智能型锂电池保护板电路的设计与实现.docx

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1、智能型锂电池保护板电路的设计与实现摘要锂离子电池因储能容量大、使用寿命长、清洁环保、能量体积比大等众多优点，所以在各行各业被广泛使用，逐渐成为了电池的主流产品。然而因锂电池的能量密度高，也使得难以确保其安全性，所以需要相匹配的电池保护电路来确保电池以及使用设备的安全。本文介绍了通过锂离子电池的充放电特点设计一种支持多种规格锂电池及电池组的保护电路的详细过程。本文以锂电池的充放电特点作为研究主体，详细阐述了作者在学士学位论文工作期间对锂电池充放电过程中对其保护的研究与设计。介绍了锂电池的特点以及其保护电路的发展现状及趋势，其次说明了锂电池的充放电的概念、原理、制定目标设计参数以及保护电路的设计过

2、程、实现方法。设计过程中，首先提出三种可行性方案，并通过理论分析进行方案筛选，确定由精工电子的电源管理芯片S-8209为核心构成的设计方案。然后通过对S-8209进行Pspice建模并仿真，验证其功能并为设计方案提供理论基础。然后绘制电路图，并施以改进优化设计方案。最后进行锂电池保护电路的调试，并对毕业设计期间的工作作出总结。关键词：锂电池 保护电路 电池组 Pspice建模 S-8209The Design and Implementation Of Intelligent Lithium-ion Battery Protection CircuitAbstractLithium-ion b

3、attery is widely used in almost all walks of life, because of its large capacity, long useful life, environment friendly and large volume ratio of energy. It is becoming the mainstream products of battery. But its high volume ratio of energy is also the unstable caution of security. So it is necessa

4、ry to match the battery protection circuitry to ensure the safety of the battery and the equipment of using the battery.This article describes the adoption of lithium-ion battery charge and discharge characteristics of a variety of specifications to design a lithium battery group and battery protect

5、ion circuit.In this paper, the charge and discharge characteristics of lithium battery as a research subject during the process. This article introduces the characteristics of lithium battery and its protection circuit development and trend, followed by shows the principles of lithium battery charge

6、 and discharge. And then make the design settings. During the design process, firstly proposed various of design options. Through theoretical analysis to determine the program, selected Seiko electronic power management IC S-8209 to achieve the design. Then carried out on the S-8209 Pspice model and

7、 simulation to verify its functionality and provide a theoretical basis for the design. Then draw the circuit diagram, and helping to improve optimization design. Finally, debug the lithium battery protection circuit and summary my work during the graduation project.Keywords: Lithium-ion battery Bat

8、tery protection circuit Pspice-modelingLithium-ion battery group S-8209 目录1 绪论11.1 课题研究背景11.2 课题的研究方向和发展前景21.2.1锂电池保护电路的现状21.2.2 锂电池保护电路的发展前景31.3 选题的目的和意义41.4 设计要求51.5 主要工作及流程72 技术背景及方案选择82.1 锂电池的介绍82.1.1 锂电池简介82.1.2 锂电池的特点92.1.3 锂电池的充电原理112.1.4 锂电池的放电原理122.1.5 锂电池的工作过程132.1.6 锂电池保护的必要性132.2 锂电池充电器的

9、介绍142.2.1 锂电池充电器简介142.2.2 恒流恒压式锂电池充电器152.3 Pspice仿真软件的介绍172.3.1 Pspice的发展与现状172.3.2 Pspice的组成192.3.3 Pspice的分析功能202.3.4 使用Pspice建立仿真模型202.4 实现方案的选择212.4.1 方案介绍212.4.2 方案的对比与选择222.4.3 方案存在的问题243 设计实现253.1 原理分析253.1.1 整体实现原理253.1.2 各部分功能的实现方法263.1.3 S-8209的性能指标283.1.4 S-8209功能原理分析293.1.5 S-8209的典型电路原理

10、313.2 使用Pspice进行仿真343.2.1 仿真的意义及作用343.2.2 对S-8209芯片建立仿真模型353.2.3 锂电池保护电路的仿真373.3锂电池保护电路的制作413.3.1 设计电路413.3.2 确定选用元件的型号及参数423.3.3 绘制PCB电路板434 总结454.1 实际电路测试454.2 理论与实际对比分析454.3 经验总结46致谢47参考文献48附录51附1Pspice仿真描述语句51附2 锂电池保护电路电路图53附3 锂电池保护电路实物图54外文资料翻译及原文551 绪论1.1 课题研究背景锂离子电池因储能容量大、使用寿命长、清洁环保、能量体积比大等众多

11、优点，所以在各行各业被广泛使用，逐渐成为了电池的主流产品。然而锂电池的能量密度高，也使得电池的安全性难以得到确保。锂电池的过度充电（以下简称“过充” ）、过度放电（以下简称“过放” ）和电池组间的电量不平衡都会导致电池的内部耗损加速，使用寿命减短。锂电池过充甚至可能造成锂电池爆炸造成人员伤亡和财产损失的事故。所以需要相匹配的电池保护电路来确保电池以及使用设备的安全。图1.1 六串锂电池组示意图现在市场上虽然锂电池保护电路很多，但大多都是只能应用于小型锂电池的保护，功能单一且只适用于个别型号的电池，比如手机、相机用的单节锂电池。在某些需要保护功能全面或是需要同时多节电池充放电的情况下，比如多芯锂

12、电池、动力型锂电池，那些功能单一的保护电路就无法使用了。对于输出电流、电压值都比较大的动力锂电池磷酸铁锂电池，市场上已有的保护电路并不多。而关于锂电池组的保护电路则更少了，且这些锂电池组保护电路支持的电池串数较少（一般不多于6串），这就使得其对大型锂电池组的保护力不从心了。基于此种情况，就需要一种功能全面且基本适用于各种型号及类型的锂电池甚至是锂电池组的保护电路系统。这种保护电路需要具备过充保护、过放保护、电量平衡保护、过流保护等功能、支持6串以上的电池组使用且可以扩展，根据其扩展性可让电路适用于更多的使用环境。并且基于这种扩展性可以使此电路作为锂电池保护电路的开发模板，以其为蓝本通过更改参数

13、及更换不同功率的器件设计出同类型的衍生电路。1.2 课题的研究方向和发展前景1.2.1锂电池保护电路的现状目前市场上已有的各种锂电池保护电路的类型有两种，一种是使用分立元件，另一种是使用专业的电池管理检测芯片。使用分立元件制作而成的保护电路成本低廉，但是检测精度普遍不高，约在200毫伏左右；分立元件的集成度较低，造成整体电路体积过大；而且分立元件制成的锂电池保护电路考虑到稳定性的问题，一般不带有电量平衡保护部分，这些都使得分立元件的保护电路适用范围减小。其诸多的缺点使得其、它只能适用于低端产品市场，而对于相对高端的电子产品则很少使用这种类型的保护电路。图1.2 TSSOP封装图使用专业电池管理

14、IC的话虽然成本偏高一些，但是可以保证较高的精度，精度高的可以达到50mv以下；且集成度高，使用TSSOP或更高等级封装芯片构成的单节保护电路可做到指甲盖大小，其封装大小见图1.2；现在电池充放电管理的芯片在市场占有上基本是精工电子一家独大，占绝大部分市场，其产品功能全面，S-8209、S-8254、S-8211等都具有过放保护、过充保护、电量平衡保护的功能。1.2.2 锂电池保护电路的发展前景锂电池保护电路未来的发展将以提高侦测电压的精度、降低保护IC的功耗及包装成本、整合MOS、改进误动作防止功能等，同时充电器连接端子的高耐压化也是开发的重点。对于锂电池保护芯片的封装，目前已由SOT23渐

15、渐的朝向SON，将来还有CSP的封装，甚至COB封装产品的出现，用以满足现在所强调的轻薄短小的需求。当然，功能组件单晶化是一致的目标，如目前行动电话制造商都朝向将保护IC、充电电路、电源管理IC等外围电路集成单芯片，与逻辑IC构成双芯片的芯片组。但目前要使Power MOS管的开路阻抗降低使其与其它IC合组，即使以特殊技术制成单芯片成本也将会过高。因此，锂电池保护芯片的单晶化将需一段时间来解决。锂电池保护电路的整体体积也会随着保护芯片封装的改进而越来越精巧，适用于更多的精密仪器。1.3 选题的目的和意义锂电池保护电路是应用锂电池所必须的电路部分，缺少了保护电路的使用，锂电池将缩短使用寿命、造成

16、安全隐患、损毁用电设备，所以设计并制作一个高效稳定的锂电池保护电路是有着实际意义的。由于目前市场上还没有推出功能齐全、功能可扩展且支持电池组串数超过6串的锂电池保护电路，所以设计并制作出这样一个锂电池保护电路具有一定的创新性。而且由于功能齐全，所以可以根据实际需要通过更改电路参数或器件类型来开发出新的型号。又因为它的可扩展性，可以根据电池组的串数组合出符合要求的保护电路。正是因为设计并制作出这样一种锂电池保护电路具有研究和实际应用的价值，所以我选择这个题目作为我的毕业设计。通过制锂电池保护电路可以加深对电源技术、电力电子技术等知识理解和掌握。在制作过程中，培养个人独立思考问题和解决问题的能力，

17、为今后工作做好技术储备。 1.4 设计要求类型功能项目参数精度保护功能过充保护过充保护电压（V）4.2550(mV)过充保护延时(mS)100050(mS)过充保护解除电压（V）4.10100(mV)过放保护过放保护电压（V）2.5100(mV)过放保护延时(mS)10050(mS)过放保护解除电压（V）2.6100(mV)过流保护过流保护值（A）150(mA)过流保护延迟(mS) 500100(mS)过流保护恢复条件断开负载短路保护短路保护值(A)21(A)短路保护延迟(uS)200100(uS)短路保护恢复条件断开负载均衡保护均衡电流(mA)50060(mA)均衡开启电压（V）4.2050

18、(mV)均衡精度（mV）5050(mV)表1.1 各种保护功能的设计参数要求如表1.1所示，列出了过充保护、过放保护、过流保护、短路保护、电量均衡保护的具体执行阀值和精度的要求。其中过充保护、过放保护、电量均衡保护的精度是根据所选芯片决定的。表1.2 锂电池及充电器性能参数BL-5C型锂电池充电电压（V）充电电流（mA）电池容量（mAh）4.21000970万能型充电器输出电压（V）输出电流（mA）充电时间（h）4.23003.5图1.3(a) BL-5C锂电池的充电特性曲线图1.3(b) BL-5C锂电池的放电特性曲线测试时电池使用Nokia BL-5C型手机锂电池，充电器选用与其匹配的万能

19、型充电器，其具体参数见表1.2，BL-5C的充放电特性见图1.3(a)及1.3(b)，此图源于三洋能源有限公司测试组。根据设计要求，组成电路所选择的元件的耐压值要大于5v，耐流值要达到1A，这些要求是根据测试时选用的电池及充电器确定的。如果要使用磷酸铁锂电池及相应充电器，那么元件的耐流值要更大达到20A甚至更高，则相应地，电路的制作成本将大大超出毕业设计所提供的经费，无法选用动力电池对本毕业设计所制作的保护电路进行测试。故选用上述锂电池及充电器。1.5 主要工作及流程一、查找相关资料，了解课题内容，开拓思路。二、提出具有可行性的实现方案，通过分析对比选出最优方案。三、根据所选方案设计电路，并绘

20、制原理图。四、使用仿真软件Pspice对所选方案进行理论分析及验证，并找出不足之处从而作出合理优化。五、制作验证电路，对电路功能做初步的实际验证，并且找出实际应用中的问题并解决。六、通过实际验证的结果，在电路原理图的基础上绘制电路图，选购元器件并焊接电路。七、对制作完成的保护电路进行整体调试，使之达到设计要求。八、对本次的锂电池保护电路进行理论与实际的对比分析，并作出总结。2 技术背景及方案选择2.1 锂电池的介绍2.1.1 锂电池简介锂电池（锂原电池）和锂离子电池是20世纪开发成功的新型高能电池。锂原电池的负极是金属锂，正极用MnO2，SOCl2，(CFx)n等。70年代进入实用化。现在，锂

21、离子电池应用范围更加广泛，如移动电话、便携式计算机、摄像机、照相机等。锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。最早出现的锂电池使用以下反应：Li+MnO2=LiMnO2，该反应为氧化还原反应，放电。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高，所以锂电池生产要在特殊的环境条件下进行。锂原电池之后发明了以炭材料为负极，以含锂的化合物作正极的锂电池，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂

22、离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。在锂离子电池的充放电过程中，锂离子处于从正极负极正极的运动状态。锂离子电池就像一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象运动员一样在摇椅来回奔跑，所以锂离子电池又叫摇椅式电池。现在锂离子电池的大量使用，已经逐渐代替了不安全的锂电池，所以已经习惯用锂电池来称呼锂离子电池。2.1.2 锂电池的特点锂电池的优点：1、比能量高。具有高储存能量密度，目前已达到460-600Wh/

23、kg，是铅酸电池的约67倍；2、使用寿命长，使用寿命可达到6年以上，磷酸亚铁锂为正极的电池用1A DOD充放，有可以使用10,000次的记录；3、额定电压高（单体工作电压为3.7V或3.2V），约等于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压，便于组成电池电源组；4、具备高功率承受力，其中电动汽车用的磷酸亚铁锂锂离子电池可以达到15-30A充放电的能力，便于高强度的启动加速；5、自放电率很低，这是该电池最突出的优越性之一，目前一般可做到1%/月以下，不到镍氢电池的1/20；6、重量轻，相同体积下重量约为铅酸产品的1/5-6；7、高低温适应型强，可以在-2060的环境下使用，经过工艺上的处理，可以在-45

24、环境下使用；8、绿色环保，不论生产、使用和报废，都不含有、也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质；9、生产基本不消耗水，对缺水的我国来说，十分有利。锂电池的缺点：1、锂原电池均存在安全性差，有发生爆炸的危险；2、钴酸锂的锂离子电池不能大电流放电，安全性较差；3、锂离子电池均需保护线路，防止电池被过充过放电；4、生产要求条件高，成本高。表2.1 锂电池与其它电池性能的比较性能锂电池镍氢电池镍镉电池铅酸蓄电池工作电压（v）3.61.21.22.0能量密度（Wh-kg-1）100160655035循环寿命（次）5001200300700300600150400自放电率（%/月）693035

25、25306工作温度范围（）-2060-2065-2065-4065容量高中低低安全性能安全安全安全不安全记忆效应无无有无环境污染无无有有成本价格高中低低通过表2.1可以清楚地看出锂电池与其它各型主流电池的性能特点，锂电池除造价及工作温度范围两项外，性能均表现突出，综合性能最高。综合锂电池的优缺点来看，使用锂电池还是利大于弊的。并且观其缺点，基本是安全性上的问题，但是只要设有保护电路对锂电池进行实时的监控检测，还是可以使锂电池的使用安全性大大提高的。所以锂电池成为新一代的主流电池是有其必然性的。2.1.3 锂电池的充电原理图2.1 锂电池充电特性曲线目前锂电池的充电方法主要有两种，即恒流恒压充电

26、和脉冲充电。在本毕业设计中选取的充电器使用的是恒流恒压充电法，所以以下针对恒流恒压法进行详细介绍。如图2.1所示，锂电池的恒流恒压充电方法充电过程。电池接入充电器后，充电器首先进行预处理，主要对电池进行检查，检查方法是以A/l5量级的电流对电池进行温和的预充看其电压能否上升到规定门限（2.5V），否则断定电池报废；成功预充电后则进入恒流区，以较高的恒定电流约1A对电池进行快速充电。当电池电压到达恒压门限(4.2V)时，电池容量接近于满容量的40%至70%，转入恒压区，对电池进行恒定电压充电，随着电池电压的不断上升，充电电流不断减小，当充电电流降到 A/10或 A/15量级时终止充电，即电池充电

27、完成。锂电池充电的速度决定于充电器的恒流区输出电流，即最大充电电流。最大充电电流大则充电速度快，最大充电电流小则充电速度慢。一般锂电池所用的充电电流设定在0.2A至1A之间，电流越大，充电越快，但同时电池发热也越大。而且，过大的电流充电反而会使电池容量不够满，因为电池内部的电化学反应需要时间，电流过大将导致反应时间不充分。就跟倒啤酒一样，倒太快的话会产生泡沫，反而不满。2.1.4 锂电池的放电原理锂电池的放电可以理解为是其充电的逆过程。对于锂电池来说，自放电率是很低的，所以其正常使用的过程就是放电的过程。锂电池的放电只需要注意两点：第一，放电电流不能过大，过大的电流导致电池内部发热过大，有可能

28、会造成永久性的损害。第二，绝对不能过放电，锂电池一旦放电电压低于2.0V，将可能导致电池内部材料损坏严重的将导致电池报废。图2.2 锂电池放电特性曲线由图2.2可以知道，放电电流越大放电曲线的下降趋势越大，也就是放电的速度越快。同时越大的放电电流也会导致电池发热，严重的将对电池造成损伤。所以为了保证电池的使用安全以及电池的供电效率，应选用不过大的适宜的供电电流。2.1.5 锂电池的工作过程锂电池每一个“充电放电”过程，称为一个充放电循环。锂电池从工作开始，每个循环后的容量都会出现轻微下降，这是由电池的电极材料的性质决定的。按照国家标准，当容量下降到额定容量的60%时，即认为电池寿命结束。通常锂

29、电池寿命不小于500次循环，就是指500次充电循环后，容量不小于额定容量的60%。一般的充放电循环，是“充满放空” 。这样对电极材料来说负荷时比较大的。所以每次充电不要完全充满，放电不要完全放空，可以大大延长锂电池的寿命。有测试说，如果把充放电过程控制在80%的容量，循环寿命可以超过2000次。控制电池使之充放电量控制在80%左右靠锂电池本身是不可能的，这也要通过保护板来实现，只要调节保护开启阀值就这一做到这点。2.1.6 锂电池保护的必要性当锂电池发生过度充电时，电池内电解质会被分解，使得温度上升并产生气体，使得压力上升而可能引起自燃或爆裂的危机。在过度放电的情形下,电解液因分解而导致电池特

30、性劣化,并造成充电次数的降低。在过流使用或是短路的情况下，会使电池因使用电流过大而温度过高导致外壳变形、电解液泄露甚至爆炸。从分子层面看，锂电池的过充过放将可能对锂离子电池的正负极造成永久的损坏。可以直观的理解为，过度放电将导致负极碳过度释出锂离子而使得其片层结构出现塌陷，而这种结构上的塌陷是无法恢复的；过度充电则将把太多的锂离子硬塞进负极碳结构里去，而使得其中一些锂离子再也无法释放出来，使电池的容量大幅下降。总之，锂电池的过充和过放都会对电池本身以及用电设备造成很大的损害。而要极大程度地避免这些，使用锂电池保护电路就可以了，这也正是锂电池保护电路必要性的原因所在。2.2 锂电池充电器的介绍2

31、.2.1 锂电池充电器简介锂离子电池充电方式主要方式有两种，恒流恒压方式和脉冲方式。对于适用于单节锂电池的充电器其输入为110v220v交流市电，输出电压一般为4.2v，输出电流范围在100mA600mA之间，普遍为300mA。锂电池充电器通过监测电池的电压判断电池是否充满，检测电池电压是否达到4.2v。为有效利用电池容量并保证不过充需要较高的电压检测精度，一般精度需要高于5%，为保证安全充电，充电终止检测除电压检测外仍需采用其它的辅助方法作为防止过充的后备措施，如监测电池温度、限定充电时间等。另外，由于锂离子电池出现过放电时同样会造成电池的损坏，一般在电池充电前需要检测电池是否可充，通常在对

32、锂离子电池进行预充电时需保证每节电池电压高于2.5v，这就要求充电器具有预充过程。由此可见，锂离子电池具有较高的性能指标，但对充电器的保护措施要求较高，所以每种类型的锂电池都需要使用与其配套的充电器。2.2.2 恒流恒压式锂电池充电器本毕业设计所用的锂电池充电器是恒流恒压方式的手机充电器，所以对其做具体介绍。图2.3 恒流恒压式手机锂电池充电器如图2.3所示，其为一个简单的恒流恒压式手机锂电池充电器。输入220v交流市电，输出接锂电池进行充电。其对锂电池充电的特性曲线见锂电池充电原理一节的图2.1。其工作原理：三极管VT1为开关电源管，它和变压器线圈、R1、R3、C2等组成自激式振荡电路。接通

33、输入电源后，电流经启动电阻R1流向开关电源管VT1的基极，使 VT1导通。当VT1导通后，变压器的初级线圈 Np就加上了输入直流电压，其集电极电流Ic在 Np中线性增长，反馈线圈 Nb中产生3正4负的感应电压，使VT1得到基极为正，发射极为负的正反馈电压。此电压经 C2、R3向VT1注入基极电流使VT1的集电极电流进一步增大，正反馈产生雪崩过程，使VT1饱和导通。在VT1饱和导通期间，整体线圈通过初级线圈Np储存磁能。与此同时，感应电压给 C2充电随着 C2充电电压的增高，VT1基极电位逐渐变低，当VT1的基极电流变化不能满足其继续饱和时，VT1便退出饱和区进入放大区。VT1进入放大状态后，其

34、集电极电流由放大状态前的最大值下降，在反馈线圈 Nb产生3负4正的感应电压，使VT1基极电流减小，其集电极电流随之减小，正反馈再一次出现雪崩过程，VT1迅速截止。VT1截止后，变压器线圈储存的能量提供给负载，次级线圈Ns产 生的5负6正的电压经二极管VD1整流滤波后，在C上得到直流电压给手机电池充电。在VT1截止时，直流供电输人电压和反馈线圈Nb感应的3负4正的电压又经 R1、R3给C2反向充电，逐渐提高VT1基极电位，使其重新导通。之后再次翻转达到饱和状态，电路就这样重复振荡下去，持续对输出端输出直流电。电路中的R5、R6、VD2、VT2等组成了限压电路，以保证电池不被过充电，以3.6v手机

35、电池为例，其充电限制电压为4.2v。在电池的充电过程中，电池电压逐渐上升，当充电电压大于4.2v时经R5、R6分压后稳压二极管 VD2开始导通，使VT2导通。VT2的分流作用减小了VT1的基极电流，从而减小了VT1的集电极电流Ic，达到了限制输出电压的作用。这时电路停止了对电池的大电流充电，用小电流将电池的电压维持在4.2v。此处的限压电路与锂电池保护电路中的过充保护的目的及原理都不相同，它们并不相互重复。限压电路是充电器根据电池型号设计的电压输出控制指标，而保护电路是直接对电池起作用的，当充电器出现故障时，保护电路仍可保证电池不过充。2.3 Pspice仿真软件的介绍2.3.1 Pspice

36、的发展与现状根据实际电路（或系统）建立模型，通过对模型的计算机分析、研究和试验以达到研制和开发实际电路（或系统）的目的，这一过程，称为计算机仿真（Simulation）。因为它所具有的高效、高精度、高经济性和高可靠性，因此倍受业界喜爱。在设计或分析各类开关电源时,计算机仿真起了重要的作用。数字仿真手段可用以检验设计的系统是否满足性能要求。应用数字仿真可以减少电路实验的工作,与电路实验相比,计算机仿真所需时间要少得多,并可以更全面、更完整地进行,以期改进设计质量。目前流行的许多著名软件如PSpice、Icape等，它们各自都有其本身的特点。而随着Windows的全面普及，PSpice推出了Win

37、dows版本，用户不用象DOS版那样输入数据网表文件，而是图形化，只需选择相应的元器件的图标代号，然后使用线连接就可以自动生成数据网表文件，整个过程变得直观简单。因此它已广泛应用于电力电子电路（或系统）的分析中。用于模拟电路仿真的SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）软件于1972年由美国加州大学伯克利分校的计算机辅助设计小组利用FORTRAN语言开发而成，主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计。SPICE的正式实用版SPICE 2G在1975年正式推出，但是该程序的运行环境至少为小型机。1985年，加州大学伯克利分

38、校用C语言对SPICE软件进行了改写，1988年SPICE被定为美国国家工业标准。与此同时，各种以SPICE为核心的商用模拟电路仿真软件，在SPICE的基础上做了大量实用化工作，从而使SPICE成为最为流行的电子电路仿真软件。Pspice则是由美国Microsim公司在SPICE 2G版本的基础上升级并用于PC机上的SPICE版本，其中采用自由格式语言的5.0版本自80年代以来在我国得到广泛应用，并且从6.0版本开始引入图形界面。1998年著名的EDA商业软件开发商ORCAD公司与Microsim公司正式合并，自此Microsim公司的PSPICE产品正式并入ORCAD公司的商业EDA系统中。

39、目前，ORCAD公司已正式推出了ORCAD PSPICE Release 9.0，与传统的SPICE软件相比，PSPICE 9.0在三大方面实现了重大变革：首先，在对模拟电路进行直流、交流和瞬态等基本电路特性分析的基础上，实现了蒙特卡罗分析、最坏情况分析以及优化设计等较为复杂的电路特性分析；第二，不但能够对模拟电路进行，而且能够对数字电路、数/模混合电路进行仿真；第三，集成度大大提高，电路图绘制完成后可直接进行电路仿真，并且可以随时分析观察仿真结果。PSpice软件具有强大的电路图绘制功能、电路模拟仿真功能、图形后处理功能和元器件符号制作功能，以图形方式输入，自动进行电路检查，生成网表，模拟和

40、计算电路。它 的用途非常广泛，不仅可以用于电路分析和优化设计，还可用于电子线路、电路和信号与系统等课程的计算机辅助教学。与印制版设计软件配合使用，还可实现电子设计自动化。被公认是通用电路模拟程序中最优秀的软件，具有广阔的应用前景。2.3.2 Pspice的组成以PSpice for Windows为例，它是一个名为MicroSim Eval 8.0的软件包。该软件包主要包括Schematics、PSpice、Probe、Stmed（Stimulus Editor）、Parts、PSpice Optimizer等。1、Schematics是一个电路模拟器。它可以直接绘制电路原理图，自动生成电路描

41、述文件，或打开已有的文件，修改电路原理图；可以对元件进行修改和编辑；可以调用电路分析程序进行分析，并可调用图形后处理程序（Probe）观察分析结果。即它是集PSpice、Probe、Stmed和PSpice Optimizer于一体，是一个功能强大的集成环境。2、PSpice是一个数据处理器。它可以对在Schematics中所绘制的电路进行模拟分析，运算出结果并自动生成输出文件和数据文件。3、Probe是图形后处理器，相当于一个示波器。它可以将在PSpice运算的结果在屏幕或打印设备上显示出来。模拟结果还可以接受由基本参量组成的任意表达式。4、Stmed是产生信号源的工具。它在设定各种激励信号

42、时非常方便直观，而且容易查对。5、Parts是对器件建模的工具。它可以半自动地将来自厂家的器件数据信息或用户自定义的器件数据转换为PSpice中所用的模拟数据，并提供它们之间的关系曲线及相互作用，确定元件的精确度。6、PSpice Optimizer是优化设置工具。它可根据用户指定的参数、性能指标和全局函数，对电路进行优化设计。2.3.3 Pspice的分析功能PSpice的分析功能主要体现在以下几方面：直流分析（DC Sweep）、交流扫描分析（AC Sweep）、瞬态分析（Transient） 、蒙特卡罗分析（Monte Carlo）、最坏情况分析（Worst Case）、温度特性分析（T

43、emperature）和数字电路分析（Digital Setup）。分析锂电池充电电路及保护电路不需要使用除了直流充电电压、电流量外的其他参数量，所以使用直流分析（DC Sweep）就可以达到要求，一下对此详细说明。非线性直流分析功能简称直流分析，它是计算直流电压源或直流电流源作用于电路时电路的工作状态。对电路进行的直流分析主要包括直流工作点分析、直流扫描分析和转移函数分析。直流工作点是电路正常工作的基础。通过对电路进行直流工作点的分析，可以知道电路中各元件的电压和电流，从而知道电路是否正常工作以及工作的状态。一般在对电路进行仿真的过程中，首先要对电路的静态工作点进行分析和计算。直流扫描分析主

44、要是将电路中的直流电源、工作温度、元件参数作为扫描变量，让这些参量以特定的规律进行扫描，从而获取这些参量变化对电路各种性能参数的影响。直流扫描分析主要是为了获得直流大信号暂态特性。 2.3.4 使用Pspice建立仿真模型在本毕业设计中，除了需要使用Pspice中的Schematics对电路进行分析仿真之外，还需要对锂电池电源管理芯片进行建立仿真模型。简单来说其方法原理就是利用Schematics绘制出芯片的电路进行封装。具体方法为：1、首先要知道芯片的功能，并且分析清楚芯片功能实现的原理，尤其是其内部的各个模块的结构。2、确定仿真模型实现的大体思路，对于器件手册里没有提及的内部模块或是某些功

45、能的实现方法，需要进行等效。3、将确定好的方案在Pspice中用已有的器件模型或是宏模型绘制出电路图，然后进行封装（对于测试电路或是仿真电路不复杂的可以直接用器件的模型电路紧系仿真而不需要封装）。4、绘制出芯片的基本功能测试电路，然后进行仿真。5、通过仿真结果对电路进行修改，并根据器件手册的说明给有延迟的部分加入延迟模块。6、将修改后的模型电路再次封装，至此器件模型制作完成。2.4 实现方案的选择2.4.1 方案介绍根据设计要求与题目的设计目的，可以确定出三种可以实现的方案来制作锂电池保护电路。方案一：使用分立元件制作使用分立元件的话，由于可以根据设计的要求自由的选择参数合适的器件，增大了制作

46、电路的可选择余地。电路的个保护部分的实现方法是：使用三极管制作过充、过放的电压检测电路，并用其输出控制开关MOS管；过流保护用一个保险管实现；过流保护用MOS管配合高耐压电阻实现；用分立元件做电量平衡保护比较困难，电路也很复杂，所以使用MOS管配合放电电阻来实现。方案二：使用FPGA做控制核心实现使用FPGA的话，就可以很容易的实现各种保护控制了。只需要分别用程序制作出过充、过放、电量平衡检测模块，分别检测电压值，再由输出控制端控制MOS管就可以了；过流保护依然可以使用保险管；过流保护可以用一个电阻将电流值转化为电压值进行测量，所用的方法与过充、过放、电量平衡检测模块相似。方案三：使用电源管理

47、芯片制作现在可以使用的可以作为锂电池充电保护电路的电源管理芯片比较多，但大多都较低档，较好的有日本理光公司的R5421系列、日本MITSUMI的MM3061系列、台湾富晶的FS312和FS313系列以及日本精工的S-8209系列等，其中又以精工的S-8209可扩展性能最是良好，所以选择其为里电池保护电路的检测管理芯片。S-8209本身就具备了过充、过放、电量平衡的检测和保护功能，只要外接少量的元件就可实现其功能；过流保护的实现方法如方案一所述，使用MOS管配合高耐压电阻实现；短路保护仍然使用保险管。2.4.2 方案的对比与选择三种方案无疑都可以实现设计要求的大体功能，但是在精度、成本、集成度上还是有较大差异的，所以要方案的选择要择优而定。表2.2 三种方案的性能对比方案精度成本集成度方案一低低一般方案二一般很高较高（视成本而定）方案三高