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 N.V. Hào, N.Đ. Minh, P.N.T. Loan, “Thiết kế mạch sạc pin Li-Ion tiếp mềm chế độ sạc.” 86 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 Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 51, 10 - 2017 87 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. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử N.V. Hào, N.Đ. Minh, P.N.T. Loan, “Thiết kế mạch sạc pin Li-Ion tiếp mềm chế độ sạc.” 88 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. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 51, 10 - 2017 89 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. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử N.V. Hào, N.Đ. Minh, P.N.T. Loan, “Thiết kế mạch sạc pin Li-Ion tiếp mềm chế độ sạc.” 90 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. (a) (b) 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, Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 51, 10 - 2017 91 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. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử N.V. Hào, N.Đ. Minh, P.N.T. Loan, “Thiết kế mạch sạc pin Li-Ion tiếp mềm chế độ sạc.” 92 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. Tham số [4] [5] [6] [8] Thiết kế đề xuất Thư viện công nghệ TSMC 0,35 m TSMC 0,35 m TSMC 0,35 m CMOS 0,18 µm BCD 0,35 µm 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 Chuyển tiếp mềm chế độ sạc - - - X X Hiệu năng công suất trung bình 67,89 % 91,2 % 67,4 % 79 % 92,2 % (Chế độ LC) Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 51, 10 - 2017 93 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. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử N.V. Hào, N.Đ. Minh, P.N.T. Loan, “Thiết kế mạch sạc pin Li-Ion tiếp mềm chế độ sạc.” 94 [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; 2 Trường Đại học Quy Nhơn, 170 An Dương Vương, Quy Nhơn, Bình Định. *Email: nvhao@ftt.edu.vn; loan.phamnguyenthanh@hust.edu.vn.