全CMOS 三段式锂电池充电器设计

第２８卷　第４期２００６年４月

武　汉　理　工　大　学　学　报

ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＷＵＨＡＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ

Ｖｏｌ．２８　Ｎｏ．４　Ａｐｒ．２００６

S三段式锂电池充电器设计全CMO周祖德，徐　超（武汉理工大学信息工程学院，武汉４３００７０）

S工艺的锂电池充电IC的设计方案。将锂电池充电过程分为涓摘　要：　针对锂电池的化学特性，给出了一种全CMO流充电、常流充电和常压充电3个过程，并为此设计了3段式的充电结构。同时该充电IC还集成了过流检测、温度控制等电路。实验结果表明，其充电过程符合锂电池的化学特性，有效地提高了芯片的能量效率，降低了芯片功耗，缩短了充电时间。

关键词：　锂电池；　低压降稳压器；　常流源

2中图分类号：　TN710．

文献标志码：　A文章编号：１６７１－４４３１（２００６）０４－０１０９－０３

ＡＴｈｒｅｅＳｔａｇｅＬｉ－ｉｏｎＢａｔｔｅｒｙＣｈａｒｇｅｒＩＣＢａｓｅｄｏｎＦｕｌｌＣＭＯＳＺＨＯＵＺｕ－ｄｅ，ＸＵＣｈａｏ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７０，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：　ＡｆｕｌｌＣＯＭＳＬｉ－ｉｏｎｂａｔｔｅｒｙｃｈａｒｇｅｒｈａｓｂｅｅｎｄｅｓｉｇｎｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ａｔｈｒｅｅｓｔａｇｅｃｈａｒｇｉｎｇｓｔｒａｔｅｇｙｈａｓｂｅｅｎ

ｐｒｅｓｅｎｔｅｄｆｏｒｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｏｆｒｉｐｐｌｅｃｕｒｒｅｎｔｃｈａｒｇｉｎｇ，ｌａｒｇｅｃｕｒｒｅｎｔｃｈａｒｇｉｎｇａｎｄｃｏｎｓｔａｎｔｖｏｌｔａｇｅｃｈａｒｇｉｎｇｉｎｔｈｅＬｉ－ｉｏｎｂａｔｔｅｒｙｃｈａｒｇｉｎｇｐｒｏｃｅｄｕｅ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｏｖｅｒ－ｃｈａｒｇｉｎｇｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔｓ，ａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｓｐｅｃｔｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔｓｈａｖｅｂｅｅｎｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｉｎｔｈｅＩＣ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：　Ｌｉ－ｉｏｎｂａｔｔｅｒｙ；　ｌｏｗ－ｖｏｌｔａｇｅｒｅｇｕｌａｔｏｒ（ＬＤＯ）；　ｃｏｎｓｔａｎｔｃｕｒｒｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔｓ

随着手持设备的小型化，锂电池以其能量密度高，体积小，无记忆和寿命长等特点在手持电子设备（如笔记本、手机、ＰＤＡ等）上被广泛应用。随着锂电池在各种领域中的广泛应用，如何为锂电池提供高效安全的充电方案也成为人们关心的课题。关于锂电池的充电方案，人们做了大量的研究，如文献［１］中提出了模数混合模式的锂电池充电方案，而文献［２］提出了并行递变式充电结构。甚至有人从算法的角度研究锂电池充电过程，如文献［３］提出了以神经网络算法提高充电效率的方法。针对锂电池的充电特性，提出了一种使用全ＣＭＯＳ工艺实现的３段式线性锂电池充电ＩＣ。其目的是要提高能量效率，减小功耗，缩短充电时间。

1　系统设计锂电池的化学特性决定了它的充电过程分为３个阶段：涓流充电、常流充电和常压充电。锂电池充电器的结构（见图１）主要由ＬＤＯ、充电控制模块、睡眠模块、过充保护模块、温度敏感模块、电流敏感模块、过流保护、充电停止、计时器和晶振组成。

常流充电模块负责锂电池的涓流和大电流充电，ＬＤＯ模块负责常压充电。常流源提供给ＬＤＯ和常压充电模块稳定的电流源，这个电流源有良好的温度特性。温度敏感电路可以防止充电器因过热而烧毁。保护电路提供过流保护和反相偏置保护。时间控制模块并不包含在系统当中，但控制电路提供时间控制的接

收稿日期：２００５－１１－２９．

基金项目：国际合作项目（２００３ＣＡ００７）．作者简介：周祖德（１９４６－），男，教授，博导．Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｕｃｈａｏ＠ｍａｉｌ．ｗｈｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ

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　　　　　　　　　　　　　　　　　　武　汉　理　工　大　学　学　报　　　　　　　　　　　　　　１１０２００６年４月

口。各部分控制模块受逻辑控制电路控制，常流和常压控制电路共同使用一块功率晶体管（ＰＯＷＥＲＭＯＳ）充电，减小了系统面积。图１中Ｖｏｕｔ为输出电压，通过调节反馈电阻的比值，可以达到输出３．６Ｖ和４．２Ｖ的目的。电路的参考电压Ｖｒｅｆ为１．１Ｖ。

1．1　常流源模块设计

常流源模块用来给ＬＤＯ模块和常流充电电路提供稳定的电流。模拟电路中，象运放、乘法器和滤波器等电路要求静态工作点不受温度和供给电压变化的影响而保持稳定，因此，在模拟电路系统中温度和功率供给独立的电流源电路扮演着重要的角色。虽然很多研究提出了各种温度补偿技术，但这些技术很多使用的是双极型晶体管，并不兼容ＣＭＯＳ工艺。

４］为了兼容ＣＭＯＳ工艺，需要提出一种全ＣＭＯＳ工艺的电流源电路［（如图２所示）。电流源电路由３个

偏置电流源Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３组成，电流源可以产生正向和负向电流参数，２个电流模式计算电路用来执行必要的加减运算，以获得一个温度系数独立的输出电流源。

图２中，自偏置电流源模块的电流镜ＭＰ１和ＭＰ２强迫流过ＭＮ１和ＭＮ２的电流相等。电流Ｉ和阻抗Ｒ１的乘积等于ＭＮ１的栅源电压Ｖ

，如果不考虑晶体管的输出阻抗和体效应，有公式ＧＳ（ＭＮ１）ＧＳ（ＭＮ１）＝Ｖｔｈ（ＭＮ１）＋

Ｉ・Ｒ１＝Ｖ

２Ｉ

β（ＭＮ１）（１）

式中，Ｖｔｈ（为ＭＮ１的域值电压；β为ＭＮ１的传导参数。等式右侧的第２部分非负，如果βＭＮ１）（ＭＮ１）（ＭＮ１）很大，则电流为　　　　　　　　　　　　　　　Ｉ＝Ｖ

／Ｒ１ＧＳ（ＭＮ１）可见，电流独立于电源供给电压，因为阈值电压随温度升高而降低，同时阻抗Ｒ１的温度效应可以被忽略，结果参考电流得到一个负的温度系数。然而这个电流与温度没有线性关系。为了得到带有正温度系数的参考电流，在电路中加入了一个ＮＭＯＳ晶体管ＭＮ３，此时，通过Ｒ１的电流值为

Ｉ＝（Ｖ

ＧＳ（ＭＮ３）－

Ｖ

）／Ｒ１ＧＳ（ＭＮ２）２β（ＭＮ０）Ｖｔｈ　　图２中ＭＮ０总是工作在线性区，作为电阻用，其等效电阻为

Ｒ′≈

２

β（Ｖ（ＭＮ０））ＧＳ（ＭＮ０）－Ｖｔｈ（ＭＮ０）≈

　　因此，Ｒ′带有正温度系数。通过适当地调节ＭＮ１、ＭＮ２和ＭＮ３的宽长比，可以得到带有正的温度系数的参考电流Ｉ１和Ｉ２。但是，当Ｉ２不随温度线性变化时，Ｉ１具有线性温度特性。由于Ｉ２被用来补偿Ｉ３，从而得到一个带有负温度系数和线性温度特性大小为Ｉ３－Ｉ２的电流。

计算电路是一个电流减法器，它实现从带有负温度系数的Ｉ３中减去带有正温度系数的Ｉ２。因此，得到具有负温度系数的电流Ｉ（＝Ｉ３－Ｉ２。通过适当地调整Ｉ３－Ｉ２可以得到线性的温度特性。ＭＮ１３）1．2　LDO模块设计

ＬＤＯ模块提供常压充电。如图３所示，节点Ｐ的转换速率Ｓ受到低功率稳压器的限制，其值为

Ｓ＝⑽ＶＰ／⑽ｔ＝Ｉｄｒｉｖｅ／Ｃ１式中，Ｉｄｒｉｖｅ为Ｃ１的驱动电流；Ｃ１是导通元件Ｐ１的输入电容，流过Ｐ１的电流对Ｃ１进行充电或是放电。Ｐ３

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第２８卷　第４期　　　　　　　　　　　周祖德，等：全ＣＭＯＳ三段式锂电池充电器设计　　　　　　　　　　

１１１

和电流源ＩＳ１构成缓冲驱动导通元件Ｐ１，维持输出电压。转换速率必须足够大来驱动Ｃ１，同时⑽Ｖｐ的变化必须足够快。为了优化电路的暂态响应和保持较高的电流效率，文中使用了文献［５］中的动态反馈技术，Ｐ２按比例镜像输出电流，并通过Ｎ２调节差动放大器。

电流流过差动放大器可以被表示为

Ｉａｍｐ＝Ｉｂｉａｓ＋ｋ・Ｉｏｕｔ式中，Ｉｂｉａｓ是由Ｖ

Ｂ１控制的电流；Ｉｏｕｔ是负载电流，流经节点Ｖｏｕｔ；

ｋ是反馈比率，由电流检测电路决定。Ｉａｍｐ和Ｉｄｒｉｖｅ成比例，Ｉａｍｐ也是总的差动放大器的偏置电流。

ＬＤＯ的电流效率可以被定义为　　　　　　　　　　　　Ｃｅ＝Ｉｏｕｔ／（Ｉｑ＋Ｉｏｕｔ）

式中，Ｉｑ是ＬＤＯ的静态电流。由于Ｉｑ总是小于Ｉｏｕｔ，电流效率可以达到９９％。负载调节的性能参数ＬＲ是ＬＤＯ在负载电流变化的情况下维持输出电压能力的指标参数，定义ＬＲ＝⑽Ｖｏｕｔ／⑽Ｉｏｕｔ。

2　实验结果表１是全ＣＭＯＳ锂电池充电ＩＣ的性能参数。图４是电流源随温度变化的结果，在０～１００℃范围内输出电流由－４９．９４μＡ变化到－５０．４７μＡ，实验显示该电路具有良好的温度系数。图５是ＬＤＯ输出电压随输入电压变化的曲线，曲线１、２、３分别对应于在理想电流源、文中电流源和普通电流源。实验显示当输入电压高于４．２Ｖ后，曲线２比曲线３具有更好的稳定性。图６是系统仿真图，显示充电过程中负载电压电流随时间变化的关系，可以看到当充电ＩＣ进行涓流充电时负载电压成线性增长，当电路切换到大电流充电时，负载电压迅速上升，然后电压稳定在４．２Ｖ。

表1　性能参数

工艺０．３５μｍＣＭＯＳ

电源电压／Ｖ

４．５

输出电压／Ｖ

４．２

最大充电电流／Ａ

１

负载调节／（μ・ｍＡ

３８

－１线性调节／Ｖ

０．１９％

－１功率效率／％

７６

）

功耗／ｍＷ７８８．７９

稳定延迟时间

／μｓ

１．３２

3　结　语给出了一种全ＣＭＯＳ工艺的锂电池充电ＩＣ的设计方案。依据锂电池的化学特性，采用了３段式的充电结构，有效地提高了芯片的能量效率，降低了芯片功耗，缩短了充电时间。实验结果表明，其充电过程符合锂电池的化学特性，芯片功耗７８９ｍＷ，功率效率７６％。

（下转第１１５页）

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第２８卷　第４期　　　　　　　　汤　俊，等：用于可疑金融交易监控的对比离群点检测模型　　　　　　　　

１１５

行了讨论。跨数据集对比检测是有效降低误报率的关键技术，受到国际金融数据挖掘研究的高度重视。进一步的工作包括基于该模型上的跨数据集对比检测的概率估算算法和交易数据仿真实验的研究。

参考文献

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［２］　钱仁汉．当前基层央行反洗钱工作的难点及对策［Ｊ］．金融纵横，２００５，（３）：５８～６０．［３］　陈　伟，余　杰．当前反洗钱工作的难点及对策［Ｊ］．金融理论与实践，２００４，（１０）：１５～１７．

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ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉｎｔｅｌ－ｒｅｓｅａｒｃｈ．ｎｅｔ／Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ／Ｐｉｔｔｓｂｕｒｇｈ／０８１６２００２１３２５

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ＳＳ

（上接第１１１页）

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