一款锂电池充电管理芯片的研究与设计
林超
【摘要】：锂离子电池是目前便携式电子产品中使用最为广泛的可充电电池。而且随着电池容量的不断提高，锂离子电池将成为21世纪电动汽车的主要动力电源之一，并将在人造卫星、航空航天和储能方面得到应用。由于锂离子电池本身电学特性的原因，几乎每一块锂离子电池都需要一个充电管理芯片来提供充放电保护以延长其使用寿命。本文设计并实现一款成本较低、应用广泛，性能优良的锂电池充电管理芯片。采用全定制设计思想，完成了从底层电路开始到整个芯片电路的正向设计，实现了过放电保护、过充电保护、短路保护、过温保护以及涓流充电、恒流充电、恒压充电等控制功能。芯片内部用来驱动充电晶体管的MOS 管耐压高达30V以上，在不外加扩展电路的情况下，可设计成多节串联电池的充电电路。低压线性稳压器集成在芯片内部，提高了集成度，使芯片具有较小的面积，降低了成本。芯片的外围电路既可以设计成线性控制也可采用PFM控制，应用电路简单。此外，改变芯片应用电路的外围电阻就可以调节芯片的恒流充电电流、预充电（涓流充电）截止电压、恒压充电电压和电池充满判断电流。这使得芯片具有很强的适用性，能够应用在很多不同的场合。芯片采用CSMC0.5um DPTM Mixed Signal工艺，使用Cadence工具完成电路设计、仿真、版图设计和验证。仿真结果表明，在电池温度端检测电压大于4.51V时，充电终止，表明此时电池没有接入；当电池温度检测端电压大于0.05V且小于0.5V时，充电电流为24mV/Rs；当电池温度检测端电压大于0.5V且小于4.51V时，芯片系统正常工作，此时涓流充电电流为24mv/Rs，预充电结束判断电压为0.61V，恒流充电电流为240mv/Rs，恒压充电判断电压为1.21V，充饱判断电流为24mV/Rs，这些参数均符合设计指标，并且电池充电曲线也符合设计预期。仿真成功后进行版图设计和验证，最终导出GDS文件去foundry流片。
【关键词】：锂电池锂电池充电管理芯片三阶段充电法锂电池充放电保护过温保护
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM912
【目录】：
摘要3-4
ABSTRACT4-8
第一章绪论8-14
1.1 课题研究背景及意义8-10
1.2 锂电池充电管理芯片的研究现状及发展趋势10-11
1.3 本文的主要工作及内容安排11-14
第二章锂电池充电管理芯片设计基础14-24
2.1 锂电池工作原理14-15
2.2 锂电池的电学性能及其充电保护要求15-17
2.3 锂电池充电方法17-22
2.3.1 线性充电方式18-21
2.3.2 开关充电方式21
2.3.3 脉冲充电方式21-22
2.4 本章小结22-24
第三章锂电池充电管理芯片的系统设计24-30
3.1 芯片功能及充电流程24-26
3.2 芯片的规范定义和电路结构26-28
3.3 芯片的电气特征和工作参数28-29
3.4 芯片的典型应用电路29
3.5 本章小结29-30
第四章具体电路的设计与实现30-54
4.1 带隙基准源的设计与实现30-42
4.1.1 带隙基准源的基本原理和主要性能指标31-34
4.1.2 电阻修调技术34-36
4.1.3 带隙基准电压源的具体实现电路36-41
4.1.4 带隙基准电压源的仿真结果41-42
4.2 电压比较器的设计42-45
4.2.1 运算放大器的基本原理42-44
4.2.2 电压比较器的基本原理和设计44-45
4.3 低压线性稳压器（LDO）的设计实现45-47
4.3.1 低压线性稳压器的基本原理45-46
4.3.2 低压线性稳压器的具体实现电路46-47
4.4 电池接入检测和温度保护电路的设计47-49
4.5 涓流、恒流、恒压充电以及充电终止控制电路的设计49-52 4.6 本章小结52-54
第五章芯片整体仿真结果54-58
5.1 芯片充电过程仿真54-55
5.2 芯片过温保护功能仿真55-56
5.3 本章小结56-58
第六章版图设计与验证58-66
6.1 整体版图布局设计58-59
6.2 模拟部分版图实现59-60
6.3 电阻部分版图实现60-61
6.4 数字模块版图实现61-62
6.5 整体版图实现62-63
6.6 版图验证63-64
6.7 本章小结64-66
第七章结论66-68
致谢68-70
参考文献70-72
随着手持设备业务的不断发展，对电池充电器的要求也不断增加。要为完成这项工作而选择正确的集成电路 (IC)，我们必须权衡几个因素。在开始设计以前，我们必须考虑诸如解决方案尺寸、USB标准、充电速率和成本等因素。必须将这些因素按照重要程度依次排列，然后选择相应的充电器IC。本文中，我们将介绍不同的充电拓扑结构，并研究电池充电器IC的一些特性。此外，我们还将探讨一个应用和现有的解决方案。 锂离子电池充电周期 锂离子电池要求专门的充电周期，以实现安全充电并最大化电池使用时间。电池充电分两个阶段：恒定电流 (CC) 和恒定电压 (CV)。电池位于完全充满电压以下时，电流经过稳压进入电池。在CC模式下，电流经过稳压达到两个值之一。如果电池电压非常低，则充电电流降低至预充电电平，以适应电池并防止电池损坏。该阈值因电池化学属性而不同，一般取决于电池制造厂商。一旦电池电压升至预充电阈值以上，充电便升至快速充电电流电平。典型电池的最大建议快速充电电流为1C(C=1 小时内耗尽电池所需的电流)，但该电流也取决地电池制造厂商。典型充电电流为~0.8C，目的是最大化电池使用时间。对电池充电时，电压上升。一旦电池电压升至稳压电压(一般为4.2V)，充电电流逐渐减少，同时对电池电压进行稳压以防止过充电。在这种模式下，电池充电时电流逐渐减少，同时电池阻抗降低。如果电流降至预定电平(一般为快速充电电流的10%)，则终止充电。我们一般不对电池浮充电，因为这样会缩短电池使用寿命。图1 以图形方式说明了典型的充电周期。 线性解决方案与开关模式解决方案对比 将适配器电压转降为电池电压并控制不同充电阶段的拓扑结构有两种：线性稳压器和电感开关。这两种拓扑结构在体积、效率、解决方案成本和电磁干扰(EMI) 辐射方面各有优缺点。我们下面介绍这两种拓扑结构的各种优点和一些折中方法。 一般来说，电感开关是获得最高效率的最佳选择。利用电阻器等检测组件，在输出端检测充电电流。充电器在CC 模式下时，电流反馈电路控制占空比。电池电压检测反馈电路控制CV 模式下的占空比。根据特性集的不同，可能会出现其他一些控制环路。我们将在后面详细讨论这些环路。电感开关电路要求开关组件、整流器、电感和输入及输出电容器。就许多应用而言，通过选择一种将开关
储能型磷酸铁锂电池规格书STORAGE LiFePO4 BATTERY SPECIFICATIONS 客户名称(Customer)： 产品型号(Type)： CF12V80Ah 发行日期(Issuing Date)：
1. 适用范围(Product Scope) 本规格书描述了锂离子二次电池的技术要求、测量方法、运输、储存及注意事项。 This Specification describes the requirements of the lithium ion rechargeable battery supplied by 2. 电池组特性 (Battery Group Specifications)
单只电芯曲线图feature curve for single cell 3. 技术要求(Technical Requirements) 测试条件(除特别规定) Testing Conditions (unless otherwise specified) 温度Temperature: 15~35℃ 相对湿度Relative Humidity: 45%~75% 大气压Atmospheric pressure: 86~106Kpa 充放电性能 (Electrical Characteristics)
环境性能 (Environmental Characteristic) 机械性能(Mechanical characteristics)
安全性能(Safe Characteristic)
4 电池组基本性能 (Basic Characteristics of Battery) 5 电池组保护功能要求 (Battery Required Protection Functions) To insure the safety, charger and the protection circuit shall be satisfied the items below. As safety device, please use in combination with the temperature fuse. The standard charge method is CC/CV (constant current/constant voltage) 为确保安全,充电器和保护电路应符合以下要求。同时请使用装有热熔保险丝的安全装置。标准充电方法为CC/CV(恒流/恒压)
聚合物锂离子电池 产品规格承认书 ：：JD220768430F（500Ah） 品名： 品名 编制审核批准 客户确认 签名//日期客户名称//印章签名 客户名称 总部：北京神州巨电新能源技术开发有限公司 Beijing Globe Super Power New Energy Technology Development Corp. 地址：中国北京市海淀区上地3街9号嘉华大厦E座206 ADD:Rm E-206,Gem Tech-Center,No.9,3rd Street,Haidian Dist.,Beijing,P.R.China 86-10--82783543-816Fax:86-10 86-10--82780720-1073 Tel:86-10 工厂：河北神州巨电新能源科技开发有限公司 Hebei Globe Super Power New Energy Technology Development Corp. 地址：河北邢台市巨鹿县巨鹿工业园 Hebei i Province,P.R.China ADD:Industrial District,Ju Jul l u,Xiangtan,Hebe
产品规格承认书 目录 1.适用范围---------------------------------------------------------------------------------------------------------2 2.产品规格---------------------------------------------------------------------------------------------------2 3.电池性能检查测试-----------------------------------------------------------------------------------------2 4.外观尺寸图------------------------------------------------------------------------------------------------------3 5.使用指南--------------------------------------------------------------------------------------------------------3 6.其它事项------------------------------------------------------------------------------------------------------4 7.电芯处理须知---------------------------------------------------------------------------------------------------4
锂电池充电电路图 锂电池是继镍镉、镍氢电池之后，可充电电池家族中的佼佼者．锂离子电池以其优良的特性，被广泛应用于: 手机、摄录像机、笔记本电脑、无绳电话、电动工具、遥控或电动玩具、照相机等便携式电子设备中。 一、锂电池与镍镉、镍氢可充电池： 锂离子电池的负极为石墨晶体，正极通常为二氧化锂。充电时锂离子由正极向负极运动而嵌入石墨层中。放电时，锂离子从石墨晶体内负极表面脱离移向正极。所以，在该电池充放电过程中锂总是以锂离子形态出现，而不是以金属锂的形态出现。因而这种电池叫做锂离子电池，简称锂电池。 锂电池具有：体积小、容量大、重量轻、无污染、单节电压高、自放电率低、电池循环次数多等优点，但价格较贵。镍镉电池因容量低，自放电严重，且对环境有污染，正逐步被淘汰。镍氢电池具有较高的性能价格比，且不污染环境，但单体电压只有1.2V，因而在使用范围上受到限制。 二、锂电池的特点： 1、具有更高的重量能量比、体积能量比； 2、电压高，单节锂电池电压为3.6V，等于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压； 3、自放电小可长时间存放，这是该电池最突出的优越性； 4、无记忆效应。锂电池不存在镍镉电池的所谓记忆效应，所以锂电池充电前无需放电； 5、寿命长。正常工作条件下，锂电池充/放电循环次数远大于500次； 6、可以快速充电。锂电池通常可以采用0.5～1倍容量的电流充电，使充电时间缩短至1～2小时； 7、可以随意并联使用； 8、由于电池中不含镉、铅、汞等重金属元素，对环境无污染，是当代最先进的绿色电池； 9、成本高。与其它可充电池相比，锂电池价格较贵。 三、锂电池的内部结构： 锂电池通常有两种外型：圆柱型和长方型。 电池内部采用螺旋绕制结构，用一种非常精细而渗透性很强的聚乙烯薄膜隔离材料在正、负极间间隔而成。正极包括由锂和二氧化钴组成的锂离子收集极及由铝薄膜组成的电流收集极。负极由片状碳材料组成的锂离子收集极和铜薄膜组成的电流收集极组成。电池内充有有机电解质溶液。另外还装有安全阀和PTC元件，以便电池在不正常状态及输出短路时保护电池不受损坏。 单节锂电池的电压为3.6V，容量也不可能无限大，因此，常常将单节锂电池进行串、并联处理，以满足不同场合的要求。字串5 四、锂电池的充放电要求； 1、锂电池的充电：根据锂电池的结构特性，最高充电终止电压应为4.2V，不能过充，否则会因正极的锂离子拿走太多，而使电池报废。其充放电要求较高，可采用专用的恒流、恒压充电器进行充电。通常恒流充电至4.2V/节后转入恒压充电，当恒压充电电流降至100mA 以内时，应停止充电。 充电电流（mA）=0.1～1.5倍电池容量（如1350mAh的电池，其充电电流可控制在135～2025mA之间）。常规充电电流可选择在0.5倍电池容量左右，充电时间约为2～3小时。 2、锂电池的放电：因锂电池的内部结构所致，放电时锂离子不能全部移向正极，必须保留一部分锂离子在负极，以保证在下次充电时锂离子能够畅通地嵌入通道。否则，电池寿命就相应缩短。为了保证石墨层中放电后留有部分锂离子，就要严格限制放电终止最低电压，也就是说锂电池不能过放电。放电终止电压通常为3.0V/节，最低不能低于2.5V/节。电池放
先进的锂电池线性充电管理芯片BQ2057及其应用 北京理工大学机电工程学院魏维伟李杰 摘要：本文介绍美国TI公司生产的先进锂电池充电管理芯片BQ2057，利用BQ2057系列芯片及简单外围电路可设计低成本的单/双节锂电池充电器，非常适用于便携式电子仪器的紧凑设计。本文将在介绍BQ2057芯片的特点、功能的基础上，给出典型充电电路的设计方法及应用该充电芯片设计便携式仪器的体会。 关键词：锂电池充电器BQ2057 1 引言 BQ2057系列是美国TI公司生产的先进锂电池充电管理芯片，BQ2057系列芯片适合单节(4.1V或4.2V)或双节(8.2V或8.4V)锂离子(Li-Ion)和锂聚合物(Li-Pol)电池的充电需要，同时根据不同的应用提供了MSOP、TSSOP和SOIC的可选封装形式，利用该芯片设计的充电器外围电路及其简单，非常适合便携式电子产品的紧凑设计需要。BQ2057可以动态补偿锂电池组的内阻以减少充电时间，带有可选的电池温度监测，利用电池组温度传感器连续检测电池温度，当电池温度超出设定范围时BQ2057关闭对电池充电。内部集成的恒压恒流器带有高/低边电流感测和可编程充电电流，充电状态识别可由输出的LED指示灯或与主控器接口实现，具有自动重新充电、最小电流终止充电、低功耗睡眠等特性。 2.功能及特性 2.1 器件封装及型号选择 BQ2057系列充电芯片为满足设计需要，提供了多种可选封装及型号，其封装形式如图2－1所示，有MSOP、TSSOP和SOIC三种封装形式。其型号如表2－1所示，有BQ2057、BQ2057C、BQ2057T和BQ2057W四种信号，分别适合4.1V、4.2V、8.2V和8.4V的充电需要。 元件型号充电电压 BQ2057 4.1V BQ2057C 4.2V BQ2057T 8.2V BQ2057W 8.4V BQ2057的引脚功能描述如下： ?VCC (引脚1):工作电源输入； ?TS (引脚2):温度感测输入，用于检测电池组的温度； ?STA T(引脚3):充电状态输出，包括:充电中、充电完成和温度故障三个状态； ?VSS (引脚4):工作电源地输入； ?CC (引脚5):充电控制输出； ?COMP(引脚6):充电速率补偿输入； ?SNS (引脚7):充电电流感测输入； ?BA T (引脚8):锂电池电压输入；
六、简易充电电路： 现在有不少商家出售不带充电板的单节锂电池。其性能优越，价格低廉，可用于自制产品及锂电池组的维修代换，因而深受广大电子爱好者喜爱。有兴趣的读者可参照图二制作一块充电板。其原理是：采用恒定电压给电池充电，确保不会过充。输入直流电压高于所充电池电压3伏即可。R1、Q1、W1、TL431组成精密可调稳压电路，Q2、W2、R2构成可调恒流电路，Q3、R3、R4、R5、LED为充电指示电路。随着被充电池电压的上升，充电电流将逐渐减小，待电池充满后R4上的压降将降低，从而使Q3截止， LED将熄灭，为保证电池能够充足，请在指示灯熄灭后继续充1—2小时。使用时请给Q2、Q3装上合适的散热器。本电路的优点是：制作简单，元器件易购，充电安全，显示直观，并且不会损坏电池．通过改变W1可以对多节串联锂电池充电，改变W２可以对充电电流进行大范围调节。缺点是：无过放电控制电路。图三是该充电板的印制板图（从元件面看的透视图）。
概述 PT6102 是一款高度集成的单节锂离子电池充电器，较少的外部元件数目使得它非常适合于便携式应用。内部集成功率管，不需要外部检测电阻和防倒灌二极管。充电电流通过外部电阻进行设置，充电结束电压固定在4.2V。热反馈可以自动调节充电电流，可以在大功率或高环境温度下对芯片加以保护PT6102 分三个阶段对电流进行充电：当电池电压低于2.9V 时是涓流充电，当电池电压大于2.9V 时是恒流充电，并且涓流充电电流是恒流充电电流的1/10,当电池电压到4.2V 时进行恒压充电，在恒压充电过程中，充电电流逐渐减少，当减少到恒流充电电流的1/10 时，结束充电过程。 特点 可以用 USB 端口直接对单节电池进行充电. 充电电流最大可以到 800mA 不需要外部功率管，检测电阻和防倒灌二极管 涓流、恒流、恒压三阶段，并有热调节功能，可以在无过热的情况下最大化充电电流 精度达±1%的4.2V 充电电压 SOT23-5 和ESOP8 封装
充电器规格书 Specification of Battery Charger 型号:ES2406S 6A 锂电池充电器 （全铝外壳） / 6A Li Iron/Li Polymer BATTERY CHARGER 1.概述 General 此型号2406S 155×90×50mm的铝质外壳充电器能在输出6A的情况下工作，具有反接保护功能。 Battery Charger 2406S 155×90×50mm can work normally under 6A and with reverse polarity protection. 2.主要参数
Main product specification 3.环境条件 Environmental condition 4.技术特征 Electrical characteristics 输入特征： Input characteristic 输出特征和充电模式：
Output characteristic or charge stages 保护特征： Protection characteristics
充电指示 Charging indicator 5.安全性 Safety & EMC
备注：辨识A：在技术要求范围内，充电器功能正常； Remark: Discrimination A- Function OK under technical requirement range; 辨识R：只有由外部干扰信号引起的保护装置（保险丝）损坏，整个设备在更换保护装置和重设运行参数后才能正常工作，因机械性损坏和设备故障的设备却不能。 Discrimination R- Physical damage or failure of equipment are not allowed, but damage of protection device (fuse) caused by interference signal of outside is allowed, and the whole equipment can work normally after replacement of protection device and reset of running parameter 6.环境测试要求 Environmental testing requirements
1.概述 General 此型号2406S 155×90×50mm的铝质外壳充电器能在输出6A的情况下工作，具有反接保护功能。 Battery Charger 2406S 155×90×50mm can work normally under 6A and with reverse polarity protection. 2.主要参数 Main product specification
3.环境条件 Environmental condition 4.技术特征 Electrical characteristics 输入特征： Input characteristic 输出特征和充电模式： Output characteristic or charge stages 保护特征： Protection characteristics
充电指示 Charging indicator 5.安全性 Safety & EMC
备注：辨识A：在技术要求范围内，充电器功能正常； Remark: Discrimination A- Function OK under technical requirement range; 辨识R：只有由外部干扰信号引起的保护装置（保险丝）损坏，整个设备在更换保护装置和重设运行参数后才能正常工作，因机械性损坏和设备故障的设备却不能。 Discrimination R- Physical damage or failure of equipment are not allowed, but damage of protection device (fuse) caused by interference signal of outside is allowed, and the whole equipment can work normally after replacement of protection device and reset of running parameter 6.环境测试要求 Environmental testing requirements 7.机械特征
锂电池线性充电管理芯片LTC4065及其应用 摘要锂电池具有体积小、能量密度高、无记忆效应、循环寿命高、高电压电池和自放电率低等优点，近年来已经成为微型移动终端设备的首选电源。本文介绍了基于LTC4065芯片的线性充电管理方案，仅需要非常少的外围元件配合，就可以实现低成本、超小尺寸的单节锂电池充电管理。 关键词锂电池充电管理LTC4065 SG2003 随着移动计算技术和无线通信技术的发展，微型移动终端设备在移动数据采集、传输、处理及个人信息服务等领域得到越来越多的应用。锂电池因其体积小、能量密度高、无记忆效应、循环寿命高、高电压电池和自放电率低等优点，近年来已经成为微型移动终端设备的首选电源。锂电池的特性以及应用环境的需求，对微型移动终端设备充电方案的设计提出了更高的要求。因此在充电方案的设计中需要综合考虑成本、体积、噪声、效率等因素。 LTC4065是一款用于单节锂电池的完整恒定电流／恒定电压线性充电管理芯片，可提供高达750 mA且准确度为5％的可设置的充电电流，并支持直接使用USB端口对单节锂电池进行充电。同时其热反馈功能可调节充电电流，以便在大功率工作或高环境温度条件下对芯片温度加以限制，确保安全工作。由于采用了内部MOSFET架构，因此无需使用外部检测电阻器或隔离二极管。很少的外部元件数目加上其2 mm×2 mm DFN封装，使得LTC4065尤其适合无线PDA、蜂窝电话、无线传感器终端等应用。功能齐全的LTC4065还包括自动再充电、低电池电量充电调节、软启动等丰富功能。 1 LTC4065的引脚功能 LTC4065采用了热处理能力较强的6引脚小外形封装(DFN)，且实现产品无铅化，底部采用裸露衬垫，直接焊接至PCB以实现电接触和额定散热性能。引脚排列如图1所示。 各引脚功能如下： 引脚1，GND，接地端。 引脚2，CHRG，漏极开路充电状态输出。充电状态指示引脚具有三种状态：下拉、2 Hz 脉动和高阻抗状态。该输出可以被用作一个逻辑接口或一个LED驱动器。对电池进行充电时，有一个内部N沟道MOSFET将GHRG引脚拉至低电平。当充电电流降至全标度电流的10％时，CHRG引脚被强制为高阻抗状态。如果电池电压处于2．9 V以下的持续时间达到充电时间的1／4，则认为电池失效，而且CHRG引脚将以2 Hz的频率脉动。 引脚3，BA T，充电电流输出。该引脚向电池供应充电电流，并将最终浮动电压调节至4．2 V。该引脚上的一个内部精确电阻分压器负责设定此浮动电压，并在停机模式时断接。 引脚4，VCC，正输入电源。该引脚向充电器供电。VCC的变化范围是3．75～5．5 V。该引脚应通过一个最小1μF的电容器进行旁路。当VCC处于BA T引脚电压的32 mV以内时，LTC4065进入停机模式，从而使IBA T降至约1μA。 引脚5，EN，使能输入引脚。把该引脚拉至手动停机门限(一般为O．82 V)以上，将把LTC4065置于停机模式。在停机模式中，LTC4065的电源电流低于20μA。使能为缺省状态，但不用时应将该引脚连至GND。 引脚6，PROG，充电电流设置和充电电流监视引脚。充电电流是通过连接一个精度为1％的接地电阻器RPROG来设置的。 2 工作原理 LTC4065主要是为实现对单节电池充电而设计的线性电池充电管理芯片。该芯片利用其内部功率MOSFET对电池进行恒流和恒压充电。充电电流可利用外部电阻编程设定，最大
一种简易锂电池恒流充电电路的设计 手机电脑中的锂电池的充电需要恒流电流，而日常生活中我们所使用的是220V的正弦交流电。为了给锂电池充电，我们需要将220V的正弦交流电转换成特定电压的恒流电。我设计的一种转换电路如下，它包括变压器整流电路、恒流产生电路、自动断电电路、显示电路和电源电路5个部分。 变压器整流电路的功能是将220V 正弦交流电转换为合适的电流和电压信号,从而为后续电路提供信号。晶体管电流源为电路产生恒定的充电电流。利用三极管饱和导通时的电压特性实现自动断电电路的功能,从而实现当电池充满电时电路能够自动断开。显示电路的功能是利用发光二极管将电路开始充电和结束充电的状态显示出来。稳压电源电路的功能是为上述所有电路提供直流电压。 变压器整流电路和稳压电源电路(如图虚线左边所示) ,其主要由变压器、二极管桥式电路、电容构成。其中变压器采用常规的铁心变压器,并将普通的220V正弦交流电变为12V 正弦交流电,再通过二极管桥式电路进行整流和电容C1滤波。整流信号由VC1引出。在此基础上再接三端稳压器CW7812 及电容C3、C4 (如图虚线右边所示) ,这样整个电路就构成稳压电源电路。由B点提供+ 12 V的直流电压。 如图二所示，由稳压管VZ1、晶体管VT1、电阻R1、电容C2构成的晶体管电流源提供恒定电流, I C≈I E = UV Z1 - UB E1 R1。 取稳压管电压为5V ,R1为51Ω,此时I C≈100 mA ,作为电路的充电电流。 如图三所示,自动断电电路是由三极管VT2、电压跟随器A1、电压比较器A2电阻R4、R5、R6、R7、R8、R11和可变电阻R P1构成。当充电开始时,电压比较器输出高电平, V T2导通,V T1也导通,指示灯发光二极管亮,给电池充电。可以先设定转换开关为1时给一节电池充电,转换开关为2时给二节电池充电,依次类推,实现对1至4节电池充电。当电池充满时,电压比较器输出低电平,V T2截止,V T1不导通,发光二极管熄灭,充电完毕。
锂电池保护芯片均衡充电设计 常用的均衡充电技术包括恒定分流电阻均衡充电、通断分流电阻均衡充电、平均电池电压均衡充电、开关电容均衡充电、降压型变换器均衡充电、电感均衡充电等。成组的锂电池串联充电时，应保证每节电池均衡充电，否则使用过程中会影响整组电池的性能和寿命。而现有的单节锂电池保护芯片均不含均衡充电控制功能；多节锂电池保护芯片均衡充电控制功能需要外接CPU,通过和保护芯片的串行通讯（如I2C总线）来实现，加大了保护电路的复杂程度和设计难度、降低了系统的效率和可靠性、增加了功耗。 ?本文针对动力锂电池成组使用，各节锂电池均要求充电过电压、放电欠电压、过流、短路的保护，充电过程中要实现整组电池均衡充电的问题，设计了采用单节锂电池保护芯片对任意串联数的成组锂电池进行保护的含均衡充电功能的电池组保护板。仿真结果和工业生产应用证明，该保护板保护功能完善，工作稳定，性价比高，均衡充电误差小于50mV。 ?锂电池组保护板均衡充电基本工作原理 ?采用单节锂电池保护芯片设计的具备均衡充电能力的锂电池组保护板示意图如图1所示。其中：1为单节锂离子电池；2为充电过电压分流放电支路电阻；3为分流放电支路控制用开关器件；4为过流检测保护电阻；5为省略的锂电池保护芯片及电路连接部分；6为单节锂电池保护芯片（一般包括充电控制引脚CO,放电控制引脚DO,放电过电流及短路检测引脚VM,电池正端VDD,电池负端VSS等）；7为充电过电压保护信号经光耦隔离后形成并联关系驱动主电路中充电控制用MOS管栅极；8为放电欠电压、过流、短路保护信号经光耦隔离后形成串联关系驱动主电路中放电控制用MOS管栅极；9为充电控制开关器件；10为放电控制开关器件；11为控制电路；12为主电路；
方案一：BP2971 电源管理芯片 特点 ·输入电压区间（Pack+）：～12V ·FET 驱动 CHG和DSG FET驱动输出 ·监测项 过充监测 过放监测 充电过流监测 放电过流监测 短路监测 ·零充电电压，当无电池插入·工作温度区间： Ta= -40～85℃·封装形式: 6引脚 DSE（） 应用 ·笔记本电脑 ·手机 ·便携式设备 绝对最大额定值 ·输入电源电压：～7V
·最大工作放电电流：7A ·最大充电电流： ·过充保护电压（OVP）： ·过充压延迟： ·过充保护电压（释放值）：·过放保护电压（UVP）：·过放压延迟：150ms ·过放保护电压（释放值）： ·充电过流电压（OCC）：-70mV ·充电过流延迟：9ms ·放电过流电压（OCD）：100mV ·放电过流延迟：18ms ·负载短路电压：500mV ·负载短路监测延迟：250us ·负载短路电压（释放值）：1V 典型应用及原理图
图1：BP2971应用原理图 引脚功能 NC（引脚1）：无用引脚。 COUT（引脚2）：充电FET驱动。此引脚从高电平变为低电平，当过充电压被V-引脚所监测到 DOUT（引脚3）：放电FET驱动。此引脚从高电平变为低电平，当过放电压被V-引脚所监测到 VSS (引脚4)：负电池链接端。此引脚用于电池负极的接地参考电压 BAT（引脚5）：正电池连接端。将电池的正端连接到此管脚。并用的输入电容接地。 V-（引脚6）：电压监测点。此引脚用于监测故障电压，例如过冲，过放，
过流以及短路电压。 芯片功能原理图 芯片功能性模式 监测参数 参数可变（选）区间过充监测电压～ 50mV steps V OVP
BATT BATT-8.4V 图1 锂电池充电电路原理图 输入电源V in =24V ,充电电流1～1.5A，锂电池参数为8.4V，2.5A 1、充电电流的设置 恒流充电电流由下式决定：CS CH R mV I 200=，取A I CH 25.1=，得 Ω=16.0CS R 选取R CS 参数为0.16Ω±5%/1W 实际使用电阻值为150mΩ，得A A R mV I CS CH 33.1150 200 200=== 2、充电结束电流的设置 在恒压充电模式，充电电流逐渐减小，当充电电流减小到EOC 管脚的电阻所设置的电流时，充电结束。充电结束电流由下式决定： 6 10 ) 314350(278.1×+×= CS EOC R R I ，R3取10K ，I EOC =0.2A 3、电感的选择 在正常工作时，瞬态电感电流是周期性变化的。在P 沟道MOS 场效应晶体管导通期间，输入电压对电感充电，电感电流增加；在P 沟道MOS 场效应晶体管关断期间，电感向电池放电，电感电流减小。电感的纹波电流随着电感值的减小而增大，
随着输入电压的增大而增大。较大的电感纹波电流会导致较大的纹波充电电流和磁损耗。所以电感的纹波电流应该被限制在一个合理的范围内。 电感的纹波电流可由下式估算： )1(1 VCC V V L f I BAT BAT L ?×××= Δ 其中： f 是开关频率，300KHz L 是电感值 VBAT 电池电压 VCC 是输入电压 在选取电感值时，可将电感纹波电流限制在△IL ＝0.4×I CH ，I CH 是充电电流，得 L>34.2μΗ，实际取电感值为39μΗ。 4、电源自动切换电路 VOUT 给后续电路供电 图2 电源自动切换电路 当外部电源断开时，PMOS 管导通，由电池给外部系统供电，当外部电源接入时， PMOS 管关断，电池和系统电源之间断开，外部电源对系统供电。
一款锂电池充电管理芯片的研究与设计 林超 【摘要】：锂离子电池是目前便携式电子产品中使用最为广泛的可充电电池。而且随着电池容量的不断提高，锂离子电池将成为21世纪电动汽车的主要动力电源之一，并将在人造卫星、航空航天和储能方面得到应用。由于锂离子电池本身电学特性的原因，几乎每一块锂离子电池都需要一个充电管理芯片来提供充放电保护以延长其使用寿命。本文设计并实现一款成本较低、应用广泛，性能优良的锂电池充电管理芯片。采用全定制设计思想，完成了从底层电路开始到整个芯片电路的正向设计，实现了过放电保护、过充电保护、短路保护、过温保护以及涓流充电、恒流充电、恒压充电等控制功能。芯片内部用来驱动充电晶体管的MOS管耐压高达30V以上，在不外加扩展电路的情况下，可设计成多节串联电池的充电电路。低压线性稳压器集成在芯片内部，提高了集成度，使芯片具有较小的面积，降低了成本。芯片的外围电路既可以设计成线性控制也可采用PFM控制，应用电路简单。 此外，改变芯片应用电路的外围电阻就可以调节芯片的恒流充电电流、预充电（涓流充电）截止电压、恒压充电电压和电池充满判断电流。这使得芯片具有很强的适用性，能够应用在很多不同的场合。芯片采用CSMC0.5um DPTM Mixed Signal工艺，使用Cadence工具完成电路设计、仿真、版图设计和验证。仿真结果表明，在电池温度端检测电压大于4.51 V时，充电终止，表明此时电池没有接入；当电池温度检测端电压大于0.05V且小于0.5V 时，充电电流为24mV/Rs；当电池温度检测端电压大于0.5V且小于4.51V时，芯片系统正常工作，此时涓流充电电流为24mv/Rs，预充电结束判断电压为0.61V，恒流充电电流为240mv/Rs，恒压充电判断电压为1.21V，充饱判断电流为24mV/Rs，这些参数均符合设计指标，并且电池充电曲线也符合设计预期。仿真成功后进行版图设计和验证，最终导出GDS文件去foundry流片。 【关键词】：锂电池锂电池充电管理芯片三阶段充电法锂电池充放电保护过温保护【学位授予单位】：西安电子科技大学 【学位级别】：硕士 【学位授予年份】：2012 【分类号】：TM912 【目录】： ?摘要3-4 ?ABSTRACT4-8 ?第一章绪论8-14 ? 1.1 课题研究背景及意义8-10 ? 1.2 锂电池充电管理芯片的研究现状及发展趋势10-11 ? 1.3 本文的主要工作及内容安排11-14 ?第二章锂电池充电管理芯片设计基础14-24 ? 2.1 锂电池工作原理14-15 ? 2.2 锂电池的电学性能及其充电保护要求15-17
锂电池保护原理 锂电池保护板是对串联锂电池组的充放电保护；在充满电时能保证各单体电池之间的电压差异小于设定值（一般±20mV），实现电池组各单体电池的均充，有效地改善了串联充电方式下的充电效果；同时检测电池组中各个单体电池的过压、欠压、过流、短路、过温状态，保护并延长电池使用寿命；欠压保护使每一单节电池在放电使用时避免电池因过放电而损坏。 成品锂电池组成主要有两大部分，锂电池芯和保护板，锂电池芯主要由正极板、隔膜、负极板、电解液组成；正极板、隔膜、负极板缠绕或层叠，包装，灌注电解液，封装后即制成电芯，锂电池保护板的作用很多人都不知道，锂电池保护板，顾名思义就是保护锂电池用的，锂电池保护板的作用是保护电池不过放、不过充、不过流，还有就是输出短路保护。 01锂电池保护板组成
1、控制ic， 2、开关管，另外还加一些微容和微阻而组成。控制ic 作用是对电池的保护，如达到保护条件就控制mos进行断开或闭合（如电池达到过充、过放、短路、过流、等保护条件），其中mos管的作用就是开关作用，由控制ic开控制。锂电池（可充型）之所以需要保护，是由它本身特性决定的。由于锂电池本身的材料决定了它不能被过充、过放、过流、短路及超高温充放电，因此锂电池锂电组件总会跟着一块精致的保护板和一片电流保险器出现。锂电池的保护功能通常由保护电路板和PTC协同完成，保护板是由电子电路组成，在-40℃至+85℃的环境下时刻准确的监视电芯的电压和充放回路的电流。 02保护板的工作原理 1、过充保护及过充保护恢复 当电池被充电使电压超过设定值VC(4.25-4.35V，具体过充保护电压取决于IC)后，VD1翻转使Cout变为低电平，T1截止，充电停止.当电池电压回落至VCR(3.8-4.1V，具体过充保护恢复电压取决于IC)时，Cout变为高电平，T1导通充电继续，VCR 必须小于VC一个定值，以防止频繁跳变。 2、过放保护及过放保护恢复 当电池电压因放电而降低至设定值VD（2.3-2.5V，具体过充保护电压取决于IC）时，VD2翻转，以短时间延时后，使Dout变为低电平，T2截止，放电停止，当电池被置于充电时，内部或门被翻转而使T2再次导通为下次放电作好准备。 3、过流、短路保护 当电路充放回路电流超过设定值或被短路时，短路检测电路动作，使MOS管关断，电流截止。
储能型磷酸铁锂电池规格书 STORAGE LiFePO4 BATTERY SPECIFICATIONS 客户名称(Customer)： 产品型号(Type)： CF12V80Ah 发行日期(Issuing Date)： 1. 适用范围(Product Scope) 本规格书描述了锂离子二次电池的技术要求、测量方法、运输、储存及注意事项。 This Specification describes the requirements of the lithium ion rechargeable battery supplied by Prepared 制定 Checked 审核 Approved 批准
2. 电池组特性(Battery Group Specifications) Cell 电芯 Model规格型号IFP8081230-10Ah Capacity容量10 Ah Rated Voltage 标称电压 3.2 V Internal Resistance 内阻标准≤4 mΩ Combination Standard配组标准 A. 容差Capacity Difference≤1% B. 内阻Resistance()=1～2 mΩ C. 荷电保持能力Current-maintaining Ability≥90% D. 电压Voltage3.3～3.4V Combination Method组合方式4串8并4S 8P Pile Index 成品参数 Rated Capacity 标称容量80.0Ah Minimal Capacity最小容量（0.3C5A）80.0Ah Nominal Voltage额定电压12.0V Max. Charge Voltage 最大充电电压14.8 V Discharge cut-off voltage放电截止电压10.0V Charge Current充电电流5-10A Working Current工作电流10-20A Output and Inpu t输出端与输入端P+(red) / P-(black) Weight电池重量9.2Kg Dimension外形尺寸（L×W×H）168×260×132mm(不包含外露开关) Charge Method 适用充电 Standard标准5A×16hrs Quick快速20A×4hrs. Operating Temperature 适用温度 Charge充电0℃～45℃；32o F～113o F Discharge放电-20℃～60℃；-4o F～149o F
锂电池充电管理芯片BQ24025 一、特性 ●体积小，MLP封装 ●可以采用AC电源适配器或者USB电源充电，并能够自主选择 ●USB电源充电下，可以选择100mA、500mA两种充电电流 ●低压差比 ●内部集成定时器 ●低功耗情况下自动进入睡眠模式 ●工作时允许结温：—40~125℃，存储温度：—60~150℃ ●应用范围：PDA、MP3 player、数码相机、网络产品、智能电话等 二、引脚功能 AC：AC适配器电源输入端 USB：USB电源输入端 STAT1、STAT2：充电状态 VSS：电源、信号地 ISET1：设置AC适配器供电时的 充电电流；设置AC充电 或USB充电时的中止电 流 ISET2：设置USB充电时的充电 电流 /CE：充电使能（高电平禁止充 电，低电平允许充电，下 降沿充值所有定时器及定 时器出错状态 TS：温度检测输入 OUT：充电电流输出 三、电气参数 输入电压范围：—0.3~7.0V
功耗：40℃以下1.5W ， AC 输入电压范围：最低：4.5V ，最高：6.5V USB 输入电压范围：最低：4.35，最高：6.5V AC 输入电流Icc ：典型值1.2mA ，最大值2.0mA 输出电压：4.2V AC 充电时输出电流：最小50mA ，最大1000mA USB 充电时输出电流：100mA 时最小80mA ，最大100mA ；500mA 时最小400mA ，最大500mA 控制信号低电平：≤0.4V 控制信号高电平：≥1.4V 四、BQ24025工作模式及相关参数设置 ● 充电电源选择：AC 适配器提供的电源优先 ● 温度保护 采用温敏电阻检测蓄电池的温度，将得到的电压信号输入到TS 引脚。芯片内部有两个比较电压V （LTF ）（典型值2.5V ）和V （HTF ）（典型值0.5V ），当TS 引脚的电压在这两个电压值之间时，可以正常充电，一旦超出这个范围立即通过内部的功率FET 停止充电并暂停充电定时器（不复位），当温度回到正常范围时恢复充电。采用一个103AT 系列的温敏电阻时，温度保护范围是0~45℃，用户可以通过增加两个电阻来修改温度保护范围。如下图所示，其中I TS =102uA ，
DS8207 Ver 1.1 May 2011 1 Switch Mode Li-Ion/Polymer Battery Charger DESCRIPTION The EUP8207 is a constant current, constant voltage Li-Ion battery charger controller that uses a current mode PWM step-down (buck) switching architecture. With a 500kHz switching frequency, the EUP8207 provides a small, simple and efficient solution to fast charge one (4.2V) or two (8.4V) cell lithium-ion batteries. The EUP8207 charges the battery in three phases: conditioning, constant current, and constant voltage. An external sense resistor sets the charge current with ±10% accuracy. An internal resistor divider and precision reference set the final float voltage to 4.2V per cell with ±1% accuracy. An internal comparator detects the near end-of-charge condition while an internal timer sets the total charge time and terminates the charge cycle. The EUP8207 automatically re-starts the charge if the battery voltage falls below an internal threshold, 4.05V per cell. The EUP8207 also automatically enters sleep mode when DC supplies are removed. The EUP8207 is available in the 8-lead SOP and 10-lead TDFN packages. Typical Operating Performance Efficiency vs Input voltage E F F I C I E N C Y (%) Input Voltage (V) FEATURES Wide Input Supply V oltage Range: 4.8V to 20V – 4.2 Version 8.9V to 20V – 8.4 Version 8.9V to 20V – 8.4A Version 500kHz Switching Frequency End-of-Charge Current Detection Output 7 Hour Charge Termination Timer ±1% Charge V oltage Accuracy ±10% Charge Current Accuracy Low 10μA Reverse Battery Drain Current Automatic Battery Recharge Automatic Trickle Charging of Low V oltage Batteries Automatic Sleep Mode for Low Power Consumption Battery Temperature Sensing Stable with Ceramic Output Capacitor 8-Lead SOP and 10-Lead TDFN Packages RoHS Compliant and 100% Lead (Pb)-Free APPLICATIONS Small Notebook Computer Portable DVD Handheld Instruments Efficiency vs Input voltage E F F I C I E N C Y (%) Input Voltage (V)