一种新型移动电源管理芯片的研究与设计

摘要

移动电源作为便携式充电器，可随时随地给手机、平板电脑等数码设备充电。目前使用最为广泛的由锂离子电池作为储电单元。充/放电管理是锂电池控制中非常关键的部分，快速、安全、高效率的控制芯片对锂电池的性能及寿命起着至关重要的作用。本文设计了一款性能优越、运用广泛，低成本的移动电源充/放电管理芯片。
　　本文结合全定制的设计理念，完成了从底层模块电路到整体顶层的正向设计，分别从充电和放电两个方面入手；充电：采用线性充电模式实现了实时监控电池电压，在不同电池电压下分别以涓流充电、恒流充电、恒压充电、充电终止等阶段并设有过冲电、过放电、短路、过温等保护功能。放电：实现以同步整流DC-DC方式升压；采用PWM和PSM混合调制模式以提高转换效率；运用分段驱动方式开启/关闭功率管；逐周期检测电感电流实现过流保护以及防止轻载的DCM模式下电流倒灌现象；并设有短路检测及自恢复、过压、过温等保护功能，以确保芯片的安全可靠。
　　此外，该芯片的恒流充电流可通过外围电阻大小来调节；所有功率管采用内置的方式集成，提高集成度，降低成本；采用片上修调方式对基准源进行校准，能确保输出电压的精确度；同时，还给出了一种新颖的输出短路保护电路。
　　最后，本文的电路设计基于CSMC0.5μm BICMOS工艺，使用Cadence工具完成了电路设计、仿真、版图设计及验证。从仿真的结果来看，电池在充电过程充电电流随电压的变化曲线、放电过程中输出电压随负载、温度等的变化曲线、各种保护机制及性能指标也都符合设计预期。该芯片适用于单节锂电池线性充电及升压输出5V移动电源，该芯片现已成功流片。

目录

第一章 绪论

1.1锂离子电池简介

1.2 国内锂离子电池发展现状与趋势

1.3论文的目的及意义

1.4本论文的主要工作和结构体系

第二章 锂离子电池充放电的基本结构和工作原理

2.1锂电池的充电解决方案

2.2 DC-DC变换器的基本原理

第三章 电源管理芯片的系统设计与升压稳定性分析

3.1芯片的功能要求与性能指标的设计

3.2系统电压环路稳定性及补偿

第四章 电源管理芯片子模块电路的设计与分析

4.1上电复位及欠压锁存电路

4.2基准电路的设计与仿真

4.3锂离子电池充电电路的设计

4.4误差放大器电路的设计与仿真

4.5振荡器的设计与仿真

4.6电感电流采样电路的设计

4.7轻载检测及切换电路的设计

4.8轻载DCM模式下防止电流倒灌电路的设计

4.9短路保护电路的设计

第五章 电源管理芯片的整体功能及主要性能特性指标仿真

5.1电池充电过程的仿真

5.2电池放电升压过程的仿真

5.3电池放电升压转换效率

5.4整体仿真电气参数对比

第六章 整体电路的版图设计

6.1所选工艺概述

6.2版图的设计与规划

6.3基准源的版图设计

6.4整个芯片的版图设计

6.5封装完整的芯片成品图

结束语

致谢

参考文献

附录

声明