便攜式電子設備用多功能、多模式電池與電源管理芯片的研究與設計.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、一個完整的電源方案,應包括對電池進行充放電管理和保護的電池管理,以及給系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠電源的穩(wěn)壓器等設備。將電池管理和提供電源管理的穩(wěn)壓器集成在一起,是未來電源方案的一大發(fā)展趨勢。為此,本文提出了一種單芯片的電池與電源管理解決方案,該方案集成了電池充電器、電池組管理系統(tǒng)、兩個最大輸出為1A的DC-DC轉換器和兩個最大輸出為800mA的LDO線性穩(wěn)壓器。為實現這個單芯片集成系統(tǒng),本文對該系統(tǒng)中的各個子系統(tǒng)作出了深入的系統(tǒng)研究和設計。

2、>   在針對鋰離子電池充電器的研究中,本文采用了一種改進型的恒流-恒壓充電方法,通過從恒流到恒壓轉換過程中的平緩過渡,克服了傳統(tǒng)的恒流-恒壓充電方式中,在恒流充電末期可能存在的電池大量放熱及容量減小的問題。為實現改進型的恒流-恒壓充電方式中的過渡階段,獨特的恒流-恒壓控制電路通過電池電壓控制的跨導放大器改變恒流控制運放工作點的方式實現了從恒流到恒壓的平緩過渡。另一方面,鋰離子充電器芯片由于具有較大的功率而需要溫度保護。為避免充電器芯

3、片在保護溫度附近來回充電-關斷,本文采用了一種軟溫度保護技術,即恒溫調制,該方法能在維持持續(xù)充電的同時使芯片溫度不超過保護點。鋰離子電池充電器的測試芯片用CSMC公司的0.6μm線寬多晶硅雙層金屬CMOS混合信號工藝進行流片。仿真及測試結果顯示,改進型的恒流-恒壓充電方式和恒溫調制均能實現,達到了設計目標。
   在針對鋰離子電池組管理系統(tǒng)的研究中,本文提出了兩種設計方案:一是基于高精度減法器的單片式;二是基于獨特通信電路的母子

4、式。為保證在多節(jié)電池組應用中系統(tǒng)的高精度性,選擇了母子式鋰電管理系統(tǒng)方案進行了深入研究。母子式鋰電管理系統(tǒng)由一個母處理器和若干子管理單元組成。每個子管理單元對應一節(jié)電池。除具備常規(guī)的保護功能外,該電池管理系統(tǒng)還有針對電池組的均衡功能。母處理器的命令以及電池的狀態(tài)信息分別用上傳信號模塊和下傳信號模塊進行逐級傳遞,這兩個模塊是母子式鋰電管理系統(tǒng)方案實現的關鍵。仿真及測試結果證明,所提出的信號通訊方式和電池組管理芯片系統(tǒng)能完成對多節(jié)鋰離子電池

5、組的保護與管理。
   在針對DC-DC轉換器的研究中,提出了一種基于信號平均化、高精確性的用于DC-DC轉換器芯片穩(wěn)定性設計的模型,并給出了電感電流連續(xù)模式下的電壓控制型PWM和峰值電流型PWM控制環(huán)路的平均化仿真模型。為保證寬負載范圍內的高轉換效率,提出了一種獨特的PWM/PFM雙模式自動切換、高輸入電壓、最大輸出電流1A、降壓型的DC-DC轉換器。這個DC-DC轉換器的模式控制是基于創(chuàng)新的最小占空比限制法。PWM控制采用峰

6、值電流反饋模式,并提出了一種動態(tài)的斜波補償方法,以保證PWM控制環(huán)路寬輸出電壓范圍的穩(wěn)定性。而PFM控制是通過簡單地在PWM控制環(huán)路中插入一個最小占空比模塊來實現。最小占空比模塊規(guī)定的最小占空比,與輸出輸入電壓比成正比,動態(tài)地隨輸出電壓Vout和輸入電壓Vin變化。這種控制方式具有模式切換簡單,不需要復雜邏輯,模式之間的過渡自然平滑等優(yōu)點。由于在輸出電流小時能轉入PFM模式,因而能保證寬負載范圍的高轉換效率。這個DC-DC轉換器具有最高

7、輸入電壓可達24V且輸出電壓范圍寬的特點,并采用TSMC的0.6μm40V BCD高壓工藝實現。仿真及測試結果證明該芯片在預定的輸入輸出范圍內都能夠保持環(huán)路穩(wěn)定。在輸出電流50mA到200mA跳變時輸出電壓的最大改變量小于1.5%,輸入電壓在19V到24V之間跳變時輸出電壓的最大改變量小于0.6%,最高轉換效率達到了95%。
   在針對LDO線性穩(wěn)壓器的研究中,首先對LDO進行了基礎理論研究,分析了頻率補償、壓差、瞬態(tài)響應、線

8、性調整率、負載調整率等各項關鍵性能指標。在此基礎上,提出了一種增益高,并增加了快速反饋環(huán)路的LDO線性穩(wěn)壓器。此外,還運用了SRE技術,進一步提高了瞬態(tài)響應的性能。該測試芯片采用CSMC公司的0.5μm CMOS混合信號工藝物理實現。仿真及測試結果表明,由于本芯片的高增益誤差放大器和快速環(huán)路設計以及SRE電路的應用,使輸出電壓的線性調整率達到了1.77mV/V,負載調整率僅為4.5μV/V,輸入電壓在4.5V到5.5V間跳變時,輸出電壓

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