锂离子电池充电管理芯片设计

锂离子电池充电管理芯片设计 锂离子电池充电管理芯片锂离子电池充电管理芯片设计设计 锂离子电池充电管理芯片锂离子电池充电管理芯片设计设计 The Design of High Input Voltage Charging IC for Single-cell Li-Ion Batteries 领 域: 电子与通信工程 作者姓名: 夏 ] 指导老师: 金杰 教授 企业导师: 蒋松 高工 天津大学 电子信息工程学院 二零一二 年 十 月 独创性声明 本人声明所呈交的询问论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果，出了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 天津大学天津大学 或其他教育机构的学位或证书而使用 天津大学天津大学 过的 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 。与我一同工作的同志对本研究所做的任何红线均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 学位论文作者签名: 签字日期: 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位轮式作者完全了解 天津大学天津大学 有关保留、使用学问论文的 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 。特授权 天津大学天津大学 天津大学天津大学 可以将学问论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影 天津大学天津大学 印、缩影或扫等复印手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向有关部门或机 构送交论文的复印件和磁盘。 (保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名: 导师签名: 签字日期: 年 月 日 签字日期: 年 月 日 摘摘 要要 摘摘 要要 锂离子充电电池凭借出色的充放电性能和环保的碳电极,近年来逐渐成为便携电子 设备的主流电源,但锂离子电池电芯脆弱，因此在应用中，需要高精度的充电管理芯片 来保证其寿命和安全使用。本课题即是针对锂离子电池充放电要求，设计了一款高效、 安全和智能化的电池充电管理芯片。 该芯片使用的是飞思卡尔0.28um CMOS工艺，封装为8脚的2*3mm UDFN。其集成了 以下主要功能:涓流、恒流、恒压、充电结束以及再充电模式;内部计时器;过热保 护功能;电池温度检测功能;支持双色LED显示和电池连接辨别。因为集成度高，芯片 无需外部FET、二极管和电流检测电阻等元件，仅需要显示充电状态的双色LED，设置 充电温度窗口的负温度系数热敏电热调节器和两个去耦电容器。 本论文首先介绍各种电池的特性及发展趋势，市场上主流产品的特点;其次介绍 该芯片的基本功能以及其模块原理;第三，根据设计指标，讨论整体电路结构和各子 模块的设计方法，并运用 Cadence 综合仿真对各子模块的各项指标和参数进行了仿真 和分析;最后分析测试数据、并验证可靠性。 关键词 : 锂电池，充电管理芯片，涓流充电 ABSTRACT Base on consideration of environment protection and reusable, Li-ion battery is taking the top1 in portable application because of excellent charging/discharging performance and environmentally friendly. Li-ion has its drawbacks: it is fragile. So the performance and longevity of batteries are highly depended on the quality of the chargers. The purpose of this paper is to design a high efficiency, safety and intelligent battery charging IC to secure the Li-ion batteries’ performance. The IC uses 8-lead 2X3 UDFN package, wafer process is 0.28um CMOS technology of Freescale. The IC integrates most of important functions: trickle charging for a deeply discharged battery, constant-current CC / constant-voltage CV charge modes, end of Charge and Recharge modes; an internal timer for termination to prevent charging a failed battery; charger current thermal fold-back for thermal protection, and smart battery connection verification to prevent charging in case there is no battery connected. Because of high integration, No external FET, diode & current sense resistor are needed. The only needed external components are few: dual-color LED which can be used as status indicator, a negative temperature coefficient NTC thermistor circuit for setting the charge temperature window, and two decoupling capacitors. The paper firstly introduces the batteries’ features, developing trend, and comparison of charging ICs, then one chapter is used to discuss about the IC’s basic functions and theory of each blocks. Following this, one chapter is used to describe the design target, specific electrical parameters, and includes the top level circuit topology and analysis for all sub- modules. Cadence simulation is done as well to analyze the design target and parameter. Finally, the last chapter discusses fab process, assembly process, test results and reliability performance for the final product. Keywords: Li-Ion battery, Charge management IC, Trickle charge 目目 录录 目目 录录 第一章 绪 论 ....................................................................... 1 1.1 便携电子设备发 展 ............................................................. 1 1.2 锂离子电池特 性 ............................................................... 1 1.2.1 电池历史与发 展 ........................................................... 1 1.2.2 电池种类和市 场 ........................................................... 2 1.2.3 移动设备最 “好”的电 池 ................................................... 3 1.2.4 锂离子电池组成和冲放电特 性 ............................................... 6 1.2.4.1 锂离子电池组 成 ...................................................... 6 1.2.4.2 锂离子电池充 电 ...................................................... 7 1.2.5 常见充电管理芯片比 较 ..................................................... 9 1.3 课题研究背景、内容及意 义 .................................................... 10 第二章 锂离子电池充电管理芯片原 理 ................................................ 11 2.1 锂离子电池充电管理芯片概 述 .................................................. 11 2.2 芯片参数介 绍 ................................................................ 12 2.2.1 管脚连接图和功能说 明 .................................................... 12 2.2.2 芯片管脚最大额定 值 ...................................................... 13 2.2.3 芯片静态电性参 数 ........................................................ 13 2.3 芯片基本功能介 绍 ............................................................ 15 2.3.1 管脚功能 述 ............................................................ 15 2.3.2 内部功能模块简 介 ........................................................ 16 2.3.3 芯片主要运行模 式 ........................................................ 17 2.3.4 NTC和电池连接功 能 ....................................................... 19 2.4 芯片典型应 用 ................................................................ 21 第三章 充电管理芯片电路设 计 ...................................................... 24 3.1 带隙基 准 .................................................................... 24 3.1.1 带隙基准电压源原 理 ...................................................... 25 3.1.2 带隙基准电路实际电路 图 .................................................. 27 3.2 迟滞比较 器 .................................................................. 29 第四章 芯片封装与测 试 ............................................................ 32 4.1 封装选 择 .................................................................... 32 4.2 芯片测 试 .................................................................. .. 35 4.2.1 自动测试机选择和功能介 绍 ................................................ 36 4.2.2 测试程序开 发 ............................................................ 40 4.3 实验室评估结 果 .............................................................. 42 4.3.1 评估板电 路 .............................................................. 42 4.3.2 功能测试结 果 ............................................................ 43 4.3.3 静态参数测 试 ............................................................ 44 4.3.4 瞬态测 试 ................................................................ 45 4.3.5 瞬态测试评估板波 形 ...................................................... 50 4.4 产品性能评 估 ................................................................ 52 4.4.1 可靠 性 .................................................................. 52 4.4.2 测试程序验 收 ............................................................ 53 4.4.3 验收总 结 ................................................................ 55 4.4.3.1 可靠 性 ............................................................. 55 4.4.3.2 测试程序验 收 ....................................................... 55 4.4.3.3 测试准确 度 ......................................................... 56 第五章 总结与展 望 ................................................................ 57 参考文 献 .......................................................................... 58 致 谢 .............................................................................. 59 第一章 绪论 第一章 绪论 1.1便携电子设备发展 近年来，便携电子产品得到了广泛的应用。在这些移动设备的背后，电池功不可 没。相比于其他的供电方式，电池在能量储存和响应性等方面都有优势。电池可以在 相当长的时间里储存能量，一次电池通常会比二次电池储存更多的能量而且自放电也 会低。碱性电池可以在经过 10 年以后仍然保持足够电量，而铅、镍、锂基电池则需 要定期的充电来补偿损失的电量。 下面将简单的介绍一下电池的发展历程，电池的市场情况，以及什么是对于移动 设备 “最好”的电池。 1.2锂离子电池特性 1.2.1电池历史与发展 近 400 百年来，电的发现和应用对人类文明的促进起到了极大地作用。最早产生 电的一种方法是生成静电。德国物理学家奥托 Otto Von Guericke 于 1663 年制作 了第一台发电机。这个发电机在一根转动轴上固定一个放入了硫球的玻璃球，然后 通过摇动曲轴来转动球体，球在转动过程中与衬垫发生摩擦的时候会产生静电火花， 从而吸引羽毛和体积较小的纸片。静电最早的应用是伏特 (Alessandro Volta)发 明的 “电手枪”。他当时 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 在意大利科摩和米兰之间架起一条钢丝，在接收端的封 闭容器内加入沼气，然后通过产生电火花，并传输到远方来点燃容器内的沼气，不过 最终这条线路没有建立起来。 (1)早期的电池 电池发明人伏特在 1800 年宣布发明了伏达电堆 (伏达电池)。电堆能产生连续 的电流，它的强度的数量级比从静电发电机能得到的电流大。同年，安全矿灯的发 明人大卫 (Humphry Davy)着手测试电流的化学效应，他发现当电流通过物质时，会 出现分解现象，这个过程就是后来所说的电解。他之后在伦敦皇家学院的大厅里安装 了世界上最大的电池，并把电池连接到碳电极从而产生了光。 1802 年，克鲁克谢克 (William Cruickshank)设计出了第一款可以 批量生产的 电池。他制作了方形的铜片和相同尺寸的锌片，并通过前做好的槽把这些金属片固 1 第一章 绪论 定在一个长方体的木盒里，然后焊接起来，并在密封后的盒子里注入电解液或稀释的 酸液。直到今天我们仍然在使用类似的电池。这种设计的优点是电解液不会挥发掉并 且可以供比伏特电池更多的能量。 (2)可充电电池 1836 年，英国化学家约翰.丹尼尔开发出一种改进型电池，这种电池与伏特发明 的电池比起来能够供更加稳定的电流。直到这时，所有的电池都是一次电池，不能 再充电。1859 年，法国物理学家 Gaston Platé 用导电板放入稀硫酸中，发明了第一 个可充电电池，即二次电池。这种电池是以铅酸体系为基础的，至今也一直在使用。 1899 年，瑞典人 Waldmar Jungner 发明了镍镉电池，这种电池使用镍做正极， 镉做负极。由于相比于铅酸电池材料成本较高，镍镉电池的实际应用受到了限制。两 年之后，爱迪生做了一个替换性的设计将镉用铁来代替，但是由于低温性能，较高自 放电，以及低容量问题，镍铁电池的应用也受到了很大的限制。1932 年，Shlecht 和 Ackermann 发明了烧结电极之后，性能得到了升:更大的负载电流和更长的 使用寿 命。在 1947 年 Neumann 成功的完全密封电池之后，密封镍镉电池才得以使用。在很多 年里，镍镉电池是可以应用在移动设备上的唯一的可充电电池。 直到20 世纪 90 年代， 欧洲的环保人士开始担心镍镉电池对环境的污染，他们开始限制这种应用并要求消费 市场转而使用对环境无害的电池---镍氢电池。 市场上常见的锂离子电池的发展又是怎样的呢,锂是金属里面最轻的一种，而且 单位重量下可以供的比能量最大，因此锂在电池中的应用一直是一个重要的研究方 向。锂电池最早的研究始于 1912 年，但直到 20 世纪 70 年代，最初的不可充电锂电池 才开始商用。80 年代，由于金属锂做负极时的不稳定问题，可充电锂电池的开发失败 了。正是由于金属锂的内在不稳定 (尤其在充电期间)，人们的研究方向转向了非 金属的方法，改用锂离子。虽然锂离子的比能量比金属锂低，但是锂离子相对安全。 从 1991 年日本索尼公司推出了第一款商用锂离子电池直到现今，锂离子电池已经 逐渐成为了最有前景和高成长的电池类型。锂离子的优点很多:锂离子的比能量是 镍镉的两倍，单元电压可以达到 3.6V 而镍系列产品只能达到 1.2V，这就使得只需 要一个单元的锂离子电池就可以直接给手机，数码相机等充电;锂离子电池不需要 特殊的维护，也没有记忆效应因此不需要通过完全放电来保证性能;而且锂 离子电 池的 自放电电流比镍系列电池小一半。正是由于这些优势，到 2009 年，大概有 38% [6] 的电池市场由锂离子占据着 。 1.2.2电池种类和市场 2 第一章 绪论 整个电池市场一直在膨胀，据统计，2009 年，全世界年销售额达到了约 475 亿美元。专家预测随着便携式电子产品以及人们移动办公的需求的增加，到 2015 [6] 年，销售额可以达到 740 亿美元 。 如前文所述，电池主要分为一次电池和二次电池。2009 年，一次电池的市场 占有率大概为23%左右。 研究机构 Frost & Sullivan 预测到 2015 年，这个数值将会 [6] 变为 16%左右 。一次电池的主要应用产品为手表，电子钥匙，遥控器，玩具，信 号灯和一些军用产品。真正的市场增长其实是由二次电池带动的。研究机构 Frost & Sullivan 报道充电电池的市场占有率为 77% ，并预计在 2015 年升到 83%[6] 。二次 电池又可以被分为化学电池以及常见的锂，铅和镍系列电池。而锂离子电池是消费 电子产品的首选，现今还没有别的系统可以威胁到它的应用。 1.2.3移动设备最 “好”的电池 业界时常有宣称说新推出的电池可以供高能量密度，超过 1000 次的充放电 次数以及像纸一样薄。这样的电池以现在的技术看基本不可能出现在商用领域。一 般当体积很小时，很难能长时间使用，而能长时间使用的，体积通常都比较大。 在这种情况下，电池制造商会为特定的应用供不同的电池。移动电话就是一 个很好的例子:需要小尺寸，高能量密度和低廉的价格，但电池的寿命相对不那么 重要 。手机用镍氢电池主要就是为了轻和薄 ，在这种封装下，能量密度一般是 60Wh/KG ，充电周期 300 次左右。而如果使用圆柱性的镍氢电池，它能供的能量 密度一般是 80Wh/KG 甚至更高，当然充电周期仍然不会很多。一个能充放电 1000 次的镍氢电池，通常会封装在很大的圆柱体封装里，能量密度大概在 70Wh/KG 。下 面将会从能量密度、寿命、负载特性、维护设备、自放电等方面来比较各种电池之 间的优劣，并以镍镉电池作为 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 。镍镉电池是一种成熟但能量密度相对较低的类 型，它的应用通常需要长寿命，高放电率和低廉的价格，比如双向无线电广播、生 物医学设备、摄像机等等。镍镉电池含有有毒物质，所以对环境有污染问题。镍氢 电池相对于镍镉电池有较高的能量密度，但寿命短。镍氢电池不含有毒物质，常用 于移动电话、笔记本电脑等。铅酸电池在高能量应用中是最经济的选择，不过重量 过重，通常用于医院设备、轮椅、应急照明和不间断电源等。而锂离子电池作为成 长最快的电池系统，通常用于需要高能量密度，重量轻的系统中。不过锂离子电池 相对比较脆弱，需要一定的保护电路，其应用范围和镍氢电池比较接近，主要是移 动电话，笔记本电脑等。 [6] 表 1-1 比较了 5 种常用 2 次电池的特性 : 3 第一章 绪论 表 1-1 常用二次电池特性比较 电池类型电池类型 镍镉电池镍镉电池 镍氢电池镍氢电池 铅酸电池铅酸电池 锂离子电池锂离子电池 电池类型电池类型 镍镉电池镍镉电池 镍氢电池镍氢电池 铅酸电池铅酸电池 锂离子电池锂离子电池 能量密度能量密度 能量密度能量密度 45-58 60-120 30-50 110-160 内阻内阻 ((mohm )) 内阻内阻 (( )) 100-200 6V 200-300 6V 100 12V 150-250 7.2V 充电次数充电次数 充电次数充电次数 1500 300-500 200-300 500-1000 快充时间快充时间 小时小时 快充时间快充时间 小时小时 1 2-4 8-16 2-4 允许过充允许过充 可以 基本可以 完全可以 完全不可以 允许过充允许过充 自放电自放电/ 月月 室温室温 自放电自放电 月月 室温室温 20% 30% 5% 10% 电压电压 V 电压电压 1.25 1.25 2 3.6 负载电流负载电流 负载电流负载电流 -尖峰 20C 5C 5C 2C -典型 1C 0.5C 0.2C 1C 放电时环境温度放电时环境温度 放电时环境温度放电时环境温度 -40 ~60 -20~60 -20~60 -20~60 维护维护 天天 不需要 维护维护 天天 30~60 60~90 3~6 (1 )镍镉电池 优点:快速充电; 充电周期数高，可以超过 1000 次; 负载特性好，可以在低温下充电; 便于储存和运输; 较好的低温性能; 耐用性好，不容易损坏。 缺点:相对较低的能量密度; 有记忆性，电池必须要定期的放电以避免记忆效应; 含有有毒元素; 自放电率比较高，在长时间保存后需要再充电。 (2 )镍氢电池 优点: 相比于镍镉电池，容量要高 30%~40% ;镍氢电池的能量密度也相对较高; 4 第一章 绪论 相对镍镉电池，记忆效应有缓解; 便于储存和运输; 对环境友好，可以回收。 缺点: 寿命短，持续深放电下电池性能在 200~300 个充放电周期后开始衰退; 放电电流小，反复的大电流会减小电池寿命，电流一般控制 在 0.2C 到 0.5C ; 电池充电过程要求复杂，发热多，充电时间长，涓流充电的控制要求高; 自放电率高，比镍镉电池高 50% ; 储存要求在相对低温环境里，并且充放电电量保持在 40%左右; 维护复杂, 需要定期的完全放电; 价格比镍镉电池高。 (3 )铅酸电池 优点: 价格低廉; 技术成熟，稳定; 自放电率低，2 次电池里最低的一种; 低维护需要，因为没有记忆效应，不需要充电解液; 高放电电流。 缺点: 低能量密度比; 完全放电的次数受限; 对环境有污染，因为含有铅和电解液。 (4 )锂离子电池 优点: 高能量密度比; 相对较低的自放电，比镍镉和镍氢电池少一半; 低维护需要，没有记忆效应，不需要定期放电。 缺点: 需要保护电路限制电压和电流，不能过度充电; 储存在温度较低的环境下，电量在大概 40%左右。 根据上述各类电池的优缺点，可以看到，锂离子电池能量密度高，体积小，自 放电低，负载电流大，充电时间也相对较短，是便携移动电子设备较好的一个选择。 而且，由于锂离子电池的单芯电压高，很多移动设备只需要较小体积的电池就可以 供电，这为移动设备的轻，薄等便携性发展供了空间。图 1-2 为常见的由锂离子 电池供电的电子产品。 5 第一章 绪论 图 1-2 单芯锂离子电池应用 1.2.4锂离子电池组成和冲放电特性和冲放电特性 1.2.4.1 锂离子电池组成 电池在实际应用中可能是单芯或多芯电池在实际应用中可能是单芯或多芯,鉴于结构一样，所以本课题的讨论都基于的讨论都基于单 芯电池。锂离子电池和其他的常用电池锂离子电池和其他的常用电池 (比如铅基或镍基电池)的结构基本一样的结构基本一样:一 个阴极、一个阳极以及中间导体导体-电解质。阴极是金属氧化物，而阳极则是碳则是碳。在充电 过程中，离子通过电解质和隔板从阴极流入阳极离子通过电解质和隔板从阴极流入阳极，放电则是一个反向的过程则是一个反向的过程。图 1-3 是电池内部结构的的一个简单表述是电池内部结构的的一个简单表述: 图图 1-3 锂离子电池内部结构 锂离子电池种类很多，性能也各有不同性能也各有不同，不同的特性主要取决于不同的阴极材料不同的阴极材料。 我们常见的阴极材料有氧化锂锂钴、氧化锂锰、磷酸锂铁以及锂镍锰钴等等锂铁以及锂镍锰钴等等，而最早的 锂离子电池使用的是焦炭作为阴极焦炭作为阴极。1997 左右开始，大多数的电池生产厂商则开始使大多数的电池生产厂商则开始使 [6] 用石墨，从而使放电过程变得更平稳放电过程变得更平稳。图 1-4 即是焦炭和石墨的放电曲线比较即是焦炭和石墨的放电曲线比较 : 6 第一章 绪论 图 1-4 焦炭和石墨放电曲线 表 1-2 则是不同阴极材料的锂离子电池的特性: 表 1-2 不同阴极材料电池的特性比较 项目项目 氧化锂钴氧化锂钴 氧化锂锰氧化 锂锰 磷酸锂铁磷酸锂铁 锂镍钴锰锂镍钴锰 项目项目 氧化锂钴氧化锂钴 氧化锂锰氧化 锂锰 磷酸锂铁磷酸锂铁 锂镍钴锰锂镍钴锰 电压电压 3.6V 3.8V 3.3V 3.6V 电压电压 充电充电峰值电压峰值电压 4.2V 4.2V 3.6V 4.2V 充电充电峰值电压峰值电压 充电周期充电周期 500~1000 500~1000 1000~2000 1000~2000 充电周期充电周期 运行温度范围运行温度范围 中等 中等 很宽 很宽 运行温度范围运行温度范围 能量密度比能量密度比 150~190Wh/kg 100~135Wh/kg 90~120Wh/kg 140~180Wh/kg 能量密度比能量密度比 负载电流负载电流 1C 10C,40C 脉冲 持续 35C 10C 负载电流负载电流 热击穿热击穿 150C 250C 270C 210C 热击穿热击穿 1.2.4.2 锂离子电池充电 大多数电池充放电是一个化学反应过程，但是锂离子电池研究人 员却有不同的看 法。研究者认为是由锂离子在阴阳极之间的移动导致了电流的形成，但如果是这样， 电池的寿命应该是无穷尽的，永远都可以保持容量。对此的解释是，因为正负极材料 本身的变化导致了电池寿命的减小:阴阳极上接收锂离子的空穴塌陷，材料的活性钝 化，或者阳极材料的脱落等，都可以导致电池中可以自由移动的锂离子数量减少。 7 第一章 绪论 锂离子电池充电和铅酸电池很接近，但不同的是每个电池芯的电压更高，充电电 压峰值要求严格，在满充电时没有涓流充电模式，而铅酸电池的电压有一定 的灵活性。 大多数锂离子电池芯的充电峰值是 4.2V ，允许+/-50mV 的偏差。高电压可以暂时高 容量，但会导致氧化从而降低电池的寿命。图 1-5 是一个锂离子电池充电电压电流关 系在各个充电阶段的示意图, 锂离子电池充电通常包含 4 个阶段:恒流充电、恒压充电、 结束充电、再充电 (图中没有述涓流充电阶段)。 图 1-5 锂离子电池充电曲线 锂离子充电的常用方法有 3 种[9,10,11,13] :开关式充电、脉冲充电以及线性充电。这 几种方法各有优劣。开关式充电，对散热要求低，可以使用较宽的输入电压范围，充 电电流较大，可以缩短充电时间;但缺点是，需要较多的外围电路，成本较 高，噪声 大，芯片也较大;而对于脉冲式充电方法，外围电路少，成本低，芯片体积小，功耗 低;不过缺点是，噪声大，可能触发 OVP, 而且一般电池厂商不推荐使用这种方法，因 为过高的脉冲电压会对电池包的保护电路有破坏作用;线性充电方法相对来说集合了 前两种方法的优点，外围电路器件少，低成本，芯片体积小，噪声小，但为了控制充 电温度，充电电流有限制以减小散热要求。 因此，线性充电是现在常用的一种充电方 法，本课题讨论的芯片即实现的线性充电方式。 8 第一章 绪论 锂离子电池充电 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 通常有如下两种锂离子电池充电方案通常有如下两种，旅行充电器和内部整合充电。。本课题设计 的芯片主要针对旅行充电器的使用旅行充电器的使用: 图 1-6 锂离子电池充电方案 1.2.5常见充电管理芯片比较比较 业界主要的充电管理芯片厂商包括业界主要的充电管理芯片厂商包括:Freescale、TI 、Intersil、im、、LTC 等。还 有别的一些厂商比如 Semitech 、、Richtech、MPS、Renesas、Mitsumi、AATIAATI 等等。 表 1- 3 包括了主要厂商的产品参数对比包括了主要厂商的产品参数对比[12,18] ，数据摘自各产品规格书 输出电压精度是输出电压精度是 25C 情况下的数据 : 表 1-3 主要厂商锂离子充电管理芯片参数比较主要厂商锂离子充电管理芯片参数比较 9 第一章 绪论 因为锂电池的特性和安全性要求,如工作温度要求，电压要求等等，对于充电管 理芯片的性能，我们将主要关注输出电压精度，最大输入电压，Rds on ,充电结束后的 电池漏电流等，以及一些保护、智能充电功能，如是热保护，检测电池温度，充电时 间控制功能。表 1-4 列举了本课题设计芯片的参数，可以看出和常见产品比，是很具 有竞争力的。本课题将会在第二章对芯片参数和功能做具体的介绍。 表 1-4 本课题设计锂离子充电管理芯片参数 1.3课题研究背景、内容及意义 本次论文课题主要讨论一款针对锂离子电池充电管理应用的低成本的充电管理芯 片。首先讨论锂离子电池的特性以及充电管理芯片的主要要求，其次对本课题涉及芯 片的性能做了详细的介绍，最后深入介绍了芯片的封装、测试、可靠性、数据分析等 方面的结果，从而涵盖了整个产品的开发过程。 本课题的研究有其现实意义，作为相对适合便携式设备使用的锂离子电池，市场 的增长逐年扩大，怎么高便携设备的续航能力、电池寿命、安全性、以及降低成本 是业界的重要任务。而充电管理的高在电池寿命，使用安全性等方面起到了 很重要 的作用。本课题讨论的芯片具有很好的充电电压精度控制，室温下为 0.23%, 主流产品 一般在 0.5%甚至 1%，而高精度电压控制可以减少过冲的机会，从而延长电池的寿命; 允许高电压输入，则可以降低终端开发者的成本，因为对输入电压的要求降低了;同 时为了降低客户应用成本，通过使用 Freescale 公司 0.28um CMOS 工艺，器件可以集 成在一个 2x3 封装的芯片中，比如功率 MOS 管等，不仅减小了 PCB 面积，还因为集 成度高，减少了外围期间的使用:只需要 6 个外围器件支持。 作为一款较高性能的锂电池管理芯片，它具有高性能、高集成度、低成本、以及 高可靠性，这样才能在激烈的竞争中获得更多的客户订单从而创造更大的利润。 10 第二章 锂离子电池充电管理芯片原理 第二章 锂离子电池充电管理芯片原理 第一章简单介绍了锂离子电池的基本知识,以及给其充电常见的解决方案,并比较 了本课题设计的产品与主流产品之间性能优劣。本章将着重介绍本课题设计的芯片的 原理，各个内部功能模块的设计和主要功能，以及应用中需要注意的要点。 2.1锂离子电池充电管理芯片概述 本芯片的设计针对单芯锂离子电池的旅行充电器管理，充电方法采用的是线性充 电法。高集成度使其在应用中只需要较少的外围器件:一个显示充电状态的双色 LED 灯，一个负温度系数热敏电阻电路以设置充电温度窗口，以及 2 个去耦电感。芯片能 承受的最高输入电压为 28V，这样的宽输入电压允许低成本的交流/直流变压器来达到 降低成本的目的。一个典型的充电周期包括了涓流充电，恒流充电，恒压充电，结束 充电以及再充电模式。其中恒流充电模式的电流精度可以达到8%;恒压模式时的 4.2V 输出电压的精度在室温下可以达到 0.23%。 本芯片在设计中实现了很多重要功能:涓流充电模式，从而允许充电器可以给深 度放电的电池充电;内部时钟设计，可以防止充电器长时间给有问题的电池充电而没 有退出机制;充电电流的热保护;以及电池连接确认功能，以防止在电池没有连接好 的情况下对其充电;过压保护功能;2.6V 的上电重启阈值电压的设计;在充电结束后 而电池没有取走的情况下，BAT 管脚的漏电流小于 1.0uA. 芯片的主要特性如下: ? 不需要外接 MOSFET,反向限制二级管以及电流反馈电阻; ? 最高 28V 输入电压，11V 过压保护; ? 设计有涓流模式给完全放电的电池充电; ? 输出电压 4.2V, 电压精度+/-0.4%; ? 可以驱动一个双色 LED 灯以及智能电池连接检测; ? 通过外部电路可以设置充电温度控制; ? 具有内部计时器以及过温电流限位电路。 11 第二章第二章 锂离子电池充电管理芯片原理 图 2-1为简化的实际应用连接图为简化的实际应用连接图: 1 简化应用 图 2-电路 2.2芯片参数介绍 2.2.1管脚连接图和功能说明和功能说明 图 2-2 管脚连接图 表 2-1 管脚功能介绍 管脚号管脚号 名称名称 功能功能 全称全称 功能介绍功能介绍 管脚号管脚号 名称名称 功能功能 全称全称 功能介绍功能介绍 1 1 VIN 输入 输入电源输入电源 电源输入 11 2 2 /GRN 输出 绿色指示绿色指示 指示充电状态，开漏极输出，6mAmA 驱动能力 22 3 3 /RED 输出 红色指示红色指示 指示充电状态，开漏极输出，6mAmA 驱动能力 33 4 4 /EN 输入 使能 逻辑输入，低电平有效 44 5 5 GND 地 地 接 地 55 6 6 TEMP 输入 NTC 接口输入接口输入 NTC 热敏电阻电路接口 66 7 7 VREF 输出 NTC 接口偏置电压接口偏置电压 NTC 接口电路的偏置电压 77 8 8 BAT 输出 充电输出充电输出 充电器到电池的输出电压 88 12 第二章 锂离子电池充电管理 芯片原理 2.2.2 芯片管脚最大额定值 表 2-2 芯片管脚最大额定 值 额定额定 标号标号 额定值额定值 单位单位 额定额定 标号标号 额定值额定值 单位单位 电性额定设置电性额定设置 电性额定设置电性额定设置 输入电压范围输入电压范围 输入电压范围输入电压范围 VINVIN Vin -0.3 ~28 V VINVIN /GRN /GRN 和和 /RED/RED V/GRN,V/RED -0.3~12 V /GRN /GRN 和和 /RED/RED /EN, BAT,RE /EN, BAT,REFF，，TEMPTEMP V/EN,VBAT, VREF, VTEMP -0.3~5.5 V /EN, BAT,RE/EN, BAT,REFF，，TEMPTEMP 静电放电电压静电放电电压 静电放电电压静电放电电压 人体模式 人体模式 (HBM(HBM)) VESD +/-2000 V 人体模式人体模式 ((HBMHBM)) 机器模式 机器模式 (MM(MM)) VESD +/-200 V 机器模式机器模式 ((MMMM)) 热性能额定设置热性能额定设置 热性能额定设置热性能额定设置 运行温度运行温度 运行温度运行温度 环境温度 环境温度 TA -40~85 C 环境温度环境温度 结温 结温 TJ -40~150 C 结温结温 2.2.3 芯片静态电性参数 2-3 芯片静态电性参数 表 表 测试项测试项 符号符号 最小值最小值 典型值典型值 最大值最大值 单位单位 测试项测试项 符号符号 最小值最小值 典型值典型值 最大值最大值 单位单位 供电输入供电输入 供电输入供电输入 VIN 供电电流 IIN - 1400 - μA 充电允许 - 300 350 充电禁止 上电复位 VPOR 3.0 - 3.9 V 上升 VIN 门限值 - 2.4 2.6 下降 VIN 门限值 VOVP 10 11 12 V 过压保护上升门限值 VOVPHYS - 400 - mV 过压保护门限值迟滞 VIN-VBAT 失调电压 VOS - - 60 mV 上升门限值 1.0 - 22 下降门限值 13 第二章 锂离子电池充电管理芯片原理 测试项测试项 符号符号 最小值最小值 典型值典型值 最大值最大值 单位单位 测试项测试项 符号符号 最小值最小值 典型值典型值 最大值最大值 单位单位 输出输出 输出输出 调节输出电压 V 5V; I 100mA; T 25?C IN BAT A 4.190 4.20 4.210 V 5V; I 10mA; T -20 to VBAT V IN BAT A 4.183 4.20 4.217 70?C V 5V; I 10mA; T -40 to 4.179 4.20 4.221 IN BAT A 85?C 功率 MOSFET 开启后阻抗 RDS ON - 265 450 m? VBAT 4V; IBAT 0.5A; ICHG 1.05A - - 1.0 BAT 待机电流 ISTDBY μA VIN 不上电或者充电禁止 -2.0 - 4.0 VIN 上电，并且完成充电过程 充电电流充电电流 充电电流充电电流 ICHG 966 1050 1134 mA 恒流充电模式的充电电流 (8% ) I 74 105 136 I 涓流充电电流 (10% ICHG ) TRKL CHG IEOC 84 105 126 mA EOC 门限值 充电门限值充电门限值 充电门限值充电门限值 VTRKL 2.8 2.9 3.0 V 涓流充电门限电压 VTRKLHYS - 100 - mV 涓流充电门限电压迟滞 VRECH 4.07 4.100 4.125 V 再充电电压门限 VTHRECH - 25 50 mV 再充电门限电压迟滞 IDCHG 4.5 6.0 7.5 mA 电池连接验证放电电流* ICHGCM - 24 - μA 电池连接验证充电电流 (充电完成)* IDCC - 585 - μA 电池连接验证放电电流 (充电完成)* NTC 接口接口 接口接口 ILTRT 0.6592 2/3 0.6741 VREF 低温上升门限 ILTFT - 0.6468 - VREF 低温下降门限 IHTRT 0.3297 1/3 0.3369 VREF 高温上升门限 IHTFT - 0.3441 - VREF 高温下降门限 逻辑模块输入输出逻辑模块输入输出 逻辑模块输入输出逻辑模块输入输出 VIH 1.5