近些年,消費類電子市場對便攜式電子設(shè)備的需求日益增長,以手機、筆記本電腦為代表的便攜式電子設(shè)備在人們的日常生活中已不可或缺。隨著便攜式電子設(shè)備的發(fā)展,用戶對設(shè)備的供電系統(tǒng)提出了更高的性能要求,為設(shè)備提供安全可靠的電池與電源管理已成為目前學(xué)者們研究的重點方向之一。本文正是基于這樣的研究背景,設(shè)計研究高效率的鋰離子充電芯片,為便攜式電子設(shè)備提供電池與電源管理解決方案。便攜式電子設(shè)備的使用壽命與其電池的使用壽命密切相關(guān)。如今,隨著便攜式電子設(shè)備的輕量化發(fā)展,大部分設(shè)備采用能量密度高的鋰離子電池供電。然而鋰離子電池在充電過程中,過充、充電不足等均會對電池造成損傷,使電池容量下降,設(shè)備待機時間縮短,甚至引起電池爆炸,造成安全事故。因此在高效率充電的同時,延長電池壽命、提高充電過程的安全性已成為鋰離子電池充電芯片的設(shè)計難點之一。本文為提高電池充電效率,縮短充電時間,集成Boost DC-DC轉(zhuǎn)換器與電池充電管理電路,采用高效率Boost DC-DC轉(zhuǎn)換器為電池提供穩(wěn)定電源。為確保充電過程的安全可靠,設(shè)計充電策略為涓流/恒流/恒壓充電對鋰離子電池進行充電。充電起始,以較小的恒定電流預(yù)充電,一方面激活電池內(nèi)部反應(yīng)物,另一方面避免一開始的大電流充電使電池溫升過快;隨著小電流持續(xù)充電,電池電壓逐漸升高到設(shè)定的涓流/恒流切換閾值,此時為提高充電速率固定充電電流為恒定的大電流,以恒流充電模式將電池充至接近飽和;恒流充電模式難以判斷停充條件,極易發(fā)生過充。因此在電池電壓升高到飽和值之前設(shè)置恒流/恒壓切換閾值,切換充電模式為恒壓充電,充電電流逐漸減小,最終使電池充滿。對于Boost DC-DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計,采用同步整流技術(shù),以低導(dǎo)通阻抗的NMOS功率管代替整流二極管,其導(dǎo)通損耗與二極管導(dǎo)通壓降帶來的額外損耗相比更低。此外為降低全負載范圍內(nèi)系統(tǒng)的功耗,通過自適應(yīng)降頻技術(shù),根據(jù)Boost DC-DC轉(zhuǎn)換器負載電流的不同,調(diào)節(jié)開關(guān)管的關(guān)斷時間,以提高整個系統(tǒng)在涓流充電即Boost DC-DC轉(zhuǎn)換器帶輕載時的轉(zhuǎn)換效率。同時為保證芯片工作過程的安全可靠,引入完備的保護機制。芯片工作時進行電池溫度保護、過溫保護、輸出短路保護、輸入限流保護等,提高芯片工作可靠性。基于CSMC的0.35μm BCD工藝對充電芯片進行設(shè)計研究及仿真驗證。根據(jù)仿真結(jié)果,芯片具備涓流/恒流/恒壓充電功能,各保護機制實現(xiàn)了對芯片的保護,達到設(shè)計要求。在恒流充電階段,轉(zhuǎn)換效率可高達96.3%;恒壓充電階段,轉(zhuǎn)換效率可高達95.7%。
【學(xué)位單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TM912;TN40
【部分圖文】：

圖 4-16 Charge pump 輸出電壓仿真波形圖荷泵電路開關(guān)控制邏輯設(shè)計開關(guān)管控制信號Ctr1、Ctr2、Ctr3、Ctr4在切換高低電平時，有可能同時導(dǎo)通的情況。這時，一方面 Vpump對 Vp和電容 C1放電，導(dǎo)致一方面 BAT端與地端直接接通，產(chǎn)生大電流，帶來極大的損耗，該M3 和 NM1，有可能燒毀器件。因此本文采用交錯延時死區(qū)時間控 4-13 所示的死區(qū)時間控制電路，以產(chǎn)生 Ctr1、Ctr2、Ctr3 及 Ctr4 的CLKCLK1CLK2

圖 4-14 時鐘信號波形圖應(yīng)當(dāng)注意到的是，時鐘信號 CLK 由 OSC 模塊給出，其最高電平為輸入部供電模塊轉(zhuǎn)換后得到的電壓VDD，而控制信號Ctr1、Ctr2和Ctr3關(guān)斷壓分別為 VX、Vpump和VBAT，因此需采用電平移位電路將控制信號轉(zhuǎn)為p和 VBAT電位下的信號。為降低瞬態(tài)電流，本文設(shè)計如下的電平移位電構(gòu)如圖 4-15所示：VXPM1PM2 PM3PM4PM5NM2NM1NM3 VDDCLK2CLK2BCtr1 AB

TT 的標(biāo)準(zhǔn)工藝角條件下對所設(shè)計的帶隙基準(zhǔn)電路進行仿真。設(shè)置供電電壓 VDD=5 V。通過仿真驗證，帶隙基準(zhǔn)電路啟動后該模塊總于 400 nA，功耗 2 μW 左右。1）溫度穩(wěn)定性仿真用 dc 掃描，掃描溫度從－40 °C到 125 °C ，得到仿真結(jié)果如下圖 440 °C 到 125 °C 的溫度范圍內(nèi)，Vref的最大值 Vref（max）＝1.204087 min）＝1.202003 V。Vref的變化值為：( max ) ( min).ref ref ref V = V V = 2 084mV隙基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)為：( ) ( )( )max minmax min. /ref ref6refV V10 10 49 ppmV T T = ℃ 度每變化 1°C時，所設(shè)計的帶隙基準(zhǔn)電壓僅變化 0.01049mV，該結(jié)度要求。

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本文編號：2819736