用太阳能电池供电的锂电池充电管理集成电路的设计

1、本文由 hejiangxiu 贡献pdf 文档可能在 WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。用太阳能电池供 电的 锂电池充电管理集成电路的设计程莉莉 ， 建龙， 赵 熊勇， 纪虹 ， 张为 ， 郑殷 （ 中国科学院上海微 系统 与 信 息技术研 究所 ， 上海 ） 摘要 ： 本课题 研发 成功 了一款 具有 自主知 识产 权 的集成 电路 芯 片 集成 电路 主要 用 于使 用 太 阳能 电池 ， 该为锂 电池 充 电的领 域 。 其主要 功 能 包括 ： 利用 太 阳能 电池对 锂 电池进 行 恒 流 恒压 充 电： 充 电的过程 中实时监测电池的温度 ， 监测

2、输入 出电压 ，输 以保证安全有效的对 电池充电； 充 电状态 自动控制功能； 芯片温度调制电路；据太阳能电池 的输出电流能力自动调整充电电流的功能。该 芯片还具有集成度高，根应用电路 简单等优点。关键词： 电池；锂充电管理 集成 电路 ；阳能 电池供电太 ， ， ， ，（ ， ， ， ） ： ：； ； ； ； ； ： 本课题得到上海市科委集成(目项编号：的资电路设计专项器斗一 。 巾国集成电路简介太 阳能 电池 的发空 航 天 等领 域 。经展始 于上 世纪 五十 过 近 五 十年术成 熟年代，最初用于宇宙 开 发的 发展 ， 论从 发展 速 度 、 领域来 看 ，太 阳能 电池都是性，是

3、从应技还新 能源 中 的佼佼 者 。阳能 电池具 有许助。 ) ， ， 污染 、 能量 随处可 得不受地 域守、 建站周期 短 、模大 小 随意、 须架 输电线路、规无可以方便地与建筑物 相结 合等 ，这些优 点都是 其它发电方式所不及 的。图太阳 能 电池简 化 电路 模型池 的特性不 同而有所差 异 。 是， 但 对于大多数硅电池 而言，一电压都 在 到 这 之间，也是这 结二极 管的正常优 点 ， 比如： 全可 靠 、 噪声 、 安 无 无 限制 、 须 消耗燃 料 、 无无机械转动部件 、 故障率低 、 维护简便可以无人值正 向电压 。 太阳能电池作为有潜力的可再生能源 ，多年来 其

4、产 量一 直 以每年 到 的增 长率 在 增 加 ， 目 前 主要应用领 域包 括航 空航 天 、军 事 以及 民用消 费品等 。图 展示了太 阳能电池的输出特性。 由于串联 电阻 ( 的原因， ) 电压会 稍有下降。然而 ， 有时如果通 过 内部二 极管 的 电流太小 ，导致偏 置不 够 ， 会 并 且 穿 过 它 的 电 压 会 随着 负 载 电流 的增 加 而 急 剧 下 降。 后 ， 最 如果所 有 电流都 只流 过 负 载而不 流过 二极 管 ， 出电压就会 变 为零 。 输 这个 电流被 称 为太 阳能 电 池 的短路 电流 （ 。和 都 是定 义太 阳能 ） 但是 太 阳能 电池

5、 并不 是一个 理 想 的电源 ，其输 出特性 受光 照 强度 和 光 线 频谱 等 因素 影 响 ， 出 电 输 流很 不稳 定 ，所 以太 阳能 电池不 能 直接驱 动用 电装 置， 而需要 将太 阳能 电池先 存储 在蓄 电池 中 ， 后通 然 过 蓄电池 为用 电装置 供 电。本 课题 的芯 片可 以利用 太 阳能 电池为锂 电池充工作性能的主要参数之一。 因此 ， 太阳能电池被认为是“ 电流 限制 ”型 电源 。 的输 出 电压 会 随着输 出 电 它电， 面详 细介绍 芯片的研 发 内容 。 下 流的增加而降低 ，并在负载电流达到短路电流时降 为零。 电路 设 计 太 阳 能 电池

6、 的 特 性 太 阳能 电池一 般 由 结 组成 ， 由于 结 的 由于太 阳能 电池 的输 出 电流 随光 照强度 的变 化 而 变化 ，所 以一般 不 能 用 太 阳能 电池 给用 电系统 直接供 电， 一般需要将太阳能电池的能量先存储在蓄 电池 中， 然后通过 电池为系 统供 电。 这就要求充电电路能 够适 应太 阳能 电池 的 电压 一电流输 出特性 。特性类似于二极管的特性 ，我们一般以如图 中所示的 电路 作为 太阳能 电池 特性 的一 个简 化模 型。电流 源 产 生 的 电流 和 太 阳能 电池 上 接 收 锂离 子 电池充 电时 的线 性 恒流恒 到 的光 量度 成 正 比

7、。在实 际 太 阳能 电池 应用 中 ， 并联 电阻 （ ） 的泄漏 电流很小 ， 而 则 会 产生 连接 压控制技术 的研究锂 离 子 电 池 的充 电要 求 是 在 电 池 电 压 低 于 时采 用 恒定 电流 模 式充 电 ，在 电池 电压 达 到损耗 。在没 有负 载连 接 的时候 ，几乎 所有 产生 的 电 锂 流都流过二极管 ， 其正 向电压决定着太阳能电池 时采用 恒定 电 压 充 电模 式充 电 ， 离子 电池 或 锂聚合物电池的充 电电压不能超过 ， 否则将 的开路 电压 （ 。 电压会 因各种 类型 太 阳能 电 ） 该 导 致 过 充 电现象 ， 轻则 影 响电池 的使

8、用寿命 ， 严重 的 、 ，： 整管 的导通 ， 以稳定 充 电 电流。 是 电压 调制 放大 器 ，其功 能是 将反 馈 网络输 出的信 号 与 电压基 准 源 的误 差进 行 放 大 ， 放大后 的信号用来调整功率调整管的导通 ，以达到调制充 电 电压 的 目的 。 充 电时芯片温度 调制技术 的研究 对于线性充 电器 ， 在充电过程中， 由于功率管消图 太阳 能 电池 的一 般 性 特耗功率， 会使功率管的结温升高 ， 过高的结温将使半会 导致 电池报废 或爆 炸 。所 以要 求充 电芯 片的恒 压导体器件工作不可靠 ， 甚至烧毁半导体器件。 线性充电管理 芯片 的结 温可 由下 面的公

9、式 计算 出 ： （ 矾一 ） 充 电电压的典型值在 ，其最大误差不超过 毫伏 。在 我们 的设计 中 ，采 用 电流调 制放大 器 和电 压 调 制 放大 器 分 别 对 充 电 电 流 和充 电 电 压进 行 调 制 ， 电池 电压低 于 在 时 电 流调 制放 大器 主导充 电回路 ； 电池 电压达 到 在 时 电压 调制 放 大器 主 导充 电 回路 ， 其工 作原 理如 图 所示 。其中 ， 是半导 体芯片 的结温 ，是半导体芯片的环境温度 是输 人 电压 ， 胛是 电池端 电压 ， 删是充电电流 ， 是半导 体芯 片 的热阻。从上 面的公 式可 以看到 ，当半导体芯 片的环境温度

10、比较 高 ，或者输 入电压与电池端 的 电压差 比较大， 或者充电电流比较大的时候 ， 半导体芯片的结温会有 明显 的上 升 。所 以在没 有对 功率管 消耗 的功率 进行控 制 的情况 下 ， 工程师 设计 充 电器 时必须 根据 最坏 情况 ， 即最 高 的芯 片环境 温 度 ， 最大 的输 人 电压 与 电池端 电压差 和最 低允许 的芯 片 的结 温 ，来 设计 充 电电流 ， 只有这 样才 能保证 系统 的可靠 性 。 是这 但 样 的设计对于多数时问工作在通常条件下，而不是 图 恒流恒 压控 制 原理最坏条件下的充电器来说 ，肯定会造成充电电流过低或 者系统 成本上 升 ，而且 如

11、果对 最坏 情况考 虑不 充分 的话 ，也会 导 致 充 电器工 作不 可靠 。图 中 ， 沟道 是 场 效 应 晶体 管 ， 用作 功率 调 整管 ，充 电 电流 通 过 此 功 率 调 整 管 从 输 入 电压 到 电池 端 流 。 和 构成 反 馈 网络 ， 电池 电压 进行 采 对 样。 是 电流 调 制放 大器 ， 其功 能是将 对充 电如果在芯片内部集成有热调制电路 ， 其作用就 是通过对功率管消耗 的功率进行控 制而达到控制芯 片的结温的目的， 当芯片结温上升到 时， 内部的热调制 电路开始工作 ， 通过调制充电电流， 使芯片的温度维持在 的恒温状态 ， 这样 ， 即使在最坏 只

12、要根据通 常情况 进行设计就可以了，没有必要花电流进行采样而反馈 回来的信号 与电流基准信 情况下 ，用户也不需担心芯片 的温度过高。工程师 号的误差进行放大 ， 放大后 的信号用来调整功率调 巾国集成电路 甜一 。费很 多 时间 ， 力去 考虑 最坏情 况 。 精小 电流 回路 中对充 电 电流进行 调整 和监 测 ，这种方 法不需要使用几百毫欧姆的电阻 ， 具有精度高， 成本 充 电器 的状态控制的研究 在芯 片工作 时 ， 根据输 入 电压 、 电池 电压 及 电池 温度 等 因素 的具 体 情 况 ，充 电器共 有下 面几 种工作状态 ：低， 功耗低和应用电路简单等优点。 充 电电流

13、自动调整技术研究 本课 题 的芯 片 内 部集 成 有 位模 拟 一数 字 转 换 电路 ，能够 根据输 入 电压源 的 电流输 出能力 自动（ ）涓 流充 电状态 当 电池 电压 低 于 时 ，为 了激 活深 度 放 电的 电池 和减 小功耗 ， 采 用 涓流 充 电模式 ， 时充 电 电流 此 为所设 置 的恒流 充 电电流 的十分 之一 。（ ）恒 流充 电状 态调整充电电流 ， 用户不需要考虑最坏情况 ， 可根据输入 电压源 的最 大 电流输 出能力设 置充 电电流 ，最 大 限度 地利用 了输 入 电压源 的 电流输 出能力 ，非 常适 合 利 用太 阳能 电池等输 出电流有 限的

14、电压 源供 电 的锂 电池 充 电应用 。当 电池 电压 在 和 之 间时 ， 了实现 快 为 速充电， 采用恒流充电模式 。（ ）恒压 充 电状 态 功能框 图 将 上述功 能模 块集 成到 一起 ，就得 到 了本课 题的芯 片功能框 图 ， 图 所示 。 如当电池 电压 达到 时 ，进入 恒压 充 电模 式 ，此时充 电 电压不再上升 ， 电 电流 逐渐 减小 。 充 （ 充 电结 束状 态 ） ? 在 恒压充 电阶 段 ，当充 电 电流 减小 到恒 流充 电电流的十分之一的时候 ， 将进入充电结束状态。 在充 电结束状态 ， 功率调整管 被关断 ， 没有充 电电流流 向电池 ， 证 了电

15、池 的安全 。 保（ ）电池温 度异 常状态锂离子 电池和锂聚合物 电池 的电解液一般 在 之 间具有 最 好 的活性 ，在 电池 温度 超 出 到 此 范 围时对 电池 充 电会损 害 电池 的寿命 。在充 电时 需要 监测 电池 的温度 ，在 电池 温度 超 出正 常 范 围时 应该停 止 充 电 ， 以保 护 电池 。 以设 立 电池 温 度异 常 所状态 。）睡 眠状态当输入 电压 低于 电池 电压 时 ，为 了避 免 电流倒灌现象 ， 即电流从 电池流向输入电压 ， 需要关断功率 调整管 ， 为此设立睡眠 状态。在睡眠状态 ， 功率调整管和 内部 电路 被关 断 ， 芯片 的 电流

16、消耗 极低 。 图 芯片功 能框 图 充 电电流检测技术 的研究 在本课题的芯片中，我们采用有源跟踪 电流镜 技术 ，充 电电流精 确 映射 到另一 小 电流 回路 中， 将在 流 片与测 试结 果 本课题的芯片采用无锡华润上华半导体有限公 ， ： 司的 米 微 工艺制造，该工艺 提供 高性能的可型 双极 晶体管 ， 以保证 充 电器 电路 的精度。 该工艺的低压器件的沟道长度最低为 微米 ， 本课 题 的芯 片采 用 散 热非 常适合 数 字 电路部 分 的高密 度布局 布线 封装 对 于 表 面贴 装 器 件 ， 有 占用 的面 积 小 ， 度 薄 具 厚 的特 点 ，尤 其 是 封 装

17、，其 外 形 只 有 ， 而且 散热 能力 极强 ， 以提 供高 达 可增 强 型 的 管 脚 封 装和 管脚 的 封装 两种形式 。 这两种安培 的充 电电流 。图 典型 应用电路本课题产生两款芯片 ，这两个应用电路都能独 般 的锂 电池 充 电管理 功能 ， 恒 流 如 恒压 充 电 ， 电池立 完成 对锂 电池 充 电过 程 的 自动 管理 ， 能 根 据输 并入 电源的输 出电流能力 自动 调整充 电 电流 ，其 它功温度的实时监测 ， 电状态 自动控制功能等。 充流 片测试 结果表 明 ，该 芯 片成功 地达 到 了设 计指标。 四能包 括 电池 温 度 监 测功 能 和 充 电器

18、状 态 指示 、 。 等 这 两款 电路 只 有 封装 形 式 和最 大 持 续 充 电 电流 不 表测试结果 测试参数 片内 集成 功率 品体 管 最 低 输入 电压 测试条件及测试说明 不 需要 外部 功 率 晶体 管 和 反向 阻 流 二 极 管 存 输入 端施 加最 低 输 入 电压 时 ， 电路 能 够正常作 状 态 指 示 均 正 常 在 电源 输 入 端 施加 工 作 电压 ， 电池 在 连 接 端 施加 电压 ， 芯 片 处 于充 电 使 结束状态 然 后 测培 流 入 第 脚 电源 管 输入端的电压。参数要求铂测试结果自。 工作电流 小于 恒 压 充电 电压 最 大恒 定 充电 电 流使 电路 工 作恒 压 充 电状 态 ， 测最 电池 连 接 端 的 电压 电池连 接 端 电压 为 ， 片 工作 在 恒 芯 流 充 电状 态 可以可以大于可以可以最大充电电流可用外部电阻 设置恒 流 充 电状 态 根 据 输 入 电源输 出电流能 力 自动调充 电状 态整充 电电 流同， 其它完全相同， 其典型应用电路图如图 所示。在 温度 下芯 片 的测 试结 果如表 示 。 所 参考文献 显争 李 训 铭 ， 能型 太 阳能充