一種用于ups上的電源管理芯片的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種用于UPS上的電源管理芯片，屬于高性能智能UPS電池組控制芯片及系統(tǒng)領(lǐng)域，可以廣泛應(yīng)用于筆記本電腦、攝像機(jī)，IPAD，DVD，智能手機(jī)等便攜式消費(fèi)電子設(shè)備中，包括模擬及數(shù)字電路、模擬高壓線性穩(wěn)壓器LDO17、模擬低壓線性穩(wěn)壓器LDO3.3、模擬微電流采樣電路CurrentSample、模擬選擇器MUX、模擬外圍開關(guān)MOS管驅(qū)動(dòng)電路FETDriver、SPI接口數(shù)字電路SPIModule、模擬時(shí)鐘振蕩器OSC、電池平衡電路CellBalance。該芯片支持單節(jié)，2節(jié)、3節(jié)至16節(jié)鋰離子電池的級聯(lián)應(yīng)用，對鋰離子電池的充電和放電過程進(jìn)行全自動(dòng)和高安全性的過壓、過流及過熱保護(hù)，并且可實(shí)時(shí)記錄鋰離子電池在使用過程中電壓、電流以及剩余電量的變化。
【專利說明】—種用于UPS上的電源管理芯片
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及UPS (Uninterruptible Power Supply)電源管理的芯片應(yīng)用?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]本發(fā)明屬于高性能智能UPS電池組控制芯片及系統(tǒng)領(lǐng)域，可以廣泛應(yīng)用于筆記本電腦、攝像機(jī)，IPAD，DVD，智能手機(jī)等便攜式消費(fèi)電子設(shè)備中，該芯片支持單節(jié)，2節(jié)、3節(jié)至16節(jié)鋰離子電池的級聯(lián)應(yīng)用，對鋰離子電池的充電和放電過程進(jìn)行全自動(dòng)和高安全性的過壓、過流及過熱保護(hù)，并且可實(shí)時(shí)記錄鋰離子電池在使用過程中電壓、電流以及剩余電量的變化。隨著信息化社會的不斷發(fā)展，鋰離子電池也將在通信、汽車電子、儀器儀表、航空航天、海洋探索等各個(gè)領(lǐng)域得到更深層次的開發(fā)和應(yīng)用。在航天事業(yè)中，鋰離子電池可以同太陽能電池聯(lián)合組成供電電源，這個(gè)電源從小型化、輕量化角度將比鎳氫電池或鋅銀電池組成的聯(lián)合供電電源優(yōu)越得多，國內(nèi)外很多小衛(wèi)星已經(jīng)開始使用鋰離子電池組作為蓄電池。還有一些軍事裝備中的電源，包括動(dòng)力車啟動(dòng)電池、無線通訊電臺電源、特種兵器電源、微型無人駕駛偵察飛機(jī)動(dòng)力電源、帶引信裝置的預(yù)埋式地雷電源等，均可采用鋰離子電池作為電源。因此，電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，特別是鋰離子電池組管理芯片的應(yīng)用開發(fā)具有非常好的前景。[0003]國內(nèi)外市場上雖然相繼出現(xiàn)了各種各樣鋰離子電池的智能化管理芯片，但主要都是集中在單級電池的管理研究上，對電池組的研究還不成熟，而實(shí)際應(yīng)用中，在很多情況下，電池都需要串連起來使用，這樣單級電池的智能化管理系統(tǒng)對于電池組來說就無法滿足要求。同時(shí)，鋰離子電池對過充電和過放電十分敏感，這些問題對于多個(gè)鋰離子電池串聯(lián)使用則變得更為重要，因?yàn)楫?dāng)串聯(lián)使用時(shí)，即使單節(jié)電池的性能再優(yōu)良、質(zhì)量再好，若配組使用時(shí)各單體電池特性不一致，都會導(dǎo)致電池組內(nèi)部各單體電池充電和放電情況的嚴(yán)重不一致，就內(nèi)部單體電池而言，串聯(lián)使用比單只使用更容易發(fā)生過充和過放現(xiàn)象，且不易發(fā)現(xiàn)。因此，如果不對電池組實(shí)現(xiàn)智能化管理，則很容易出現(xiàn)當(dāng)任意一只電池特性加劇惡化時(shí)，將導(dǎo)致電池組內(nèi)其它電池發(fā)生多米諾骨牌效應(yīng)的連鎖反應(yīng)、加劇性損壞，使差的更差，好的也會迅速變差。為解決上述問題，比較常用的方法是:在制造工藝上保證各只電池出廠質(zhì)量和初始電壓的一致性；將單體電池精選配對，組合成優(yōu)質(zhì)的電池組，最大限度地減小單體電池之間的差異。這些方案雖然在一定程度上能夠優(yōu)化電池組的性能，但降低了電池制造廠家的成品率，增加了成本，而且就算電池組是精選配對的，特性都相同，隨著使用其特性也會產(chǎn)生變化，變的不一致。為了解決這一問題，一些智能電池開發(fā)者給鋰電池組管理系統(tǒng)配上了專用的均衡系統(tǒng)，利用均衡裝置使鋰電池組在使用中基本保持各單體電池之間電量的平衡，在充放電過程中能夠有效防止某只電池率先達(dá)到過充放電的現(xiàn)象。但是，這種專用的均衡裝置通常電路非常龐大，大大增加了整體系統(tǒng)電路的復(fù)雜性，且大多數(shù)均衡裝置不易集成。因而研發(fā)一種易于集成的管理系統(tǒng)對鋰電池組實(shí)現(xiàn)智能化管理成為一種必要。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本實(shí)用新型提供一款高性能的智能UPS電池控制芯片，包括模擬及數(shù)字電路、模擬高壓線性穩(wěn)壓器LD017、模擬低壓線性穩(wěn)壓器LD03.3、模擬微電流采樣電路CurrentSample、模擬選擇器MUX、模擬外圍開關(guān)MOS管驅(qū)動(dòng)電路FET Driver、SPI接口數(shù)字電路SPIModule、模擬時(shí)鐘振蕩器0SC、電池平衡電路Cell Balance ;其中，SPI接口數(shù)字電路SPIModule分別與模擬外圍開關(guān)MOS管驅(qū)動(dòng)電路FET Driver、模擬微電流采樣電路CurrentSample、模擬選擇器MUX和電池平衡電路Cell Balance連接；模擬選擇器MUX還與模擬微電流采樣電路Current Sample連接，并且，模擬選擇器MUX、模擬高壓線性穩(wěn)壓器LD017和模擬低壓線性穩(wěn)壓器LD03.3分別與外部的16節(jié)級聯(lián)電池Cell輸入端連接，電池平衡電路Cell Balance分別與外部的16節(jié)級聯(lián)電池Cell輸出端連接；SPI接口數(shù)字電路SPIModule內(nèi)嵌模擬時(shí)鐘振蕩器0SC。
[0005]本實(shí)用新型將廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)，IPAD，筆記本電腦、攝像機(jī)等便攜式消費(fèi)電子設(shè)備中，同時(shí)可用于辦公場所UPS備用電源控制器，預(yù)防在外部電源突然消失時(shí)，可起到備用電源的功能，從而保證系統(tǒng)軟件不至于損失信息，系統(tǒng)硬件不被損傷。該芯片支持單節(jié)，2節(jié)、3節(jié)直到16節(jié)鋰離子電池的級聯(lián)應(yīng)用，對鋰離子電池的充電和放電過程進(jìn)行全自動(dòng)和高安全性的過壓、過流及過熱保護(hù)，并且可實(shí)時(shí)記錄鋰離子電池在使用過程中電壓、電流以及剩余電量的變化。另外，該智能電池組管理芯片還可以對級聯(lián)電池組中每節(jié)鋰離子電池的充放電電流進(jìn)行全自動(dòng)調(diào)節(jié)，保證每節(jié)鋰離子電池的電量平衡。因此，該智能電池組管理芯片有效的提高了鋰離子電池組的使用安全性，同時(shí)也延長了鋰離子電池組的使用壽命，符合國家推行的環(huán)保節(jié)能的基本政策，該項(xiàng)目的開展對提升我國在集成電路行業(yè)的設(shè)計(jì)水平，縮小與國際先進(jìn)水平的差距有重要意義。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]圖1是本實(shí)用新型的系統(tǒng)原理應(yīng)用框圖。
[0007]圖2是芯片電路原理框圖。
[0008]圖3模擬電路偏置電流設(shè)計(jì)圖。
[0009]圖4模擬電路帶隙電壓原理圖。
[0010]圖5參考電壓設(shè)計(jì)原理圖。
[0011]圖6模擬LDO低電壓電壓設(shè)計(jì)原理圖。
[0012]圖7模擬LDO高電壓電壓設(shè)計(jì)原理圖。
[0013]圖8模擬時(shí)鐘振蕩器設(shè)計(jì)原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]在圖1中，單一芯片可以單獨(dú)管理16節(jié)電池，多個(gè)芯片通過級聯(lián)方式可以對超過16節(jié)電池進(jìn)行管理，包括對電壓的監(jiān)控以及電流的測量。整個(gè)系統(tǒng)外圍元器件很少。
[0015]圖2是芯片內(nèi)部原理圖。它是由高壓線性穩(wěn)壓器LD017，低壓線性穩(wěn)壓器，采樣電流電路Current Sample,時(shí)鐘振蕩器0SC,電池充放電平衡電路Cell Blance,數(shù)字電路SPI，16選一模擬選擇器組成MUX[4:1]組成。LD017設(shè)計(jì)中必須的中間電平，通過16竄電池產(chǎn)生的約70V電壓生成17V穩(wěn)壓源，提供給模擬電路使用，并由此產(chǎn)生3V電壓供給數(shù)字電路SPI使用。電流采樣電路能夠探測到IuA的電流。OSC是時(shí)鐘信號，產(chǎn)生內(nèi)部使用的時(shí)鐘信號。模擬選擇電路可以輸出每節(jié)電池電壓差。
[0016]其中，是直接在芯片上設(shè)計(jì)使用模擬高壓及低壓穩(wěn)壓器，用于從16節(jié)高壓電源產(chǎn)生出17V和3V穩(wěn)定電源供芯片內(nèi)模擬及數(shù)字供電電源。
[0017]以及是直接在芯片里設(shè)計(jì)使用了模擬微電流采樣電路結(jié)構(gòu)，可以對外來的UA級電流采樣。
[0018]其特征是直接在芯片上設(shè)計(jì)使用了模擬選擇器，可以單獨(dú)選擇任何一節(jié)電池兩端的電壓，并輸出其值。
[0019]以及是直接在芯片上設(shè)計(jì)使用了模擬外圍開關(guān)MOS管驅(qū)動(dòng)電路，這個(gè)開關(guān)直接用于外圍大功率MOS的控制，使得系統(tǒng)處于安全工作狀態(tài)。
[0020]以及是直接在芯片上設(shè)計(jì)使用了 SPI數(shù)字接口電路，通過軟件，可以對芯片內(nèi)部寄存器編程，并可改變其狀態(tài)。
[0021]以及是直接在芯片上設(shè)計(jì)使用了嵌入式模擬時(shí)鐘振蕩器，提供芯片所需的時(shí)鐘信號。
[0022]以及是直接在芯片上設(shè)計(jì)使用了電池平衡電路，保證了 16竄電池中每節(jié)電池具有相同的充放電狀態(tài)，極大的延長了電池的使用壽命。
[0023]圖3是模擬基準(zhǔn)偏置電流電路，他提供所有的基準(zhǔn)電壓給其他模擬電路使用。具有低功耗的特點(diǎn)，總電流小于4uA。
[0024]圖4是帶隙基準(zhǔn)電路，通過寄生三極管及負(fù)反饋電路產(chǎn)生穩(wěn)定的1.2V電壓，整體功耗小于500pA。
[0025]圖5是參考電壓的設(shè)計(jì)。通過一個(gè)線性放大器，輸出所需的基準(zhǔn)電壓。本電路需要輸出0.8V, 1.0V, 2.0V基準(zhǔn)電壓。
[0026]圖6，圖7是線性穩(wěn)壓器穩(wěn)定輸出17V，功耗小于28uA和3V電壓，功耗小于18uA。
[0027]圖8是振蕩器電路。振蕩器周期IMhz，功耗大約58uA，時(shí)鐘精度小于1%。
【權(quán)利要求】
1.一種用于UPS上的電源管理芯片，其特征是:包括模擬及數(shù)字電路、模擬高壓線性穩(wěn)壓器LD017、模擬低壓線性穩(wěn)壓器LD03.3、模擬微電流采樣電路Current Sample、模擬選擇器MUX、模擬外圍開關(guān)MOS管驅(qū)動(dòng)電路FET Driver、SPI接口數(shù)字電路SPI Module、模擬時(shí)鐘振蕩器0SC、電池平衡電路Cell Balance ； 其中，SPI接口數(shù)字電路SPI Module分別與模擬外圍開關(guān)MOS管驅(qū)動(dòng)電路FET Driver、模擬微電流采樣電路Current Sample、模擬選擇器MUX和電池平衡電路Cell Balance連接； 模擬選擇器MUX還與模擬微電流采樣電路Current Sample連接，并且,模擬選擇器MUX、模擬高壓線性穩(wěn)壓器LD017和模擬低壓線性穩(wěn)壓器LD03.3分別與外部的16節(jié)級聯(lián)電池Cell輸入端連接，電池平衡電路Cell Balance分別與外部的16節(jié)級聯(lián)電池Cell輸出端連接； SPI接口數(shù)字電路SPI Module內(nèi)嵌模擬時(shí)鐘振蕩器0SC。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源管理芯片，其特征是直接在芯片上設(shè)計(jì)使用模擬高壓及低壓穩(wěn)壓器，用于從16節(jié)高壓電源產(chǎn)生出17V和3V穩(wěn)定電源供芯片內(nèi)模擬及數(shù)字供電電源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源管理芯片，其特征是直接在芯片里設(shè)計(jì)使用了模擬微電流采樣電路結(jié)構(gòu)，可以對外來的uA級電流采樣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源管理芯片，其特征是直接在芯片上設(shè)計(jì)使用了模擬選擇器，可以單獨(dú)選擇任何一節(jié)電池兩端的電壓，并輸出其值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源管理芯片，其特征是直接在芯片上設(shè)計(jì)使用了模擬外圍開關(guān)MOS管驅(qū)動(dòng)電路，這個(gè)開關(guān)直接用于外圍大功率MOS的控制，使得系統(tǒng)處于安全工作狀態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源管理芯片，其特征是直接在芯片上設(shè)計(jì)使用了SPI數(shù)字接口電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源管理芯片，其特征是直接在芯片上設(shè)計(jì)使用了嵌入式模擬時(shí)鐘振蕩器，提供芯片所需的時(shí)鐘信號。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電源管理芯片，其特征是直接在芯片上設(shè)計(jì)使用了電池平衡電路，保證了 16竄電池中每節(jié)電池具有相同的充放電狀態(tài)，極大的延長了電池的使用壽命O
【文檔編號】H02J7/00GK203707816SQ201320816541
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2013年12月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月13日
【發(fā)明者】林豐成, 陳力生, 孫化 申請人:深圳市質(zhì)能達(dá)微電子科技有限公司