【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 Windows為例，它是一個(gè)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(gè)電路模擬器。它可以直接繪制電路原理圖，自動(dòng)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(duì)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(gè)功能強(qiáng)大的集成環(huán)境。PSpice是一個(gè)數(shù)據(jù)處理器。它可以對(duì)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(dòng)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(gè)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(lái)。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(hào)源的工具。它在設(shè)定各種激勵(lì)信號(hào)時(shí)非常方便直觀，而且容易查對(duì)。Parts是對(duì)器件建模的工具。它可以半自動(dòng)地將來(lái)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(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 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(duì)此詳細(xì)說(shuō)明。非線性直流分析功能簡(jiǎn)稱直流分析，它是計(jì)算直流電壓源或直流電流源作用于電路時(shí)電路的工作狀態(tài)。對(duì)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(guò)對(duì)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(duì)電路進(jìn)行仿真的過(guò)程中，首先要對(duì)電路的靜態(tài)工作點(diǎn)進(jìn)行分析和計(jì)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(duì)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(hào)暫態(tài)特性。 使用Pspice建立仿真模型在本畢業(yè)設(shè)計(jì)中，除了需要使用Pspice中的Schematics對(duì)電路進(jìn)行分析仿真之外，還需要對(duì)鋰電池電源管理芯片進(jìn)行建立仿真模型。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)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(shí)現(xiàn)的原理，尤其是其內(nèi)部的各個(gè)模塊的結(jié)構(gòu)。確定仿真模型實(shí)現(xiàn)的大體思路，對(duì)于器件手冊(cè)里沒有提及的內(nèi)部模塊或是某些功能的實(shí)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(duì)于測(cè)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(cè)試電路，然后進(jìn)行仿真。通過(guò)仿真結(jié)果對(duì)電路進(jìn)行修改，并根據(jù)器件手冊(cè)的說(shuō)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(shí)現(xiàn)方案的選擇 方案介紹根據(jù)設(shè)計(jì)要求與題目的設(shè)計(jì)目的，可以確定出三種可以實(shí)現(xiàn)的方案來(lái)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(jì)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(gè)保護(hù)部分的實(shí)現(xiàn)方法是：使用三極管制作過(guò)充、過(guò)放的電壓檢測(cè)電路，并用其輸出控制開關(guān)MOS管；過(guò)流保護(hù)用一個(gè)保險(xiǎn)管實(shí)現(xiàn)；過(guò)流保護(hù)用MOS管配合高耐壓電阻實(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)。方案二：使用FPGA做控制核心實(shí)現(xiàn)使用FPGA的話，就可以很容易的實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)控制了。只需要分別用程序制作出過(guò)充、過(guò)放、電量平衡檢測(cè)模塊，分別檢測(cè)電壓值，再由輸出控制端控制MOS管就可以了；過(guò)流保護(hù)依然可以使用保險(xiǎn)管；過(guò)流保護(hù)可以用一個(gè)電阻將電流值轉(zhuǎn)化為電壓值進(jìn)行測(cè)量，所用的方法與過(guò)充、過(guò)放、電量平衡檢測(cè)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(tái)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(cè)管理芯片。S8209本身就具備了過(guò)充、過(guò)放、電量平衡的檢測(cè)和保護(hù)功能，只要外接少量的元件就可實(shí)現(xiàn)其功能；過(guò)流保護(hù)的實(shí)現(xiàn)方法如方案一所述，使用MOS管配合高耐壓電阻實(shí)現(xiàn)；短路保護(hù)仍然使用保險(xiǎn)管。 方案的對(duì)比與選擇三種方案無(wú)疑都可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)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(duì)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(shí)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(jià)錢不超過(guò)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(cè)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(shí)現(xiàn)容易，電壓的檢測(cè)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(shí)長(zhǎng)增大，導(dǎo)致保護(hù)功能啟動(dòng)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(jià)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(jià)格可達(dá)萬(wàn)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(shí)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(jià)格并不很高一般零售5元/片，成批購(gòu)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(duì)比。其實(shí)在設(shè)計(jì)要求中并沒有對(duì)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(xiàng)實(shí)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(jì)要求中也沒有做出要求，但考慮到其實(shí)際應(yīng)用的價(jià)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(shì)，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(shí)現(xiàn)方案是用S8209電源管理芯片，但這個(gè)設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)以及實(shí)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(shí)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(huì)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(wú)法使用貼片元件制作，只有廉價(jià)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(gè)部分，這樣會(huì)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(wú)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(jì)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(guò)這些可以使得電路更小巧、簡(jiǎn)潔。3 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 原理分析 整體實(shí)現(xiàn)原理本畢業(yè)設(shè)計(jì)的鋰電池保護(hù)電路包括了過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流、短路、電量平衡保護(hù)功能，在設(shè)計(jì)的時(shí)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(shí)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(cè)部分、短路保護(hù)部分、電壓檢測(cè)部分、電量平衡檢測(cè)部分以及開關(guān)管控制電路，其中各檢測(cè)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(shí)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(cè)部分包含了過(guò)充電壓檢測(cè)和過(guò)放電壓檢測(cè)的功能，且過(guò)流保護(hù)的實(shí)現(xiàn)需要電流檢測(cè)和短路保護(hù)部分的功能組合使用。 各部分功能的實(shí)現(xiàn)方法本節(jié)將對(duì)上節(jié)所述的電路系統(tǒng)按各個(gè)功能模塊作出詳細(xì)的介紹，以說(shuō)明各部分實(shí)現(xiàn)的原理機(jī)制。電壓檢測(cè)部分和電量平衡檢測(cè)部分都可由S8209來(lái)實(shí)現(xiàn)，S8209本身就包括了過(guò)充保護(hù)、過(guò)放保護(hù)和電量平衡保護(hù)的功能。、。短路保護(hù)部分的實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單可靠，使用一個(gè)保險(xiǎn)管即可。根據(jù)設(shè)計(jì)要求選用額定電流為10A的快速保險(xiǎn)管，保證其熔斷時(shí)間為100ms左右。當(dāng)電路正常導(dǎo)通時(shí)，保險(xiǎn)管無(wú)明顯變化，表現(xiàn)為導(dǎo)線；出現(xiàn)短路情況時(shí)，保險(xiǎn)管發(fā)光，表現(xiàn)為斷開。 過(guò)流保護(hù)部分原理圖過(guò)流保護(hù)功能是由電流檢測(cè)部分與短路保護(hù)部分（即保險(xiǎn)管）共同作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。電路中的MOS管采用P溝道增強(qiáng)型管，保險(xiǎn)管與短路保護(hù)所用的保險(xiǎn)管為同一個(gè)。在MOS管的柵極g與源極s之間接一個(gè)阻值為2Ω的大功率金屬模電阻，組成了電流檢測(cè)部分；漏極d接保險(xiǎn)管，以實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)功能，過(guò)流保護(hù)的電流閥值為1A。當(dāng)電流值不過(guò)大時(shí)，MOS管不導(dǎo)通，輸入量流過(guò)2Ω電阻，電路正常工作；當(dāng)電流值到達(dá)1A時(shí)，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(shí)MOS管導(dǎo)通，電流將跨過(guò)負(fù)載通過(guò)源漏極流向回路，這時(shí)的回路電流會(huì)因阻抗過(guò)小而導(dǎo)致電流急劇增大，造成短路現(xiàn)象，保險(xiǎn)管此時(shí)啟動(dòng)將電路斷開；當(dāng)電流值超過(guò)1A時(shí)，過(guò)流保護(hù)功能依舊如上述過(guò)程實(shí)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(lái)執(zhí)行電壓檢測(cè)及電量平衡檢測(cè)部分發(fā)出的控制信號(hào)。，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(shí)，MOS管導(dǎo)通，源極漏極之間呈現(xiàn)導(dǎo)通特性；VGS小于2v時(shí)，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(shí)介紹。 S8209的性能指標(biāo)S8209系列鋰電池保護(hù)芯片根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要，以鋰電池具體型號(hào)的不同又細(xì)分為很多的具體型號(hào)，根據(jù)其型號(hào)的尾綴判斷區(qū)別。參照設(shè)計(jì)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(guò)充電檢測(cè)過(guò)充開啟電壓過(guò)充解除電壓觸發(fā)精度177。25mv過(guò)放電檢測(cè)過(guò)放開啟電壓過(guò)放解除電壓觸發(fā)精度177。50mv電量平衡檢測(cè)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(hào)描述符號(hào)描述說(shuō)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(guò)放電保護(hù)輸出控制端子7CO過(guò)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(jì)要求，精度更大幅度優(yōu)于設(shè)計(jì)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(duì)最大額定值項(xiàng)目記號(hào)適用端子絕對(duì)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(jiǎn)單介紹了S8209的功能，在本節(jié)中將對(duì)其功能及實(shí)現(xiàn)原理做出詳細(xì)的說(shuō)明。S8209芯片正常工作時(shí)，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(shí)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(guò)充電檢測(cè)、過(guò)放電檢測(cè)、電量平衡檢測(cè)部分的實(shí)現(xiàn)原理是基本相同的，都使用了比較器，即檢測(cè)電壓與控制動(dòng)作閥值電壓做比較，從而決定輸