Thiết kế mạch sạc pin Li-Ion trên cơ sở dòng điện tham chiếu liên tục nhằm giảm thiểu dòng đột biến và chuyển tiếp mềm chế độ sạc

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> THIẾT KẾ MẠCH SẠC PIN LI-ION TRÊN CƠ SỞ DÒNG ĐIỆN<br /> THAM CHIẾU LIÊN TỤC NHẰM GIẢM THIỂU DÒNG ĐỘT BIẾN<br /> VÀ CHUYỂN TIẾP MỀM CHẾ ĐỘ SẠC<br /> Nguyễn Văn Hào1,2*, Nguyễn Đức Minh1, Phạm Nguyễn Thanh Loan1*<br /> Tóm tắt: Trong mạch sạc pin Li-Ion, các dòng điện/điện áp tham chiếu được<br /> mở/ngắt bởi các chuyển mạch điện tử. Chúng được sử dụng để tham chiếu cho dòng<br /> điện sạc pin trong các chế độ sạc khác nhau. Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất<br /> một cơ chế điều khiển và tổng hợp dòng điện tham chiếu. Theo đó, một dòng điện<br /> tham chiếu được tạo ra liên tục trong suốt tiến trình sạc nhằm khắc phục sự mất ổn<br /> định do nội trở của pin, cũng như nhằm giảm thiểu dòng đột biến tại các thời điểm<br /> chuyển chế độ sạc. Mạch sạc được thiết kế và mô phỏng trên Cadence sử dụng công<br /> nghệ CMOS 0,35 m. Các kết quả mô phỏng cho thấy sự cải thiện đáng kể đối với<br /> các vấn đề đột biến và dao động trong dòng điện sạc. Tiến trình sạc được hoàn<br /> thành ngay khi điện áp pin và dòng điện sạc đạt các giá trị tương ứng 4,2 V và 43<br /> mA. Hiệu năng công suất trung bình của mạch sạc đề xuất đạt 92,2 % tương ứng<br /> với dải điện áp pin từ 2,9 V đến 4,2 V.<br /> Từ khóa: Mạch sạc pin Li-Ion, Chuyển tiếp chế độ sạc, Mạch tổng hợp dòng điện tham chiếu.<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Trong các loại pin sạc Li-Ion (lithium ion), SLA (sealed lead acid), NiCd (nickel<br /> cadmium) và NiMH (nickel-metal hydride), pin Li-Ion có nhiều ưu điểm nổi bật như mật<br /> độ năng lượng cao, số chu kỳ sạc/xả lớn (> 1000 chu kỳ), không có hiệu ứng nhớ, tốc độ<br /> tự xả thấp (2 – 8 %/tháng), dải nhiệt độ hoạt động rộng (sạc: –20 – 60 C, xả: –40 – 65 C)<br /> và dải điện áp của một pin đơn điển hình từ 2,5 V đến 4,2 V [1]. Vì vậy, pin Li-Ion đã và<br /> đang được sử dụng rất phổ biến trong các thiết bị điện tử di động như máy tính xách tay,<br /> máy tính bảng, điện thoại di động, camera số và các công cụ kĩ thuật số ... Tuy nhiên, pin<br /> Li-Ion có thể bị mất dung lượng (giảm thời gian hoạt động), bị phá hỏng bởi những hiện<br /> tượng quá nhiệt hoặc do bị sạc quá mức trong tiến trình sạc. Nhằm tránh những vấn đề<br /> này, phương thức sạc chuẩn cho pin Li-Ion đã được đưa ra và đánh giá trong [2, 3]. Nó<br /> bao gồm ba giai đoạn sạc tương ứng chế độ dòng điện nhỏ TC (constant trickle current),<br /> chế độ dòng điện lớn LC (constant large current) và chế độ điện áp không đổi CV<br /> (constant voltage). Lưu đồ của tiến trình sạc được mô tả trong hình 1, theo đó, khi điện áp<br /> pin VBat nhỏ hơn giá trị điện áp chuẩn VL = 2,9 V, vì nội trở của pin Li-Ion có giá trị lớn,<br /> pin nên được sạc với dòng điện là hằng số có giá trị nhỏ trong chế độ sạc TC nhằm đảm<br /> bảo pin không bị phá hỏng do quá nhiệt. Ở điều kiện điện áp bình thường và nội trở thấp<br /> nếu như điện áp pin VBat nằm giữa hai giá trị điện áp chuẩn VL và VH = 4,2 V, dòng điện<br /> có giá trị lớn không đổi được sử dụng để sạc pin trong chế độ sạc LC nhằm mục đích giảm<br /> thời gian sạc. Ngay tại thời điểm điện áp pin VBat đạt giá trị xấp xỉ điện áp chuẩn VH, pin<br /> Li-Ion được chuyển sang chế độ sạc CV với điện áp không đổi và dòng điện sạc được<br /> giảm dần nhằm đảm bảo pin Li-Ion không bị sạc quá mức. Tiến trình sạc được kết thúc<br /> ngay khi dòng điện sạc giảm đến một giá trị được thiết lập trước nằm trong dải từ 0,02C<br /> đến 0,07C và điện áp pin đạt được 4,2 V, với C là dung lượng của pin Li-Ion.<br /> Như vậy, việc thiết kế mạch sạc có hiệu suất hoạt động tốt, điều khiển chính xác trong<br /> suốt tiến trình sạc đóng vai trò quyết định đảm bảo độ tin cậy và kéo dài tuổi thọ cho pin<br /> Li-Ion. Nhìn chung, cơ chế điều khiển dòng điện sạc pin Li-Ion đều dựa trên cơ sở dòng<br /> điện hoặc điện áp tham chiếu được tạo ra tương ứng với mỗi chế độ sạc trong tiến trình<br /> <br /> <br /> <br /> 86 N.V. Hào, N.Đ. Minh, P.N.T. Loan, “Thiết kế mạch sạc pin Li-Ion… tiếp mềm chế độ sạc.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> sạc. Trong các mạch sạc đã được thiết kế và thực hiện dựa trên công nghệ CMOS [4-9],<br /> các dòng điện tham chiếu được thực hiện riêng biệt cho mỗi chế độ sạc, chúng được<br /> mở/ngắt thông qua điều khiển các chuyển mạch tương ứng. Theo đó, một dòng điện tham<br /> chiếu bị ngắt và một dòng điện tham chiếu khác được mở tại các thời điểm chuyển chế độ<br /> sạc TC-LC hoặc LC-CV. Nếu có sự sai khác về thời điểm điều khiển mở/ngắt các chuyển<br /> mạch, dòng điện đột biến có thể xuất hiện trong dòng điện sạc pin và ảnh hưởng trực tiếp<br /> đến hiệu suất hoạt động của mạch sạc pin. Nghiêm trọng hơn là ngay khi điện áp pin xấp<br /> xỉ giá trị 4,2 V (tại thời điểm chuyển chế độ sạc LC-CV), giá trị điện áp pin bị giảm đúng<br /> bằng điện áp rơi trên nội trở của pin Li-Ion, điều này có thể dẫn đến chế độ sạc bị chuyển<br /> đổi liên tục giữa hai chế độ LC và CV gây nên sự mất ổn định cho hoạt động của mạch sạc<br /> (Hình 2). Trong nghiên cứu trước của chúng tôi [9, 10], mạch so sánh có trễ được áp dụng<br /> nhằm cải thiện vấn đề mất ổn định này khi điện áp rơi trên nội trở của pin nhỏ hơn giá trị<br /> điện áp trễ đã thiết kế. Bên cạnh đó, vấn đề này cũng có thể được khắc phục theo các cơ<br /> chế chuyển tiếp mềm khác nhau trong [11-14] để quá trình chuyển chế độ sạc LC-CV<br /> được thực hiện tự động. Trong nghiên cứu này, cấu trúc mạch điều khiển và mạch tạo<br /> dòng điện tham chiếu theo cơ chế tổng hợp dòng điện tương tự được đề xuất nhằm đảm<br /> bảo rằng, dòng điện tham chiếu cho dòng điện sạc pin không bị ngắt trong suốt tiến trình<br /> sạc. Nhờ vậy, tại các thời điểm chuyển chế độ sạc, dòng điện tham chiếu cho chế độ sạc<br /> hiện tại không bị ngắt mà chỉ mở thêm dòng điện tham chiếu cho chế độ sạc kế tiếp. Điều<br /> này giúp giảm thiểu dòng đột biến do sự sai khác thời điểm điều khiển mở/ngắt các chuyển<br /> mạch. Hơn nữa, trong đề xuất này, quá trình chuyển chế độ sạc từ LC sang CV cũng được<br /> thực hiện theo cơ chế tự động nhằm khắc phục ảnh hưởng của nội trở pin đến hoạt động ổn<br /> định trong mạch sạc pin.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Tiến trình sạc pin Li-Ion. Hình 2. Chuyển tiếp không ổn định giữa<br /> các chế độ LC và CV.<br /> Phần còn lại của bài báo được tổ chức như sau. Mục 2 mô tả chi tiết về cấu trúc và<br /> nguyên lý hoạt động của mạch sạc pin Li-Ion thông qua các mô đun chức năng, trong đó,<br /> nghiên cứu nhấn mạnh đến cơ chế tổng hợp dòng điện tương tự nhằm tạo ra dòng điện<br /> tham chiếu liên tục trong suốt tiến trình sạc pin. Trong mục 3, các kết quả mô phỏng được<br /> đánh giá nhằm kiểm chứng toàn bộ hoạt động của mạch sạc đã thiết kế. Cuối cùng, phần<br /> kết luận của bài báo được đưa ra trong mục 4.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 51, 10 - 2017 87<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> 2. MẠCH SẠC PIN LI-ION<br /> 2.1. Kiến trúc hệ thống<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3. Kiến trúc hệ thống sạc pin Li-Ion.<br /> Kiến trúc hệ thống sạc pin Li-Ion hiệu năng cao trong hình 3 bao gồm hai khối chính:<br /> mạch biến đổi DC-DC thích ứng có điện áp ra VDC luôn được duy trì ở mức lớn hơn 0,3 V<br /> so với điện áp pin VBat. Mạch sạc pin Li-Ion được thiết kế với điện áp ra VBat thay đổi từ<br /> 2,5 V đến 4,2 V. Ngoài ra, mạch nối tiếp RESRCcell được sử dụng làm mô hình đơn giản của<br /> pin Li-Ion với nội trở của pin RESR thường được chọn trong dải từ vài chục đến 150 m và<br /> điện áp của tụ Ccell đại diện cho điện áp hở mạch của cell pin, với Ccell = 3600C được tính<br /> theo đơn vị Fara [15]. Trong bài báo này, chúng tôi chỉ tập trung nghiên cứu thiết kế mạch<br /> sạc pin Li-Ion với cơ chế tổng hợp dòng điện tham chiếu nhằm cải thiện hiệu suất hoạt<br /> động cho mạch sạc pin. Chi tiết về mạch sạc sẽ được trình bày và thực hiện trong phần tiếp<br /> theo sau.<br /> 2.2. Mô tả mạch sạc pin Li-Ion<br /> Sơ đồ thiết kế mạch sạc pin Li-Ion trong bài báo này được minh họa trong hình 4, nó<br /> bao gồm các mô đun mạch chức năng như sau.<br /> Nguồn dòng song song: các transistor công suất PMOS MP1 và MP2 được sử dụng như<br /> là các nguồn dòng, chúng được điều khiển để cung cấp dòng điện sạc ICh theo mục đích<br /> thiết kế của chúng tôi, đó là, chỉ một transistor MP1 được sử dụng trong chế độ TC và cả<br /> hai transistor MP1 và MP2 được sử dụng nhằm tạo ra dòng điện lớn trong chế độ LC. Điều<br /> này giúp tạo ra dòng điện sạc chính xác tương ứng theo các chế độ sạc khác nhau.<br /> Mạch cảm biến dòng điện: mạch bao gồm các transistor MS1, MS2, MS8 và phần tử<br /> khuếch đại OA (operational amplifier) được thực hiện nhằm tạo ra dòng điện IS, nó được<br /> sao chép từ dòng điện sạc ICh theo tỉ số kích thước giữa các transistor MSi và MPi là 1/N =<br /> (W/L)Si/(W/L)Pi. Hệ số N được yêu cầu có giá trị lớn nhằm giảm dòng điện IS dẫn đến<br /> giảm công suất tiêu thụ của mạch sạc. Tuy nhiên, dòng điện IS cũng cần có giá trị đủ lớn<br /> để đảm bảo điều kiện hoạt động cho các mạch điều khiển. Trong thiết kế này, hệ số N đã<br /> được khảo sát và lựa chọn với giá trị là 5000.<br /> Mạch điều khiển sạc: mạch được thực hiện bởi các transistor M1 – M6 và phần tử<br /> khuếch đại OTA (operational transconductance amplifier). Nhờ vào đó, dòng điện IS được<br /> so sánh với dòng điện tham chiếu IRef-ch để tạo ra các tín hiệu Vg1, Vg2. Chúng được sử<br /> dụng để điều khiển các transistor nguồn dòng MP1, MP2 sao cho dòng điện sạc ICh được tạo<br /> ra luôn có giá trị là (N x IRef). Như vậy, dòng điện sạc ICh luôn được điều khiển theo dòng<br /> điện tham chiếu IRef được thay đổi tương ứng với các chế độ sạc khác nhau. Ngoài ra, dòng<br /> điện IS cũng được so sánh với dòng điện tham chiếu IRef-end nhằm tạo ra tín hiệu kết thúc<br /> sạc Vend ở mức điện áp cao ngay khi dòng điện IS nhỏ hơn IRef-end.<br /> <br /> <br /> 88 N.V. Hào, N.Đ. Minh, P.N.T. Loan, “Thiết kế mạch sạc pin Li-Ion… tiếp mềm chế độ sạc.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4. Mạch sạc pin Li-Ion.<br /> Mạch tạo dòng điện/điện áp: trên cơ sở điện áp pin VBat, mạch này có chức năng tạo ra<br /> các tín hiệu điều khiển logic và các dòng điện tham chiếu tương ứng với các chế độ sạc<br /> khác nhau. Cụ thể là, các tín hiệu điều khiển logic VS1, VS2 được sử dụng để lựa chọn các<br /> transistor nguồn dòng thông qua điều khiển mở/ngắt các cổng truyền dẫn M1M2 và M3M4.<br /> Ba loại dòng điện tham chiếu của IRef-ch được sử dụng để tham chiếu cho dòng điện sạc ICh<br /> trong các chế độ sạc TC, LC và CV.<br /> Nhằm đảm bảo các điều kiện hoạt động của các phần tử khuếch đại trong mạch sạc như<br /> công suất tiêu thụ thấp, điện áp lệch không nhỏ, dải điện áp ra rộng và dải điện áp cung cấp<br /> thay đổi từ 2,8 V đến 4,5 V. Trong thiết kế này, phần tử khuếch đại OA được thiết kế dựa<br /> trên cấu trúc mạch khuếch đại điện áp hai tầng được đưa ra trong [16, 17]. Tương tự, trên cơ<br /> sở cấu trúc mạch khuếch đại điện dẫn hai tầng trong [18], phần tử khuếch đại OTA được<br /> thực hiện theo cấu hình sử dụng cặp trasistor PMOS tại đầu vào tầng khuếch đại vi sai.<br /> 2.3. Đề xuất thiết kế mạch tạo dòng điện/điện áp<br /> Mạch tạo dòng điện/điện áp bao gồm mạch tạo dòng điện tham chiếu và mạch điều<br /> khiển logic. Trong đó, mạch điều khiển logic không chỉ tạo ra các tín hiệu lựa chọn các<br /> transistor nguồn dòng mà còn tạo ra các tín hiệu điều khiển được sử dụng để mở/ngắt các<br /> dòng điện tham chiếu tương ứng với mỗi chế độ sạc. Do vậy, mạch điều khiển logic phải<br /> được thiết kế dựa trên cấu trúc của mạch tạo dòng điện tham chiếu được đề xuất.<br /> 2.3.1. Mạch tạo dòng điện tham chiếu<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 5. Mạch tạo dòng điện tham chiếu theo cơ chế tổng hợp tương tự.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 51, 10 - 2017 89<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> Trong các mạch sạc sử dụng phương thức điều khiển logic, các dòng điện tham chiếu<br /> ITC, ILC và ICV được mở/ngắt độc lập thông qua các transistor chuyển mạch, điều này có thể<br /> gây ra các vấn đề như đã đề cập trong mục 1.<br /> Mạch tạo dòng điện tham chiếu theo cơ chế tổng hợp tương tự được đề xuất trong hình 5.<br /> Theo đó, dòng điện tham chiếu ITC được mở trong suốt tiến trình sạc, ILC chỉ được mở khi<br /> VLC ở mức điện áp cao (khi VBat VL) và ICV được mở tự động ngay khi điện áp pin VBat<br /> VH. Các dòng điện tham chiếu thành phần này được tổng hợp nhằm tạo ra dòng điện tham<br /> chiếu ICh-ref thông qua mạch tổng hợp tương tự bao gồm các transistor M15 – M22. Dòng điện<br /> tham chiếu ICh-ref tham chiếu cho dòng điện sạc được xác định theo biểu thức (1)<br /> I - = (I +I )−I . (1)<br /> Từ (1) cho thấy rằng, dòng điện tham chiếu là ITC (ILC, ICV = 0) trong chế độ TC, dòng<br /> điện tham chiếu là tổng của ITC và ILC (ICV = 0) trong chế độ LC và khi ở chế độ CV, dòng<br /> điện tham chiếu là dòng điện tổng hợp từ ITC, ILC và ICV. Như vậy, dòng điện tham chiếu<br /> IRef-ch được tạo ra không bị ngắt tại các thời điểm chuyển chế độ sạc cũng như trong suốt<br /> tiến trình sạc giúp cải thiện hiệu suất hoạt động cho mạch sạc pin Li-Ion. Ngoài ra, mạch<br /> tạo dòng điện tham chiếu này không sử dụng các transistor chuyển mạch cho việc mở/ngắt<br /> các dòng điện ITC và ICV dẫn đến việc thực hiện mạch điều khiển logic được đơn giản hơn.<br /> 2.3.2. Mạch điều khiển logic<br /> Trên cơ sở mạch tạo dòng điện tham chiếu đã đề xuất trong hình 5, mạch điều khiển<br /> logic được thực hiện trong hình 6(a). Qua đó, điện áp pin VBat luôn được so sánh với các<br /> điện áp chuẩn VH và VL để tạo ra các tín hiệu điều khiển logic VS1, VS2 và VLC. Trạng thái<br /> logic của các tín hiệu điều khiển được mô tả rõ hơn trong hình 6(b). Trong thiết kế này,<br /> nhằm đảm bảo ổn định cho các tín hiệu điều khiển trong môi trường nhiễu hoặc biến động<br /> nhỏ của VBat, các bộ so sánh C1 và C2 được thiết kế trên cơ sở mạch so sánh điện áp có trễ<br /> [19] với vòng điện áp trễ đạt được xấp xỉ giá trị 200 mV.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (a) (b)<br /> Hình 6. (a) Mạch điều khiển logic. (b) Trạng thái logic của tín hiệu điều khiển.<br /> 3. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ<br /> Quá trình mô phỏng mạch sạc đã thiết kế được thực hiện trên Cadence 5.10.41. Trong mô<br /> phỏng này, điện áp cung cấp VDC được thực hiện bởi phần tử nguồn áp được điều khiển bằng<br /> điện áp. Với mục đích giảm thời gian thực hiện mô phỏng và đảm bảo các kết quả đánh giá<br /> cho đề xuất cải thiện trong mạch sạc được thể hiện rõ ràng, pin Li-Ion có dung lượng 2000<br /> mAh được mô hình hóa bởi mạch nối tiếp RC với các giá trị tương ứng 100 m và 2000<br /> mF, điều kiện đầu của điện áp pin VBat được thiết lập tại mức điện áp 2,5 V.<br /> Kết quả mô phỏng của các dòng điện tham chiếu được thể hiện rõ trong hình 7. Dòng<br /> điện IRef-ch tham chiếu cho dòng điện sạc được tổng hợp chính xác từ các dòng điện tham<br /> chiếu thành phần ITC, ILC và ICV. Điều này đã khẳng định rằng, dòng điện IRef-ch được tạo ra<br /> một cách liên tục và không bị ngắt tại các thời điểm chuyển chế độ sạc. Trong hình 8,<br /> <br /> <br /> 90 N.V. Hào, N.Đ. Minh, P.N.T. Loan, “Thiết kế mạch sạc pin Li-Ion… tiếp mềm chế độ sạc.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> dòng điện cảm biến IS luôn có giá trị tỉ lệ với dòng điện sạc ICh theo tỉ số đã thiết kế trong<br /> suốt tiến trình sạc. Từ kết quả mô phỏng của các dòng điện IRef-ch, IS và ICh trong các hình 7<br /> và 8 cho thấy, vấn đề về dòng điện đột biến tại các thời điểm chuyển chế độ sạc đã được<br /> giảm thiểu.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 7. Kết quả mô phỏng các dòng điện tham chiếu.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 8. Kết quả mô phỏng dòng điện sạc ICh và dòng điện cảm biến IS.<br /> Hình 9 biểu diễn kết quả mô phỏng của dòng điện và điện áp tại đầu ra của mạch sạc.<br /> Trong đó, VBat được sạc từ 2,5 V đến 4,2 V, có nghĩa là pin đã được sạc đầy dung lượng.<br /> Quá trình chuyển đổi chế độ sạc từ TC sang LC và từ LC sang CV xảy ra tại các thời điểm<br /> VBat đạt giá trị xấp xỉ 2,89 V và 4,2 V. Dòng điện sạc ICh đạt các giá trị tương ứng 209 mA<br /> trong chế độ TC, 1000 mA trong chế độ LC và giảm dần từ 1000 mA đến 43 mA trong chế<br /> độ CV. Quan trọng hơn là tại thời điểm chuyển chế độ sạc từ LC sang CV, dòng điện sạc<br /> ICh và điện áp pin VBat không xảy ra hiện tượng thăng giáng. Điều này cho thấy sự ảnh<br /> hưởng của nội trở pin đến hoạt động ổn định trong mạch sạc đã được cải thiện bởi cơ chế<br /> chuyển tiếp tự động giữa hai chế độ sạc LC và CV.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 51, 10 - 2017 91<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 9. Kết quả mô phỏng dòng điện và điện áp đầu ra của mạch sạc.<br /> Hiệu năng công suất của mạch sạc trong hình 10 với dải điện áp pin từ 2,9 V đến 4,2 V<br /> có thể đạt mức giá trị cao nhất tại 93,3 %, và hiệu năng trung bình đạt được là 92,2 %.<br /> Cuối cùng, các kết quả đạt được của mạch sạc đã thiết kế được liệt kê và so sánh với một<br /> số thiết kế mạch sạc điển hình trong bảng 1.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 10. Hiệu năng công suất của mạch sạc với VBat = 2,9  4,2 V.<br /> Bảng 1. Bảng so sánh.<br /> Thiết kế<br /> Tham số [4] [5] [6] [8]<br /> đề xuất<br /> TSMC TSMC TSMC CMOS BCD<br /> Thư viện công nghệ<br /> 0,35 m 0,35 m 0,35 m 0,18 µm 0,35 µm<br /> Điện áp cung cấp 5,0 V 2,3 – 4,5 V 5,0 V 4,8 – 5,0 V 2,8 – 4,5 V<br /> Chuyển tiếp mềm<br /> - - - X X<br /> chế độ sạc<br /> Hiệu năng công suất 92,2 %<br /> 67,89 % 91,2 % 67,4 % 79 %<br /> trung bình (Chế độ LC)<br /> <br /> <br /> <br /> 92 N.V. Hào, N.Đ. Minh, P.N.T. Loan, “Thiết kế mạch sạc pin Li-Ion… tiếp mềm chế độ sạc.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> Dòng điện sạc ITC 325 mA 300 mA 304 mA 74 mA 209 mA<br /> Dòng điện sạc ILC 710 mA 698 mA 711 mA 450 mA 1000 mA<br /> Điện áp đầu ra VBat 2,5 – 4,2 V 2,0 – 4,2 V 2,0 – 4,2 V NA – 4,2 V 2,5 – 4,2 V<br /> 4. KẾT LUẬN<br /> Trong bài báo này, mạch sạc pin Li-Ion đã được thiết kế sử dụng thư viện công nghệ<br /> BCD 0,35 m. Mạch sạc hoạt động với dải điện áp cung cấp từ 2,8 V đến 4,5 V, dải điện<br /> áp đầu ra từ 2,5 V đến 4,2 V. Các giá trị của dòng điện sạc được tạo ra trong các chế độ<br /> sạc TC, LC và CV là hoàn toàn phù hợp để sạc pin Li-Ion. Hơn nữa, với đề xuất cơ chế<br /> mạch tổng hợp tương tự nhằm tạo dòng điện tham chiếu không ngắt trong tiến trình sạc<br /> không chỉ giúp giảm thiểu dòng điện đột biến tại các thời điểm chuyển chế độ sạc, mà còn<br /> giúp khắc phục sự ảnh hưởng bởi nội trở của pin đến hoạt động ổn định trong mạch sạc<br /> pin Li-Ion. Điều này dẫn đến nâng cao hiệu suất hoạt động cho mạch sạc pin Li-Ion.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. D. Linden, T. B. Reddy, “Handbook of batteries,” New York: McGraw-Hill (2002),<br /> ch. 35.<br /> [2]. S. Dearborn, “Charging li-ion batteries for maximum run times,” Power Electron.<br /> Technol. Mag., (2005), pp. 40-49.<br /> [3]. A. A. Hussein, I. Batarseh, “A review of charging algorithms for nickel and lithium<br /> battery chargers,” IEEE Trans. Veh. Technol., Vol. 60, No. 3 (2011), pp. 830-838.<br /> [4]. Y. S. Hwang, S. C. Wang, F. C. Yang, J. J. Chen, “New compact CMOS li-ion<br /> battery charger using charge-pump technique for portable applications,” IEEE<br /> Trans. Circuits Syst. I, Reg. Papers, Vol. 54, No. 4 (2007), pp. 705-712.<br /> [5]. J. J. Chen, F. C. Yang, C. C. Lai, Y. S. Hwang, R. G. Lee, “A high-efficiency<br /> multimode li-ion battery charger with variable current source and controlling<br /> previous-stage supply voltage,” IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 56, No. 7 (2009),<br /> pp. 2469-2478.<br /> [6]. C. C. Tsai, “A reduced li-ion battery charger for portable applications,” Ninth Int.<br /> Conf. Natural Computation, (2013), pp. 1718-1722.<br /> [7]. H. Y. Yang, T. H. Wu, J. J. Chen, Y. S. Hwang, C. C. Yu, “An omnipotent li-ion<br /> battery charger with multimode controlled techniques,” IEEE 10th International<br /> Conf. Power Electron. and Drive Syst., (2013), pp. 531-534.<br /> [8]. P. H. V. Quang, T. Tien Ha, J. W. Lee, “A fully integrated multimode wireless power<br /> charger IC with adaptive supply control and built-in resistance compensation,” IEEE<br /> Trans. Ind. Electron., Vol. 62, No. 2 (2015), pp. 1251-1261.<br /> [9]. H. Nguyen-Van, D. Nguyen, T. Nguyen, M. Nguyen and L. Pham-Nguyen, “A li-ion<br /> battery charger with stable charging mode controller in noise environments,” Int.<br /> Conf. Advanced Technologies for Communications, (2015), pp. 270-274.<br /> [10]. H. Nguyen-Van, T. Nguyen, V. Quan, M. Nguyen and L. Pham-Nguyen, “A topology<br /> of charging mode control circuit suitable for long-life li-ion battery charger,” IEEE<br /> Sixth Int. Conf. Communications and Electronics, (2016), pp. 167-171.<br /> [11]. M. Chen, G. A. Rincón-Mora, “Accurate, compact, and power-efficient li-ion battery<br /> charger circuit,” IEEE Trans. Circuits Syst. II, Exp. Briefs, Vol. 53, No. 11 (2006),<br /> pp. 1180-1184.<br /> [12]. C. H. Lin, C. Y. Hsieh, K. H. Chen, “A li-ion battery charger with smooth control<br /> circuit and built-in resistance compensator for achieving stable and fast charging,”<br /> IEEE Trans. Circuits Syst. I, Reg. Papers, Vol. 57, No. 2 (2010), pp. 506–517.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 51, 10 - 2017 93<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> [13]. R. Pagano, M. Baker, R. E. Radke, “A 0.18-m monolithic li-ion battery charger for<br /> wireless devices based on partial current sensing and adaptive reference voltage,” J.<br /> Solid-State Circuits, Vol. 47, No. 6 (2012), pp. 1355-1368.<br /> [14]. S. H. Yang, J. W. Liu, C. C. Wang, “A single-chip 60-v bulk charger for series li-ion<br /> batteries with smooth charge-mode transition,” IEEE Trans. Circuits Syst. I, Reg.<br /> Papers, Vol. 59, No. 7 (2012), pp. 1588-1597.<br /> [15]. S. Gold, “A PSPICE macromodel for lithium-ion batteries,”The Twelfth Annual<br /> Battery Conf. Applications and Advances, (1997), pp. 215-222.<br /> [16]. P. E. Allen, D. R. Holberg, “CMOS analog circuit design,” New York: Oxford Univ.<br /> Press (2002), ch. 6.<br /> [17]. J. Mahattanakul, J. Chutichatuporn, “Design procedure for two-stage CMOS opamp<br /> with flexible noise-power balancing scheme,” IEEE Transactions on Circuits and<br /> Systems I: Reg. Papers, Vol. 52, No. 8 (2005), pp. 1508-1514.<br /> [18]. R. J. Baker, “CMOS: Circuit design, layout, and simulation,” New Jersey: Wiley,<br /> IEEE Press (2010), ch. 24.<br /> [19]. R. Gregorian, “Introduction to CMOS op-amps and comparators,” New York: Wiley<br /> (1999), Chapter 5.<br /> ABSTRACT<br /> A LI-ION BATTERY CHARGER DESIGN BASED ON AN UNINTERRUPTED<br /> REFERENCE CURRENT FOR CANCELLING SPIKE CURRENT<br /> AND SMOOTHING CHARGE-MODE TRANSITION<br /> In charging circuit for Li-Ion battery, the reference current/voltage, which are<br /> used as references for charging current in different charging modes, are turned<br /> on/off by electronic switches. In this paper, a mechanism of control and<br /> combination for the reference current is proposed. In this approach, the reference<br /> current is generated uninterruptedly throughout the charging process to overcome<br /> instability caused by internal resistance of the battery as well as to minimize the<br /> spike current at the time of changing the charging mode. The battery charger was<br /> designed and simulated by Cadence using 0.35 m CMOS technology. The<br /> simulation results show a significant improvement regarding abrupt change and<br /> fluctuation of the charging current. The charging process is completed as soon as<br /> the battery voltage and charging current reach the values of 4.2 V and 43 mA,<br /> respectively. The average power efficiency of the proposed charging circuit is 92.2<br /> % corresponding to the battery voltage range of 2.9 V to 4.2 V.<br /> Keywords: Li-Ion battery charger, Charge-mode transition, Reference current combination circuit.<br /> <br /> Nhận bài ngày 10 tháng 07 năm 2017<br /> Hoàn thiện ngày 18 tháng 08 năm 2017<br /> Chấp nhận đăng ngày 25 tháng 10 năm 2017<br /> 1<br /> Địa chỉ: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Số 1 Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà Nội;<br /> 2<br /> Trường Đại học Quy Nhơn, 170 An Dương Vương, Quy Nhơn, Bình Định.<br /> *<br /> Email: nvhao@ftt.edu.vn; loan.phamnguyenthanh@hust.edu.vn.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 94 N.V. Hào, N.Đ. Minh, P.N.T. Loan, “Thiết kế mạch sạc pin Li-Ion… tiếp mềm chế độ sạc.”<br />