基于DS2712的USB接口鎳氫電池充電器設(shè)計(jì)

摘要：隨著USB接口的廣泛應(yīng)用，將其作為小功率消費(fèi)類電子產(chǎn)品的電池充電電源十分便利，而新產(chǎn)品的不斷涌現(xiàn)和USB接口標(biāo)準(zhǔn)的不斷進(jìn)步使電池充電器設(shè)計(jì)面臨著新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。在此回顧了USB接口和鎳氫電池的特性，對(duì)比了基于線性穩(wěn)壓源和開關(guān)電源原理設(shè)計(jì)的充電器之間的差異，設(shè)計(jì)了一種以DS2712為充電控制器，使用USB接口作為電源的鎳氫電池充電器。在此設(shè)計(jì)的USB接口鎳氫電池充電器經(jīng)硬件驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了對(duì)一節(jié)鎳氫電池的快速智能充電功能，充電過程穩(wěn)定可靠。
關(guān)鍵詞：USB；鎳氫電池；智能充電；DS2712

0 引言
通用串行總線(USB)接口是一種帶電源和地的雙向數(shù)據(jù)接口。所有類型的電腦周邊設(shè)備，包括移動(dòng)硬盤、U盤、鍵盤、鼠標(biāo)、無線網(wǎng)卡、攝像頭、數(shù)碼相機(jī)、MP3播放器等，均可通過USB接口連接電腦主機(jī)。這些設(shè)備當(dāng)中很多都是采用電池供電的。隨著USB接口的廣泛應(yīng)用，將其作為小功率消費(fèi)類電子產(chǎn)品的電池充電電源十分便利，而新產(chǎn)品的不斷涌現(xiàn)和USB接口標(biāo)準(zhǔn)的不斷進(jìn)步使電池充電器設(shè)計(jì)面臨著新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。
本文首先回顧了USB接口和鎳氫電池的特性，然后對(duì)比了基于線性穩(wěn)壓源和開關(guān)電源原理設(shè)計(jì)的充電器之間的差異，最后設(shè)計(jì)了一種以DS2712為充電控制器、使用USB接口作為電源的鎳氫電池充電器。

1 USB特性
由于與計(jì)算機(jī)主電源相互隔離，USB接口可以作為穩(wěn)定性很好的小功率電壓源使用。將USB接口作為電源使用，也存在局限性，比如輸出電流有限、負(fù)載與計(jì)算機(jī)主機(jī)相互干擾等。USB 2．0接口由一對(duì)90 Ω半雙工差分屏蔽雙絞線、+5 V電源線和地線組成。通過功能控制器實(shí)現(xiàn)周邊設(shè)備與計(jì)算機(jī)主機(jī)之間的雙向通信。USB 2．0標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定每單元負(fù)載電流的最大值為10mA，任何設(shè)備消耗的最大電流不得超過5個(gè)單元負(fù)載電流。
USB接口分為低功率接口(最多提供一個(gè)單元負(fù)載電流)和高功率接口(最多可提供5個(gè)單元負(fù)載電流)。當(dāng)設(shè)備首次連接到USB接口時(shí)，計(jì)算機(jī)調(diào)用一個(gè)列舉進(jìn)程來識(shí)別設(shè)備，以確定設(shè)備所需要的負(fù)載電流大小。識(shí)別過程中，計(jì)算機(jī)只給設(shè)備提供一個(gè)單元負(fù)載電流；識(shí)別完成后，經(jīng)計(jì)算機(jī)電源管理軟件允許，更大的驅(qū)動(dòng)電流才會(huì)輸出給高功耗設(shè)備。
某些計(jì)算機(jī)主機(jī)或USB集線器通過內(nèi)置的具備保險(xiǎn)絲或者有源傳感器限制USB接口的輸出電流。如果設(shè)備沒有經(jīng)過列舉進(jìn)程進(jìn)行識(shí)別就使USB接口輸出超過一個(gè)負(fù)載單元的電流，計(jì)算機(jī)主機(jī)就會(huì)檢測(cè)到USB輸出過流，則主機(jī)會(huì)關(guān)閉一個(gè)或者多個(gè)正在使用的USB接口。許多USB接口的周邊設(shè)備，包括電池充電器，其驅(qū)動(dòng)電流都超過100mA，卻沒有功能控制器來處理主機(jī)的列舉進(jìn)程，這就會(huì)影響主機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。例如，一個(gè)驅(qū)動(dòng)電流是500 mA的設(shè)備插入一個(gè)由USB總線供電的USB集線器，如果沒有經(jīng)過列舉進(jìn)程識(shí)別，就可能會(huì)導(dǎo)致集線器和主機(jī)都過載。當(dāng)計(jì)算機(jī)主機(jī)的操作系統(tǒng)使用先進(jìn)的電源管理軟件時(shí)，特別是對(duì)于筆記本電腦等需要接口電流極小的設(shè)備而言，情況會(huì)更加復(fù)雜。在節(jié)能模式下，筆記本電腦會(huì)向USB設(shè)備發(fā)出待機(jī)命令，使設(shè)備進(jìn)入低功耗模式。所以，即使是低功耗設(shè)備也需要內(nèi)置功能控制器，以便與計(jì)算機(jī)主機(jī)進(jìn)行雙向通信。
USB 2．0標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容很全面，規(guī)定了電源的品質(zhì)、接頭的結(jié)構(gòu)、電纜的材料、允許的電壓降、浪涌電流值等。低功率和高功率接口分別具有不同的電源特性，這些特性參數(shù)主要取決于計(jì)算機(jī)主機(jī)與周邊設(shè)備之間的USB接頭和連接線導(dǎo)致的電壓降(約0．15 V)，包括使用USB總線供電的集線器的電壓降(約0．25 V)。計(jì)算機(jī)主機(jī)或獨(dú)立供電的USB集線器的高功率USB接口可以輸出高達(dá)500 mA的驅(qū)動(dòng)電流。低功率USB接口主要用在被動(dòng)USB總線供電的集線器中，只能提供100 mA的驅(qū)動(dòng)電流。
在采用USB2.0標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)主機(jī)內(nèi)，高功率USB接口的逆流端具有120μF低等效串聯(lián)電阻的電容，USB周邊設(shè)備的輸入電容不能超過10μF，這樣才能確保當(dāng)設(shè)備連接到USB接口時(shí)瞬間電壓降不大于0．5 V。如果當(dāng)前設(shè)備必須使用更大的輸入電容，就要在設(shè)備輸入端設(shè)置浪涌電流限制器，對(duì)較大的輸入電容以不大于100 mA的電流進(jìn)行充電。

2 鎳氫電池特性
鎳氫電池是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種新型綠色電池，具有高能量、長(zhǎng)壽命、無污染等特點(diǎn)，一般作為堿性電池的環(huán)保替代產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活中。正常情況下每節(jié)鎳氫電池可提供1．2 V的端電壓，充滿電后端電壓最高可達(dá)1．5V。
鎳氫電池通常采用恒流源充電。當(dāng)電池充滿電后，就會(huì)發(fā)生熱化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致電池溫度上升，端電壓降低。電池的溫度上升或者電壓下降均可作為終止充電的控制信號(hào)。這兩種控制信號(hào)可分別被定義為溫度變化率dT／dt和電壓降-△V。當(dāng)電池的充電率較低時(shí)，溫度變化率dT／dt和電壓降-△V的變化很??；當(dāng)充電率高于C／3(C為電池容量)時(shí)，溫度就開始顯著變化；當(dāng)電池進(jìn)入過沖狀態(tài)時(shí)溫度變化率dT／dt和電壓降-△V會(huì)快速變化，從而控制充電器降低充電電流，防止損壞電池。

圖1所示為基于DS2712的鎳氫電池充電器對(duì)一個(gè)部分充電的鎳氫電池進(jìn)行充電時(shí)，一個(gè)充電周期內(nèi)的電壓特性曲線。大電流快速充電結(jié)束之后，充電器會(huì)用較低的電流使電池充滿，然后使電流進(jìn)一步下降為C／20～C／30，進(jìn)行涓流充電，防止自放電引起的電量損耗，使電池保持充滿狀態(tài)。