其精度為左右；充電電流由外接電阻控制，最大充電電流為；（）、恒樂控制電路：浮充電壓為，誤差不超過；（）、充電電流檢測電路：檢測電池充電電流，當(dāng)充電電流小于時，結(jié)束充電過程；（）、屯池電壓檢測屯路：根據(jù)電池電壓選擇充電方式，包括涓流充電、恒流充電、恒壓充乜及再充電；（）、電池溫度檢測電路：檢測池溫度，當(dāng)電池溫度超過時，關(guān)斷系統(tǒng)；（）、基準(zhǔn)電壓源：為系統(tǒng)提供以內(nèi)的高精度基準(zhǔn)源；（）、多個電壓比較器及邏輯控制電路、關(guān)閉控

15、制電路等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖東南人學(xué)顧，：論文咖¨涮蕾（“篙訾“呻“”，?！啊?。黜警諜鬈“一一，表給出系統(tǒng)的特性參數(shù)幽、充電過程示意幽表系統(tǒng)的特性參數(shù)參數(shù)名稱最小值典型值最人值單位電源電壓浮充電壓展大充電電流涓流充電限電壓欠壓閉鎖限電壓欠壓閉鎖遲滯電壓過溫保護(hù)溫度門限過溫保護(hù)溫度遲滯終止充電電流限（）充嘲路赴計設(shè)計思路第三章充電回路設(shè)計系統(tǒng)對丁充電【亓路的設(shè)計要求是：在恒流充電階段對電池進(jìn)行恒定電流充電，充電電流由外接電阻控制；當(dāng)處丁恒壓充電階段時，電流檢測電路實(shí)現(xiàn)對充電電流的監(jiān)測，檢測電池充電狀態(tài)，當(dāng)充電電流小丁恒流充電電流的時結(jié)束充電。恒流，恒壓充屯控制方式主要有

16、兩種：串聯(lián)控制和并聯(lián)控制在串聯(lián)控制中，恒流控制同路始終處：作。當(dāng)處丁恒流充電時，恒樂控制同路不作，或者其控制信號輸出對恒流控制沒有影響；當(dāng)處丁恒壓控制階段時，電壓檢測信號和電流檢測信號相結(jié)合，共同控制充電電流，如文獻(xiàn)【】中給山的適丁多種電池的充電控制電路。在并聯(lián)控制中，恒流平¨恒壓同路分別：作，岡此可以分別設(shè)計，但需要注意的是充電同路的穩(wěn)定性問題。本論文選川并聯(lián)充電的方式，分別設(shè)計恒流、恒壓充電控制【亓路。恒流充電電路普通恒流源電路如下圖：圖恒流源電路原理圖圖恒流源及充電電路如圖，由于運(yùn)放的虛短作用，定義的電流為：，：上衛(wèi)”（）當(dāng)電流擾變時，變化暈將通過屯阻轉(zhuǎn)化為電壓信號，傳遞劍運(yùn)放

17、同相端，從而調(diào)：竹的柵極電壓，反向控制電流人小，保持電流的恒定。電流的絕對值可以通過電阻和基準(zhǔn)電壓值設(shè)定。穹東南人學(xué)顧：論文由丁充電電路需要將電流傳遞給待充電的電池，岡此系統(tǒng)設(shè)計需要將充電路徑和恒流控制路徑分離，見幽，充電路徑通過合適的電流鏡象電路復(fù)制恒流控制路徑的電流，從而間接達(dá)劍控制充電電流恒定的目的。注意到充電電路為分階段充電，當(dāng)系統(tǒng)處于恒壓充電階段時，恒流控制電路不再工作，但電流復(fù)制電路仍然必須：作，因此此時的便可作為對充電電流的監(jiān)測信號?？梢酝ㄟ^外接電阻實(shí)現(xiàn)，這樣既保證檢測電流的精度，同時避免了常見方案存在的效率低或者控制復(fù)雜的缺陷【”，又可在外部實(shí)現(xiàn)充電電流的可編程?；谝陨峡紤]，

18、設(shè)計時將恒流控制電路和電流檢測電路通過合適的電流鏡象電路相結(jié)合。恒壓充電電路恒壓充電電路是當(dāng)電池達(dá)劍時，系統(tǒng)將從對電池恒流充電狀態(tài)轉(zhuǎn)為恒壓充電狀態(tài)，即維持施加在電池上的電壓不變。在恒樂過程中，充電電流不斷減小，從功能上比較，恒壓充電電路類似負(fù)載凋，狀態(tài)的電路”。圖恒壓源電路原理圖充電回路電路及穩(wěn)定性分析參照相關(guān)文獻(xiàn)、，系統(tǒng)采用的充電回路結(jié)構(gòu)如卜圖，對于恒流、恒壓充電模塊，其結(jié)構(gòu)基本與原理結(jié)構(gòu)相同，僅在耦合處略有變化。對于整個充電同路，其狀態(tài)有三種：恒流（含涓流）充電階段、（恒流恒壓）過渡階段、恒壓充電階段。當(dāng)處于恒流：作階段時，由于電池電壓比較低，恒壓控制運(yùn)放不在線性上作區(qū)域，其輸出使得關(guān)斷，

19、功率管的柵極由恒流控制運(yùn)放調(diào)。饑保持電流恒定，充電乜流由基準(zhǔn)電壓和電阻決定；類似的，在恒壓充電階段，由的作【充路設(shè)計笑斷，功率管的柵極由恒壓控制返放調(diào)，實(shí)現(xiàn)恒壓功能；在過渡階段，當(dāng)恒流運(yùn)放仍然作，恒壓運(yùn)放開始：作，使電流不斷減小，此時恒流運(yùn)放為控制電流恒定，其輸山將變高，并逐漸高于恒壓輸山火去對功率管柵極的控制，進(jìn)而進(jìn)入恒壓充電階段。、對功率管的控制可理解為取展小值的函數(shù)，其輸出較小者獲得對功率管柵極的控制，即（，）】。圖充電同路電路示意圖圖、控制示意圖設(shè)計時需要注意，由丁二在不同充電階段，電路的狀態(tài)有所不同，電路應(yīng)確保在每個階段充電亓路均穩(wěn)定。東南大學(xué)頌二論文充電回路電路級設(shè)計恒壓控制電路設(shè)

20、計電路級的設(shè)計應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的要求合理選取指標(biāo)。對?。撼潆娍刂齐娐贰Ｏ到y(tǒng)要求浮充電壓的誤著小丁±且保證充電環(huán)路穩(wěn)定。浮充電壓的誤差主要來源丁電阻采樣網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)放火調(diào)和基準(zhǔn)電壓的誤差。通過合理的版圖布局和設(shè)計，可以使電阻比例誤差控制在千分之一以內(nèi)；同時假設(shè)基準(zhǔn)利用技術(shù)，使基準(zhǔn)的溫度漂移小?。焊鶕?jù)上述前提，計算在最壞情況下浮充電壓誤差。如圖（）在理想情況下：警等，其中，為反饋網(wǎng)絡(luò)系數(shù)，。在最壞情況，假設(shè)在全溫度范圍內(nèi)，基準(zhǔn)電壓變化耐，（），運(yùn)放火調(diào)電壓為，則總的輸出誤著為：（一（）淼】（）【镕】根據(jù)±的系統(tǒng)精度要求業(yè)±（）得到：蘭。因此運(yùn)放（包含作為第二級）的增益需要在以上

21、。圖環(huán)路穩(wěn)定性分析示意圖充路設(shè)計除精度要求外，電路應(yīng)確保在不同狀態(tài)卜穩(wěn)定。當(dāng)電路處丁恒流階段時，恒流運(yùn)放、共源增菔級一及反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成充電同路。環(huán)路中包括兩個極點(diǎn)，見幽，電池作為一個理想電壓源，其輸山阻抗為無窮小，該處極點(diǎn)不予考慮；由是功率管柵極的寄生電容，通常在數(shù)卣觜級，岡此該極點(diǎn)為環(huán)路的主極點(diǎn)的輸山阻抗和寄生電容形成次極點(diǎn)。環(huán)路穩(wěn)定的必要條仆是次極點(diǎn)在單位增益帶寬一之外。當(dāng)乜路處丁恒壓階段時，同理，廊在之外。以為例計算，令等效跨導(dǎo)為，跨導(dǎo)為，則：（）易甌：，白：，云藝警（，）由的穩(wěn)定性條件，可以得到環(huán)路總增益應(yīng)滿足：郇）等薏，設(shè)計時應(yīng)注意，的增益應(yīng)滿足上述條什。當(dāng)電路處過渡階段時，情況略為復(fù)

22、雜，圖給山小信號模型。因此圖環(huán)路分析小信號等效電路喁，乜去）甌，（，拍）（）：幺（）（）（）（）。】（）（）為簡化分析，假設(shè)小信號。和。幅度相同，而極性在不同狀態(tài)下有所不同。來自電池端電壓，由于電池壓一直上升，可認(rèn)為極性為正。而在環(huán)路由控制（當(dāng)輸出低丁輸出）時，可認(rèn)為是米白電流的擾動，極性可止可負(fù)，此時環(huán)路增益為：立（）（）】（乙）（）東南人學(xué)顧：論文或者：堡：【一。（）島（）】（，。）（）在環(huán)路由控制之后，電流不斷減小，而使功率管柵極不斷提高，對于來說則形成了止反饋，岡此運(yùn)放會迅速脫離線性區(qū)并飽和。此時環(huán)路增益由決定。因此在過渡階段中，環(huán)路增益是一個變化量，其絕對值隨電池電壓的增加不斷改變。

23、設(shè)計的目標(biāo)是要確保在過渡階段中，系統(tǒng)要從控制的狀態(tài)轉(zhuǎn)向控制，岡此，在狀態(tài)的折點(diǎn)上的增益應(yīng)人于一定值，并且該差值決定了過渡區(qū)域的大?。黄浯?，環(huán)路在不同狀態(tài)下應(yīng)保證穩(wěn)定，即在最壞情況下環(huán)路仍穩(wěn)定，所以電路的次極點(diǎn)在環(huán)路增益晟高處應(yīng)在外。由丁運(yùn)放的增黼略人運(yùn)放，所以環(huán)路增菔的最人值近似等丁運(yùn)放。岡此環(huán)路增黼應(yīng)滿足：（）百，（）若功率管處的寄生電容不滿足上限條件，則必須添加補(bǔ)償電容。恒壓控制回路電路結(jié)構(gòu)如§（。圖恒壓控制電路充口路設(shè)計一一：一一一：（”？”？、一：（”？”一”？，：（）圖恒壓控制運(yùn)放特性仿真：，毋毋幽恒壓控制電路仿真，料（恒壓運(yùn)放的增益為，相位裕度。為提高仿真速度，利；電阻和

24、電容串聯(lián)代替乜池仿競。仿真結(jié)果表明輸山端浮充電壓近似不變，而電流在逐漸減小，實(shí)現(xiàn)恒壓充電的功能。撕一一一守可一東南人學(xué)顧：論文恒流控制與電流檢測設(shè)計采電流鏡電路精確控制及復(fù)制電池充電電流。電流鏡電路岡席場合不同而要求不同。電流鏡的種類較多，包括威爾遜電流鏡及改進(jìn)彤威爾遜電流鏡，利用共源共柵結(jié)構(gòu)構(gòu)成的高輸出阻抗電流鏡等。對電流鏡的改進(jìn)主要集中在輸出擺幅、輸入輸出阻抗、電流鏡精度及頻率響應(yīng)等方面。本系統(tǒng)屬丁低頻席，對電流鏡擺幅和精度有較高要求。電流鏡的基本：作原理是利用管在飽和區(qū)的特性：管漏極電流在器件的尺寸（）、與：藝（、）確定的條件卜主要與其柵源電壓有關(guān)。相同：藝條件下兩個匹配的器件若具有相同

25、的柵源電壓，并且都：作在飽年¨區(qū)，則其漏極電流完全相等，實(shí)現(xiàn)了電流復(fù)制功能。由于實(shí)際的電路設(shè)計中，管存在溝道調(diào)制效麻，此時飽和管的漏極電流不僅是的函數(shù)，而且是其漏源電壓的函數(shù)，所以：器，等等仍“（吲三）（）“（一）印兒）（）因此，避免電流鏡描源電壓的火調(diào)是提高精度的關(guān)鍵【】【】【”?；谝陨戏治?，系統(tǒng)采的鏡象電路及恒流控制電路如圖所示：圖恒流控制電路及電流檢測電路的實(shí)現(xiàn)圖中，利川反饋環(huán)路，實(shí)現(xiàn)虛短特性，保證和飽和管的漏極電壓相等，實(shí)現(xiàn)電流的精確復(fù)制，當(dāng)和管進(jìn)入線性區(qū)，同樣保持電流的線性比例關(guān)系，降低了對功率管尺寸的要求，提高了版圖設(shè)計的靈活性。圖中信號米白恒流運(yùn)放（此處為方便討論，包

26、括了耦合處的第二級，輸充叫路設(shè)計入信號的極性也相應(yīng)改變）的輸出控制信號利的虛短特性使加在上的電壓等丁基準(zhǔn)電壓，通過配置不同的電壓實(shí)現(xiàn)涓流和恒流充電的電流值設(shè)定。當(dāng)乜流發(fā)生變化時，通過、的反饋環(huán)路維持支路的電流恒定，而電流鏡象電路始終精確復(fù)制的電流，從而達(dá)劍恒流充電的目的。運(yùn)放設(shè)計由丁的輸入信號范嗣麻為，岡此設(shè)計采川單級差分對輸入的折替式運(yùn)放，折疊運(yùn)放具有較寬的共模輸入范圍。由于的源端是一個低阻結(jié)點(diǎn)，岡此環(huán)路近似為一個單極點(diǎn)系統(tǒng)，不會因?yàn)檠a(bǔ)償而增加電路的復(fù)雜度，的電路結(jié)構(gòu)見圖。甜。！、毗川圈運(yùn)放電路圖、，、?。后茫鹤?！蟄堅塑竺：竺竺圖運(yùn)放特性仿真柚鉀東南人學(xué)顧：論文運(yùn)放的低頻增箍約為，其環(huán)路的相

27、位裕度約為。共模輸入范同為，滿足電路的需要。檢測和鏡像電路設(shè)計（）電路定性的番，當(dāng)輸山端即漏端電壓增人時，漏極電流減小，這使得的漏極電流和漏源電壓減小。電壓放大倍后，降低的柵源電壓，使電流增加，避免了電流受到輸山端的影響。岡此可以認(rèn)為圖（）與（）的共源共柵實(shí)質(zhì)相同，通過運(yùn)放增人了的值，變?yōu)樵鹊模ㄒ唬┍丁Ｒ虼死霉苍垂矕诺男⌒盘柲Ｐ?，計算圖）輸出阻抗得到：，刪，【（）籌百瓦瓦面一瓦麗（朋），啦?！?，、所以，圖（”中，（）。艙蘭（一）胛柚，（）壘生：！。一蘭一，【（爿）?！荆ǎ??！靠⒋藭r再計算輸入輸出電流的失調(diào)，一一（一）（五（）坐童）（）江三一節(jié)一）（圖充川路設(shè)計對電路的仿真結(jié)果如幽。一日紓

28、圖輸出電壓（）對輸山電流的影響彩目：。幽輸山電流對輸入電流（）的匹配在的輸入范嗣內(nèi)，輸出電流對輸入電流的相對變化率為塵生地：×。由此可以看出，電流鏡象電路很好的屏蔽了輸出電壓變化對支路電流的影響，使輸山電流受輸出電壓的影響減小【（）啪?！勘叮岣吡撕懔髟吹木群吞匦?。當(dāng)充電電流變化時，電路能夠保證足夠精度的檢測電池充電情況，從而能夠滿足系統(tǒng)的要求。當(dāng)系統(tǒng)處于恒流充電狀態(tài)時，功率管，鏡象管電流，通過控制電流恒定實(shí)現(xiàn)恒流充電。當(dāng)處于恒壓充電狀態(tài)時，功率管，的柵極由恒壓控制模塊控制，恒流控制模塊不再作刖，脫離對的控制作用，信號傳遞給系統(tǒng)控制模塊，判斷系統(tǒng)狀態(tài)。這樣，通過該電路實(shí)現(xiàn)恒流控制電

29、路和電流檢測電路的結(jié)合。東南人學(xué)碩論文基準(zhǔn)電路設(shè)計第四章子模塊電路設(shè)計在模擬電路中，經(jīng)常需要提供不隨溫度、電源電壓和：藝漂移變化的電壓基準(zhǔn)。例如本設(shè)計中恒壓控制電路、檢測電池狀態(tài)的比較器所需要的參考電平等。理想的基準(zhǔn)電路與電源電壓、。：藝和溫度無關(guān)。目前基準(zhǔn)電路的最常見形式是帶隙基準(zhǔn)電壓源【叫“。其實(shí)現(xiàn)原理是：將兩個具有相反溫度系數(shù)的量以適當(dāng)?shù)臋?quán)重相加，得到呈現(xiàn)零溫度系數(shù)的量。一般利用三極管結(jié)的正向電壓作為負(fù)溫度系數(shù)電壓，利：作在不相等電流密度卜的兩個雙極晶體管的基極一發(fā)射極電壓的籌值作為上溫度系數(shù)電壓，輸出電壓為兩者的替加。帶隙基準(zhǔn)電壓源的原理艤極型三極管基極和集電極相連構(gòu)成二極管時，其極間

30、的導(dǎo)通電壓（伽）為”“”：州（）（）】（）式中、為與溫度無關(guān)的常量。由丁一般情況下（）都較小，可以忽略，而，與溫度無關(guān)，且鋤。因此，由式（）可以看山具有負(fù)溫度系數(shù)。構(gòu)造兩個烈極型三極管的基極一射極之間的電壓差，如下式所示：刪印訕?biāo)乱幌沙?，一般取，則有：一吩（）嵋（）由上式可看出是一個具有正溫度系數(shù)且與電源無關(guān)的物理量。在前面已經(jīng)構(gòu)造出兩個與電源無關(guān)的物理量：一個具有正溫度系數(shù)，一個具有負(fù)溫度系數(shù)，榆測及控制路設(shè)計因此通過適當(dāng)?shù)慕M合麻可得劍一個與溫度有確定天系的且與電源無關(guān)的參考電壓，為：時節(jié)嚨一巧（，一）嵋【（）】（）若不隨溫度變化，由的條什得吡州）爭】因此在溫度系數(shù)為零的溫度（矗）下：巧巧（

31、，一口）（）（）由（）可見，輸出的基準(zhǔn)乜壓為石的帶隙乜壓加上一個線性修止項(xiàng)。理論上，基準(zhǔn)設(shè)計的期待值可以通過調(diào)粘式（）的增菔閃子得劍，但實(shí)際中，偏著主要來自?。核囘^程。帶隙基準(zhǔn)電壓源的電路設(shè)計由于本設(shè)計中系統(tǒng)需要多個基準(zhǔn)電壓作為檢測用參考電平，因此設(shè)計目標(biāo)為一個高精度、多輸出的帶隙基準(zhǔn)電壓源。目前關(guān)于帶隙基準(zhǔn)電樂源的研究和文獻(xiàn)較多】，結(jié)構(gòu)成熟，圖（）給出一種常見結(jié)構(gòu)。但此類基準(zhǔn)通常只有一個在硅帶隙電壓附近的輸出：學(xué)慢（）不能滿足多路基準(zhǔn)的要求。多路輸山的帶隙基準(zhǔn)常見兩種實(shí)現(xiàn)方案，電流模基準(zhǔn)或者帶緩沖輸山級的基準(zhǔn)。圖常見帶隙基準(zhǔn)電壓源結(jié)構(gòu)（原理圖）東南人學(xué)顧，：論文電流模式的基準(zhǔn)較依賴電阻的：藝

32、特性。如果直接利圳電流?；鶞?zhǔn)的輸出分壓給山參考電壓，則各參考電壓的一致性較籌，且如果通過技術(shù)調(diào)整基準(zhǔn)，則不可避免的對分壓比產(chǎn)生影響，而這對系統(tǒng)來說是不可接受的。文獻(xiàn)增加緩沖的方法（圖），則每路輸山都須增加緩沖級，代價太高。圖給山另一種實(shí)現(xiàn)通過緩沖級實(shí)現(xiàn)多路輸出基準(zhǔn)的方法，該方案運(yùn)放的設(shè)計和電阻阻值的選取需要仔細(xì)考慮，且同樣面對修調(diào)電阻所帶來的影響。基丁以上幾種方案的對比和考慮，提山一種基丁基準(zhǔn)源的多路輸山基準(zhǔn)電壓源?；鶞?zhǔn)源（）圖多路輸山基準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)源（如幽）是年由提出”。其原理是利一個反饋環(huán)路使電路作在一個特定的工作點(diǎn)，在該作點(diǎn)處，輸出電壓等于晰，加上和兩個基極發(fā)射極電壓差成比例的一個電壓值

33、：警是（）榆測及控制路世計，圖，基準(zhǔn)源（原理幽）需要注意的是，式（）雖在形式上與（）式基本相同，但基準(zhǔn)源與前者在基準(zhǔn)輸出的產(chǎn)生方式上略有不同。幽中的基準(zhǔn)源由、組成輸出支路，不考慮電阻的溫度系數(shù)，作為鏡象管與的比例關(guān)系決定輸山支路的電流，即是產(chǎn)生止溫度系數(shù)電壓抵消負(fù)溫度系數(shù)電壓所需要的比例因子決定了輸出支路的電流。該電流流經(jīng)電阻產(chǎn)生正溫度系數(shù)電壓與疊加得劍輸山電壓，該電壓近似為零溫度系數(shù)。岡此，輸山支路的電流是由電路結(jié)構(gòu)和器件基本參數(shù)定義的，當(dāng)、確定后，輸山電流便唯一確定。因此，若此類基準(zhǔn)接阻性負(fù)載，輸出支路的電流便無法滿足產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓的要求。而基準(zhǔn)源輸出支路由、組成。當(dāng)電路在合適的工作點(diǎn)穩(wěn)定后

34、，流經(jīng)的電流由爪決定，由提供。的偏置由負(fù)反饋環(huán)路控制。困此作為一個調(diào)輅管提供產(chǎn)生基準(zhǔn)所需電流。當(dāng)基準(zhǔn)輸山接入一定的阻性負(fù)載時，輸山電流將增大，不影響輸山基準(zhǔn)的產(chǎn)生。岡此，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，提出一種基，丁基準(zhǔn)源的改進(jìn)多路輸出基準(zhǔn)電壓源。東南人學(xué)顧：論文，多路輸出基準(zhǔn)源設(shè)計！多路輸山基準(zhǔn)電壓源（示意幽）當(dāng)基準(zhǔn)輸出遇劍擾動時，該基準(zhǔn)電路通過負(fù)反饋環(huán)路調(diào)基準(zhǔn)電壓，使基準(zhǔn)電壓相對環(huán)境保持近似不變。當(dāng)溫度升高時，增加，流過和的電流增加。、降低，控制、柵壓降低改變、的作點(diǎn)，即抬高的柵壓，以滿足電流變化的要求，穩(wěn)定基準(zhǔn)輸山。由丁、構(gòu)成一個穩(wěn)定的線性電流源，因此、作為系統(tǒng)的偏置輸出，電流大小可由的阻值凋，。圖多

35、路輸山基準(zhǔn)的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)推導(dǎo)如下：、構(gòu)成一個恒定跨導(dǎo)線性電流源，當(dāng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時，在利尺寸相等的情況下，。根據(jù)定理，列回路方程：馬。蜀厶（）設(shè)置是，厶，則有：，：監(jiān)：幺！二幺：墨：生二墨：墨（）瑪一馬一馬一蜀。輸山電壓為：告（瑪置足）；塢心（墨）（）榆測及控制路設(shè)計合理設(shè)定弗調(diào)協(xié)電阻值及比例，可以得劍零溫度系數(shù)的帶隙基準(zhǔn)。并可以通過電阻分壓得劍以內(nèi)的任意基準(zhǔn)電壓值。需要注意的是，阻阻值人小，：任意設(shè)定，其限取決于基準(zhǔn)的帶載能力。基準(zhǔn)的最人帶載能力決定與調(diào)整管的最大可輸出電流，而最大可輸山電流決定了電阻的絕對人小。岡此在實(shí)際設(shè)計中的尺寸需要和電阻等器什的版圖面積、電路功耗折衷考慮。面對管尺寸和帶載

36、能力做簡單計算，以便合理優(yōu)化電路及版圖設(shè)計。由管存在著襯偏效應(yīng)，所以：。，（網(wǎng)一網(wǎng)）代入?yún)?shù)值，計算的閾值電壓，（）?？紤]、處丁完全匹配的作狀態(tài)，此時的柵極電壓在左右，基準(zhǔn)輸出電樂為，忽略溝道嚼制效應(yīng)，計算管的單位寬艮比驅(qū)動能力：，以（一）刖取最人輸出電流為，則：里：！型：上考慮所需裕度，電路中取三，、（）一，“。鈿弋“：寫鈿；了“：鈿氣”“、。“一一。；（“圖基準(zhǔn)電壓源輸出電壓、電流負(fù)載仿真結(jié)果如圖所示，當(dāng)負(fù)載電阻大于時，基準(zhǔn)可以穩(wěn)定作，其最人輸出電流在左右。岡此設(shè)計時可根據(jù)實(shí)際情況，根據(jù)版圖面積、功耗等岡素采取折衷方案?；鶞?zhǔn)的多路輸出分多個支路實(shí)現(xiàn)，待機(jī)時所需使用的基準(zhǔn)采剛較人電阻分壓以降

37、低待機(jī)東南大學(xué)頌：論文功耗；而充電時所使的基準(zhǔn)，由于充電時采適配器供電，可折衷考慮，適當(dāng)減小電阻值，以降低噪盧的影響，采【開關(guān)切換控制，在待機(jī)時完全關(guān)斷。此外，基準(zhǔn)的特性可以在中測時通過調(diào)整得劍改善，并且不會影響其他參考電壓的分壓比，這是另外幾種方案所不具有的優(yōu)點(diǎn)。比射枷帥口鯽靖國“。善）“幽基準(zhǔn)電壓源溫度特性：圖基準(zhǔn)電壓源撮小工作電壓及電源調(diào)整率基蝴度舭乏盎刪基準(zhǔn)的最?。鹤麟妷海夯鶞?zhǔn)的電源調(diào)整率礦型礦檢測及擋制路設(shè)計啟動電路基準(zhǔn)的啟動過程中為使電路脫離零點(diǎn)，需要一個啟動電路，幫助電路進(jìn)入正常：作狀態(tài)，包括啟動電路在內(nèi)的基準(zhǔn)電路幽如卜幽：幽包括啟動電路在內(nèi)的基準(zhǔn)電路圖在電路啟動瞬間，基準(zhǔn)輸出為

38、低，此時啟動電路、自電源劍地形成通路，合理設(shè)置參數(shù)，使的柵電壓在以內(nèi)，此電壓可保證“導(dǎo)通，電流通過“注入基準(zhǔn)產(chǎn)生電路，使、導(dǎo)通并進(jìn)入所需要的一【：作點(diǎn)。當(dāng)基準(zhǔn)達(dá)到時，考慮的襯偏效應(yīng)，其（）將小于（“），使“天斷。支路的電流通過調(diào)整電阻設(shè)置。啟動電路的仿真結(jié)果如圖：，毋”牛，幽啟動路仿真：注入電流東南人學(xué)顧：論文：圖啟動電路仿真：啟動時問基準(zhǔn)在內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定值。啟動電路在啟動瞬間向電路注入較人電流，并在穩(wěn)定后關(guān)斷注入電流，較好的實(shí)現(xiàn)了所需功能。保護(hù)電路設(shè)計根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的要求，電路需要在充電過程中對系統(tǒng)各變鼙進(jìn)行檢測，以此判斷電池和系統(tǒng)所處的狀態(tài)。岡此，檢測電路應(yīng)該具有以個功能：欠壓閉鎖模塊監(jiān)測電源電

39、壓，當(dāng)電源電壓過低時或者小于電池電壓時，關(guān)斷系統(tǒng)；充電電流檢測，當(dāng)電流小丁恒流充電電流的時，結(jié)束充電，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)；檢測電池電壓，根據(jù)電池電壓決定是否需要涓流充電或進(jìn)入恒流充電模式。欠壓閉鎖電路）欠壓閉鎖電路功能之一是監(jiān)測電源電壓，當(dāng)電源電壓低丁時，關(guān)斷系統(tǒng)，為避免干擾，電路還毆定的遲滯，當(dāng)電源電壓上升到時，系統(tǒng)恢復(fù)止常作。圖欠壓閉鎖模塊榆測及控制路設(shè)計由】基準(zhǔn)產(chǎn)生的是的電壓值，此屯辣屯尢?。蝗ブ{幫基準(zhǔn)比撥，只琶通過電阻分壓，對電源采樣完成與基準(zhǔn)電壓的比較。并通過合適的反饋電路，改變分壓比，實(shí)現(xiàn)遲滯功能。比較器結(jié)構(gòu)如幽所示。基準(zhǔn)電壓的晟?。鹤麟妷涸谝詢?nèi)。小丁欠壓閉鎖限的，岡此基準(zhǔn)壓能夠保證

40、在實(shí)現(xiàn)此功能時仍處丁正常狀態(tài)，不影響判斷的準(zhǔn)確性。為實(shí)現(xiàn)遲滯功能，電源電壓從較高值降低時的采樣比率應(yīng)人丁從較低值升高的采樣比率。當(dāng)電源電壓處?。褐钩Ｖ禃r，比較器的輸出為低電平使墨被短路，比較器的反相端輸入為矗燾。當(dāng)電源電壓降低至石以下，比較器翻轉(zhuǎn)，輸山高電平使開關(guān)斷開，冠接入分壓電阻，反相端輸入下降，變?yōu)槟?。眥在欠壓狀態(tài)獻(xiàn)了對電源電壓的采舭率，使得電源螄蝴上升劍以上某一值，電路才判斷電源恢復(fù)止常。遲滯的人小可以通過電阻比率調(diào)仃。設(shè)遲滯為，即降轉(zhuǎn)折屯平，上升轉(zhuǎn)折電平，所以：，彘，）志。）算出冠：尼：足：，實(shí)際電路取足。仿真結(jié)果如卜圖。斗，：，（）圖欠壓閉鎖模塊仿真結(jié)果（翻轉(zhuǎn)電壓分別為和）欠壓閉鎖模塊的另一個功能是比較電池電壓和電源電壓，當(dāng)電源電壓與乜池乜壓接近東南人學(xué)預(yù)二論文時，麻關(guān)斷功率管以避免電流倒流。如果采川許通籌分輸入的比較器（如圖）。則電源電壓直接做輸入電壓時，會導(dǎo)致電路的某些管無法：作，觀察圖所示比較器”，可以分作兩部分：一部分是差分輸入對，可以理解為籌分電壓通過壓控電流源轉(zhuǎn)換為差分電流；另一部分是將差分電流通過電流鏡轉(zhuǎn)換劍輸山級輸山。假定其