充電電池和單機(jī)快速充電器概述及設(shè)計(jì)

本文介紹了可充電電池的化學(xué)成份，同時(shí)說(shuō)明了各種充電電池的典型特征和選擇電池類型時(shí)需要重點(diǎn)注意的事項(xiàng)。另外還討論了在不使用微控制器或使用電源浪涌保護(hù)的主適配器的情況下如何構(gòu)建單機(jī)結(jié)構(gòu)，安全、快速地對(duì)鎳氫和鋰離子充電電池進(jìn)行充電。

可充電電池類型

20世紀(jì)80年代的便攜設(shè)備，如數(shù)字無(wú)繩電話、隨身聽(tīng)和電動(dòng)剃須刀等，主要由鎳鎘(NiCd)電池供電。到了90年代后期，鎳氫(NiMH)電池和鋰離子(Li-Ion)電池逐漸進(jìn)入市場(chǎng)并開(kāi)始流行

因?yàn)閮r(jià)格比鎳氫和鋰離子電池便宜，鎳鎘電池在低端應(yīng)用中十分普遍。鎳鎘電池可提供最高的放電電流，適合短時(shí)間內(nèi)需要大功率輸出的應(yīng)用。

另一方面，鎳鎘電池曾經(jīng)被所謂的記憶效應(yīng)困擾(現(xiàn)在的鎳鎘電池很少考慮這個(gè)因素)，使電池容量降低。如果鎳鎘電池在未完全放電的情況下再充電，一些活性物質(zhì)會(huì)累積并且開(kāi)始結(jié)晶(在陽(yáng)極有100微米的鎘累積層)，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)這層物質(zhì)會(huì)自行消失(一塊全新電池的陽(yáng)極大約有1微米厚度的鎘結(jié)晶)。

出現(xiàn)記憶效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致電池容量越來(lái)越小，端電壓越來(lái)越低，使得電池到達(dá)最低可用端電壓(關(guān)斷點(diǎn))的時(shí)間比預(yù)期的早許多，如圖1所示。鎳鎘電池的另一個(gè)缺點(diǎn)是它的活性物質(zhì)中含有有毒的鎘。所以，歐洲法規(guī)2000/53/EG在2005年12月31號(hào)后禁止銷售鎳鎘充電電池。

鎳氫電池比鎳鎘電池更環(huán)保，但是價(jià)格更貴。鎳氫電池的放電電流略小，但受惰性效應(yīng)的影響。惰性效應(yīng)是比鎳鎘電池記憶效應(yīng)稍輕的一種現(xiàn)象。惰性效應(yīng)是由于鎳的結(jié)晶導(dǎo)致的。惰性效應(yīng)和記憶效應(yīng)一樣，導(dǎo)致無(wú)法完全使用可充電電池的全部容量，但都可以通過(guò)使用帶有放電功能的充電器來(lái)避免。

鋰電子可充電電池價(jià)格最高，但具有足夠高的能量密度，因而可以在給定尺寸下提供更優(yōu)性能，更適合小尺寸、高集成度的便攜設(shè)備。表1給出了各種類型電池的主要特性。

單機(jī)鎳氫電池快速充電器

雖然很多人更偏愛(ài)鋰離子電池，鎳氫電池的使用依然很流行。因?yàn)殒嚉潆姵乇蠕囯x子電池便宜很多，所以在MP3播放器、閃光燈配件、車燈等設(shè)備中經(jīng)常能看到標(biāo)準(zhǔn)的AA和AAA鎳氫電池。

一塊可充電鎳氫電池的溫度和端電壓隨著電池的充電逐步上升，在電池完全充滿后開(kāi)始下降(圖2)。所以，鎳氫電池充電器的主要任務(wù)是檢測(cè)到這個(gè)突變點(diǎn)并中斷充電，或者從快速充電切換到涓流充電。另外，在充電過(guò)程中對(duì)溫度和電壓進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控可以提供系統(tǒng)的安全性。

DS2711/DS2712充電器具備上述功能。另外，它們可以單機(jī)工作，不需要微控制器或微處理器監(jiān)控。該系列產(chǎn)品是專門為單節(jié)AA或AAA可充電電池設(shè)計(jì)的，同時(shí)也適用于串聯(lián)或并聯(lián)的兩節(jié)電池。DS2711采用線性控制結(jié)構(gòu)，DS2712采用開(kāi)關(guān)控制結(jié)構(gòu)。為了最大限度地延長(zhǎng)工作時(shí)間、節(jié)約電池能量，這些充電器有4種充電模式：預(yù)充電、快速充電、浮充和涓流充電。在浮充模式下，電池充滿后充電速率被切換到一個(gè)比較低的速率(對(duì)于DS2711而言是25%)。

除監(jiān)控功能外，DS2711/DS2712充電器還帶有內(nèi)部計(jì)時(shí)器，通過(guò)連接到TMR引腳的外部電阻設(shè)定最大充電時(shí)間，可將快速充電時(shí)間設(shè)置在0.5到10小時(shí)。浮充時(shí)間已經(jīng)設(shè)定為最大充電時(shí)間的一半(0.25到5小時(shí))。根據(jù)所要求的充電時(shí)間(TAPPROX)，由下式計(jì)算電阻值：

快速充電模式下，如果超過(guò)最大充電時(shí)間，充電器會(huì)從快速充電模式切換到浮充模式，同時(shí)復(fù)位計(jì)時(shí)器。計(jì)時(shí)器開(kāi)始為浮充過(guò)程計(jì)時(shí)，如果達(dá)到預(yù)定的浮充時(shí)間，充電器將從浮充模式切換到涓流模式(圖3)。

VP1、VP2用于監(jiān)視電壓，THM1、THM2配合熱敏電阻用來(lái)監(jiān)測(cè)電池的溫度。TMR(計(jì)時(shí)器)和RSNS(檢流電阻)用于設(shè)定充電時(shí)間和充電電流。DS2711/DS2712的另外一個(gè)特性是可以檢測(cè)電池充電故障和堿性原電池。如果發(fā)生這些情況，充電器會(huì)自行關(guān)機(jī)。

如何檢測(cè)堿性電池

全新的鎳氫AA電池的典型內(nèi)阻在30mΩ到100mΩ，堿性電池的內(nèi)阻一般在200mΩ到300mΩ(根據(jù)充電狀態(tài)，最高可到 700mΩ)，出現(xiàn)故障的充電電池會(huì)有很高的內(nèi)阻。DS2711/DS2712通過(guò)檢測(cè)到的電池電壓(VP1和VP2)和已設(shè)定的充電電流可以計(jì)算出待充電電池的內(nèi)阻。

CTST引腳(用于電池測(cè)試、設(shè)置門限)控制電池內(nèi)阻的測(cè)量。VCTST是充電過(guò)程中的電池電壓減去無(wú)充電電流時(shí)的開(kāi)路電池電壓(OCV) 后的差值。這個(gè)值等于充電電流乘以電池內(nèi)阻的乘積。如果檢測(cè)引腳(VP1、VP2和VN1)與電池沒(méi)有采用Kelvin連接，引線電阻也將計(jì)入測(cè)量值，影響VCTST。計(jì)算外部電阻RCTST的公式為：

例如，當(dāng)以C/2速率(1.1A)為2200mAh NiMH電池充電時(shí)，選擇RCELL=150mΩ為電池內(nèi)阻門限時(shí)，VCTST將為：

或者，

(最近的標(biāo)準(zhǔn)1%阻值為48.7kΩ)。

如果超過(guò)VCTST門限(本例中>0.165V)，表明電池內(nèi)阻高于150mΩ，芯片會(huì)提供邏輯指示或出錯(cuò)信息指示(LED1、LED2)，同時(shí)停止充電過(guò)程(圖4)。

單機(jī)鋰離子電池快速充電器

因?yàn)椴恍枰獧z測(cè)電壓變化率(dV/dt)，鋰離子電池充電器比鎳氫電池簡(jiǎn)單。同時(shí)，由于鋰離子電池對(duì)過(guò)充非常敏感，充電器需要一個(gè)精確的4.2V50mV電源保證恒功率充電。至于鎳氫電池，充電器不僅需要電壓監(jiān)測(cè)，還需要其它監(jiān)控功能(溫度、計(jì)時(shí)等)。

單機(jī)鋰離子電池充電器MAX8601內(nèi)置所謂的Vbatt可控電壓源，它可以在+25℃提供4.2V0.021V，或在40℃85℃提供4.2V0.034V的精度。當(dāng)通過(guò)VBATT連接給鋰離子電池充電時(shí)，充電器可以保持恒定輸出功率(圖5)，外部電阻(接SETI引腳)和外部電容(接CT引腳)可以設(shè)定充電電流和內(nèi)部計(jì)時(shí)。該充電器還通過(guò)一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)電阻來(lái)監(jiān)控電池的溫度。

MAX8601充電器的主要優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)外部適配器或USB端口給電池充電(圖6)。USB端口根據(jù)USEL引腳的設(shè)置可以提供 100mA、500mA電流(典型USB輸出電流)。該芯片會(huì)自動(dòng)選擇外部電源(主適配器或USB)。如果兩個(gè)電源同時(shí)存在，它會(huì)選擇主適配器進(jìn)行充電。任何一個(gè)電源都必須能夠提供最小4.5V的電壓。

MAX8601具有低電池電壓預(yù)充、限壓/限流快速充電和浮充模式等控制算法，優(yōu)化了鋰離子電池充電。器件還有上電復(fù)位以及電池過(guò)壓、高溫/低溫檢測(cè)和充電時(shí)間的連續(xù)監(jiān)測(cè)功能。

本文小結(jié)

DS2711/DS2712和MAX8601都是單機(jī)充電器，它們具有多種監(jiān)控功能(電壓、電流、溫度、計(jì)時(shí)等)，既不需要微控制器監(jiān)控，也不需要電源浪涌保護(hù)，而且提供清晰、簡(jiǎn)單的外部切換。