用太阳能电池供电的锂电池充电管理集成电路的设计Word下载.doc

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ＡｂｓｒｃＡ　ｈｐｗｉｈｉｅｎｎ　ｎｅｌｃｕａ　ｏｅｔ　ｉｈｓｗａ　ｅｅｏｅ．ｔａ　ｅｕｅ　ｏ　ｈｒｉｇＬｉｉｎｃｌｓｔａｔ：

ｃｉ　ｔ　ｎｄｐｅｄｅｔｉｔｌｅｔｌｐｒｐｒｙｒｇｔ　ｓｄｖｌｐｄＩ　ｎｂ　ｓｄｆｒｃａｇｎ　－ｏ　ｅｌ　ｃ

ｗｔｐｗｒｓｐｌｆｍｓｌ　ｅｓＴｅｍｉｆｎｔｎｏ　ｉｃｉ　ｎｌｄｓｃａｇｎ　ｈ　ｉｉｎｃｌ　ｙｉ　ｏｅ　ｕｐｙｒ　ｏａｃｌ．ｈ　ａｎｕｃｏ　ｆｔｓｈｐｉｕｅ：

ｈｒｇｔｅＬ—ｏ　ｅｓｂ　ｈ　ｏｒｌ　ｉｈ　ｃ　ｉｌ

ｃｎｔｎ—ｕｒｎ　ｒｃｎｔｎ—ｏｔｇ　ｄ　ｉ　ｏａ　ｅｌ’ｓｐｌ；

ｍｏｉｒｇｔｅｒａ－ｉ　ｍｐｒｔｒ　ｆｈ　ｏｓｔｃｒｅｔ　ｏｓａｔｖｌｅｍｏｅｗｔｓｌｒｃｌ　ｕｐｙａｏａｈｓｎｔｉ　　ｅｌｔｏｎｈｍｅｔｅｅａｕｅｏ　ｅｔ

Ｌｉｏ　ｅｌ　ｎ　ｈ　ｎｕ／ｕｐｔｖｌｇｓｔ　ｕａａｔｅｃａｇｎｇｔ　ｅｌ　ｅｕｅｙａｄｅｃｅｔ；

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ｔｅｈｇｇｔｔ；

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ｕｏａｃａｊｓｎ　　ａｉ　ｒｔｃｏｄｎ　　ａｃｌ　ｃｒｎｓｅｅｕｃｏｃｃｔｉｉｏｃｒｎｕｅａｔｏｒｅ’

ｄｉｉｇｃｐｂｌｙＴｉｃｉ　　　ｉｈｄｎｉ　Ｉ　ａ　ｎｙｒｑｉｓａｓｌｌｕｅ　ｆｘｒａ　ｏｏｅｔ．ｒｎ　ａａｉｔ．ｈｓｈｐｉａｈｇ　ｅｓｔＡＳＣｔｔｌ　ｅｕｒ　　ｍａ　ｍｂｒ　ｅｎｌｍｐｎｎｓｖｉ　ｓｙｈｏｅｎｏｅｃ　

Ｋｅｗｏｄｓｉｏ　ｌ；

ａｇ　ｎａｅｎ　Ｃ；

ｏａ　ｌＰｏｒｄｙｒ：

Ｌ－ｉｎＣｅｌＣｈｅＭａｇｍｅｔＩＳｌｒＣｅｌｗｅｅ　ｒ　

本课题得到上海市科委集成电路设计专项（目项编号：

０７６０２０的资助。

８０２００）　

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…

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一

Ｉ　－　Ｉ　ＩＩ巾国集成电路　－！

ｉ

■＿　●Ｃｈｎ　ｔｇａｅ　ｒｕｔｉａＩｅｒｔｄＣｉｉｎｃ　

器斗　

一’。

ｆ　

１简介　　

太阳能电池的发展始于上世纪五十年代，最初　应用于宇宙开发，航空航天等领域。

经过近五十年　

的发展，论从发展速度、术成熟性，是从应用　无技还

ＩＨ　Ｐ

领域来看，太阳能电池都是新能源中的佼佼者。

太　阳能电池具有许多优点，比如：

全可靠、噪声、安无无　污染、能量随处可得、不受地域限制、须消耗燃料、无　

无机械转动部件、故障率低、维护简便、可以无人值　

守、建站周期短、模大小随意、须架输电线路、规无可　以方便地与建筑物相结合等，这些优点都是其它发　

电方式所不及的。

图１太阳能电池简化电路模型　

池的特性不同而有所差异。

是，但对于大多数硅电池　而言，一电压都在０５到０６这．Ｖ．Ｖ之间，也是ｐｎ这－　结二极管的正常正向电压。

太阳能电池作为有潜力的可再生能源，多年来　

其产量一直以每年１％到２％的增长率在增加，　Ｏ５目前主要应用领域包括航空航天、军事以及民用消费　

品等。

图２展示了太阳能电池的输出特性。

由于串联　电阻（Ｓ的原因，Ｒ）电压会稍有下降。

然而，有时如　

果通过内部二极管的电流太小，导致偏置不够，会并　且穿过它的电压会随着负载电流的增加而急剧下　降。

后，最如果所有电流都只流过负载而不流过二极　管，出电压就会变为零。

输这个电流被称为太阳能电　池的短路电流（Ｓ。

ＩＣ和ＶＣ都是定义太阳能　ＩＣ）ＳＯ

但是太阳能电池并不是一个理想的电源，其输　出特性受光照强度和光线频谱等因素影响，出电　输流很不稳定，所以太阳能电池不能直接驱动用电装　置，而需要将太阳能电池先存储在蓄电池中，后通　然过蓄电池为用电装置供电。

本课题的芯片可以利用太阳能电池为锂电池充　

工作性能的主要参数之一。

因此，太阳能电池被认为　

是“电流限制”型电源。

的输出电压会随着输出电　它

电，面详细介绍芯片的研发内容。

下　

流的增加而降低，并在负载电流达到短路电流时降　

为零。

２电路设计　　

２１太阳能电池的ｌＶ特性　．＿

太阳能电池一般由ｐｎ结组成，－由于ｐｎ结的　－

由于太阳能电池的输出电流随光照强度的变化　而变化，所以一般不能用太阳能电池给用电系统直　

接供电，一般需要将太阳能电池的能量先存储在蓄　电池中，然后通过电池为系统供电。

这就要求充电电　

路能够适应太阳能电池的电压一电流输出特性。

特性类似于二极管的特性，我们一般以如图１中所　

示的电路作为太阳能电池特性的一个简化模型。

电流源ＩＨ产生的电流和太阳能电池上接收　Ｐ

２２锂离子电池充电时的线性恒流／恒　．

到的光量度成正比。

在实际太阳能电池应用中，并　

联电阻（Ｐ）Ｒ的泄漏电流很小，Ｒ而Ｓ则会产生连接　

压控制技术的研究　

锂离子电池的充电要求是在电池电压低于　４２．Ｖ时采用恒定电流模式充电，在电池电压达到　

损耗。

在没有负载连接的时候，几乎所有产生的电　

．Ｖ锂流都流过二极管Ｄ，其正向电压决定着太阳能电池　４２时采用恒定电压充电模式充电，离子电池或　锂聚合物电池的充电电压不能超过４５．Ｖ，否则将　２的开路电压（Ｏ。

电压会因各种类型太阳能电　ＶＣ）该导致过充电现象，轻则影响电池的使用寿命，严重的　

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，…＾

＾：

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Ｃｈｉ　ｎｔｎａＩｅｇｒｅｄＣｉｃｕｉａｔ　ｒｔ　

整管的导通，以稳定充电电流。

　●Ｖｍａｐ是电压调制放大器，其功能是将反馈　网络输出的信号与电压基准源的误差进行放大，放　

大后的信号用来调整功率调整管的导通，以达到调　

制充电电压的目的。

２３充电时芯片温度调制技术的研究　．

对于线性充电器，在充电过程中，由于功率管消　

图２太阳能电池的一般ＩＶ性　—特

耗功率，会使功率管的结温升高，过高的结温将使半　

会导致电池报废或爆炸。

所以要求充电芯片的恒压　

导体器件工作不可靠，甚至烧毁半导体器件。

线性充　

电管理芯片的结温可由下面的公式计算出：

Ｔ＝Ｔ＋（矾一ＶＡ）×

ＣＸ０ＡｊＡＶＢＴＩ　　Ｈ　　

充电电压的典型值在４Ｖ．，其最大误差不超过４　２２

毫伏。

在我们的设计中，采用电流调制放大器和电　压调制放大器分别对充电电流和充电电压进行调　制，电池电压低于４２在．Ｖ时电流调制放大器主导充　电回路；

电池电压达到４２在．Ｖ时电压调制放大器主　导充电回路，其工作原理如图３所示。

其中，Ｔ是半导体芯片的结温，　　

Ｔ是半导体芯片的环境温度，Ａ　

Ｖ　是输人电压，　

Ｖ胛是电池端电压，　　Ｉ删是充电电流，　０　是半导体芯片的热阻。

　从上面的公式可以看到，当半导体芯片的环境　温度比较高，或者输入电压与电池端的电压差比较　

ＢＡＴ　

大，或者充电电流比较大的时候，半导体芯片的结温　

会有明显的上升。

所以在没有对功率管消耗的功率　进行控制的情况下，工程师设计充电器时必须根据　最坏情况，即最高的芯片环境温度，最大的输人电压　与电池端电压差和最低允许的芯片的结温，来设计　充电电流，只有这样才能保证系统的可靠性。

是这　但

样的设计对于多数时问工作在通常条件下，而不是　

图３恒流恒压控制原理　

最坏条件下的充电器来说，肯定会造成充电电流过　

低或者系统成本上升，而且如果对最坏情况考虑不　充分的话，也会导致充电器工作不可靠。

图３中，　

●Ｍ１Ｐ沟道ＭＯ是Ｓ场效应晶体管，用作功率　调整管，充电电流通过此功率调整管从输入电压　ＶＩ到电池端ＢＴ　Ｎ流Ａ。

●Ｒ１Ｒ和２构成反馈网络，电池电压进行采　对样。

　●Ｉｍａｐ是电流调制放大器，其功能是将对充电　

如果在芯片内部集成有热调制电路，其作用就　是通过对功率管消耗的功率进行控制而达到控制芯　片的结温的目的，当芯片结温上升到１５ｌ℃时，内部　

的热调制电路开始工作，通过调制充电电流，使芯片　

的温度维持在１５Ｃ１￣的恒温状态，这样，即使在最坏　只要根据通常情况进行设计就可以了，没有必要花．　

电流进行采样而反馈回来的信号ＩＢ与电流基准信　情况下，用户也不需担心芯片的温度过高。

工程师　Ｆ号的误差进行放大，放大后的信号用来调整功率调　

ｈＩ－．ｈ…－￣ＩＩ

ｍ　

…Ｉ　Ｈ巾国集成电路　

■　Ｃｈｎ　ｔｇａｅ　ｒｕｔｉａＩｅｒｔｄＣｉｉｎｃ　

甜　．　

１　

费很多时间，力去考虑最坏情况。

精　

小电流回路中对充电电流进行调整和监测，这种方　

法不需要使用几百毫欧姆的电阻，具有精度高，成本　

２４充电器的状态控制的研究　．

在芯片工作时，根据输入电压、电池电压及电池　温度等因素的具体情况，充电器共有下面几种工作　

状态：

低，功耗低和应用电路简单等优点。

２６充电电流自动调整技术研究　．

本课题的芯片内部集成有８位模拟一数字转　换电路，能够根据输入电压源的电流输出能力自动　

（）涓流充电状态　１

当电池电压低于３Ｖ时，为了激活深度放电的　电池和减小功耗，采用涓流充电模式，时充电电流　此为所设置的恒流充电电流的十分之一。

（２）恒流充电状态　

调整充电电流，用户不需要考虑最坏情况，可根据输　

入电压源的最大电流输出能力设置充电电流，最大　限度地利用了输入电压源的电流输出能力，非常适　合利用太阳能电池等输出电流有限的电压源供电的　

锂电池充电应用。

当电池电压在３和４２之间时，了实现快　Ｖ．Ｖ为

速充电，采用恒流充电模式。

（３）恒压充电状态　

２７功能框图　．

将上述功能模块集成到一起，就得到了本课题　

的芯片功能框图，图４所示。

如　

当电池电压达到４２．Ｖ时，进入恒压充电模式，　此时充电电压不再上升，电电流逐渐减小。

充　（充电结束状态　４）　?

在恒压充电阶段，当充电电流减小到恒流充电　

电流的十分之一的时候，将进入充电结束状态。

在充　电结束状态，功率调整管被关断，没有充电电流流向　

电池，证了电池的安全。

保　

（５）电池温度异常状态　

锂离子电池和锂聚合物电池的电解液一般在　

ＯＣ４℃之间具有最好的活性，在电池温度超出　￣到５此范围时对电池充电会损害电池的寿命。

在充电时　需要监测电池的温度，在电池温度超出正常范围时　应该停止充电，以保护电池。

以设立电池温度异常　所

状态。

（６）睡眠状态　

当输入电压低于电池电压时，为了避免电流倒　

灌现象，即电流从电池流向输入电压，需要关断功率　调整管，为此设立睡眠状态。

在睡眠状态，功率调整　

管和内部电路被关断，芯片的电流消耗极低。

图４芯片功能框图　

２５充电电流检测技术的研究　．

在本课题的芯片中，我们采用有源跟踪电流镜　

技术，充电电流精确映射到另一小电流回路中，将在　

３流片与测试结果　

本课题的芯片采用无锡华润上华半导体有限公　

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』＾…

司的０５米ＢｉＭＯ．微　ＣＳ工艺制造，该工艺提供高性　能的ＮＮ型双极晶体管，以保证充电器电路的精　Ｐ可

度。

该工艺的低压器件的沟道长度最低为０微米，．５　

非常适合数字电路部分的高密度布局布线。

　本课题的芯片采用散热增强型的８管脚ＳＰＯ　封装和８管脚的ＤＮ封装两种形式。

Ｆ这两种封装对　于表面贴装器件，有占用ＰＢ的面积小，度薄　具Ｃ厚的特点，尤其是ＤＮ封装，其外形只有３ｍ×

Ｆｍ　３ｍ×

．ｍｍ，ｍ０８５而且散热能力极强，以提供高达１可　

安培的充电电流。

图５典型应用电路　

本课题产生两款芯片，这两个应用电路都能独　般的锂电池充电管理功能，恒流／如恒压充电，电池　

立完成对锂电池充电过程的自动管理，能根据输　并

入电源的输出电流能力自动调整充电电流，其它功　

温度的实时监测，电状态自动控制功能等。

充　

流片测试结果表明，该芯片成功地达到了设计　

指标。

四　

能包括电池温度监测功能和充电器状态指示、。

等　这两款电路只有封装形式和最大持续充电电流不　

表１测试结果　

测试参数　

片内集成功率品体管　最低输入电压　

测试条件及测试说明　

不需要外部功率晶体管和反向阻流　　二极管　存输入端施加最低输入电压时，电路能　够正常１作－状态指示均正常　在电源输入端施加５工作电压，电池　Ｖ在连接端施加４４电压，芯片处于充电　．Ｖ使结束状态然后测培流入第４脚电源　管输入端的电压。

，　，

参数要求　

铂　４

．

测试结果　

自。

３Ｖ５　

４２　．Ｖ

工作电流　

小于ｌ　ｍ　Ａ

６０ＵＡ０　　

恒压充电电压　最大恒定充电电流　

使电路工作恒压充电状态，测最电池连　接端的电压　电池连接端电压为３６，片工作在恒　．Ｖ芯流充电状态　

４

２±

１　Ｖ％

４２±

０５　．Ｖ．％

６０ｍ　０　Ａ可以　可以　

大于５００　ｍ　Ａ可以　可以　

最大充电电流可用外部电阻设置　恒流充电状态　根据输入电源输出电流能力自动调　充电状态　整充电电流　

同，其它完全相同，其典型应用电路图如图５所示。

在２℃温度下芯片的测试结果如表１示。

５所　

参考文献　

［］显争李训铭，能型太阳能充电电路设计，１冯１智东　

４小结　’

本课题成功地设计了一款具有自主知识产权的　

南大学学报（自然科学版），第３卷，增刊（　８Ⅱ）

２０年１月　０８１

［牛黎明，电池在线充放电管理电路的设计，　２】锂电

２０（　集成电路芯片，并应用于使用太阳能电池为锂电池　子技术应用，０２４）３Ｓｏ　ｅｒｏｎ锂ｔ充充电的领域。

该芯片基于０５微米ＢＣＳ工艺，．ｉＭＯ具　［】ｃｔＤａｂｒ，离子电池充电：

电系统的差　世界电子元