锂离子电池开关模式充电控制芯片的设计

摘要

近十几年来,电子技术快速发展,特别是消费电子出现巨大的市场空间,便携式电子产品成为未来的发展趋势。各种便携式电子产品功能日益增多,速度越来越快,体积却逐渐缩小,这对其供电电池提出了长续航时间、轻便、高效的要求。锂离子电池具有高能量密度、长寿命、高放电电压、无污染、无记忆效应等独特优势,因而成为了便携式电子产品的理想供电电池。但锂离子电池对充电过程的控制要求更为严苛,需要高精度的电流、电压充电,分段的充电过程和完善的保护功能。本文针对高精度、分阶段等充电需求,设计了一款基于0.5μm标准CMOS工艺的开关模式充电控制芯片。
　　本文首先介绍了锂离子电池的特性及充电控制方式,具体阐述了恒压充电、恒流充电、恒流恒压(Constant Current Constant Voltage,CC-CV)充电三种充电控制方式,分析了CC-CV充电方式的优势。然后介绍锂离子电池充电系统设计,包括充电拓扑、环路控制模式选择,接着计算了电感、电容等系统参数。最后,阐述了芯片内部关键功能模块的设计与仿真,包括带隙基准电路、软启动电路、芯片欠压保护电路、过热关断保护及RC振荡器等功能模块,并仿真验证了整体电路功能。本文重点介绍了高精度的电流型带隙基准电路设计和软启动、功率管驱动的实现。
　　本文设计的充电控制芯片整体版图面积大小为3mm×2mm,采用0.5μm标准CMOS工艺流片,具有低成本优势。其中,1.25V的带隙基准电压源温度系数为13ppm/℃,设计有 Trimming修调电路校正工艺角偏差,在-40~120℃的工作温度范围内确保电池充电结束电压精度在0.5％以内。开关频率为1.5MHz,采用功率管驱动电路实现高效率的开关模式充电控制,具有软启动电路、欠压保护、过热关断等多方面保护功能。

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第一章 绪论

1.1 论文的研究背景及意义

1.2 锂离子电池充电控制芯片的研究现状和发展趋势

1.3 本文的主要工作

第二章 锂离子电池特性及充电方式

2.1 锂离子电池特性

2.2 锂离子电池充电方式

第三章 锂离子电池充电系统设计

3.1 锂离子电池充电系统拓扑选择

3.2 锂离子电池充电系统环路控制模式选择

3.3 锂离子电池充电系统参数设计

第四章 锂离子电池充电控制芯片电路设计

4.1 充电控制芯片整体架构

4.2 带隙基准电路设计

4.3 软启动电路

4.4 芯片欠压保护电路

4.5 芯片过热关断保护电路

4.6 RC振荡器

4.7 功率管驱动数字逻辑电路

4.8 充电控制芯片整体电路仿真

第五章 充电控制芯片版图及后仿真结果

5.1 充电控制芯片版图设计

5.2 锂离子电池充电系统关键模块后仿真结果

第六章 结论

致谢

参考文献

硕士期间取得的研究成果