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.pdf

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

2、>　　 在針對鋰離子電池充電器的研究中，本文采用了一種改進型的恒流-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。為實現(xiàn)改進型的恒流-恒壓充電方式中的過渡階段，獨特的恒流-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放工作點的方式實現(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。為避免充電器芯

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

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)方案進行了深入研究。母子式鋰電管理系統(tǒng)由一個母處理器和若干子管理單元組成。每個子管理單元對應(yīng)一節(jié)電池。除具備常規(guī)的保護功能外，該電池管理系統(tǒng)還有針對電池組的均衡功能。母處理器的命令以及電池的狀態(tài)信息分別用上傳信號模塊和下傳信號模塊進行逐級傳遞，這兩個模塊是母子式鋰電管理系統(tǒng)方案實現(xiàn)的關(guān)鍵。仿真及測試結(jié)果證明，所提出的信號通訊方式和電池組管理芯片系統(tǒng)能完成對多節(jié)鋰離子電池

5、組的保護與管理。
　　 在針對DC-DC轉(zhuǎn)換器的研究中，提出了一種基于信號平均化、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。為保證寬負載范圍內(nèi)的高轉(zhuǎn)換效率，提出了一種獨特的PWM/PFM雙模式自動切換、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，并提出了一種動態(tài)的斜波補償方法，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)路中插入一個最小占空比模塊來實現(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。由于在輸出電流小時能轉(zhuǎn)入PFM模式，因而能保證寬負載范圍的高轉(zhuǎn)換效率。這個DC-DC轉(zhuǎn)換器具有最高

7、輸入電壓可達24V且輸出電壓范圍寬的特點，并采用TSMC的0.6μm40V BCD高壓工藝實現(xiàn)。仿真及測試結(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之間跳變時輸出電壓的最大改變量小于0.6％，最高轉(zhuǎn)換效率達到了95％。
　　 在針對LDO線性穩(wěn)壓器的研究中，首先對LDO進行了基礎(chǔ)理論研究，分析了頻率補償、壓差、瞬態(tài)響應(yīng)、線

8、性調(diào)整率、負載調(diào)整率等各項關(guān)鍵性能指標。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，還運用了SRE技術(shù)，進一步提高了瞬態(tài)響應(yīng)的性能。該測試芯片采用CSMC公司的0.5μm CMOS混合信號工藝物理實現(xiàn)。仿真及測試結(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)計以及SRE電路的應(yīng)用，使輸出電壓的線性調(diào)整率達到了1.77mV/V，負載調(diào)整率僅為4.5μV/V，輸入電壓在4.5V到5.5V間跳變時，輸出電壓