12v锂电池保护板接线图【用太阳能电池供电的锂电池充电管理集成电路的设计】

　　摘要:本课题研发成功了一款具有自主知识产权的集成电路芯片,该集成电路主要用于使用太阳能电池为锂电池充电的领域。其主要功能包括:利用太阳能电池对锂电池进行恒流/恒压充电; 充电的过程中实时监测电池的温度,监测输入/输出电压,以保证安全有效的对电池充电;充电状态自动控制功能;芯片温度调制电路;根据太阳能电池的输出电流能力自动调整充电电流的功能。该芯片还具有集成度高,应用电路简单等优点。
　　关键词:锂电池;充电管理集成电路;太阳能电池供电
　　
　　A Li-ion Cell Charge Management IC Powered by Solar Cells
　　
　　CHENG Li-li, ZHAO Jian-long, XIONG Yong, JI Hong, ZHANG Wei, ZHENG Yin
　　(Shanghai Institute of Micro-system and Information Technology,
　　Chinese Academy of Science, Shanghai 200050,China)
　　
　　Abstract:A chip with independent intellectual property rights was developed. It can be used for charging Li-ion cells with power supply from solar cells. The main function of this chip includes: charging the Li-ion cells by constant-current or constant-voltage mode with solar cells’ supply; monitoring the real-time temperature of the Li-ion cells and the input/output voltages to guarantee charging the cells securely and efficiently; automatic control of the charging states; chip temperature control circuits; automatic adjusting of charging current according to solar cell’s driving capability. This chip is a high density ASIC that only requires a small number of exernal components.
　　Keywords: Li-ion Cell; Charge Management IC; Solar Cell Powered
　　
　　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,无论从发展速度、技术成熟性,还是从应用领域来看,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: 安全可靠、无噪声、无污染、能量随处可得、不受地域限制、无须消耗燃料、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、规模大小随意、无须架输电线路、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。
　　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10%到25%的增长率在增加,目前主要应用领域包括航空航天、军事以及民用消费品等。
　　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,输出电流很不稳定,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,然后通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电,下面详细介绍芯片的研发内容。
　　
　　2 电路设计
　　
　　 2.1 太阳能电池的I-V特性
　　太阳能电池一般由p-n结组成,由于p-n结的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IPH产生的电流和太阳能电池上接收到的光量度成正比。在实际太阳能电池应用中,并联电阻(RP)的泄漏电流很小,而RS则会产生连接损耗。在没有负载连接的时候,几乎所有产生的电流都流过二极管D,其正向电压决定着太阳能电池的开路电压(VOC)。该电压会因各种类型太阳能电池的特性不同而有所差异。但是,对于大多数硅电池而言,这一电压都在0.5V到0.6V之间,这也是p-n结二极管的正常正向电压。
　　图2展示了太阳能电池的输出特性。由于串联电阻(RS)的原因,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,会导致偏置不够,并且穿过它的电压会随着负载电流的增加而急剧下降。最后,如果所有电流都只流过负载而不流过二极管,输出电压就会变为零。这个电流被称为太阳能电池的短路电流(ISC)。ISC和VOC都是定义太阳能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。它的输出电压会随着输出电流的增加而降低,并在负载电流达到短路电流时降为零。
　　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-电流输出特性。
　　
　　 2.2 锂离子电池充电时的线性恒流/恒压控制技术的研究
　　锂离子电池的充电要求是在电池电压低于4.2V时采用恒定电流模式充电,在电池 电压达到4.2V时采用恒定电压充电模式充电,锂离子电池或锂聚合物电池的充电电压不能超过4.25V,否则将导致过充电现象,轻则影响电池的使用寿命,严重的会导致电池报废或爆炸。所以要求充电芯片的恒压充电电压的典型值在4.2V,其最大误差不超过42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,在电池电压低于4.2V时电流调制放大器主导充电回路;在电池电压达到4.2V时电压调制放大器主导充电回路,其工作原理如图3所示。
　　 图3中,
　　 ● M1是P沟道MOS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VIN流到电池端BAT。
　　 ● R1和R2构成反馈网络,对电池电压进行采样。
　　 ● Iamp是电流调制放大器,其功能是将对充电电流进行采样而反馈回来的信号IFB与电流基准信号的误差进行放大,放大后的信号用来调整功率调整管的导通,以稳定充电电流。
　　 ● Vamp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。
　　
　　 2.3 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,由于功率管消耗功率,会使功率管的结温升高,过高的结温将使半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:
　　 TJ =TA+(VIN-VBAT)×ICH×θA
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文 　　 其中,TJ是半导体芯片的结温,
　　 TA是半导体芯片的环境温度,
　　VIN是输入电压,
　　VBAT是电池端电压,
　　ICH是充电电流,
　　θA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,最大的输入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。但是这样的设计对于多数时间工作在通常条件下,而不是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。
　　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115℃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115℃的恒温状态,这样,即使在最坏情况下,用户也不需担心芯片的温度过高。工程师只要根据通常情况进行设计就可以了,没有必要花费很多时间,精力去考虑最坏情况。
　　
　　 2.4 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:
　　 (1) 涓流充电状态
　　 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,此时充电电流为所设置的恒流充电电流的十分之一。
　　 (2) 恒流充电状态
　　 当电池电压在3V和4.2V之间时,为了实现快速充电,采用恒流充电模式。
　　 (3) 恒压充电状态
　　 当电池电压达到4.2V时,进入恒压充电模式,此时充电电压不再上升,充电电流逐渐减小。
　　 (4) 充电结束状态
　　 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,保证了电池的安全。
　　 (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0℃到45℃之间具有最好的活性,在电池温度超出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。所以设立电池温度异常状态。
　　 (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。
　　
　　 2.5 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,将充电电流精确映射到另一小电流回路中,在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,成本低,功耗低和应用电路简单等优点。
　　
　　 2.6 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-数字转换电路,能够根据输入电压源的电流输出能力自动调整充电电流,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。
　　
　　 2.7 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,如图4所示。
　　
　　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司的0.5微米B iCMOS工艺制造,该工艺提供高性能的NPN型双极晶体管,可以保证充电器电路的精度。该工艺的低压器件的沟道长度最低为0.5微米,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SOP封装和8管脚的DFN封装两种形式。这两种封装对于表面贴装器件,具有占用PCB的面积小,厚度薄的特点,尤其是DFN封装,其外形只有3mm×3mm×0.85mm,而且散热能力极强,可以提供高达1安培的充电电流。
　　本课题产生两款芯片,这两个应用电路都能独立完成对锂电池充电过程的自动管理,并能根据输入电源的输出电流能力自动调整充电电流,其它功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同,其它完全相同,其典型应用电路图如图5所示。
　　 在25℃温度下芯片的测试结果如表1所示。
　　
　　4小结
　　
　　本课题成功地设计了一款具有自主知识产权的集成电路芯片,并应用于使用太阳能电池为锂电池充电的领域。该芯片基于0.5微米BiCMOS工艺,具有集成度高,应用电路简单等优点。它能根据太阳能电池的输出电流能力自动调整充电电流,并支持一般的锂电池充电管理功能,如恒流/恒压充电,电池温度的实时监测,充电状态自动控制功能等。
　　流片测试结果表明,该芯片成功地达到了设计指标。
　　
　　
　　参考文献
　　[1] 冯显争 李训铭,智能型太阳能充电电路设计,东南大学学报(自然科学版),第38卷,增刊(II)2008年11月
　　[2] 牛黎明,锂电池在线充放电管理电路的设计,电子技术应用,2002(4)
　　[3] Scott Dearborn, 锂离子电池充电:充电系统的差异与选择,世界电子元器件,2008(4)
　　
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