一种抗辐射加固的多节可级联锂电池监控与管理系统芯片研制

摘要

锂离子电池具有的高能量密度特性使得它的应用无处不在，从手机，平板，笔记本等日常电子设备，到电动汽车，储能系统等工业产品，并发展到航空航天系统等高端应用。但锂离子电池也存在一些不足，如在过压，欠压，过温等条件下锂离子电池会出现自燃，爆炸等危险，因而需要对锂离子电池的电压、温度和电流等信息进行及时且精确的监控。航空航天是我国目前投入最多的领域之一，航天电源作为航天系统的心脏，具有至关重要的作用，“有效载荷”作为航天电源重要考核指标之一对电源系统和结构的设计提出了诸多挑战。
　　在这种背景下，本文面向应用，从设计角度出发，针对抗辐射多节可级联锂离子电池监控和管理系统芯片需求，重点研究了锂电池监控与管理系统芯片在实际设计中的关键技术及电路结构，同时对其抗辐射加固技术进行了深入研究。解决了锂电监控与管理系统芯片采集速度慢、芯片面积大、抗干扰能力弱、电池采集时温度漂移大及高压抗辐射能力弱等诸多难题。所取得的主要成果为：
　　1．采用了一种“跳蛙”式的高压采样开关结构，将原有的2N个高压采样开关降低到 N+1个，节省了近一半高压采样部分面积，同时提高了系统可靠性。通过电路设计、流片和测试，本文提出的系统芯片具有较高的采样速度和采样精度。同时采用了几种新型的高速高压采样和转换开关结构，这种结构在高速开关状态下保证了开关的采样和转换精度，在60V共模电压下，将高压采样时间降低到400ns以内，同时采样精度保持在1.2mV(典型)；
　　2．电池均衡对锂电池系统来说同样至关重要，为此采用了几种可靠性更高的高压均衡驱动电路，降低了系统设计的复杂性。同时，采用这些电池均衡驱动电路可以实现主动和被动均衡控制策略，为精确电池均衡控制提供了强有力的支撑；
　　3．针对电源系统中复杂的电磁干扰问题，采用了一种具有高强度电磁抑制能力的菊花链通讯电路，采用模拟和数字滤波相结合的噪声滤除技术，将电磁干扰抑制能力提高到10V/m，从而提高了本芯片的应用范围和可靠性；
　　4．针对军品芯片对宽范围温度的要求，本文采用三极管级联和高次温度系数补偿方式，设计了一款±3ppm的带隙基准结构，从而在整个工作温度范围内保证了对电池采样精度的采集；
　　5．针对抗辐射要求，基于环源环漏结构，采用了一种新的抗总剂量版图结构，提高了数字器件较为精确的宽长比提取，在满足抗辐射指标的同时节省了芯片面积；针对高压电路抗辐射问题，特别是单粒子问题，经过数次电路改进,基于单粒子激光模拟实验和高剂量单粒子摸底实验，解决了37MeV单粒子辐射条件下高压电路单粒子烧毁问题，形成了“单粒子烧毁路径抑制技术”为设计参考，并为后续航天高压元器件设计奠定了理论基础。
　　本文系统的研究了电池监控与管理系统芯片的采集速度、均衡驱动、抗电磁干扰通讯、基准温度漂移、抗辐射加固的各项特点，研究结果通过严格的仿真与实验验证，实验表明，本文设计的电池监控与管理系统芯片，在正常工作条件下，6节级联电池的采集时间小于7.2μs，电池均衡驱动输出电压相对值大于4.0V，菊花链电路抗电磁干扰能力大于10V/m，基准电压的温度漂移在-3ppm~3ppm(-40℃~105℃)，抗单粒子能力大于37MeV，抗总剂量能力大于100Krad。上述研究结果可以为实际电池监控与管理系统芯片的设计工作奠定实验基础并具有重要的指导意义。

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第一章 绪论

1.1论文选题背景

1.2锂电池监控与管理系统芯片国内外研究现状与发展趋势

1.3论文的组织结构

第二章 锂电池监控与管理系统芯片

2.1电池管理系统架构和工作原理

2.2锂电监控与管理系统芯片设计

2.3系统芯片和测试平台

2.4本章小结

第三章 高压电路与系统结构设计研究

3.1高压采样和转换结构研究

3.2高压开关电路研究

3.3高压均衡驱动电路研究

3.4高压电路与系统试验结果分析

3.5本章小结

第四章 菊花链电路设计研究

4.1菊花链电路设计技术

4.2新型抗电磁干扰菊花链设计

4.3新型抗电磁干扰菊花链试验结果分析

4.4本章小结

第五章 低温漂，高精度基准电压设计研究

5.1低温漂，高精度基准电压设计技术

5.2新型低温漂，高精度基准电压设计

5.3新型低温漂，高精度基准电压试验结果分析

5.4本章小结

第六章 锂电池监控与管理系统芯片的抗辐射加固设计

6.1抗辐射加固技术

6.2锂电监控芯片设计中高压模拟电路的抗辐射加固技术研究

6.3锂电监控芯片设计中低压数字电路的抗辐射加固技术研究

6.4本章小结

第七章 总结与展望

7.1总结

7.2展望

参考文献

致谢

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