锂电池智能充电器IC芯片的设计研究

摘要

锂离子和锂聚合物电池由于能量密度高和长循环寿命等优点，在便携式设备中得到了广泛的应用。充电管理是锂电池管理的重要组成部分，安全、可靠、快速、高效的锂电池充电器对锂电池的性能及应用起着至关重要的作用。本文从锂电池的结构原理着手，通过对锂电池性能及常用充电方法的研究，分析了充电过程及充电方法对锂电池性能的影响，并在此基础上设计了一款智能锂离子和锂聚合物电池的充电器芯片。 本文设计的锂电池充电器芯片采用了恒流恒压的充电方法，并在此基础上将充电过程分为三个阶段：预充电、恒流充电和恒压充电。在充电初期采用较小的电流对电池进行预处理，对出现过放电的电池进行修复和保护；然后采用较大的恒定电流对电池充电，实现快速充电的目的；最后采用恒压充电，确保电池充满。这种充电方式具有充电时间短，充电效率高的优点。芯片中有电池状态检测电路，不间断的检测锂电池的电压和电流，以确定锂电池应该进行的充电阶段。 锂电池的充电过程需要进行严格的控制，以保证锂电池的充电安全。本文设计了两种充电保护模式：充电温度保护和充电时间保护。充电温度保护：锂电池充电温度过高会损坏电池并可能引起爆炸，温度过低则很难将电池充满。因此，把锂电池充电时的温度控制在0～45℃之间，如果超出这个温度范围，就停止对锂电池充电。充电时间保护：锂电池被损坏或被移除时，充电不能完成，芯片会被一直设定在充电状态。而一定容量锂电池的充电时间是可以预计的，因此可以设计一个定时器，在锂电池超出最大充电时间时，停止对它的充电。 在充电电源方面，本文选择了使用AC适配器和USB端口。与现在普遍的只采用AC适配器作为供电电源的充电器芯片相比，虽然本文设计充电器芯片显的更复杂，但却极大的提高了充电器的应用范围。芯片可以自动选择AC适配器或USB端口作为供电电源，并保证AC适配器的优先级选择。当电池电压高于AC和USB输入电压时，芯片进入睡眠模式，降低芯片功耗。 此外，用户可以直接设定充电时的充电时间和充电电流，实现了与用户的交互式管理。芯片中集成了功率场效应管，并且只需要与少数的几个外部电容、电阻配合使用，就可以完成充电功能，具有很高的集成度。 最后，本文设计的电路基于0.5μmBCD工艺，用HSPICE进行了仿真。从仿真结果看到，锂电池充电的几个重要指标：电池的充电过程曲线、电池设定电压随温度和输入电源电压的变化曲线以及充电电流随温度的变化曲线都符合设计预期，说明本文设计的锂电池充电器芯片电路具有良好的性能。

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及关于论文使用授权的说明

第一章绪论

第二章锂电池特性及充电方法

第三章锂电池充电器芯片的整体结构设计

第四章电路设计

4.1参考电流源

4.2参考电压源

4.3电压选择电路

4.4锂电池充电电路

4.5温度保护电路

4.6时间控制电路

4.7其他电路

4.8整体电路

第五章结论

致谢

参考文献

作者简介及攻硕期间取得的研究成果