单节锂离子电池充电芯片的设计与验证

摘要

随着手机等便携式电子设备的小型化和功能复杂化，电子设备对其内部供电电池的性能要求也在逐渐提高。锂离子电池凭借其能量密度大、工作电压高、寿命长、充电快等特点被广泛应用。与此同时，高效、快速、可靠的锂离子电池充电技术也成为了越来越广泛的市场需求。 基于电源管理集成电路被广泛应用的前提，以西安电子科技大学CAD研究所承接的重点科研项目为背景，本文对锂离子电池充电技术的相关理论进行了研究，并在此基础上设计了一款单节锂离子电池充电管理芯片。 本文设计的锂离子电池充电管理芯片XD8268采用包含涓流、恒流、恒压的分段式恒流恒压充电方式。当锂离子电池电压较低时，芯片采取1/10的恒流充电电流对电池进行涓流充电，对过分放电的锂离子电池进行修复和保护；当锂离子电池电压超过涓流充电阈值后，芯片采用较大的恒定电流对电池充电，以达到缩短充电时间，快速充电的目的；当锂离子电池电压超过恒流充电阈值后，芯片采用恒定电压对电池充电，确保锂离子电池电量饱和。这种三段式的充电方式具有速度快，效率高，安全性好的优点。 XD8268采用Buck DC-DC转换器和线性Charger级联的电路架构，首先通过Buck DC-DC转换器高效地将输入电压转换为一个与电池电压压差较小的稳定电压，然后线性Charger借助这个稳定电压给锂离子电池充电。这种级联结构通过Buck DC-DC实现高转化效率，通过线性Charger得到高精度和高稳定性，有机地结合了开关式充电和线性充电的优点，使得XD8268在降低系统设计复杂度的同时获得了高充电精度和高转换效率。 另一方面，随着便携式电子设备电池容量的增加，功率动态路径管理（DPM）被加入到XD8268的充电过程中。功率动态路径管理使得用户能够在电子设备充电时运行更多的应用和程序，减小了电源供电能力对使用自由度的限制。 XD8268的电路设计基于韩国Dongbu HiTek0.5μm1P3M5V/20V BCD工艺，首先使用Cadence EDA设计工具以及Spectre仿真平台进行电路设计和仿真验证，采用WaveView Analyzer Version进行仿真结果观察与分析；随后使用Cadence版图设计软件绘制版图并完成流片，XD8268裸die面积1.7?1.9mm2；最后设计测试专用PCB板并搭建测试平台对芯片XD8268进行实测验证。测试结果显示XD8268各功能运行正常，且在进行2A恒流充电时，充电电流误差小于4.6%，充电转换效率高达88.2%，性能良好。

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