Int ern at i onal  Journ al of  P ower E le ctr on i cs a n Drive  S ystem s   ( IJ PEDS )   Vo l.   12 ,  No.   1 M a r 202 1 , p p.  374 ~ 3 8 4   IS S N:  20 88 - 8694 DOI: 10 .11 591/ ij peds . v12.i 1 . pp 37 4 - 3 8 4          374       Journ al h om e page http: // ij pe ds .i aescore.c om   h i gh  e ffici ency  and  h i gh  s peed  c ha rge o f Li - I on  b atte ry   c ha rger  i nterfa ce  u si ng  s witchi ng - b ased  t echni que in 180   nm   CMOS  t echnolo gy       Musta ph El   Alaoui 1 , F oua d F arah 2 , Kar im  El  kh adi ri 3 , Ahmed T ah i ri 4 , Rachid El  Alami 5   Ha ss an  Q jidaa 6   1,2,5,6 La bora tory of Com put er  Sci enc e ,   Sign al s,   Automa t ion and  C ognit ivi sm   (LI S AC),  Depa r tm en of  Phys ic s,     Facul ty   of  Sci en ce s Dhar   El Mah raz ,   Sidi   Moham ed  Ben   Abd ellah   Univer sity ,   Fe z, Moroc co   3,4 La bora tory  of   Comput er   Scie n ce   and  In te rdis ciplina ry   Phys ic s ( LIPI),   Norm al   S uper ior  Schoo F ez   ( ENSF ),   Sidi  Moham ed Ben  Abdel la h   Univer sity ,   Fe z,  Morocc o       Art ic le  In f o     ABSTR A CT    Art ic le  history:   Re cei ved   Sep   18 , 20 20   Re vised  Jan  11 , 2021   Accepte Ja n   22 , 2 0 21       In  th is  work,   the  design   and   an alys is  of   new   Li - I on  ba tt e ry  cha rg er  interfa c e   using  the   sw it c hing - base t ec h nique   is  propos ed  for  hig eff i ci en cy,   h igh   spee cha rg e   an low  area.   Th high  eff i ci en cy,   the   lower   si ze   a rea   and   the   fast  ch arg are   the   mor i mpor ta nt  nor ms  of  t he  proposed  Li - Ion  bat t ery   cha rge r   in te rf ace .   The  batter y   ch arg ing   is  com pl e te p asses  to   e ach  ch arg ing   mode :   Th f irst   mode  is t he   trick le  cha rg e   mode  ( TC),  the  se cond  mode  is t he   consta nt   cur r ent  mode  (CC)  and   the  la st   mod i the   consta n v olt ag mod (CV),  in   th ir ty   t hre e   mi nu te s.   T he  n ew  L i - Ion   bat t ery   cha rg er  int erf ac e   is   designe d,   simul a te and  l ayout ed   in  Cad ence  soft ware   using  TSCM  180  nm   CMO te chnol o gy.   W it an  inp ut  voltage   V IN   =   4. 5   V,  th ou tput   ba ttery   volt ag (V B AT ma y   ran g e   from   2. 7   V   to   4 . 2   V   and   the   m axim um  cha rg ing  bat t ery   cur r ent   (I B AT is  1. 7   A.  Th pea eff i ci en c rea ch es  97%  a nd  the   to ta l   are a   is on ly  0 . 03 mm 2 .   Ke yw or d s :   Con sta nt curre nt m od e   Con sta nt volt a ge  m ode   Current se ns i ng    LDO ba sed   Li - I on b at te r y char ger inte r fa ce   Sw it chin g base d   This   is an  open   acc ess arti cl e   un der  the  CC  BY - SA   l ic ense .     Corres pond in Aut h or :   M ust ap ha  El  A la ou i   Lab or at or y of   Com pu te r  Scie nce, Si gnal s, A uto mati on  an d C ogniti vism  (L IS AC )   Dep a rtme nt of  Physics Facult y of Sci ences   Dh a r   El  M a hr a z, Sid Mo ham ed  Be n Abd el la h Un i ver sit y,  Fez,  M or occo   B.P. 179 6   F ez - Atla s, 300 03, Fez , M orocco   Emai l:  mu sta pha.ela la oui@ usmb a .ac.ma       1.   INTROD U CTION     The  Ba tt er is  necessa ry  el ement  to  sup ply  the  el ect rici ty - pow ere portable  de vices,  for  exa mp le ,   cel lular  ph on e ,   Lapt op,  ta blet s,  et c.  In  ad diti on,  decr easi ng  the  powe c onsu m ptio to   wi den  the  operati on al   li fe  and   ti me the  cha rg i ng  is  an oth e crit ic al   issue  f or   t he  ba tt ery   [1].  Slow e c harg ing   is  c onside red   as   wasti ng  ti me.  Howe ver,  the   degra dation  of   batte r li fe  a nd  the   inc rease  in  te mp e ratu re   are  ca us e by  fast   chargin [ 2].   The  Li - Ion  ba tt ery   is  mo stl util iz ed  in  th automoti ve  f ei ld  especial in  the  pro duct ion   of   el ect rical   ve hicules,   res pecti ng  t he  global   po li cy   on  t he   app li cat io of  ren e wa ble  e ne rg ie s   a nd  al te r native  energies  [3 ] - [ 5].   Th us ,   the  Ni - C a nd  th Ni - M H   batte ries  a re  s ubsti tute  of   the  Li - I on  batte ries t hat  du e   of  their   high   performa nce  [ 6],  but  to   this  day,  the   Li - Ion   batte ries  are   the  m ore  use a nd  po pu la rech a rg ea ble  ba tt eries,  and  co ntr ols  t he  m obil batt ery  ma rk et   [ 7].  F ur t her  m or e to   f ull - f ull  the  pur po se   of  obta inin a   r edu ce   pro du ct io cos t,  the   hi gh  ef f ic ie ncy   a nd  t he   nece ssit of  l ow  c omplexit of  th L i - Ion   batte r c harger   interface  ( BC I )  are hig hly i mporta nt [8].   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J   P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       A h i gh eff ic ie ncy and h i gh s pe ed  c harg e  o Li - I on batt ery  charger  interf ac e u si ng  ....   (M us ta pha El  Ala ou i )   375   The  Li - I on  batte ry   reno wn e as  the   best   en ergy  st or a ge  t hat  s olv t he  need  of  a   lo w   cost,   li ght   weig ht  a nd  l ong  operati on  t ime  [ 1].  T her e fore,  t he  c ha rgi ng   so l ution  f or  the   Li - Ion  ba tt ery   has  a ppea le s intense  re searc ef forts  re gardless  in  the  i ndus tr or  in  the  academia   [ 6 ] [ 9 ] [ 10].   T he  c harger  s ol utions  wel l   known   are   ess entia ll cl assif ie int t wo  ty pes,  F ig ure   s h ow s   the   LD O   ( L ow - Dro pout ba sed   c harg er  a nd   the s witc hing - base c harger   [ 11] .           Figure  1. The   LDO ( l ow - d r opout)  b ase c ha rg e a nd the  S witc hing - base d cha rg e r [11]       The  L DO - base cha r ger   ac hi eves  the  be nefi of   sim plici ty  at   the  tro ub le   of   poor  ef fi ci ency The   LDO - base c ha rg e res ponde nt  f or  s uch  re quest ca us of  it low  c urre nt   rip ple  a nd  it   may   be   inse rted  int the  c hip  wit hout   desc ript ive  c ompone nt   [ 12].  T he  l ower   ef fici enc is  a   gr eat   pr ob le m   for  it ,   so   t he   util iz at ion   of  t he  Power - M O as   var ia ble  cu rr e nt  s our ce  is  so l utio of  it lo e ff ic ie nc a nd  al so   to   minimi ze  it   dro pout  [ 13] .   The  s witc hing   base re quir es  an  a dv a nce ci rc uit  desi gn   t reali ze  high  eff ic ie nc y,   it   giv es  wide  ra nge  of   t he  in put/ ou tp ut  vo lt age   [14 ].   F urt her  more  the  s witc hing  based  is  c os ti ng  lot  of   dr a w backs,  li ke  worse  no ise   r epudiat ion   a of   the  rip ple  at   switc hin rate,  an rise   power  consu mp ti on  [ 15].   In   a ddit ion t he se  chargin s ys te ms  a re  ty pi cal ly  integrate into  sin gle  chip  to  mini mize   ci rcu it   des ig c omplexit th rou gh   t he  imp r ov e me nt  of   C MOS  t echnolo gy.  T he n,   the  batte r charger  is  i ntegr at e into  a   S ys te m - on - Chi (SoC)   to  re du ce   the   ef fect  of  rip pl an no ise   [ 15].   Fig ure  sh ows   the   cha rg i ng   modes  of   Li - I on  batte r that' s   con sist e of  f our  sta ge s:  the  first  one  is  the  tric kle  cha rg ( TC),  the  sec on one  is  the   co ns ta nt  cu rrent   (CC)   charge,   the   t hir one   is  t he  c onsta nt   volt age   (CV)  c harge   a nd  th la st   one   i t he   charge ter mina ti on   [16 ] ,   [ 17] .           Figure  2. The  c hargin g mo des  of Li - Ion  batte ry       The  TC  cha r ge   mode  is  act ivate wh e th batte ry   vo lt a ge  ( V BAT is  re du ce tha the   low  volt age   (V L ) the  batte r cu rr e nt  is  ke pt  at   con sta nt  low  value  ( 0.1 C,  represent the  capaci ty  of   the  batte r a nd   it s   un it   is  (Ah a mp e re - hours)   to  protect   the  batte ry  f rom  be ing   da mage by  an   ove rh ea ti ng .   The   CC   charg e   mode  is  sel ect ed  wh e V BAT   is  bet ween  th low  vo lt age   (V L )   a nd  the   hi gh   volt age  ( V H ),   it   mi nimize the   chargin ti me  because  the  b at te ry  is c ha rg e d wit high CC  (0. 1 C - 1C).   The  C c harg mode   is  act ivate w hen  V BAT   rise  up  t t he   sp ecs   va lue  of  the  V H w hich  ma ke   th e   chargin cu rr e nt  (I BAT )   fall s   to  t he  c ut - off   (0.02C - 0.0 7C)  an the   c harg pr ocess   en ds.   We   prese nted  t his   arti cl at   the  f ollow i ng :   Sect ion  I pro po se th e   cha r ging  ci rcu it   of  Li - I on  batte r c harger   inter face;  Sect io III  pr ese nts the  simulat io n res ults o f our c hargin ci rc uit;  and  we  c on cl ud e   in Secti on  IV.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele D ri   S ys t,   V ol 12 , N o.   1 Ma rch  20 21   :   374     384   376       2.   PROP OSE D CH ARGIN CIRC UIT O F  LI - IO B AT TE RY   CHA R GER I NTER FAC E   Un ti now the re  are  numer ous  resea r c art ic le hav offe red   diff e re nt  arch it ect ur e in  orde to   gen e rate  a   c onsta nt  outp ut  su ppl vo lt a ge   f or  the   Li - Ion  BC I   us in CMOS  te c hnol ogy,  but  t heir   po wer  eff ic ie nc is  c omparati vel low  due  to  a increase  pow er  loss  of   t he   Power - MOS F ET  [ 17 ] - [ 21 ].   As  so luti on   of  t his   pr ob le m   we  a r goin to   c on t ro l   the   each   m od e   via  it i de ntica co ntr ol  s ign al   t i mpro ve  t he   powe eff ic ie nc that  will   co ntribute   to  a da pting   betwee the  supp l vol ta ge  of  cha rg i ng   a nd  the  V BAT .   pro po se cha r ging  ci r cuit  of  Li - I on   BC I   is  i ll us trat ed  i F igure  w hich   i nclu des  seve su b - ci rc uits:   th m od con t ro l,  the c ur ren ts  ref e re nce , th e c ha rg e  contr ol,  the  g at dr i ver ,  the le ve l shifter  and t he  curre nt se ns ing.           Figure  3. The   pro po se c ha rgi ng  ci rcu it   of L i - Ion  batte r c harger  inter fac e (BCI )       The  m ode  c on t ro blo c is  co ncep te to  de fine  the  c hargi ng  m od e (TC CC   and   C V)   by  co mpa rin the  V BAT   with  the  V H   a nd   t he   V L wh ic a re  ge ner at e f r om   band - ga bl ock.  I oth er  ha nd   t he  c urren ts   ref e ren ce   blo c pro duces   a   de sired   c urren ts   matc hing  t the   m od e   c on t r ol  outp ut  vo lt a ge.   T he   la tt er  blo c is   fo ll owe by  charge  co ntr ol  blo c util iz ed  for  co mp a rin betwee the  c urre nt  sens or   I se nse   and   the  r efe ren c currents   to  ge ne rate  the  gate  vo lt age   ( V G )   w hich  a ssist   to  c on t ro t he  P - P M O t hanks  t the  le vel - s hift  with  a   gate - dr ive ci r cuit.  That  mai ntains  c on st ant  volt age  dif fer e nce  am ong  the  sup ply   volt age  ( V IN a nd   t he   V BAT . T he op e r at ing   pr i nciple  of each  b l ock ha s b ee n desc rib ed belo w.     2.1.  M od e  Co nt r ol   The  mode  c on trol  ci rc u it   is  sh ow i F i gure  4.   The   m ode  co ntr ol  bl oc ci rc uit  is  l og ic   c ontr ol   sy ste m   co ns ist   of  t w le vels  from   outp ut  volt age:  a   high  vo lt age   th at   m eans   lo gic  le ve eq ual  ' 1'  a nd  lo w   vo lt age   that   m eans  l ogic   le ve eq ual  ' 0'.  It  c on t rib utes  to   de f ine   the   V BAT   an to   pro duc the   co ntr ol  s ign al s   (V TC V CC V CV res pecti vely The  tric kle  c harge  vo lt age  (V TC ) the  c onsta nt  curre nt  volt age  ( V CC a nd   t he   const ant  volt ag vo lt age  ( V CV are  re su lt in from  c ompar ison   (by  tw hi gh   s pee co m par at or)  of  the  V BAT   with  the  ref e re nce  volt ages  (t he  V H   a nd  the  V L ).   The refore w hen  V BAT   is  lowe tha th V L bein on ly  the   V TC   act ive.  W hen   V BAT   is  hi gh e or   e qual   than  t he  V L   an lowe tha the   V H bein onl the  V CC   act iv e.  A nd  wh e n V BAT   is  hi gh e r or  e qual  t han the  V H ,  b ei ng only  the  V CV   act ive.   Also t he  co ntr ol  volt age  sig na (V Control is  sent  to  the  cha r ge  co ntr ol  blo c f or   gen e rati ng  cha rg e   current   in  t he  corres pondin charge  mode.   Figure  sho w the  wa veforms  of  the  c ontrol  si gn al s   ( V TC V CC V CV ),   the  I BAT   and   t he  V BAT We  can  obser ve f rom  F ig ur e   that  in  the  T mo de only  t he  V TC   is  set   to   'ON '.   In the CC  mod e, only  the  V CC   is set  to  ' O N'.   And  i the  CV   mode,  only t he  V CV   is set  t ' ON ' .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J   P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       A h i gh eff ic ie ncy and h i gh s pe ed  c harg e  o Li - I on batt ery  charger  interf ac e u si ng  ....   (M us ta pha El  Ala ou i )   377       Figure  4.  Sc he mati c o f  the  m od e   co ntr ol  bloc k unde CA D ENCE s oft ware           Figure  5.  Wa ve forms  of the  c on t ro l si gn al s  (V TC , V CC , V CV ) , th batte r c urre nt (I BAT a nd the  batte ry    vo lt age  (V bat )       2.2.  C urren ts Refere nce   Figure  s how the  c urren ts  ref e ren ce   ci rcui under   C A D ENCE  s of t ware It  c onsist of  an   O pAm and a C ompara tor  t o produce  a cu rr e nt r e fer e nce  I Ref   w hich  is d et er mine i the  equati on:     I Ref = V Ref R Ref                         (1)     The  fi rst  cu rr e nt  mir ror  s ys te co ns ist in of  the  P MOS  tr ansisto rs  ( PM2 P M 3,  P M 4,  P M 5)  us e i the  de sig n,   a s sist   to  pr oduc tric kle  cha rg e   cu rr e nt  (I TC ),   c onsta nt  current  c urre nt   (I CC )   an c ut - off  current  (I Cutt - off ),   that  a re  pro portio nal  to  I R ef Also,  the a re  util iz ed  as  a   ref e ren ces   pr oport ion al   in  t he  TC   mode,  t he  CC  mode  a nd  the  e nd  of  the   cha r ge   mode,   res pec ti vely.  A s w el l,  w hen   t he  V BAT   reaches   4.2 5V,  t he   high  sp ee c ompa rator   with  the  seco nd  cu r ren mir r or   s yst em  consi sti ng  of   P MOS  tr ansisto rs  (PM 0,  PM1 us e in  the  des ign sta rts  to  pro duce  co ns t ant  volt age  cu r ren ( I CV w hic is  de c reasin from  the  I CC   to  the   I Cut - off The   I CV   is  util iz ed  a ref e ren ce   pro portion al   in  the   CV   m ode.   The   V TC ,   the  V CC   a nd  t he  V CV   gen e rati ng  f rom  the  m ode  co ntr ol  blo c a re   us e in  the  c urre nts  re fer e nc blo c to  c ontrol  the  t hr ee  s witc he s   SW1,  SW2  a nd  S W 3,   res pec ti vely.   Se ndin the  I TC ,   the  I CC   and  the  I CV   to  the   cha r ge  c on t ro blo c i each  charge  mode  ( TC, CC , a nd C V) .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele D ri   S ys t,   V ol 12 , N o.   1 Ma rch  20 21   :   374     384   378       Figure  6.  Sc he mati c o f  the c urre nts r e fer e nc e b loc k u nd e r C AD E NCE s oft war e       2.3.  C ha r ge C on t rol   The  c harge  co n tr ol  ci rcu it   is  il lustrate in  F igure  7.  This  bl ock   is  util iz ed  to  ge ner at gate  volt ag e   (V G t the lev el - sh ifte r wit h t he  gate - dr i ver   for  dri vi ng  th e Power - P M O in the each  c ha rg mode. T he valu e   of  the   V G   is   va ried   with   the   c urren t   I TC - CC - CV   by   the   c u r ren t   co mp a rato r   w hich   use in   t he   de sig t co mp a re   betwee t he  c urren t   sen sin I sense   ( ge ner at ing  f rom  the   sensing   cu rr e nt   blo c k)  a nd  t he  c urre nt  I TC - CC - CV   (g e ner at in fro the  c urre nts   ref e re nce  blo c acc ordin t the  eac m od e).  T he  V G   is  evaluate as  t he   low  vo lt age   of  the   sign al   sel ect or  ci rcu it T he   V c ontrol   (g e ner at in from   the   m ode  c ontrol   bl oc k)  is  us e for  dri ving  the sele ct or cir cuit t hat c on sis ts of tw tra ns i stors   w hich  is the P MOS  (PM 2) an t he NMOS  (NM 0).   The  la st  m od e   is  the   en of  charge  m ode This  mode  is   made   in dep e ndently   durin co mp a riso betwee the  c ut - off  cu rr e nt  ( I cut - off an the   sensi ng   c urre nt  ( I sense ).   T herefo re,  if   the  I cut - off   is  lower   t ha th e   I sense the   en volt age  (V END )   i at   the   lo le ve that  ma ke   th V control   re quir ed  le vel  c orres pond  t t hr ee   c harge  modes   (TC   m ode,   CC   m ode  a nd  CV   mode) Else   if   the   I cut - o ff   is  higher   tha t he  I sense t he  V END   is  at   hi gh  le ve l   that  ma ke  the   V control   in  the   low  le vel  wh ic tu r ns   off  t he   sel ect or   ci rc uit.  T hat  mea ns   t he  V G   is  at   t he   highest   le vel to ma ke  the c harge  proc ess termi nated.           Figure  7.  Sc he mati c o f  the c ha rg e  contr ol b l ock un der CA DEN C E s of t w are     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J   P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       A h i gh eff ic ie ncy and h i gh s pe ed  c harg e  o Li - I on batt ery  charger  interf ac e u si ng  ....   (M us ta pha El  Ala ou i )   379     2.4.  Le vel  Shi ft er  and G ate  Driver   The  le vel - s hift er  blo c is  util iz ed  to  s hift  t he  lo w   gate  volt age  (V G ( ge ner at in from   the  c harg e   con t ro blo c k)  to  high  volt age  f or   dr i vi ng  the  Power - PMOS.  T he  l evel - s hifter  ci r cuit  is  il lustra te in    F igure   8( a ).  Al so ,   the  gate - dr i ver  bl ock  is  c onnecte t the   gate  of  t he  P ower - P M O whic s upplies  power  to   the  batte r c ha rg e   via  t he  s wi tc hin act io n,   and  the t he  s uitable   s um   of   cu rr e nt  is  regulat ed  i the   ba tt ery .   The   gate - dri ve ci rcu it   is   il lu strat ed   in   F ig ure  8(b ).  T he   le vel - s hifter   al on side   wit t he   ga te - dri ve r   ac hieves   a rise ti me a round 3 6   ps ,  a f al l t ime aro und 3 6   ps  a nd a  pro pa gation t ime ar ound  0.25   ns [ 7].       (a)       (b)     Figure  8.  (a S chemati of  t he  level - s hifter   blo c k unde C AD E NCE  soft war e , ( b) Sc he mati c o f  the  ga te - dr i ver   blo c k u nder  CA DE NCE softwa re       2.5.  C urren t Sensi ng   Figure   s how the   c urren t   s ensin ci rc uit,  the   P MOS   tr ansisto (PM 0)  use in   t he  de sign  li ke   a   charge  c urre nt  sens or .   T he  OpAm is  util iz ed  to   remai dr a in  volt age  of  th PMOS   tra ns ist or   (PM 0)   c on sta nt  equ al  t th V BAT . A s a  r es ult,  the  I sense   has b een a lwa ys p roporti onal  to  t he  curre nt of t he Po wer - P M O S.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele D ri   S ys t,   V ol 12 , N o.   1 Ma rch  20 21   :   374     384   380       Figure  9.  Sc he mati c o f  the c urre nt - se ns in g b lock u nd e C A DEN C E s of t w are       3.   SIMULATI O N AND L AYOUT   3.1.  Simul at io n   The  pro posed   Li - I on  BC de sign  is  reali ze by  TS M 180   nm  C M O S   te chnolo gy  unde Ca den ce  so ft war e In  th is  simulat io n,  the  batte r ca pa ci ty  sel ect ed   at   50 00   m A h,  th val ue  of  t he  V L   c hosen   e qual   2. and  the   val ue  of  the  V H   c hos en  e qual   4.2 .   T he  wav e f orms  of  the  mode   co ntr ol  sig nals  ( The  V TC t he  V CC   and  the  V CV i eac ch ar ge  m ode   are   prese nted  in  F ig ur 10 (a ) It  s hows  t hat  V TC   is  act ive  in  the  TC  mode V CC   is  act ive  in  the   CC   mo de  a nd   V CV   is  act ive  in  the  CV  mod e.  The  sim ulati on   res ults  of   t he  I BAT   an th I sense   are  pr ese nted  i F i gure  10( b).         (a)       (b)     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J   P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       A h i gh eff ic ie ncy and h i gh s pe ed  c harg e  o Li - I on batt ery  charger  interf ac e u si ng  ....   (M us ta pha El  Ala ou i )   381   Figure  10.  (a)  Simulat io re s ults o the  m ode co ntr ol,  ( b) S imulat ion res ul ts of the  batte r c urren (I BAT )  and  the curre nt se nsi ng (I sense )   The  simulat io res ults  of  t he   V BAT   a nd  th I BAT   in   eac cha rg e   m ode   (TC,   CC   a nd  CV)   of  the   pro po se Li - I on  BC I   are  pres ented  in  F i gur 11(a)   a nd  F i gure  11(b),   res pecti vely A nd   al so we  can  obser ve  from  t he  sim ulati on  that  t he  batte ry  ch arg es   quic kly  within   thirt y - three   mi nu te s   ( kilo - sec on d).   T he   wav e f or m   of  the  V BAT   is  pr e sented   in   F ig ure  11 (a),  w hich  s hows   that   a   va riable  value   o t he  V BAT   is   ab out     2.7   t 4.2   V .   Als o,  the   wa ve form   of  t he  I B AT   is  prese nted   in  F ig ur e   11(b),   w hich   sho ws   that  t he  I BAT   in  t he  TC  m od e   is  e qu al   34 2.7   m a nd  in   the   CC   mode  is   e qu al   1.7   A A well   as   the   chargin proce dure  is   com plete d w he the  I BAT   is  re achin the  I cut - o ff   value  that e qual s a bout  20   mA.   Figure  12  il lus trat ed  th r esul ti ng   c urve   of  t he  powe e ff ic ie ncy  of  t he  propose Li - I on  BC w hich   achievin g an  ef fici ency eq ual  97%  of  t he  loa c urren 1.7   A . I t i s calc ulate d by eq uatio n:     %Efficie ncy = P Out   ( t he   ou tput   pow e r   in   Watt s ) P In ( th e   in put   po we r   c on su mp tion   in   w a tt s )     X   100       (2)         (a)       (b)       Figure  11.  (a)  The wa veform  of the  batte r y v oltage  (V BAT ) ,   (b)  T he wa veform  of  t he batt ery cu rr e nt  ( I B AT )           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele D ri   S ys t,   V ol 12 , N o.   1 Ma rch  20 21   :   374     384   382   Figure  12. T he   res ulti ng  c urv e of the  po wer   eff ic ie nc y   3.2.  Lay ou t   The   la yout   of   the   pr opos e Li - Ion   BC I   is  s how i F igure   13.   All  de vices  or  ci rc uits  pron e   t pro du ce  el ect ro ma gn et ic   inte rf e ren ce   or  s usc eptible   to   in te rf ere nce  a re  enclose with   double   la ye gu a r rin gs It  is  made  by  resp ect i ng   t he  de sig ru le (D e ns it y,   DRM   a nd  M RC a nd   t he   desig ner   c onstrai nt   inf or mati on  ( C at  match,  text a nd constrai nt  mana ger, etc. ). It is  occup ying a t otal area  of  0.03 mm 2 .           Figure  13.  La yout  of the  prop os e Li - Ion  B CI       Table  is  s ummari ze of  t he  simulat io resu lt s   f ound   and  a   c ompar at ive  a nalysis   betwee t he   pro po se d Li - I on  batte ry cha r ge inter face a nd  oth e r work s/r efere nces.       Table  1.  C omp arati ve  a nalysi s   Refere n ce   [2 2 ]   (20 1 5 )   [2 3 ]   (20 1 6 )   [2 4 ]   (20 1 7 )   [2 5 ]   (20 1 7 )   [2 6 ]   (20 1 7 )   [6]   (20 1 8 )   [2]   (20 1 9 )   This   wo rk   Top o lo g y   Ad ap tiv LDO   Switch in g   Bas ed   LDO   Switch in g   Bas ed   Switch in g   + L D O   Switch in g   Bas ed   Switch in g   Bas ed   Switch in g   Bas ed   Techn o lo g y   1 8 0  nm  CMOS   1 3 0  nm  BICMOS   1 3 0  nm  BICMOS   3 5 0  nm   CMOS   1 8 0  nm  CMOS   2 5 0  nm   BCD   5 0 0  nm  CMOS   TSM 1 8 0  nm  CMOS   Maximu m  I n p u Vo ltag e,  V I N( m ax )   (V)   5   16   5   5 .5   5 .5   25   8 .0 - 1 0 .0   4 .5   Ou tp u t Ran g e V B A T   (V)   2 .5 4 .2   2 .5 - 4 .2   3 - 4 .3   2 .3 - 4 .2   2 .8 - 4 .2   6 - 22   2 .5 - 4 .2   2 .7 - 4 .2   Maximu m  Ch argin g   Cu rr en t,  I B AT ( m ax )   ( A)   0 .44 8   1 .5   0 .49 5   0 .6   0 .5   2 .5   1 .5   1 .7   Peak  E f ficiency  ( %)   84   90   8 3 .9   9 2 .5   8 7 .6   97   8 7 .4 (CC)   8 8 .6 (CV)   97   Die Size  ( m m 2 )   1 .62   1 2 .25   1 .41   2 .71 2 6   1 .62   2 .66   7 .29   0 .03       4.   CONCL US I O   l ow  c os t,   lo siz e   a nd  high  s pee cha rg e   of   the   pro pos ed  Li - I on  batte ry  c harger   inte rf ace   (BCI )   hav e   been  s ucc essfu ll desig ne a nd  im plem ented   in   TS MC   180  nm  CM OS  proce ss.   T his  st udy  inclu ded  the   ci rcu it   desig n,  sim ulati on ,   a nalysis   a nd  la yout  desi gn.   The   pr opos e Li - Ion   BC I   us in switc hing - base te chn iq ue   achi eves  a outp ut   volt age  V BAT   ma range   f r om  2.7   to   4.2   V   acco r ding  to  a in put  volt age     V IN   4.9   V and   al s achie ve   maxim um   chargin batte r cu rr e nt  I BAT   equ al   1.7  A.   T he  ti me  chargi ng   is   on l thi rty  t hr e e min utes, t he peak  ef fici enc y reac hes 97% a nd the t otal are a is o nly 0 .03 mm 2 .       REFERE NCE   [1]   D.  Andrea ,   “Ba t te ry  Man ageme nt  Sys te ms  for   La rge   Lithium - I on  Battery   Pack s , ”  Norw o od,   M A:  Artec h   Hous e,  2010.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J   P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       A h i gh eff ic ie ncy and h i gh s pe ed  c harg e  o Li - I on batt ery  charger  interf ac e u si ng  ....   (M us ta pha El  Ala ou i )   383   [2]   C.   C .   Wa ng   and   G.   X.   Li u ,   “A  1. 5A  88. 6%   Li - i on  ba tt ery   ch arg er  d esign  using   pulse  sw allow  t ec hniqu in  li gh t   loa d, ” in  Proc .   o 2019  I EEE  Int .   Symposium on  C ircui ts and   System s ,   May  2019 .   [3]   M.  G.   Ega n ,   D .   L.   O'S ullivan ,   J.   G.  Hay e s,   M.  J .   Wille rs ,   and  C .   P.  Henz e,  Pow er - Fact or - Corr ecte Sing le - Stag e   Induc ti v Ch arg er  for   E lectr i V ehi c le  Batteries,   in   IE EE  Tr ansacti ons  on   Indus trial   El e ct roni cs ,   vo l.  54,   no.   2 ,   pp.   1217 1226 ,   Apr .   2007.   [4]   F.  Fara h ,   M.   El  Alaoui ,   A.  El   B outa hiri,  M .   Our em ch i,   K .   E Kh adi ri ,   A.   T ahi ri ,   and  H.   Qjidaa,  High  Eff i ci en cy   Buck - Boost  Con ver te r   with  Three  Modes  Select i on  for  HV   Applic a ti ons  using  0 . 18  μm  Technol o gy ,   ECTI - EEC vol.   18 ,   no .   2 ,   pp .   137 144 ,   Aug.   2020,   DO I:  h tt ps :/ /doi.org/ 10 . 379 36 /e c ti - e ec.2020 182. 222580.   [5]   L.  Lu ,   X .   H an,  J .   Li,  J .   Hua ,   and   M.   Ouyang,   “A  rev ie w   on  the  k ey  issues  for   lith ium - ion   ba tt ery   ma nag em en t   in   el e ct ri v ehi c le s , ”  Journal   of  Powe r   Source s ,   vol.   226 ,   pp.   272 288 ,   2013,   DO I:  htt ps:// do i. org/1 0. 1016/j.jpowsour.2012 . 10 . 060.   [6]   J.  F.  Wu,   C .   L .   We i ,   and  Y.  Z.   J uang,   “A  mono lithic   high - vo ltage   Li - Ion  ba tt ery   c har ger   with  shar mode   tr ansit io and  par t ia l   cur r ent   con trol   t ec h nique , ”  IE EE   T rans act ions  on  Circui ts  and  Sy stems  I:  Re gula Pape rs v ol.   6 5 ,     n o.   9 ,   pp .   3099 3109,   Sep .   2018 ,   DO I:  10. 1109 /TCS I. 2018. 27996 14.   [7]   M.  El  Alaoui,  F.   Fara h,   K.  El   Kh adi ri ,   H.   Qjidaa,  A.  Aara b ,   A.   Lakhs sass i ,   and  A.  Ta hir i,   “De sign  and  Analysis  of   New  Le ve Shift er  W it Ga te  Drive for   Li - Ion  B at t ery   Charg er  i 180nm  CMO Technol ogy , ”  Ir anian  J ournal   of   El e ct rica and   E le c tronic   Engi n e ering vo l.  04 pp .   477 484 ,   201 9,   DO I:  10 . 2206 8/IJEE E . 15. 4 . 47 7.   [8]   S.  Kee ping ,   “Unde rstandi ng   th adv ant ag and   disadva n ta ge   o li n ea r egulato rs , ”  E lectr oni Product,   Dig ikey  Artic l L ibra ry ,   2012 .   [9]   C.   H.   Li n,   C .   Y.  Hs ie h ,   and  K.  H.   Chen ,   Li - ion  b at t er ch arg er   with   smooth  con trol  ci rcu it  and   bui lt - in   resista nc com p ensa tor   for   ac h i evi ng   stable   and   fast   ch arg ing ,   IEE E   Tr ans.  on   Circui ts  &   System -   I   :   R egul ar   Pape rs ,   vol .   57 ,   no.   2 ,   pp .   506 5 17,   Feb .   2010 ,   D OI:  1 0. 1109/ TC SI.2009. 202383 0.   [10]   S.  H.  Yang,   J.   W.   L iu,   and  C.   C.   Wa ng ,   “A  single - ch ip  60 - bulk  cha rg er  for   serie Li - ion  ba tt eries  with  smo oth  cha rge - mode  tr a nsiti on, ”  IEEE   Tr ans.  on   Circuit &   Syst ems  -   I   R egul ar   Pap ers ,   vol .   79,   no .   7,   pp.   1588 1597 ,   Jul .   2 012,   DO I: 10.1109/ TCSI.2 011. 2177137.   [11]   T.   C .   Huang ,   R .   H.  Peng,   T.   W .   Tsai ,   K.   H.   Che n,   and   C.   L .   W e y,   “Fast   Chargi n and  High   Eff i c ie ncy   Sw it chi ng - Based  Ch arg er   Wi th   Cont inuou Buil t - In   R esist anc e   De te c ti on   a nd  Autom at i E ner gy  De li ve C ontrol  for  Port ab le   El e ct roni cs , ”  IE EE   Journal  Of   S oli d - State  C ircuits ,   vol .   49 ,   no .   7 ,   J ul .   2014 ,   DO I:   10. 1109/JS SC . 2014. 2312411.   [12]   P.  H.   V.   Quang,  T .   T.   Ha ,   and  J .   W .   Lee,  “A   fully  integra te d   multim ode   wir el ess  power  ch arg er   I with   ad apt iv e   supply  cont rol  a nd  buil t - in  resist anc com p ensa tion,”   I EE E   Tr ansacti ons  on  Indu strial  Elec troni c s ,   vol.   62 ,   no .   2,   pp.   1251 1261 ,   2015,   DO I:  10 . 1 109/T IE . 2014. 2 336618.   [13]   M.  Ourem chi,  M.  El   Alaou i,   F .   Fara h ,   K.  El  Khadir i,   H .   Qii daa ,   A .   La khss a ss i,   and  A.  T ahiri,   Li - Ion  B at t e ry   Charge r   Based   o LDO   Regulato for   Portab le  De vic e   Pow er   Man age m ent , ”  2018   6th  In te rnationa l   R ene wabl e   and   Sustainabl e   Ener gy  Confe ren ce ( IRSE C) ,   Dec .   20 18,   DO I:  10 . 110 9/IRSEC. 2018. 8 702961.   [14]   K.  El  Khadir i ,   H.  Akhmal,  and   H.  Qjid aa,  Li - Ion  Bat t ery   Ch a rging  with  Bu ck - Boost  DC DC  Converter  for   a   Portabl e   Device   Pow er  Mana ge me nt , ”  Journal  of  Low   Powe E le c tronic s vo l.   13,   no .   2,   pp.   26 3 270,   Jun .   201 7 ,   DO I:  10. 1166/j o lpe . 2017 . 1479.   [15]   H.  M.  Nguyen,  L.   D.   Pham,  and   T.   Ho ang,   “A  n ovel   L i - ion  b at t e ry  cha rg er  using   mul t i - mode  LD conf igu ra ti on  base on   350   nm   HV - CMO S ,   Ana log   I nte gr  C irc   Sig   Proc ess ,   vo l.   88,   pp .   505 516 ,   2016 ,   D OI:  htt ps:// do i. org/1 0. 1007/s10470 - 0 16 - 0778 - 1.   [16]   S.  De arb orn,  Chargi ng   Li - ion   ba tt er ie s   for   m axi mum  run   times , ”  Powe Elec troni cs  Te chn ology ,   pp .   4 0 4 9,     Apr.  2005.   [17]   Y.  S.  Hw ang,   S.   C.   W ang,  F.  C.   Yang,   and   J.  J.  Chen,   “Ne co mpa c CMO Li - ion  batter cha r ger   using  ch arg e - pump  t ec hn ique  for  port abl e   applications,   I EE E   Tr ans.  Circui ts  Syst.  I,  R eg.  Pap ers ,   vol .   54,   no.   4,   pp .   705 712,   Apr.  2007,   DO I:  10. 1109/ TCSI.2 007. 890605.   [18]   C.   C .   Tsa i,  C .   Y.   L in,  Y.   S.   Hw a ng,   W.  T.  Lee ,   a nd  T .   Y.   L ee,   multim od e   L DO - base L i - io ba ttery   cha rg e in   0. 35μm  CMO t ec hn ology ,   Pro ce ed ings  th 200 IE EE  Asia - Pa ci fic   Confe ren ce   on  C ircui ts   and   Syste ms ,   Ta in an,   2004,   vol .   1 ,   pp .   49 5 2 ,   DO I:  10 . 1109/APC CAS . 2004. 1412688.   [19]   H.  Y.   Yang ,   T.  H.   Wu ,   J .   J .   C hen,  Y.   S.   Hw ang ,   and   C.   C.   Yu,  “An   omn ip ote nt   L i - ion   ba t te ry   charger   wit mul timode  controlle d   techniqu e s , ”  2013  I EEE  10th  Int ernati on al  Confe r enc e   o Powe El e ct r onic and  Dr ive  Syste ms Apr.   20 13 pp .   531 534 ,   DO I:  10. 1109 /PEDS.2013. 6527 076.   [20]   R.   Pagano ,   M.  B ake r,  and  R .   E .   Radke ,   “A  0. 18 - μm  monol it h ic   L i - ion  ba tt ery   ch a rge for  wir el ess   devi c es  base o par tial   cur r ent  se nsing  and   ada pt i ve  r efe r ence  vo ltage,”   IEEE   J .   So li d - S tate   Circuit s ,   vol .   47,   no .   6,   pp.   1355 1 368 ,   Jun.  2012,   DO I: 10.1109/ JS SC . 2012. 2191025.   [21]   J.  J.  Chen,   F.  C .   Yang,   C.   C .   Lai,   Y.  S.  Hw ang,   a nd  R.   G.  L ee ,   high  eff icien c mul timode  Li - ion  bat t ery   ch arg er  with  var i abl e   cu rre nt  sourc and   cont rol li ng  pr e viou s - stage   supp ly  voltage,”  IE E Tr ans.  Industrial  Elec troni cs vol.   56 ,   no .   7 ,   pp .   2469 2478 ,   Jul .   2009 ,   DO I:  10 . 1109/T IE . 2009. 2018435.   [22]   Y.  Ziadi   and   H.  Qjida a ,   “A  High   Eff i ci en cy  Li - I on  Battery   LDO - Based  Charg er  for  Portable  Ap pli c at ion , ”  Activ e   and  Passive  E lectronic Component s v ol .   2015,   Artic l ID 5919 86,   DO I :   htt p :/ / dx. doi. org /10. 11 55/2015/ 591986 .   [23]   M.  G.  Jeong ,   S.   H.  Kim,  and   C.   Yoo ,   “Switc h ing   bat t ery   cha rg er  int egr at ed   circui for  mobi l d evice in   130 - nm  BCDM O proc ess,”   I EE E   Tr ans.  Pow er  Elec tron ,   vol .   31 ,   no .   11 ,   pp .   7943 7952,   Nov.  2016,   D OI:  10. 1109/T PE L. 2 016. 2514518.   [24]   K.  Chung ,   S .   K .   Hong ,   and  O .   K.   Kw on,   “A   fast   a nd  co mpact   ch ar ger   fo an   Li - ion   ba tt ery   using   su cc essive   bu il t - in   resista nc de te c t ion ,   I EEE  Tr ans.  Circui ts  Syst .   II,   Ex p .   Briefs ,   vol.  64,   no .   2,   pp.   161 165,   F eb.   2017 ,   DO I:   10. 1109/T CS II. 2 016. 2554839.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.