最好的锂电池充电芯片 锂离子电池开关模式充电控制芯片的设计论文

分类号密级 UDC 锂离子电池开关模式充电控制芯片的设计（题名和副题名） （作者姓名）指导教师 教授电子科技大学 （姓名、职称、单位名称） 申请学位级别 硕士 学科专业 集成电路工程领域 提交论文日期 2014.3 论文答辩日期 2014.5.19 学位授予单位和日期 电子科技大学 2014 答辩委员会主席评阅人 注1：注明《国际十进分类法UDC》的类号。 DESIGN SWITCH-MODECHARGING CONTROLLER LITHIUM-IONBATTERY MasterThesis Submitted ElectronicScience ChinaMajor: Integrated Circuit Engineering Author: Cui Jiajie Advisor: Prof. Luo Ping School: School Solid-stateElectronics 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知最好的锂电池充电芯片，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 作者签名： 日期： 论文使用授权本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后应遵守此规定） 作者签名： 导师签名： 日期： 近十几年来，电子技术快速发展，特别是消费电子出现巨大的市场空间，便携式电子产品成为未来的发展趋势。各种便携式电子产品功能日益增多，速度越 来越快，体积却逐渐缩小，这对其供电电池提出了长续航时间、轻便、高效的要 求。锂离子电池具有高能量密度、长寿命、高放电电压、无污染、无记忆效应等 独特优势，因而成为了便携式电子产品的理想供电电池。但锂离子电池对充电过 程的控制要求更为严苛，需要高精度的电流、电压充电，分段的充电过程和完善 的保护功能。本文针对高精度、分阶段等充电需求，设计了一款基于 0.5μm 标准 CMOS 工艺的开关模式充电控制芯片。

本文首先介绍了锂离子电池的特性及充电控制方式，具体阐述了恒压充电、 恒流充电、恒流恒压（Constant Current Constant Voltage，CC-CV）充电三种充电 控制方式，分析了CC-CV 充电方式的优势。然后介绍锂离子电池充电系统设计， 包括充电拓扑、环路控制模式选择，接着计算了电感、电容等系统参数。最后， 阐述了芯片内部关键功能模块的设计与仿真，包括带隙基准电路、软启动电路、 芯片欠压保护电路、过热关断保护及RC 振荡器等功能模块，并仿真验证了整体电 路功能。本文重点介绍了高精度的电流型带隙基准电路设计和软启动、功率管驱 动的实现。 本文设计的充电控制芯片整体版图面积大小为 3mm2mm，采用 0.5μm 标准 CMOS 工艺流片，具有低成本优势。其中，1.25V 的带隙基准电压源温度系数为 13ppm/，设计有 Trimming 修调电路校正工艺角偏差，在-40~120的工作温度 范围内确保电池充电结束电压精度在0.5%以内。开关频率为1.5MHz，采用功率管 驱动电路实现高效率的开关模式充电控制，具有软启动电路、欠压保护、过热关 断等多方面保护功能。 关键词：锂离子电池，开关模式，电流型，带隙基准 ABSTRACT II ABSTRACT recentdecades, electronic technology developed fast, especially customerelectronics field, which makes portable electronic products developmentdirection. morefunctions, faster, smaller, portable battery-operated devices has longerrun time, more lighter higherefficiency highenergy density, long life time, high discharge voltage, non-polluting memoryeffect, Lithium ion battery idealpower supply portableelectronic devices. otherside, needsstrict requirements highprecision current voltage,multi-stage charge perfectprotecting functions highprecision segmentcharge, switch mode battery charge controller based standard0.5um CMOS process thesis.Firstly, features Lithiumion battery introduced,three charging control methods: constant voltage charging, constant current charging constantcurrent constant voltage charging (CC-CV) specificallyelaborated, chargingcontrol system design presented,including charging topology, choosing control loop, calculating inductor outputfilter capacitor. last,design internalkey sub-circuit blocks which band-gapreference, soft start, under voltage lock out protect, over temperature protect RCoscillator wholechip featurespec. articleemphasizes design highprecision current mode band-gap reference softstart softdriver. totallayout chargingcontroller chip IC occupies tapedout standard0.5μm CMOS process, thus earning low-costadvantage. simulationresults show temperaturecoefficient band-gapreference 1.25Volt outputvoltage accuracy within0.5% trimmingprocess variation trimmingcircuit while operating temperature ranges from -40 chargingcontroller‟s switching frequency switchmode charging method achieving high efficiency adopting soft driver technology, sametime, protectingfunctions follows:soft start, under voltage lock out overtemperature protect. ABSTRACT III Keywords: Lithium ion battery, Switch mode, Current-mode control, Band-gap reference. 目录 IV 第一章绪论 1.1论文的研究背景及意义 1.2锂离子电池充电控制芯片的研究现状和发展趋势 1.3本文的主要工作 第二章锂离子电池特性及充电方式 2.1锂离子电池特性 2.2锂离子电池充电方式 2.2.1锂离子电池恒压充电 2.2.2锂离子电池恒流充电 2.2.3锂离子电池恒流恒压充电 第三章锂离子电池充电系统设计 103.1 锂离子电池充电系统拓扑选择 103.1.1 线性模式充电系统 103.1.2 开关模式充电系统 113.2 锂离子电池充电系统环路控制模式选择 133.2.1 电压模式控制 133.2.2 平均电流模式控制 153.2.3 峰值电流模式控制 163.3 锂离子电池充电系统参数设计 173.3.1 电感值设计 183.3.2 输出电容设计 18第四章 锂离子电池充电控制芯片电路设计 204.1 充电控制芯片整体架构 204.2 带隙基准电路设计 214.2.1 带隙基准产生电路 224.2.2 带隙基准启动电路 254.2.3 带隙基准电压修调电路 254.2.4 电路仿真结果 274.3 软启动电路 304.3.1 软启动电路设计与分析 31目录 4.3.2电路仿真结果 334.4 芯片欠压保护电路 354.4.1 欠压保护电路设计与分析 354.4.2 电路仿真结果 364.5 芯片过热关断保护电路 374.5.1 过热关断保护电路设计与分析 384.5.2 电路仿真结果 384.6 RC 振荡器 404.6.1 RC 振荡器设计与分析 404.6.2 电路仿真结果 424.7 功率管驱动数字逻辑电路 444.7.1 数字逻辑电路模块设计 444.7.2 功率管驱动数字逻辑电路设计与仿真 454.8 充电控制芯片整体电路仿真 474.8.1 锂离子电池充电系统仿真外围电路 474.8.2 锂离子电池充电系统功能仿真结果 48第五章 充电控制芯片版图及后仿真结果 515.1 充电控制芯片版图设计 515.2 锂离子电池充电系统关键模块后仿真结果 545.2.1 电流型带隙基准电路后仿真结果 545.2.2 RC 振荡器及软启动电路后仿真结果 55第六章 结论 59参考文献 60硕士期间取得的研究成果 63第一章 绪论 第一章绪论 1.1 论文的研究背景及意义 近十几年来，电子技术快速发展，特别是消费电子出现巨大的市场空间，便 携式电子产品出现了很大的市场空间。