【文章內(nèi)容簡介】 Windows為例，它是一個名為MicroSim Eval 。該軟件包主要包括Schematics、PSpice、Probe、Stmed（Stimulus Editor）、Parts、PSpice Optimizer等。Schematics是一個電路模擬器。它可以直接繪制電路原理圖，自動生成電路描述文件，或打開已有的文件，修改電路原理圖；可以對元件進(jìn)行修改和編輯；可以調(diào)用電路分析程序進(jìn)行分析，并可調(diào)用圖形后處理程序（Probe）觀察分析結(jié)果。即它是集PSpice、Probe、Stmed和PSpice Optimizer于一體，是一個功能強(qiáng)大的集成環(huán)境。PSpice是一個數(shù)據(jù)處理器。它可以對在Schematics中所繪制的電路進(jìn)行模擬分析，運(yùn)算出結(jié)果并自動生成輸出文件和數(shù)據(jù)文件。Probe是圖形后處理器，相當(dāng)于一個示波器。它可以將在PSpice運(yùn)算的結(jié)果在屏幕或打印設(shè)備上顯示出來。模擬結(jié)果還可以接受由基本參量組成的任意表達(dá)式。Stmed是產(chǎn)生信號源的工具。它在設(shè)定各種激勵信號時非常方便直觀，而且容易查對。Parts是對器件建模的工具。它可以半自動地將來自廠家的器件數(shù)據(jù)信息或用戶自定義的器件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為PSpice中所用的模擬數(shù)據(jù)，并提供它們之間的關(guān)系曲線及相互作用，確定元件的精確度。PSpice Optimizer是優(yōu)化設(shè)置工具。它可根據(jù)用戶指定的參數(shù)、性能指標(biāo)和全局函數(shù)，對電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。 Pspice的分析功能PSpice的分析功能主要體現(xiàn)在以下幾方面：直流分析（DC Sweep）、交流掃描分析（AC Sweep）、瞬態(tài)分析（Transient） 、蒙特卡羅分析（Monte Carlo）、最壞情況分析（Worst Case）、溫度特性分析（Temperature）和數(shù)字電路分析（Digital Setup）。分析鋰電池充電電路及保護(hù)電路不需要使用除了直流充電電壓、電流量外的其他參數(shù)量，所以使用直流分析（DC Sweep）就可以達(dá)到要求，一下對此詳細(xì)說明。非線性直流分析功能簡稱直流分析，它是計算直流電壓源或直流電流源作用于電路時電路的工作狀態(tài)。對電路進(jìn)行的直流分析主要包括直流工作點(diǎn)分析、直流掃描分析和轉(zhuǎn)移函數(shù)分析。直流工作點(diǎn)是電路正常工作的基礎(chǔ)。通過對電路進(jìn)行直流工作點(diǎn)的分析，可以知道電路中各元件的電壓和電流，從而知道電路是否正常工作以及工作的狀態(tài)。一般在對電路進(jìn)行仿真的過程中，首先要對電路的靜態(tài)工作點(diǎn)進(jìn)行分析和計算。直流掃描分析主要是將電路中的直流電源、工作溫度、元件參數(shù)作為掃描變量，讓這些參量以特定的規(guī)律進(jìn)行掃描，從而獲取這些參量變化對電路各種性能參數(shù)的影響。直流掃描分析主要是為了獲得直流大信號暫態(tài)特性。 使用Pspice建立仿真模型在本畢業(yè)設(shè)計中，除了需要使用Pspice中的Schematics對電路進(jìn)行分析仿真之外，還需要對鋰電池電源管理芯片進(jìn)行建立仿真模型。簡單來說其方法原理就是利用Schematics繪制出芯片的電路進(jìn)行封裝。具體方法為：首先要知道芯片的功能，并且分析清楚芯片功能實現(xiàn)的原理，尤其是其內(nèi)部的各個模塊的結(jié)構(gòu)。確定仿真模型實現(xiàn)的大體思路，對于器件手冊里沒有提及的內(nèi)部模塊或是某些功能的實現(xiàn)方法，需要進(jìn)行等效。將確定好的方案在Pspice中用已有的器件模型或是宏模型繪制出電路圖，然后進(jìn)行封裝（對于測試電路或是仿真電路不復(fù)雜的可以直接用器件的模型電路緊系仿真而不需要封裝）。繪制出芯片的基本功能測試電路，然后進(jìn)行仿真。通過仿真結(jié)果對電路進(jìn)行修改，并根據(jù)器件手冊的說明給有延遲的部分加入延遲模塊。將修改后的模型電路再次封裝，至此器件模型制作完成。 實現(xiàn)方案的選擇 方案介紹根據(jù)設(shè)計要求與題目的設(shè)計目的，可以確定出三種可以實現(xiàn)的方案來制作鋰電池保護(hù)電路。方案一：使用分立元件制作使用分立元件的話，由于可以根據(jù)設(shè)計的要求自由的選擇參數(shù)合適的器件，增大了制作電路的可選擇余地。電路的個保護(hù)部分的實現(xiàn)方法是：使用三極管制作過充、過放的電壓檢測電路，并用其輸出控制開關(guān)MOS管；過流保護(hù)用一個保險管實現(xiàn)；過流保護(hù)用MOS管配合高耐壓電阻實現(xiàn)；用分立元件做電量平衡保護(hù)比較困難，電路也很復(fù)雜，所以使用MOS管配合放電電阻來實現(xiàn)。方案二：使用FPGA做控制核心實現(xiàn)使用FPGA的話，就可以很容易的實現(xiàn)各種保護(hù)控制了。只需要分別用程序制作出過充、過放、電量平衡檢測模塊，分別檢測電壓值，再由輸出控制端控制MOS管就可以了；過流保護(hù)依然可以使用保險管；過流保護(hù)可以用一個電阻將電流值轉(zhuǎn)化為電壓值進(jìn)行測量，所用的方法與過充、過放、電量平衡檢測模塊相似。方案三：使用電源管理芯片制作現(xiàn)在可以使用的可以作為鋰電池充電保護(hù)電路的電源管理芯片比較多，但大多都較低檔，較好的有日本理光公司的R5421系列、日本MITSUMI的MM3061系列、臺灣富晶的FS312和FS313系列以及日本精工的S8209系列等，其中又以精工的S8209可擴(kuò)展性能最是良好，所以選擇其為里電池保護(hù)電路的檢測管理芯片。S8209本身就具備了過充、過放、電量平衡的檢測和保護(hù)功能，只要外接少量的元件就可實現(xiàn)其功能；過流保護(hù)的實現(xiàn)方法如方案一所述，使用MOS管配合高耐壓電阻實現(xiàn)；短路保護(hù)仍然使用保險管。 方案的對比與選擇三種方案無疑都可以實現(xiàn)設(shè)計要求的大體功能，但是在精度、成本、集成度上還是有較大差異的，所以要方案的選擇要擇優(yōu)而定。 三種方案的性能對比方案精度成本集成度方案一低低一般方案二一般很高較高（視成本而定）方案三高較低高方案一的精度低是由于分立元件本身參數(shù)值不精準(zhǔn)以及三極管和二極管的結(jié)電壓具有較大誤差，而且大量的使用三極管和二極管在導(dǎo)通時造成的延遲也較高，所以其精度明顯低于其他方案；但是分立元件的成本低廉是其突出的優(yōu)點(diǎn)，所有所需元件總共的價錢不超過4元，而且這些分立元件的穩(wěn)定性還是較高的；如果不使用貼片元件的話，其體積是相當(dāng)龐大的，由于使用大量三極管制作電壓檢測電路，即便是使用貼片元件也不能將其體積減小至放入普通手機(jī)電池中，所以適用性將大打折扣。方案二使用FPGA做控制核心，實現(xiàn)容易，電壓的檢測精度也可以做到很精準(zhǔn)，但是其產(chǎn)生的延遲將使觸發(fā)時長增大，導(dǎo)致保護(hù)功能啟動滯后；而其使用的FPGA芯片和AD模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的成本是相當(dāng)高的，而且集成度越高價格越高，若要做到保護(hù)電路的體積極小（1cm178。左右），那么它的價格可達(dá)萬元以上，顯然用這么高的成本制作鋰電池保護(hù)電路是不現(xiàn)實的，即便是用體積較大的FPGA芯片，成本也有數(shù)百元。方案三使用的是高精度的集成電源管理芯片，精度在50mv以下，所以精度方面是很有保證的；至于成本，這款芯片作為工業(yè)用芯片，產(chǎn)量較大以致價格并不很高一般零售5元/片，成批購買則更便宜；若使用貼片元件組成其外接電路，其大小可以做到5cm178。，保證了較高的集成度。、成本、集成度上的對比。其實在設(shè)計要求中并沒有對保護(hù)電路的體積做出明確的要求，但是考慮到本保護(hù)電路的一項實用意義是作為鋰電池保護(hù)電路的可擴(kuò)展開發(fā)電路，所以想辦法使電路的體積盡量減小可以更好的拓寬在此電路基礎(chǔ)上開發(fā)的電路的適用范圍。成本在設(shè)計要求中也沒有做出要求，但考慮到其實際應(yīng)用的價值，所以降低成本更有利于此電路的工業(yè)需求。綜合上述的介紹，方案三比之其他兩方案有明顯優(yōu)勢，故選其作為最終方案。 方案存在的問題鋰電池保護(hù)電路最終的實現(xiàn)方案是用S8209電源管理芯片，但這個設(shè)計方案的設(shè)計以及實施中還是存在一定的問題的。首先，根據(jù)S8209的典型應(yīng)用電路，要實現(xiàn)1～8串鋰電池組的保護(hù)需要使用大量的單刀單擲及單刀雙擲開關(guān)。這些開關(guān)器件的使用會使電路的整體體積變大，并且由于開關(guān)需要組合使用，所以也使得保護(hù)電路的操作變得較為復(fù)雜。其次是由于成本問題，無法使用貼片元件制作，只有廉價的直插元件可以使用，這也使得電路的體積加大。并且由于芯片的封裝是TSSOP8，所以芯片與外接元件需要焊接到兩塊不同的電路板上，且需要使用插線連接兩個部分，這樣會使電路的連線增多，既令電路體積增大又使布局顯得凌亂。以上這些問題都使得電路的整體體積無法達(dá)到所預(yù)想的水平，不能充分發(fā)揮出此貼片式芯片的特點(diǎn)。但在精度上基本是不存在問題的，S8209的閥值精度足夠達(dá)到設(shè)計參數(shù)要求。解決上述存在的問題的方法是繪出、制作PCB電路板并使用貼片元件焊制電路，通過這些可以使得電路更小巧、簡潔。3 設(shè)計實現(xiàn) 原理分析 整體實現(xiàn)原理本畢業(yè)設(shè)計的鋰電池保護(hù)電路包括了過充、過放、過流、短路、電量平衡保護(hù)功能，在設(shè)計的時候也是將整體電路分為了相應(yīng)的5部分模塊作為電路整體的實現(xiàn)方法。 整體功能原理框圖。充電器及電池是電路的外接部分，不歸屬于此鋰電池保護(hù)電路系統(tǒng)之內(nèi)。此保護(hù)電路的系統(tǒng)組成包括了電流檢測部分、短路保護(hù)部分、電壓檢測部分、電量平衡檢測部分以及開關(guān)管控制電路，其中各檢測部分是電路的核心控制端，而開關(guān)管部分則是電路的具體實施端，其作為連接著充放電電路與控制系統(tǒng)的橋梁。其中電壓檢測部分包含了過充電壓檢測和過放電壓檢測的功能，且過流保護(hù)的實現(xiàn)需要電流檢測和短路保護(hù)部分的功能組合使用。 各部分功能的實現(xiàn)方法本節(jié)將對上節(jié)所述的電路系統(tǒng)按各個功能模塊作出詳細(xì)的介紹，以說明各部分實現(xiàn)的原理機(jī)制。電壓檢測部分和電量平衡檢測部分都可由S8209來實現(xiàn)，S8209本身就包括了過充保護(hù)、過放保護(hù)和電量平衡保護(hù)的功能。、。短路保護(hù)部分的實現(xiàn)方法簡單可靠，使用一個保險管即可。根據(jù)設(shè)計要求選用額定電流為10A的快速保險管，保證其熔斷時間為100ms左右。當(dāng)電路正常導(dǎo)通時，保險管無明顯變化，表現(xiàn)為導(dǎo)線；出現(xiàn)短路情況時，保險管發(fā)光，表現(xiàn)為斷開。 過流保護(hù)部分原理圖過流保護(hù)功能是由電流檢測部分與短路保護(hù)部分（即保險管）共同作用來實現(xiàn)的。電路中的MOS管采用P溝道增強(qiáng)型管，保險管與短路保護(hù)所用的保險管為同一個。在MOS管的柵極g與源極s之間接一個阻值為2Ω的大功率金屬模電阻，組成了電流檢測部分；漏極d接保險管，以實現(xiàn)過流保護(hù)功能，過流保護(hù)的電流閥值為1A。當(dāng)電流值不過大時，MOS管不導(dǎo)通，輸入量流過2Ω電阻，電路正常工作；當(dāng)電流值到達(dá)1A時，電阻兩端的電壓值為2v，即MOS管柵源極電壓VGS到達(dá)2v開啟電壓，此時MOS管導(dǎo)通，電流將跨過負(fù)載通過源漏極流向回路，這時的回路電流會因阻抗過小而導(dǎo)致電流急劇增大，造成短路現(xiàn)象，保險管此時啟動將電路斷開；當(dāng)電流值超過1A時，過流保護(hù)功能依舊如上述過程實現(xiàn)。 開關(guān)管控制部分原理圖開關(guān)管控制部分所用的MOS管為N溝道增強(qiáng)型管，用來執(zhí)行電壓檢測及電量平衡檢測部分發(fā)出的控制信號。，控制端與S8209的功能控制端子CO、DO、CB相連接，圖中的二極管作用為保護(hù)MOS管，防止其被擊穿。當(dāng)柵源極電壓VGS大于2v時，MOS管導(dǎo)通，源極漏極之間呈現(xiàn)導(dǎo)通特性；VGS小于2v時，MOS管截止，電路斷開。其在電路中的具體工作方式在分析S8209的典型電路時介紹。 S8209的性能指標(biāo)S8209系列鋰電池保護(hù)芯片根據(jù)實際應(yīng)用的需要，以鋰電池具體型號的不同又細(xì)分為很多的具體型號，根據(jù)其型號的尾綴判斷區(qū)別。參照設(shè)計要求的功能參數(shù)，在此系列芯片中選用S8209AADT8T1S型芯片，故在本論文中所提及的S8209芯片都可認(rèn)為是S8209AADT8T1S型。此芯片的封裝為TSSOP8形式，其封裝尺寸、。 S8209AADT8T1S性能參數(shù)過充電檢測過充開啟電壓過充解除電壓觸發(fā)精度177。25mv過放電檢測過放開啟電壓過放解除電壓觸發(fā)精度177。50mv電量平衡檢測電量平衡開啟電壓電量平衡解除電壓觸發(fā)精度177。50mv S8209管腳描述管腳號描述符號描述說明1CTLC充電控制端子2CTLD放電控制端子3VDD電池正極端子4CDT延遲電容連接端子5VSS電池負(fù)極端子6DO過放電保護(hù)輸出控制端子7CO過充電保護(hù)輸出控制端子8CB電量平衡保護(hù)輸出控制端子由此可見，S8209芯片的參數(shù)指標(biāo)完全達(dá)到設(shè)計要求，精度更大幅度優(yōu)于設(shè)計要求。為了保證芯片的使用安全，還需要知道芯片的工作環(huán)境、電壓電流的額定值。 S8209的絕對最大額定值項目記號適用端子絕對最大額定值單位VDDVSS間輸入電壓VDSVDDVSS－ ～ VSS+12VCB輸出電壓VCBCBVSS－ ～ VDD+VCDT端子電壓VCDTCDTVSS－ ～ VDD+VDO輸出端子電壓VDODOVSS－ ～ VSS+24VCO輸出端子電壓VCOCOVSS－ ～ VSS+24VCTLC輸入端子電壓VCTLCCTLCVDD－24 ～ VDD+VCTLD輸入端子電壓VCTLDCTLDVDD－24 ～ VDD+V最大允許功耗PD—700mW工作環(huán)境溫度Topr—－40 ～ +85℃保存溫度Tstg—－55 ～ +125℃ S8209功能原理分析前面的章節(jié)中已經(jīng)簡單介紹了S8209的功能，在本節(jié)中將對其功能及實現(xiàn)原理做出詳細(xì)的說明。S8209芯片正常工作時，CTLC、CTLD端子接入低電平，CDT外接電容，電容另一端接電池負(fù)極。，CB端子輸出高電平；，CB端子輸出低電平。，CO端子輸出高阻態(tài)；，CO端子輸出低電平。，DO端子輸出高阻態(tài)；，DO端子輸出低電平。當(dāng)CTLC、CTLD端子輸入高電平的時候，芯片停止工作，CO、DO端子都輸出高阻態(tài)。 S8209內(nèi)部原理框圖，過充電檢測、過放電檢測、電量平衡檢測部分的實現(xiàn)原理是基本相同的，都使用了比較器，即檢測電壓與控制動作閥值電壓做比較，從而決定輸