avatar avatar 我的文献 锂电池充电器芯片的设计与研究 作者 刘晓宇 单位 复旦大学 关键词 锂电池充电; 动态路径管理; 充电IC
摘要
锂离子电池具有能量密度高和长循环寿命等优点,因而在便携式设备中得到了广泛的应用。充电管理是锂电池控制的重要组成部分,安全、快速、高效的锂电池充电器对锂电池的性能及寿命有着至关重要的影响。本文从锂电池的结构原理着手,通过对锂电池性能及常用充电方法的研究,分析了充电过程及充电方法对锂电池性能的影响,并在此基础上设计了一款锂离子电池充电器芯片。本文设计的充电器芯片采用了恒流恒压的充电方法,并在此基础上将充电过程分为三个阶段:预充电、恒流充电和恒压充电。在充电初期采用较小的电流对电池进行预处理,对出现过放电的电池进行修复和保护;然后采用较大的恒定电流对电池充电,实现快速充电的目的;最后采用恒压充电,确保电池充满。这种充电方式具有充电时间短,充电效率高的优点。芯片中有电池状态检测电路,不间断的检测锂电池的电压和电流,以确定锂电池应该进行的充电阶段。锂电池的充电过程需要进行严格的控制,以保证锂电池的充电安全。本文设计了两种充电保护模式:充电温度保护和充电时间保护。充电温度保护:锂电池充电温度过高会损坏电池并可能引起爆炸,温度过低则很难将电池充满。因此,把锂电池充电时的温度控制在0-40℃之间,如果超出这个温度范围,就停止对锂电池充电。充电时间保护:锂电池被损坏或被移除时,充电不能完成,芯片会被一直设定在充电状态。而一定容量锂电池的充电时间是可以预计的,因此可以设计一个定时器,在锂电池超出最大充电时间时,停止对它的充电。本次设计的充电器芯片采用DC-DC加线性充电器架构,先通过BUCK将输入电压降至高出电池电压某一特定值的地方,然后由这个电压通过线性充电器给电池充电。这种结构的好处是结合了开关式充电器和线性充电器的优点,兼顾了转换效率和系统的复杂程度。而且,随着手持电子设备电池容量变得越来越大,充电过程中的动态路径管理(DPM)显得越来越有意义。动态路径管理允许用户在充电过程中在设备上运行更多的应用和程序,而不会受限于充电器的输出电流限制。此外,用户可以直接设定充电时的充电时间和充电电流,实现了与用户的交互式管理。芯片中集成了功率场效应管,芯片只需要与少数的几个外部电容、电阻配合使用,就可以完成充电功能,具有很高的集成度。最后,本文设计的电路基于CSMS0.5μ mCMOS工艺,用HSPICE进行了仿真。从仿真结果看出,锂电池充电的几个重要指标:电池的充电过程曲线、电池随温度和输入电源电压的变化曲线都符合设计预期,说明本文设计的锂电池充电器芯片电路具有良好的性能
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