鋰電池充電器芯片的研究與設(shè)計(jì)

1、鋰電池充電器芯片的研究與設(shè)計(jì)豆歲陽 11121854根本信息論文結(jié)構(gòu)1.緒論2.鋰離子電池充電芯片的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)3.具體電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)及仿真4.芯片整體電路仿真及應(yīng)用電路5.結(jié)論與展望鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)1.工作電壓高。通常單節(jié)鋰離子電池的電壓為3.7 V。單體電池即可為3V的邏輯電路供電。對于要求較高供電電壓的電子設(shè)備，電池組所需串聯(lián)電池?cái)?shù)也可大大減少。2.體積小、重量輕、比能量高。通常鋰離子電池的比能量可達(dá)鎳鎘電池的2倍以上，與同容量鎳氫電池相比，體積可減少30，重量可降低50，有利于便攜式電子設(shè)備小型輕量化。3.壽命長。鋰離子電池采用碳負(fù)極，在充放電過程中，碳負(fù)極不會生成金屬鋰，從而可以防

2、止電池因內(nèi)部金屬鋰短路而損壞。目前，鋰離子電池的壽命可達(dá)1200次以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于各類電池。4.平安快速充電。鋰離子電池與金屬鋰電池不同，它的負(fù)極用特殊的碳電極代替金屬鋰電極，因此允許快速充電。采用1C充電速率，可在兩小時內(nèi)充足電，而且平安性能大大提高。5.允許溫度范圍寬。鋰離子電池具有優(yōu)良的上下溫放電性能，可在-20一60 之間工作。高溫放電性能優(yōu)于其它各類電池。6.鋰離子電池還具有自放電電流小、無記憶效應(yīng)和無環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，綜合性能優(yōu)于鉛酸、鎳鎘、鎳氫和金屬鋰電池幾種可充電電池性能比較鋰電池現(xiàn)存在的問題它對充電器的要求比較苛刻，對保護(hù)電路的要求較高。一般說來，其要求的充電方式是恒流恒壓方式，

3、為有效利用電池容量，需將鋰離子電池充電至最大電壓，但是過壓充電會造成電池?fù)p壞，這就要求較高的控制精度(精度高于1)。另外，對于電壓過低的電池需要進(jìn)行預(yù)充、充電終止檢測，除電壓檢測外，還需采用其他的輔助方法作為防止過充的后備措施，如檢測電池溫度、限定充電時間，為電池提供附加保護(hù)。由此可見實(shí)現(xiàn)平安高效的充電控制成為鋰離子電池推廣應(yīng)用的瓶頸。解決方案1.充電架構(gòu)： ：根據(jù)功率需求，選定使用開關(guān)型或線性充電器。 產(chǎn)品以嵌入線性充電器為主2.熱設(shè)計(jì)：無論所選是那種充電架構(gòu)，都要考慮到發(fā)熱問題。例如在非常小的空間內(nèi)，高效率的開關(guān)型或?qū)嵊刑貏e控制的線性充電器必定可大大提升產(chǎn)品的性能3.簡單小巧：簡單的電路

4、可以造就小巧的方案。線性充電器如果能把控制管整合在單個充電控制芯片內(nèi)，是小型化的一種理想設(shè)計(jì)論文結(jié)構(gòu)及所作工作本論文重點(diǎn)論述了鋰離子電池線性充電控制芯片的具體設(shè)計(jì)過程。首先通過對可充電電池特性認(rèn)識以及常用充電方法的研究，分析了充電過程及充電方法對鋰電池性能的影響，并在此根底上完成了一款鋰離子電池線性充電控制芯片。隨著便攜式電子產(chǎn)品的高速開展以及可充電電池市場的不斷增大，研究如何充分適應(yīng)電池特性，最大可能延長電池壽命，并且符合電子設(shè)備充電單元小型化的開展趨勢，具有較高效率、平安快速的充電控制芯片，具有十分重要的意義。論文從第二局部開始講述鋰離子電池充電芯片的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)。從鋰電池化學(xué)特性與工作

5、原理入手，通過對目前常用的幾種充電方式進(jìn)行比照分析，選擇了線性充電控制模式，接下來給出了整體電路的原理結(jié)構(gòu)圖，簡單闡述了設(shè)計(jì)規(guī)格與目標(biāo)功能實(shí)現(xiàn)。論文第三局部是芯片的具體電路實(shí)現(xiàn)。根據(jù)上一局部系統(tǒng)級設(shè)計(jì)的要求，詳細(xì)設(shè)計(jì)了芯片每一局部的具體電路，著重討論完成了模擬局部基準(zhǔn)電源電路、電壓選擇電路、欠壓閉鎖電路、溫度保護(hù)電路、滯回比較器、運(yùn)算放大器等模塊的設(shè)計(jì)與仿真，本充電器芯片設(shè)計(jì)的數(shù)字邏輯局部由主要其他工作人員完成，因此本論文并沒有給出數(shù)字邏輯局部的具體實(shí)現(xiàn)電路。接下來是芯片整體電路功能仿真以及典型應(yīng)用電路。論文的最后給出了整個設(shè)計(jì)的總結(jié)以及充電器芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域尚需要進(jìn)一步深入研究的相關(guān)工作等。電路

6、設(shè)計(jì)當(dāng)中應(yīng)用的模擬仿真平臺：在SUN軟件連接的工作站上，用Cadence軟件輸入原理圖，并用HSPICE軟件進(jìn)行模擬仿真，而后用Avant波形瀏覽器查看輸出波形，完成了電路仿真工作。鋰電池有液態(tài)鋰離子電池(LiB： Li+嵌入化合物為正負(fù)極的二次電池。正極采用鋰離子化合物鋰鈷氧化物(LiCoO2)，鋰鎳氧化物(LiNiO2)或鋰錳氧化物(LiMn2O4)，負(fù)極采用鋰一碳層間化合物L(fēng)ixC6 電解質(zhì)為溶解有鋰LiPF6，LiAsF6等有機(jī)溶劑。聚合物鋰電池：正極和負(fù)極都與液態(tài)鋰電池相同，只是原來得液態(tài)電解質(zhì)改為含有鋰鹽的凝膠聚合物電解質(zhì)。材料選擇負(fù)極：目前常用的有焦碳和石墨。其中，石墨由于低本錢

7、、低電壓(可以得到高的電池電壓)、高容量和高可恢復(fù)的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛采用正極：主要以鋰金屬氧化物為主。目前常用的有鋰鈷氧化物(LiCoO2)、鋰鎳氧化物(LiNiO2)、鋰錳氧化物(LiMn2O4)以及納米錳氧化物。其中，鋰鉆氧化物具有電壓高、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(diǎn)，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(diǎn)是穩(wěn)定性好，無污染，工作電壓高、本錢低廉。電解質(zhì)：高導(dǎo)電性、高分解電壓、無污染、平安。通常用鋰鹽作為有機(jī)溶液。目前使用

8、的鋰鹽主要有LiClO4、LiAsF6、LiPF6等鋰電池原理式中M為Co，Ni，F(xiàn)e，W等；正極化合物有：LiCoO2，LiNiO2，LiMn2O4，LiFeO2，LiWO2等，負(fù)極化合物有LixC6，TiS2，WO3，NbS2，V2O5等) 鋰離子電池實(shí)際上是一種鋰離子濃差電池，正負(fù)兩極由兩種鋰離子嵌入化合物組成。 充電時，Li+從正極脫嵌經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰態(tài)，正極處于貧鋰態(tài)，同時電子的補(bǔ)償電荷從外電路供給到碳負(fù)極，保證負(fù)極的電荷平衡，放電時那么相反，Li+從負(fù)極脫嵌，經(jīng)電解質(zhì)嵌入正極。在正常的充放電情況下，鋰離子在層狀結(jié)構(gòu)的碳材料和層狀結(jié)構(gòu)氧化物層間嵌入嵌出，因?yàn)檫^渡金屬氧

9、化物L(fēng)iCoO2，LiNiO2中低自旋配合物多，晶格體積小，在鋰離子嵌入脫嵌時，晶格膨脹收縮性小，結(jié)晶結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因此循環(huán)性能好，而且充放電過程中，負(fù)極材料化學(xué)結(jié)構(gòu)根本不變，因此從充放電反響的可逆性看鋰離子電池反響是一種理想的可逆過程鋰電池的充放電特性充電過程：一般采用恒流轉(zhuǎn)恒壓的充電模式。充電開始為恒流充電階段：電池的電壓較低，充電的電流基木不變，隨著充電的繼續(xù)進(jìn)行，電池的電壓逐漸上升。當(dāng)單體電池的電壓升到4.2V時，充電器立即轉(zhuǎn)入恒壓充電：恒壓充電時，單體鋰離子電池的充電電壓必須嚴(yán)格保持在4.2 V，假設(shè)充電電壓超過4.5 V可能造成理離子電池的永久性破壞。此階段為恒壓充電階段，充電電流下降

10、較快，溫度上升，最后當(dāng)電流下降到某一范圍，進(jìn)入涓流充電階段：涓流充電也稱維護(hù)充電，在維護(hù)充電狀態(tài)下，充電器以某一充電速率給電池繼續(xù)補(bǔ)充電荷，最后使電池處于充足狀態(tài)。放電過程：一般，鋰離子電池放電起始電壓為4.2V，放電終止電壓約為2.5V，放電終止時，電池電壓不得低于2.2V，否那么將造成電池的永久性損壞鋰電池充電方法 鋰電池的可接受電流能力是隨著充電過程的進(jìn)行而逐漸下降的，恒流(CC)充電方法在充電的后期，由于充電電流仍然保持不變，充電電流多用于電解質(zhì)，產(chǎn)生大量氣泡，這不僅消耗電能，而且容易造成極板上活性物質(zhì)脫落，影響鋰電池的壽命。而恒壓(CV)充電，在充電初期充電電流過大，這樣的結(jié)果是直接

11、影響鋰電池的壽命與使用質(zhì)量。根據(jù)電池特性，將恒流與恒壓兩種充電方式有效結(jié)合起來，就是現(xiàn)在最常用的恒流恒壓充電 。當(dāng)開始充電時，cccv充電器首先施加一個等價于電池容量C的恒定電流。為防止在恒流充電周期中過充電，需要監(jiān)視電池封裝兩端的電壓。當(dāng)電壓上升到給定的終止電壓時，電路切換到恒壓源工作模式。在恒流充電期間，電池能以接近其終止電壓的高電流速率充電，且不會有任何被施加高電壓和發(fā)生過充電的危險。經(jīng)恒流充電后，電池的容量將到達(dá)其額定值的約85。在恒流周期結(jié)束后，充電器切換到恒壓周期。在恒壓周期，充電器通過監(jiān)視充電電流來決定是否結(jié)束充電在恒流恒壓(CCCV)充電模式根底上進(jìn)一步細(xì)劃，將充電過程劃分為幾

12、個階段，不同的階段采用不同的充電電流或電壓，以到達(dá)更好的保護(hù)電池和快速充電的目的。這就是所謂的三段充電法。三段充電法實(shí)質(zhì)上就是恒流恒壓(cccv)充電的一個簡單變體，將鋰電池充電過程分為三個階段，第一階段為小電流充電階段，主要起喚起和保護(hù)電池的作用；第二階段為恒流充電階段，采用固定電流對電池充電以實(shí)現(xiàn)快速充電之目的；第三階段為恒壓階段，主要是保證電池充滿和防止過充電充電方式1.線性充電方式：本錢低，復(fù)雜度小。一般的鋰電池線性充電器包括一個傳輸電能的晶體管(通常是MOSFET或者是二極管)、輸入輸出電容和一些設(shè)定電壓電流限制值的電阻。晶體管的任務(wù)是提供充電回路，并且把從交流適配器輸入的電壓降到實(shí)

13、時的電池端壓大小，以實(shí)現(xiàn)對電池的充電。這種充電方式的最大缺點(diǎn)，就是功率損耗較大。由于交流適配器的輸入電壓與電池電壓之間的差值完全由晶體管來承受，晶體管的功耗就是這個差值與充電電流的乘積。電池端壓最小，即輸入電壓與電池端壓之差最大的時候，也就是晶體管功耗最大的時候。因此，一般的線性充電芯片在端壓過小的時候會提供一個預(yù)充電的模式，此時充電電流很小，一般是充電恒流值的10左右，該模式即三段法的第一階段，逐漸喚起電池端壓，也減小了晶體管上可能的最大功耗。但是這個措施的缺點(diǎn)是犧牲了快速充電時間，因?yàn)殡姵氐某潆姇r間會隨著充電電流的減小而增加，因此最正確充電電流大小的選擇是電路功耗和充電時間折中考慮的結(jié)果。

14、2.開關(guān)充電方式： 由于線性充電方式的高損耗，低效率，不能被用在像筆記本電腦等大功率便攜設(shè)備中，因?yàn)檫@會使熱設(shè)計(jì)變的復(fù)雜起來。一旦散熱條件缺乏夠，可能給電池乃至整個設(shè)備的平安運(yùn)作帶來難以預(yù)估的后果，而這種情況下，就要采用高效率的開關(guān)充電方式。缺點(diǎn)：首先是相比線性充電方式，增加了額外的本錢和電路設(shè)計(jì)上的復(fù)雜度；其次由于引入高頻開關(guān)和電感元件，電路的EMI和噪聲以及電磁輻射等開關(guān)電源的缺點(diǎn)也一并引入到開關(guān)充電方式的充電器中。3.脈沖充電方式：脈沖充電法是從對電池的恒流充電開始的，大局部的能量在恒流充電過程中被轉(zhuǎn)移到電池內(nèi)部。當(dāng)電池電壓上升到充電終止電壓Vcv后，脈沖充電法由恒流轉(zhuǎn)入真正的脈沖充電階

15、段。在這一階段，脈沖充電方式以與恒流充電階段相同的電流值間歇性的對電池進(jìn)行充電。每次充電時間為Tc后，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)上并升超過充電終止電壓Vcv；當(dāng)充電回路被切斷后，電池電壓又會慢慢下降。電池電壓恢復(fù)到Vcv時，重新翻開充電回路，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Vcv的時間到達(dá)某個預(yù)設(shè)的值To為止，可以認(rèn)為電池已接近充滿。脈沖充電方式中晶體管不是工作在線性區(qū)，而是以開關(guān)狀態(tài)工作，因而具有開關(guān)充電方式的高效率的特點(diǎn)；另外，脈沖充電方式不需要額外的LC輸出濾波電

16、路，因此不存在干擾問題，體積也可以做到很?。桓匾氖敲}沖充電方式可以有效的縮短充電時間，因?yàn)槊}沖方式與前面兩種充電方式樣都是第一階段恒流充電，該階段所用時間是一樣的，而接下來脈沖電流充電階段能比恒壓充電階段使用更少的時間，從而縮短了總充電時間。該充電方式的缺點(diǎn)是需要一個有限流功能的電源，增加了本錢，其高效率實(shí)際上是通過把損耗從晶體管轉(zhuǎn)移到了限流電源內(nèi)，就整個系統(tǒng)來說效率并不是太高充電芯片的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基于以上的根本原理與各類充電方案分析，本設(shè)計(jì)的鋰電池充電器采用線性充電方案。鋰離子電池的整個充電過程包括如下幾個階段：1.小電流預(yù)充電階段2. 恒流充電階段：電池最高電壓中止法，電池最高溫度中止

17、法3.恒壓充電階段：電池最高電壓，電池最高溫度，最長充電時間，最小充電電流4.維護(hù)充電階段整體電路原理圖工作流程圖具體電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)及仿真基準(zhǔn)電路就像一把尺子一樣成為衡量整個芯片性能好壞的標(biāo)準(zhǔn)，其精度和穩(wěn)定性直接影響著整個芯片的工作精度。本設(shè)計(jì)采用帶隙基準(zhǔn)電壓源結(jié)構(gòu)，以該基準(zhǔn)電壓源的輸出作為芯片各電路模塊的使用基準(zhǔn)。芯片整體電路仿真及應(yīng)用電路本設(shè)計(jì)中所有電路包括前述子電路全部使用HSPICE Level49模型， 基于0.5um的CMOS N阱工藝庫進(jìn)行電路仿真，整體電路仿真主要是觀察充電過程中根據(jù)電池電壓的三階段充電模式轉(zhuǎn)換，電池浮充電壓與電源電壓以及溫度的關(guān)系，充電電流與環(huán)境溫度以及電源電壓的變化關(guān)系等。結(jié)論本文對鋰電池的化學(xué)原理和根本特性以及常用的充電方