【正文】 端電壓與CO端子、DO端子、CB端子電壓關(guān)系的仿真波形，這些可以清楚地說明S8209芯片和電路的工作過程。在對單節(jié)電池充電時，電量平衡保護的作用和過充保護功能重疊，CB輸出高電平，MOS管M1導通，電池通過電阻R12進行微放電?！?，即過充保護與過放保護皆未開啟時，充電器才可以對電池進行充電。當過充保護未開啟時，CO輸出低電平，三極管Q3導通，集電極高電平，MOS管M2導通；當過充保護開啟時，CO輸出高電平，三極管Q3截止，集電極低電平，MOS管M2截止。，但實際電路與等效仿真電路仍然在細節(jié)上有細微區(qū)別，以下對此仿真電路進行說明。圖中的PNP型三極管以及N溝道增強型MOS管采用的都是宏模型。 S8209仿真模型封裝圖 單節(jié)鋰電池保護電路仿真由于鋰電池充電器及配套鋰電池的Pspice仿真模型搭建起來難度較大，在畢業(yè)設(shè)計過程中所制作的模型方案都不能正常使用，所以進行變通，采用等效模型的方法進行仿真。 鋰電池保護電路的仿真S8209芯片的Pspice模型已經(jīng)制作完成，為了使電路看起來簡潔，可以使用模型封裝將整個模型電路制作成類似實際芯片的封裝樣式。在此還要重點說明一下，在Pspice仿真中高阻態(tài)不易實現(xiàn)，所以在此使用高電平代替高阻態(tài)。邏輯功能模塊E1輸出低電平0v，即CB輸出低電平。運放U1輸出高電平，通過兩個邏輯門之后輸出高電平，三極管Q1導通，所以DO輸出高電平。運放U3B構(gòu)成比較器，同相端輸入電池正極電壓。過放保護部分：由輸入端子VDD、VSS、CTLD及輸出端子DO構(gòu)成功能端子，由運放U3B及與其連接的或非門U1A、非門U3A、15v直流電壓源和三極管Q1及與其連接的直流電壓源構(gòu)成功能電路。運放U4B構(gòu)成比較器，同相端輸入電池正極電壓。以下是對模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為三個模塊進行詳細說明，但卻有著本質(zhì)區(qū)別。宏模型可以理想地實現(xiàn)功能，實際器件模型則可以使某些部分的運作更符合實際。對于原理框圖中沒有給出的部分，則根據(jù)各個功能端子的輸入輸出結(jié)果進行分析，從而得出等效實現(xiàn)的方案。 對S8209芯片建立仿真模型在上一節(jié)中已經(jīng)對S8209芯片的功能還有實現(xiàn)原理做了詳細的解釋說明，根據(jù)其內(nèi)容就可以對S8209進行建模仿真了。所以通過仿真還可以計算出電路中各節(jié)點的電壓和支路的電流，得知這些數(shù)據(jù)后就可以更有效地優(yōu)化電路中元件的參數(shù)。 （） 使用Pspice進行仿真 仿真的意義及作用使用Pspice對此鋰電池保護電路進行仿真主要是為了給S8209鋰電池電源管理芯片及其應用電路提供驗證和理論基礎(chǔ)，并且通過搭建S8209的仿真模型可以更清楚地了解其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)與功能的實現(xiàn)方法，對實際應用此芯片有所幫助。當此MOS管導通后，電池可以通過漏極的電阻進行微放電，直至所有電池充滿后，整個電路斷開。電量平衡保護也是在充電時起作用的，其功能的觸發(fā)是由電池組中每節(jié)電池的電壓決定。此時的MOS管柵源極電壓VGS小于其開啟電壓，MOS管也截止。當充電發(fā)生故障時，例如充電電壓突然升高，那么VDD～VSS間電壓VDS將隨之增大，那么將觸發(fā)與其相接的S8209的CO端子輸出高電平，從而使與此CO端子相連的CTLC端子輸入高電平。由于此時的CODO1都輸出低電平，而EB+～，其電壓值大于基極電壓VB，所以兩個PNP三極管導通，集電極電流IC經(jīng)1MΩ電阻流向EB端或電池負極端，此時在集電極也就是MOS管的柵極形成大于2v的抬高電壓，此電壓值可以使MOS管的柵源極電壓VGS達到開啟電壓使其導通。當電路正常工作時，充電時逐漸增大升高，放電時逐漸減小降低。給單節(jié)鋰電池充電時不會觸發(fā)電量平衡保護，對于鋰電池組，每節(jié)電池的型號、剩余電量、使用情況都基本相同時，也不會觸發(fā)電量平衡保護功能，因為在充電時它們的充電電壓、電流都是平均的，電量也會在基本同步的情況下充滿；而對于電池型號、剩余電量等都不同的鋰電池組成的電池組，電量平衡保護就會由于每節(jié)電池的充電情況不協(xié)調(diào)而觸發(fā)。 S8209的典型應用電路一般情況下過壓充電事故的出現(xiàn)都是由于鋰電池充電器發(fā)生故障導致的，而過放在沒有保護電路的情況下是很容易發(fā)生的。兩個三極管為PNP型，所有的MOS管都是N溝道增強型管，二極管為普通單向?qū)ü韫?，其可以保護MOS管不被擊穿損壞。此電路可以實現(xiàn)8串鋰電池組的過充保護、過放保護、電量平衡保護的功能。延遲控制部分使S8209電源管理芯片的核心部分，所以在器件手冊中沒有明確的說明其電路結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)方法，但是可以經(jīng)推理得知，其延遲時間可以根據(jù)外接電容的值調(diào)節(jié)，并且這部分電路本身具有驅(qū)動的功能。由于電量平衡檢測需要較高的靈敏度，所以不使用只會比較的方法。CO、DO、CB端子的低電平與高阻態(tài)是用MOS開關(guān)管實現(xiàn)的。當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)。CO端子輸出高阻態(tài)；，CO端子輸出低電平。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極。 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)原理做出詳細的說明。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電池負極端子6DO過放電保護輸出控制端子7CO過充電保護輸出控制端子8CB電量平衡保護輸出控制端子由此可見，S8209芯片的參數(shù)指標完全達到設(shè)計要求，精度更大幅度優(yōu)于設(shè)計要求。25mv過放電檢測過放開啟電壓過放解除電壓觸發(fā)精度177。此芯片的封裝為TSSOP8形式，其封裝尺寸、。 S8209的性能指標S8209系列鋰電池保護芯片根據(jù)實際應用的需要，以鋰電池具體型號的不同又細分為很多的具體型號，根據(jù)其型號的尾綴判斷區(qū)別。當柵源極電壓VGS大于2v時，MOS管導通，源極漏極之間呈現(xiàn)導通特性；VGS小于2v時，MOS管截止，電路斷開。 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。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)過流保護功能，過流保護的電流閥值為1A。 過流保護部分原理圖過流保護功能是由電流檢測部分與短路保護部分（即保險管）共同作用來實現(xiàn)的。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。、。 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的介紹，以說明各部分實現(xiàn)的原理機制。此保護電路的系統(tǒng)組成包括了電流檢測部分、短路保護部分、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。 整體功能原理框圖。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。以上這些問題都使得電路的整體體積無法達到所預想的水平，不能充分發(fā)揮出此貼片式芯片的特點。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。首先，根據(jù)S8209的典型應用電路，要實現(xiàn)1～8串鋰電池組的保護需要使用大量的單刀單擲及單刀雙擲開關(guān)。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。其實在設(shè)計要求中并沒有對保護電路的體積做出明確的要求，但是考慮到本保護電路的一項實用意義是作為鋰電池保護電路的可擴展開發(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。保證了較高的集成度。左右），那么它的價格可達萬元以上，顯然用這么高的成本制作鋰電池保護電路是不現(xiàn)實的，即便是用體積較大的FPGA芯片，成本也有數(shù)百元。 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，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電池中，所以適用性將大打折扣。S8209本身就具備了過充、過放、電量平衡的檢測和保護功能，只要外接少量的元件就可實現(xiàn)其功能；過流保護的實現(xiàn)方法如方案一所述，使用MOS管配合高耐壓電阻實現(xiàn)；短路保護仍然使用保險管。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；過流保護依然可以使用保險管；過流保護可以用一個電阻將電流值轉(zhuǎn)化為電壓值進行測量，所用的方法與過充、過放、電量平衡檢測模塊相似。電路的個保護部分的實現(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；過流保護用一個保險管實現(xiàn)；過流保護用MOS管配合高耐壓電阻實現(xiàn)；用分立元件做電量平衡保護比較困難，電路也很復雜，所以使用MOS管配合放電電阻來實現(xiàn)。 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電路。通過仿真結(jié)果對電路進行修改，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，然后進行封裝（對于測試電路或是仿真電路不復雜的可以直接用器件的模型電路緊系仿真而不需要封裝）。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)。 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對電路進行分析仿真之外，還需要對鋰電池電源管理芯片進行建立仿真模型。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。通過對電路進行直流工作點的分析，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)。對電路進行的直流分析主要包括直流工作點分析、直流掃描分析和轉(zhuǎn)移函數(shù)分析。分析鋰電池充電電路及保護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）就可以達到要求，一下對此詳細說明。它可根據(jù)用戶指定的參數(shù)、性能指標和全局函數(shù)，對電路進行優(yōu)化設(shè)計。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。它在設(shè)定各種激勵信號時非常方便直觀，而且容易查對。模擬結(jié)果還可以接受由基本參量組成的任意表達式。Probe是圖形后處理器，相當于一個示波器。PSpice是一個數(shù)據(jù)處理器。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；可以對元件進行修改和編輯；可以調(diào)用電路分析程序進行分析，并可調(diào)用圖形后處理程序（Probe）觀察分析結(jié)果。該軟件包主要包括Schematics、PSpice、Probe、Stmed（Stimulus Editor）、Parts、PSpice Optimizer等。被公認是通用電路模擬程序中最優(yōu)秀的軟件，具有廣闊的應用前景。它 的用途非常廣泛，不僅可以用于電路分析和優(yōu)化設(shè)計，還可用于電子線路、電路和信號與系統(tǒng)等課程的計算機輔助教學。目前，ORCAD公司已正式推出了ORCAD PSPICE Release ，與傳統(tǒng)的SPICE軟件相比，PSPICE ：首先，在對模擬電路進行直流、交流和瞬態(tài)等基本電路特性分析的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了蒙特卡羅分析、最壞情況分析以及優(yōu)化設(shè)計等較為復雜的電路特性分析；第二，不但能夠?qū)δM電路進行，而且能夠?qū)?shù)字電路、數(shù)/模混合電路進行仿真；第三，集成度大大提高，電路圖繪制完成后可直接進行電路仿真，并且可以隨時分析觀察仿真結(jié)果。Pspice則是由美國Microsim公司在SPICE 2G版本的基礎(chǔ)上升級并用于PC機上的SPICE版本。1985年，加州大學伯克利分校用C語言對SPICE軟件進行了改寫，1988年SPICE被定為美國國家工業(yè)標準。用于模擬電路仿真的SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）軟件于1972年由美國加州大學伯克利分校的計算機輔助設(shè)計小組利用FORTRAN語言開發(fā)而成，主要用于大規(guī)模集成電路的計算機輔助設(shè)