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

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
Nguyễn Văn Hào1,2*, Nguyễn Đức Minh1, Phạm Nguyễn Thanh Loan1*
Tóm tắt: Trong mạch sạc pin Li-Ion, các dòng điện/điện áp tham chiếu được
mở/ngắt bởi các chuyển mạch điện tử. Chúng được sử dụng để tham chiếu cho dòng
điện sạc pin trong các chế độ sạc khác nhau. Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất
một cơ chế điều khiển và tổng hợp dòng điện tham chiếu. Theo đó, một dòng điện
tham chiếu được tạo ra liên tục trong suốt tiến trình sạc nhằm khắc phục sự mất ổn
định do nội trở của pin, cũng như nhằm giảm thiểu dòng đột biến tại các thời điểm
chuyển chế độ sạc. Mạch sạc được thiết kế và mô phỏng trên Cadence sử dụng công
nghệ CMOS 0,35 m. Các kết quả mô phỏng cho thấy sự cải thiện đáng kể đối với
các vấn đề đột biến và dao động trong dòng điện sạc. Tiến trình sạc được hoàn
thành ngay khi điện áp pin và dòng điện sạc đạt các giá trị tương ứng 4,2 V và 43
mA. Hiệu năng công suất trung bình của mạch sạc đề xuất đạt 92,2 % tương ứng
với dải điện áp pin từ 2,9 V đến 4,2 V.
Từ khóa: Mạch sạc pin Li-Ion, Chuyển tiếp chế độ sạc, Mạch tổng hợp dòng điện tham chiếu.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong các loại pin sạc Li-Ion (lithium ion), SLA (sealed lead acid), NiCd (nickel
cadmium) và NiMH (nickel-metal hydride), pin Li-Ion có nhiều ưu điểm nổi bật như mật
độ năng lượng cao, số chu kỳ sạc/xả lớn (> 1000 chu kỳ), không có hiệu ứng nhớ, tốc độ
tự xả thấp (2 – 8 %/tháng), dải nhiệt độ hoạt động rộng (sạc: –20 – 60 C, xả: –40 – 65 C)
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
đang được sử dụng rất phổ biến trong các thiết bị điện tử di động như máy tính xách tay,
máy tính bảng, điện thoại di động, camera số và các công cụ kĩ thuật số ... Tuy nhiên, pin
Li-Ion có thể bị mất dung lượng (giảm thời gian hoạt động), bị phá hỏng bởi những hiện
tượng quá nhiệt hoặc do bị sạc quá mức trong tiến trình sạc. Nhằm tránh những vấn đề
này, phương thức sạc chuẩn cho pin Li-Ion đã được đưa ra và đánh giá trong [2, 3]. Nó

bao gồm ba giai đoạn sạc tương ứng chế độ dòng điện nhỏ TC (constant trickle current),
chế độ dòng điện lớn LC (constant large current) và chế độ điện áp không đổi CV
(constant voltage). Lưu đồ của tiến trình sạc được mô tả trong hình 1, theo đó, khi điện áp
pin VBat nhỏ hơn giá trị điện áp chuẩn VL = 2,9 V, vì nội trở của pin Li-Ion có giá trị lớn,
pin nên được sạc với dòng điện là hằng số có giá trị nhỏ trong chế độ sạc TC nhằm đảm
bảo pin không bị phá hỏng do quá nhiệt. Ở điều kiện điện áp bình thường và nội trở thấp
nếu như điện áp pin VBat nằm giữa hai giá trị điện áp chuẩn VL và VH = 4,2 V, dòng điện
có giá trị lớn không đổi được sử dụng để sạc pin trong chế độ sạc LC nhằm mục đích giảm
thời gian sạc. Ngay tại thời điểm điện áp pin VBat đạt giá trị xấp xỉ điện áp chuẩn VH, pin
Li-Ion được chuyển sang chế độ sạc CV với điện áp không đổi và dòng điện sạc được
giảm dần nhằm đảm bảo pin Li-Ion không bị sạc quá mức. Tiến trình sạc được kết thúc
ngay khi dòng điện sạc giảm đến một giá trị được thiết lập trước nằm trong dải từ 0,02C
đến 0,07C và điện áp pin đạt được 4,2 V, với C là dung lượng của pin Li-Ion.
Như vậy, việc thiết kế mạch sạc có hiệu suất hoạt động tốt, điều khiển chính xác trong
suốt tiến trình sạc đóng vai trò quyết định đảm bảo độ tin cậy và kéo dài tuổi thọ cho pin
Li-Ion. Nhìn chung, cơ chế điều khiển dòng điện sạc pin Li-Ion đều dựa trên cơ sở dòng
điện hoặc điện áp tham chiếu được tạo ra tương ứng với mỗi chế độ sạc trong tiến trình

86 N.V. Hào, N.Đ. Minh, P.N.T. Loan, “Thiết kế mạch sạc pin Li-Ion… tiếp mềm chế độ sạc.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

sạc. Trong các mạch sạc đã được thiết kế và thực hiện dựa trên công nghệ CMOS [4-9],
các dòng điện tham chiếu được thực hiện riêng biệt cho mỗi chế độ sạc, chúng được
mở/ngắt thông qua điều khiển các chuyển mạch tương ứng. Theo đó, một dòng điện tham
chiếu bị ngắt và một dòng điện tham chiếu khác được mở tại các thời điểm chuyển chế độ
sạc TC-LC hoặc LC-CV. Nếu có sự sai khác về thời điểm điều khiển mở/ngắt các chuyển
mạch, dòng điện đột biến có thể xuất hiện trong dòng điện sạc pin và ảnh hưởng trực tiếp
đến hiệu suất hoạt động của mạch sạc pin. Nghiêm trọng hơn là ngay khi điện áp pin xấp

xỉ giá trị 4,2 V (tại thời điểm chuyển chế độ sạc LC-CV), giá trị điện áp pin bị giảm đúng
bằng điện áp rơi trên nội trở của pin Li-Ion, điều này có thể dẫn đến chế độ sạc bị chuyển
đổi liên tục giữa hai chế độ LC và CV gây nên sự mất ổn định cho hoạt động của mạch sạc
(Hình 2). Trong nghiên cứu trước của chúng tôi [9, 10], mạch so sánh có trễ được áp dụng
nhằm cải thiện vấn đề mất ổn định này khi điện áp rơi trên nội trở của pin nhỏ hơn giá trị
điện áp trễ đã thiết kế. Bên cạnh đó, vấn đề này cũng có thể được khắc phục theo các cơ
chế chuyển tiếp mềm khác nhau trong [11-14] để quá trình chuyển chế độ sạc LC-CV
được thực hiện tự động. Trong nghiên cứu này, cấu trúc mạch điều khiển và mạch tạo
dòng điện tham chiếu theo cơ chế tổng hợp dòng điện tương tự được đề xuất nhằm đảm
bảo rằng, dòng điện tham chiếu cho dòng điện sạc pin không bị ngắt trong suốt tiến trình
sạc. Nhờ vậy, tại các thời điểm chuyển chế độ sạc, dòng điện tham chiếu cho chế độ sạc
hiện tại không bị ngắt mà chỉ mở thêm dòng điện tham chiếu cho chế độ sạc kế tiếp. Điều
này giúp giảm thiểu dòng đột biến do sự sai khác thời điểm điều khiển mở/ngắt các chuyển
mạch. Hơn nữa, trong đề xuất này, quá trình chuyển chế độ sạc từ LC sang CV cũng được
thực hiện theo cơ chế tự động nhằm khắc phục ảnh hưởng của nội trở pin đến hoạt động ổn
định trong mạch sạc pin.

Hình 1. Tiến trình sạc pin Li-Ion.

Hình 2. Chuyển tiếp không ổn định giữa
các chế độ LC và CV.

Phần còn lại của bài báo được tổ chức như sau. Mục 2 mô tả chi tiết về cấu trúc và
nguyên lý hoạt động của mạch sạc pin Li-Ion thông qua các mô đun chức năng, trong đó,
nghiên cứu nhấn mạnh đến cơ chế tổng hợp dòng điện tương tự nhằm tạo ra dòng điện
tham chiếu liên tục trong suốt tiến trình sạc pin. Trong mục 3, các kết quả mô phỏng được
đánh giá nhằm kiểm chứng toàn bộ hoạt động của mạch sạc đã thiết kế. Cuối cùng, phần
kết luận của bài báo được đưa ra trong mục 4.

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 51, 10 - 2017

87


Kỹ thuật điều khiển & Điện tử

2. MẠCH SẠC PIN LI-ION
2.1. Kiến trúc hệ thống

Hình 3. Kiến trúc hệ thống sạc pin Li-Ion.
Kiến trúc hệ thống sạc pin Li-Ion hiệu năng cao trong hình 3 bao gồm hai khối chính:
mạch biến đổi DC-DC thích ứng có điện áp ra VDC luôn được duy trì ở mức lớn hơn 0,3 V
so với điện áp pin VBat. Mạch sạc pin Li-Ion được thiết kế với điện áp ra VBat thay đổi từ
2,5 V đến 4,2 V. Ngoài ra, mạch nối tiếp RESRCcell được sử dụng làm mô hình đơn giản của
pin Li-Ion với nội trở của pin RESR thường được chọn trong dải từ vài chục đến 150 m và
điện áp của tụ Ccell đại diện cho điện áp hở mạch của cell pin, với Ccell = 3600C được tính
theo đơn vị Fara [15]. Trong bài báo này, chúng tôi chỉ tập trung nghiên cứu thiết kế mạch
sạc pin Li-Ion với cơ chế tổng hợp dòng điện tham chiếu nhằm cải thiện hiệu suất hoạt
động cho mạch sạc pin. Chi tiết về mạch sạc sẽ được trình bày và thực hiện trong phần tiếp
theo sau.
2.2. Mô tả mạch sạc pin Li-Ion
Sơ đồ thiết kế mạch sạc pin Li-Ion trong bài báo này được minh họa trong hình 4, nó
bao gồm các mô đun mạch chức năng như sau.
Nguồn dòng song song: các transistor công suất PMOS MP1 và MP2 được sử dụng như
là các nguồn dòng, chúng được điều khiển để cung cấp dòng điện sạc ICh theo mục đích
thiết kế của chúng tôi, đó là, chỉ một transistor MP1 được sử dụng trong chế độ TC và cả
hai transistor MP1 và MP2 được sử dụng nhằm tạo ra dòng điện lớn trong chế độ LC. Điều
này giúp tạo ra dòng điện sạc chính xác tương ứng theo các chế độ sạc khác nhau.
Mạch cảm biến dòng điện: mạch bao gồm các transistor MS1, MS2, MS8 và phần tử
khuếch đại OA (operational amplifier) được thực hiện nhằm tạo ra dòng điện IS, nó được

sao chép từ dòng điện sạc ICh theo tỉ số kích thước giữa các transistor MSi và MPi là 1/N =
(W/L)Si/(W/L)Pi. Hệ số N được yêu cầu có giá trị lớn nhằm giảm dòng điện IS dẫn đến
giảm công suất tiêu thụ của mạch sạc. Tuy nhiên, dòng điện IS cũng cần có giá trị đủ lớn
để đảm bảo điều kiện hoạt động cho các mạch điều khiển. Trong thiết kế này, hệ số N đã
được khảo sát và lựa chọn với giá trị là 5000.
Mạch điều khiển sạc: mạch được thực hiện bởi các transistor M1 – M6 và phần tử
khuếch đại OTA (operational transconductance amplifier). Nhờ vào đó, dòng điện IS được
so sánh với dòng điện tham chiếu IRef-ch để tạo ra các tín hiệu Vg1, Vg2. Chúng được sử
dụng để điều khiển các transistor nguồn dòng MP1, MP2 sao cho dòng điện sạc ICh được tạo
ra luôn có giá trị là (N x IRef). Như vậy, dòng điện sạc ICh luôn được điều khiển theo dòng
điện tham chiếu IRef được thay đổi tương ứng với các chế độ sạc khác nhau. Ngoài ra, dòng
điện IS cũng được so sánh với dòng điện tham chiếu IRef-end nhằm tạo ra tín hiệu kết thúc
sạc Vend ở mức điện áp cao ngay khi dòng điện IS nhỏ hơn IRef-end.

88 N.V. Hào, N.Đ. Minh, P.N.T. Loan, “Thiết kế mạch sạc pin Li-Ion… tiếp mềm chế độ sạc.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

Hình 4. Mạch sạc pin Li-Ion.
Mạch tạo dòng điện/điện áp: trên cơ sở điện áp pin VBat, mạch này có chức năng tạo ra
các tín hiệu điều khiển logic và các dòng điện tham chiếu tương ứng với các chế độ sạc
khác nhau. Cụ thể là, các tín hiệu điều khiển logic VS1, VS2 được sử dụng để lựa chọn các
transistor nguồn dòng thông qua điều khiển mở/ngắt các cổng truyền dẫn M1M2 và M3M4.
Ba loại dòng điện tham chiếu của IRef-ch được sử dụng để tham chiếu cho dòng điện sạc ICh
trong các chế độ sạc TC, LC và CV.
Nhằm đảm bảo các điều kiện hoạt động của các phần tử khuếch đại trong mạch sạc như
công suất tiêu thụ thấp, điện áp lệch không nhỏ, dải điện áp ra rộng và dải điện áp cung cấp
thay đổi từ 2,8 V đến 4,5 V. Trong thiết kế này, phần tử khuếch đại OA được thiết kế dựa
trên cấu trúc mạch khuếch đại điện áp hai tầng được đưa ra trong [16, 17]. Tương tự, trên cơ

sở cấu trúc mạch khuếch đại điện dẫn hai tầng trong [18], phần tử khuếch đại OTA được
thực hiện theo cấu hình sử dụng cặp trasistor PMOS tại đầu vào tầng khuếch đại vi sai.
2.3. Đề xuất thiết kế mạch tạo dòng điện/điện áp
Mạch tạo dòng điện/điện áp bao gồm mạch tạo dòng điện tham chiếu và mạch điều
khiển logic. Trong đó, mạch điều khiển logic không chỉ tạo ra các tín hiệu lựa chọn các
transistor nguồn dòng mà còn tạo ra các tín hiệu điều khiển được sử dụng để mở/ngắt các
dòng điện tham chiếu tương ứng với mỗi chế độ sạc. Do vậy, mạch điều khiển logic phải
được thiết kế dựa trên cấu trúc của mạch tạo dòng điện tham chiếu được đề xuất.
2.3.1. Mạch tạo dòng điện tham chiếu

Hình 5. Mạch tạo dòng điện tham chiếu theo cơ chế tổng hợp tương tự.

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 51, 10 - 2017

89


Kỹ thuật điều khiển & Điện tử

Trong các mạch sạc sử dụng phương thức điều khiển logic, các dòng điện tham chiếu
ITC, ILC và ICV được mở/ngắt độc lập thông qua các transistor chuyển mạch, điều này có thể
gây ra các vấn đề như đã đề cập trong mục 1.
Mạch tạo dòng điện tham chiếu theo cơ chế tổng hợp tương tự được đề xuất trong hình 5.
Theo đó, dòng điện tham chiếu ITC được mở trong suốt tiến trình sạc, ILC chỉ được mở khi
VLC ở mức điện áp cao (khi VBat VL) và ICV được mở tự động ngay khi điện áp pin VBat
VH. Các dòng điện tham chiếu thành phần này được tổng hợp nhằm tạo ra dòng điện tham
chiếu ICh-ref thông qua mạch tổng hợp tương tự bao gồm các transistor M15 – M22. Dòng điện
tham chiếu ICh-ref tham chiếu cho dòng điện sạc được xác định theo biểu thức (1)
I

-

= (I

+I )−I .

(1)

Từ (1) cho thấy rằng, dòng điện tham chiếu là ITC (ILC, ICV = 0) trong chế độ TC, dòng
điện tham chiếu là tổng của ITC và ILC (ICV = 0) trong chế độ LC và khi ở chế độ CV, dòng
điện tham chiếu là dòng điện tổng hợp từ ITC, ILC và ICV. Như vậy, dòng điện tham chiếu
IRef-ch được tạo ra không bị ngắt tại các thời điểm chuyển chế độ sạc cũng như trong suốt
tiến trình sạc giúp cải thiện hiệu suất hoạt động cho mạch sạc pin Li-Ion. Ngoài ra, mạch
tạo dòng điện tham chiếu này không sử dụng các transistor chuyển mạch cho việc mở/ngắt
các dòng điện ITC và ICV dẫn đến việc thực hiện mạch điều khiển logic được đơn giản hơn.
2.3.2. Mạch điều khiển logic
Trên cơ sở mạch tạo dòng điện tham chiếu đã đề xuất trong hình 5, mạch điều khiển
logic được thực hiện trong hình 6(a). Qua đó, điện áp pin VBat luôn được so sánh với các
điện áp chuẩn VH và VL để tạo ra các tín hiệu điều khiển logic VS1, VS2 và VLC. Trạng thái
logic của các tín hiệu điều khiển được mô tả rõ hơn trong hình 6(b). Trong thiết kế này,
nhằm đảm bảo ổn định cho các tín hiệu điều khiển trong môi trường nhiễu hoặc biến động
nhỏ của VBat, các bộ so sánh C1 và C2 được thiết kế trên cơ sở mạch so sánh điện áp có trễ
[19] với vòng điện áp trễ đạt được xấp xỉ giá trị 200 mV.

(b)
(a)
Hình 6. (a) Mạch điều khiển logic. (b) Trạng thái logic của tín hiệu điều khiển.
3. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
Quá trình mô phỏng mạch sạc đã thiết kế được thực hiện trên Cadence 5.10.41. Trong mô
phỏng này, điện áp cung cấp VDC được thực hiện bởi phần tử nguồn áp được điều khiển bằng

điện áp. Với mục đích giảm thời gian thực hiện mô phỏng và đảm bảo các kết quả đánh giá
cho đề xuất cải thiện trong mạch sạc được thể hiện rõ ràng, pin Li-Ion có dung lượng 2000
mAh được mô hình hóa bởi mạch nối tiếp RC với các giá trị tương ứng 100 m và 2000
mF, điều kiện đầu của điện áp pin VBat được thiết lập tại mức điện áp 2,5 V.
Kết quả mô phỏng của các dòng điện tham chiếu được thể hiện rõ trong hình 7. Dòng
điện IRef-ch tham chiếu cho dòng điện sạc được tổng hợp chính xác từ các dòng điện tham
chiếu thành phần ITC, ILC và ICV. Điều này đã khẳng định rằng, dòng điện IRef-ch được tạo ra
một cách liên tục và không bị ngắt tại các thời điểm chuyển chế độ sạc. Trong hình 8,

90 N.V. Hào, N.Đ. Minh, P.N.T. Loan, “Thiết kế mạch sạc pin Li-Ion… tiếp mềm chế độ sạc.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

dòng điện cảm biến IS luôn có giá trị tỉ lệ với dòng điện sạc ICh theo tỉ số đã thiết kế trong
suốt tiến trình sạc. Từ kết quả mô phỏng của các dòng điện IRef-ch, IS và ICh trong các hình 7
và 8 cho thấy, vấn đề về dòng điện đột biến tại các thời điểm chuyển chế độ sạc đã được
giảm thiểu.

Hình 7. Kết quả mô phỏng các dòng điện tham chiếu.

Hình 8. Kết quả mô phỏng dòng điện sạc ICh và dòng điện cảm biến IS.
Hình 9 biểu diễn kết quả mô phỏng của dòng điện và điện áp tại đầu ra của mạch sạc.
Trong đó, VBat được sạc từ 2,5 V đến 4,2 V, có nghĩa là pin đã được sạc đầy dung lượng.
Quá trình chuyển đổi chế độ sạc từ TC sang LC và từ LC sang CV xảy ra tại các thời điểm
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
trong chế độ TC, 1000 mA trong chế độ LC và giảm dần từ 1000 mA đến 43 mA trong chế
độ CV. Quan trọng hơn là tại thời điểm chuyển chế độ sạc từ LC sang CV, dòng điện sạc
ICh và điện áp pin VBat không xảy ra hiện tượng thăng giáng. Điều này cho thấy sự ảnh
hưởng của nội trở pin đến hoạt động ổn định trong mạch sạc đã được cải thiện bởi cơ chế

chuyển tiếp tự động giữa hai chế độ sạc LC và CV.

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 51, 10 - 2017

91


Kỹ thuật điều khiển & Điện tử

Hình 9. Kết quả mô phỏng dòng điện và điện áp đầu ra của mạch sạc.
Hiệu năng công suất của mạch sạc trong hình 10 với dải điện áp pin từ 2,9 V đến 4,2 V
có thể đạt mức giá trị cao nhất tại 93,3 %, và hiệu năng trung bình đạt được là 92,2 %.
Cuối cùng, các kết quả đạt được của mạch sạc đã thiết kế được liệt kê và so sánh với một
số thiết kế mạch sạc điển hình trong bảng 1.

Hình 10. Hiệu năng công suất của mạch sạc với VBat = 2,9  4,2 V.
Bảng 1. Bảng so sánh.
Thiết kế
Tham số
[4]
[5]
[6]
[8]
đề xuất
TSMC
TSMC
TSMC
CMOS
BCD
Thư viện công nghệ

0,18 µm
0,35 µm
0,35 m
0,35 m
0,35 m
Điện áp cung cấp
Chuyển tiếp mềm
chế độ sạc
Hiệu năng công suất
trung bình

5,0 V

2,3 – 4,5 V

5,0 V

4,8 – 5,0 V

2,8 – 4,5 V

-

-

-

X

X

67,89 %

91,2 %

67,4 %

79 %

92,2 %
(Chế độ LC)

92 N.V. Hào, N.Đ. Minh, P.N.T. Loan, “Thiết kế mạch sạc pin Li-Ion… tiếp mềm chế độ sạc.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

Dòng điện sạc ITC

325 mA

300 mA

304 mA

74 mA

209 mA

Dòng điện sạc ILC

710 mA

698 mA

711 mA

450 mA

1000 mA

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

4. KẾT LUẬN
Trong bài báo này, mạch sạc pin Li-Ion đã được thiết kế sử dụng thư viện công nghệ
BCD 0,35 m. Mạch sạc hoạt động với dải điện áp cung cấp từ 2,8 V đến 4,5 V, dải điện
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
sạc TC, LC và CV là hoàn toàn phù hợp để sạc pin Li-Ion. Hơn nữa, với đề xuất cơ chế
mạch tổng hợp tương tự nhằm tạo dòng điện tham chiếu không ngắt trong tiến trình sạc
không chỉ giúp giảm thiểu dòng điện đột biến tại các thời điểm chuyển chế độ sạc, mà còn

giúp khắc phục sự ảnh hưởng bởi nội trở của pin đến hoạt động ổn định trong mạch sạc
pin Li-Ion. Điều này dẫn đến nâng cao hiệu suất hoạt động cho mạch sạc pin Li-Ion.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. D. Linden, T. B. Reddy, “Handbook of batteries,” New York: McGraw-Hill (2002),
ch. 35.
[2]. S. Dearborn, “Charging li-ion batteries for maximum run times,” Power Electron.
Technol. Mag., (2005), pp. 40-49.
[3]. A. A. Hussein, I. Batarseh, “A review of charging algorithms for nickel and lithium
battery chargers,” IEEE Trans. Veh. Technol., Vol. 60, No. 3 (2011), pp. 830-838.
[4]. Y. S. Hwang, S. C. Wang, F. C. Yang, J. J. Chen, “New compact CMOS li-ion
battery charger using charge-pump technique for portable applications,” IEEE
Trans. Circuits Syst. I, Reg. Papers, Vol. 54, No. 4 (2007), pp. 705-712.
[5]. J. J. Chen, F. C. Yang, C. C. Lai, Y. S. Hwang, R. G. Lee, “A high-efficiency
multimode li-ion battery charger with variable current source and controlling
previous-stage supply voltage,” IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 56, No. 7 (2009),
pp. 2469-2478.
[6]. C. C. Tsai, “A reduced li-ion battery charger for portable applications,” Ninth Int.
Conf. Natural Computation, (2013), pp. 1718-1722.
[7]. H. Y. Yang, T. H. Wu, J. J. Chen, Y. S. Hwang, C. C. Yu, “An omnipotent li-ion
battery charger with multimode controlled techniques,” IEEE 10th International
Conf. Power Electron. and Drive Syst., (2013), pp. 531-534.
[8]. P. H. V. Quang, T. Tien Ha, J. W. Lee, “A fully integrated multimode wireless power
charger IC with adaptive supply control and built-in resistance compensation,” IEEE
Trans. Ind. Electron., Vol. 62, No. 2 (2015), pp. 1251-1261.
[9]. H. Nguyen-Van, D. Nguyen, T. Nguyen, M. Nguyen and L. Pham-Nguyen, “A li-ion
battery charger with stable charging mode controller in noise environments,” Int.
Conf. Advanced Technologies for Communications, (2015), pp. 270-274.
[10]. H. Nguyen-Van, T. Nguyen, V. Quan, M. Nguyen and L. Pham-Nguyen, “A topology
of charging mode control circuit suitable for long-life li-ion battery charger,” IEEE
Sixth Int. Conf. Communications and Electronics, (2016), pp. 167-171.

[11]. M. Chen, G. A. Rincón-Mora, “Accurate, compact, and power-efficient li-ion battery
charger circuit,” IEEE Trans. Circuits Syst. II, Exp. Briefs, Vol. 53, No. 11 (2006),
pp. 1180-1184.
[12]. C. H. Lin, C. Y. Hsieh, K. H. Chen, “A li-ion battery charger with smooth control
circuit and built-in resistance compensator for achieving stable and fast charging,”
IEEE Trans. Circuits Syst. I, Reg. Papers, Vol. 57, No. 2 (2010), pp. 506–517.

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 51, 10 - 2017

93


Kỹ thuật điều khiển & Điện tử

[13]. R. Pagano, M. Baker, R. E. Radke, “A 0.18-m monolithic li-ion battery charger for
wireless devices based on partial current sensing and adaptive reference voltage,” J.
Solid-State Circuits, Vol. 47, No. 6 (2012), pp. 1355-1368.
[14]. S. H. Yang, J. W. Liu, C. C. Wang, “A single-chip 60-v bulk charger for series li-ion
batteries with smooth charge-mode transition,” IEEE Trans. Circuits Syst. I, Reg.
Papers, Vol. 59, No. 7 (2012), pp. 1588-1597.
[15]. S. Gold, “A PSPICE macromodel for lithium-ion batteries,”The Twelfth Annual
Battery Conf. Applications and Advances, (1997), pp. 215-222.
[16]. P. E. Allen, D. R. Holberg, “CMOS analog circuit design,” New York: Oxford Univ.
Press (2002), ch. 6.
[17]. J. Mahattanakul, J. Chutichatuporn, “Design procedure for two-stage CMOS opamp
with flexible noise-power balancing scheme,” IEEE Transactions on Circuits and
Systems I: Reg. Papers, Vol. 52, No. 8 (2005), pp. 1508-1514.
[18]. R. J. Baker, “CMOS: Circuit design, layout, and simulation,” New Jersey: Wiley,
IEEE Press (2010), ch. 24.
[19]. R. Gregorian, “Introduction to CMOS op-amps and comparators,” New York: Wiley

(1999), Chapter 5.
ABSTRACT
A LI-ION BATTERY CHARGER DESIGN BASED ON AN UNINTERRUPTED
REFERENCE CURRENT FOR CANCELLING SPIKE CURRENT
AND SMOOTHING CHARGE-MODE TRANSITION
In charging circuit for Li-Ion battery, the reference current/voltage, which are
used as references for charging current in different charging modes, are turned
on/off by electronic switches. In this paper, a mechanism of control and
combination for the reference current is proposed. In this approach, the reference
current is generated uninterruptedly throughout the charging process to overcome
instability caused by internal resistance of the battery as well as to minimize the
spike current at the time of changing the charging mode. The battery charger was
designed and simulated by Cadence using 0.35 m CMOS technology. The
simulation results show a significant improvement regarding abrupt change and
fluctuation of the charging current. The charging process is completed as soon as
the battery voltage and charging current reach the values of 4.2 V and 43 mA,
respectively. The average power efficiency of the proposed charging circuit is 92.2
% corresponding to the battery voltage range of 2.9 V to 4.2 V.
Keywords: Li-Ion battery charger, Charge-mode transition, Reference current combination circuit.

Nhận bài ngày 10 tháng 07 năm 2017
Hoàn thiện ngày 18 tháng 08 năm 2017
Chấp nhận đăng ngày 25 tháng 10 năm 2017
Địa chỉ:

1

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Số 1 Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà Nội;
Trường Đại học Quy Nhơn, 170 An Dương Vương, Quy Nhơn, Bình Định.
*

Email: ;
2

94 N.V. Hào, N.Đ. Minh, P.N.T. Loan, “Thiết kế mạch sạc pin Li-Ion… tiếp mềm chế độ sạc.”