锂电池充电器芯片的研究与设计

锂电池充电器芯片的研究与设计,豆岁阳 11121854,基本信息,论文结构,1.绪论2.锂离子电池充电芯片的系统分析与设计3.具体电路的设计实现及仿真4.芯片整体电路仿真及应用电路5.结论与展望,锂离子电池的优点,1.工作电压高。通常单节锂离子电池的电压为3.7 V。单体电池即可为3V的逻辑电路供电。对于要求较高供电电压的电子设备，电池组所需串联电池数也可大大减少。2.体积小、重量轻、比能量高。通常锂离子电池的比能量可达镍镉电池的2倍以上，与同容量镍氢电池相比，体积可减少30，重量可降低50，有利于便携式电子设备小型轻量化。3.寿命长。锂离子电池采用碳负极，在充放电过程中，碳负极不会生成金属锂，从而可以避免电池因内部金属锂短路而损坏。目前，锂离子电池的寿命可达1200次以上，远远高于各类电池。4.安全快速充电。锂离子电池与金属锂电池不同，它的负极用特殊的碳电极代替金属锂电极，因此允许快速充电。采用1C充电速率，可在两小时内充足电，而且安全性能大大提高。5.允许温度范围宽。锂离子电池具有优良的高低温放电性能，可在-20一60 之间工作。高温放电性能优于其它各类电池。6.锂离子电池还具有自放电电流小、无记忆效应和无环境污染等优点，综合性能优于铅酸、镍镉、镍氢和金属锂电池,几种可充电电池性能比较,锂电池现存在的问题,它对充电器的要求比较苛刻，对保护电路的要求较高。一般说来，其要求的充电方式是恒流恒压方式，为有效利用电池容量，需将锂离子电池充电至最大电压，但是过压充电会造成电池损坏，这就要求较高的控制精度(精度高于1)。另外，对于电压过低的电池需要进行预充、充电终止检测，除电压检测外，还需采用其他的辅助方法作为防止过充的后备措施，如检测电池温度、限定充电时间，为电池提供附加保护。由此可见实现安全高效的充电控制成为锂离子电池推广应用的瓶颈。,解决方案,1.充电架构： ：根据功率需求，选定使用开关型或线性充电器。手机产品以嵌入线性充电器为主2.热设计：无论所选是那种充电架构，都要考虑到发热问题。例如在非常小的空间内，高效率的开关型或对热有特别控制的线性充电器必定可大大提升产品的性能3.简单小巧：简单的电路可以造就小巧的方案。线性充电器如果能把控制管整合在单个充电控制芯片内，是小型化的一种理想设计,论文结构及所作工作,本论文重点论述了锂离子电池线性充电控制芯片的具体设计过程。首先通过对可充电电池特性认识以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，并在此基础上完成了一款锂离子电池线性充电控制芯片。随着便携式电子产品的高速发展以及可充电电池市场的不断增大，研究如何充分适应电池特性，最大可能延长电池寿命，并且符合电子设备充电单元小型化的发展趋势，具有较高效率、安全快速的充电控制芯片，具有十分重要的意义。,论文从第二部分开始讲述锂离子电池充电芯片的系统分析与设计。从锂电池化学特性与工作原理入手，通过对目前常用的几种充电方式进行对比分析，选择了线性充电控制模式，接下来给出了整体电路的原理结构图，简单阐述了设计规格与目标功能实现。,论文第三部分是芯片的具体电路实现。根据上一部分系统级设计的要求，详细设计了芯片每一部分的具体电路，着重讨论完成了模拟部分基准电源电路、电压选择电路、欠压闭锁电路、温度保护电路、滞回比较器、运算放大器等模块的设计与仿真，本充电器芯片设计的数字逻辑部分由主要其他工作人员完成，因此本论文并没有给出数字逻辑部分的具体实现电路。,接下来是芯片整体电路功能仿真以及典型应用电路。论文的最后给出了整个设计的总结以及充电器芯片设计领域尚需要进一步深入研究的相关工作等。电路设计当中应用的模拟仿真平台：在SUN软件连接的工作站上，用Cadence软件输入原理图，并用HSPICE软件进行模拟仿真，而后用Avant波形浏览器查看输出波形，完成了电路仿真工作。,锂电池,有液态锂离子电池(LiB）： Li+嵌入化合物为正负极的二次电池。正极采用锂离子化合物锂钴氧化物(LiCoO2)，锂镍氧化物(LiNiO2)或锂锰氧化物(LiMn2O4)，负极采用锂一碳层间化合物LixC6 电解质为溶解有锂LiPF6，LiAsF6等有机溶剂。聚合物锂电池：正极和负极都与液态锂电池相同，只是原来得液态电解质改为含有锂盐的凝胶聚合物电解质。,材料选择,负极：目前常用的有焦碳和石墨。其中，石墨由于低成本、低电压(可以得到高的电池电压)、高容量和高可恢复的优点，被广泛采用正极：主要以锂金属氧化物为主。目前常用的有锂钴氧化物(LiCoO2)、锂镍氧化物(LiNiO2)、锂锰氧化物(LiMn2O4)以及纳米锰氧化物。其中，锂钻氧化物具有电压高、放电平稳、适合大电流放电、比能量高、循环性好的优点，并且生产工艺简单、电化学性质稳定，其作为锂离子电池的正极材料，适合锂离子的嵌入和脱出。锂镍氧化物自放电率低，没有环境污染，对电解液的要求较低，与锂钴氧化物相比，具有一定的优势。锂锰氧化物优点是稳定性好，无污染，工作电压高、成本低廉。电解质：高导电性、高分解电压、无污染、安全。通常用锂盐作为有机溶液。目前使用的锂盐主要有LiClO4、LiAsF6、LiPF6等,锂电池原理,式中M为Co，Ni，Fe，W等；正极化合物有：LiCoO2，LiNiO2，LiMn2O4，LiFeO2，LiWO2等，负极化合物有LixC6，TiS2，WO3，NbS2，V2O5等),锂离子电池实际上是一种锂离子浓差电池，正负两极由两种锂离子嵌入化合物组成。 充电时，Li+从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，负极处于富锂态，正极处于贫锂态，同时电子的补偿电荷从外电路供给到碳负极，保证负极的电荷平衡，放电时则相反，Li+从负极脱嵌，经电解质嵌入正极。在正常的充放电情况下，锂离子在层状结构的碳材料和层状结构氧化物层间嵌入嵌出，因为过渡金属氧化物LiCoO2，LiNiO2中低自旋配合物多，晶格体积小，在锂离子嵌入脱嵌时，晶格膨胀收缩性小，结晶结构稳定，因此循环性能好，而且充放电过程中，负极材料化学结构基本不变，因此从充放电反应的可逆性看锂离子电池反应是一种理想的可逆过程,锂电池的充放电特性,充电过程：一般采用恒流转恒压的充电模式。充电开始为恒流充电阶段：电池的电压较低，充电的电流基木不变，随着充电的继续进行，电池的电压逐渐上升。当单体电池的电压升到4.2V时，充电器立即转入恒压充电：恒压充电时，单体锂离子电池的充电电压必须严格保持在4.2 V，若充电电压超过4.5 V可能造成理离子电池的永久性破坏。此阶段为恒压充电阶段，充电电流下降较快，温度上升，最后当电流下降到某一范围，进入涓流充电阶段：涓流充电也称维护充电，在维护充电状态下，充电器以某一充电速率给电池继续补充电荷，最后使电池处于充足状态。,放电过程：一般，锂离子电池放电起始电压为4.2V，放电终止电压约为2.5V，放电终止时，电池电压不得低于2.2V，否则将造成电池的永久性损坏,锂电池充电方法,锂电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，恒流(CC)充电方法在充电的后期，由于充电电流仍然保持不变，充电电流多用于电解质，产生大量气泡，这不仅消耗电能，而且容易造成极板上活性物质脱落，影响锂电池的寿命。而恒压(CV)充电，在充电初期充电电流过大，这样的结果是直接影响锂电池的寿命与使用质量。,根据电池特性，将恒流与恒压两种充电方式有效结合起来，就是现在最常用的恒流恒压充电 。当开始充电时，cccv充电器首先施加一个等价于电池容量C的恒定电流。为防止在恒流充电周期中过充电，需要监视电池封装两端的电压。当电压上升到给定的终止电压时，电路切换到恒压源工作模式。在恒流充电期间，电池能以接近其终止电压的高电流速率充电，且不会有任何被施加高电压和发生过充电的危险。经恒流充电后，电池的容量将达到其额定值的约85。在恒流周期结束后，充电器切换到恒压周期。在恒压周期，充电器通过监视充电电流来决定是否结束充电,在恒流恒压(CCCV)充电模式基础上进一步细划，将充电过程划分为几个阶段，不同的阶段采用不同的充电电流或电压，以达到更好的保护电池和快速充电的目的。这就是所谓的三段充电法。三段充电法实质上就是恒流恒压(cccv)充电的一个简单变体，将锂电池充电过程分为三个阶段，第一阶段为小电流充电阶段，主要起唤起和保护电池的作用；第二阶段为恒流充电阶段，采用固定电流对电池充电以实现快速充电之目的；第三阶段为恒压阶段，主要是保证电池充满和防止过充电,充电方式,1.线性充电方式：成本低，复杂度小。一般的锂电池线性充电器包括一个传输电能的晶体管(通常是MOSFET或者是二极管)、输入输出电容和一些设定电压电流限制值的电阻。晶体管的任务是提供充电回路，并且把从交流适配器输入的电压降到实时的电池端压大小，以实现对电池的充电。这种充电方式的最大缺点，就是功率损耗较大。由于交流适配器的输入电压与电池电压之间的差值完全由晶体管来承受，晶体管的功耗就是这个差值与充电电流的乘积。电池端压最小，即输入电压与电池端压之差最大的时候，也就是晶体管功耗最大的时候。因此，一般的线性充电芯片在端压过小的时候会提供一个预充电的模式，此时充电电流很小，一般是充电恒流值的10左右，该模式即三段法的第一阶段，逐渐唤起电池端压，也减小了晶体管上可能的最大功耗。但是这个措施的缺点是牺牲了快速充电时间，因为电池的充电时间会随着充电电流的减小而增加，因此最佳充电电流大小的选择是电路功耗和充电时间折中考虑的结果。,2.开关充电方式： 由于线性充电方式的高损耗，低效率，不能被用在像笔记本电脑等大功率便携设备中，因为这会使热设计变的复杂起来。一旦散热条件不足够，可能给电池乃至整个设备的安全运作带来难以预估的后果，而这种情况下，就要采用高效率的开关充电方式。缺点：首先是相比线性充电方式，增加了额外的成本和电路设计上的复杂度；其次由于引入高频开关和电感元件，电路的EMI和噪声以及电磁辐射等开关电源的缺点也一并引入到开关充电方式的充电器中。,3.脉冲充电方式：脉冲充电法是从对电池的恒流充电开始的，大部分的能量在恒流充电过程中被转移到电池内部。当电池电压上升到充电终止电压Vcv后，脉冲充电法由恒流转入真正的脉冲充电阶段。在这一阶段，脉冲充电方式以与恒流充电阶段相同的电流值间歇性的对电池进行充电。每次充电时间为Tc后，然后关闭充电回路。充电时由于充电电流的存在，电池电压将继续上并升超过充电终止电压Vcv；当充电回路被切断后，电池电压又会慢慢下降。电池电压恢复到Vcv时，重新打开充电回路，开始下一个脉冲充电周期。,在脉冲充电电流的作用下，电池会渐渐充满，电池端压下降的速度也渐渐减慢，这一过程一直持续到电池电压恢复到Vcv的时间达到某个预设的值To为止，可以认为电池已接近充满。脉冲充电方式中晶体管不是工作在线性区，而是以开关状态工作，因而具有开关充电方式的高效率的特点；另外，脉冲充电方式不需要额外的LC输出滤波电路，因此不存在干扰问题，体积也可以做到很小；更重要的是脉冲充电方式可以有效的缩短充电时间，因为脉冲方式与前面两种充电方式样都是第一阶段恒流充电，该阶段所用时间是一样的，而接下来脉冲电流充电阶段能比恒压充电阶段使用更少的时间，从而缩短了总充电时间。该充电方式的缺点是需要一个有限流功能的电源，增加了成本，其高效率实际上是通过把损耗从晶体管转移到了限流电源内，就整个系统来说效率并不是太高,充电芯片的整体结构设计,基于以上的基本原理与各类充电方案分析，本设计的锂电池充电器采用线性充电方案。锂离子电池的整个充电过程包括如下几个阶段：1.小电流预充电阶段2. 恒流充电阶段：电池最高电压中止法，电池最高温度中止法3.恒压充电阶段：电池最高电压，电池最高温度，最长充电时间，最小充电电流4.维护充电阶段,整体电路原理图,工作流程图,具体电路的设计实现及仿真,基准电路就像一把尺子一样成为衡量整个芯片性能好坏的标准，其精度和稳定性直接影响着整个芯片的工作精度。本设计采用带隙基准电压源结构，以该基准电压源的输出作为芯片各电路模块的使用基准。,芯片整体电路仿真及应用电路,本设计中所有电路包括前述子电路全部使用HSPICE Level49模型， 基于0.5um的CMOS N阱工艺库进行电路仿真，整体电路仿真主要是观察充电过程中根据电池电压的三阶段充电模式转换，电池浮充电压与电源电压以及温度的关系，充电电流与环境温度以及电源电压的变化关系等。,结论,本文对锂电池的化学原理和基本特性以及常用的充电方