一种高效率升压型充电芯片的设计研究

发布时间：2020-09-16 10:16

　　近些年,消费类电子市场对便携式电子设备的需求日益增长,以手机、笔记本电脑为代表的便携式电子设备在人们的日常生活中已不可或缺。随着便携式电子设备的发展,用户对设备的供电系统提出了更高的性能要求,为设备提供安全可靠的电池与电源管理已成为目前学者们研究的重点方向之一。本文正是基于这样的研究背景,设计研究高效率的锂离子充电芯片,为便携式电子设备提供电池与电源管理解决方案。便携式电子设备的使用寿命与其电池的使用寿命密切相关。如今,随着便携式电子设备的轻量化发展,大部分设备采用能量密度高的锂离子电池供电。然而锂离子电池在充电过程中,过充、充电不足等均会对电池造成损伤,使电池容量下降,设备待机时间缩短,甚至引起电池爆炸,造成安全事故。因此在高效率充电的同时,延长电池寿命、提高充电过程的安全性已成为锂离子电池充电芯片的设计难点之一。本文为提高电池充电效率,缩短充电时间,集成Boost DC-DC转换器与电池充电管理电路,采用高效率Boost DC-DC转换器为电池提供稳定电源。为确保充电过程的安全可靠,设计充电策略为涓流/恒流/恒压充电对锂离子电池进行充电。充电起始,以较小的恒定电流预充电,一方面激活电池内部反应物,另一方面避免一开始的大电流充电使电池温升过快;随着小电流持续充电,电池电压逐渐升高到设定的涓流/恒流切换阈值,此时为提高充电速率固定充电电流为恒定的大电流,以恒流充电模式将电池充至接近饱和;恒流充电模式难以判断停充条件,极易发生过充。因此在电池电压升高到饱和值之前设置恒流/恒压切换阈值,切换充电模式为恒压充电,充电电流逐渐减小,最终使电池充满。对于Boost DC-DC转换器的设计,采用同步整流技术,以低导通阻抗的NMOS功率管代替整流二极管,其导通损耗与二极管导通压降带来的额外损耗相比更低。此外为降低全负载范围内系统的功耗,通过自适应降频技术,根据Boost DC-DC转换器负载电流的不同,调节开关管的关断时间,以提高整个系统在涓流充电即Boost DC-DC转换器带轻载时的转换效率。同时为保证芯片工作过程的安全可靠,引入完备的保护机制。芯片工作时进行电池温度保护、过温保护、输出短路保护、输入限流保护等,提高芯片工作可靠性。基于CSMC的0.35μm BCD工艺对充电芯片进行设计研究及仿真验证。根据仿真结果,芯片具备涓流/恒流/恒压充电功能,各保护机制实现了对芯片的保护,达到设计要求。在恒流充电阶段,转换效率可高达96.3%;恒压充电阶段,转换效率可高达95.7%。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM912;TN40
【部分图文】：

仿真波形,仿真波形,输出电压,死区时间

图 4-16 Charge pump 输出电压仿真波形图荷泵电路开关控制逻辑设计开关管控制信号Ctr1、Ctr2、Ctr3、Ctr4在切换高低电平时，有可能同时导通的情况。这时，一方面 Vpump对 Vp和电容 C1放电，导致一方面 BAT端与地端直接接通，产生大电流，带来极大的损耗，该M3 和 NM1，有可能烧毁器件。因此本文采用交错延时死区时间控 4-13 所示的死区时间控制电路，以产生 Ctr1、Ctr2、Ctr3 及 Ctr4 的CLKCLK1CLK2

波形图,时钟信号,波形图,电平

图 4-14 时钟信号波形图应当注意到的是，时钟信号 CLK 由 OSC 模块给出，其最高电平为输入部供电模块转换后得到的电压VDD，而控制信号Ctr1、Ctr2和Ctr3关断压分别为 VX、Vpump和VBAT，因此需采用电平移位电路将控制信号转为p和 VBAT电位下的信号。为降低瞬态电流，本文设计如下的电平移位电构如图 4-15所示：VXPM1PM2 PM3PM4PM5NM2NM1NM3 VDDCLK2CLK2BCtr1 AB

基准电压,温度变化曲线,带隙基准

TT 的标准工艺角条件下对所设计的带隙基准电路进行仿真。设置供电电压 VDD=5 V。通过仿真验证，带隙基准电路启动后该模块总于 400 nA，功耗 2 μW 左右。1）温度稳定性仿真用 dc 扫描，扫描温度从－40 °C到 125 °C ，得到仿真结果如下图 440 °C 到 125 °C 的温度范围内，Vref的最大值 Vref（max）＝1.204087 min）＝1.202003 V。Vref的变化值为：( max ) ( min).ref ref ref V = V V = 2 084mV隙基准电压的温度系数为：( ) ( )( )max minmax min. /ref ref6refV V10 10 49 ppmV T T = ℃ 度每变化 1°C时，所设计的带隙基准电压仅变化 0.01049mV，该结度要求。

【参考文献】