NiMH電池充電器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題
大多數(shù)便攜式產(chǎn)品的性能取決于為其供電的電池質(zhì)量。近幾年來,隨著電池性能的提高,便攜式產(chǎn)品正在向著更小、更輕、功能更強(qiáng)大的方向發(fā)展。目前,用于便攜產(chǎn)品供電的電池有三種:堿性電池、鎳氫電池(NiMH)和鋰離子電池。堿性電池是不可充電電池,具有極低的自放電率和極低的成本。常用于低功耗產(chǎn)品,如:遙控器、電動玩具等。當(dāng)負(fù)載相對于堿性電池的容量過大時,如:筆記本電腦、PDA和蜂窩電話,需選用可充電電池。有兩種可充電電池選擇:NiMH電池和Li+電池。NiMH電池與Li+電池相比,具有較高的自放電率,能量密度也不如Li+電池高,但其成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于Li+電池,對保護(hù)電路的設(shè)計(jì)要求不高。因此,適合用于對成本比較敏感的產(chǎn)品。另外,NiMH電池的電壓規(guī)格與堿性電池相同,可直接用來替代堿性電池?,F(xiàn)在,市場上較好的NiMH AA電池容量可以達(dá)到1700mAh~2000mAh,但是,由于電池廠商的測量設(shè)備與用戶的實(shí)際應(yīng)用條件有一定差異,實(shí)際應(yīng)用中用戶可能得不到電池標(biāo)稱的容量。另一方面,電池本身的性能也會在一定程度上影響電池的使用效果。
而對于電池管理設(shè)計(jì)工程師來說,還需要特別注意充電器的設(shè)計(jì)問題,因?yàn)殡姵匦阅艿暮脡呐c所使用的充電器也有很大關(guān)系,NiMH電池適于完全充滿和完全放電的過程。如果使用劣質(zhì)充電器,充電時無法給電池補(bǔ)充全部電量,那么,即使使用最好的電池也不能達(dá)到預(yù)期效果。所以,在設(shè)計(jì)NiMH電池充電器時,需全面考慮性價比問題,不能一味追求低廉的價格。
Dallas半導(dǎo)體公司近期推出的NiMH電池充電器DS2711和DS2712適用于內(nèi)置式或外置式(獨(dú)立的)1~2節(jié)AA、AAA NiMH電池充電。通過監(jiān)控溫度、電壓和充電時間,實(shí)現(xiàn)最佳的快速充電控制。此外,它還能夠檢測失效或不匹配電池,如一次性堿性電池,支持串聯(lián)和并聯(lián)拓?fù)?,可以對每?jié)電池單獨(dú)檢測和控制。
如何構(gòu)成線性充電器與脈沖充電器
通過采用DS2712,可以構(gòu)成線性充電器和脈沖充電器(圖1所示),充電器設(shè)計(jì)人員需要對充電結(jié)構(gòu)做出正確選擇。線性充電器的調(diào)節(jié)器通過一個工作在線性區(qū)的晶體管,分擔(dān)直流電源與電池之間的壓差,功耗為充電電流與管壓降的乘積。如果調(diào)節(jié)器被封裝在一個空氣不流通的小空間內(nèi),功率耗散將導(dǎo)致發(fā)熱、引起溫升。
圖1中,a)圖是用DS2712構(gòu)成的線性充電器,可以為2節(jié)串聯(lián)的NiMH電池充電。DS2712驅(qū)動外部功率晶體管FCX718,將電源電壓降低至所需電池電壓。線性充電器電路簡單,成本相對較低,但需注意散熱問題。例如:對一個充電電流為1A的2節(jié)NiMH電池充電器,每節(jié)NiMH電池充電終止電壓通常為1.6V~1.7V,但也可能高達(dá)2V,具體取決于電池和充電電流。因此,直流電源電壓必須高于2×2=4V。單節(jié)NiMH電池完全放電后電壓可能降低到0.9V。照此計(jì)算,電池組此時的電壓應(yīng)當(dāng)是2×0.9=1.8V。如果使用標(biāo)準(zhǔn)的+5V直流電源,則晶體管的壓差為5V-1.8V=3.2V。在給完全放電的電池充電時,充電器將消耗3.2W電能,電池將耗電1.8W,充電效率僅為36%。因此,線性結(jié)構(gòu)比較適合散熱條件較好的外置式充電器(也稱作搖籃架充電器)。
包括筆記本電腦在內(nèi)的一些較大尺寸的便攜設(shè)備會把電池充電器作為系統(tǒng)的一個部件放置在系統(tǒng)內(nèi)部。此時,充電器的效率至關(guān)重要,這并非為了能夠傳輸最大能量,僅僅為了降低熱量。因?yàn)闊崃慨a(chǎn)生溫升,而電池工作于高溫環(huán)境會縮短壽命。由于要求在整個電池電壓范圍內(nèi)保持高效性,充電器應(yīng)該選用脈沖式充電器,因?yàn)槠涔β屎纳⑾鄬^小并且與輸入輸出壓差無關(guān),圖1b)是利用DS2712配置的脈沖充電器。脈沖充電器的主要缺點(diǎn)是需要電感元件和電容濾波器,以便將開關(guān)輸出電壓轉(zhuǎn)換成適合于電池的直流電壓。這種調(diào)節(jié)器的另一缺點(diǎn)是:開關(guān)過程中會產(chǎn)生噪聲,需要通過適當(dāng)?shù)牟季€技術(shù)和屏蔽、濾波措施來避免。
NiMH電池的充電控制
NiMH電池充電時,電池滿充時,端電壓上升到最大值然后開始下降。當(dāng)端電壓開始下降,即dv/dt變?yōu)樨?fù)值時,應(yīng)該終止快充模式,否則,充電電流將把電池中的水電解成氫氣和氧氣,導(dǎo)致電池報(bào)廢。為了保證在電池?fù)p壞之前終止快速充電模式,充電器需要檢測NiMH電池的端電壓,當(dāng)該電壓達(dá)到最大值即dv/dt=0或略低于0時,終止快充模式。
除了對電壓檢測外,充電器還需要監(jiān)視電池溫度、充電時間,作為輔助或后備保護(hù)方案。圖2是DS2711/DS2712的內(nèi)部充電控制過程。有三種方式可以啟動一次完整的充電過程:已經(jīng)插入電池的情況下接通充電器電源;接通充電電源的情況下插入電池;解除當(dāng)前的充電掛起模式。每次充電從預(yù)充開始,預(yù)充電過程以較小的電流對電池充電,將電池電壓充至1V,可以防止對深度放電的電池快速充電,同時也避免在極端溫度下對電池充電。
快速充電過程中,DS2711/D S2712可以對電池做進(jìn)一步檢測,判斷電池是否為堿性電池或廢舊、損壞了的NiMH電池,為系統(tǒng)提供可靠的保護(hù)。當(dāng)電池開路電壓介于1.0V~1.75V之間、電池溫度低于+50℃(基于THM1、THM2電壓)時,充電器將持續(xù)以快速充電電流對電池充電,一旦檢測到-ΔV,將立即終止快充過程??斐浣Y(jié)束后進(jìn)入浮充階段,浮充周期結(jié)束后進(jìn)入保持階段,完成一次完整的充電過程。最大電壓檢測、溫度和充電時間監(jiān)視始終伴隨整個充電過程,為系統(tǒng)提供二次保護(hù),避免過充電。
對原電池的檢測
DS2711/DS2712標(biāo)準(zhǔn)NiMH電池充電器能夠檢測原電池(一次電池或不可充電電池),避免對其充電。我們收集了幾款新的和舊的NiMH可充電電池以及堿性原電池,用DS2711對這些電池進(jìn)行充電和阻抗檢測,因?yàn)殡姵刈杩乖诤艽蟪潭壬先Q于剩余電量或充電狀態(tài),我們選擇了4種充電狀態(tài):充滿、低電量、空電量和電池耗盡。“充滿”指NiMH電池完全充滿,對于堿性電池,“充滿”指電池剛剛?cè)サ舭b;“低電量”指電池在50mA負(fù)載下放電至1.2V;“空電量”指電池在50mA負(fù)載下放電至0.8V;“電池耗盡”指電池在50mA負(fù)載下放電至0.0V。當(dāng)電池放電到指定狀態(tài)時,對電池進(jìn)行測量,以計(jì)算每個電池的阻抗。表1、表2給出了檢測結(jié)果。
DS2711/DS2712的電池阻抗測量門限由CTST外接電阻(RCTST)設(shè)置。RCTST電阻是基于所要求的阻抗門限和充電電流計(jì)算得到的,根據(jù)表1、表2測試結(jié)果,我們選擇160mΩ作為判斷可充電NiMH電池的檢測門限,堿性電池將不能通過測試。
DS2711和DS2712為1節(jié)或2節(jié)AA或AAA標(biāo)準(zhǔn)NiMH電池提供了一種理想的充電方案,它們能夠檢測堿性原電池,防止對其充電。堿性原電池制造商不推薦對其產(chǎn)品進(jìn)行充電,因此,能夠識別哪些電池可以安全充電、哪些電池不能充電對于充電器而言將是一個非常關(guān)鍵的功能,能夠?yàn)橛脩籼峁┻M(jìn)一步的安全保障。
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