專利名稱：一種可用太陽能供電的鋰電池充電管理芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋰電池充電技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種可用太陽能供電的鋰電池充電
管理芯片。
背景技術(shù)：
太陽能電池的發(fā)展始于上世紀(jì)五十年代，最初應(yīng)用于宇宙開發(fā)，航空航天等領(lǐng)域。 經(jīng)過近五十年的發(fā)展，無論從發(fā)展速度，技術(shù)成熟性，還是從應(yīng)用領(lǐng)域來看，太陽能電池都 是新能源中的佼佼者。太陽能電池具有許多優(yōu)點(diǎn)，比如安全可靠、無噪聲、無污染、能量隨 處可得，不受地域限制，無須消耗燃料，無機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件，故障率低，維護(hù)簡便，可以無人值 守，建站周期短，規(guī)模大小隨意，無須架輸電線路，可以方便地與建筑物相結(jié)合等，這些優(yōu)點(diǎn) 都是其它發(fā)電方式所不及的。太陽能電池作為有潛力的可再生能源，多年來其產(chǎn)量一直以每年10%到25%的 增長率在增加，目前主要應(yīng)用領(lǐng)域包括航空航天，軍事以及民用消費(fèi)品等。但是太陽能電池并不是一個(gè)理想的電源，其輸出特性受光照強(qiáng)度和光線頻譜等因 素影響，輸出電流很不穩(wěn)定，所以太陽能電池不能直接驅(qū)動(dòng)用電裝置，而需要將太陽能電池 先存儲(chǔ)在蓄電池中，然后通過蓄電池為用電裝置供電。因此，亟需一種能夠根據(jù)太陽能電池 的輸出電流能力自動(dòng)調(diào)整充電電流。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種可用太陽能供電的鋰電池充電管理芯片， 能夠根據(jù)太陽能電池的輸出電流能力自動(dòng)調(diào)整充電電流。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是提供一種可用太陽能供電的鋰電池 充電管理芯片，包括功率晶體管、控制單元、電池溫度監(jiān)測單元、電流調(diào)制放大器、電壓調(diào)制 放大器、芯片溫度調(diào)制放大器、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器和電流運(yùn)算單元，所述的電流調(diào)制放大器 的正向輸入端與充電電流檢測單元相連，負(fù)向輸入端與基準(zhǔn)電流相連；所述的電壓調(diào)制放 大器的正向輸入端與電池電壓反饋信號相連，負(fù)向輸入端與基準(zhǔn)電壓相連；所述的芯片溫 度調(diào)制放大器的正向輸入端監(jiān)測所述的芯片的結(jié)溫，負(fù)向輸入端與基準(zhǔn)溫度相連；所述的 電流調(diào)制放大器、電壓調(diào)制放大器和芯片溫度調(diào)制放大器的輸出端同時(shí)連接在所述的功率 晶體管的控制端，充電電流通過所述的功率晶體管從輸入電壓端流到電池端；所述的控制 單元與充電結(jié)束比較器、再充電比較器、電流運(yùn)算單元和電池溫度監(jiān)測單元相連；所述的控 制單元根據(jù)與其相連的各個(gè)器件的輸出決定充電器的狀態(tài)；所述的電流運(yùn)算單元的輸入端 與所述的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸出端相連，并對基準(zhǔn)電壓進(jìn)行映射；所述的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換 器的輸入端與輸入電壓端相連。所述的可用太陽能供電的鋰電池充電管理芯片的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器為8位逐次逼 近型模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器。所述的可用太陽能供電的鋰電池充電管理芯片還設(shè)有睡眠模式判斷單元；所述
3的睡眠模式判斷單元輸入端連有所述的輸入電壓端和電池端，輸出端與所述的控制單元相 連。所述的可用太陽能供電的鋰電池充電管理芯片的各個(gè)使能輸入端與芯片內(nèi)部的 施密特觸發(fā)器相連。所述的可用太陽能供電的鋰電池充電管理芯片的功率晶體管為P溝道MOS場效應(yīng)
晶體管。 所述的可用太陽能供電的鋰電池充電管理芯片中的基準(zhǔn)電壓由電壓基準(zhǔn)源模塊 提供。所述的可用太陽能供電的鋰電池充電管理芯片的電池溫度監(jiān)測單元包括兩個(gè)比 較器，并與電池內(nèi)的熱敏電阻和芯片外的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)共同監(jiān)測電池溫度范圍的上限和下限。所述的可用太陽能供電的鋰電池充電管理芯片還設(shè)有與所述的控制單元相連的 電源電壓檢測電路。有益效果由于采用了上述的技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)和積極效 果本發(fā)明通過芯片內(nèi)部的功率晶體管對電池進(jìn)行恒流和恒壓充電，充電電流可以用 外部電阻編程設(shè)定，不需要另加阻流二極管和電流檢測電阻。本發(fā)明內(nèi)部集成有8位模 擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，能夠根據(jù)輸入電壓源的電流輸出能力自動(dòng)調(diào)整充電電流，用戶不需要 考慮最壞情況，可根據(jù)輸入電壓源的最大電流輸出能力設(shè)置充電電流，最大限度地利用了 輸入電壓源的電流輸出能力，非常適合利用太陽能電池等輸出電流有限的電壓源供電的鋰 電池充電應(yīng)用。本發(fā)明包含兩個(gè)漏極開路輸出的狀態(tài)指示輸出端，即充電狀態(tài)指示端和充電結(jié)束 指示輸出端。芯片內(nèi)部的功率管理電路在芯片的結(jié)溫超過115°C時(shí)自動(dòng)降低充電電流，可以 使用戶最大限度的利用芯片的功率處理能力，不用擔(dān)心芯片過熱而損壞芯片或者外部元器 件。


圖1是本發(fā)明的功能框圖；圖2是本發(fā)明的恒流恒壓控制的工作原理圖；圖3是現(xiàn)有技術(shù)中電流自動(dòng)調(diào)整電路的工作原理圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人 員可以對本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定 的范圍。本發(fā)明的實(shí)施方式涉及一種可用太陽能供電的鋰電池充電管理芯片，能夠根據(jù)太 陽能電池的輸出電流能力自動(dòng)調(diào)整充電電流，如圖1所示，該管理芯片包括功率晶體管、控 制單元、電池溫度監(jiān)測單元、電流調(diào)制放大器、電壓調(diào)制放大器、芯片溫度調(diào)制放大器、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器和電流運(yùn)算單元，所述的電流調(diào)制放大器lamp的正向輸入端與充電電流 檢測單元相連，負(fù)向輸入端與基準(zhǔn)電流相連；所述的電壓調(diào)制放大器Vamp的正向輸入端與 電池電壓反饋信號相連，負(fù)向輸入端與基準(zhǔn)電壓相連；所述的芯片溫度調(diào)制放大器Tamp的 正向輸入端監(jiān)測所述的芯片的結(jié)溫，負(fù)向輸入端與基準(zhǔn)溫度相連；所述的電流調(diào)制放大器 lamp,電壓調(diào)制放大器Vamp和芯片溫度調(diào)制放大器Tamp的輸出端同時(shí)連接在所述的功率 晶體管的控制端，充電電流通過所述的功率晶體管從輸入電壓端流到電池端；所述的控制 單元與充電結(jié)束比較器、再充電比較器、電流運(yùn)算單元和電池溫度監(jiān)測單元相連；所述的控 制單元根據(jù)與其相連的各個(gè)器件的輸出決定充電器的狀態(tài)；所述的電流運(yùn)算單元的輸入端 與所述的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸出端相連，并對基準(zhǔn)電壓進(jìn)行映射；所述的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換 器的輸入端與輸入電壓端相連。在本發(fā)明中，基準(zhǔn)電壓是由芯片中電壓基準(zhǔn)源模塊提供的，電壓基準(zhǔn)源模塊決定 了整個(gè)系統(tǒng)的精度。一般而言，對電壓基準(zhǔn)源模塊的基本要求是精度達(dá)到0. 6%，電源抑制 比在200KHz的頻率時(shí)達(dá)到30分貝。芯片中存在有振蕩器，其作用是為芯片內(nèi)部的定時(shí)器 和8位模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器提供一個(gè)固定頻率的時(shí)鐘信號。本發(fā)明的各個(gè)使能輸入端與芯片內(nèi)部的施密特觸發(fā)器相連，施密特觸發(fā)器將輸入 的TTL電平或者CMOS電平轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的CMOS電平，再將轉(zhuǎn)換后的CMOS電平發(fā)送給控制單兀。本發(fā)明在工作時(shí)，根據(jù)輸入電壓，電池電壓及電池溫度等因素的具體情況，充電器 共有下面幾種工作狀態(tài)(1)涓流充電狀態(tài)。當(dāng)電池電壓低于3V時(shí)，為了激活深度放電的 電池和減小功耗，采用涓流充電模式，此時(shí)充電電流為所設(shè)置的恒流充電電流的十分之一。 ⑵恒流充電狀態(tài)。當(dāng)電池電壓在3V和4. 2V之間時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)快速充電，采用恒流充電模 式。(3)恒壓充電狀態(tài)。當(dāng)電池電壓達(dá)到4. 2V時(shí)，進(jìn)入恒壓充電模式，此時(shí)充電電壓不再上 升，充電電流逐漸減小。(4)充電結(jié)束狀態(tài)。在恒壓充電階段，當(dāng)充電電流減小到恒流充電 電流的十分之一的時(shí)候，將進(jìn)入充電結(jié)束狀態(tài)。在充電結(jié)束狀態(tài)，功率調(diào)整管被關(guān)斷，沒有 充電電流流向電池，保證了電池的安全。故本發(fā)明設(shè)有充電結(jié)束比較器。(5)電池溫度異常 狀態(tài)。鋰離子電池和鋰聚合物電池的電解液一般在0°C到45°C之間具有最好的活性，在電 池溫度超出此范圍時(shí)對電池充電會(huì)損害電池的壽命。在充電時(shí)需要監(jiān)測電池的溫度，在電 池溫度超出正常范圍時(shí)應(yīng)該停止充電，以保護(hù)電池。故本發(fā)明設(shè)有電池溫度監(jiān)測單元。(6) 睡眠狀態(tài)。當(dāng)輸入電壓低于電池電壓時(shí)，為了保證電流倒灌現(xiàn)象，即電流從電池流向輸入電 壓，需要關(guān)斷功率調(diào)整管，為此設(shè)立睡眠狀態(tài)。在睡眠狀態(tài)，功率調(diào)整管和內(nèi)部電路被關(guān)斷， 芯片的電流消耗極低。故本發(fā)明設(shè)有睡眠模式判斷單元。充電結(jié)束比較器的作用就是在恒壓充電階段，監(jiān)測充電電流。在恒壓充電階段，當(dāng) 充電電流減小到預(yù)先設(shè)定的門限時(shí)，充電即結(jié)束，該門限通常為所設(shè)定的恒流充電電流的 十分之一。再充電比較器是用來判斷是否滿足再充電的條件。在充電結(jié)束以后，如果電池電 壓降低到恒壓充電電壓的96. 43%，則應(yīng)開始新的充電周期。睡眠模式判斷單元；所述的睡眠模式判斷單元輸入端連有所述的輸入電壓端和電 池端，輸出端與所述的控制單元相連。睡眠模式判斷單元是用來判斷輸入電壓和電池電壓 的電壓差，當(dāng)輸入電壓下降時(shí)，如果輸入電壓與電池電壓差小于20毫伏，則睡眠模式判斷單元輸出高電平，通知控制單元進(jìn)入睡眠模式；當(dāng)輸入電壓上升時(shí)，如果輸入電壓與電池電 壓差大于100毫伏，則睡眠模式判斷單元輸出低電平，通知控制單元脫離睡眠模式。電池溫度監(jiān)測單元用來監(jiān)測電池的溫度。此單元內(nèi)部包括兩個(gè)比較器，與電池內(nèi) 的熱敏電阻和芯片外的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)共同監(jiān)測電池溫度范圍的上限和下限。比如說，當(dāng)電 池溫度監(jiān)測管腳的電壓超過輸入電壓的80%或者低于輸入電壓的45%時(shí)，表示電池溫度 異常，溫度監(jiān)測單元通知控制電路停止充電，并作出相應(yīng)的狀態(tài)指示。在本發(fā)明中，采用電流調(diào)制放大器和電壓調(diào)制放大器分別對充電電流和充電電壓 進(jìn)行調(diào)制，在電池電壓低于4. 2V時(shí)電流調(diào)制放大器主導(dǎo)充電回路；在電池電壓達(dá)到4. 2V 時(shí)電壓調(diào)制放大器主導(dǎo)充電回路，其工作原理如圖2所示。在圖2中，Ml是P溝道MOS場 效應(yīng)晶體管，用作功率調(diào)整管(即功率晶體管)，充電電流通過此功率調(diào)整管從輸入電壓端 VIN流到電池端BAT，并由電阻Rl和電阻R2構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)，對電池電壓進(jìn)行采樣。電流調(diào) 制放大器lamp的功能是將對充電電流進(jìn)行采樣而反饋回來的信號IFB與電流基準(zhǔn)信號的 誤差進(jìn)行放大，放大后的信號用來調(diào)整功率調(diào)整管的導(dǎo)通，以穩(wěn)定充電電流。其中，對充電 電流進(jìn)行采樣是由充電電流檢測單元來實(shí)現(xiàn)的，該充電電流檢測單元在涓流充電階段和恒 流充電階段根據(jù)ISET管腳的電壓值實(shí)時(shí)檢測充電電流。電壓調(diào)制放大器Vamp的功能是將 反饋網(wǎng)絡(luò)輸出的信號與電壓基準(zhǔn)源的誤差進(jìn)行放大，放大后的信號用來調(diào)整功率調(diào)整管的 導(dǎo)通，以達(dá)到調(diào)制充電電壓的目的。芯片溫度調(diào)制放大器Tamp實(shí)時(shí)監(jiān)測芯片的結(jié)溫，當(dāng)芯片的結(jié)溫達(dá)到基準(zhǔn)溫度 115°C時(shí)，芯片溫度調(diào)制放大器Tamp的輸出控制功率調(diào)整管以減小充電電流，從而使芯片 溫度恒定在115°C，不再上升。本發(fā)明內(nèi)部集成有模擬_數(shù)字轉(zhuǎn)換器，能夠根據(jù)輸入電壓源的電流輸出能力自動(dòng) 調(diào)整充電電流，用戶不需要考慮最壞情況，可根據(jù)輸入電壓源的最大電流輸出能力設(shè)置充 電電流，最大限度地利用了輸入電壓源的電流輸出能力，非常適合利用太陽能電池等輸出 電流有限的電壓源供電的鋰電池充電應(yīng)用。其工作原理如圖3所示。圖中模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器采用8位逐次逼近型模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，這種比較器具有 轉(zhuǎn)換速度快，轉(zhuǎn)換精度高等優(yōu)點(diǎn)。在本發(fā)明中，模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器工作電壓范圍為4. 35V到 6V，轉(zhuǎn)換速度為12微秒，最大量化誤差為士 1/2LSB。該8位逐次逼近型模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器 用來實(shí)時(shí)監(jiān)測輸入電源電壓的電流輸出能力，當(dāng)輸入電壓在4. 35V到6V之間變化時(shí)，8位模 擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器輸出在最大值11111111和最小值00000000之間變化，通過控制開關(guān)使得 參考電流Iref在電流I和(1/256) 1之間變化，參考電流由下面的公式?jīng)Q定Iref = I_b0 X (1/256) I_bl X (1/128) I_b2 X (1/64) I_b3 X (1/32) I-b4X (1/16)I-b5X (1/8)I_b6X (1/4)I_b7X (1/2)I其中，b7，b6，b5，b4，b3，b2，bl和bO為8位模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸出。由于參考電流Iref同充電電流之間存在一定比例的對應(yīng)關(guān)系，所以通過模擬/數(shù) 字轉(zhuǎn)換器監(jiān)測輸入電源的輸出電流能力，達(dá)到了調(diào)整充電電流的目的。圖中信號Vref-VDD 為相對于電源端的基準(zhǔn)電壓，在本發(fā)明中，首先利用PN結(jié)帶隙基準(zhǔn)電壓的原理產(chǎn)生一個(gè)相 對于地(GND)的基準(zhǔn)電壓(2. 453V)，并利用此基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生(1/256) I、(1/128) I、(1/64) I、 (1/32)1、(1/16)1、(1/8)1、(1/4) I和(1/2) I共八個(gè)電流源，用來調(diào)整參考電流。從圖3 中可以看到，電流I是從電源端流出到Iref端，為了 生從電源端流出的電流I，我們首先將相對于地(GND)的基準(zhǔn)電壓(2. 453V)映射到相對于電源端VDD的2. 453V的基準(zhǔn)電壓， 再利用此相對于電源端VDD的基準(zhǔn)電壓生成從電源端流出的電流I。由于這種方案對基準(zhǔn) 電壓進(jìn)行映射，而不是映射電流，故可以通過電路設(shè)計(jì)、熔絲調(diào)整等技術(shù)很容易將基準(zhǔn)電壓 的映射精度控制在0. 5 %以內(nèi)，從而保證電流I的高精度。如圖1所示，本發(fā)明還設(shè)有與所述的控制單元相連的電源電壓檢測電路，當(dāng)電源 電壓低于電源電壓過低閾值時(shí)，芯片處于關(guān)段狀態(tài)，此時(shí)充電也被禁止。不難發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明通過芯片內(nèi)部的功率晶體管對電池進(jìn)行恒流和恒壓充電，具有 較小的工作電流，充電電流可以用外部電阻編程設(shè)定，不需要另加阻流二極管和電流檢測 電阻。本發(fā)明內(nèi)部集成有8位模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，能夠根據(jù)輸入電壓源的電流輸出能力 自動(dòng)調(diào)整充電電流，用戶不需要考慮最壞情況，可根據(jù)輸入電壓源的最大電流輸出能力設(shè) 置充電電流，最大限度地利用了輸入電壓源的電流輸出能力，非常適合利用太陽能電池等 輸出電流有限的電壓源供電的鋰電池充電應(yīng)用。
權(quán)利要求
一種可用太陽能供電的鋰電池充電管理芯片，包括功率晶體管、控制單元、電池溫度監(jiān)測單元、電流調(diào)制放大器、電壓調(diào)制放大器、芯片溫度調(diào)制放大器、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器和電流運(yùn)算單元，其特征在于，所述的電流調(diào)制放大器的正向輸入端與充電電流檢測單元相連，負(fù)向輸入端與基準(zhǔn)電流相連；所述的電壓調(diào)制放大器的正向輸入端與電池電壓反饋信號相連，負(fù)向輸入端與基準(zhǔn)電壓相連；所述的芯片溫度調(diào)制放大器的正向輸入端監(jiān)測所述的芯片的結(jié)溫，負(fù)向輸入端與基準(zhǔn)溫度相連；所述的電流調(diào)制放大器、電壓調(diào)制放大器和芯片溫度調(diào)制放大器的輸出端同時(shí)連接在所述的功率晶體管的控制端，充電電流通過所述的功率晶體管從輸入電壓端流到電池端；所述的控制單元與充電結(jié)束比較器、再充電比較器、電流運(yùn)算單元和電池溫度監(jiān)測單元相連；所述的控制單元根據(jù)與其相連的各個(gè)器件的輸出決定充電器的狀態(tài)；所述的電流運(yùn)算單元的輸入端與所述的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸出端相連，并對基準(zhǔn)電壓進(jìn)行映射；所述的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸入端與輸入電壓端相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可用太陽能供電的鋰電池充電管理芯片，其特征在于，所述 的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器為8位逐次逼近型模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可用太陽能供電的鋰電池充電管理芯片，其特征在于，所述 的管理芯片中還設(shè)有睡眠模式判斷單元；所述的睡眠模式判斷單元輸入端連有所述的輸入 電壓端和電池端，輸出端與所述的控制單元相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可用太陽能供電的鋰電池充電管理芯片，其特征在于，所述 的管理芯片的各個(gè)使能輸入端與芯片內(nèi)部的施密特觸發(fā)器相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可用太陽能供電的鋰電池充電管理芯片，其特征在于，所述 的功率晶體管為P溝道MOS場效應(yīng)晶體管。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可用太陽能供電的鋰電池充電管理芯片，其特征在于，所述 的基準(zhǔn)電壓由電壓基準(zhǔn)源模塊提供。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可用太陽能供電的鋰電池充電管理芯片，其特征在于，所述 的電池溫度監(jiān)測單元包括兩個(gè)比較器，并與電池內(nèi)的熱敏電阻和芯片外的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)共 同監(jiān)測電池溫度范圍的上限和下限。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一權(quán)利要求所述的可用太陽能供電的鋰電池充電管理芯 片，其特征在于，所述的管理芯片中還設(shè)有與所述的控制單元相連的電源電壓檢測電路。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可用太陽能供電的鋰電池充電管理芯片，包括功率晶體管、控制單元、電池溫度監(jiān)測單元、電流調(diào)制放大器、電壓調(diào)制放大器、芯片溫度調(diào)制放大器、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器和電流運(yùn)算單元。其中，模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路能夠根據(jù)輸入電壓源的電流輸出能力自動(dòng)調(diào)整充電電流，最大限度地利用了輸入電壓源的電流輸出能力，非常適合利用太陽能電池等輸出電流有限的電壓源供電的鋰電池充電應(yīng)用。
文檔編號H02J7/00GK101969212SQ201010216679
公開日2011年2月9日 申請日期2010年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月1日
發(fā)明者張為, 熊勇, 程莉莉, 紀(jì)虹, 趙建龍, 鄭殷 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所