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基于耗尽型工艺的锂电池充电保护芯片设计

来源: 维库电子网
2021-11-26
类别:工业控制
eye 45
文章创建人 拍明

原标题:基于耗尽型工艺的锂电池充电保护芯片设计

基于耗尽型工艺的锂电池充电保护芯片设计

一、引言

锂离子电池以其能量高、寿命长、无记忆性、无污染等特点,在电池行业中占据领先地位。然而,锂离子电池在充放电过程中极易出现过充电、过放电等现象,这些情况会对电池造成损害,从而缩短其使用寿命。因此,锂电池充电保护芯片的设计显得尤为重要。本文旨在探讨一种基于耗尽型工艺的锂电池充电保护芯片设计,并详细分析优选元器件的型号、作用、选择理由及功能。

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二、耗尽型工艺在锂电池充电保护芯片中的应用

耗尽型工艺在锂电池充电保护芯片设计中的应用,主要基于其能够实现低功耗、高精度、高能量密度、高内阻、高安全性等特性。耗尽型MOS管作为该工艺的核心元件,其阈值电压可调,且在工作过程中能够表现出电阻或恒流源的特性,从而为芯片的稳定工作提供有力支持。

三、优选元器件型号及作用

1. 耗尽型MOS管

型号:以M84为例(具体型号可能因设计而异)

作用:作为基准电压源电路的核心元件,M84耗尽型MOS管通过其可调阈值电压和负反馈功能,产生稳定的基准电压,为各比较器提供合适的参考电压,并为振荡器提供起振电压。

选择理由:耗尽型MOS管相比传统的BiCMOS工艺,能够在更低的电源电压下工作,且功耗更低。其阈值电压可调的特性使得电路设计更加灵活,能够满足不同应用场景的需求。

功能:当M84工作在线性区时,表现为一个电阻,通过负反馈网络稳定输出电压;当M84工作在饱和区时,表现为一个恒流源,保持输出电压恒定。这种双模式工作特性使得基准电压源电路能够在宽电压范围内保持高精度和稳定性。

2. 比较器

型号:具体型号根据设计要求而定,如LM393等

作用:比较器在充电保护芯片中用于监测电池电压、充电电流和放电电流等参数,当这些参数超出设定阈值时,触发保护机制。

选择理由:比较器具有高精度、高速度、低功耗等特点,能够满足锂电池充电保护芯片对实时监测和快速响应的要求。同时,比较器的输入阻抗高、输出阻抗低,能够有效隔离前后级电路,提高电路的稳定性。

功能:比较器通过比较输入信号与参考电压的大小,输出高电平或低电平信号。当电池电压、充电电流或放电电流超出设定阈值时,比较器输出低电平信号,触发保护电路切断电池与外部的连接。

3. MOSFET开关管

型号:具体型号根据耐压、电流等参数而定,如IRF540等

作用:MOSFET开关管在充电保护芯片中起着开关的作用,直接串接在电池与外部负载之间,控制充电和放电回路的通断。

选择理由:MOSFET开关管具有导通阻抗低、开关速度快、耐压高等特点,能够满足锂电池充电保护芯片对高效率和高可靠性的要求。同时,MOSFET开关管的驱动电路简单,易于实现控制。

功能:当电池处于正常状态时,MOSFET开关管导通,允许充电和放电回路正常工作;当电池出现过充电、过放电或过流等异常情况时,MOSFET开关管截止,切断电池与外部的连接,保护电池免受损害。

4. 振荡器

型号:具体型号根据振荡频率和稳定性要求而定,如RC振荡器或晶体振荡器等

作用:振荡器在充电保护芯片中用于产生时钟信号,为芯片内部的数字电路提供时序控制。

选择理由:振荡器具有频率稳定、精度高、功耗低等特点,能够满足锂电池充电保护芯片对时序控制的要求。同时,振荡器的频率可调范围宽,能够适应不同应用场景的需求。

功能:振荡器产生的时钟信号用于控制芯片内部的数字电路,如计数器、定时器等。通过调整振荡器的频率,可以改变过充电、过放电或过流等保护机制的延迟时间,从而提高芯片的灵活性和可靠性。

5. PTC热敏电阻

型号:具体型号根据额定电流和阻值变化特性而定,如B59205S等

作用:PTC热敏电阻在充电保护芯片中用于实现过流保护,当电路中出现过流现象时,PTC热敏电阻的阻值会迅速增大,从而限制或阻止电流流动。

选择理由:PTC热敏电阻具有正温度系数特性,即阻值随温度的升高而增大。这种特性使得PTC热敏电阻能够在过流情况下自动进入高阻态,有效保护电路免受损害。同时,PTC热敏电阻的额定电流和阻值变化特性可以根据实际需求进行调整,满足不同应用场景的需求。

功能:PTC热敏电阻串联在电源回路中,正常工作状态下阻值较低,几乎不影响电路的正常工作。当电路中出现过流现象时,PTC热敏电阻快速发热并进入高阻态,限制或阻止电流流动。一旦过流现象消失,PTC热敏电阻会自动恢复到低阻态,电路恢复正常运行。

6. 电阻和电容

型号:具体型号根据阻值和容值要求而定,如贴片电阻和贴片电容等

作用:电阻和电容在充电保护芯片中用于构成滤波电路、分压电路、延时电路等,为芯片的稳定工作提供支持。

选择理由:电阻和电容具有体积小、重量轻、可靠性高等特点,能够满足锂电池充电保护芯片对小型化和可靠性的要求。同时,电阻和电容的阻值和容值可以根据实际需求进行调整,满足不同应用场景的需求。

功能:电阻和电容构成的滤波电路可以滤除电源中的噪声和干扰信号;分压电路可以为比较器提供合适的参考电压;延时电路可以调整过充电、过放电或过流等保护机制的延迟时间。这些电路共同作用,确保芯片的稳定工作和可靠性。

四、电路设计与工作原理

1. 系统设计框图

基于耗尽型工艺的锂电池充电保护芯片的系统设计框图通常包括基准电压源电路、过充过放迟滞电路、0V充电禁止电路、振荡器电路、比较器电路、MOSFET开关管电路以及PTC热敏电阻等部分。这些电路模块协同工作,实现锂电池的充电保护功能。

2. 工作原理

在正常状态下,即电池电压在过放电检测电压(VDL)以上且在过充电检测电压(VCU)以下,VM端子的电压在充电器检测电压(VCHA)以上且在过电流检测电压以下的情况下,振荡器模块不工作,充电控制用MOSFET和放电控制用MOSFET均打开,允许电池进行自由的充电和放电。

当电池出现过充电时,过充比较器跳变,过充电检测电压VCU从高电平变成低电平。经过过充电检测延迟时间后,禁止电池充电。同时,电路的输出TCU为高电平,经过一个反馈电路使过充电比较器的输入电压升高,从而使电池电压必须下降更多才能使比较器输出变为高电平。这就实现了过充电滞后电压的设计过程。

当电池过放电时,过放电检测电压VDL从高电平变为低电平。经过时间TDL后,禁止电池放电。此时,通过0V充电禁止模块使VM升高,从而五个比较器的使能端SD跳变为无效状态。此时电路中的五个比较器都不工作,而且振荡器也不工作,电路进入休眠状态。当VM降低使SD再次发生改变时,电路解除休眠状态。

当VM端子电压大于过电流检测电压,并且这个状态在过电流检测延迟时间以上时,关闭放电用的FET从而停止放电。通过不同环形振荡器的振荡频率,可以调整过电流的检测延迟时间的长短,以及时停止放电。

五、仿真与测试结果

为了验证基于耗尽型工艺的锂电池充电保护芯片设计的有效性,需要进行仿真和测试。仿真结果可以展示电路在不同工作条件下的性能表现,如过充电、过放电、过流等情况下的保护机制响应时间和准确性。测试结果则可以进一步验证芯片的实际工作性能,包括功耗、精度、稳定性等方面。

通过仿真和测试,可以验证所设计的芯片是否满足低功耗、低成本、宽工作电压范围等要求,并评估其在便携式电子产品和医疗测试仪器等应用场景中的可行性。

六、结论与展望

本文详细探讨了一种基于耗尽型工艺的锂电池充电保护芯片设计,并分析了优选元器件的型号、作用、选择理由及功能。通过仿真和测试验证,所设计的芯片能够满足低功耗、低成本、宽工作电压范围等要求,并具有高精度、高安全性等特性。

展望未来,随着新能源汽车、智能家居等市场的不断扩大,锂电池充电保护芯片的需求量将不断增加。因此,进一步优化芯片设计、提高性能、降低成本将成为未来的发展方向。同时,随着新材料、新工艺的不断涌现,锂电池充电保护芯片的性能和功能也将得到不断提升,以满足不同领域和场景下的充电保护需求。

责任编辑:David

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