用于便携式应用的高效锂离子电池LDO为基础的充电器

抽象的

本文介绍了一种基于ldo的高效锂离子电池充电器集成电路，采用了涓滴恒流、快速恒流和恒压三种模式控制。所提出的锂离子电池充电器的高精度、高效率、小面积等标准具有重要意义。仿真结果表明，在4.8 ~ 5 V的电源下，使用0.18，涓流电流为116 mA，最大充电电流为448 mA，充电电压为4.21 VμCMOS技术。

1.介绍

正如我们所知，便携式设备已经成为先进技术产品的主要应用。由于其体积小，重量轻，充电能力强，锂离子电池非常适合便携式电子产品制造商，如手机和pda [1因为它们的能量密度高，循环寿命长，电压高，没有记忆效应。但可充电电池的寿命不仅取决于充电时间，还取决于过充电控制和充电策略[2］．为了避免电池过充电，充电过程中需要一种支持恒流(CC)和恒压(CV)模式的具体方法，以降低电流对电池进行充电[3.- - - - - -5］．

在文献中，有几种不同的电池充电器架构，不同的功率控制方法，以适应电源电压。其特点是高效率，如DC/DC变换器、开关电容器或开关模式电源[1，6- - - - - -8，但不适合单芯片集成，有时效率高，但精度低。另一方面，使用电荷泵作为自适应电源电压也是一样的[3.];然而，这一个由其高电流纹波和低效率的区别。基于LDO的充电器的特点是低电流纹波，它可以集成到没有描述型组件的芯片中[9，但主要问题是效率低。在这项工作中，我们将提高一个基于ldo的充电器的效率，使用功率晶体管作为可变电流源，并最大限度地减少其损耗。

在若干著作中被忽略的重要标准之一[1，3.，6，8- - - - - -12]为充电时的温度控制和[中无涓流充电模式1，13当电池完全放电时，这是保护电池所必需的。这使得这个工作是一个完整的电池充电器芯片与所有的充电程序和电池保护。

本文介绍了三型控制高效电池充电器集成电路的架构和仿真结果，用于锂离子电池的充电电流高达448 mA。在部分2介绍了锂离子电池的典型充电方法。本节将说明所提出的集成电路的结构和主要模块的功能3.．仿真结果如节所示4．最后，在本章中进行了总结5．

2.锂离子电池充电器方法

在锂离子电池充电器的重要标准中，充电安全性。然而，充电电流和电压存在一些局限性;因此，由于其中一些限制，电池温度将严重引起致命的麻烦。

值得注意的是，典型的充电电流为1C，该电流可在1小时内给电池完全充电[14］．

锂离子电池典型充电剖面如图所示1需要实现三种基本模式：涓流恒流，快恒电流和恒压模式。

对于第一滴流恒流模式，当电池电压()小于2.9 V时，锂离子电池内阻变大;因此，锂离子电池必须通过涓滴恒流阶段充电;这种策略被称为“隔夜充电器”[15];至于第二阶段，一旦价值大于2.9 V时，过程从涓滴电流切换到快速恒流相。

最终，我们使用恒定电压在电池电压大于4.2 V时对电池充电，同时充电器在恒定电压模式下运行。

终止充电有两种方法，第一种是监测CV阶段的最小充电电流。当充电电流缩小到指定范围时，充电器终止充电过程。为完成充电过程，另一种基于最大充电时间[16］．

在拟议的设计中，我们采用了第一种终止充电过程的方法;电池充电，直到充电电流小于1c / 40。

我们的锂离子电池充电器的整个充电流程设计如图所示2．

3.电路的描述

与其他使用微处理器控制不同充电模式的架构不同，我们提出的架构是对锂离子电池充电三种模式的模拟支持，涓滴恒流、快速恒电流和恒电压，如图所示3.．它由多个模块组成:LDO、电流发生器、电流检测、温度检测(pat电路)和带隙多输出。供电张力4.8 V - 5 V在产生前由LDO调节器调整．功率晶体管MP等效于可变电流源;这种技术已在[10]随着反激式转换器。两个电流源制成的MP控制和通过一个移位器电平组成，，'1，和2，使晶体管MP提供116 mA和448 mA的恒定电流订单，以订购涓滴恒流和快速恒流模式。我们使用积分器来控制恒压模式。这些模式由Op进行切换和比较紧张和与．我们使用的输出和当电池充满或PTAT电路检测温度超过115度时停止充电。

数字4展示了提出的锂离子电池充电器的完整架构。我们的架构的不同之处在于使用电流作为命令参数，在不同的电荷模式之间切换功率晶体管MP，它被用作可变电流源。电流发生器提供两个参考电流和由当前镜子复制（和)用电平移位器来控制MP门(此电流发生器将在第一部分中讨论3.1)．不同于涓滴恒流和快速恒流(CC模式)的控制和， CV模式由积分器控制，遵循积分器的原理[10];当逐渐变大，积分器输出逐渐减小，因此MP提供的电流逐渐减小，直到充电结束;我们可以利用电压-电流转换来产生CV电流。

当电流检测到检测到时，会发生充电结束(充电电流)= 20 mA或当模具温度超过115°C时，关闭PMOS ()集成到电流发生器中。

3．1.电流发生器

电流发电机提供参考电流，和，控制涓流CC和快速CC模式。我们选择利用此架构，如图所示5，这不受温度变化的影响[17］．由传统建筑(6 -6 -9 -10)用PMOS晶体管改变无源电阻18及其栅极偏置发生器。有两个二极管连接的NMOS晶体管和一个PMOS晶体管，用于为每种模式构成栅极偏置发生器（11，12,7模式和13日,14,8模式)。而复制参考电流7，栅极电压18由二极管连接的晶体管产生11和12到生成．我们可以产生参考电流或通过控制开关15岁,16.我们集成了一个晶体管切换器取消生成和结束充电过程。

3．2．隙参考Multioutput

在我们提出的设计中，四个参考紧张局势将是先决条件（，，， 和)，从而利用多输出带隙参考张力。数字6显示了一个高精度的温度补偿CMOS带隙基准[18］．后者是为了生成而改进的= 1.3 V,= 1.4 V,= 0.53 mV= 0.99 mV参考电压，通过增加四个外级。

两个产生的电流的方程，它们是成比例的和，偏见这四个增加的阶段，是以下等式：

如图所示6，每一个电流被分成另外两个电流，通过包含电阻和双极晶体管的两个支路，以这样的方式

我们创造，达到电压等于．

运算放大器的输入是均衡的。从图6，．考虑

因此，本文提出的多输出BGR的输出参考电压为 不像， TC是负的，TC是正的。因此，所有的输出(，，， 和）从温度变得几乎是自主的。数字7在−40°C到120°C范围内，模拟上述输出参考电压作为温度的函数。

3．3.目前的感觉

为了检测功率晶体管MP上的电流，我们使用了晶体管中的电流检测电路如图所示8使…的电压的和MP相等。我们已经使用了opMP可表示为: 和与它们的纵横比成正比。它们的比率可以描述为 数字9显示感测电流的仿真结果。

4.仿真结果

所提出的锂离子电池充电器仿真结果波形如图所示10．用于在涓流恒定电流和快速恒定电流模式下工作，参考电流分别为116 mA和448 mA。相应地将范围电压呈现为2.5 V和4.2V。止动电流为20 mA，等于我们定义的约1C / 40。如图所示，CC和CV模式之间的过渡发生11．如图所示12，系统稳定。

数字13电池充电器集成电路布局图。正如预期的那样，锂离子电池充电器的设计使用0.18μ米技术;大部分区域被功率PMOS通片器件所占据，其中有效模区为1.172 mm²．

桌子1总结了所提出的电池充电集成电路的性能特点。显然，这项工作呈现了高达87%的平均功率效率和更好的性能，在最大电流充电和非常小的芯片尺寸。

结论

本文提出的锂离子电池充电器设计为0.18μm CMOS工艺。该充电器采用涓滴恒流、快速恒流、恒压三种模式运行，功率效率高达87%，芯片体积小，功耗低，适用于便携式系统作为电池充电器。

利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

参考文献

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