分類號密級 UDC 鋰離子電池開關(guān)模式充電控制芯片的設(shè)計（題名和副題名） （作者姓名）指導教師 教授電子科技大學 （姓名、職稱、單位名稱） 申請學位級別 碩士 學科專業(yè) 集成電路工程領(lǐng)域 提交論文日期 2014.3 論文答辯日期 2014.5.19 學位授予單位和日期 電子科技大學 2014 答辯委員會主席評閱人 注1：注明《國際十進分類法UDC》的類號。 DESIGN SWITCH-MODECHARGING CONTROLLER LITHIUM-IONBATTERY MasterThesis Submitted ElectronicScience ChinaMajor: Integrated Circuit Engineering Author: Cui Jiajie Advisor: Prof. Luo Ping School: School Solid-stateElectronics 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工 作及取得的研究成果。據(jù)我所知最好的鋰電池充電芯片，除了文中特別加以標注和致謝的地 方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含 為獲得電子科技大學或其它教育機構(gòu)的學位或證書而使用過的材料。

與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明 確的說明并表示謝意。 作者簽名： 日期： 論文使用授權(quán)本學位論文作者完全了解電子科技大學有關(guān)保留、使用學位論文 的規(guī)定，有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁 盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)電子科技大學可以將學位論文 的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或 掃描等復(fù)制手段保存、匯編學位論文。 （保密的學位論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定） 作者簽名： 導師簽名： 日期： 近十幾年來，電子技術(shù)快速發(fā)展，特別是消費電子出現(xiàn)巨大的市場空間，便攜式電子產(chǎn)品成為未來的發(fā)展趨勢。各種便攜式電子產(chǎn)品功能日益增多，速度越 來越快，體積卻逐漸縮小，這對其供電電池提出了長續(xù)航時間、輕便、高效的要 求。鋰離子電池具有高能量密度、長壽命、高放電電壓、無污染、無記憶效應(yīng)等 獨特優(yōu)勢，因而成為了便攜式電子產(chǎn)品的理想供電電池。但鋰離子電池對充電過 程的控制要求更為嚴苛，需要高精度的電流、電壓充電，分段的充電過程和完善 的保護功能。本文針對高精度、分階段等充電需求，設(shè)計了一款基于 0.5μm 標準 CMOS 工藝的開關(guān)模式充電控制芯片。

本文首先介紹了鋰離子電池的特性及充電控制方式，具體闡述了恒壓充電、 恒流充電、恒流恒壓（Constant Current Constant Voltage，CC-CV）充電三種充電 控制方式，分析了CC-CV 充電方式的優(yōu)勢。然后介紹鋰離子電池充電系統(tǒng)設(shè)計， 包括充電拓撲、環(huán)路控制模式選擇，接著計算了電感、電容等系統(tǒng)參數(shù)。最后， 闡述了芯片內(nèi)部關(guān)鍵功能模塊的設(shè)計與仿真，包括帶隙基準電路、軟啟動電路、 芯片欠壓保護電路、過熱關(guān)斷保護及RC 振蕩器等功能模塊，并仿真驗證了整體電 路功能。本文重點介紹了高精度的電流型帶隙基準電路設(shè)計和軟啟動、功率管驅(qū) 動的實現(xiàn)。 本文設(shè)計的充電控制芯片整體版圖面積大小為 3mm2mm，采用 0.5μm 標準 CMOS 工藝流片，具有低成本優(yōu)勢。其中，1.25V 的帶隙基準電壓源溫度系數(shù)為 13ppm/，設(shè)計有 Trimming 修調(diào)電路校正工藝角偏差，在-40~120的工作溫度 范圍內(nèi)確保電池充電結(jié)束電壓精度在0.5%以內(nèi)。開關(guān)頻率為1.5MHz，采用功率管 驅(qū)動電路實現(xiàn)高效率的開關(guān)模式充電控制，具有軟啟動電路、欠壓保護、過熱關(guān) 斷等多方面保護功能。 關(guān)鍵詞：鋰離子電池，開關(guān)模式，電流型，帶隙基準 ABSTRACT II ABSTRACT recentdecades, electronic technology developed fast, especially customerelectronics field, which makes portable electronic products developmentdirection. morefunctions, faster, smaller, portable battery-operated devices has longerrun time, more lighter higherefficiency highenergy density, long life time, high discharge voltage, non-polluting memoryeffect, Lithium ion battery idealpower supply portableelectronic devices. otherside, needsstrict requirements highprecision current voltage,multi-stage charge perfectprotecting functions highprecision segmentcharge, switch mode battery charge controller based standard0.5um CMOS process thesis.Firstly, features Lithiumion battery introduced,three charging control methods: constant voltage charging, constant current charging constantcurrent constant voltage charging (CC-CV) specificallyelaborated, chargingcontrol system design presented,including charging topology, choosing control loop, calculating inductor outputfilter capacitor. last,design internalkey sub-circuit blocks which band-gapreference, soft start, under voltage lock out protect, over temperature protect RCoscillator wholechip featurespec. articleemphasizes design highprecision current mode band-gap reference softstart softdriver. totallayout chargingcontroller chip IC occupies tapedout standard0.5μm CMOS process, thus earning low-costadvantage. simulationresults show temperaturecoefficient band-gapreference 1.25Volt outputvoltage accuracy within0.5% trimmingprocess variation trimmingcircuit while operating temperature ranges from -40 chargingcontroller?s switching frequency switchmode charging method achieving high efficiency adopting soft driver technology, sametime, protectingfunctions follows:soft start, under voltage lock out overtemperature protect. ABSTRACT III Keywords: Lithium ion battery, Switch mode, Current-mode control, Band-gap reference. 目錄 IV 第一章緒論 1.1論文的研究背景及意義 1.2鋰離子電池充電控制芯片的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 1.3本文的主要工作 第二章鋰離子電池特性及充電方式 2.1鋰離子電池特性 2.2鋰離子電池充電方式 2.2.1鋰離子電池恒壓充電 2.2.2鋰離子電池恒流充電 2.2.3鋰離子電池恒流恒壓充電 第三章鋰離子電池充電系統(tǒng)設(shè)計 103.1 鋰離子電池充電系統(tǒng)拓撲選擇 103.1.1 線性模式充電系統(tǒng) 103.1.2 開關(guān)模式充電系統(tǒng) 113.2 鋰離子電池充電系統(tǒng)環(huán)路控制模式選擇 133.2.1 電壓模式控制 133.2.2 平均電流模式控制 153.2.3 峰值電流模式控制 163.3 鋰離子電池充電系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計 173.3.1 電感值設(shè)計 183.3.2 輸出電容設(shè)計 18第四章 鋰離子電池充電控制芯片電路設(shè)計 204.1 充電控制芯片整體架構(gòu) 204.2 帶隙基準電路設(shè)計 214.2.1 帶隙基準產(chǎn)生電路 224.2.2 帶隙基準啟動電路 254.2.3 帶隙基準電壓修調(diào)電路 254.2.4 電路仿真結(jié)果 274.3 軟啟動電路 304.3.1 軟啟動電路設(shè)計與分析 31目錄 4.3.2電路仿真結(jié)果 334.4 芯片欠壓保護電路 354.4.1 欠壓保護電路設(shè)計與分析 354.4.2 電路仿真結(jié)果 364.5 芯片過熱關(guān)斷保護電路 374.5.1 過熱關(guān)斷保護電路設(shè)計與分析 384.5.2 電路仿真結(jié)果 384.6 RC 振蕩器 404.6.1 RC 振蕩器設(shè)計與分析 404.6.2 電路仿真結(jié)果 424.7 功率管驅(qū)動數(shù)字邏輯電路 444.7.1 數(shù)字邏輯電路模塊設(shè)計 444.7.2 功率管驅(qū)動數(shù)字邏輯電路設(shè)計與仿真 454.8 充電控制芯片整體電路仿真 474.8.1 鋰離子電池充電系統(tǒng)仿真外圍電路 474.8.2 鋰離子電池充電系統(tǒng)功能仿真結(jié)果 48第五章 充電控制芯片版圖及后仿真結(jié)果 515.1 充電控制芯片版圖設(shè)計 515.2 鋰離子電池充電系統(tǒng)關(guān)鍵模塊后仿真結(jié)果 545.2.1 電流型帶隙基準電路后仿真結(jié)果 545.2.2 RC 振蕩器及軟啟動電路后仿真結(jié)果 55第六章 結(jié)論 59參考文獻 60碩士期間取得的研究成果 63第一章 緒論 第一章緒論 1.1 論文的研究背景及意義 近十幾年來，電子技術(shù)快速發(fā)展，特別是消費電子出現(xiàn)巨大的市場空間，便 攜式電子產(chǎn)品出現(xiàn)了很大的市場空間。