光伏系統(tǒng)中蓄電池的充電保護(hù)IC電路設(shè)計(jì)

1、2012-07-19#2012-07-19#2#0#1#2-07-19#光伏系統(tǒng)中蓄電池的充電保護(hù) IC 電路設(shè)計(jì)曾德友, 凌朝東, 李國剛( 華僑大學(xué) 元順集成電路研發(fā)中心, 福建 泉州362021)摘要: 在蓄電池的充電管理以及保護(hù)中, 使用單片機(jī)控制或者使用分立元件構(gòu)成的控制器電路復(fù)雜并且占用面積大、功耗高, 使其在很多場合特別是在光伏系統(tǒng)中的使用受到限制。為了解決蓄電池充電和保護(hù)電路的分離以及占用面積較大的問題,設(shè)計(jì)了采用 CSMC 0.6 m CMO S工藝實(shí)現(xiàn)的集蓄電池充電和保護(hù)功能于一身的 IC , 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)免維護(hù)鉛酸蓄電池的浮充充電以及過充、過放、過流保護(hù)。采用 Cadenc

2、e 中的 Spectre, 對(duì)電路進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)與初步的前端仿 真, 達(dá)到了基本的設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞:CSMC 浮充充電;過充; 過放; 過流中圖分類號(hào): TN402文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A文章編號(hào): 1671-4776 ( 2007) 06-0331-06Design of a Lead-Acid Batter yChar ging and Pr otecting IC in Photovoltaic SystemZENG De-you, LING Chao-dong, LI Guo-gang( Yuanshun IC Design R & D Center, Huaqiao University,

3、Quanzhou 362021, China)Abstr act : For the charging and protecting of the storage battery in photovoltaic system managedby MCU or independent component, the use of it is restricted in some fields. The charger and protector of the storage battery are independent at present, and also wasting lots of a

4、rea. An ICintegrated with the abilities of charging and protecting, with the CSMC m model was intro-duced. The IC achieves the float-charging and the protection of over-charge, over-discharge, and over-discharge current. The simulation was done by the spectre tools of Cadence. The analysis, designin

5、g and front-ended simulation mostly accomplished and achieved the basic designing re-quirements.Key wor ds: CSMC float-charging; over-charging;over-discharging; over discharging current開始普及, 太陽能照明也已經(jīng)在我國很多城市開始投入使用。作為太陽能照明的一個(gè)關(guān)鍵部分, 蓄電 池的充電以及保護(hù)顯得尤為重要。由于密封免維護(hù) 鉛酸蓄電池具有密封好、無泄漏、無污染、免維1引言太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的能源越來

6、越受到重視。太陽能發(fā)電已經(jīng)在很多國家和地區(qū)收稿日期: 2007- 01- 26201基2金-項(xiàng)0目7: 福-建1省9自#然科#學(xué)#基#金#資#助#項(xiàng)#目#( 2#00#6J0#404#) 2012-07-19#2#0#1#2-07-19#護(hù)、價(jià)格低廉、供電可靠, 在電池的整個(gè)壽命期間電壓穩(wěn)定且不需要維護(hù)等優(yōu)點(diǎn), 所以在各類需要不 間斷供電的電子設(shè)備和便攜式儀器儀表中有著廣泛 的應(yīng)用。采用適當(dāng)?shù)母〕潆妷? 在正常使用 ( 防止 過放、過充、過流) 時(shí), 免維護(hù)鉛酸蓄電池的浮充 壽命可達(dá) 1216 年, 如果浮充電壓偏差 5%則使用 壽命縮短 1 /2。由此可見, 充電方式對(duì)這類電池的 使用壽命有

7、著重大的影響。由于在光伏發(fā)電中, 蓄 電池?zé)o需經(jīng)常維護(hù), 因此采用正確的充電方式并采 用合理的保護(hù)方式, 能有效延長蓄電池的使用壽 命。傳統(tǒng)的充電和保護(hù) IC 是分立的, 占用面積大 并且外圍電路復(fù)雜。目前, 市場上還沒有真正的將 充電與保護(hù)功能集成于單一芯片。針對(duì)這個(gè)問題, 設(shè)計(jì)一種集蓄電池充電和保護(hù)功能于一身的 IC 是 十分必要的。在 25 處為最佳工作狀態(tài); 在環(huán)境溫度為 0 時(shí)充電不足; 在 45 時(shí)可能因嚴(yán)重過充電縮短電池 的使用壽命 1 。要使得蓄電池延長工作壽命, 對(duì)蓄電池的工作狀態(tài)要有一定的了解和分析, 從而 實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池進(jìn)行保護(hù)的目的。蓄電池有四種工 作 狀 態(tài) : 通 常

8、 狀 態(tài) 、 過 電 流 狀 態(tài) 、 過 充 電 狀 態(tài) 、 過放電狀態(tài)。但是由于不同的過放電電流對(duì)蓄電 池的容量和壽命所產(chǎn)生的影響不盡相同, 所以對(duì) 蓄電池的過放電電流檢測也要分別對(duì)待。當(dāng)電池 處于過充電狀態(tài)的時(shí)間較長, 則會(huì)嚴(yán)重降低電池 的容量, 縮短電池的壽命。當(dāng)電池處于過放電狀 態(tài)的時(shí)間超過規(guī)定時(shí)間, 則電池由于電池電壓過 低 可 能 無 法 再 充 電 使 用 , 從 而 使 得 電 池 壽 命 降 低。根據(jù)以上所述, 充電方式對(duì)免維護(hù)鉛酸蓄電池 的壽命有很大影響, 同時(shí)為了使電池始終處于良好 的工作狀態(tài), 蓄電池保護(hù)電路必須能夠?qū)﹄姵氐姆?正常工作狀態(tài)進(jìn)行檢測, 并作出動(dòng)作以使電池

9、能夠 從不正常的工作狀態(tài)回到通常工作狀態(tài), 從而實(shí)現(xiàn) 對(duì)電池的保護(hù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)與考慮系統(tǒng)主要包括兩大部分:2蓄電池充電模塊和保護(hù)模塊。這對(duì)于將蓄電池作為備用電源使用的場合具有重要意義, 它既可以保證外部電源給蓄電池供 電, 又可以在蓄電池過充、過流以及外部電源斷開 蓄電池處于過放狀態(tài)時(shí)提供保護(hù), 將充電和保護(hù)功 能集于一身使得電路簡化, 并且減少寶貴的面積資 源浪費(fèi)。圖 1 是此 IC 在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的具體應(yīng) 用, 也是此設(shè)計(jì)的來源。3單元模塊設(shè)計(jì)3.1充電模塊芯片的充電模塊框圖如圖 2 所示。該電路包 括 限 流 比 較 器 、 電 流 取 樣 比 較 器 2 、 基 準(zhǔn) 電 壓 源 3 、

10、欠壓檢測電路、電壓取樣電路和邏輯控制 電路。該模塊內(nèi)含有獨(dú)立的限流放大器和電壓控制 電路, 它可以控制芯片外的驅(qū)動(dòng)器, 驅(qū)動(dòng)器提供 的 輸 出 電 流 為 20 30 mA, 可 直 接 驅(qū) 動(dòng) 外 部 串 聯(lián) 的 調(diào) 整 管 , 從 而 調(diào) 整 充 電 器 的 輸 出 電 壓 與 電 流 。 電 壓 和 電 流 檢 測 比 較 器 檢 測 蓄 電 池 的 充 電 狀 態(tài) , 并控制狀態(tài)邏輯電路的輸入信號(hào) 4 。當(dāng)電池電壓 或電流過低時(shí), 充電啟動(dòng)比較器控制充電。電器 進(jìn)入涓流充電狀態(tài), 當(dāng)驅(qū)動(dòng)器截止時(shí), 該比較器 還 能 輸 出 20 mA 左 右 , 進(jìn) 入 涓 流 充 電 電 流 。 這

11、 樣, 當(dāng)電池短路或反接時(shí), 充電器只能以小電流 充電, 避免了因充電電流過大而損壞電池。此模 塊 構(gòu) 成 的 充 電 電 路 充 電 過 程 分 為 三 個(gè) 充 電 狀 態(tài) : 大電流恒流充電狀態(tài)、高電壓過充電狀態(tài)和低電免維護(hù)鉛酸蓄電池的壽命通常為循環(huán)壽命和浮 充 壽 命 , 影 響 蓄 電 池 壽 命 的 因 素 有 充 電 速 率 、 放電速率和浮充電壓。某些廠家稱如果有過充保 護(hù)電路, 充電率可以達(dá)到甚至超過 2C ( C 為蓄電 池 的 額 定 容 量 ) , 但 是 電 池 廠 商 推 薦 的 充 電 率 是C / 20C / 3。電池的電壓與溫度有關(guān), 溫度每升高1 , 單格電池

12、電壓下降 4 mV, 也就是說電池的 浮充電壓有負(fù)的溫度系數(shù)- 4 mV / 。普通充電器332微納電子技術(shù)2007 年第 6 期M icronanoelectronic Technology/ J une 2007壓恒壓浮充狀態(tài)。充電過程從大電流恒流充電狀態(tài)開始, 在這種狀態(tài)下充電器輸出恒定的充電電 流。同時(shí)充電器連續(xù)監(jiān)控電池組的兩端電壓, 當(dāng)CO 和 DO 均為高電平, 這時(shí)芯片處于通常工作模式。而當(dāng)電池放電電流變大, 會(huì)引起 VM 管腳處 的電壓上升, 若 VM 管腳處的電壓在過電流檢測電池電壓達(dá)到轉(zhuǎn)換電壓過充轉(zhuǎn)換電壓 Vsam 時(shí),電電壓 VIOV 之上,則此時(shí)電池處于過電流狀態(tài), 如

13、果池 的 電 量 已 恢 復(fù) 到 放 出 容 量 的 70% 90% , 充 電器轉(zhuǎn)入過充電狀態(tài)。在此狀態(tài)下, 充電器輸出電 壓升高到過充電壓 Voc, 由于充電器輸出電壓保持 恒定不變, 所以充電電流連續(xù)下降。當(dāng)電流下降 到 過 充 中 止 電 流 Ioct 時(shí) , 電 池 的 容 量 已 達(dá) 到 額 定這 種 狀 態(tài) 保 持 相 應(yīng) 的 過 電 流 延 時(shí) 時(shí) 間 tIOV, 芯 片禁止電池放電, 這時(shí)充電控制端 CO 為高電平, 而 放電控制端 DO 為低電平, 芯片處于過電流模式, 一般為了對(duì)電池起到更加安全合理的保護(hù), 芯片 會(huì)對(duì)電池的不同過放電電流采取不同的過放電電流 延時(shí)時(shí)間保護(hù)

14、。一般規(guī)律是過放電電流越大, 則過 放電電流延時(shí)時(shí)間越短。當(dāng)芯片的供電電壓在過充容 量 的 100% ,充電壓 VF。充 電 器 輸 出 電 壓 下 降 到 較 低 的 浮3.2保護(hù)模塊芯片內(nèi)部保護(hù)電路模塊框圖如圖 3 所示。該電電檢測電壓之上( VDDVCU)時(shí), 則電池處于過充電狀態(tài), 如果這種狀態(tài)保持相應(yīng)的過充電延時(shí)時(shí)間 tCU, 芯片將禁止電池充電, 此時(shí)放電控制端 DO 為高電平, 而充電控制端 CO 為低電平, 芯片處于 過充電模式。當(dāng)芯片的供電電壓在過放電檢測電壓 之下 ( VDDVDL) , 則此時(shí)電池處于過放電狀態(tài), 如 果這種狀態(tài)保持相應(yīng)的過放電延時(shí)時(shí)間 tDL, 芯片 將

15、禁止電池放電, 此時(shí)充電控制端 CO 為高電平,路包括控制邏輯電路、取樣電路、過充電檢測電路、過放電檢測比較器、過電流檢測比較器、負(fù)載短 路 檢 測 電 路 、 電 平 轉(zhuǎn) 換 電 路 和 基 準(zhǔn) 電 路( BGR) 。 5此模塊構(gòu)成的保護(hù)電路如圖 4 所示。當(dāng)芯片的供電電壓在正常工作范圍 ( VDLVDDVCU) 內(nèi) , 且VM 管腳處的電壓在過電流 1 檢測電壓之下,則此而放電控制端 DO 為 低 電 平 ,式。芯 片 處 于 過 放 電 模時(shí)電池處于通常工作狀態(tài), 芯片的充放電控制端333M icronanoelectronic Technology/ J une 2007微納電子技術(shù)2

16、007 年第 6 期性。并且保護(hù)電路的設(shè)計(jì)要簡單、實(shí)用, 此處設(shè)計(jì)了一種 CMOS 工藝下的欠壓保護(hù)電路, 此電路結(jié) 構(gòu)簡單, 工藝實(shí)現(xiàn)容易, 可用做高壓或功率集成電路等的電源保護(hù)電路 6 。欠壓保護(hù)的電路原理圖如圖 5 所示, 共由五部分組成: 偏置電路、基準(zhǔn)電壓、分壓電路、差 分放大器、輸出電路。本電路的電源電壓是 10 V; M0, M1, M2, R0 是電路的偏置部分, 給后級(jí)電路 提 供 偏 置 , 電 阻 R0 決 定 了 電 路 的 工 作 點(diǎn) , M0,M1,路 ;M11,M2 組成電流鏡; R1, M14 是欠壓信號(hào)的反饋回電路設(shè)計(jì)由兩個(gè)充電與保護(hù)模塊結(jié)構(gòu)圖可將電路分為四

17、部分: 電源檢測電路 ( 欠壓檢測電路) 、偏置電路 ( 取樣電路、基準(zhǔn)電路以及偏置電路) 、比較器部分 ( 包括過充電檢測比較器 / 過放電檢測比較器、過流 檢測比較器和負(fù)載短路檢測電路) 及邏輯控制部 分。文中主要介紹欠壓檢測電路設(shè)計(jì) ( 圖 5) , 并 給出帶隙基準(zhǔn)電路 ( 圖 6) 。蓄電池的充電、電壓的穩(wěn)定尤為重要, 欠壓、 過壓保護(hù)是必不可少的, 因此通過在芯片內(nèi)部集成 過壓、欠壓保護(hù)電路來提高電源的可靠性和安全4其 余 M3, M4, M5, M6, M7, M8, M9,M10,D0 產(chǎn)M12,M13 組 成 四 級(jí) 放 大 比 較 器 ;M15,生 基 準(zhǔn) 電 壓 , 輸

18、入 比 較 器 的 同 相 端 , 固 定 不 變( V+) 。分壓電阻 R1, R2, R3 輸入到比較器的反相 端, 當(dāng)電源電壓正常工作時(shí), 反相端的欠壓檢測 輸給比較器的反相端的電壓大于 V+。比較器輸出 為低, M14 截止, 反饋電路不起作用; 當(dāng)欠壓發(fā)生 時(shí), 分壓電阻 R1, R2, R3 反應(yīng)比較敏感, 當(dāng)電阻 分壓后輸給反相端的電壓小于 V+, 比較器的輸出 電壓為高, 此信號(hào)將 M14 開啟, 使得 R4 兩 端 的 電 壓 變 為 M1 4 兩 端 的 飽 和 電 壓 , 趨 近 于 0 V, 從而 進(jìn)一步拉低了 R1, R2 分壓后的輸出電壓, 形成了334微納電子技術(shù)

19、2007 年第 6 期M icronanoelectronic Technology/ J une 2007欠壓的正反饋。輸出為高, 欠壓鎖定, 起到了保護(hù)作用。5仿真模擬結(jié)果與分析本設(shè)計(jì)電路采用 CSMC m 數(shù)字 CMOS 工藝對(duì)電路進(jìn)行仿真分析。在對(duì)電路做整體仿真時(shí),主要觀察的是保護(hù)模塊對(duì)電池的充放電過程是否通 過監(jiān)測 VDD 電位和 VM 電位而使芯片的 CO 端和 DO 端發(fā)生相應(yīng)的變化。圖 7 所示的整體仿真波形圖是 保護(hù)模塊隨著電池電壓的變化從通常工作模式轉(zhuǎn)換 到過充電模式, 然后回到通常工作模式, 接著進(jìn)入 過放電模式, 最后再回到通常工作模式。由于本設(shè) 計(jì)處于前期階段, 各個(gè)

20、參數(shù)還需要優(yōu)化, 只是提供 初步的仿真結(jié)果。335M icronanoelectronic Technology/ J une 2007微納電子技術(shù)2007 年第 6 期2005: 375- 377. 3 RAZAVI B. Design of analog CMOS integrated circuits M .Xigan: Xigan Jiaotong University Press, 2002: 314- 319.6結(jié)論設(shè)計(jì)了一種集蓄電池充電與保護(hù)功能于一身的李 兵. 基 于 UC3906 的 免 維 護(hù) 鉛 酸 蓄 電 池 智 能 充 電 器 的 設(shè) 計(jì) J . 設(shè)計(jì)與計(jì)算, 200

21、5 ( 11) : 94- 95.朱軍, 劉昊. 一種低功耗的鋰離子電池保護(hù)電路的設(shè)計(jì) J .電子器件, 2004, 27 ( 2) : 303- 305.趙 春 波 , 許 偉 , 吳 玉 廣 . 一 種 CMOS 欠 壓 保 護(hù) 電 路 的 設(shè) 計(jì) J . 電子質(zhì)量, 2004 ( 10) : 95- 96. 4IC。利用此設(shè)計(jì)既可以減小面積,又可以減少外圍電路元器件。電路同時(shí)采用了低功耗設(shè)計(jì)。由于此項(xiàng)目正在進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化階段, 完整的仿真還不能達(dá) 到要求, 還需要對(duì)各個(gè)模塊電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 參考文獻(xiàn): 5 6作者簡介:曾德友 ( 1984) , 男, 江西萍鄉(xiāng)人, 華僑大學(xué)物理電子系研

22、究 生 , 主 要 從 事 模 擬 集 成 電 路 方 面 的 研 究 , jack- HYPERLINK mailto:y_zdy2005163 y_zdy2005163 。 1仇宏,朱國文. 免維護(hù)鉛酸電池智能充電器的設(shè)計(jì) J. 信息技術(shù), 2002 ( 3) : 24- 25. 2 ALLEN P E, HOLBERG D R. CMOS analog circuitdesign M . Beijing: Publishing House of Electronics Industry,( 上接第 330 頁)這種實(shí)時(shí)地分析樣品避免了一般質(zhì)譜分析時(shí)重新定 位和玷污的缺點(diǎn), 以 Ga2+作

23、為離子源的 FIB /SIMS, 其橫向分辨率可降低到 m, 而 EDS 或以 Cs2O 作離子源的 SIMS 很難達(dá)到亞微米的分辨率。FIB /SIMS 的 深 度 分 辨 率 可 達(dá) 30 nm, 在 對(duì) 輕 元素的分析上與傳統(tǒng)的 SEM/SIMS 組合相比, 具有 很大的優(yōu)勢。的應(yīng)用潛力。其精確定位、顯微觀測和微細(xì)加工能力使其在微電子領(lǐng)域中扮演著重要的角色。我國的 科研單位及高等院校在聚焦離子束裝置的開發(fā)和設(shè) 計(jì)上也作了大量的研究工作并取得了可喜的成績。 隨著我國微電子工業(yè)的發(fā)展, 聚焦離子束設(shè)備及應(yīng) 用技術(shù)也必將被提高到一個(gè)新的水平。參考文獻(xiàn): 1 SHEU B L, WANG Y L

24、. Emission properties of a dual ion / electron source based on Au-In alloy J . Applied Physics Letters, 2002, 80 ( 8) : 563- 566. 2 LITVINOV D, KHIZROEV S. Focused ion beams in future nanoscale probe recording J . Nanotechnology, 2002 ( 13) :179- 184. 3 ERNEST J, FANTNER, LOESCHNER H. New tools for

25、nano- technology C ME 2003-Informationstagung Mikroelektronik,Invited Talk. Vienna, Austria, 2003. 4 DIEBOLD A C. Materials and failure analysis methods and symptoms used in the development and manufacture of silicon integrated circuit J . Vac Sci Technol, 1994, B12 ( 4) :2768- 2778. 5 GERLACH W. Go

26、ld silicon phase diagram J . Solid-stateElectronics, 1967, 10 ( 6) : 589- 592. 6 ORLOFF J. High-resolution focused ion beams J . Review ofScientific Instrument, 1993, 64 ( 15) : 1105030. 7 李 曉 明 , 應(yīng) 根 裕 , 王 健 如 . 聚 焦 離 子 束 裝 置 的 發(fā) 展 及 趨 勢 J . 真空科學(xué)與技術(shù), 1992, 12: 478- 488.作者簡介:馬向國 ( 1975) , 男, 滿族, 內(nèi)蒙錫盟多倫人, 博士, 博士 期間從事納米聚焦離