高精度七节锂电池保护芯片的设计与实现
发布时间：2021-01-15 16:45
因为锂离子电池具有体积小、能量密度大、无记忆性、可循环次数多和低碳环保等优点,而成为了目前在便携式电子设备中应用最多的可充电电池,并且正逐步向智能家电、电动汽车等其他领域发展。但是锂离子电池在工作过程中,会遇到过电压,过电流和过温等异常状况,使得电池的工作效率降低,使用寿命减少,甚至会发生燃烧、爆炸等危险情况。因此配套相应的保护电路尤为重要。根据锂离子电池的实际应用需求,本论文设计了一款针对七节锂电池的高精度保护芯片。所设计的保护芯片包括带隙基准模块、电压检测模块、电流检测模块、延时模块、级联模块和驱动模块。由带隙基准模块提供给其他检测模块相对应的参考电压;电压检测模块单独检测每一节电池的电压,当其中一节电池电压异常时则对整个电池包进行保护;电流检测模块可以检测充放电电流,并设置了多段电流保护模式;通过延时模块调节各种保护的延时时间,并且输出逻辑控制信号给驱动模块;通过驱动模块控制片外集成的充放电MOSFET管的开关,以此来控制电池串的充放电回路。通过对整个芯片的各个工作状态进行仿真分析,并进行版图设计和实际芯片的测试,来验证芯片的功能性。与国内外的同类产品相比,本文所设计的保护芯片利...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
保护芯片的系统架构图
电子科技大学硕士学位论文10CUVT和COVT脚分别为电池充放电保护延迟时间设定引脚，两者均可通过外接电容进行调节；CCTL和DCTL脚分别为充放电MOSFET的外部控制信号引脚，用于级联设置；NONE是置空的引脚，目的是平均芯片两边的引脚数，方便芯片封装。图2-2锂电池充放电保护芯片的典型外围应用电路在芯片的实际应用中，为了减小噪声的影响，防止产生芯片逻辑误操作，通常会在外围应用电路中加入RC滤波电路，可以有效地减少输入信号毛刺和抑制电源的波动。另外，因为芯片通过采样分压对电池进行电压检测，如果外部电阻的阻值过大，则通过电阻分压输送进芯片的电流就会很小，这样会影响检测的精度。因此，本文中的锂电池保护芯片VC1~VC7脚的外围RC滤波电路中电阻为1k，电容为0.1μF。另外，VCC脚的外接电阻的阻值为200。VSS脚的外接电阻为100，电容为0.1μF。CCTL和DCTL脚的外接电阻为10k，电容为5μF。CUVT和COVT脚的外接电容为0.1μF。VM脚的外接电阻为5k。OC脚的外接电阻分别为1M和500，OD脚的外接电阻分别为10M和5k。2.3.2保护电路的工作模式在芯片的实际使用当中，当接入芯片电源的时候，VCC端口电压开始上升，放电MOSFET默认关闭，当VCC电压超过启动电压VPOR的时候，芯片会检测各节电池充放电状态是否正常。其中，当CS端引脚检测电压超过充放电状态检测电压VDSG的时候，电池组会被判定为放电状态；当CS端引脚检测电压低于VDSG的时候，电池组会被判定为充电状态。在电池的工作状态正常时，即保护芯片未检测到电池的过充、过放、充放电过流和短路等异常情况，芯片不发生任何保护，充放
第二章充放电保护电路的功能架构与工作模式11电MOS全部导通，电池组会正常的充放电。图2-3是本文所设计的保护芯片的各个工作模式之间的转化图。图中的Vcellx代表各节电池的电压，X=1~7，总共包括四个异常状态。其中，过充电状态的优先级要高于过放电状态，下面进行详细说明。图2-3工作模式转化关系图1、过充电保护：当任意一节电池的电压超过过充电保护电压VCOV并且持续时间超过过充电保护延时时间TCOV，芯片就会进入过充电保护状态（COV），关闭充电MOSFET。当每节电池的电压都低于过充电恢复电压VCOVR，芯片就会退出过充电保护状态，此时若无其他充电保护事件发生，则充电MOSFET会被打开，过充电保护状态（COV）解除。2、过放电保护：当任意一节电池电压低于过放电保护电压VCUV并且持续时间超过过放电保护延时时间TCUV，芯片就会进入过放电保护状态（CUV），关闭放电MOSFET。当所有电池的电压都被充电至过放电恢复电压VCUVR及以上，或者VM脚的电压低于1.4V，此时代表负载被移除或者充电器插入，则可退出过放电保护状态。3、充电过电流保护：芯片设有二段充电过电流保护模式PCOC1和PCOC2模式。当CS脚检测电压VCS超过充电过电流保护电压VPCOCn（VCS≥VPCOCn），且延迟时间超过充电过电流保护延迟时间TPCOCn的时候（TD≥TPCOCn），就会触发充电过流保护模式，此时充电MOSFET关闭。PCOC1和PCOC2只有在充电器解除时才会解除。4、放电过电流保护：芯片设有三段放电过电流保护模式，分别为放电PDOC1模式、PDOC2模式和PSC短路模式。当CS脚检测电压VCS超过放电过电流保护电压VPDOCn（VCS≥VPDOCn），且延迟时间超过放电过流保护延迟时间TPDOCn的时候
【参考文献】：
期刊论文
[1]可修调的高阶曲率补偿基准电压源[J]. 万文艳,程新红,宁振球,董春雷. 微电子学. 2014(06)
[2]单节锂电池保护芯片[J]. 王业秦,韩志刚,石江华. 微电子学. 2014(06)
[3]一种基于标准工艺的熔丝修调电路设计[J]. 王欢,罗玉香,宋黎明. 微电子学. 2014(04)
[4]一种电压基准高精度双向修调电路的设计[J]. 黄冲,欧健,袁政,薛超耀. 电子科技. 2013(07)
[5]阈值可编程锂电池组过流保护电路设计[J]. 王永春,周泽坤,刘明亮,明鑫,张波. 微电子学. 2011(03)
[6]多节串联锂电池的多功能管理芯片设计与实现[J]. 金津,何乐年,陈琛,叶益迭. 浙江大学学报(工学版). 2011(02)
[7]一种高稳定高精度单片锂电池充电芯片设计[J]. 王辰,张志远,李健,郑雷,戴澜. 科技信息. 2010(25)
[8]用于锂电池的保护芯片[J]. 田中俊. 电源技术. 2009(10)
[9]一种超低功耗锂离子电池保护电路设计[J]. 陈中良,冯旭,胡佳民,韩敏. 微电子学与计算机. 2009(06)
[10]超深亚微米IC设计中的天线效应分析[J]. 李蜀霞,刘辉华,赵建明,何春. 电子科技大学学报. 2008(S1)
硕士论文
[1]高性能双节锂离子电池保护电路的设计[D]. 杨晓春.电子科技大学 2013
[2]锂离子电池充电芯片设计[D]. 姜贵民.沈阳工业大学 2012
[3]智能锂电池保护系统模拟前端IC的设计与实现[D]. 王玉婷.辽宁大学 2012
[4]一种锂离子电池保护模拟前端的充放电控制及驱动设计[D]. 廖午阳.电子科技大学 2010
[5]一款低功耗单节锂离子电池充放电保护芯片的设计[D]. 陈雷.西安电子科技大学 2010
[6]锂电池线性充电芯片系统研究与设计[D]. 程涛.华中科技大学 2007
[7]高精度单节锂电池充放电保护电路的设计[D]. 姜娟.华中科技大学 2007
[8]中国锂离子电池产业分析[D]. 曹兴刚.吉林大学 2005
本文编号：2979164
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
保护芯片的系统架构图
电子科技大学硕士学位论文10CUVT和COVT脚分别为电池充放电保护延迟时间设定引脚，两者均可通过外接电容进行调节；CCTL和DCTL脚分别为充放电MOSFET的外部控制信号引脚，用于级联设置；NONE是置空的引脚，目的是平均芯片两边的引脚数，方便芯片封装。图2-2锂电池充放电保护芯片的典型外围应用电路在芯片的实际应用中，为了减小噪声的影响，防止产生芯片逻辑误操作，通常会在外围应用电路中加入RC滤波电路，可以有效地减少输入信号毛刺和抑制电源的波动。另外，因为芯片通过采样分压对电池进行电压检测，如果外部电阻的阻值过大，则通过电阻分压输送进芯片的电流就会很小，这样会影响检测的精度。因此，本文中的锂电池保护芯片VC1~VC7脚的外围RC滤波电路中电阻为1k，电容为0.1μF。另外，VCC脚的外接电阻的阻值为200。VSS脚的外接电阻为100，电容为0.1μF。CCTL和DCTL脚的外接电阻为10k，电容为5μF。CUVT和COVT脚的外接电容为0.1μF。VM脚的外接电阻为5k。OC脚的外接电阻分别为1M和500，OD脚的外接电阻分别为10M和5k。2.3.2保护电路的工作模式在芯片的实际使用当中，当接入芯片电源的时候，VCC端口电压开始上升，放电MOSFET默认关闭，当VCC电压超过启动电压VPOR的时候，芯片会检测各节电池充放电状态是否正常。其中，当CS端引脚检测电压超过充放电状态检测电压VDSG的时候，电池组会被判定为放电状态；当CS端引脚检测电压低于VDSG的时候，电池组会被判定为充电状态。在电池的工作状态正常时，即保护芯片未检测到电池的过充、过放、充放电过流和短路等异常情况，芯片不发生任何保护，充放
第二章充放电保护电路的功能架构与工作模式11电MOS全部导通，电池组会正常的充放电。图2-3是本文所设计的保护芯片的各个工作模式之间的转化图。图中的Vcellx代表各节电池的电压，X=1~7，总共包括四个异常状态。其中，过充电状态的优先级要高于过放电状态，下面进行详细说明。图2-3工作模式转化关系图1、过充电保护：当任意一节电池的电压超过过充电保护电压VCOV并且持续时间超过过充电保护延时时间TCOV，芯片就会进入过充电保护状态（COV），关闭充电MOSFET。当每节电池的电压都低于过充电恢复电压VCOVR，芯片就会退出过充电保护状态，此时若无其他充电保护事件发生，则充电MOSFET会被打开，过充电保护状态（COV）解除。2、过放电保护：当任意一节电池电压低于过放电保护电压VCUV并且持续时间超过过放电保护延时时间TCUV，芯片就会进入过放电保护状态（CUV），关闭放电MOSFET。当所有电池的电压都被充电至过放电恢复电压VCUVR及以上，或者VM脚的电压低于1.4V，此时代表负载被移除或者充电器插入，则可退出过放电保护状态。3、充电过电流保护：芯片设有二段充电过电流保护模式PCOC1和PCOC2模式。当CS脚检测电压VCS超过充电过电流保护电压VPCOCn（VCS≥VPCOCn），且延迟时间超过充电过电流保护延迟时间TPCOCn的时候（TD≥TPCOCn），就会触发充电过流保护模式，此时充电MOSFET关闭。PCOC1和PCOC2只有在充电器解除时才会解除。4、放电过电流保护：芯片设有三段放电过电流保护模式，分别为放电PDOC1模式、PDOC2模式和PSC短路模式。当CS脚检测电压VCS超过放电过电流保护电压VPDOCn（VCS≥VPDOCn），且延迟时间超过放电过流保护延迟时间TPDOCn的时候
【参考文献】：
期刊论文
[1]可修调的高阶曲率补偿基准电压源[J]. 万文艳,程新红,宁振球,董春雷. 微电子学. 2014(06)
[2]单节锂电池保护芯片[J]. 王业秦,韩志刚,石江华. 微电子学. 2014(06)
[3]一种基于标准工艺的熔丝修调电路设计[J]. 王欢,罗玉香,宋黎明. 微电子学. 2014(04)
[4]一种电压基准高精度双向修调电路的设计[J]. 黄冲,欧健,袁政,薛超耀. 电子科技. 2013(07)
[5]阈值可编程锂电池组过流保护电路设计[J]. 王永春,周泽坤,刘明亮,明鑫,张波. 微电子学. 2011(03)
[6]多节串联锂电池的多功能管理芯片设计与实现[J]. 金津,何乐年,陈琛,叶益迭. 浙江大学学报(工学版). 2011(02)
[7]一种高稳定高精度单片锂电池充电芯片设计[J]. 王辰,张志远,李健,郑雷,戴澜. 科技信息. 2010(25)
[8]用于锂电池的保护芯片[J]. 田中俊. 电源技术. 2009(10)
[9]一种超低功耗锂离子电池保护电路设计[J]. 陈中良,冯旭,胡佳民,韩敏. 微电子学与计算机. 2009(06)
[10]超深亚微米IC设计中的天线效应分析[J]. 李蜀霞,刘辉华,赵建明,何春. 电子科技大学学报. 2008(S1)
硕士论文
[1]高性能双节锂离子电池保护电路的设计[D]. 杨晓春.电子科技大学 2013
[2]锂离子电池充电芯片设计[D]. 姜贵民.沈阳工业大学 2012
[3]智能锂电池保护系统模拟前端IC的设计与实现[D]. 王玉婷.辽宁大学 2012
[4]一种锂离子电池保护模拟前端的充放电控制及驱动设计[D]. 廖午阳.电子科技大学 2010
[5]一款低功耗单节锂离子电池充放电保护芯片的设计[D]. 陈雷.西安电子科技大学 2010
[6]锂电池线性充电芯片系统研究与设计[D]. 程涛.华中科技大学 2007
[7]高精度单节锂电池充放电保护电路的设计[D]. 姜娟.华中科技大学 2007
[8]中国锂离子电池产业分析[D]. 曹兴刚.吉林大学 2005
本文编号：2979164
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