CN101969212A - 一种可用太阳能供电的锂电池充电管理芯片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可用太阳能供电的锂电池充电管理芯片，包括功率晶体管、控制单元、电池温度监测单元、电流调制放大器、电压调制放大器、芯片温度调制放大器、模拟/数字转换器和电流运算单元。其中，模拟-数字转换电路能够根据输入电压源的电流输出能力自动调整充电电流，最大限度地利用了输入电压源的电流输出能力，非常适合利用太阳能电池等输出电流有限的电压源供电的锂电池充电应用。

Description

一种可用太阳能供电的锂电池充电管理芯片 

技术领域

本发明涉及锂电池充电技术领域，特别是涉及一种可用太阳能供电的锂电池充电管理芯片。 

背景技术

太阳能电池的发展始于上世纪五十年代，最初应用于宇宙开发，航空航天等领域。经过近五十年的发展，无论从发展速度，技术成熟性，还是从应用领域来看，太阳能电池都是新能源中的佼佼者。太阳能电池具有许多优点，比如：安全可靠、无噪声、无污染、能量随处可得，不受地域限制，无须消耗燃料，无机械转动部件，故障率低，维护简便，可以无人值守，建站周期短，规模大小随意，无须架输电线路，可以方便地与建筑物相结合等，这些优点都是其它发电方式所不及的。 

太阳能电池作为有潜力的可再生能源，多年来其产量一直以每年10％到25％的增长率在增加，目前主要应用领域包括航空航天，军事以及民用消费品等。 

但是太阳能电池并不是一个理想的电源，其输出特性受光照强度和光线频谱等因素影响，输出电流很不稳定，所以太阳能电池不能直接驱动用电装置，而需要将太阳能电池先存储在蓄电池中，然后通过蓄电池为用电装置供电。因此，亟需一种能够根据太阳能电池的输出电流能力自动调整充电电流。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可用太阳能供电的锂电池充电管理芯片，能够根据太阳能电池的输出电流能力自动调整充电电流。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种可用太阳能供电的锂电池充电管理芯片，包括功率晶体管、控制单元、电池温度监测单元、电流调制放大器、电压调制放大器、芯片温度调制放大器、模拟/数字转换器和电流运算单元，所述的电流调制放大器的正向输入端与充电电流检测单元相连，负向输入端与基准电流相连；所述的电压调制放大器的正向输入端与电池电压反馈信号相连，负向输入端与基准电压相连；所述的芯片温度调制放大器的正向输入端监测所述的芯片的结温，负向输入端与基准温度相连；所述的电流调制放大器、电压调制放大器和芯片温度调制放大器的输出端同时连接在所述的功率晶体管的控制端，充电电流通过所述的功率晶体管从输入电压端流到电池端；所述的控 制单元与充电结束比较器、再充电比较器、电流运算单元和电池温度监测单元相连；所述的控制单元根据与其相连的各个器件的输出决定充电器的状态；所述的电流运算单元的输入端与所述的模拟/数字转换器的输出端相连，并对基准电压进行映射；所述的模拟/数字转换器的输入端与输入电压端相连。 

所述的可用太阳能供电的锂电池充电管理芯片的模拟/数字转换器为8位逐次逼近型模拟/数字转换器。 

所述的可用太阳能供电的锂电池充电管理芯片还设有睡眠模式判断单元；所述的睡眠模式判断单元输入端连有所述的输入电压端和电池端，输出端与所述的控制单元相连。 

所述的可用太阳能供电的锂电池充电管理芯片的各个使能输入端与芯片内部的施密特触发器相连。 

所述的可用太阳能供电的锂电池充电管理芯片的功率晶体管为P沟道MOS场效应晶体管。 

所述的可用太阳能供电的锂电池充电管理芯片中的基准电压由电压基准源模块提供。 

所述的可用太阳能供电的锂电池充电管理芯片的电池温度监测单元包括两个比较器，并与电池内的热敏电阻和芯片外的电阻分压网络共同监测电池温度范围的上限和下限。 

所述的可用太阳能供电的锂电池充电管理芯片还设有与所述的控制单元相连的电源电压检测电路。 

有益效果 

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果： 

本发明通过芯片内部的功率晶体管对电池进行恒流和恒压充电，充电电流可以用外部电阻编程设定，不需要另加阻流二极管和电流检测电阻。本发明内部集成有8位模拟-数字转换电路，能够根据输入电压源的电流输出能力自动调整充电电流，用户不需要考虑最坏情况，可根据输入电压源的最大电流输出能力设置充电电流，最大限度地利用了输入电压源的电流输出能力，非常适合利用太阳能电池等输出电流有限的电压源供电的锂电池充电应用。 

本发明包含两个漏极开路输出的状态指示输出端，即充电状态指示端和充电结束指示输出端。芯片内部的功率管理电路在芯片的结温超过115℃时自动降低充电电流，可以使用户最大限度的利用芯片的功率处理能力，不用担心芯片过热而损坏芯片或者外部元器件。 

附图说明

图1是本发明的功能框图； 

图2是本发明的恒流恒压控制的工作原理图； 

图3是现有技术中电流自动调整电路的工作原理图。 

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。 

本发明的实施方式涉及一种可用太阳能供电的锂电池充电管理芯片，能够根据太阳能电池的输出电流能力自动调整充电电流，如图1所示，该管理芯片包括功率晶体管、控制单元、电池温度监测单元、电流调制放大器、电压调制放大器、芯片温度调制放大器、模拟/数字转换器和电流运算单元，所述的电流调制放大器Iamp的正向输入端与充电电流检测单元相连，负向输入端与基准电流相连；所述的电压调制放大器Vamp的正向输入端与电池电压反馈信号相连，负向输入端与基准电压相连；所述的芯片温度调制放大器Tamp的正向输入端监测所述的芯片的结温，负向输入端与基准温度相连；所述的电流调制放大器Iamp、电压调制放大器Vamp和芯片温度调制放大器Tamp的输出端同时连接在所述的功率晶体管的控制端，充电电流通过所述的功率晶体管从输入电压端流到电池端；所述的控制单元与充电结束比较器、再充电比较器、电流运算单元和电池温度监测单元相连；所述的控制单元根据与其相连的各个器件的输出决定充电器的状态；所述的电流运算单元的输入端与所述的模拟/数字转换器的输出端相连，并对基准电压进行映射；所述的模拟/数字转换器的输入端与输入电压端相连。 

在本发明中，基准电压是由芯片中电压基准源模块提供的，电压基准源模块决定了整个系统的精度。一般而言，对电压基准源模块的基本要求是精度达到0.6％，电源抑制比在200KHz的频率时达到30分贝。芯片中存在有振荡器，其作用是为芯片内部的定时器和8位模拟/数字转换器提供一个固定频率的时钟信号。 

本发明的各个使能输入端与芯片内部的施密特触发器相连，施密特触发器将输入的TTL电平或者CMOS电平转换成统一的CMOS电平，再将转换后的CMOS电平发送给控制单元。 

本发明在工作时，根据输入电压，电池电压及电池温度等因素的具体情况，充电器共 有下面几种工作状态：(1)涓流充电状态。当电池电压低于3V时，为了激活深度放电的电池和减小功耗，采用涓流充电模式，此时充电电流为所设置的恒流充电电流的十分之一。(2)恒流充电状态。当电池电压在3V和4.2V之间时，为了实现快速充电，采用恒流充电模式。(3)恒压充电状态。当电池电压达到4.2V时，进入恒压充电模式，此时充电电压不再上升，充电电流逐渐减小。(4)充电结束状态。在恒压充电阶段，当充电电流减小到恒流充电电流的十分之一的时候，将进入充电结束状态。在充电结束状态，功率调整管被关断，没有充电电流流向电池，保证了电池的安全。故本发明设有充电结束比较器。(5)电池温度异常状态。锂离子电池和锂聚合物电池的电解液一般在0℃到45℃之间具有最好的活性，在电池温度超出此范围时对电池充电会损害电池的寿命。在充电时需要监测电池的温度，在电池温度超出正常范围时应该停止充电，以保护电池。故本发明设有电池温度监测单元。(6)睡眠状态。当输入电压低于电池电压时，为了保证电流倒灌现象，即电流从电池流向输入电压，需要关断功率调整管，为此设立睡眠状态。在睡眠状态，功率调整管和内部电路被关断，芯片的电流消耗极低。故本发明设有睡眠模式判断单元。 

充电结束比较器的作用就是在恒压充电阶段，监测充电电流。在恒压充电阶段，当充电电流减小到预先设定的门限时，充电即结束，该门限通常为所设定的恒流充电电流的十分之一。 

再充电比较器是用来判断是否满足再充电的条件。在充电结束以后，如果电池电压降低到恒压充电电压的96.43％，则应开始新的充电周期。 

睡眠模式判断单元；所述的睡眠模式判断单元输入端连有所述的输入电压端和电池端，输出端与所述的控制单元相连。睡眠模式判断单元是用来判断输入电压和电池电压的电压差，当输入电压下降时，如果输入电压与电池电压差小于20毫伏，则睡眠模式判断单元输出高电平，通知控制单元进入睡眠模式；当输入电压上升时，如果输入电压与电池电压差大于100毫伏，则睡眠模式判断单元输出低电平，通知控制单元脱离睡眠模式。 

电池温度监测单元用来监测电池的温度。此单元内部包括两个比较器，与电池内的热敏电阻和芯片外的电阻分压网络共同监测电池温度范围的上限和下限。比如说，当电池温度监测管脚的电压超过输入电压的80％或者低于输入电压的45％时，表示电池温度异常，温度监测单元通知控制电路停止充电，并作出相应的状态指示。 

在本发明中，采用电流调制放大器和电压调制放大器分别对充电电流和充电电压进行调制，在电池电压低于4.2V时电流调制放大器主导充电回路；在电池电压达到4.2V时电 压调制放大器主导充电回路，其工作原理如图2所示。在图2中，M1是P沟道MOS场效应晶体管，用作功率调整管(即功率晶体管)，充电电流通过此功率调整管从输入电压端VIN流到电池端BAT，并由电阻R1和电阻R2构成反馈网络，对电池电压进行采样。电流调制放大器Iamp的功能是将对充电电流进行采样而反馈回来的信号IFB与电流基准信号的误差进行放大，放大后的信号用来调整功率调整管的导通，以稳定充电电流。其中，对充电电流进行采样是由充电电流检测单元来实现的，该充电电流检测单元在涓流充电阶段和恒流充电阶段根据ISET管脚的电压值实时检测充电电流。电压调制放大器Vamp的功能是将反馈网络输出的信号与电压基准源的误差进行放大，放大后的信号用来调整功率调整管的导通，以达到调制充电电压的目的。 

芯片温度调制放大器Tamp实时监测芯片的结温，当芯片的结温达到基准温度115℃时，芯片温度调制放大器Tamp的输出控制功率调整管以减小充电电流，从而使芯片温度恒定在115℃，不再上升。 

本发明内部集成有模拟-数字转换器，能够根据输入电压源的电流输出能力自动调整充电电流，用户不需要考虑最坏情况，可根据输入电压源的最大电流输出能力设置充电电流，最大限度地利用了输入电压源的电流输出能力，非常适合利用太阳能电池等输出电流有限的电压源供电的锂电池充电应用。其工作原理如图3所示。 

图中模拟/数字转换器采用8位逐次逼近型模拟/数字转换器，这种比较器具有转换速度快，转换精度高等优点。在本发明中，模拟/数字转换器工作电压范围为4.35V到6V，转换速度为12微秒，最大量化误差为±1/2LSB。该8位逐次逼近型模拟/数字转换器用来实时监测输入电源电压的电流输出能力，当输入电压在4.35V到6V之间变化时，8位模拟/数字转换器输出在最大值11111111和最小值00000000之间变化，通过控制开关使得参考电流Iref在电流I和(1/256)I之间变化，参考电流由下面的公式决定： 

Iref＝I-b0×(1/256)I-b1×(1/128)I-b2×(1/64)I-b3×(1/32)I 

-b4×(1/16)I-b5×(1/8)I-b6×(1/4)I-b7×(1/2)I 

其中，b7，b6，b5，b4，b3，b2，b1和b0为8位模拟/数字转换器的输出。 

由于参考电流Iref同充电电流之间存在一定比例的对应关系，所以通过模拟/数字转换器监测输入电源的输出电流能力，达到了调整充电电流的目的。图中信号Vref-VDD为相对于电源端的基准电压，在本发明中，首先利用PN结带隙基准电压的原理产生一个相对于地(GND)的基准电压(2.453V)，并利用此基准电压产生(1/256)I、(1/128)I、(1/64)I、(1/32)I、 (1/16)I、(1/8)I、(1/4)I和(1/2)I共八个电流源，用来调整参考电流。从图3中可以看到，电流I是从电源端流出到Iref端，为了产生从电源端流出的电流I，我们首先将相对于地(GND)的基准电压(2.453V)映射到相对于电源端VDD的2.453V的基准电压，再利用此相对于电源端VDD的基准电压生成从电源端流出的电流I。由于这种方案对基准电压进行映射，而不是映射电流，故可以通过电路设计、熔丝调整等技术很容易将基准电压的映射精度控制在0.5％以内，从而保证电流I的高精度。 

如图1所示，本发明还设有与所述的控制单元相连的电源电压检测电路，当电源电压低于电源电压过低阈值时，芯片处于关段状态，此时充电也被禁止。 

不难发现，本发明通过芯片内部的功率晶体管对电池进行恒流和恒压充电，具有较小的工作电流，充电电流可以用外部电阻编程设定，不需要另加阻流二极管和电流检测电阻。本发明内部集成有8位模拟-数字转换电路，能够根据输入电压源的电流输出能力自动调整充电电流，用户不需要考虑最坏情况，可根据输入电压源的最大电流输出能力设置充电电流，最大限度地利用了输入电压源的电流输出能力，非常适合利用太阳能电池等输出电流有限的电压源供电的锂电池充电应用。 

Claims (8)

1.一种可用太阳能供电的锂电池充电管理芯片，包括功率晶体管、控制单元、电池温度监测单元、电流调制放大器、电压调制放大器、芯片温度调制放大器、模拟/数字转换器和电流运算单元，其特征在于，所述的电流调制放大器的正向输入端与充电电流检测单元相连，负向输入端与基准电流相连；所述的电压调制放大器的正向输入端与电池电压反馈信号相连，负向输入端与基准电压相连；所述的芯片温度调制放大器的正向输入端监测所述的芯片的结温，负向输入端与基准温度相连；所述的电流调制放大器、电压调制放大器和芯片温度调制放大器的输出端同时连接在所述的功率晶体管的控制端，充电电流通过所述的功率晶体管从输入电压端流到电池端；所述的控制单元与充电结束比较器、再充电比较器、电流运算单元和电池温度监测单元相连；所述的控制单元根据与其相连的各个器件的输出决定充电器的状态；所述的电流运算单元的输入端与所述的模拟/数字转换器的输出端相连，并对基准电压进行映射；所述的模拟/数字转换器的输入端与输入电压端相连。

2.根据权利要求1所述的可用太阳能供电的锂电池充电管理芯片，其特征在于，所述的模拟/数字转换器为8位逐次逼近型模拟/数字转换器。

3.根据权利要求1所述的可用太阳能供电的锂电池充电管理芯片，其特征在于，所述的管理芯片中还设有睡眠模式判断单元；所述的睡眠模式判断单元输入端连有所述的输入电压端和电池端，输出端与所述的控制单元相连。

4.根据权利要求1所述的可用太阳能供电的锂电池充电管理芯片，其特征在于，所述的管理芯片的各个使能输入端与芯片内部的施密特触发器相连。

5.根据权利要求1所述的可用太阳能供电的锂电池充电管理芯片，其特征在于，所述的功率晶体管为P沟道MOS场效应晶体管。

6.根据权利要求1所述的可用太阳能供电的锂电池充电管理芯片，其特征在于，所述的基准电压由电压基准源模块提供。

7.根据权利要求1所述的可用太阳能供电的锂电池充电管理芯片，其特征在于，所述的电池温度监测单元包括两个比较器，并与电池内的热敏电阻和芯片外的电阻分压网络共同监测电池温度范围的上限和下限。

8.根据权利要求1至7中任一权利要求所述的可用太阳能供电的锂电池充电管理芯片，其特征在于，所述的管理芯片中还设有与所述的控制单元相连的电源电压检测电路。

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