用太阳能电池供电的锂电池充电管理集成电路的设计

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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 ２ ０ ５ ） ０ ０ ０　
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
Ａ － ｏ ｌ Ｃｈ ｒ ｅ Ｍ ａ ａ ｅ ｅ ｔＩ Ｐｏ ｒ ｄ ｂ ｏ ａ ｌ Ｌｉ ｉ ｎ Ｃｅｌ ａ ｇ ｎ ｇ ｍ ｎ Ｃ ｗｅ ｅ ｙ Ｓ ｌ ｒ Ｃｅｌ ｓ
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（ ｈ ｎ ｈｉ ｎｔｕｅｏ ｃｏ ｓｓ ｍ ａｄＩｆｒ ｔ ｎＴ ｃ ｎｌｇ， Ｓ ａ ｇ ａ Ｉｓ ｔｔ ｆ ｒ—ｙｔ ｎ ｏｍａｉ ｅｈ ｏ ｙ ｉ Ｍｉ ｅ ｎ ｏ ｏ
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本课题得到上海市科委 集成 电路设计专项 （ 目 项 编号：０ ７ ６ ０ ２ ０ 的资助。 ８０２００ ）
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Ｉ　－ Ｉ Ｉ Ｉ巾国集成电路 － ！ ｉ
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器斗　
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１ 简 介
太 阳能 电池 的发 展始 于上 世纪 五十 年代 ，最初 应 用于 宇宙 开 发 ， 航空 航 天 等领 域 。经 过 近 五 十年　
的 发展 ， 论从 发展 速 度 、 术成 熟 性 ， 是 从应 用 无 技 还
Ｉ Ｈ Ｐ
领域来 看 ，太 阳能 电池都是 新 能源 中 的佼佼 者 。太 阳能 电池具 有许 多优 点 ， 比如： 全可 靠 、 噪声 、 安 无 无 污染 、 能量 随处可 得 、 不受地 域 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　
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 １ 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 ０５ 到 ０６ 这 ． Ｖ ． Ｖ之 间 ， 也 是 ｐ ｎ 这 － 结二 极 管的正 常正 向电压 。
太阳能电池作为有潜力的可再生能源 ，多年来　
其 产 量一 直 以每年 １％到 ２ ％的增 长率 在 增 加 ， Ｏ ５ 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２ 展示了太 阳能电池的输出特性。由于串联 电阻 （ Ｓ 的原因， Ｒ ） 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 （Ｓ 。ＩＣ和 Ｖ Ｃ都 是定 义太 阳能 ＩＣ） Ｓ Ｏ
但是 太 阳能 电池 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。
２ 电路 设 计
２ １太 阳 能 电池 的 ｌＶ特 性 ． ＿
太 阳能 电池一 般 由 ｐ ｎ结 组成 ， － 由于 ｐ ｎ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 １ 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 ＩＨ 产 生 的 电流 和 太 阳能 电池 上 接 收 Ｐ
２ ２ 锂 离 子 电 池 充 电时 的线 性 恒 流 ／恒

．
到 的光 量度 成 正 比 。在实 际 太 阳能 电池 应用 中 ， 并　
联 电阻 （ Ｐ） Ｒ 的泄漏 电流很小 ， Ｒ 而 Ｓ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 ４２ ．Ｖ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　
． Ｖ 锂 流都流过二极管 Ｄ， 其正 向电压决定着太阳能电池 ４２ 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 ４ ５ ． Ｖ，否则将 ２ 的开路 电压 （ Ｏ 。 电压会 因各种 类型 太 阳能 电 Ｖ Ｃ） 该 导 致过 充 电现象 ， 轻则 影 响电池 的使 用寿命 ， 严重 的　
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Ｃ ｈｉ ｎｔ ｎａ Ｉ ｅｇｒ ｅｄ Ｃ ｉｃｕｉ ａｔ ｒ ｔ
整管 的导通 ， 以稳定 充 电 电流。 ●Ｖｍ ａ ｐ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 。
２ ３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 ２ 太 阳 能 电池 的一 般 Ｉ Ｖ 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 面的公式 计算 出 ：
Ｔ ＝Ｔ ＋（ 矾一Ｖ Ａ）× ＣＸ ０Ａ ｊ Ａ Ｖ Ｂ Ｔ Ｉ Ｈ
充 电电压的典型值在 ４ Ｖ ． ，其最大误差不超过 ４ ２ ２
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 ４２ 在 ．Ｖ时 电流调 制放 大器 主导充 电回路 ； 电池 电压达 到 ４２ 在 ．Ｖ时 电压 调制 放 大器 主 导充 电 回路 ， 其工 作原 理如 图 ３ 所示 。
其 中 ，Ｔ 是半导 体 芯片 的结温 ，
Ｔ 是半导体芯片的环境温度 ， Ａ
Ｖ 是输 人 电压 ，
Ｖ 胛是 电池端 电压 ， Ｉ 删是充 电电流 ， ０ 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 比较 高 ，或者输 入 电压与 电池端 的 电压差 比较　
ＢＡＴ　
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 ３ 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 ３中 ，
● Ｍ１ Ｐ沟道 ＭＯ 是 Ｓ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 ＶＩ 到 电池 端 Ｂ Ｔ Ｎ流 Ａ 。 ● Ｒ１ Ｒ 和 ２构成 反 馈 网络 ， 电池 电压 进行 采 对 样。 ● Ｉｍ ａ ｐ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 １５ ｌ ℃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 １５Ｃ １￣的恒温状态 ， 这样 ， 即使在最坏 只要根据通 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 ＩＢ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 Ｆ 号的误差进行放大 ， 放大后 的信号用来调整功率调　
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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　
２ ４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。
２ ６充 电电流 自动调整技术研究 ．
本课 题 的芯 片 内 部集 成 有 ８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 １

当 电池 电压 低 于 ３ Ｖ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 。
（ ２）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 电压 源供 电 的　
锂 电池 充 电应用 。
当 电池 电压 在 ３ 和 ４２ 之 间时 ， 了实现 快 Ｖ ． Ｖ 为
速充电， 采用恒流充电模式 。
（ ３）恒压 充 电状 态　
２ ７ 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 ４所示 。 如
当电池 电压 达到 ４２ ． Ｖ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 ４） ? 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 了电池 的安全 。 保
（ ５）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　
ＯＣ ４ ℃之 间具有 最 好 的活性 ，在 电池 温度 超 出 ￣到 ５ 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 。
（ ６）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 消耗 极低 。
图 ４ 芯 片功 能框 图　
２ ５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　
３ 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　
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司的 ０５ 米 ＢｉＭＯ ．微 Ｃ Ｓ工艺 制造 ，该 工艺 提供 高性 能 的 Ｎ Ｎ型 双极 晶体管 ， 以保证 充 电器 电路 的精 Ｐ 可
度。 该工艺的低压器件的沟道长度最低为 ０ 微米 ，

． ５
非 常适合 数 字 电路部 分 的高密 度布局 布线 。 本课 题 的芯 片采 用 散 热 增 强 型 的 ８管 脚 Ｓ Ｐ Ｏ 封 装和 ８管脚 的 Ｄ Ｎ封装 两种形 式 。 Ｆ 这两种 封装 对 于 表 面贴 装 器 件 ， 有 占用 Ｐ Ｂ的面 积 小 ， 度 薄 具 Ｃ 厚 的特 点 ，尤 其 是 Ｄ Ｎ 封 装 ，其 外 形 只 有 ３ ｍ × Ｆ ｍ ３ ｍ × ． ｍｍ， ｍ ０８ ５ 而且 散热 能力 极强 ， 以提 供高 达 １ 可
安 培 的充 电 电流 。
图 ５ 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 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 １ 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１作 － 状 态 指 示 均 正 常 在 电源 输 入 端 施加 ５ 工 作 电压 ， 电池 Ｖ 在 连 接 端 施加 ４ ４ 电压 ， 芯 片 处 于充 电 ．Ｖ 使 结束状态 然 后 测培 流 入 第 ４ 脚 电源 管 输入端的电压。
， ，
参 数 要 求　
铂 ４
．
测 试 结 果　
自。
３Ｖ ５　
４ ２ ．Ｖ
工 作 电 流　
小于ｌ ｍ Ａ
６０ＵＡ ０
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３ ６ ， 片 工作 在 恒 ．Ｖ 芯 流 充 电状 态　
４
．
２ ± １ Ｖ ％
４ ２ ±０ ５ ． Ｖ ．％
６０ｍ ０ Ａ 可以 可 以　
大 于５ ０ ０ ｍ Ａ 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 ５ 所示。
在 ２ ℃温度 下芯 片 的测 试结 果如表 １ 示 。 ５ 所
参考文献　
［］ 显争 李 训 铭 ， 能型 太

阳能充 电 电路设 计 ， １冯 １ 智 东　
４ 小 结 ’
本课 题成 功地设计 了一款具 有 自主知识 产权 的　
南大学学报 （ 自然科学版 ） ，第 ３ 卷 ，增刊 （ ８ Ⅱ）
２ ０ 年 １ 月 ０８ １
［ 牛黎明， 电池在线充放 电管理 电路 的设计 ， ２ 】 锂 电
２０ （ 集成电路芯片 ，并应用于使用太 阳能 电池为锂电池 子技 术应 用 ，０ ２ ４） ３ Ｓｏ　ｅｒｏｎ 锂 ｔ 充 充 电的领 域 。该芯 片基 于 ０５微米 Ｂ Ｃ Ｓ工艺 ， ． ｉＭＯ 具 ［】 ｃｔＤ ａｂｒ， 离 子 电池 充 电 ： 电系 统 的 差 世界 电子元 器件 ，０ ８ ４） ２０ （ 有集成度高 ， 应用电路简单等优点。 它能根据太阳能 异与 选择 ， 电池 的输 出 电流 能力 自动调 整充 电 电流 ，并 支持 一　
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