（通信与信息系统专业论文）高精度线性锂电池充电器设计.pdf

摘要 摘要 本论文所论述的是一种专门为为高精度锂电池充电而设计的电路，非常适 合那些低成本、便携式的充电器使用。它集高精度预充电、恒定电流充电、恒 定电压充电、电池状态检测、温度监控、充电结束低泄漏、充电状态指示、电 池内阻补偿等性能于一身，可以广泛地使用于p d a 、移动电话、手持设备等领 域。 在充电器项目中，本人主要担负基准电压源、稳电压控制模块、稳电流控 制模块的分析与设计。其中，基准电压源模块采用带隙基准原理设计，并对传 统的基准电路进行了结构优化做出改进以提高其电源抑制比；对稳电压和稳电 流控制模块，针对其中的运放结构，采用密勒补偿技术做出了很好的频率补偿， 对增益和功耗等参数做到了较为完美的折衷；另外，对稳电压和稳电流两个比 较器的输出端的不同联接方式进行了仔细的比较和探讨。各模块仿真结果表明， 各项指标、参数都达到了设计要求，电路设计时对上述要求的回应是成功的。 关键词：充电带隙基准密勒补偿 一一一 垒! ! 咝 a b s t r a c t 、 t h e p a p c rd i s s e n a t c sac m o s “i o nl i n e 缸b a t 沧r yc h a r g i n gc i r c l i “w h i c hi sv e r y s u i t a b l ef o rp 叭a b l ec h 盯g 粥w i 也1 0 wp r i c e t h ei m p o n a n tf e a t l l 瑚o f 山i sc i r c u i t i i l c l u d eh i g hp r c c i s ep r e c h a r g em o d e ，a d j l l s t a _ b l ec h 盯g i l l gc u r r e n t ，a d j u s 协b l ec h a r g i n g v o l 诅g e ，c h 盯g i n gs t a m si i l d i c a t o r 也c n n a ls h u t d o w n ，i i l t e g r a t e d do fc h a r g e d c t 硎o n ，e t c i tc 锄b ec x t c n s i v e l y 懈c di nb a t t 盯p o w e r e de l e c 仃蜘i c ss u c h 船 p o r t a _ b l ep e r s o n a lc o m p u t 铘，c e l l u l a rt c l e p h o n e s ，b i o m e d i c a li m p l 柚t s ，w i r c l e s s h a i l d s e 乜，p d a sd l g i t a lc 锄e m s 柚ds oo n i n t h cd e s 研p r o c e d u r eo f t h ec h 甜g e rs u b j t ，i 蜘s p o n s i b l e f o rm ed e s 勘o f t b r m a i ns u b c i r c u i t s ：r e f h 吼c ev o l t a g ec l e m e n t ，g m v 姐dg m i t h er e f e r e n c e v o l t a g ee l e m e mi sd e s i 印c dw i 血b a n d g a pr e l f e r e l l c et h c o r y 柚d 也es m l c t i l r e 锄d p a m m e t e r sa r eo p t i m i z c db a s e do nt h e 廿a d m o n a lc 渤“s 旬n l c t i l r e ；w i mr e g a r dt ot h e o p e m t i o n a l 舭l p l 毋s 灯u c t l 鹏o ft h eg m i 觚dg m v ，m i l l 盯c o r 印e n s a t i o nt e c h l l o l o g y i sa d o p t e d 孤dt h ec i r c u i tg e 协ag o o df e s u l to f 丘e q u 如c yc o r n p c n s a t i o n ma d d i t i o n ， 啊oo 唧u tc o 衄c c tm e t h o d so f 也cg m v 孤dg m ic o m p a m t 0 璐锄s p c c i a l l y r e s e a r c h e d 锄dc o r n p 砌锄d a n a l y z e dc 盯咖1 1 y a tl a 瓯t h e 鲫u i a t i o nf e s u l t so f 也et h r m i ns u b c i r c u i t 8i l l d i c a t et h a ta l l 血e 协r g e t s 锄dp a 姗c t e 培a c h i e 、，c ，柚dt h ed c s i g nm e e t st h cf i l i l c t i o nr e q u i r c ：i i l e mo ft h e c h 甜g e r 1 ( e yw o r d s ：c h a r g 盯b 锄d g a p m i l l 盯m p e n s a t i ”纠 弓侈 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下 各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本：学校有权保存学 位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存 论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务； 学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版i 在 不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术 活动。 学位论文作者签名： 豸磅破 一! 鱼三竺狸 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用本 授权书。 指导教师签 移冽名：靴敝储签 碱 名： 解密时年 月日 间： 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 内部5 年( 最长5 年，可少于5 年) 秘密l o 年( 最长l o 年，可少于1 0 年) l ! 竺竺兰! 苎竺兰：竺三：! 三： 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：易和匆蝠 例了下 第一章概论 第一章概论 第一节充电器发展现状 锂在元素周期表中是第一位金属元素，因此由锂所构成的电池理论上是轻 的，具有最高储能的电池。由锂离子构成的锂离子电池，既避免了锂电池的不 安全性，又具有较高的重量比容量和体积比容量，因而作为新一代电池，锂离 子电池必将以最流行的新兴电池的身份进入二十一世纪。锂离子电池充电器因 此将成为充电器市场的主流。 ， 便携设备市场正在迅速发展。包括手机、智能型电话以及手持式设备在内 的整个市场持续增长，预计2 0 0 6 年的总销量将超过5 2 5 亿部，今后5 年年平 均增长率据估计为2 0 一3 0 ，对与其配套的小型二次电源需求量很大。随着手 机向小型、多功能发展，对电池及电池充电器的要求也越来越高。 第二节充电器的基本要求 电池充电器的基本要求是能够限制充电电流和充电电压，保证电池安全充 电。增加其它充电辅助功能是为了改善电池寿命，简化充电器的使用操作，其 中包括给过放电的电池使用小电流充电、电池电压检测和电量计、输入电流限 制、充电完成後关断充电器、电池部分放电後自动启动充电等所有或者部分 这些功能都可以在充电芯片中实现，当然，也可利用a s i c 、分立器件、或在微 处理器的基础上用软件实现 设计一个用于移动电话和p d a 的锂离子电池充电器需要在很多方面作出 折衷，首先，电池在传输数据和语音信号期间消耗的电能应当可以用大电流迅 速地充电，同时，又希望充电器尽可能小、不至影响移动电话或p d a 的尺寸。 1 第一章概论 针对这些问题。需要设计工程师根据具体应用，在对性价比加以权衡的基础上 选择充电功能和充电器类型，还要特别考虑电池制造商的建议，这些建议是保 证安全充电的基础。 第三节内容提要 本文第一章概述了充电器的发展现状及基本要求；第二章讲述了锂离子电 池充电流程，对锂电池的一个完整的充电周期做了仔细的描述；第三章对三种 充电器类型进行了比较，在成本、体积与性能平衡的基础上，本论文选择线性 充电器作为设计方向。 接下来是本论文的重点。首先，第四章对充电控制整体电路进行了分析与 模块划分；随后的三章对我所承担的三个具体模块，全面地详述了其设计过程， 并提供了仿真结果。其中，第五章介绍了基准电压的原理，并对所设计的基准 电压电路进行了剖析；第六章是稳电压控制模块的设计，以及其作为运放的补 偿实现；第七章介绍了稳电流控制模块的设计，并对稳电压与稳电流的输出联 结方式做了认真的比较和探讨 最后，第八章对本文所作工作进行了总结回顾，并对今后充电器技术发展 进行了展望。 2 第二章锂离子电池充电流程 第二章锂离子电池充电流程 第一节锂离子电池充电特性 锂离子电池的更高化学能量密度和更高电池电压使得我们可以为便携式应 用制造出更小和更轻的电池，更轻和更小的电源对便携式应用而言常常是至关 重要的。不过，要想充分利用电池容量或延长电池寿命，必须极其严格地控制 充电参数，如电流、电压和温度 电池充电过程中，电池和充电器内部的电路都会产生热量，若散热不佳导 致热量聚集会影响电池正常的化学反应过程，造成电池的热失效。因此，电池 的设计应能防止电池温度的异常上升在充电过程中，施加电压的精度对提高电 池的效率和延长电池的寿命具有非常重要的作用。超过充电终止电压将导致过 充电，这在短期内会增加电池的供电量，但长期来说则会导致电池失效并产生 安全问题。 充电终止电压每提高l ，电池的初始容量就会增大约5 。这种显而易见 的短期增益效应会对电池的充电放电次数产生严重的后果。过充电导致了充电 次数的减少。 另一方面，欠充电尽管不会产生安全问题，但会显著减小电池的容量。 第二节锂电池充电的技术要求 单体锂离子电池的充电电压必须严格保持在4 1 v 5 0 m v ，充电速率通 常限制在lc 以下若充电电压超过4 5v 。可能造成电池的永久损坏充电 特性曲线如下图所示。 此充电特性曲线具有负的温度系数，因此环境温度对充放电特性有较大影 3 第二章锂离子电池充电流程 响，需根据环境温度调整各充电门限参数值。且充电过程中，需实时监测电池 状态，以精确防止过充。 l 0 t h 图2 1 锂电池充电特性曲线 v 0 1 协g e ，c i l 咖优a p a c 蚵c h a m c t e r i s t i cw h 锄c h 啦g 第三节目前流行的手机充电器工作流程 目前手机充电器的工作流程一般为： 1 检测电池的电压，如果低于一个阈值电压，就要进行涓流充电； 2 。电池充到一定电压( 一般设置为2 9 v ) 时，进行全电流充电； 3 当电池电压达到4 2 v 时，开始恒压充电，同时电流降低； 4 5 4 3 2 鼻置u皇h_之一fl 第一章铿离子电池充电流稃 4 当电流逐渐减小到规定的值时，充电过程结束。 其最典型的充电流程如下： 陌阖 k g 堕堡羔 图2 2 锂电池典型充电流程 除了上面酌流程福述，它还具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充电器关闭对电池充电。 而且，充电状态识别可由输出的l e d 指示灯或与主控器接口实现，有的还可以 自动重新充电、最小电流终止充电、低功耗休眠等。 一般来说，恒压充电结束时的小电流充电过程中，电流的大小一般为恒流 充电时电流的十分之一。如果最后电池电压不符合标准，一般都有一个r h a r g e 重新充电过程。 5 第二章二种充电器类犁的比较 第三章三种充电器类型的比较 锂离子电池充电器有三种类型：开关方式、线性方式和脉冲方式这些类 型的最大区别是尺寸、成本与性能的平衡。 ， 丌关型充电器体积大、复杂程度高，而且需要l c 输出滤波，这些缺陷换 取的是较高的充电效率。线性和脉冲方式充电器体积小、外部器件少，但线性 方式可能需要额外的电路板面积来散发调整管所产生的热量。脉冲方式充电器 不存在散射问题，但它需要限流型交流适配器，成本略有增加。 第一节开关方式充电器 开关方式锂离子电池充电器在整个电池电压和适配器输出电压范围内都产 生比较低的热量，这是相对于线性充电器的优点脉冲方式充电器的优点是可 以使用电压范围很宽的交流适配器，可以相对降低交流适配器的成本。 开关方式锂离子电池充电器的缺点是尺寸较大和结构复杂，控制器、 m o s f e t 和l c 滤波器占用较大的电路板面积，这些巨大的电感器和电容器等外 部元件阻碍了对制作最小且最高性能的充电器i c 的追求。其它缺点还有e m i 和由开关引起的噪声以及辐射。当然，通过电路板布局和器件选择可以解决噪 声和干扰问题。 充电器可以设置输入电流限制，当输入电流达到门限值时，充电器自动降 低对电池的充电电流。因为充电器具有限流功能，所以可用普通的、成本较低 的交流适配器。 充电器的状态控制机制能够在充电完成後关断充电器，在电池放电後自动 恢复充电安全特性包括对过放电电池用小电流预充、自动检测失效电池等。另 6 第三章三种充电器类型的比较 外可直接驱动l e d 作为充电指示和状态指示或者与微处理器通信。 第二节线性方式充电器 线性充电器利用调整管( m o s f e t 或晶体管) 把交流适配器的电压降为电 池电压充电器的外部元件很少，包括：输入输出电容和限流、限电压电路， 结构较为简单。线性充电器把交流适配器的电压降为电池电压，所以消耗热量 等于交流适配器电压与电池电压之差再乘以充电电流。交流适配器的输出电压 为：5 v 士1 0 ，充电电流为l a ，电池电压范围从4 2 v 至2 5 v ，产生热量为o 3 w 至3 o w 。 。 下图是典型的线性方式充电器，m a x l 8 9 8 控制m o s f e t 把交流适配器的 电压降为电池电压，电池电压最低对产生热量最大。 i n d u t v o n a g e c h a r g l n 9 c u r r e n t 图3 1i i a x l 8 9 8 线性充电器 m a x l 8 9 8 有一个预充状态，能够用小电流为电压低于2 5 v 的锂离子电池 充电所以，产生热量最大的情况对应于电池电压刚刚大于2 5 v 的预充门限 时，这时输入电压与电池电压之间的压差最大 3 w 的热量对于移动电话和p d a 来说难以耗散，这会影响移动电话和p d a 的性能。如果降低充电电流就要增加充电时间，应该根据实际需要确定散热和 7 第三章三种充电器类型的比较 充电速度的折衷方案。 尽管线性充电器的缺点是热量过大，但对于无线应用来说它可能仍然是一 个较好的选择方案，因为它不需要开关和电感，没有辐射、不会产生噪声，对 哪些噪声敏感的无线应用很合适。 第三节脉冲方式充电器 锂离子电池充电器的第三种类型是脉冲充电器，这种方式综合了开关方式 和线性方式的优点。 当电池电压比较低时；开关管导通，交流适配器直接给电池充电：当电池 电压达到设定值时，充电器开始以脉冲方式控制开关管导通或断开，最终完成 充电任务。 因为开关管没有工作在线性区域，所以没有线性充电器的热耗：脉冲充电 器不需要l c 滤波器，所以比开关方式的电池充电器占用面积小结构如同线性 充电器，比较简单，仅需要几个外部器件，但是脉冲方式不存在散热问题，所 以不必在充电时间和功率耗散之间作折衷处理。 当然，脉冲方式锂电池充电器要求输入交流适配器的是限流型的，而且对 精度也有一定要求。具有一定限流精度的交流适配器并不通用，成本较高。但 为保证电路的安全可靠，某些情况下要求交流适配器有定的限流精度也是必 须的。 第四节结论 以上描述了三种充电器类型的特点，即：开关型充电器在很宽的输入电压、 充电电压和充电电流范围内没有功率消耗，但其成本和复杂程度较高。线性充 电器体积小、电路简单，也更廉价。但需考虑散热问题。脉冲方式充电器体积 8 篓兰童三跫壅皂璺鲞型丝竖墼 ，j 、没有热耗。僮它需要成本较高的限流型交瀛适配器。 综上所述，对诸如数码相枫( d s c ) 、毛偿3 播教枫、个入数字助瑾( p d a ) 和蜂窝电话等体小量轻的便携式设备中常见昀单节键离子电池或锂聚会物电池 薅富，其宠充电器之蓠选当推线性电池充电器。 9 第四章充电控制电路的整体分析设计 第四章充电控制电路的整体分析设计 第一节电路简介 本电路是一种为高精度锂电池充电而设计的电路，集高精度预充电、恒定 电流充电、恒定电压充电、电池状态检测、温度监控、充电结束低泄漏、充电 状态指示、电池内部电阻补偿等性能于一身。适合用于低成本，携式的充电器， 别是手机充电器来使用。 本电路通过检测电池电压来选择工作状态当电池电压小于定值v m 聃( 一 般为3 v ) 时，处于预充电状态，用低电流来为电池充电，且此的电流可以通过 ， 改变外部电阻来调整。当预充电使电池电压乏v m 蚋后，进入恒定电流的快速状 态。充电电流也可以通过改变外部电阻来调整。恒定电流充电使电池电压 上升到恒定充电电压v r 髓( 4 2 v ) 后进入恒定电压充电阶段，充电电压精度优 于t ，该状态下。充电电流将逐渐减小。当小于 r e 州，充电结束充电结 束后还会继续监控电池电压，当其小于、，肛c h o ( 一般为v r 阶一1 5 0 m v ) 时，对 电池进行再充电，进入下一个充电周期。 全条件： a d a p t e r ( v c c ) = 5 v 1 2 v ； t c l 】1 口= 一3 0 8 0 ： 第二节本电路的功能及特点 为了便于理解，本文以v m 7 2 0 5 充电控制芯片为例，用以p n p 晶体管作为 调整管的应用电路图来进行说明。 1 0 第四章充电控制电路的整体分析设计 图4 1v m 7 2 0 5 应用电路幽 本电路的功能及特点如下： 1 预充电过程，用户可以改变预充电电流。 如果锂电池的初始电压低于预充电阈值v m 忡则首先进入预充电阶段。预 充电电流可以用一个外部电阻r 9 来调整，r 9 被连接在c s l 端和p n p 管的发 射极之间，在本电路内部还有一个5 1 k q 电阻被连接在v c c 和c s l 端之间，这 两个电阻形成一个分压网络，预充电的电流由下式来决定： ，一= ( + 翔鲁 ， 当充电器不在预充电状态时，此分压网络被断开，不起作用。 i p r e c i g 相对于恒定电流充电时的电流来说是比较小的，这是因为当电池 电压v b a t 较小时，如果用大电流对其进行充电，会存在安全上的隐患；同时， 当电池电压v b a t 低时，在外部调整管q l 上的压降较大，减小电流对降低q l 的功耗也是非常有利的 2 恒定电流快速充电，用户也可以改变充电电流 电池电压达到v m 咐时，电池将进入下一个充电阶段；恒定电流充电。其 充电电流由l 睢g = v c s 睢g r 1 来确定因此，通过调整电阻r 1 即可获得希望得 第四章充电控制屯路的整体分析殴计 到的充电电流。 3 恒定电压充电过程，高于l 的电压精度。 随着恒定电流充电的进行，电池电压上升，当电池达到一定电压( v r e g ) 时，即进入恒定电压充电阶段。在此阶段，电池电压不再上升，被恒定在v r e g ， 且充电电流逐渐减小。在恒定电压充电阶段，充电电流逐渐减小，当电流减小 到i t e r m = v c s t e r m ，r 1 时，电池充电结束。 4 温度监控 整个充电过程中，本电路将通过电池内部的热敏电阻和t s 引脚外部的分 压网络对电池的温度实行实时监控。避免由于电池温度过高( 或过低) 而造成 对电池的损坏或发生危险。 一般情况下，当t s 端电压v t s 在v t s l 与v 1 s 2 之间时，本电路正常工作。 当v t s v t s 2 或v t s 4 2 v 时，g m v 的正端输入电压大于比较器的负端参考电压1 5 v ， 输出高电平，p n p 晶体管的基极电流降低，集电极电流也就下降，、，b a t 也就降 低下来。 当v b a t 低于4 2 v 时，g m v 的正端输入电压低于1 5 v ，输出低电平，p n p 基极电流上升，集电极电流也就上升，v b t 也就增大。 如此反馈，保证v b a t 基本保持在4 2 v 。 第一节具体设计 6 1 1 运放形式 输入比较电压为1 5 v ，因此采用p m o s 差分输入形式的二级运放结构。典 型情况下的直流开环增益为7 6 d b 设计要求d r i 、，e 端子吸入电流为2 咂认 ( t y p ) ，所以第二级n m o s 的w 儿设为2 0u l o o 2 5 u 3 0 第六章稳电压控制模块设计与仿真分析 6 1 2 相位补偿 本文在这里先介绍一下补偿电路的设计原理。 如下图所示，。 x ( s ) y ( s ) 图6 1 系统稳定性判定原理图 根据“巴克豪森判据”，满足下述条件时，系统是不稳定的： 陋，l 乩么解( ，h ) = 一1 8 0 。 ( 6 1 ) 因此，通过反馈回到输入端的信号应满足一定的幅值和相位条件，使信号 不会在环路内产生再生现象，否则，可能使放大器输出箝位在某一电源电位上 ( 直流再生) ，或产生振荡( 在某一交流频率下再生) 。 为保证系统稳定，应保证总的相移降到最小，即使在l 8h ( j m l ) i = l 时，么bh ( j o ) 仍比一1 8 旷更正一般来说b 都小于等于l ，即反馈网络不 具备放大功能。 本设计采用了密勒( m i l i e r ) 电容频率补偿技术下图是使用了密勒补偿的 两级运放的小信号等效图 3 1 第六章稳电压控制模块设计与仿真分析 c m 0 图6 2 使用密勒补偿的两级运放的小信号等效图 运放有两个极点，一个在运放的输出端，一个在第一级的输出端。 如果没有密勒电容，则运放的开环传输函数为 生： h 一以 c l ( 6 2 ) a o 是低频增益。其大小为a o = g m i g m 2 地ll h 极点位置分别是 1 l n 一面2 。一百瓦：围 伯3 如果加入密勒电容c m 之后，经过分析密勒电容使两个极点分离的很远， 把低频极点更推向低频方向，高频极点被推的更远。根据这一假定，得到补偿 之后的极点和零点分别为 胪一而彘，胪_ 面蠹篆刍丽，z 一等低t ， 很明显，由于密勒电容的作用，使得p i = p 2 如果p 2 g b ，且z p 2 那么在运放闭环到o 分贝时也是稳定的密勒电容使运放的极点频率分开，也叫 “极点分割电容”。 在进行频率补偿的同时也引入了传输函数的零点。这个零点位于右半平面， 3 2 笙查兰整皇堡丝剑堡塾丝生量堕塞坌盟 由于各极点在左半平面，因此，该零点贡献了更大的相移，大大地降低了稳定 性。下面的波特图阐述了零点的影响。 图6 3 零点的影响示意图 对两级运放而言，一般有p l z p 2 。从上图明显看出零点在阻止增益下 降的同时，产生了很大的相移。现在已经有了消除或移动零点的方法。本设计 中采用增加一个与补偿电容串联的电阻来改善零点的频率，如下图所示： c 鞭 图6 4 增加电阻来改善零点的频率示意图 3 3 缈 第六章稳电压控制模块设计与仿真分析 分析该零点的频率得到 l 吃8 百面- 嘶了 ( 6 5 ) 取r z = l g m 2 时，零消去，提高了电路的稳定性。如果取i k 稍大于 1 z 会保证有一定的裕度，也可提高电路的稳定性。 如前所述，为了让在b a t 处的输出不发生振荡，应在第二级输出和第一级 输出问加上一个电容和电阻，可根据仿真选择合适的数值。 6 1 3 使能端控制 设计要求使能端为高电平时，输出为高阻态，所以用e n 通过一个n m o s 开关管控制运放的第二级的n m 0 s 管。同时，模块电路不消耗电流。所以用 e n 控制二级运放的两个支路，e n 为高电平时，整个g m v 电路没有电流消耗。 由以上分析设计稳电压控制比较器g m v 如下图： 第六章稳电压控制模块设计与仿真分析 图6 5 稳电压控制比较器电路图 第二节仿真分析 因为g i l v 既作为比较器又作为反馈放大器用，所以要分别对其进行交流与 瞬态分析，并同时对相关变量进行温度扫描。 g m v 模块涉及到反馈，所以要仿真测量0 p c n - 1 0 0 pg a i n 和p h 髂e 姗r g i l l 确保模块在开环增益高的同时不发生振荡。 仿真时没有加外部相关电路，只接一个2 6 0 伍的负载电容在输出端，内部 接了一个9 p f 的补偿电容仿真电路如下图所示： 第六章稳电压控制模块设计与仿真分析 图6 6 仿真电路示意图 各种仿真条件下的结果如下表所示： s j 枷k l 缸r d l 啦l 表6 1 仿真结果 r 峨山 期m 瀹#c 删；b - -u i i相c 州“m “散1 y ，x v l ：州 o 佛- b 咔a 函 m担 h r ，p 墨| c 矗 曲 f e 矗”1 2 s 0 i 弦- i pa 函 - 柏t d 1 为 饵d bs 氯k q 肿 v 细州 ，k i h 面n ，jd 薯 强m t 2 5 c 7 趣 f tt 舸- m 2 s ，h 瞄t m _ 函n 书1 呻1 盔 弱 馨s s k “，瑚 v p i 0 v e - e j 珥群o m 轮，m h 知州声2 5 v o p s a v 撇ri l ，jd 口 托州声” 勘牲n h t 1 7 7 量 t d 妇 h h “h 1 1 v 5 州 硼0 t _ i - p 2 ，t v 瓿相p - 笛 v 函埘 c a i ，口r h 鼬瑚 v 如喇_ 笛t 6 2 1 开环增益和相位裕度 第六章稳电压控制模块设计与仿真分析 开环增益即开环差模电压增益，是指运算放大电路正常工作。接入规定负 载，无反馈情况下的直流差模增益。开环增益与输出电压有关，通常是在规定 的输出电压幅度测得的值。 现在运算放大电路的开环增益受其使用环境所控制。一般对于集成电路而 育，其增益要求就比较严格，以确保精度。 1 2 口 舶 号怕。 蝴 a j 2 1 掰 量。脚 一1 嘲 一瑚 cr _ 印刊删pc 嘲州尸t 啪叫丌t 叫叫 ， f 嘲i 伽 图6 7 开环增益和相位裕度的仿真 仿真结果显示，在2 7 0 c 典型条件下，其增益为9 4 2 4 d b ，相位裕度为5 4 ，9 d e g 6 2 2 电源抑制比 运算放大器的电源线上的噪声也会对输出信号造成影响，因此必须适当地 。抑制”噪声而电源抑制比就是测量运算放大器抑制这种偏差的程度的量。 一般定义它为：从输入到输出的增益除以从电源到输出的增益因为现在的运 算放大器逐渐出趋向于低压低功耗，所以对供电电源的要求也越来越高 3 7 第六章稳电压控制模块设计与仿真分析 一卫- 一知j 一叠j 一5 日a 一明j 唔一豫_ 一8 售b 卫 一1 明 一”一 一1 2 _ c 喇叩。憎一t t p j p s 期 j 一 【l 川 一 ；： 9 _ 盎。j 1 - w h l ， 于 f “， 1 8诗 ，l | 8 ，。 拳5 6 ，日2 1赫 一 埯8 1 ，i 睁 循 口0“ k_ 0 k1 匝口酬 f 嘲 第l 章稳电压控制模块设计与仿真分析 t n - r ti h - o o n r - p 鲋nu r 腿( 曲，n 扣1 7 7 埘 - 4 厂i 拍 ， 、一 阴 1 一 ， t 。 t 蚶1 口晰2 嵋n3 蛆n 艄却5 圜h 位钿 7 口曩n 拍翻 钔e t l t _ 瞳r - _ “_ 图6 9 响应时间仿真图 3 9 第八章同顾与展望 第七章稳电流控制模块的设计与仿真分析 g m i 是稳电流比较器，同g m v 一样，一个电压串联负反馈结构的运放。 当电池的充电电流太大，高于1 0 0 m v 的电流限制值时，g m l 的正端电压高于 负端的比较参考电压1 0 0 m v ，输出高电平，n o 晶体管的基极电流降低，集电 极电流也就下降，v c s l 也就降低下来；当v c s i 低于1 0 0 啦v 时，g 的正端输 入电压低于1 0 0 m v ，输出低电平，p n p 基极电流上升，集电极电流也就上升， v c s i 也就增大。如此反馈，保证v c s i 基本保持在l o o m v 第一节具体设计 g m i 的设计思路与g m v 比较类似，参照前一章，本章进行简要说明。 7 1 1 运放形式 、 输入比较电压为l o o m v ，因此采用p m o s 差分输入形式的三级运放结构。 差分输入管蛔和h l p 宽长比( w 做大可以降低运放噪声，增加增益。 负载管m l o 、m 4 的宽长比可以做小，以提高第一级增益。 电流镜设计时，为了减小沟道调制效应，差分对管h m 和却的长度要适 当加长，镜像负载管的长度l 也必须适当加长，以减小运放的失调电压。 7 1 2 相位补偿 如前所述，为了让在b a t 处的输出不发生振荡，设计了一个补偿支路，加 上一个补偿电容。阻值由对相位裕度的仿真进行调整 在部分参考书上常常在补偿电容上会串联上一个小的电阻，是为了消除 运放右半平面的零点；调试该电阻，仿真时相位裕度变化并不是很明显，由于 柏 第八章同顾与展望 补偿电容本身的电容就比较小，补偿电阻的作用并不是很大，所以消除零点的 电阻没用 7 1 ，3 使能端控制 项目要求的使能端的控制和g m v 比较类似。 g m i 电路图如下图所示； 图7 1 稳电流控制比较器电路图 4 l 第八章同顾与展望 第二节仿真分析 c 帅1 一t - 矗 图7 2 明i 仿真电路图 仿真电路如上图所示，其中，仿真时输出端接了调整用的p m o s 管，内部 4 2 第八章回顾与展望 接了一个2 0 p f 的补偿电容。 g m i 模块也涉及到反馈，所以要仿真测量o p e n l o o pg a i n 和p h 船em a 唱i n ， 确保模块在开环增益高的同时不发生振荡 典型条件下开环增益和相位裕度的仿真图如下： 2 1 一0 卫 一 g a 6 a 习 一 o ：一循 一3 a 一 cr _ 口明- o p c n b o pg a no n dp h a _ cm 甜口i n ) 一 l “ 、h | ! 融 l： 、馘 一 。i 。而 d 1 b 2 d 蛐1 _、。 ， q i 、 卜p | ；【、ll 卜h m 池。 | j | | | | | | f | l | | 珊蕊! i 翳粼 棚1 1 _ | | l 。8 _ i；1 3 8 1 1 i 【l 第八章嗣顾与展望 l 叠2 m 1 m ) 伯m 口a 町 m t r 口h _ r r _ - n - - a t t t p a _ ， 弧 ，、厂，、 y r 。|ff - 、1。z 量矗、i 、 ， 、 | ，、 | ， -e vv v _ 朋 一1 一枷 瑚 - 棚j 5 朋 ! 一阴j 一7 _ j 4 _ j - q - j - 1 明 一1 坩 圈7 4 失调屯压仿真结果图 r _ p s 丽c 忡 图7 5p s 非仿真结果图 第八章同顾与展望 钮一誓 一鞠 c r - _ * u m 可- 。h 吼 ： | 1 日1 l i ， ， 0 7 1 1 口叠1 k1 一ka 固1 v删 a 删 f m a 第八章同顾与展望 s l n u l a i ；a nr c 5 u l | s 表7 1 各种条件下对g m i 的仿真结果 r “u i l p m n m 呻c o n d i b o 协u n n伟i ( h d l l i o n ， 、1 i xt y pm | 、 c p s o v 0 p l o o pg a l n 舶1d b 下e n p ；2 ， 孙2d bf f 1 瓴 一1 1 0 t 0 p i p 6 _ n 相t e - - 1 1 0 拈虾 d bs s h t 一一o 【 、c 卜5 0 v p k * m j 皤n 8 i 配 d 1 i n p 2 5 7 47 7 d 筚 f f 1 毡n p 1 1 0 t p 恼鬻m 埘罾n舶 鞠1 1 0 s ：竺 d 曙 s s 。1 讧1 v ；- 4 0 【 v 龇p 5 o v r 3 越a ，u n ，耻g 叫n 1 2 2 3m h z 托h p 2 5 v c o 。5 o v p s r ri 5d b 强m * 2 5 r n 潞m e 蛇，4 5 托a p q m 6 m 内| i 口，l 曲9 j c 。5 o v 0 艇t i t 糌t 2 5 4u v 1 ￥n l 产2 5 、；5 o v c “珥嘲rp ，i 釉如 l 妮7 9u v 强h p - 2 5 第三节两种输出端联接方式的比较与讨论 本项目所设计的控制驱动鼢心管的两个比较器g m v 和a m ，参考相关充 电器产品做的方式，可建立两种输出端( d r e 端) 的联接方式 第八章同顾与展望 图7 7 输出端联接方式一 本章以上部分和前一章仿真结果均是由m e t h o dl 而来。 m e t h o d2 ： 图7 8 输出端联接方式二 下面通过仿真分析，对两种方式进行比较与讨论 7 3 1 两种方式增益与相位特性的比较 以g m i 模块为例，下图为按照m e t h o d2 对g m i 仿真的结果： 4 7 第八章问顾与展望 口曩、 。j _ 一0 2 翻 p h o - 邮一柙” t 。、 ，瑚 一2 一1。1 杈 1 ：= qc r 韩 饼删 1 呻h 1 b 图7 9m e t h o d2 下g m i 开环增益和相位裕度的仿真图 比较图7 9 与图7 3 可以看出，两种模式的增益与相位特性基本一致 7 3 2 两种方式纹波除去率的比较 m e t h o d l 一 一砑 粤d 一糟 一瞄 图7 1 0m e t h o d1 纹波除去率仿真图 4 8 第八章同顾与展望 m e t i l o d 2 坩 一l 一 一器 ，、一l 田 、j 一 一5 i 一0 一了0 一鞠 心弦h - d p p i 置3 1 一 ， 。 ，一- - 下表为比较结果： 图7 1 lm e t h o d2 纹波除去率仿真图 表7 2 两种模式纹波除去率比较结果 m e t h o dd c ( d b )l k ( d b ) l5 5 2 4 42 2 0 6 6 2 7 6 9 2 63 6 9 3 1 总结： 通过性能比较，我们可以看出 1 m e t h o d2 的纹波除去率要好于m e t h o d1 ，对电源变化的敏感度小些 2 两种模式的增益与相位特性基本一致。 所以在进行整体电路设计时，可以参考以上结论 4 9 第八章回顾与展望 第八章：回顾与展望 第一节总结回顾 在充电器项目中。本人主要担负基准电压源、稳电压控制模块、稳电流控 制模块的分析与设计。其中，基准电压源模块采用带隙基准原理设计，并对传 统的基准电路进行了结构优化做出改进以降低其静态功耗；对稳电压和稳电流 控制模块，针对其中的运放结构，采用密勒补偿技术做出了很好的频率补偿， 对增益和功耗等参数做到了较为完美的折衷；另外，对稳电压和稳电流两个比 较器的输出端的不同联接方式进行了仔细的比较和探讨。各模块仿真结果表明， 各项指标、参数都达到了设计要求，电路设计时对上述要求的回复是成功的。 但是。对于第五章的基准电压源的设计，还有可改进之处，由第五章的公 式推导可以看出，电阻r 2 、r 3 的匹配精度对输出的基准电压值有较大的影响， 所以可以考虑采用修调的方法进行电阻阻值调节。 另外，为了尽可能增大g m v 和g m i 的比较精度，在设计的过程中牺牲了 功耗。还需对电路作迸步的调整和深入研究，以达到各参数的完美平衡。 第二节充电器技术展望 有竞争力的充电器i c 设计是系统需求平衡的结果。最佳的设计充分缩小了 封装尺寸，同时通过在不超过封装功耗要求的情况下最大化充电电流，来提供 最短充电时间 目前，随着充电器市场的发展与繁荣，新的产品，新的技术，新的设计理 念也不断涌现出来，本文的最后对此作一下介绍和展望 1 能使充电速度最大而又不会过热的电池充电器m a x l 7 3 7 系列。 该系列产品是针对空间有限的便携式应用而设计的，对此应用而言，降低 5 0 第八章网顾与展望 内部功耗至关重要。因此，对于诸如无线和互联网终端、个人通信设备、p d a 和音频播放器等采用单个锂离子或锂聚合物电池供电的系统而言，该系列器件 则是理想的选择。该器件的优越之处在于其精密的充电电流，甚至采用小值检 测电阻( 以便改善效率) 办可获得高精度，举例来讲，在2 a 应用中，m a x l 7 3 7 仅使用2 0 m q 的检测电阻( 4 0 m v 门限) ，可以提供士7 5 的充电电流精度。而其 它同类产品则需要l o o n m 电阻( 2 0 0 m v 门限) 方可达到蝴的精度。 2 手机充电器的待机耗电量的降低也是充电器的设计过程中的一个主要 环节。索尼开发出可以将手机充电器的待机耗电量减少到约l o m w 的技术。该 技术已经用于由索尼制造的、由n t t d o c o m o 销售的手机“s 0 5 0 3 i ”附带的充 电器中。索尼表示，采用该技术可以将手机充电器在待机时的耗电量降低到目 前最低品种的约i 5 。该技术主要进行了两方面的改进： 第一，嵌入了用来判断a c 适配器是否连接负荷( 手机) 的功能。当未连 接负荷时，将a c 适配器的直流输出方( 2 级电路) 切换到高阻抗电路上。通 过采取这一措施大幅减少了待机时2 级电路的消耗电流( 只有数十u a ) 。该公 司还为此新开发出了检测电流及控制切换电路的i c 第二，在输入交流1 0 0 v 方( 1 级电路) 中设置了切换电路。在未连接负荷 时，通过开关切换电路来减少供应给直流输出方( 2 级电路) 的功率从而减少 耗电量。 3 随着手机种类的日益增多，各种充电器因机型不同，电源端口的大小也 不相同，从而不能互换使用，给消费者带来了不便。标准型充电器，是指可以 连接所有手机底端电源插座( 端口) 的充电器。而且，生产的手机的电源端口 将统一为适用于标准充电器的规格这样，消费者将不必在每换手机时同时购 买新的充电器。由此可见。充电器在从坐式向便携式、双槽式等方向发展的同 时，也开始向标准化、通用化的方向发展。可以通过对安森美、凌特、t i 的产 品的性能参数，如) a t ，i b a t ，v c c ，v s c n s e ，o p e m t i i l g a r n b i e m1 缸l p e r a t u r c ， 5 l 第八章同顾与展望 s t o r a g e ，r 缸l p e 眦u r e 的比较，可以看到目前充电器正逐步走向标准化，以适应潮 流的发展，只是在各自的特性、功能方面努力使得产品更加多功能化、完美化。 4 电池芯、保护电路、手机、充电器组成完整的供电系统，它们之间的相 互匹配十分重要。当前手机供电系统没有统一的规范。加之电池性能参数的非 线性和多维性，致使同一电池在不同手机上使用性能有明显的差别，未能充分 发挥电池芯的功能，因此智能电池管理系统将是今后一个发展方向 参考文献 参考文献 1 】朱正涌半导体集成电路北京清华大学出版社 2 吴建辉c 1 1 0 s 模拟集成电路设计与分析北京电子工业出版社 f 3 b e h z a dr a z a v id e s i g r io f a n a l o gc 1 0 si n t e g r a t e dc i r c u i t s 州安交通大学出版社 2 0 0 3 【4 p h i l l i pe a u e n ，d o u g l a sr h o l b e r g s a n 1 0 9c i r c u