充電電池和單機(jī)快速充電器簡介

作者：時間：2011-09-07 來源：網(wǎng)絡(luò)

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概述

充電電池已經(jīng)成為當(dāng)今電子產(chǎn)品的一種標(biāo)準(zhǔn)電源，特別是便攜設(shè)備：筆記本電腦、掌上導(dǎo)航儀、手機(jī)等。這些產(chǎn)品需要消耗的功率越來越大，而可充電電池容量的增長速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足它們的需求。功耗增長的主要原因是設(shè)備功能的增強(qiáng)，例如：數(shù)碼相機(jī)與手機(jī)的功能整合，筆記本電腦更高的運(yùn)算速度以及大尺寸屏幕的需求等等。便攜設(shè)備功耗的增大使得用可充電電池要比標(biāo)準(zhǔn)電池更便宜、更環(huán)保。

本文介紹了可充電電池的化學(xué)成分；同時說明了各種充電電池的典型特征和選擇電池類型時需要重點注意的事項。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)字無繩電話、隨身聽和電動剃須刀等，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)入市場并開始流行因為價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)會累積并且開始結(jié)晶(在陽極有100微米的鎘累積層)，通過化學(xué)反應(yīng)這層物質(zhì)會自行消失(一塊全新電池的陽極大約有1微米厚度的鎘結(jié)晶)。

出現(xiàn)記憶效應(yīng)會導(dǎo)致電池容量越來越小，端電壓越來越低，使得電池到達(dá)最低可用端電壓(關(guān)斷點)的時間比預(yù)期的早許多，如圖1所示。鎳鎘電池的另一個缺點是它的活性物質(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)致無法完全使用可充電電池的全部容量，但都可以通過使用帶有放電功能的充電器來避免。

圖1. 鎳鎘電池的記憶效應(yīng)與鎳氫電池的惰性效應(yīng)之間的比較

鋰電子可充電電池價格最高，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

雖然很多人更偏愛鋰離子電池，鎳氫電池的使用依然很流行。因為鎳氫電池比鋰離子電池便宜很多，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始下降(圖2)。所以，鎳氫電池充電器的主要任務(wù)是檢測到這個突變點并中斷充電，或者從快速充電切換到涓流充電。另外，在充電過程中對溫度和電壓進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控可以提供系統(tǒng)的安全性。

圖2. 這些曲線顯示了NiMH充電電池充電過程中典型的電壓(頂部)和溫度(底部)隨時間的變化

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)計的，同時也適用于串聯(lián)或并聯(lián)的兩節(jié)電池。DS2711采用線性控制結(jié)構(gòu)，DS2712采用開關(guān)控制結(jié)構(gòu)。為了最大限度地延長工作時間、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比較低的速率(對于DS2711而言是25%)。

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

R = 1000TAPPROX / 1.5(Eq. 1)

快速充電模式下，如果超過最大充電時間，充電器會從快速充電模式切換到浮充模式，同時復(fù)位計時器。計時器開始為浮充過程計時，如果達(dá)到預(yù)定的浮充時間，充電器將從浮充模式切換到涓流模式(圖3)。

圖3. 該典型應(yīng)用電路中，DS2711電池充電器

為2個串聯(lián)的鎳氫充電電池充電 VP1、VP2用于監(jiān)視電壓，THM1、THM2配合熱敏電阻用來監(jiān)測電池的溫度。TMR (計時器)和RSNS(檢流電阻)用于設(shè)定充電時間和充電電流。DS2711/DS2712的另外一個特性是可以檢測電池充電故障和堿性原電池。如果發(fā)生這些情況，充電器會自行關(guān)機(jī)。

如何檢測堿性電池

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)故障的充電電池會有很高的內(nèi)阻。DS2711/DS2712通過檢測到的電池電壓(VP1和VP2)和已設(shè)定的充電電流可以計算出待充電電池的內(nèi)阻。

CTST引腳(用于電池測試、設(shè)置門限)控制電池內(nèi)阻的測量。VCTST是充電過程中的電池電壓減去無充電電流時的開路電池電壓(OCV)后的差值。這個值等于充電電流乘以電池內(nèi)阻的乘積。如果檢測引腳(VP1、VP2和VN1)與電池沒有采用Kelvin連接，引線電阻也將計入測量值，影響VCTST。計算外部電阻RCTST的公式為：

RCTST = 8000 [V2/A] / VCTST, 其中VCTST = ICharge * RCELL(Eq. 2)

例如，當(dāng)以C/2速率(1.1A)為2200mAh NiMH電池充電時，選擇RCELL = 150mΩ為電池內(nèi)阻門限時, VCTST將為: VCTEST = ICHARGE * RCELL = 1.1A * 150mΩ = 0.165V 或: RCTST = 8000 [V2/A] / 0.165V = 48,485Ω

(最近的標(biāo)準(zhǔn)1%阻值為48.7kΩ) 如果超過VCTST門限(本例中> 0.165V)，表明電池內(nèi)阻高于150mΩ，芯片會提供邏輯指示或出錯信息指示(LED1、LED2)，同時停止充電過程(圖4)。

圖4. 圖3中所示充電器的充電流程

單機(jī)鋰離子電池快速充電器

因為不需要檢測電壓變化率(dV/dt)，鋰離子電池充電器比鎳氫電池簡單。同時，由于鋰離子電池對過充非常敏感，充電器需要一個精確的4.2V ± 50mV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，還需要其它監(jiān)控功能(溫度、計時等)。

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°C提供4.2V ± 0.021V，或在40°C T 85°C提供4.2V ± 0.034V的精度。當(dāng)通過Vbatt連接給鋰離子電池充電時，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)部計時。該充電器還通過一個負(fù)溫度系數(shù)電阻來監(jiān)控電池的溫度。

圖5. MAX8601鋰離子電池單機(jī)充電器的典型應(yīng)用電路圖

MAX8601充電器的主要優(yōu)點是可以通過外部適配器或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)。該芯片會自動選擇外部電源(主適配器或USB)。如果兩個電源同時存在，它會選擇主適配器進(jìn)行充電。任何一個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)位以及電池過壓、高溫/低溫檢測和充電時間的連續(xù)監(jiān)測功能。