用太陽能電池供電的鋰電池充電管理集成電路的設計

1、用太陽能電池供電的鋰電池充 電管理集成電路的設計用太陽能電池供電的鋰電池充電管理集成電路 的設計.txt兩人之間的感情就像織毛衣，建立的 時候一針一線，小心而漫長，拆除的時候只要輕 輕一拉。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計程莉莉，建龍，趙熊勇，紀虹，張 為，鄭殷 （中國科學院上海微 系統(tǒng)與信 息技術研究所，上海205）000摘要：本課題研發(fā)成功了一款具有 自主知 識產(chǎn) 權 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域。其主要功

2、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 應用電路簡單等優(yōu)點。關鍵詞:電池;鋰充電管理集成電路匕匕 厶冃 日 rp ?電池供電 太A-ol Ch r eM aaee tlPo rdboalLi i nCelagng mnCweeyS lr CelsCHENGi lZ Li HAOJa og XI ,1n ln,ONGn,IHo g ZYog jnt , HANG W e,H

3、EiZ NGn Yi(hn hintueoco ssmadIfr t nT cnlg,S agaIs tt f rytnomaiehoyiMienooC ieeA ae yj ocec ,hnhi 000 Ciahnscdmf ie Sa ga 205 ,hn)S nAbsr c Ahp wihi ennnelcuaoe tih swLi o e 1n hn u /e eo et a e u e oh r i gLi in cs tat: ct nd pe de titie t1 pr p ry rg ts d v 1 pdInbsoe1cw tpwrspsT em ifntn1dscagny

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6、 1 Ch eMa g meI S 1 rCe 1 w本課題得到上海市科委編號：0)（目項0 2 0 0 人人e集成電路設計專020的資助巾國集成電路Cht ia器斗;Oline太 陽能 電池 的發(fā) 展始于上 世紀 五十 年代，最初 應用于宇宙開發(fā)，航空航 天等領域。經(jīng)過近五十年的發(fā)展，論從發(fā)展速度、術成熟 性，是從應用 無技還I H P領域來看，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

7、與建 筑物相結合等，這些優(yōu)點都是其它發(fā)電方式所不及的。圖1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0 5至V 0 6這.V . V之間，也是 p n這一 結二極管的正常正向電壓o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1%到2 %的增 長率在增加， 0 5目前主要應用 領域包括航空航天、軍事以及民用消 費品等。圖2展示了太陽能電池的輸出特性。由于 串聯(lián) 電阻（S的原因，R ）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 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

8、負載 而不流過二極 管，出電壓就會變?yōu)?零。輸這個電流被稱為太陽能電 池 的短路電流 （S IC和V C都是定義 太陽能 IC） S O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 電流時降為零2電路

9、設計1太陽能電池的 1 V特性 太陽能電池一般由p n結組成， 由于 p n結的 一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I路能夠適應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1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I H產(chǎn)生的電流和太陽能 電池上接收 P22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 能電池應用中，并聯(lián)電阻（P） R的泄漏電流很小，R 而S則會產(chǎn)生連接壓控制技術的研究鋰

10、離子電池的充電要求是在電 池電壓低于 4 2. V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.V鋰 流都流過二極D,_其正 向電 壓決定著太陽能電池4 2時米用怛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 45. V,否則將 2的開路電壓（0。電壓會因 各種類型太陽能電 V C） 該導致過充電現(xiàn)象,輕則影響電池的使用壽命，嚴重的+、人A 人.AC h in t n a I e g r e dC i c u i a tr t整管 的導通， 以穩(wěn)定 充 電 電流。 Vm a p是電壓調(diào)制放大器,其功訥是將反饋 網(wǎng)絡輸出的信號與電壓基

11、 準源的誤差進行放大，放大后的信號用來調(diào)整功率調(diào)整管的導通，以達到調(diào)制充電電壓的目的。2 3充電時芯片溫度 調(diào)制技術的研 究:I對于線性充 電器，在充電過程中， 由于 功率管消圖2太陽能電池的一般I V性k特耗功率，會使功率管的結溫升高，過沖的結溫將使半會導致電池報廢或爆炸。所以要求 充電芯片的恒壓導體器件工作不可靠，甚至燒毀半導體器 件O線性充電管理 芯片 的結溫可 由下面的公式 計算出：T =T + （磯一V A） X C X 0 A jA V B T IH充 電電壓的典型值在 4 V .,其最大誤差不超過422毫伏。在我們的設計中，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

12、充電電壓進行調(diào) 制，電池電壓低于4 2在.V時電流調(diào) 制放大器主導充 電回路；電池電壓達 到42 在.V時電壓調(diào)制放大器主 導充電回路，其工作原理如圖3所 示 。其中，T是半導體芯片的結溫，T是半導體芯片的環(huán)境溫度 ，AV 是輸人電壓，V胛是電池端電壓，I刪是充電電流，0 是半導體芯片的熱阻。從上面的公式可以看到，當半導體芯片 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BAT大，或者充電電流比較大的時候 ，半導 體芯片的結溫會有明顯的上升。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

13、差和最低允許 的芯片的結溫，來設計 充電電流，只 有這樣才能保證系統(tǒng)的可靠性。是這 但P樣的設計對于多數(shù)時問工作在通常條件I下，而不是圖3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，也會導致 充電器工作不可靠。圖3中， M 1 P溝道MO是S場效應晶 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 V I至I電池端E T N流A o R 1 R和2構成反饋網(wǎng)絡，電池電壓進行 采 對樣。 Im a p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

14、行控制而達到控制芯片的結溫的目的， 當芯片結溫上升到151 C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 15C1的恒溫狀態(tài)，這樣，即使在最壞 只要根據(jù)通常情況進行 設計就可以了，沒有必要花.電流進行采樣而反饋 回來的信號 IE與 電流基準信 情況下，用戶也不需擔心芯片的 溫度過高。工程師 F號的誤差進行放大， 放大后的信號用來調(diào)整功率調(diào)h I - . h一I I mI H巾國集成電路Chntgaerut iaI ertdCii nc甜1。費很多時間，力去考慮最壞情況。小電流回路中對充 電電流進行 調(diào)整 和監(jiān)測，這種方I 法不需要使用幾百毫歐姆的電阻=具有精 度高，成

15、本24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，功耗低和應用電路簡單等優(yōu)點。2 6充 電電流 自動調(diào)整技術研究.本課題的芯片內(nèi)部集成有8位模 擬一數(shù)字轉 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) 1當電池電壓低于3 V時，為了激 活深度放電的 電池和減小功耗，米用 涓流充電模式，時充電電流 此為所設 置的恒流充電電流的十分之一。(2 )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 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

16、，非常適 合利用 太 陽能 電池等輸 出電流有 限的 電壓 源供 電的鋰電池充電應用。當電池電壓在3和4 2之間時， 了實現(xiàn)快 V . V為速充電，采用恒流充電模式。(3)恒壓充電狀態(tài)27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4所示。女口當電池電壓達到4 2 V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 結束狀態(tài) 4)?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，將進入充電結束 狀態(tài)。在充電結束狀態(tài)，功率調(diào)整管被關斷，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

17、0C 4 C之間具有最好的活性，在 電池溫度超出到5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 應該停止充電，以保護 電池。以設立電池溫度異常 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， 需要關斷功率 調(diào)整管，為此設立睡眠狀態(tài)。 在睡眠狀態(tài)，功率調(diào)整管和內(nèi)部電路被關斷，芯片的電流 消耗極低。圖4芯片功能框圖25充電電流檢測技術的研究 .在本課題的芯片中，我們采用有源跟蹤電流鏡技術，充電電流精確映射到另一小 電流回路中，將在I3流片與測試結果本課題的芯片采用無錫華潤上華半導體有 限公k A,

18、I - A人：A 司的 0 5 米E i MO .微 C SX 藝制造，該工藝提供高性 能的N N 型雙極晶體管，以保證充電器電路的精 P可度。該工藝的低壓器件的溝道長度最低為0微米，.5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8管腳S P O 封裝和8 管腳的D N封裝兩種形式。F這兩種 封裝對 于表面貼裝器件，有占用 P E的面積小，度薄 具C厚的特點，尤其是D N封裝，其外形只有m X F m 3 m X . m m ? m 085而且散熱能力極強丄以提供高達1可I安培的充電電流。圖5典型應用電路本課題產(chǎn)生兩款芯片，這兩個應用電路都 札獨 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。充流片測試結果表明，該芯片成功4 達到了設計指標。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 有圭寸裝形式和最大持續(xù)充電電流不表1測試結果測試參數(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