Int ern at i onal  Journ al of  P ower E le ctr on i cs a n d  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   A  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 a  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 t  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 l  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 d  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 d  t ec h nique   is  propos ed  for  hig h  eff i ci en cy,   h igh   spee d  cha rg e   an d  low  area.   Th e  high  eff i ci en cy,   the   lower   si ze   a rea   and   the   fast  ch arg e  are   the   mor e  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 d  p asses  to   e ach  ch arg ing   mode :   Th e  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 e  i s  the   consta n t  v olt ag e  mod e  (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 d  and  l ayout ed   in  Cad ence  soft ware   using  TSCM  180  nm   CMO S  te chnol o gy.   W it h  an  inp ut  voltage   V IN   =   4. 5   V,  th e  ou tput   ba ttery   volt ag e  (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 e  pea k  eff i ci en c y  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 g  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 i  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 y  is  a  necessa ry  el ement  to  sup ply  the  el ect rici ty - pow ere d  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 r  c onsu m ptio n  to   wi den  the  operati on al   li fe  and   ti me ,  the  cha rg i ng  is  an oth e r  crit ic al   issue  f or   t he  ba tt ery   [1].  Slow e r  c harg ing   is  c onside red   as   wasti ng  ti me.  Howe ver,  the   degra dation  of   batte r y  li fe  a nd  the   inc rease  in  te mp e ratu re   are  ca us e d  by  a  fast   chargin g  [ 2].   The  Li - Ion  ba tt ery   is  mo stl y  util iz ed  in  th e  automoti ve  f ei ld  especial y  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 n  of  ren e wa ble  e ne rg ie s   a nd  al te r native  energies  [3 ] - [ 5].   Th us ,   the  Ni - C d  a nd  th e  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 d  a nd  po pu la r  rech a rg ea ble  ba tt eries,  and  co ntr ols  t he  m obil e  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 g  a   r edu ce   pro du ct io n  cos t,  the   hi gh  ef f ic ie ncy   a nd  t he   nece ssit y  of  a  l ow  c omplexit y  of  th e  L i - Ion   batte r y  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 f  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 d  as  the   best   en ergy  st or a ge  t hat  s olv e  t he  need  of  a   lo w   cost,   a  li ght   weig ht  a nd  a  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 d  s o  intense  re searc h  ef forts  re gardless  in  the  i ndus tr y  or  in  the  academia   [ 6 ] ,  [ 9 ] ,  [ 10].   T he  c harger  s ol utions  wel l   known   are   ess entia ll y  cl assif ie d  int o  t wo  ty pes,  F ig ure   1  s h ow s   the   LD O   ( L ow - Dro pout )  ba sed   c harg er  a nd   the s witc hing - base d  c harger   [ 11] .           Figure  1. The   LDO ( l ow - d r opout)  b ase d  c ha rg e r  a nd the  S witc hing - base d cha rg e r [11]       The  L DO - base d  cha r ger   ac hi eves  the  be nefi t  of   sim plici ty  at   the  tro ub le   of   a  poor  ef fi ci ency .  The   LDO - base d  c ha rg e r  res ponde nt  f or  s uch  re quest s  ca us e  of  it s  low  c urre nt   rip ple  a nd  it   may   be   inse rted  int o  the  c hip  wit hout   a  desc ript ive  c ompone nt   [ 12].  T he  l ower   ef fici enc y  is  a   gr eat   pr ob le m   for  it ,   so   t he   util iz at ion   of  t he  Power - M O S  as   a  var ia ble  cu rr e nt  s our ce  is  a  so l utio n  of  it s  lo w  e ff ic ie nc y  a nd  al so   to   minimi ze  it   dro pout  [ 13] .   The  s witc hing   base d  re quir es  an  a dv a nce d  ci rc uit  desi gn   t o  reali ze  a  high  eff ic ie nc y,   it   giv es  a  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  a  lot  of   dr a w backs,  li ke  a  worse  no ise   r epudiat ion   a s  of   the  rip ple  at   a  switc hin g  rate,  an d  rise   power  consu mp ti on  [ 15].   In   a ddit ion ,  t he se  chargin g  s ys te ms  a re  ty pi cal ly  integrate d  into  a  sin gle  chip  to  mini mize   ci rcu it   des ig n  c omplexit y  th rou gh   t he  imp r ov e me nt  of   C MOS  t echnolo gy.  T he n,   the  batte r y  charger  is  i ntegr at e d  into  a   S ys te m - on - Chi p  (SoC)   to  re du ce   the   ef fect  of  rip pl e  an d  no ise   [ 15].   Fig ure  2  sh ows   the   cha rg i ng   modes  of   Li - I on  batte r y  that' s   con sist e d  of  f our  sta ge s:  the  first  one  is  the  tric kle  cha rg e  ( TC),  the  sec on d  one  is  the   co ns ta nt  cu rrent   (CC)   charge,   the   t hir d  one   is  t he  c onsta nt   volt age   (CV)  c harge   a nd  th e  la st   one   i s  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 d  wh e n  th e  batte ry   vo lt a ge  ( V BAT )  is  re du ce d  tha n  the   low  volt age   (V L ) ,  the  batte r y  cu rr e nt  is  ke pt  at   a  con sta nt  low  value  ( 0.1 C,  C  represent s  the  capaci ty  of   the  batte r y  a nd   it s   un it   is  (Ah )  a mp e re - hours)   to  protect   the  batte ry  f rom  be ing   da mage d  by  an   ove rh ea ti ng .   The   CC   charg e   mode  is  sel ect ed  wh e n  V BAT   is  bet ween  th e  low  vo lt age   (V L )   a nd  the   hi gh   volt age  ( V H ),   it   mi nimize s  the   chargin g  ti me  because  the  b at te ry  is c ha rg e d wit h  a  high CC  (0. 1 C - 1C).   The  C V  c harg e  mode   is  act ivate d  w hen  V BAT   rise  up  t o  t he   sp ecs   va lue  of  the  V H ,  w hich  ma ke   th e   chargin g  cu rr e nt  (I BAT )   fall s   to  t he  c ut - off   (0.02C - 0.0 7C)  an d  the   c harg e  pr ocess   en ds.   We   prese nted  t his   arti cl e  at   the  f ollow i ng :   Sect ion  I I  pro po se s  th e   cha r ging  ci rcu it   of  Li - I on  batte r y  c harger   inter face;  Sect io n  III  pr ese nts the  simulat io n res ults o f our c hargin g  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 c  &  D ri   S ys t,   V ol .  12 , N o.   1 ,  Ma rch  20 21   :   374   –   384   376       2.   PROP OSE D CH ARGIN G  CIRC UIT O F  LI - IO N  B AT TE RY   CHA R GER I NTER FAC E   Un ti l  now ,  the re  are  numer ous  resea r c h  art ic le s  hav e  offe red   a  diff e re nt  arch it ect ur e s  in  orde r  to   gen e rate  a   c onsta nt  outp ut  su ppl y  vo lt a ge   f or  the   Li - Ion  BC I   us in g  CMOS  te c hnol ogy,  but  t heir   po wer  eff ic ie nc y  is  c omparati vel y  low  due  to  a n  increase  pow er  loss  of   t he   Power - MOS F ET  [ 17 ] - [ 21 ].   As  a  so luti on   of  t his   pr ob le m   we  a r e  goin g  to   c on t ro l   the   each   m od e   via  it s  i de ntica l  co ntr ol  s ign al   t o  i mpro ve  t he   powe r  eff ic ie nc y  that  will   co ntribute   to  a da pting   betwee n  the  supp l y  vol ta ge  of  cha rg i ng   a nd  the  V BAT .   A  pro po se d  cha r ging  ci r cuit  of  Li - I on   BC I   is  i ll us trat ed  i n  F igure  3  w hich   i nclu des  seve n  su b - ci rc uits:   th e  m od e  con t ro l,  the c ur ren ts  ref e re nce , th e c ha rg e  contr ol,  the  g at e  dr i ver ,  the le ve l shifter  and t he  curre nt se ns ing.           Figure  3. The   pro po se d  c ha rgi ng  ci rcu it   of L i - Ion  batte r y  c harger  inter fac e (BCI )       The  m ode  c on t ro l  blo c k  is  co ncep te d  to  de fine  the  c hargi ng  m od e s  (TC ,  CC   and   C V)   by  co mpa rin g  the  V BAT   with  the  V H   a nd   t he   V L ,  wh ic h  a re  ge ner at e d  f r om   a  band - ga p  bl ock.  I n  oth er  ha nd   t he  c urren ts   ref e ren ce   blo c k  pro duces   a   de sired   c urren ts   matc hing  t o  the   m od e   c on t r ol  outp ut  vo lt a ge.   T he   la tt er  blo c k  is   fo ll owe d  by  a  charge  co ntr ol  blo c k  util iz ed  for  co mp a rin g  betwee n  the  c urre nt  sens or   I se nse   and   the  r efe ren c e  currents   to  ge ne rate  the  gate  vo lt age   ( V G )   w hich  a ssist   to  c on t ro l  t he  P - P M O S  t hanks  t o  the  le vel - s hift  with  a   gate - dr ive r  ci r cuit.  That  mai ntains  a  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 n  i n  F i gure  4.   The   m ode  co ntr ol  bl oc k  ci rc uit  is  a  l og ic   c ontr ol   sy ste m   co ns ist   of  t w o  le vels  from   outp ut  volt age:  a   high  vo lt age   th at   m eans   lo gic  le ve l  eq ual  ' 1'  a nd  a  lo w   vo lt age   that   m eans  l ogic   le ve l  eq ual  ' 0'.  It  c on t rib utes  to   de f ine   the   V BAT   an d  to   pro duc e  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 e  vo lt age  ( V CV )  are  re su lt in g  from  a  c ompar ison   (by  tw o  hi gh   s pee d  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 r  tha n  th e  V L ,  bein g  on ly  the   V TC   act ive.  W hen   V BAT   is  hi gh e r  or   e qual   than  t he  V L   an d  lowe r  tha n  the   V H ,  bein g  onl y  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 l  (V Control )  is  sent  to  the  cha r ge  co ntr ol  blo c k  f or   gen e rati ng  a  cha rg e   current   in  t he  corres pondin g  charge  mode.   Figure  5  sho w s  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 d  f rom  F ig ur e   5  that  in  the  T C  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 n  the  CV   mode,  only t he  V CV   is set  t o  ' 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 f  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 r  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 e  batte r y  c urre nt (I BAT )  a nd the  batte ry    vo lt age  (V bat )       2.2.  C urren ts Refere nce   Figure  6  s how s  the  c urren ts  ref e ren ce   ci rcui t  under   C A D ENCE  s of t ware .  It  c onsist s  of  an   O pAm p  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 d  i n  the  equati on:     I Ref = V Ref R Ref                         (1)     The  fi rst  cu rr e nt  mir ror  s ys te m  co ns ist in g  of  the  P MOS  tr ansisto rs  ( PM2 ,  P M 3,  P M 4,  P M 5)  us e d  i n  the  de sig n,   a s sist   to  pr oduc e  a  tric kle  cha rg e   cu rr e nt  (I TC ),   a  c onsta nt  current  c urre nt   (I CC )   an d  a  c ut - off  current  (I Cutt - off ),   that  a re  pro portio nal  to  I R ef .  Also,  the y  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 d  c ompa rator   with  the  seco nd  cu r ren t  mir r or   s yst em  consi sti ng  of   a  P MOS  tr ansisto rs  (PM 0,  PM1 )  us e d  in  the  des ign ,  sta rts  to  pro duce  a  co ns t ant  volt age  cu r ren t  ( I CV )  w hic h  is  de c reasin g  from  the  I CC   to  the   I Cut - off .  The   I CV   is  util iz ed  a s  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 k  a re   us e d  in  the  c urre nts  re fer e nc e  blo c k  to  c ontrol  the  t hr ee  s witc he s   SW1,  SW2  a nd  S W 3,   res pec ti vely.   Se ndin g  the  I TC ,   the  I CC   and  the  I CV   to  the   cha r ge  c on t ro l  blo c k  i n  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 c  &  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 d  in  F igure  7.  This  bl ock   is  util iz ed  to  ge ner at e  a  gate  volt ag e   (V G )  t o  the lev el - sh ifte r wit h t he  gate - dr i ver   for  dri vi ng  th e Power - P M O S  in the each  c ha rg e  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 d  in   t he   de sig n  t o  co mp a re   betwee n  t he  c urren t   sen sin g  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 g  fro m  the  c urre nts   ref e re nce  blo c k  acc ordin g  t o  the  eac h  m od e).  T he  V G   is  evaluate d  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 g  from   the   m ode  c ontrol   bl oc k)  is  us e d  for  dri ving  the sele ct or cir cuit t hat c on sis ts of tw o  tra ns i stors   w hich  is the P MOS  (PM 2) an d  t he NMOS  (NM 0).   The  la st  m od e   is  the   en d  of  charge  m ode .  This  mode  is   made   in dep e ndently   durin g  a  co mp a riso n  betwee n  the  c ut - off  cu rr e nt  ( I cut - off )  an d  the   sensi ng   c urre nt  ( I sense ).   T herefo re,  if   the  I cut - off   is  lower   t ha n  th e   I sense ,  the   en d  volt age  (V END )   i s  at   the   lo w  le ve l  that  ma ke   th e  V control   re quir ed  le vel  c orres pond  t o  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 n  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 h  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 f  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 k  is  util iz ed  to  s hift  t he  lo w   gate  volt age  (V G )  ( ge ner at in g  from   the  c harg e   con t ro l  blo c k)  to  a  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 d  in    F igure   8( a ).  Al so ,   the  gate - dr i ver  bl ock  is  c onnecte d  t o  the   gate  of  t he  P ower - P M O S  whic h  s upplies  power  to   the  batte r y  c ha rg e   via  t he  s wi tc hin g  act io n,   and  the n  t he  s uitable   s um   of   cu rr e nt  is  regulat ed  i n  the   ba tt ery .   The   gate - dri ve r  ci rcu it   is   il lu strat ed   in   F ig ure  8(b ).  T he   le vel - s hifter   al on g  side   wit h  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 c  of  t he  level - s hifter   blo c k unde r  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   9  s how s  the   c urren t   s ensin g  ci rc uit,  the   P MOS   tr ansisto r  (PM 0)  use d  in   t he  de sign  li ke   a   charge  c urre nt  sens or .   T he  OpAm p  is  util iz ed  to   remai n  dr a in  volt age  of  th e  PMOS   tra ns ist or   (PM 0)   c on sta nt  equ al  t o  th e  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 c  &  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 r  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 I  de sign  is  reali ze d  by  TS M C  180   nm  C M O S   te chnolo gy  unde r  Ca den ce  so ft war e .  In  th is  simulat io n,  the  batte r y  ca pa ci ty  sel ect ed   at   50 00   m A h,  th e  val ue  of  t he  V L   c hosen   e qual   2. 9  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 n  eac h  ch ar ge  m ode   are   prese nted  in  F ig ur e  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 d  th e  I sense   are  pr ese nted  i n  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 f  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 n  re s ults o f  the  m ode co ntr ol,  ( b) S imulat ion res ul ts of the  batte r y  c urren t  (I BAT )  and  the curre nt se nsi ng (I sense )   The  simulat io n  res ults  of  t he   V BAT   a nd  th e  I BAT   in   eac h  cha rg e   m ode   (TC,   CC   a nd  CV)   of  the   pro po se d  Li - I on  BC I   are  pres ented  in  F i gur e  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   ( 2  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 f  t he  V BAT   is   ab out     2.7   V  t o  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  a nd  in   the   CC   mode  is   e qu al   1.7   A .  A s  well   as   the   chargin g  proce dure  is   com plete d w he n  the  I BAT   is  re achin g  the  I cut - o ff   value  that e qual s a bout  20   mA.   Figure  12  il lus trat ed  th e  r esul ti ng   c urve   of  t he  powe r  e ff ic ie ncy  of  t he  propose d  Li - I on  BC I  w hich   achievin g an  ef fici ency eq ual  97%  of  t he  loa d  c urren t  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 c  &  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 d  Li - Ion   BC I   is  s how n  i n  F igure   13.   All  de vices  or  ci rc uits  pron e   t o  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 d  with   double   la ye r  gu a r d  rin gs .  It  is  made  by  resp ect i ng   t he  de sig n  ru le s  (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 d  Li - Ion  B CI       Table  1  is  s ummari ze d  of  t he  simulat io n  resu lt s   f ound   and  a   c ompar at ive  a nalysis   betwee n  t he   pro po se d Li - I on  batte ry cha r ge r  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 e  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 C  1 8 0  nm  CMOS   Maximu m  I n p u t  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 N    A  l ow  c os t,   lo w  siz e   a nd  high  s pee d  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 y  desig ne d  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 d  Li - Ion   BC I   us in g  switc hing - base d  te chn iq ue   achi eves  a n  outp ut   volt age  V BAT   ma y  range   f r om  2.7   to   4.2   V   acco r ding  to  a n  in put  volt age     V IN   =  4.9   V ,  and   al s o  achie ve   a  maxim um   chargin g  batte r y  cu rr e nt  I BAT   equ al   1.7  A.   T he  ti me  chargi ng   is   on l y  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 S    [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 f  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 e  in  li gh t   loa d, ” in  Proc .   o f  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 d  Sing le - Stag e   Induc ti v e  Ch arg er  for   E lectr i c  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 l  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 c  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 p  mode   tr ansit io n  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 r  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 l  Shift er  W it h  Ga te  Drive r  for   Li - Ion  B at t ery   Charg er  i n  180nm  CMO S  Technol ogy , ”  Ir anian  J ournal   of   El e ct rica l  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 e  adv ant ag e  and   disadva n ta ge   o f  li n ea r  r egulato rs , ”  E lectr oni c  Product,   Dig ikey  Artic l e  L ibra ry ,   2012 .   [9]   C.   H.   Li n,   C .   Y.  Hs ie h ,   and  K.  H.   Chen ,   “ A  Li - ion  b at t er y  ch arg er   with   smooth  con trol  ci rcu it  and   bui lt - in   resista nc e  com p ensa tor   for   ac h i evi ng   stable   and   fast   ch arg ing , ”   IEE E   Tr ans.  on   Circui ts  &   System s  -   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 - V  bulk  cha rg er  for   serie s  Li - ion  ba tt eries  with  smo oth  cha rge - mode  tr a nsiti on, ”  IEEE   Tr ans.  on   Circuit s  &   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 g  and  High   Eff i c ie ncy   Sw it chi ng - Based  Ch arg er   Wi th   Cont inuou s  Buil t - In   R esist anc e   De te c ti on   a nd  Autom at i c  E ner gy  De li ve r  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 C  with   ad apt iv e   supply  cont rol  a nd  buil t - in  resist anc e  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 n  LDO   Regulato r  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  a  Bu ck - Boost  DC – DC  Converter  for   a   Portabl e   Device   Pow er  Mana ge me nt , ”  Journal  of  Low   Powe r  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 O  conf igu ra ti on  base d  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 r  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 w  co mpa c t  CMO S  Li - ion  batter y  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,   “ A  multim od e   L DO - base d  L i - io n  ba ttery   cha rg e r  in   0. 35μm  CMO S  t ec hn ology , ”   Pro ce ed ings  th e  200 4  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 h  mul timode  controlle d   techniqu e s , ”  2013  I EEE  10th  Int ernati on al  Confe r enc e   o n  Powe r  El e ct r onic s  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 r  for  wir el ess   devi c es  base d  o n  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 ,   “ A  high  eff icien c y  mul timode  Li - ion  bat t ery   ch arg er  with  var i abl e   cu rre nt  sourc e  and   cont rol li ng  pr e viou s - stage   supp ly  voltage,”  IE E 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 e  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 t  for  mobi l e  d evice s  in   a  130 - nm  BCDM O S  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 r  an   Li - ion   ba tt ery   using   su cc essive   bu il t - in   resista nc e  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.