锂电池集成保护电路的设计与研究

摘要

近年来，随着新能源汽车行业的兴起，锂电池在日常生活中的应用范围不断扩大。其中，大功率动力锂电池更是获得了迅速的发展。由于动力锂电池的功率越大，危险性越高，因此，人们对锂电池保护电路也提出了更高的要求。 锂电池保护电路是电池中不可或缺的一部分，它能够将电池的电压、电流限制在特定的安全合理的范围内，所以，保护电路的优劣会直接影响锂电池的使用寿命和安全性。目前保护电路朝着面积更小，耐压更高，可靠性更强的方向发展。因此，本文设计了一款耐压为25V的锂电池保护电路，它的过压保护电压为25V，欠压保护电压为20V，过流保护电流为3A，静态工作电流为30uA以下。 在电路内部，本文提出了串联型供电的双比较器结构。该比较器具有对称分布的结构，它能够实现轨至轨输出。在适当的偏置下，两个比较器中的差分放大电路可以实现串联供电，并且能够互不影响地工作。然后本文对该结构进行了输入输出电压的仿真分析，证实了该结构的可行性。 为了匹配串联的双比较器，本文设计了对称分布的电压基准源，偏置电路以及分压电路。使电压检测电路的总功耗降低了近一半。 其次，本文还设计了一种高灵敏度的电流采样电路。它利用一对MOS管源极电压的差值与采样电阻的电压进行对比，并判断电流是否过大。这样的电路能够对极低的电压进行检测，从而降低了采样电阻的阻值与功耗。接下来，本文使用另一对MOS管作为对比，抵消了电流采样电路的温度系数，使它的温漂接近于零。然后，本文又通过恒流电路的结构，使它在检测电流时不受电源电压的影响。 此外，本文还对过流保护的延时电路做出了设计，解决了过流保护被反复触发的问题。为减少电容等外部元件，延时功能采用数字电路实现。本文为数字部分设计了片内的供电模块和时钟模块。 最后，本文将过流检测、过压检测、欠压检测等模块整合到了一起。并通过适当的电路对它们的输出端进行了电压匹配，使整个电路能够正确地控制外接MOS管，实现锂电池保护电路所要求的功能。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究工作的背景

1.1.1 锂电池的起源和发展

1.1.2 锂电池的充放电特性

1.2 锂电池保护电路的国内外研究现状

1.2.1 保护电路的工作原理与技术难点

1.2.2 当前保护电路的研究方向

1.3 本文的研究内容及意义

1.4 本文的结构安排

第二章 电路的总体结构设计

2.1 技术背景和理论基础

2.1.1 比较器

2.1.2 电压基准源

2.2 研究工具简介

2.3 电路的引脚及功能定义

2.4 电路的技术参数

2.5 电路内部的模块划分

2.6 本章小结

第三章 电压检测电路的设计

3.1 比较器的设计与改进思路

3.2 限压和分压电路的设计

3.3 差分输入级的串联设计

3.4 偏置电路的设计

3.5 比较器后级电路的设计

3.6 双阈值的实现

3.7 电压基准源的设计

3.8 本章小结

第四章 过流保护的设计

4.1 过流检测电路

4.2 过流保护的延时设计

4.3 过流保护触发与恢复

4.4 本章小结

第五章 结论

5.1 对本芯片设计的总结

5.2 锂电池保护电路的未来展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果