一款锂电池充电管理芯片的研究与设计

一款锂电池充电管理芯片的研究与设计

林超

【摘要】：锂离子电池是目前便携式电子产品中使用最为广泛的可充电电池。而且随着电池容量的不断提高，锂离子电池将成为21世纪电动汽车的主要动力电源之一，并将在人造卫星、航空航天和储能方面得到应用。由于锂离子电池本身电学特性的原因，几乎每一块锂离子电池都需要一个充电管理芯片来提供充放电保护以延长其使用寿命。本文设计并实现一款成本较低、应用广泛，性能优良的锂电池充电管理芯片。采用全定制设计思想，完成了从底层电路开始到整个芯片电路的正向设计，实现了过放电保护、过充电保护、短路保护、过温保护以及涓流充电、恒流充电、恒压充电等控制功能。芯片内部用来驱动充电晶体管的MOS 管耐压高达30V以上，在不外加扩展电路的情况下，可设计成多节串联电池的充电电路。低压线性稳压器集成在芯片内部，提高了集成度，使芯片具有较小的面积，降低了成本。芯片的外围电路既可以设计成线性控制也可采用PFM控制，应用电路简单。此外，改变芯片应用电路的外围电阻就可以调节芯片的恒流充电电流、预充电（涓流充电）截止电压、恒压充电电压和电池充满判断电流。这使得芯片具有很强的适用性，能够应用在很多不同的场合。芯片采用CSMC0.5um DPTM Mixed Signal工艺，使用Cadence工具完成电路设计、仿真、版图设计和验证。仿真结果表明，在电池温度端检测电压大于4.51V时，充电终止，表明此时电池没有接入；当电池温度检测端电压大于0.05V且小于0.5V时，充电电流为24mV/Rs；当电池温度检测端电压大于0.5V且小于4.51V时，芯片系统正常工作，此时涓流充电电流为24mv/Rs，预充电结束判断电压为0.61V，恒流充电电流为240mv/Rs，恒压充电判断电压为1.21V，充饱判断电流为24mV/Rs，这些参数均符合设计指标，并且电池充电曲线也符合设计预期。仿真成功后进行版图设计和验证，最终导出GDS文件去foundry流片。

【关键词】：锂电池锂电池充电管理芯片三阶段充电法锂电池充放电保护过温保护

【学位授予单位】：西安电子科技大学

【学位级别】：硕士

【学位授予年份】：2012

【分类号】：TM912

【目录】：

摘要3-4

ABSTRACT4-8

第一章绪论8-14

1.1 课题研究背景及意义8-10

1.2 锂电池充电管理芯片的研究现状及发展趋势10-11

1.3 本文的主要工作及内容安排11-14

第二章锂电池充电管理芯片设计基础14-24

2.1 锂电池工作原理14-15

2.2 锂电池的电学性能及其充电保护要求15-17

2.3 锂电池充电方法17-22

2.3.1 线性充电方式18-21

2.3.2 开关充电方式21

2.3.3 脉冲充电方式21-22

2.4 本章小结22-24

第三章锂电池充电管理芯片的系统设计24-30

3.1 芯片功能及充电流程24-26

3.2 芯片的规范定义和电路结构26-28

3.3 芯片的电气特征和工作参数28-29

3.4 芯片的典型应用电路29

3.5 本章小结29-30

第四章具体电路的设计与实现30-54

4.1 带隙基准源的设计与实现30-42

4.1.1 带隙基准源的基本原理和主要性能指标31-34

4.1.2 电阻修调技术34-36

4.1.3 带隙基准电压源的具体实现电路36-41

4.1.4 带隙基准电压源的仿真结果41-42

4.2 电压比较器的设计42-45

4.2.1 运算放大器的基本原理42-44

4.2.2 电压比较器的基本原理和设计44-45

4.3 低压线性稳压器（LDO）的设计实现45-47

4.3.1 低压线性稳压器的基本原理45-46

4.3.2 低压线性稳压器的具体实现电路46-47

4.4 电池接入检测和温度保护电路的设计47-49

4.5 涓流、恒流、恒压充电以及充电终止控制电路的设计49-52 4.6 本章小结52-54

第五章芯片整体仿真结果54-58

5.1 芯片充电过程仿真54-55

5.2 芯片过温保护功能仿真55-56

5.3 本章小结56-58

第六章版图设计与验证58-66

6.1 整体版图布局设计58-59

6.2 模拟部分版图实现59-60

6.3 电阻部分版图实现60-61

6.4 数字模块版图实现61-62

6.5 整体版图实现62-63

6.6 版图验证63-64

6.7 本章小结64-66

第七章结论66-68

致谢68-70

参考文献70-72