用太陽(yáng)能電池供電的鋰電池充電管理集成電路的設(shè)計(jì)

1、用太陽(yáng)能電池供電的鋰電池充 電管理集成電路的設(shè)計(jì)用太陽(yáng)能電池供電的鋰電池充電管理集成電路 的設(shè)計(jì).txt兩人之間的感情就像織毛衣，建立的 時(shí)候一針一線(xiàn)，小心而漫長(zhǎng)，拆除的時(shí)候只要輕 輕一拉。本文由hejiangxiu 貢獻(xiàn)pdf 文檔可能在WAP端瀏覽體驗(yàn)不佳。建議 您優(yōu)先選擇TXT,或下載源文件到本機(jī)查看。用太陽(yáng)能電池供電的 鋰電池充電管理集成電路的設(shè)計(jì)程莉莉，建龍，趙熊勇，紀(jì)虹，張 為，鄭殷 （中國(guó)科學(xué)院上海微 系統(tǒng)與信 息技術(shù)研究所，上海205）000摘要：本課題研發(fā)成功了一款具有 自主知 識(shí)產(chǎn) 權(quán) 的集成 電路 芯 片+ 集成 電路主要用于使用太陽(yáng)能電池，該為鋰電池充電的領(lǐng)域。其主要功

2、能 包括：利用太陽(yáng)能電池對(duì)鋰電池進(jìn)行恒 流/恒壓充電：充電的過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池的溫度，監(jiān)測(cè)輸入/出電 壓，輸 以保證安全有效的對(duì) 電池充電； 充 電狀態(tài) 自動(dòng)控制功能； 芯片溫度調(diào)制電路；據(jù)太陽(yáng)能電池的 輸出電流能力自動(dòng)調(diào)整充電電流的功能。該芯片還具有集成度高，根 應(yīng)用電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞:電池;鋰充電管理集成電路匕匕 厶冃 日 rp ?電池供電 太A-ol Ch r eM aaee tlPo rdboalLi i nCelagng mnCweeyS lr CelsCHENGi lZ Li HAOJa og XI ,1n ln,ONGn,IHo g ZYog jnt , HANG W e,H

3、EiZ NGn Yi(hn hintueoco ssmadIfr t nT cnlg,S agaIs tt f rytnomaiehoyiMienooC ieeA ae yj ocec ,hnhi 000 Ciahnscdmf ie Sa ga 205 ,hn)S nAbsr c Ahp wihi ennnelcuaoe tih swLi o e 1n hn u /e eo et a e u e oh r i gLi in cs tat: ct nd pe de titie t1 pr p ry rg ts d v 1 pdInbsoe1cw tpwrspsT em ifntn1dscagny

4、ioeu1.hanucue:hrgt(hor1ihc n t nd frcagnf m sien oicihiin cip y r o a co ft s hp iL oe sbc i 1n o tg1 s p 1；dio aemoirg t er aurnr c n tf ho smp r t rt c re to sat v 1 emou p y a oa h s nt ie 1 t o n hmet e eaueouPtv1g stua a t ecagngte1eu e ya d ecet:atma1o tof -1nc1adte1p tot uoteogrneh 1c 1sscr1f

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6、 1 Ch eMa g meI S 1 rCe 1 w本課題得到上海市科委編號(hào)：0)（目項(xiàng)0 2 0 0 人人e集成電路設(shè)計(jì)專(zhuān)020的資助巾國(guó)集成電路Cht ia器斗;Oline太 陽(yáng)能 電池 的發(fā) 展始于上 世紀(jì) 五十 年代，最初 應(yīng)用于宇宙開(kāi)發(fā)，航空航 天等領(lǐng)域。經(jīng)過(guò)近五十年的發(fā)展，論從發(fā)展速度、術(shù)成熟 性，是從應(yīng)用 無(wú)技還I H P領(lǐng)域來(lái)看，太陽(yáng)能電池都是新能源 中的佼佼者。太 陽(yáng)能電池具有許多優(yōu) 點(diǎn)，比如：全可靠、噪聲、安無(wú)無(wú) 污 染、能量隨處可得、不受地域限制、須 消耗燃料、無(wú)無(wú)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件、故障率低、維護(hù)簡(jiǎn) 便、可以無(wú)人值守、建站周期短、模大小隨意、須 架輸電線(xiàn)路、規(guī)無(wú)可 以方便地

7、與建 筑物相結(jié)合等，這些優(yōu)點(diǎn)都是其它發(fā)電方式所不及的。圖1太陽(yáng)能電池簡(jiǎn)化電路模型池的特性不同而有所差異。是，但 對(duì)于大多數(shù)硅電池 而言，一電壓都 在0 5至V 0 6這.V . V之間，也是 p n這一 結(jié)二極管的正常正向電壓o太陽(yáng)能電池作為有潛力的可再生能源，多年來(lái)其產(chǎn)量一直以每年1%到2 %的增 長(zhǎng)率在增加， 0 5目前主要應(yīng)用 領(lǐng)域包括航空航天、軍事以及民用消 費(fèi)品等。圖2展示了太陽(yáng)能電池的輸出特性。由于 串聯(lián) 電阻（S的原因，R ）電壓會(huì)稍 有下降。然而，有時(shí)如果通過(guò)內(nèi)部二極管的電流太小，導(dǎo) 致偏置不夠，會(huì)并 且穿過(guò)它的電 壓會(huì)隨著負(fù)載電流的增加而急劇下 降。后，最如果所有電流都只流過(guò)

8、負(fù)載 而不流過(guò)二極 管，出電壓就會(huì)變?yōu)?零。輸這個(gè)電流被稱(chēng)為太陽(yáng)能電 池 的短路電流 （S IC和V C都是定義 太陽(yáng)能 IC） S O但是太陽(yáng)能 電池并不是一個(gè) 理想 的電源，其輸 出特性受光照強(qiáng)度和光 線(xiàn)頻譜等因素影響，出電 輸流很不穩(wěn)定，所以太陽(yáng)能電池不能直接驅(qū)動(dòng) 用電裝 置，而需要 將太陽(yáng)能 電池先 存 儲(chǔ)在蓄電池中，后通 然過(guò)蓄電池為 用電裝置供電。本課題 的芯 片可 以利用 太陽(yáng)能 電池 為鋰電池充工作性能的主要參數(shù)之一。因此，太陽(yáng)能電池被認(rèn)為是“電流限制”型電源。的輸出電 壓會(huì)隨著輸出電 它電，面詳細(xì)介紹芯片的研發(fā)內(nèi)容。 下流的增加而降低，并在負(fù)載電流達(dá)到短路 電流時(shí)降為零2電路

9、設(shè)計(jì)1太陽(yáng)能電池的 1 V特性 太陽(yáng)能電池一般由p n結(jié)組成， 由于 p n結(jié)的 一由于太陽(yáng)能電池的輸出電流隨光照強(qiáng)度的變化而變化，所以一般不能用 太陽(yáng)能電池給用電系統(tǒng)直接供 電，一般需要將太陽(yáng)能電池的能量先 存儲(chǔ)在蓄_電池中，然后通過(guò)電池為系統(tǒng)供 電。這就要求充電電I路能夠適應(yīng)太陽(yáng)能電池的電壓一電 流輸出特性。特性類(lèi)似于二極管的特性，我們一般以如 圖1中所示的電路作為太陽(yáng)能電池特性的 一個(gè)簡(jiǎn)化模型。電流源I H產(chǎn)生的電流和太陽(yáng)能 電池上接收 P22鋰離子電池充電時(shí)的線(xiàn)性恒流/恒到的光量度成正比。在實(shí)際太陽(yáng) 能電池應(yīng)用中，并聯(lián)電阻（P） R的泄漏電流很小，R 而S則會(huì)產(chǎn)生連接壓控制技術(shù)的研究鋰

10、離子電池的充電要求是在電 池電壓低于 4 2. V時(shí)采用恒定電流模式充電，在電池電壓達(dá)到損耗。在沒(méi)有負(fù)載連接的時(shí)候，幾乎 所有產(chǎn)生的電.V鋰 流都流過(guò)二極D,_其正 向電 壓決定著太陽(yáng)能電池4 2時(shí)米用怛定電壓充電模式充電，離子電池或 鋰聚 合物電池的充 電電壓不能超過(guò) 45. V,否則將 2的開(kāi)路電壓（0。電壓會(huì)因 各種類(lèi)型太陽(yáng)能電 V C） 該導(dǎo)致過(guò)充電現(xiàn)象,輕則影響電池的使用壽命，嚴(yán)重的+、人A 人.AC h in t n a I e g r e dC i c u i a tr t整管 的導(dǎo)通， 以穩(wěn)定 充 電 電流。 Vm a p是電壓調(diào)制放大器,其功訥是將反饋 網(wǎng)絡(luò)輸出的信號(hào)與電壓基

11、 準(zhǔn)源的誤差進(jìn)行放大，放大后的信號(hào)用來(lái)調(diào)整功率調(diào)整管的導(dǎo)通，以達(dá)到調(diào)制充電電壓的目的。2 3充電時(shí)芯片溫度 調(diào)制技術(shù)的研 究:I對(duì)于線(xiàn)性充 電器，在充電過(guò)程中， 由于 功率管消圖2太陽(yáng)能電池的一般I V性k特耗功率，會(huì)使功率管的結(jié)溫升高，過(guò)沖的結(jié)溫將使半會(huì)導(dǎo)致電池報(bào)廢或爆炸。所以要求 充電芯片的恒壓導(dǎo)體器件工作不可靠，甚至燒毀半導(dǎo)體器 件O線(xiàn)性充電管理 芯片 的結(jié)溫可 由下面的公式 計(jì)算出：T =T + （磯一V A） X C X 0 A jA V B T IH充 電電壓的典型值在 4 V .,其最大誤差不超過(guò)422毫伏。在我們的設(shè)計(jì)中，采用電流 調(diào)制放大器和電 壓調(diào)制放大器分 別對(duì)充電電流和

12、充電電壓進(jìn)行調(diào) 制，電池電壓低于4 2在.V時(shí)電流調(diào) 制放大器主導(dǎo)充 電回路；電池電壓達(dá) 到42 在.V時(shí)電壓調(diào)制放大器主 導(dǎo)充電回路，其工作原理如圖3所 示 。其中，T是半導(dǎo)體芯片的結(jié)溫，T是半導(dǎo)體芯片的環(huán)境溫度 ，AV 是輸人電壓，V胛是電池端電壓，I刪是充電電流，0 是半導(dǎo)體芯片的熱阻。從上面的公式可以看到，當(dāng)半導(dǎo)體芯片 的環(huán)境 溫度比較高，或者輸入電壓與 電池端的電壓差比較BAT大，或者充電電流比較大的時(shí)候 ，半導(dǎo) 體芯片的結(jié)溫會(huì)有明顯的上升。所以在沒(méi)有對(duì)功 率管消耗的功率 進(jìn)行控制的情況下， 工程師設(shè)計(jì)充電器時(shí)必須根據(jù) 最壞情 況，即最高的芯片環(huán)境溫度，最大的 輸人電壓 與電池端電壓

13、差和最低允許 的芯片的結(jié)溫，來(lái)設(shè)計(jì) 充電電流，只 有這樣才能保證系統(tǒng)的可靠性。是這 但P樣的設(shè)計(jì)對(duì)于多數(shù)時(shí)問(wèn)工作在通常條件I下，而不是圖3恒流恒壓控制原理最壞條件下的充電器來(lái)說(shuō)，肯定會(huì)造成充電電流過(guò)低或者系統(tǒng)成本上升，而且如果對(duì) 最壞情況考慮不 充分的話(huà)，也會(huì)導(dǎo)致 充電器工作不可靠。圖3中， M 1 P溝道MO是S場(chǎng)效應(yīng)晶 體管，用作功率 調(diào)整管，充電電流 通過(guò)此功率調(diào)整管從輸入電壓 V I至I電池端E T N流A o R 1 R和2構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)，電池電壓進(jìn)行 采 對(duì)樣。 Im a p是電流調(diào)制 放大器，其功能是將對(duì)充電如果在芯片內(nèi)部集成有熱調(diào)制電路 ，其作 用就 是通過(guò)對(duì)功率管消耗 的功率進(jìn)

14、行控制而達(dá)到控制芯片的結(jié)溫的目的， 當(dāng)芯片結(jié)溫上升到151 C時(shí)，內(nèi)部的熱調(diào)制電路開(kāi)始工作，通過(guò)調(diào)制充電 電流，使芯片的溫度維持在 15C1的恒溫狀態(tài)，這樣，即使在最壞 只要根據(jù)通常情況進(jìn)行 設(shè)計(jì)就可以了，沒(méi)有必要花.電流進(jìn)行采樣而反饋 回來(lái)的信號(hào) IE與 電流基準(zhǔn)信 情況下，用戶(hù)也不需擔(dān)心芯片的 溫度過(guò)高。工程師 F號(hào)的誤差進(jìn)行放大， 放大后的信號(hào)用來(lái)調(diào)整功率調(diào)h I - . h一I I mI H巾國(guó)集成電路Chntgaerut iaI ertdCii nc甜1。費(fèi)很多時(shí)間，力去考慮最壞情況。小電流回路中對(duì)充 電電流進(jìn)行 調(diào)整 和監(jiān)測(cè)，這種方I 法不需要使用幾百毫歐姆的電阻=具有精 度高，成

15、本24充電器的狀態(tài)控制的研究在芯片工作時(shí)，根據(jù)輸入電壓、電 池電壓及電池 溫度等因素的具體情 況，充電器共有下面幾種工作狀態(tài):低，功耗低和應(yīng)用電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。2 6充 電電流 自動(dòng)調(diào)整技術(shù)研究.本課題的芯片內(nèi)部集成有8位模 擬一數(shù)字轉(zhuǎn) 換電路，能夠根據(jù)輸入 電壓源的電流輸出能力自動(dòng)()涓流充電狀態(tài) 1當(dāng)電池電壓低于3 V時(shí)，為了激 活深度放電的 電池和減小功耗，米用 涓流充電模式，時(shí)充電電流 此為所設(shè) 置的恒流充電電流的十分之一。(2 )恒流充電狀態(tài)調(diào)整充電電流 ，用戶(hù)不需要考慮最壞情況，可根據(jù)輸入 電壓源 的最 大 電流輸 出能力設(shè) 置 充電電流，最大 限度地利用了輸入電 壓源的電流輸出能力

16、，非常適 合利用 太 陽(yáng)能 電池等輸 出電流有 限的 電壓 源供 電的鋰電池充電應(yīng)用。當(dāng)電池電壓在3和4 2之間時(shí)， 了實(shí)現(xiàn)快 V . V為速充電，采用恒流充電模式。(3)恒壓充電狀態(tài)27功能框圖 將上述功能模塊集成到一起，就得 到了本課題的芯片功能框圖，圖4所示。女口當(dāng)電池電壓達(dá)到4 2 V時(shí)，進(jìn)入恒壓充電模式， 此時(shí)充電電壓不再上 升，電電流逐漸減小。充 (充電 結(jié)束狀態(tài) 4)?在恒壓充電階段，當(dāng)充電電流減小到恒流充電電流的十分之一的時(shí)候，將進(jìn)入充電結(jié)束 狀態(tài)。在充電結(jié)束狀態(tài)，功率調(diào)整管被關(guān)斷，沒(méi)有充電電流流向電池，證了電池的安全。保電池溫度異常狀態(tài)鋰離子電池和鋰聚合物電池的電解液一 般在

17、0C 4 C之間具有最好的活性，在 電池溫度超出到5此范圍時(shí)對(duì)電 池充電會(huì)損害電池的壽命。在充電時(shí) 需要監(jiān)測(cè)電池的溫度，在電池溫度超出 正常范圍時(shí) 應(yīng)該停止充電，以保護(hù) 電池。以設(shè)立電池溫度異常 所狀態(tài)。睡眠狀態(tài)當(dāng)輸入電壓低于電池電壓時(shí)，為了 避免電流倒灌現(xiàn)象，即電流從 電池流向輸入電壓， 需要關(guān)斷功率 調(diào)整管，為此設(shè)立睡眠狀態(tài)。 在睡眠狀態(tài)，功率調(diào)整管和內(nèi)部電路被關(guān)斷，芯片的電流 消耗極低。圖4芯片功能框圖25充電電流檢測(cè)技術(shù)的研究 .在本課題的芯片中，我們采用有源跟蹤電流鏡技術(shù)，充電電流精確映射到另一小 電流回路中，將在I3流片與測(cè)試結(jié)果本課題的芯片采用無(wú)錫華潤(rùn)上華半導(dǎo)體有 限公k A,

18、I - A人：A 司的 0 5 米E i MO .微 C SX 藝制造，該工藝提供高性 能的N N 型雙極晶體管，以保證充電器電路的精 P可度。該工藝的低壓器件的溝道長(zhǎng)度最低為0微米，.5非常適合數(shù)字電路部分的高密度布 局布線(xiàn)。 本課題的芯片采用散熱 增強(qiáng)型的8管腳S P O 封裝和8 管腳的D N封裝兩種形式。F這兩種 封裝對(duì) 于表面貼裝器件，有占用 P E的面積小，度薄 具C厚的特點(diǎn)，尤其是D N封裝，其外形只有m X F m 3 m X . m m ? m 085而且散熱能力極強(qiáng)丄以提供高達(dá)1可I安培的充電電流。圖5典型應(yīng)用電路本課題產(chǎn)生兩款芯片，這兩個(gè)應(yīng)用電路都 札獨(dú) 般的鋰電池充電管理功能，恒流 /如恒壓充電，電池立完成對(duì)鋰電池充電過(guò)程的自動(dòng) 管理，能根據(jù)輸 并入電源的輸出電流能力自動(dòng)調(diào)整充電 電流，其它功溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，電狀態(tài)自動(dòng)控制功能 等。充流片測(cè)試結(jié)果表明，該芯片成功4 達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。四能包括電池溫度監(jiān)測(cè)功能和充 電器狀態(tài)指示、。等 這兩款電路只 有圭寸裝形式和最大持續(xù)充電電流不表1測(cè)試結(jié)果測(cè)試參數(shù)片內(nèi)集成功率品體管 最低輸入 電壓測(cè)試條件及測(cè)試說(shuō)明不需要外部功率晶體管和反 向阻流二極管 存輸入端施加最低輸入電壓時(shí)，電路 能 夠正常