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王辰张志远李健郑雷戴澜 (北方工业大学信息工程学院中国北京100144)

 

【摘要】锂电池是便携式电子设备电源的首选，但是存在充电精度以及充电环路的稳定性问题。论文对一种具有高稳定性，充电电压高精 度以及单片集成的锂电池充电芯片进行设计。提出了改进折叠式运放结构作为恒流充电电路和新颖的恒压充电电路，经过这些改进提高了充 电环路速度和稳定性，并且利用两级运放的高增益来提高充电环路精度；提出了电流模温度热调整电路；最后基于CSMC0.5um混合CMOS 工艺，得到芯片的物理版图，后仿真结果表明充电环路具备很好的稳定性，充电精度达到0.5%以下。

 

【关键词】恒流/恒压模式；锂电池；温度保护；再充电

 

Design of a High-stability and High Resolution Li-ion Battery Charger IC WANG Chen ZHANG Zhi-yuan LI Jian ZHENG Lei DAI Lan (College of Information Engineering, North China University of Technology, BeiJing, 100144 ,China )

 

【Abstract 】Li-ion battery is the first choice for portable electronic equipments as supply power, but the charge resolution and charge -loop stability always limit its performance. This paper presents the design of a monolithic integration charger IC with high -resolution and high stability, brings forward a constant-current charging circuit with improved fold operation amplifier. A novel constant voltage charging circuit with fast response function, applies two stages amplifier to improve the resolution of charge-loop. At last, based on the CSMC0.6um mixed signal CMOS technology layout of this chip is given and post-simulation results show charge resolution of this design is below 0.5%.

【Key words】Constant-current/constant-voltage mode;Li-ion battery ；

 

0绪论

 

锂离子电池广泛应用于便携式电子设备中，锂离子电池过充电或 充电不足都将影响用户对电池的使用。因此，锂电池充电芯片的性能 和功能直接决定锂电池的使用寿命论文设计出一种只需要编程 电阻作为外围器件就可以完成充电的“单片”充电芯片，具有过温保 护，充电电流可编程，高精度充电和充电环路高稳定性等特点；提出了 改进的恒流充电电路，新型恒流充电电路和电流模温度保护电路。芯 片米用CSMC0.5um混合CMOS工艺实现，并且给出了芯片版图，后仿 真结果表明充电达到0.5%的高精度和具有高稳定性。

 

1芯片电路结构

 

芯片的电路原理如图1，包括恒流，恒压充电环路，温度调整电 路，欠压闭锁电路和基准电路没有在图中显示。其中Rpog为外接电阻， 用于设置充电电流，实现充电电流可编程（论文中接电阻为2K欧）。 功率管MP与采样管MS的尺寸比为1000:1。

图1芯片整体电路

当电池电压小于2.9V时，通过比较器输出控制信号选择50mA 涓流充电模式，当电压超过2.9V时，选择500mA恒定大电流充电模 式，在电池电压为4.2V时，电路处于恒压充电模式，并且通过逐步提 升功率管的栅极电压从而降低充电电流，当充电电流小于50mA的 时，充电终止。由于电池存在漏电，当电池电压再次小于4.05V时，重 充电模块启动，继续给电池充电。温度控制模块在芯片80弋时开始起 作用，通过改变功率管栅极的电压控制充电电流，从而控制芯片温度， 在120弋时精确关闭功率管。

 

2恒流，恒压充电电路

 

当电池电压小于4.2V时，芯片都处于恒定电流充电模式，充电电 流为50mA或者500mA。恒流充充电电路如图2:本电路采用一种新 颖的改进型折叠式运放，对于标准折叠式运放虚线框内为对称负载， 本电路中将其中一条负载支路通过电流镜像形成输出级，M5，M6代 替了传统设计中的二极管[4]，避免了二极管阈值引起的不连续控制，

Thermal regulation; Recharge

 

由于充电器最关注的是充电电压的精准，恒流充电电路在一定范围的 不对称不会影响电路性能。整个电路通过采样管，可编程电阻和恒流 充电模块组成一个反馈环路。M2与外接可编程电阻相连（PROG点）， 不管此点电压发生何种变化，最终稳定电压都与INN点相等（0.1V或 者1V )，从而控制电池充电电流为50mA或者500mA。M5、M6输出与 功率管栅极相连，并与图1中5uA电流源建立电流平衡。当INN点电 压由0.1V变化为1V时，M2管电流增大，A点电压将被拉高，M3,M4, M5,M6漏电流减小，注入到功率管栅极电流减小，栅极电压被拉低，从 而引起充电电流由50mA变为500mA。

图2恒流充电电路

改进的恒流充电环路是一个二级跨导放大器，第一级输出阻抗为 1/gm3，4 (gm3，4表示M3.M4两管串联等效跨导），约为几十K级阻抗，因 此极点B的频率很高；B点极点频率约为gm/CA，属于高频极点；MPG 点寄生电容和阻抗都很大，因此存在一个主极点；环路最不稳定的情 况出现在可编程引脚prog外接10K欧姆电阻和产生10pF寄生电 容时，此时产生一个频率为1.6MHz极点。此时仿真得到：单位增益带 宽为204kHz,相位裕度为86.68，增益为51.8dB,充电环路高度稳定。 当电池电压达到4.2V时，电路处于恒压充电模式，恒压充电电路如图 3。

恒压充电环路属于二级跨导放大器，INP接电池电压，INN接基 准输出电压，第二级为M1与M6电流源组成的共源级，M1源极与 M2，M3漏极相连，形成M1, M2-M3, M11,M9反馈环路，这是本恒压充 电电路的一个改进。M6为5uA电流源，M4起嵌位作用，防止M1管栅 极电压过低，使得输出电压MPG接近电源电压，从而将功率管直接关 断。M2与M3，M7与M8管分别并联，总是处于线性区，设等效电阻为 R，假如D处有小信号电压AV，由于M1与线性区工作管（M2，M3)构 成源极跟随器，M11，M9两管栅极电压变化约为AV，因此反馈回D 点的小信号电流为：

 

IB=gm9,10AV/ ( 1+gm9,10R ) ( 1 )

 

因此B点的小信号阻抗为:1/gm+R通过这种结构，B点等效 阻抗已经大大减小，对应的极点位置处于单位增益带宽之外，从而提 高环路稳定性。同时由于极点位置的变化，M1管对输入电压变化的反 应变快，从而加快了恒压充电的反应速度，当电池电压达到4.2V时很 快进入恒压充电阶段，防止过充电，保证了充电精度。整个恒压环路仿 真结果如下：增益为77.7dB，相位裕度为83°，单位增益带宽283KHz， 保证了稳定性。

 

3温度调整电路设计

 

当持续大电流对电池进行充电时，芯片内部温度将升高，造成电 池充电电流过大，很容易造成锂电池的永久破坏。温度调整电路通过 检测芯片内部的温度，控制充电电流大小，从而保护电池，温度 调整电路如图4。

图4温度调整电路

 

采用电流模比较器对输入的PTAT电流与零温度系数电流进行 比较，随着温度升高，IB_TA_PTAT电流将大于零温度系数电流 IB_TA，M1管栅极电压将被"拉升，M1管子产生漏极电流，并且通过电 流镜注入到与功率管栅极直接相连的MPG节点。本电路的改进之处 在于电流模比较器的采用以及不需要二极管的电流输出级。由于电流 模电路具有反应速度快，线性失真小的优点，因此本温度调整电路对 芯片内部温度变化具有很好的线性输出，从而温度调整效果更好。温 度调整电路通过施密特触发器输出温度检测结果（GOOD)。

 

4芯片版图与后仿真结果

 

利用CSMC0.5_混合CMOS工艺，对整个芯片进行物理实现，物 理版图如图6(a)所示，有充电指示（CHRG)，地（GND)和电流编程 (PROG)引脚，电源（VCC)和电池（BAT)引脚，芯片中部是8个基准 trimming引脚与基准电压测试脚。芯片总面积为1.2 0.6mm2。对版图进 行寄生参数提取，在27弋，对ss，tt,ff三个工艺角进行后仿真，

(上接第 24 页）Na2O.Al2O3.1.7SiO2.nH2O+Ca(OH)2— 3CaO-Al2O3-n SiO2.(6-2x) ^O+NaOH

 

在上述反应条件下，石灰中钙离子取代赤泥中部分钠离子，使得 钠离子溶出，赤泥碱含量降低。

 

2.4常压石膏法赤泥脱碱工艺还有待完善，需要做正交试验来进一 步优化试验条件。然而，该试验在一定程度上为工业化赤泥脱碱提供 了-些技术参考，有-定的实用意义。

【参考文献】

 

[1]杨艾华.石灰烧结法赤泥组成及脱碱方法的研究[D].2007.

 

[2]孙旺.NaOH亚熔盐法处理拜尔法赤泥的铝硅行为[J[].200S.

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4： •: O-MOS-SSW/MtWS")

 

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9.00 100 200 m

 

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(b)芯片充电电压后仿真 图5版图与后仿真

 

电源电压从4.25V变化到6.5V，温度从-40弋变化到120弋，MOS， 二极管等器件各个工艺角变化，在Mosff，Bipfast，Diofast，Resslow， Capfast，temp =-110^，电池电压为4.25V时，得到最坏充电电压为 4.181V，达到0.45%的充电精度。

 

5结论

 

论文设计出一种高精度，高稳定性的锂电池单片充电芯片，对恒 流，恒压充电环路以及温度调整电路单元提出新的设计思想，对整个 芯片进行物理实现和后仿真，仿真结果表明整个设计满足高精度高稳 定性的设计要求