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便携式电子设备用多功能、多模式电池与电源管理芯片的研究与设计

作　者: 陈琛
导　师: 严晓浪；何乐年
学　校: 浙江大学
专　业: 电路与系统
关键词: 电池与电源管理系统电池充电器高精度电池组管理系统双模式DC-DC转换器 LDO线性调整器平均化建模 PWM调制 PFM调制
分类号: TM912
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

一个完整的电源方案,应包括对电池进行充放电管理和保护的电池管理,以及给系统提供稳定可靠电源的稳压器等设备。将电池管理和提供电源管理的稳压器集成在一起,是未来电源方案的一大发展趋势。为此,本文提出了一种单芯片的电池与电源管理解决方案,该方案集成了电池充电器、电池组管理系统、两个最大输出为1A的DC-DC转换器和两个最大输出为800mA的LDO线性稳压器。为实现这个单芯片集成系统,本文对该系统中的各个子系统作出了深入的系统研究和设计。在针对锂离子电池充电器的研究中,本文采用了一种改进型的恒流-恒压充电方法,通过从恒流到恒压转换过程中的平缓过渡,克服了传统的恒流-恒压充电方式中,在恒流充电末期可能存在的电池大量放热及容量减小的问题。为实现改进型的恒流-恒压充电方式中的过渡阶段,独特的恒流-恒压控制电路通过电池电压控制的跨导放大器改变恒流控制运放工作点的方式实现了从恒流到恒压的平缓过渡。另一方面,锂离子充电器芯片由于具有较大的功率而需要温度保护。为避免充电器芯片在保护温度附近来回充电-关断,本文采用了一种软温度保护技术,即恒温调制,该方法能在维持持续充电的同时使芯片温度不超过保护点。锂离子电池充电器的测试芯片用CSMC公司的0.6μm线宽多晶硅双层金属CMOS混合信号工艺进行流片。仿真及测试结果显示,改进型的恒流-恒压充电方式和恒温调制均能实现,达到了设计目标。在针对锂离子电池组管理系统的研究中,本文提出了两种设计方案：一是基于高精度减法器的单片式；二是基于独特通信电路的母子式。为保证在多节电池组应用中系统的高精度性,选择了母子式锂电管理系统方案进行了深入研究。母子式锂电管理系统由一个母处理器和若干子管理单元组成。每个子管理单元对应一节电池。除具备常规的保护功能外,该电池管理系统还有针对电池组的均衡功能。母处理器的命令以及电池的状态信息分别用上传信号模块和下传信号模块进行逐级传递,这两个模块是母子式锂电管理系统方案实现的关键。仿真及测试结果证明,所提出的信号通讯方式和电池组管理芯片系统能完成对多节锂离子电池组的保护与管理。在针对DC-DC转换器的研究中,提出了一种基于信号平均化、高精确性的用于DC-DC转换器芯片稳定性设计的模型,并给出了电感电流连续模式下的电压控制型PWM和峰值电流型PWM控制环路的平均化仿真模型。为保证宽负载范围内的高转换效率,提出了一种独特的PWM/PFM双模式自动切换、高输入电压、最大输出电流1A、降压型的DC-DC转换器。这个DC-DC转换器的模式控制是基于创新的最小占空比限制法。PWM控制采用峰值电流反馈模式,并提出了一种动态的斜波补偿方法,以保证PWM控制环路宽输出电压范围的稳定性。而PFM控制是通过简单地在PWM控制环路中插入一个最小占空比模块来实现。最小占空比模块规定的最小占空比,与输出输入电压比成正比,动态地随输出电压Vout和输入电压Vin变化。这种控制方式具有模式切换简单,不需要复杂逻辑,模式之间的过渡自然平滑等优点。由于在输出电流小时能转入PFM模式,因而能保证宽负载范围的高转换效率。这个DC-DC转换器具有最高输入电压可达24V且输出电压范围宽的特点,并采用TSMC的0.6μm 40V BCD高压工艺实现。仿真及测试结果证明该芯片在预定的输入输出范围内都能够保持环路稳定。在输出电流50mA到200mA跳变时输出电压的最大改变量小于1.5%,输入电压在19V到24V之间跳变时输出电压的最大改变量小于0.6%,最高转换效率达到了95%。在针对LDO线性稳压器的研究中,首先对LDO进行了基础理论研究,分析了频率补偿、压差、瞬态响应、线性调整率、负载调整率等各项关键性能指标。在此基础上,提出了一种增益高,并增加了快速反馈环路的LDO线性稳压器。此外,还运用了SRE技术,进一步提高了瞬态响应的性能。该测试芯片采用CSMC公司的0.5μm CMOS混合信号工艺物理实现。仿真及测试结果表明,由于本芯片的高增益误差放大器和快速环路设计以及SRE电路的应用,使输出电压的线性调整率达到了1.77mV／V,负载调整率仅为4.5μV/V,输入电压在4.5V到5.5V间跳变时,输出电压上的最大改变量小于0.45%。本文完成了便携式电子设备用的单芯片电池与电源管理系统中,包括锂离子充电器、锂离子电池组管理系统、DC-DC转换器以及LDO的设计和验证。将这些子系统和I2C总线集成在一起,可以得到能同时完成对锂离子电池组进行充电和保护、智能化控制并提供多路输出的单芯片电池与电源管理解决方案,这种方案会因为集成度高,应用复杂度低,控制更方便,而取代传统的由多个独立芯片组成的电池与电源管理系统。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
Abstract  8-10
目录  10-14
图目录  14-20
表目录  20-21
1 引言  21-40
  1.1 研究背景  21-23
  1.2 电池与电源管理芯片的发展与研究现状  23-31
    1.2.1 电池管理芯片的发展与研究现状  24-28
    1.2.2 电源管理芯片的发展及研究现状  28-31
  1.3 研究内容  31-35
    1.3.1 针对单芯片电池与电源管理系统的探索和研究  31-33
    1.3.2 针对锂离子充电器的研究与设计  33
    1.3.3 针对锂离子电池组管理系统的研究与设计  33-34
    1.3.4 针对DC-DC转换器的研究与设计  34-35
    1.3.5 针对LDO的研究与设计  35
  1.4 论文组成和安排  35-37
  1.5 主要创新  37-40
    1.5.1 在系统体系结构上的创新  37
    1.5.2 在锂离子充电器设计上的创新  37-38
    1.5.3 在锂离子电池组管理保护电路上的创新  38
    1.5.4 在双模式DC-DC转换器上的创新  38-39
    1.5.5 在高性能LDO设计上的创新  39-40
2 便携式设备用锂离子充电器的研究与设计  40-78
  2.1 锂离子充电器的系统设计  40-46
    2.1.1 系统结构  40-43
    2.1.2 模块说明  43-46
  2.2 锂离子充电器具体电路模块的设计  46-71
    2.2.1 电源检测模块的研究与设计  46-50
    2.2.2 温度保护模块的研究与设计  50-51
    2.2.3 恒流-恒压控制模块的研究与设计  51-57
    2.2.4 恒温调制模块的研究与设计  57-61
    2.2.5 状态控制模块的研究与设计  61-63
    2.2.6 基准电路的研究与设计  63-71
  2.3 锂离子充电器的仿真与测试  71-77
    2.3.1 锂离子充电器的系统仿真  71-74
    2.3.2 锂离子充电器的版图设计和物理实现  74-75
    2.3.3 锂离子充电器的测试  75-77
  2.4 便携式设备用锂离子充电器的总结  77-78
3 锂离子电池组管理系统的研究与设计  78-103
  3.1 锂离子电池组管理系统设计方案的选择  78-85
    3.1.1 基于减法器的单片式锂离子电池组管理系统方案  78-82
    3.1.2 母子式锂离子电池组管理系统方案  82-85
  3.2 母子式锂电管理系统的电路设计  85-96
    3.2.1 子管理单元均衡模块的设计  85-87
    3.2.2 子管理单元充放电保护模块的设计  87-89
    3.2.3 子管理单元上传信号模块的设计  89-90
    3.2.4 子管理单元下传信号模块的设计  90-91
    3.2.5 母处理器的设计  91-96
  3.3 母子式锂电管理系统的仿真与测试  96-102
    3.3.1 母子式锂电管理系统的系统仿真  96-100
    3.3.2 母子式锂电管理系统的测试结果  100-102
  3.4 锂离子电池组管理系统的总结  102-103
4 双模式宽工作范围降压型DC-DC转换器的研究与设计  103-170
  4.1 DC-DC转换器的基础  103-111
    4.1.1 降压型DC-DC转换器拓扑结构  103-106
    4.1.2 DC-DC转换器的调制方式  106-107
    4.1.3 DC-DC转换器的控制环路  107-111
  4.2 PWM环路的建模与仿真  111-129
    4.2.1 DC-DC转换器的平均化交流小信号建模  112-123
    4.2.2 DC-DC转换器的电路平均化仿真模型  123-129
  4.3 DC-DC转换器的效率研究  129-134
    4.3.1 DC-DC转换器的能耗损失  129-132
    4.3.2 DC-DC转换器的效率  132-134
  4.4 双模式降压DC-DC转换器的系统设计  134-141
    4.4.1 双模式降压DC-DC转换器系统的设计考量  134-135
    4.4.2 控制方式和控制环路  135-137
    4.4.3 系统结构及模块说明  137-141
  4.5 双模式降压DC-DC转换器的具体电路设计  141-163
    4.5.1 预整流器  141-142
    4.5.2 内部LDO  142-144
    4.5.3 误差放大器  144-146
    4.5.4 电流传感器  146-151
    4.5.5 PWM比较器  151
    4.5.6 逻辑控制电路  151-153
    4.5.7 最小占空比模块  153-154
    4.5.8 驱动器  154-159
    4.5.9 振荡器  159-160
    4.5.10 软启动、电流限制及短路保护模块  160-162
    4.5.11 SW下拉电路  162-163
  4.6 双模式宽工作范围降压型DC-DC转换器的系统仿真与测试  163-169
    4.6.1 双模式宽工作范围降压型DC-DC转换器的系统仿真  163-167
    4.6.2 双模式宽工作范围降压型DC-DC转换器的测试结果  167-169
  4.7 双模式宽工作范围降压型DC-DC转换器的总结  169-170
5 便携式设备用LDO的研究与设计  170-194
  5.1 LDO线性稳压器基础  170-178
    5.1.1 LDO基本的频率补偿方法  171-175
    5.1.2 LDO的压差  175-176
    5.1.3 瞬态响应  176-177
    5.1.4 负载调整率  177
    5.1.5 线性调整率  177-178
  5.2 LDO线性稳压器的系统设计  178-181
  5.3 LDO线性稳压器的电路设计  181-187
    5.3.1 误差放大器  181-184
    5.3.2 短路及电流限制电路  184-186
    5.3.3 SRE电路  186-187
  5.4 LDO线性稳压器的系统仿真与测试  187-192
    5.4.1 LDO线性稳压器的系统仿真  187-190
    5.4.2 LDO线性稳压器的测试结果  190-192
  5.5 LDO线性稳压器的总结  192-194
6 单芯片电池与电源管理系统的总结与展望  194-200
  6.1 单芯片电池与电源管理系统的研究  194-196
    6.1.1 单芯片电池与电源管理系统的意义  194-195
    6.1.2 单芯片电池与电源管理系统构架  195-196
  6.2 电池与电源管理系统的总结  196-199
    6.2.1 研究总结  196-198
    6.2.2 存在的问题  198-199
  6.3 未来的工作与展望  199-200
参考文献  200-205
作者简介  205

便携式电子设备用多功能、多模式电池与电源管理芯片的研究与设计

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