第４期

胡清琮，等：基于恒流／恒压方式的锂电池充电保护芯片设计

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进‘ｚ｛］．该方式在充电初期采用恒定大电流充电，在

锂电池电压达到一定值后，即当电池内部可供化学

反应物质的物质的量浓度较小时，逐渐减小充电电

流，最后通过充电电流的减小程度判断充电是否结

束．充电后期采用小电流充电有利于减小恒定大电

流充电对电池的损坏，同时锂电池电压的升高速率

减缓有利于防止过充电．恒流一恒压充电方式实现的

关键是恒流与恒压充电模式的平稳过渡，以及充电

完成时锂电池电压的精度．虽然Ｂａｒｃｅｌｏ等人［２伽已

经提出实现恒流一恒压充电的基本方案，但至今尚未

有采用ＣＭＯＳ工艺的具体实现电路的文献报告．

本文提出了一种基于恒流一恒压充电方式的锂

电池充电保护芯片设计方案，并采用ＣＳＭＣ公司的

０．６肛ｍ双层多晶硅双层金属ＣＭＯＳ混合信号模

型，进行了设计以及流片测试．电路仿真及测试结果

表明，电路采用的电流镜结构，以及多控制参数竞争

控制输出ＰＭＯＳ管栅极电压的方法，可实现恒定电

流充电、恒定电压充电和高温调节控制模式，以及各

模式之间的平稳过渡．

１

电路设计

１．１电路结构

图１为锂电池充电电路原理图，其中Ｒ，。０Ｇ为外

接电阻，用于设定充电电流．虚线框内为充电保护芯

片结构框图，其中ＰＭＯＳ管Ｍ０与Ｍ１的栅极相连

形成镜像结构，Ｍ１的漏极作为输出端对锂电池充

电．本设计中Ｍ１与Ｍ０宽长比之比（Ⅳ／Ｌ）Ｍ，：

（Ｗ／Ｌ）Ｍ。＝４００：１，即充电电流ＩＢＡＴ为流过ＲｒｎｏＧ电

流Ｉ，。ｏＧ的４００倍，可通过电压Ｖ。控制或检测工８ＡＴ．

ＭＯ与Ｍ１的栅极电压ＶＰＧ由恒流一恒压控制模块与

温度检测控制模块的两个输出电压中较大的值决

定．充电停止与重新开始控制模块，判断并决定充电

的结束与重新开始．

恒流一恒压控制模块用于控制恒定电流、恒定电

压充电模式以及两模式间转换过程中的充电电流变

化．温度检测控制模块用于防止充电过程中温度上

升过高而损坏锂电池或引起安全问题．该模块的功

能为：当电路温度较高时减小充电电流，从而减少发

热；如果温度继续升高并超过限制值，温度检测模块

将关断充电电路．

１．２恒定电流充电模式

锂电池充电初期，即当电池电压ＶＢＡＴ为３．０～

４．１

Ｖ时，充电电路采用恒定电流充电，其实现电路

如图２所示．

圈ｌ锂电池充电电路原理图

Ｆｉｇ．１

Ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｌｉ—ｉｏｎ ｂａｔｔｅｒｙ ｃｈａｒｇｅ ｃｉｒｃｕｉｔ

一（ａ）原理图

图２恒定电流充电模式实现电路

Ｆｉｇ．２

Ｃｉｒｃｕｉｔ

ｔＯ

ｒｅａｌｉｚｅ

ｃｏｎｓｔａｎｔ－ｃｕｒｒｅｎｔ

ｍｏｄｅ

在恒定电流充电模式下，ＣＡ与Ｍ０、Ｒ删构成负

反馈回路，稳定状态下使Ｋ＝Ｋ，，而Ｕ。由偏置电路
确定，因而在恒定电流充电模式下，Ｋ电压恒定．外接

电阻Ｒ，。ｏＧ的阻值可根据实际应用需要选择，以确定该

充电模式下的Ｉ一，则充电电流／ＢＡＴ由式（１）确定：

ｒ。一！堡』生独ｋ…：！婴』墨独上Ｌ：

ｂＡＴ一可矿砾坤８０６一—（Ｗ／Ｌ—）ＭＯ瑶一

（Ｗ／Ｌ）Ｍ１

Ｖｂｌ

，１、

（Ｗ／Ｌ）ＭｏＲＰＲＯＧ‘

”７

式中：参数（Ｗ／Ｌ）Ｍ。、（ｗ／Ｌ）Ｍ。均可在芯片设计或实

际应用中确定，因而只要在Ｍ１管允许的导通电流

范围内，恒定电流充电模式的充电电流可自由选择．

当ＲｐＲＯＧ保持不变时，可通过改变Ｖ。。，调整充

电电流大小．本设计设定：当Ｖ队Ｔ＜３

Ｖ时，Ｖ。。＝

０．１

Ｖ；当Ｖ队Ｔ＞３ Ｖ时，Ｖｂ。＝１

Ｖ，用于保护过放电

的锂电池．当ｙ。ＡＴ下降到３ Ｖ以下时，称为过放电，

会对电池造成一定损坏．为了减小损坏的程度，对过

放电的锂电池应采用小电流充电，因而在本设计中，

通过切换Ｖ。。，实现锂电池过放电与正常条件下充

电电流大小的不同．

１．３恒定电压充电模式

当锂电池电压达到４．１ Ｖ时，充电保护芯片开

始由恒定电流充电模式向恒定电压充电模式转换．

图３为恒定电压充电模式的实现电路．在恒定电流

　

万方数据