电池恒流恒压充电第三章锂离子电池充电系统设计锂离子电池充电系统拓扑选择线性模式充电系统开关模式充电系统锂离子电池充电系统环路控制模式选择电压模式控制平均电流模式控制峰值电流模式控制锂离子电池充电系统参数设计电感值设计输出电容设计第四章锂离子电池充电控制芯片电路设计充电控制芯片整体架构带隙基准电路设计带隙基准产生电路带隙基准启动电路带隙基准电压修调电路电路仿真结果软启动电路软启动电路设计与分析目录电路仿真结果芯片欠压保护电路欠压保护电路设计与分析电路仿真结果芯片过热关断保护电路过热关断保护电路设计与分析电路仿真结果振荡器振荡器设计与分析电路仿真结果功率管驱动数字逻辑电路数字逻辑电路模块设计功率管驱动数字逻辑电路设计与仿真充电控制芯片整体电路仿真锂离子电池充电系统仿真外围电路锂离子电池充电系统功能仿真结果第五章充电控制芯片版图及后仿真结果充电控制芯片版图设计锂离子电池充电系统关键模块后仿真结果电流型带隙基准电路后仿真结果振荡器及软启动电路后仿真结果第六章结论致谢参考文献硕士期间取得的研究成果第章绪论第章绪论论文的研究背景及意义近十几年来，电子技术快速发展，特别是消费电子出现巨大的市场空间，便携式电子产品出现了很大的市场空间。各种便携式电子产品功能日益增多，速度越来越快，体积却逐渐缩小，重量越来越轻，效率越来越高，这对其供电电池提出了长续航时间轻便高效的要求。锂离子电池具有高能量密度长寿命高放电电压无污染无记忆效应等独特优势，因而成为了便携式电子产品供电电池的研究热点。锂离子电池是种可循环充电电池，其正极为锂离子金属考基准电压输入电压误差比较器，误差比较器输出占空比信号作为电压调整管的栅极控制输入端，以调节调整管的导通关断时间，进而调节其输出电压。其输出电压值为图线性模式充电基本原理图线性模式充电基本原理图如图所示。线性模式充电过程中，调整管将始终工作在线性区，调整管导通电阻较大，可以看出，其充电效率由输出电压和输入电压的比值决定。过放电的锂离子电池电压较低，当电池电压和充电系统输入电压差距较大时，两电压的差值将全部降落在调整管，调整管功耗很大，发热严重，充电效率将很低。系统温度升高后，对整个系统都有极大的影响，会影响芯片的正常工作，电池温度过高也存在安全隐患，极大地降低了系统可靠性。第三章锂离子电池充电系统设计开关模式充电系统开关模式充电是通过个半导体功率开关管控制，使带有电感和电容的滤波器负载电路与输入电路间断导通或关闭，使得负载获得另个直流电压，将滤波器与锂离子电池连接，负载电压即锂离子电池充电电压。常见的开关模式充电系统拓扑结构有降压型拓扑升压型拓扑和升降压型拓扑三种基本结构，如图所示。图开关充电系统典型拓扑结构降压型拓扑结构升压型拓扑结构升降压型拓扑结构降压型拓扑结构如图所示，当开关管导通时，输入电压通过电感对负载充电，电感中电流线性上升，同时将能量储存在电感中当开关管关断时，由于电感中的电流不能突然改变，电感中电流将线性下降，电感中储存的能量将继续对负载进行充电。通过控制开关管的导通占空比，就可以控制电子科技大学硕士学位论文输出电压，即充电电压的大小。根据其工作原理，可以看出输出电压只能稳定在个比输入电压低的固定电压。若降压型充电拓扑工作在连续模式下，开关管导通时，输入对电感进行充电，输入的能量将转移至电感和电容开关管关断时，电感电流下降，存储在电感中的能量转移至电容，通过这样的反复过程即可完成对锂离子电池的充电。降压型充电拓扑中由于锂离子电池与电感直接相连，因此，充电电流连续。升压型拓扑结构如图所示，当开关管导通时，输入电压通过电感开关管对电感充电，电感中电流线性上升当开关管关断时，由于电感中的电流不能突变，电感电流将线性下降，输入电压和电感起对负载电容进行充电。由其工作原理可以看出，输出电压只能稳定在个比输入电压高的固定电压。通过控制开关管的导通占空比，就可以控制储存在电感中的能量多少，即叠加在输入电压上的能量多少，这样就可以控制输出充电电压的大小。若升压型充电拓扑工作在连续模式下，开关管导通时，输入对电感进行充电，输入的能量全部转移至电感储存，等效电阻负载消耗电流由电容暂时提供开关管关断时，输入端与电感共同为负载电容提供充电电流，并补充在开关管导通过程中电容对等效电阻负载放电损失的能量。升压型拓扑结构中，由于电感与输入端直接相连，因此，输入电流连续，但是负载电容的充电电流并不连续。升降压拓扑结构如图所示，当开关管导通时，电流流经电感对其充电，电感电流线性上升，能量储存在电感中当开关管关断时，由于电感电流不能突变，电感电流线性减小，产生自感反向电动势，二极管正向偏置而导通，电感能量对负载电容充电，而且，负载电容上电压极性与输入电压极性相反，这不同于降压型拓扑和升压型拓扑。通过其工作原理可以看出，输出电压可以高于或者低于输入电压。当升降压拓扑工作在连续模式下，开关管导通时，输入能量转移储存至电感，等效负载电流暂时由电容提供开关管关断时，电感产生的反向电动势使得续流二极管导通，电感电流输出至负载并补充电容损耗的电荷，电感能量转移至负载电容。升降压拓扑结构中，电感与输入输出端都没有直接连接，故输入电流与负载电容充电电流均不断续。在能量转移的过程中，由于电感和电容都不损耗能量，所以开关模式充电能量损耗极小，具有很高的充电效率而线性模式充电系统由于在锂离子电池电压较低时调整管功耗大，发热严重，充电效率较低，故本文设计中选用效率较高的开关模式充电拓扑结构。三种开关模式充电拓扑结构相比，降压型拓扑在选择同等的电感和电容时，负载电流纹波最小，而且输出至锂离子电池的充电电流连续。同时，本文设计设第三章锂离子电池充电系统设计计目标输出电压在锂离子电池电压，即左右，输入电压为，需要经过个降压变换后输出。因此，本文设计最终选择降压型拓扑作为锂离子电池开关模式充电系统的拓扑。锂离子电池充电系统环路控制模式选择锂离子电池充电系统包含主变换拓扑和控制电路，两种电路共同工作，互相配合，构成了完整的充电系统。主变换拓扑是由开关管和电感电容二极管构成的降压型拓扑控制电路通常由输出电压或电流采样电路电压误差放大器补偿网络脉冲宽度调制器以及开关管驱动电路构成。对于本文设计的降压型充电拓扑，由于其负载为锂离子电池，不存在等效负载电阻突然开路，使得输出端电压急剧上升的情况。但是，如果输出端等效负载突然短路，由于输出电压迅速降为零，使得控制回路采样后以最大占空比驱动开关管，电感电流直上升，若超出电感电流的额定值，会烧毁电路。同时，在降压型拓扑启动过程中，控制电路需要有软启动措施，使得开关管导通占空比逐渐增加，防止输入端产生较大的浪涌电流。降压型拓扑环路控制模式主要有电压模式控制平均电流模式控制和峰值电流模式控制。电压模式控制电压模式控制是年代后期出现的用于开关稳压电源控制电路中的第种控制方法。电压模式控制结合些电流保护电路，至今仍然广泛应用，它是个单环路自动调控系统，电路结构简单环路稳定容易设计，同时也可以实现较高的恒压精度。如图所示为电压模式控制的降压型充电系统结构示意图。主变换电路是个降压型拓扑，在控制电路作用下将直流输入电压转化为负载电容所需的直流输出电压。如图所示，当控制电路输出为高电位时，型开关管导通，输入端向负载电容提供能量反之，开关管关断，输入端停止向负载电容输出能量。控制电路由控制器脉冲宽度调制器，时钟电路触发器和功率开关管驱动电路组成。其中，控制器由电压采样电路和补偿电路共同组成，输出电压经过电压采样电路获得，采样电压与基准参考电压输入至电压误差比较器产生误差电压信号，作为补偿电路的输入信号。在这里，补偿电路由两个作用对误差电压信号进行反相放大，为比较器提供个控制信号对系统的增益和相位进行适当的补偿，满足电子科技大学硕士学位论文整体系统的稳态和动态性能要求。时钟电路产生两路不同的输出信号，路为三角波电压，为提供个比较输入电平另路为窄脉冲电压，作为触发器的置位信号。当时钟电路的三角波电压大于控制信号时，比较器即输出个高电平，触发器置零，触发器的输出变为低电位，主拓扑功率开关管关断停止工作。所以，触发器输出的高电位脉冲信号是个受输出电压控制的占空比信号。占空比信号通过功率开关管驱动电路，结合其他过温过流欠压等辅助控制功能，输出个驱动开关管的驱动信号控制开关管的导通关断。整个控制环路的调节原理是在时刻，当输出电压高于预设额定值时，补偿电路输出的控制电压信号减小，触发器输出的高电平脉冲电压占空比信号宽度变窄，减少输入到输出端的能量传输时间，使得输出电压的平均值稳定在额定值。电源输入采样电路传递函数控制器脉冲宽度调制器功率开关管驱动电路开关变换拓扑负载参考基准误差信号图电压模式控制的降压型充电系统结构示意图电压模式控制的优势是占空比调节不受限制，三角波电压信号幅值较大，脉冲宽度调节具有良好的抗干扰能力，同时由于是单环路控制，系统比较稳定。但是，电压模式控制对输入电压变化的瞬态响应较慢，需要采取其他方式进行改善。这里采样的是输出电压信号，实质上也可以通过串联在充电回路中的采样电阻采样充电电流大小，将其电流值转化为对应的电压值，进而将电压值作为控制变量输入至控制环路中。实际上通过环路调整，控制的是输出到负载电容上的充电电流的大小。电子科技大学硕士学位论文电子科技大学图标论文题目锂离子电池开关模式充电控制芯片的设计学科专业集成电路工程领域学号作者姓名崔嘉杰指导教师罗萍分类号密级注学位论文锂离子电池开关模式充电控制芯片的设计题名和副题名崔嘉杰作者姓名指导教师罗萍教授电子科技大学姓名职称单位名称申请学位级别硕士学科专业集成电路工程领域提交论文日期论文答辩日期学位授予单位和日期电子科技大学年月日答辩委员会主席评阅人注注明国际十进分类法的类号。独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，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。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说