用太陽能電池供電的鋰電池充電管理集成電路的設(shè)計.doc

本文由hejiangxiu貢獻 pdf文檔可能在WAP端瀏覽體驗不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機查看。 用太陽能電池供 電的 鋰電池充電管理集成電路的設(shè)計 程莉莉 ， 建龍， 趙 熊勇， 紀虹 ， 張為 ， 鄭殷 （ 中國科學(xué)院上海微 系統(tǒng) 與信 息技術(shù)研 究所 ， 上海 ） 摘要 ： 本課題 研發(fā) 成功 了一款 具有 自主知 識產(chǎn) 權(quán) 的集成 電路 芯 片 集成 電路 主要 用 于使 用 太 陽能 電池 ， 該 為鋰 電池 充 電的領(lǐng) 域 。 其主要 功 能 包括 ： 利用 太 陽能 電池對 鋰 電池進行 恒 流 恒壓 充 電： 充 電的過程 中 實時監(jiān)測電池的溫度 ， 監(jiān)測輸入 出電壓 ， 輸 以保證安全有效的對 電池充電； 充電狀態(tài) 自動控制功能； 芯 片溫度 調(diào)制 電路 ； 據(jù) 太 陽能 電池 的輸 出電流能力 自動調(diào) 整充 電電流 的功 能 。該 芯片還具 有 集成度 高， 根 應(yīng)用電路 簡單等優(yōu)點。 關(guān)鍵詞 ： 電池； 鋰 充電管理 集成 電路 ； 陽能 電池供 電 太 ， ， ， ， ， （ ， ， ， ） ： ： ； ； ； ； ； ； ： 本課題得到上海市科委 集成 電路設(shè)計專項 （ 目 項 編號： 的資助。 ） ， ， ： 一 巾國集成電路 ！ 器斗 一 。 簡 介 太 陽能 電池 的發(fā) 展始 于上 世紀 五十 年代 ，最初 應(yīng) 用于 宇宙 開 發(fā) ， 航空 航 天 等領(lǐng) 域 。經(jīng) 過 近 五 十年 的 發(fā)展 ， 論從 發(fā)展 速 度 、 術(shù)成 熟 性 ， 是 從應(yīng) 用 無 技 還 領(lǐng)域來 看 ，太 陽能 電池都是 新 能源 中 的佼佼 者 。太 陽能 電池具 有許 多優(yōu) 點 ， 比如： 全可 靠 、 噪聲 、 安 無 無 污染 、 能量 隨處可 得 、 不受地 域 限制 、 須 消耗燃 料 、 無 無機械轉(zhuǎn)動部件 、 故障率低 、 維護簡便 、 可以無人值 守、 建站 周期 短 、 模大 小 隨意 、 須架 輸 電線路 、 規(guī) 無 可 以方便地 與 建筑物 相結(jié) 合等 ，這些 優(yōu) 點都是 其它 發(fā) 電方式所 不及 的。 圖 太 陽 能 電池 簡 化 電路 模 型 池 的特性 不 同而有 所差 異 。 是 ， 但 對于 大多數(shù) 硅 電池 而 言 ， 一 電壓都 在 到 這 之 間 ， 也 是 這 結(jié)二 極 管的正 常正 向電壓 。 太陽能電池作為有潛力的可再生能源 ，多年來 其 產(chǎn) 量一 直 以每年 到 的增 長率 在 增 加 ， 目 前 主要應(yīng) 用領(lǐng) 域包 括航 空航 天 、軍 事 以及 民用消 費 品等 。 圖 展示了太 陽能電池的輸出特性。由于串聯(lián) 電阻 （ 的原因， ） 電壓會稍有下降。然而 ， 有時如 果通 過 內(nèi)部二 極管 的 電流太小 ， 導(dǎo)致偏 置不 夠 ， 會 并 且 穿 過 它 的 電壓 會 隨著 負 載 電流 的增 加 而 急 劇 下 降。 后 ， 最 如果所 有 電流都 只流 過負 載而不 流過 二極 管 ， 出電壓就會 變 為零 。 輸 這個 電流被 稱 為太 陽能 電 池 的短路 電流 （ 。和 都 是定 義太 陽能 ） 但是 太 陽能 電池 并不 是一個 理 想 的電源 ，其輸 出特性 受光 照 強度 和 光線 頻譜 等 因素 影 響 ， 出 電 輸 流很 不穩(wěn) 定 ，所 以太 陽能 電池不 能 直接驅(qū) 動用 電裝 置， 而需要 將太 陽能 電池先 存儲 在蓄 電池 中 ， 后通 然 過 蓄電池 為用 電裝置 供 電。 本 課題 的芯 片可 以利用 太 陽能 電池為鋰 電池充 工作性能的主要參數(shù)之一。 因此 ， 太陽能電池被認為 是 “ 電流 限制 ”型 電源 。 的輸 出 電壓 會 隨著輸 出 電 它 電 ， 面詳 細介紹 芯 片的研 發(fā) 內(nèi)容 。 下 流的增加而降低 ，并在負載電流達到短路電流時降 為零。 電路 設(shè) 計 太 陽 能 電池 的 特 性 太 陽能 電池一 般 由 結(jié) 組成 ， 由于 結(jié) 的 由于太 陽能 電池 的輸 出 電流 隨光 照強度 的變 化 而 變化 ，所 以一般 不 能用 太 陽能 電池 給用 電系統(tǒng) 直 接供 電， 一般需要將太陽能電池的能量先存儲在蓄 電池 中， 然后通過 電池為系統(tǒng)供 電。 這就要求充電電 路能 夠適 應(yīng)太 陽能 電池 的 電壓 一電流輸 出特性 。 特性類似于二極管的特性 ，我們一般以如圖 中所 示 的 電路 作為 太 陽能 電池 特性 的一 個簡 化模 型 。 電流 源 產(chǎn) 生 的 電流 和 太 陽能 電池 上 接 收 鋰 離 子 電 池 充 電時 的線 性 恒 流 恒 到 的光 量度 成 正 比 。在實 際 太 陽能 電池 應(yīng)用 中 ， 并 聯(lián) 電阻 （ ） 的泄漏 電流很小 ， 而 則 會 產(chǎn)生 連接 壓控制技術(shù) 的研究 鋰 離 子 電 池 的充 電要 求 是 在 電 池 電 壓 低 于 時采 用 恒定 電流 模 式充 電 ，在 電池 電壓 達 到 損耗 。在沒 有負 載連 接 的時候 ，幾乎 所有 產(chǎn)生 的 電 鋰 流都流過二極管 ， 其正 向電壓決定著太陽能電池 時采用 恒定 電壓 充 電模 式充 電 ， 離子 電池 或 鋰聚合物電池的充 電電壓不能超過 ，否則將 的開路 電壓 （ 。 電壓會 因各種 類型 太 陽能 電 ） 該 導(dǎo) 致過 充 電現(xiàn)象 ， 輕則 影 響電池 的使 用壽命 ， 嚴重 的 、 ， ： 整管 的導(dǎo)通 ， 以穩(wěn)定 充 電 電流。 是 電壓 調(diào)制 放大 器 ，其功 能是 將反 饋 網(wǎng)絡(luò)輸 出的信 號 與 電壓基 準 源 的誤 差進 行 放 大 ， 放 大后 的信號用來調(diào)整功率調(diào)整管的導(dǎo)通 ，以達到調(diào) 制充 電 電壓 的 目的 。 充 電時芯片溫度 調(diào)制技術(shù) 的研究 對于線性充 電器 ， 在充電過程中， 由于功率管消 圖 太 陽 能 電池 的一 般 性 特 耗功率， 會使功率管的結(jié)溫升高 ， 過高的結(jié)溫將使半 會 導(dǎo)致 電池報廢 或爆 炸 。所 以要 求充 電芯 片的恒 壓 導(dǎo)體器件工作不可靠 ， 甚至燒毀半導(dǎo)體器件。 線性充 電管理 芯片 的結(jié) 溫可 由下 面的公式 計算 出 ： （ 礬一 ） 充 電電壓的典型值在 ，其最大誤差不超過 毫伏 。在 我們 的設(shè)計 中 ，采 用 電流調(diào) 制放大 器 和電 壓 調(diào) 制 放大 器 分 別 對 充 電 電 流 和充 電 電 壓進 行 調(diào) 制 ， 電池 電壓低 于 在 時 電流調(diào) 制放 大器 主導(dǎo)充 電回路 ； 電池 電壓達 到 在 時 電壓 調(diào)制 放 大器 主 導(dǎo)充 電 回路 ， 其工 作原 理如 圖 所示 。 其 中 ， 是半導(dǎo) 體 芯片 的結(jié)溫 ， 是半導(dǎo)體芯片的環(huán)境溫度 ， 是輸 人 電壓 ， 胛是 電池端 電壓 ， 刪是充 電電流 ， 是半導(dǎo) 體芯 片 的熱 阻 。 從上 面的公 式可 以看 到 ，當半導(dǎo)體 芯 片的環(huán)境 溫度 比較 高 ，或者輸 入 電壓與 電池端 的 電壓差 比較 大， 或者充電電流比較大的時候 ， 半導(dǎo)體芯片的結(jié)溫 會有 明顯 的上 升 。所 以在沒 有對 功率管 消耗 的功率 進行控 制 的情況 下 ，工程師 設(shè)計 充 電器 時必須 根據(jù) 最壞 情況 ， 即最 高 的芯 片環(huán)境 溫 度 ， 最大 的輸 人 電壓 與 電池端 電壓差 和最 低允許 的芯 片 的結(jié) 溫 ，來 設(shè)計 充 電電流 ， 只有這 樣才 能保證 系統(tǒng) 的可靠 性 。 是這 但 樣 的設(shè)計對于多數(shù)時問工作在通常條件下，而不是 圖 恒 流恒 壓 控 制 原 理 最壞條件下的充電器來說 ，肯定會造成充電電流過 低 或 者系統(tǒng) 成本上 升 ，而且 如果對 最壞 情況考 慮不 充 分 的話 ， 也會 導(dǎo)致 充 電器工 作不 可靠 。 圖 中 ， 溝道 是 場 效 應(yīng) 晶體 管 ， 用作 功率 調(diào) 整管 ，充 電 電流通 過 此 功 率 調(diào) 整 管 從 輸 入 電壓 到 電池 端 流 。 和 構(gòu)成 反 饋 網(wǎng)絡(luò) ， 電池 電壓 進行 采 對 樣。 是 電流調(diào) 制放 大器 ， 其功 能是將 對充 電 如果在芯片內(nèi)部集成有熱調(diào)制電路 ， 其作用就 是通過對功率管消耗 的功率進行控制而達到控制芯 片的結(jié)溫的目的， 當芯片結(jié)溫上升到 時， 內(nèi)部 的熱調(diào)制 電路開始工作 ， 通過調(diào)制充電電流， 使芯片 的溫度維持在 的恒溫狀態(tài) ， 這樣 ， 即使在最壞 只要根據(jù)通 常情況進行設(shè)計就可以了，沒有必要花 電流進行采樣而反饋 回來的信號 與電流基準信 情況下 ，用戶也不需擔(dān)心芯片的溫度過高。工程師 號的誤差進行放大 ， 放大后 的信號用來調(diào)整功率調(diào) ： 巾國集成電路 甜 一 。 費很 多 時間 ， 力去 考慮 最壞情 況 。 精 小 電流 回路 中對充 電 電流進行 調(diào)整 和監(jiān) 測 ，這種方 法不需要使用幾百毫歐姆的電阻 ， 具有精度高， 成本 充 電器 的狀態(tài)控制的研究 在芯 片工作 時 ， 根據(jù)輸 入 電壓 、 電池 電壓 及 電池 溫度 等 因素 的具 體情 況 ，充 電器共 有下 面幾 種工作 狀態(tài) ： 低， 功耗低和應(yīng)用電路簡單等優(yōu)點。 充 電電流 自動調(diào)整技術(shù)研究 本課 題 的芯 片 內(nèi) 部集 成 有 位模 擬 一數(shù) 字 轉(zhuǎn) 換 電路 ，能夠 根據(jù)輸 入 電壓源 的 電流輸 出能力 自動 （ ）涓 流充 電狀態(tài) 當 電池 電壓 低 于 時 ，為 了激 活深 度 放 電的 電池 和減 小功耗 ， 采用 涓流 充 電模式 ， 時充 電 電流 此 為所設(shè) 置 的恒流 充 電電流 的十分 之一 。 （ ）恒 流充 電狀 態(tài) 調(diào)整充電電流 ， 用戶不需要考慮最壞情況 ， 可根據(jù)輸 入 電壓源 的最 大 電流輸 出能力設(shè) 置充 電電流 ，最 大 限度 地利用 了輸 入 電壓源 的 電流輸 出能力 ，非 常適 合 利 用太 陽能 電池等輸 出電流有 限的 電壓 源供 電 的 鋰 電池 充 電應(yīng)用 。 當 電池 電壓 在 和 之 間時 ， 了實現(xiàn) 快 為 速充電， 采用恒流充電模式 。 （ ）恒壓 充 電狀 態(tài) 功 能框 圖 將 上述功 能模 塊集 成到 一起 ，就得 到 了本課 題 的芯 片功能框 圖 ， 圖 所示 。 如 當電池 電壓 達到 時 ，進入 恒壓 充 電模 式 ， 此時充 電 電壓不再 上升 ， 電 電流 逐漸 減小 。 充 （ 充 電結(jié) 束狀 態(tài) ） ? 在 恒壓充 電階段 ，當充 電 電流 減小 到恒 流充 電 電流的十分之一的時候 ， 將進入充電結(jié)束狀態(tài)。 在充 電結(jié)束狀態(tài) ， 功率調(diào)整管被關(guān)斷 ， 沒有充 電電流流 向 電池 ， 證 了電池 的安全 。 保 （ ）電池溫 度異 常狀態(tài) 鋰離子 電池和鋰聚合物 電池 的電解液一般 在 之 間具有 最 好 的活性 ，在 電池 溫度 超 出 到 此 范 圍時對 電池 充 電會損 害 電池 的壽命 。在充 電時 需要 監(jiān)測 電池 的溫度 ，在 電池 溫度超 出正 常 范 圍時 應(yīng)該停 止 充 電 ， 以保 護 電池 。 以設(shè) 立 電池 溫 度異 常 所 狀態(tài) 。 （ ）睡 眠狀態(tài) 當輸入 電壓 低于 電池 電壓 時 ，為 了避 免 電流倒 灌現(xiàn)象 ， 即電流從 電池流向輸入電壓 ， 需要關(guān)斷功率 調(diào)整管 ， 為此設(shè)立睡眠狀態(tài)。在睡眠狀態(tài) ， 功率調(diào)整 管和 內(nèi)部 電路 被關(guān) 斷 ， 芯片 的 電流 消耗 極低 。 圖 芯 片功 能框 圖 充 電電流檢測技術(shù) 的研究 在本課題的芯片中，我們采用有源跟蹤 電流鏡 技 術(shù) ， 充 電電流精 確 映射 到另一 小 電流 回路 中 ， 將 在 流 片 與測 試 結(jié) 果 本課題的芯片采用無錫華潤上華半導(dǎo)體有限公 ， ： 司的 米 微 工藝 制造 ，該 工藝 提供 高性 能 的 型 雙極 晶體管 ， 以保證 充 電器 電路 的精 可 度。 該工藝的低壓器件的溝道長度最低為 微米 ， 非 常適合 數(shù) 字 電路部 分 的高密 度布局 布線 。 本課 題 的芯 片采 用 散 熱 增 強 型 的 管 腳 封 裝和 管腳 的 封裝 兩種形 式 。 這兩種 封裝 對 于 表 面貼 裝 器 件 ， 有 占用 的面 積 小 ， 度 薄 具 厚 的特 點 ，尤 其 是 封 裝 ，其 外 形 只 有 ， 而且 散熱 能力 極強 ， 以提 供高 達 可 安 培 的充 電 電流 。 圖 典型 應(yīng) 用 電路 本課題產(chǎn)生兩款芯片 ，這兩個應(yīng)用電路都能獨 般 的鋰 電池 充 電管理 功能 ， 恒流 如 恒壓 充 電 ， 電池 立 完成 對鋰 電池 充 電過 程 的 自動 管理 ， 能 根 據(jù)輸 并 入 電源的輸 出電流能力 自動 調(diào)整充 電 電流 ，其 它功 溫度的實時監(jiān)測 ， 電狀態(tài) 自動控制功能等。 充 流 片測試 結(jié)果表 明 ，該 芯 片成功 地達 到 了設(shè) 計 指標。 四 能包 括 電池 溫 度 監(jiān) 測功 能 和 充 電器 狀 態(tài) 指示 、 。 等 這 兩款 電路 只 有 封裝 形 式 和最 大 持 續(xù) 充 電 電流 不 表 測 試 結(jié) 果 測 試 參 數(shù) 片 內(nèi) 集成 功率 品體 管 最 低 輸 入 電壓 測 試 條 件 及 測 試 說 明 不 需 要 外 部 功 率 晶 體 管 和 反 向 阻 流 二 極 管 存 輸 入 端 施 加最 低 輸 入 電壓 時 ， 電路 能 夠正常作 狀 態(tài) 指 示 均 正 常 在 電源 輸 入 端 施加 工 作 電壓 ， 電池 在 連 接 端 施加 電壓 ， 芯 片 處 于充 電 使 結(jié)束狀態(tài) 然 后 測培 流 入 第