（微电子学与固体电子学专业论文）多级电源管理系统研究与设计.pdf

摘要 摘要 随着电子工业的发展，移动电源智能化管理问题受到越来越多地重视。本文 主要是针对锂离子电池组实现智能化管理进行电路设计和实现。首先分析了单体 电源实现智能化管理的方法，在此基础上确定了多级电源实现智能化管理的主体 方案，包括充电方式、充放电主回路的设计；同时，为多级电源管理系统设计了 过充电保护、过放电保护、短路保护等一系列保护电路；完成了多级电源管理系 统中各个功能模块内部所需带隙基准源、运放、逻辑运算等电路的设计，进行了 电路的仿真和验证，性能参数符合设计指标：最后设计了版图并进行了d r c 验 证。该多级电源管理系统在充电过程中可以根据各只电池的容量和性能对其实现 单独管理，改进了传统多级电源管理系统中所有电池统一管理且需要复杂均衡装 置的模式，避免了单只电池过充放电现象对整个电池组性能的影响；设计的短路 保护电路可在瓤s 内动作，实现了对电池组的快速短路保护；整个系统电路结构 简单，易于集成。 关键词；锂离子电池组过充电保护过放电保护短路保护 a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ee l e c t r o n i ci n d u s t r yd e v e l o p m e n t ，t h es m a r tm a n a g e m e n to fm o b i l e p o w e s u p p l yb e e nr e c o g n i z e dm o r ea n dm o r e s ot h et h e s i sa i m e da tt h ed e s i g na n d r e a l i z a t i o no fl i t h i u mb a t t e r i e st oc o m et r u ei n t e l l i g e n tm a n a g e m e n tm a i n l y f i m t l y ， a n a l y s e dt h ew a y o f s i n g l ep o w e rs u p p l yt or e a l i z ei n t e l l i g e n tm a n a g e m e n t , a n dt h e n o nt h i sb a s i c , d e s i g n e dt h em a i np l a nf o rt h em u l t i p o w e rs u p p l y si n t e l l i g e n t m a n a g e m e n t , i n c l u d i n gt h em e t h o dt oc h a r g eu pa n dt h em a i nl o o po fc h a r g n go na n d d i s c h a r g e d e s i g n e dt h es e r i e so fp r o t e c t i o nc i r c u i t si n c l u d i n go v e rc h a r g ep r o t e c t i o n c i r c u i t , o v e rd i s c h a r g ep r o t e c t i o nc i r c u i t s h o r t - c i r c u i tp r o t e c t i o nc i r c u i ta n ds oo n d e s i g n e dt h eb a dg a pr e f e r e n c e s ，t h eo p e r a t i o n a la m p l i f i e r sa n dt h el o 西co p e r a t i o n c i r c u i t so fe v e r yf u n c t i o n a lc e l li nt h em u l t i - p o w e rs u p p l ym a n a g e m e n ts y s t e m a c c o m p l i s h e dt h el a y o u td e s i g na n dt e s t e dt h ep h y s i c a ld e s i g nr u l e t h em a n a g e m e n t s y s t e mo fl i t h i u mb a t t e r i e sc a nm a n a g ec h a r g e0 1 10 1 d i s c h a r g ea c c u r a t e l y , w h i c hc a n m a n a g eb a t t e r i e ss o l e l ya c c o r d i n gt h ec a p a c i t i e so fe v e r yb a t t e r yi nt h ec o u r o f c h a r g e0 1 1 ，i m p r o v e do nt h eo l dm e t h o dw h i c hm a n a g et h eb a t t e r i e si nu n i f o r ma n d n e e db a l a n c i n ge q u i p m e n t ，a v o i dl i t h i u mb a t t e r i e si m p a c tf r o mo n eb a t t e r y so v e r c h a r g eo rd i s c h a r g e a tt h es a l n et i m e ，t h es h o r tc i r c u i tp r o t e c t i o nc a nr e a c td u r i n g5 u s ， w h i c hc a np r o t e c tb a t t e r i e si ns h o r to r d e r t h es t r u c t u r eo fc i r c u i ti ss i m p l ea n de a s yt o h ei n t e g r a t e d k e yw o r d s ：l i t h i u mb a t t e r i e sb a l a n c i n ge q u i p m e n to v e r - c h a r g e p r o t e c t i o n o v e r - d i s c h a r g ep r o t e c t i o n s h o r t - d r e u i tp r o t e c t i o n 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声呢所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：五l 丑堡 日期丝垃：厶2 五 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本人签名： 导师签名： e l 期垫1 2 ：圣! 日期塑z ! f ：查! 一牛 盟等 第一章绪论 第一章绪论 1 1 电源的分类和主要特性 一切电子产品都需要电源作动力，从这点上讲，所有电子设备都有共性。但 是，不同的电子设备对电源的要求是不同的，对于移动电子设备来说，大多数都 是采用电池作为电源对其进行供电。 目前市场上存在的电池主要有：燃料电池【i j 、太阳能电池1 2 、化学电池。其 中化学电池又分普通一次性电池和二次电池( 可充电电池) ，而二次电池又由它们 化学特性的不同被分为：镍铬电池、镍氢电池、锂离子电池1 3 j 和铅酸电池1 j 等。 对于不同化学特性的电池，它们的充放电机理也是不同的。 1 1 1 镍镉电池 镍镉电池例是最早应用的可充电电池，其能量密度和重量密度相对较低，但 由于成本较低，目前在市场上还占据一定的份额。镍镉电池的寿命与电池的充放 电条件、温度和其使用条件有很大关系，在指定的测试条件下，电池可进行5 0 0 次充放电循环，而实际的循环寿命会随着不同的充电模式而不同。 镍镉电池在使用过程中，如果放电不完全就又充电，下次再放电时，就不能 放出全部电量。比如，电池放出8 0 电量后再充足电，则该电池下次放电时就只 能放出8 0 的电量，这就是所谓的记忆效应。 镍镉电池充电时要求恒流充电，当其被充满时，端电压上升到最大值然后开 始下降即如吐变为负值，此时，快速充电模式应被中止，否则充电电流将把电 池中的水电解成氢气和氧气，将导致电池内部压力和温度上升；如果仍然继续快 速充电，电池将会报废。 1 1 2 镍氢电池 镍氢电池和镍镉电池充电的过程非常相似，都要求恒流充电，两者的差别主 要在快速充电的终止检测方法上，对于镍氢电池，当其端电压达到最大值，即 匆旭一。时，其快速充电就应该被终止。同时，为避免损坏电池，电池温度过低 时不能开始快速充电，电池温度过高时，也必须立即停止充电，重复在高温或低 温下充电，也会使电池性能恶化。 2 多级电源管理系统的研究与设计 1 1 3 锂离子电池 相对于镍氢电池、镍镉电池来说，锂离子电池具有工作电压高、能量密度大、 自放电率低、无记忆效应等显著优点；并且，锂离子电池还可以做得更薄更小。因 此，近些年来锂离子电池正逐渐替代一些传统的化学电源，在移动电子设备中起 着越来越重要的作用。 锂离子电池虽然具备很多其它化学电源所不具备的优越特性，但它对过充放 电管理要求的十分严格，过充电可能对锂电池造成永久性损坏，同样，也不能过 放电，重复放电到一个太低的电压可能降低锂电池的容量。为了最大限度减少铿 电池受到过充电、过放电及短路的损害，锂离子电池不仅需要在内部设安全机构， 充电器也必须采取安全保护措施，以检测锂离子电池的充放电状态。 锂离子电池在充电时，其充电电压必须严格限制，不能超过指定的充电电压， 考虑到充电过程中环境温度给锂离子电池充电的电源电压波动和电压精度的影 响，充电时最大充电电压应限制在电池的额定电压内。通常情况下，单体锂离子 电池的充电速率不超过1 c ，最高满充电压为4 2 - 4 3 5 v ，最低放电电压为 2 7 o 0 v 。 1 2 电池智能化管理系统的发展现状 ( 1 ) 国外智能化电池管理系统的状况 智能电池管理系统【6 j 首先由国外开始研制，近些年来，美国的美信公司相继 推出了m a x l 7 9 0 9 、m a x l 7 8 0 、m a x l 7 8 1 【7 j 等一系列智能电池控制芯片，这些芯 片都是与s m b u s 充电控制芯片m a x l 6 6 7 构成一个智能电池管理系统。m a x l 7 8 0 和 m a x l 7 8 1 是一块先进的智能电池管理芯片，8 位r i s c 控制器内核带有1 2 k 字节的用 户可编程e e p r o m ，为电源组设计人员提供电量计。1 6 位数据采集单元用来测量 每级电池的电压、电池组整体的电压、芯片内部外部温度以及两路通用模拟输入。 积分电量计提供典型值小于m v 的输入失调，以及精度优于1 的增益，在组装过 程中不需要微调。每级电池的测量精度为0 5 ，并具有过流保护功能。国外提供 的这些智能控制芯片，可以满足电池实现智能化管理的要求，且具有一系列的保 护电路，代表了国际上目前电池在智能化管理方面的最高水平。但也存在不足， 要完成智能电池的功效还需做一些相应的后期开发和设计工作，且整个系统电路 比较庞大，成本也比较高。 ( 2 国内智能电池的状况 目前中国有关企事业单位对智能电池组的开发情况还未见报道。国产摄像机 等电池也仅是作为供电电源，部分结构参数虽然可以从标签上获知，但对于其他 第一章绪论 3 一些结构参数和实时参数却无法获知，仅通过l e d 指示灯分段显示电池容量的百 分比。 1 3 锂离子电池的应用前景 由于锂离子电池相对于传统的化学电源来说具有工作电压高、能量密度大、 自放电率低、无记忆效应等显著优点。因此，随着便携式电子设备越来越普遍地 走进办公室和千家万户，锂离子电池的应用也越来越广泛，如手机、笔记本电脑、 摄像机、掌上电脑等。这些便携式用电器的迅速增长，为锂离子电池的应用开拓 了广阔的前景l s j 。 同时，随着信息化社会的不断发展，锂离子电池也将在通信、汽车电子、仪 器仪表、航空航天、海洋探索等各个领域得到更深层次的开发和应用。在航天事 业中，锂离子电池可以同太阳能电池联合组成供电电源，这个电源从小型化、轻 量化角度将比镍氢电池或锌银电池组成的联合供电电源优越的多，国内外很多小 卫星已经开始使用锂离子电池组作为蓄电池。还有一些军事装备中的电源，包括 动力车起动电池、无线通讯电台电源、特种兵器电源、微型无人驾驶侦察飞机动 力电源、带引信装置的预埋式地雷电源等，均可采用锂离子电池作为电源。因此， 电池产业的发展，特别是锂离子电池组的应用开发具有非常好的前景。 1 4 研究锂离子电池组智能化管理的意义 虽然从上世纪八十年代开始，国内外市场上就相继出现了各种各样锂离子电 池的智能化管理芯片，用途很广泛，但主要都是集中在单级电池的管理研究上， 对电池组的研究还不成熟，面实际应用中，在很多情况下，电池都需要串连起来 使用，这样单级电池的智能化管理系统对于电池组来说就无法满足要求。锂离子 电池对过充电和过放电十分敏感，这些问题对于多个锂离子电池串联使用则变得 更为重要，因为当串联使用时，即使单节电池的性能再优良、质量再好，若配组 使用时各单体电池特性不一致，都会导致电池组内部各单体电池充电和放电情况 的严重不一致，就内部单体电池而言，串联使用比单只使用更容易发生过充和过 放现象，且不易发现。因此，如果不对电池组实现智能化管理，则很容易使得任 意只电池特性加剧恶化时，将导致电池组内其它电池发生多米诺骨牌效应的连 锁行、加剧性损坏，使差的更差，好的也会迅速变差。 为解决上述问题，比较常用的方法是：在制造工艺上保证各只电池出厂质量 和初始电压的一致性；将单体电池精选配对，组合成优质的电池组，最大限度地 减小单体电池之间的差异。这些方案虽然在一定程度上能够优化电池组的性能， 4 多级电源管理系统的研究与设计 但降低了电池制造厂家的成品率，增加了成本，而且就算电池组是精选配对的， 特性都相同，随着使用其特性也会产生变化，变的不一致。为了解决这一问题， 一些智能电池开发者给电池组管理系统配上了专用的均衡系统，利用均衡装置1 9 j 使电池组在使用中基本保持各单体电池之间电量的平衡，在充放电过程中能够有 效防止某只电池率先达到过充放电电压的现象。但是，这种专用的均衡装置通常 电路非常庞大，大大增加了整体系统电路的复杂性，且大多数均衡装置不易集成。 因而研发一种易于集成的管理系统对电池组实现智能化管理成为一种必要。 1 5 本论文的主要内容 本文的研究题目为：多级电源管理系统研究与设计。内容包括锂离子电池组 智能化管理系统方案的设计、充电方式的设计和实现、充放电主回路的设计和实 现、过充保护电路的设计和实现、过放保护电路的设计和实现、短路保护电路的 设计和实现、各功能模块内部所需子电路的设计和仿真等，最后还设计了整体系 统电路的版图并进行了d r c 验证。 本文的主要安排如下： 第二章，简单地介绍了电源管理系统、锂离子电池的主要特性，并分析了电 源管理系统中常用模块电路的电路结构，为本文后面进行多级电源管理系统设计 提供必要的理论依据。 第三章，详细讲述了该多级电源管理系统主方案及具体电路的设计和实现， 并进行了各单元电路和模块电路的仿真、验证和优化。 第四章，分析选择了该系统芯片的工艺结构，提出了该工艺的制作流程，最 后按照版图设计规则完成了版图设计并进行了d r c 验证。 第二章电源管理系统和管理芯片内常用模块的分析 5 第二章电源管理系统和管理芯片内常用模块的分析 2 1 锂离子电池组的简介 2 1 1 锂离子电池组应用中存在的问题 目前锂离子电池组在应用中主要存在以下几方面的问题： ( 1 ) 安全性问题 安全性是锂离子电池组应用中存在的最大问题，影响安全性问题的因素很多， 在使用中往往是锂离子电池组的过充电、高温、过电流以及短路等导致的起火、 爆炸等安全性问题。 ( 2 ) 均衡性问题 锂离子电池组中单体电池的制作过程以及使用环境会使单体电池之间存在差 异，此差异在使用过程中会越来越大，往往是某一只电池的容量发生了快速衰减， 从而导致了锂离子电池组使用寿命比单体电池的使用寿命短很多。影响均衡性的 因素有很多，电路对均衡性的影响也不可忽视。 ( 3 ) 功能不完善 锂离子电池组的保护一般都只有过充电、过放电和过电流保护，短路保护和 过温度保护比较少；电池组的使用时间显示一般都是通过电池组的容量来衡量， 存在着放出相同电池容量的时间在放电开始时比放电结束时长的闯题，面且显示 功耗比较大，为了节省功耗常用开关点动显示时间，需连续按开关方可看清显示。 2 1 2 锂离子电池组应用中安全电路的现状 锂离子电池有过充电会引发起火和过放电会导致性能下降的危险，如不进行 精密的电压电流管理，便不能发挥其性能。充电时，如果单个电池的电压超过约 4 5 v ，电解液的分解会产生气体，电池内部的压力上升，压力开放阀起动会出现 漏液，金属锂的析出就可能导致电池起火或爆裂。而单个电池在约1 5 v 以下的过 放电状态时，负极的铜就开始溶解，会导致电池性能下降。为了保护电池免遭这 些不当的使用，电池都装有几种保护机构，一旦这些保护机构工作，电池便不能 充放电。现有的一些电池组的集成电路保护芯片主要是针对于4 只电池以下的锂 离子电池组的保护，对于4 只以上的锂离子电池组一般采用多个单级保护芯片串 联的方式或几个多级保护芯片串联的方式。也有的用单片机或m c u 来实现，但 6 多级电源管理系统的研究与设计 整体的电路结构比较复杂，成本也相对较高 2 2 电源管理系统的简介 由于锂离子电池的应用越来越广泛，正在逐渐取代传统的电源，因此本论文 除了讲述一般多级电源的现状、充电方法、均衡装置的实现方式等共同之处外， 主要是针对锂离子电池组实现智能化管理进行研究和设计。 2 2 。1电池常用的充电方式 伴随着蓄电池的产生和实际应用，电池充电技术也应运而生了，电池要实现 智能化管理首先要确定充电方式。常用的充电方式【1 0 】有以下几种： 2 2 1 1 恒流充电 恒流充电方式是传统充电方式之一，即在充电时，始终以恒定的电流进行充 电，这种维持电流的方法，从直流发电机、硅整流装置或者采用一些恒流产生电 路就可以得到实现。操作简单方便、易于实现。由于蓄电池充电可接受的电流随 着充电的进行按指数规律逐渐减小，因此，电流若太大，充电后期过大的电流将 产生副反应：太小，必然会延长充电时间。因此，使用此方法时，可以采用多段 恒流的方式进行充电。该方法适用于多节电池串联的电池组，落后电池的容量易 于恢复，整体上来说一般适用于小电流长时间的充电。 2 2 1 2 恒压充电 恒压充电方式是指每只电池均以某恒定电压进行充电，因此充电初期电流较 大，随着充电的进行，电流逐渐减小，在充电末期就只有很小的电流了，这样在 充电过程中就不用调整电流，具有一定的自适应性。这种方法简单、充电时间短、 充电效率高。其缺点是：在充电初期，如果蓄电池深度放电，充电电流会很大， 可能会使电池因电流过大而受损伤；若充电电压过低，后期充电电流就过小，充 电时间会过长，落后的电池容量也不易恢复。恒压充电方式一般应用在电池组电 压较低的场合。 2 2 1 3 恒压限流充电 为了弥补恒压和横流充电方式的缺点，恒压限流充电方式得到了广泛应用。 采用这种方式充电时在充电电源与电池之间串联一个电阻，称为限流电阻r ，当 电流升高时，电阻r 上的压降升高，这样就自动调整了充电电流，使之不超过某 个限度，充电初期的电流得到了控制。 第二章电源管理系统和管理芯片内常用模块的分析 7 2 2 2 锂离子电池智能化保护的基本原理 目前普遍存在的锂离子电池智能化保护电路基本上都是由集成保护芯片和两 个功率m o s f e t ( m e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o rf i e l de f f e c tt r a n s i s t o r ) 构成，电池保护 集成芯片监测电池的电压，并控制两个m o s 飓t 的栅极，由两个m 0 s f e r 进行过充 电控制、过放电控制和过电流控制。锂离子电池专用集成智能化保护芯片最基本 的有以下三种保护功能： 1 、过充电控制 锂离子电池为了防止电池特性恶化，防止电池起火或爆裂，电池电压有上限 规格，一般为4 3 v 。因此，在充电过程中，当电池电压达到额定电压时，过充电 控制电路就根据检测电路的反馈实施动作。切断整个充电回路，对电池实现过充 电保护由于电池外设电路与电池芯之间会存在有压降，因此保护电路所提供的 过充电保护电压可从4 2 0 v 至4 3 5 v ，依电池的特性而定。 2 、过放电控制 为了防止电池特性恶化，以保证电池的可充放电次数，锂离子电池的电压值 也有下限规定，一般的安全电压下限为2 7 v ( 所要求的误差精度并不如充电电压 精确) ，当电池组接上负载对外放电时，它的容量或电压便逐渐降低，当电压低 到过放电解除电压时，过放电电路发生动作，切断放电回路，对电池实施过放电 保护，否则电池会发生过度放电现象，影响电池的可充放电次数( 寿命) 和性能。 3 、过电流检测 为了防止m o s f e t 击穿及短路，保证运输存储的安全，锂离子电池还需过电 流检测电路，当主回路中的电流超过额定最大电流值时，也要切断整个回路，以 防止锂电池发热导致损坏和防止m o s f e t 击 穿。 4 、单节锂离子电池智能化保护的实现原理1 1 q 如图2 1 所示，其中k 为过放检测电压，k 为过放解除电压，巧为过充解除电 压，k 为过充检测电压，k 为过流检测电压。 8 多级电源管理系统的研究与设计 图2 1 集成保护电路内部框图 一般的集成保护芯片由过放检测电路、过充检测电路、过流检测电路、放电 延迟电路、负载检测和充电检测电路组成。过充检测和过放检测都是通过检测电 池的电压然后和各自的基准电压作比较，每种系列的保护芯片都有不同等级的过 充和过放保护电压。而过流检测则是通过外部m o s f e t 的导通压降和内部设定的 过流检测电压来比较，延迟电路主要是为了防止电压的噪声干扰而导致电路误动 作进行保护，只有当信号保持延迟时间后才能控n # f 部的控制m o s f e t 。而对于 延迟时间，一般应该比噪声的持续时问长，有些能通过外接的电容值的变化来调 整，有些是固定的。 单节电池智能化保护电路【1 2 j 如图2 2 所示： 充电电流 放电电流 图2 2 单个锂离子电池保护电路 第二章电源管理系统和管理芯片内常用模块的分析 9 在充电过程中，如果集成电路检测到电池的电压大于过充电保护电压后，过 充电控制端将会输出信号使过充电控$ 1 m o s f e t ：3 羡断。当接上负载或当电池电压 回落到过充电解除电压时，外部的过充电控g t j m o s f e t z 会重新导通。在放电过程 中，如果集成电路检测到电池的电压小于过放电保护电压，那么过放电控制输出 端输出信号使过放控审r j m o s f e t 关断，当接上充电器或当电池电压回升到过放解 除电压时外部的过放控制m o s 聊会重新导通。同样，在放电过程中电流很大时 比如短路，那么过流检测端相对于v s s 端( 芯片地) 的电压会超过设定的过流保护电 压，过放控制端也会输出信号关断过放控制m o s f e t 。 5 、锂离子电池组实现智能化保护的原理 锂离子电池组的智能化保护i 廿j 原理和单个电池的智能化保护原理有相同之处 也有所区别，现举4 串为例，如图2 3 所示： 充电电漉 电 池 组 放电电漉 图2 3 串联电池组保护电路 对于串联的4 只电池只要有一只电池的电压超过规定的过充电设置电压，那么 过充电控制端将会输出信号使外部过充电控帝i j m o s h 的断，当接上负载或当电 池电压回落到过充解除电压时外部的过充电控f l 列m o s f e t 会重新导通。而4 只电池 中只要有一只电池的电压小于设定的过放电电压时，那么过放电控制输出端将输 出信号使过放控制m o s f e r 关断，当接上充电器或当所有电池的电压回升到过放 解除值时外部的过放控制m o s f e t - z 会重新导通。在放电过程中电流很大时比如短 路，那么过流检测端相对于v s s 端的电压会超过设定的保护电压，过放控制端也会 输出信号关断过放控制m o s f e t 。 1 0 多级电源管理系统的研究与设计 2 2 3电池组均衡装置的实现方式 当电池串连使用时，由于单体电池容量、端电压和内阻在制造和使用过程中 不可避免地会产生不一致，虽然组成电池组时，尽量选择将单体电池精选配对， 组合成优质的电池组，最大限度地减小单体电池间的差异，但是电池组在使用中 其特性也会产生变化，导致电池组中各单体电池在充放电过程中的不均衡性，任 何一只电池的过充电会导致整个电池组的充电停止，而且过充电对于电池的循环 性能影响比较大，这样如果有一只电池的特性发生了很大变化则会导致整个电池 组特性交差，大大地影响了电池组的性能和寿命，为了避免这一问题，目前常用 的方法是给电池组配上均衡装置。常用的均衡装置有以下几种； 2 2 3 1 变压器均衡装置 变压器实现的均衡装置是利用变压器各个绕组相互之间的漏感进行电压均 衡，均衡充电过程不是贯穿于充电过程的始终，而是发现充电不均后才启动均衡 充电装置。如图2 4 所示，这种均衡方法可以很好地实现电压均衡，但是变压器结 构复杂，制作要求很严格、成本很高，同时不容易扩展容量，因此，这种均衡方 法并不是非常理想。 。 上+ 。i e q u a l i z e d l + m o s t l y c o n t r o l l i n g 。l c h a r g e e q u i p m e n t 。 l + e l e c f r o 。 i c i r c u i t 。 上+ 图2 4 利用变压器实现电压均衡 2 2 3 2 电容均衡装置 采用电容进行电压均衡的原理如图2 5 所示： v c l v c 2 y c 3 图2 5 利用电容实现电压均衡 第二章电源管理系统和管理芯片内常用模块的分析 1 1 此种结构可以不借助辅助充电装置而实现均衡充电，它的基本思想是容量切 换，在单刀双掷开关全部接在上面时有： v c l = v 1 v c 2 = v 2 v c 3 = v 3 在单刀双掷开关全部接在下面时有： v c l = v 2 v c 2 = v 3 v c 3 = v 4 切换过程中v c l 由电压v 1 向v 2 转化，向电池v 2 释放或者吸收能量，达 到相邻两单体电池容量一致，如此循环n 次可使得电池组中各单体电池容量基本 达到平衡。这种方案不消耗电池组的电能，实现形式较为简单，不用辅助充电器， 在一定程度上简化了系统的设计，但是这种方案由于引进了电容，需掌握好电容 充放电时间，使得电路的均衡频率受到限制，同时单刀双掷开关比较复杂，以上 电路如果增添到现有电池监控系统中，电池电压、电流的测量仍然需要其它的测 量电路，系统的复杂性也大大增加 2 2 3 3 电阻实现的均衡装置 采用电阻进行电压均衡的原理如图2 6 所示， 图2 6 利用电阻实现电压均衡 r 为放电平衡电阻，当某只电池( b n ) 电压高于其它电池超过某值时，与之对 应的多路开关闭合，b n 通过r n 分流，使b n 电压下降，如此循环k 次，使得电 池组中各单元电池容量基本达到平衡。此方法简单，但电阻会消耗电能并发热， 电池组在放电工作时，各单元平衡系统装置会白自消耗电池组的电能。 2 2 3 4 并联d c d c 交流器实现的均衡法 采用并联d c - d c 变流器实现均衡的原理，如图2 7 所示， 多级电源管理系统的研究与设计 图2 7 利用d c - d c 变流器实现电压均衡 图中所示的q i ，i j 、d i ( f 一1 开一1 ) 构成一个分流模块，它可以将能量从相 邻两节电池中电压高的电池转移到电压低的电池，从而实现电压均衡充电。对于 电池组末端的电池，为了给它提供一个能量转移回路，采用了反激变压器。此方 法因为d c - d c 变流器具有效率高，结构灵活等特点，近年来在均衡充电领域的应 用非常活跃，但它难于集成，且成本较高。 2 2 4 短路保护的简介 锂离子电池组因为意外短路导致的温度升高，会使锂离子电池组受损或使设 备出现故障，特别是寿命末期的电池组更容易因为短路而产生热失控，因此短路 保护1 1 4 j 非常重要，一般短路保护的方法有如下几种： ( 1 ) 采用一次性保险丝，来提供短路时的过电流保护，但是，由于大多数电池 组的故障倩况都相当罕见或是间歇性事件，所以这种保险丝都是一次性的，损坏 后需要更换新的，维修操作比较麻烦。 ( 2 ) 采用双片金属电路断路器作为短路保护，这是一种可自身恢复的限流组件， 但由于是电子机械式特点，接点处容易出现电弧及磨损。 ( 3 ) 采用陶瓷式p t c 组件来实现短路保护，这也是自恢复式保护，但是这种方 法的电阻值比较高，一般大约为t 0 0 r 艘，并且动作的时间比较慢，一般都在1 s 以 上。 ( 4 ) 采用聚合物式正向温度系数( p p t c ) 实现，利用电流产生热量使器件断开， 这种方法的特点是可重复使用、电阻值较低( 约4 0 州q ) ，同时还有增强的温度保 护特性，目前应用的较多，但动作的时间还是比较慢，一般在5 0 0 m s 左右。 ( 5 ) 采用电池组短路保护芯片实现，靠电子元器件判断电池组的电压来实现短 路保护，这种方法的优点是反应时间迅速，能在微秒级的时间内反应，缺点是一 第二章电源管理系统和管理芯片内常用模块的分析 般只用于串联级数比较少的电池组中，成本比较高。 2 2 5 过温度保护电路 锂离子电池组在温度过高的情况下如果继续工作可能会导致安全性问题，所 以对电池组有时还需要实旌过温度保护，过温度保护的实现方式一般有以下几种： ( 1 ) 用专用集成温度保护芯片，测量温度比较精确，能有效地控制被监测的温 度，但是成本比较高。 ( 2 ) 采用热敏电阻或温度传感器实现温度保护，这种方法需要对传感器信号进 行处理，有时还需要单片机系统，精度比较高，应用范围广，但系统电路比较复 杂，成本也比较高。 ( 3 ) 用温度开关来实现温度保护，此方法实现容易，价格也较低，但是精度较 差，误差有时超过1 。c 多，一般应用于温度控制精度要求不高的场合 锂离子电池组实现智能化管理m 一般涉及的就是以上方面豹保护功能，其它 还需要别的一系列充放电实现电路和保护电路等进行管理的锂离子电池组，基本 都是针对应用于特殊场合的电池组两言的。以上只是粗略地介绍了一下锂离子电 池组实现智能化管理各部分常用的些实现方式。本论文在分析了这些各种功能 实现原理的基础上，采用最简洁、最安全、易于集成的专用集成电路方式对锂离 子电池组实现智能化管理。 2 3 1 基准 2 3电源管理芯片内常用模块的分析 电压基准州对于整个多级电源管理系统非常重要。整个锂离子电池组的恒流 充电产生电路、充放电识别电路、过充电保护电路及过放电保护电路等，都是实 时检测每只电池的电压，然后和基准电压进行比较，从而输出控制信号控制( 关 断或开启) 过充电或过放电控制m o s f e t l l ”，实现对电池的恒流充电、过充电、 过放电等保护即智能化管理，如果基准不准，必然会导致电池不能实现精准的智 能化管理或智能化管理混乱。 2 3 1 1 基准电压源的指标 ( 1 ) 精度 精度用于衡量个电压基准输出电压的精确度或容量，即电压基准工作时其 输出电压偏离正常值的大小。一般在空载的条件下测量，在应用中，精度般是 最重要的指标。 1 4 多级电源管理系统的研究与设计 ( 2 ) 温度系数t c 温度系数( t e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t ) 用于衡量一个电压基准输出电压因受环 境温度变化而偏离正常值的程度；也就是通常说的温度抑制比，一般用p p m 表示。 粥。，。v u a x 、- v m 丝。， 。旷 c 2 d ( 3 ) 输入电压调整率 输入电压调整率( l i n er e g u l a t i o n ) 用于衡量当负载和环境温度不变时，因输 入电压变化而引起输出电压的改变。 ( 4 ) 噪声 基准中所说的噪声( n o i s e ) 是指电压基准输出端的电噪声，通常包括宽带热 噪声和窄带1 ，f 噪声。宽带嗓声可以用简单的r c 滤波器有效的滤除。1 腰噪声是 基准源的内在固有噪声，不能被滤除，一般在0 1 一l o i - i z 范围内定义。在高精密设 计中，噪声的因数是不可忽视的。 ( 5 ) 负载调整率 负载调整率( l o a dr e g u l a t i o n ) 用于衡量当输入电压不变时因负载电流变化 而引起的输出电压的改变。 ( 6 ) 导通建立时间 导通建立时间( t u r n - o ns e t t i n g l i m e ) 是指系统加电后基准输出电压达到稳 定的时间。 2 3 1 2 带隙基准的原理 ( 1 ) 正温度系数 在1 9 6 4 年，人们认识到，如果两个双极型晶体管工作在不相等的电流密度下， 那么它们的基极一发射极电压的差值就与绝对温度成比例。例如，图2 8 所示： 图2 8 正温度系数电压 如果两个同样的晶体管( i s j = i s 2 ) 偏置的集电极电流分别为而和而并忽略它的 基极电流，那么 第二章电源管理系统和管理芯片内常用模块的分析 a - t 一：一畴厶( 等) 一h ( 老) 。巧砌( 以) q 2 ， 这样，v b e 的差值就表现出正温度系数： 监。妾h ( 刖 (2-3)0t口 、 ( 2 ) 负温度系数 一 由p n 结电流公式：，- 厶e x p ( v s e 巧) ，其中嵋- 刎q ，饱和电流正比于 肚强? ，其中弘为少数载流子的迁移率，嘎为硅的本征载流子浓度。这些参数与 温度的关系可以表示为p “p ，其中埘一一3 2 ，并且砰t s e x p 一e , ( k r ) 】，其中 b - 1 1 2 e v ，为硅的带隙能量。所以 。 ，i - b t “o x p - e d ( * r ) 】 ( 2 4 ) 其中，b 是一个比例系数。为了简化分析，我们暂时假设，c 保持不变。这样 监丝工。生一丘亟( 2 5 ) a i ja t l s lsa t 由式( 2 4 ) ，我们有 堕a t 叫4 + 脚，r “唧普+ ”( 唧鲁) ( 斋) c 2 所以 堡i s 塑a t - ( 4 + 所) 争+ 刍巧 ( 2 7 由式( 2 5 ) 和式( 2 7 ) ，我们可以得到 旦o 生t 竖t 厶鲁一( 4 + 埘) 蔓t 一冬k t 屹一些丝鼍华二业 ( 2 8 ) j f 、 r 等式( 2 5 ) 给出了在给定温度t 下基极一发射极电压的温度系数，从中可以看出 它与本身的大小有关。当一7 5 0 m v ，r - 3 0 0 时，丝o t ，盟一一1 5 m v k ( 3 ) 带隙基准的形成 正温度系数电压和负温度系数电压按照p j 一口。+ 口：v r l n ( m ) ，选择适当的 系数口l ，a ：就构成与温度无关的p 输出电压，其中为二极管的压降。咋为热 1 6多级电源管理系统的研究与设计 电压，约等于2 6 m v ，m 为三级管的比例，由于该电压等于硅的带隙电压f 外推到 绝对零度) ，所以这类基准电路也叫“带隙”基准电路。图2 9 是带隙基准电压的典 型实际应用电路 1 8 】。 q l 图2 9 普通带隙基准原理图 一 从图2 9 可以看出通过q 1 、0 2 和r 0 生成电肌掣，该电流在r 上产生的电压为k 一掣，该电压和q 1 的p n 结即可构成带隙基准，运 放的作用是使流过r 1 ，r 2 的电流相等，并且该运放具有驱动能力。 2 3 2 运算放大器 2 3 2 1 运算放大器的性能参数及仿真条件 运算放大器的性能参数及仿真条件见附录。 2 3 2 2 基本c m o s 运算放大器设计 抑号一声 l l k j 口一 i 懈j 业连 - 1 置 i 图2 1 8 基本c m o s 运放原理图 图2 1 8 是两个基本的c m o s 运算放大器电路【“，左边为n 管输入( 输入信号 第二章电源管理系统和管理芯片内常用模块的分析 1 7 共模电压较高时采用) ；右边为p 管输入( 输入信号共模电压较低时采用) 。图中 n b i a s 为n m o s 管的偏置电压，p b i a s 为p m o s 管的偏置电压。 针对这两种运放，进行m o s 管参数设计时，应注意以下问题： 1 ) 、差分输入管酣和i p 宽长e ( w l ) 做大可以降低运放噪声，增加增益，但 是同时它的m o s 寄生电容会增加，对输入信号的频率有一定的限制。 2 ) 、偏置电流n b i a s 或p b i 勰小，负载管m 2 0 、m 2 1 和m 2 8 、m 2 7 的宽长比 可以做小，以提高第一级增益；但是，由于弥勒补偿电容的存在，它的增益带宽 积和转换速率s r 会变小，噪声也会增加。如果偏置电流大，而负载管m 2 0 ，m 2 1 或m 2 8 、m 2 7 的宽长比小( 等效d s 电阻大) ，那么第一级输出直流电平过高，导 致第二级的共射管增益降低( 为了保证失调最小，第二级负载晶体管宽长比比较 大) 。所以为了不影响第二级放大的增益，只有减小第一级的r 0 , 使整体增益下降， 但是它的增益带宽积和转换速率会增加，噪声也会降低。 3 ) 、该运放工作电压较低，因为只需满足三个管子的开启，当一p ，掰+ 2 v a s 时，即可工作。 4 ) 、共模电压范围较宽，但是一般工作在v c c 2 附近为好。以图4 1 0 中n m o s 管输入运放为例，输入端的上级有个p n 结压降，下端是一个。压降，考虑到 输入管一般远大于偏置电流管，所以，输入管的小于偏置电流管的。 5 ) 、由于它没有输出级，所以驱动电流能力主要靠第二级的偏置电流提供， 一般为几百微安，但是它的摆幅是轨对轨的。 6 ) 、图中的电流镜设计时，为了减小沟道调制效应，差分对管玳和l p 的长 度要适当加长，镜像负载管的长度l 也必须适当加长，以减小运放的失调电压。 7 ) 、在部分参考书上。常常在补偿电容上会串联上一个小的电阻，是为了消 除运放右半平面的零点；调试该电阻，仿真时相位裕度变化比较明显，考虑到工 艺上电阻的偏差，建议该电阻不要大于2 k ，如果过大，高频时，运放增益降不下 来，很容易发生自激振荡。 2 3 2 3 运算放大器的偏置电路 运算放大器常用的偏置电路i 纠如图2 1 9 所示： 多级电源管理系统的研究与设计 r 1 【a ) (b)(c) 图2 1 9 常用偏置电路的电路图 图2 1 9 a 中，偏置电流t 堡r 进i；c 中，偏置电尊- 告；b 中， 电路的电流由公式 多w 1 x m x c o z w ，、e 一k h ) 2 ( 2 9 ) 可得： 瓦编+ 圪5 t + r 2 x k 。搞+ 他m ， l - k 。鬲历2 莎去( - 一去) c 2 m ， 图2 1 9 b 、c 中电容做启动电路使用( 当然可以考虑采用其它启动电路) ，在参 数设置时，m o s 管的长度l 尽可能长一些，以减小沟道调制效应的影响。b 中电 路结构只适合于n 衬底c m o s - r 艺( u 5 1 管的衬底接在自己的源上) 。利用对偶原 理即可实现p 衬底工艺的自举偏置电流源。 2 3 3比较器 比较器【纠是将一个模拟信号和另外一个模拟信号进行比较，输出一个电平信 号。比较器的主要参数包括：开环增益、失调电压、转换速率、迟滞电压。一个 不带补偿的运算放大器就是一个比较器。运放的参数在上一节已经详细阐述，故 比较器的工作原理就不在此赘述了。 第二章电源管理系统和管理芯片内常用模块的分析 2 4 本章小节 本章系统简单地介绍了电源管理系统、锂离子电池的主要特性，并简单分柝 了电源管理系统中常用模块电路的电路结构，为本文后面进行多级电源管理系统 的设计提供必要的理论依据。 第三章多级电源管理系统的设计 第三章多级电源管理系统的设计 3 1 多级电源管理系统简介 论文中的多级电源主要是针对锂离子电池组( 四只锂离子电池串联) 实现智 能化管理，它采用多段恒流的方式( 先大电流充电再涓流充电的方式) 对电池组 进行充电，恒流值的大小可根据电池容量选择不同外接电阻的值即可实现5 0 m a 一2 a 内任意的恒流值；电池组充放电过程中，此智能管理系统可实时检测电池组 中各只电池的电压，无需复杂特制的均衡装置，对电池组自动实现过充电、过放 电、短路等一系列保护。 3 2 设计指标 初始充电电流值；2