便攜式電子設(shè)備用多功能、多模式電池與電源管理芯片的研究與設(shè)計(jì).pdf

1、一個(gè)完整的電源方案，應(yīng)包括對(duì)電池進(jìn)行充放電管理和保護(hù)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(shè)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(shì)。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(gè)最大輸出為1A的DC-DC轉(zhuǎn)換器和兩個(gè)最大輸出為800mA的LDO線性穩(wěn)壓器。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)單芯片集成系統(tǒng)，本文對(duì)該系統(tǒng)中的各個(gè)子系統(tǒng)作出了深入的系統(tǒng)研究和設(shè)計(jì)。

2、>　　 在針對(duì)鋰離子電池充電器的研究中，本文采用了一種改進(jìn)型的恒流-恒壓充電方法，通過從恒流到恒壓轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)改進(jìn)型的恒流-恒壓充電方式中的過渡階段，獨(dú)特的恒流-恒壓控制電路通過電池電壓控制的跨導(dǎo)放大器改變恒流控制運(yùn)放工作點(diǎn)的方式實(shí)現(xiàn)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(hù)。為避免充電器芯

3、片在保護(hù)溫度附近來回充電-關(guān)斷，本文采用了一種軟溫度保護(hù)技術(shù)，即恒溫調(diào)制，該方法能在維持持續(xù)充電的同時(shí)使芯片溫度不超過保護(hù)點(diǎn)。鋰離子電池充電器的測(cè)試芯片用CSMC公司的0.6μm線寬多晶硅雙層金屬CMOS混合信號(hào)工藝進(jìn)行流片。仿真及測(cè)試結(jié)果顯示，改進(jìn)型的恒流-恒壓充電方式和恒溫調(diào)制均能實(shí)現(xiàn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。
　　 在針對(duì)鋰離子電池組管理系統(tǒng)的研究中，本文提出了兩種設(shè)計(jì)方案：一是基于高精度減法器的單片式；二是基于獨(dú)特通信電路的母子

4、式。為保證在多節(jié)電池組應(yīng)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(jìn)行了深入研究。母子式鋰電管理系統(tǒng)由一個(gè)母處理器和若干子管理單元組成。每個(gè)子管理單元對(duì)應(yīng)一節(jié)電池。除具備常規(guī)的保護(hù)功能外，該電池管理系統(tǒng)還有針對(duì)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(hào)模塊和下傳信號(hào)模塊進(jìn)行逐級(jí)傳遞，這兩個(gè)模塊是母子式鋰電管理系統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。仿真及測(cè)試結(jié)果證明，所提出的信號(hào)通訊方式和電池組管理芯片系統(tǒng)能完成對(duì)多節(jié)鋰離子電池

5、組的保護(hù)與管理。
　　 在針對(duì)DC-DC轉(zhuǎn)換器的研究中，提出了一種基于信號(hào)平均化、高精確性的用于DC-DC轉(zhuǎn)換器芯片穩(wěn)定性設(shè)計(jì)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(fù)載范圍內(nèi)的高轉(zhuǎn)換效率，提出了一種獨(dú)特的PWM/PFM雙模式自動(dòng)切換、高輸入電壓、最大輸出電流1A、降壓型的DC-DC轉(zhuǎn)換器。這個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)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(dòng)態(tài)的斜波補(bǔ)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(gè)最小占空比模塊來實(shí)現(xiàn)。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(dòng)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(fù)雜邏輯，模式之間的過渡自然平滑等優(yōu)點(diǎn)。由于在輸出電流小時(shí)能轉(zhuǎn)入PFM模式，因而能保證寬負(fù)載范圍的高轉(zhuǎn)換效率。這個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器具有最高

7、輸入電壓可達(dá)24V且輸出電壓范圍寬的特點(diǎn)，并采用TSMC的0.6μm40V BCD高壓工藝實(shí)現(xiàn)。仿真及測(cè)試結(jié)果證明該芯片在預(yù)定的輸入輸出范圍內(nèi)都能夠保持環(huán)路穩(wěn)定。在輸出電流50mA到200mA跳變時(shí)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(shí)輸出電壓的最大改變量小于0.6％，最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了95％。
　　 在針對(duì)LDO線性穩(wěn)壓器的研究中，首先對(duì)LDO進(jìn)行了基礎(chǔ)理論研究，分析了頻率補(bǔ)償、壓差、瞬態(tài)響應(yīng)、線

8、性調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率等各項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)。在此基礎(chǔ)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(yùn)用了SRE技術(shù)，進(jìn)一步提高了瞬態(tài)響應(yīng)的性能。該測(cè)試芯片采用CSMC公司的0.5μm CMOS混合信號(hào)工藝物理實(shí)現(xiàn)。仿真及測(cè)試結(jié)果表明，由于本芯片的高增益誤差放大器和快速環(huán)路設(shè)計(jì)以及SRE電路的應(yīng)用，使輸出電壓的線性調(diào)整率達(dá)到了1.77mV/V，負(fù)載調(diào)整率僅為4.5μV/V，輸入電壓在4.5V到5.5V間跳變時(shí)，輸出電壓