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(dòng)玩具等。當(dāng)負(fù)載相對(duì)于堿性電池的容量過大時(shí)，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(duì)保護(hù)電路的設(shè)計(jì)要求不高。因此，適合用于對(duì)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。現(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(huì)在一定程度上影響電池的使用效果。

　　而對(duì)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(shí)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(shí)，需全面考慮性價(jià)比問題，不能一味追求低廉的價(jià)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(shí)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)洌梢詫?duì)每節(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(duì)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(gè)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(gè)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(dòng)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(duì)較低，但需注意散熱問題。例如：對(duì)一個(gè)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(shí)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(shí)，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(huì)把電池充電器作為系統(tǒng)的一個(gè)部件放置在系統(tǒng)內(nèi)部。此時(shí)，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(huì)縮短壽命。由于要求在整個(gè)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?duì)較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(huì)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(shí)，電池滿充時(shí)，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(shí)，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(shí)，終止快充模式。
　　除了對(duì)電壓檢測外，充電器還需要監(jiān)視電池溫度、充電時(shí)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(dòng)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(duì)電池充電，將電池電壓充至1V，可以防止對(duì)深度放電的電池快速充電，同時(shí)也避免在極端溫度下對(duì)電池充電。
　　快速充電過程中，DS2711/D S2712可以對(duì)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(shí)，充電器將持續(xù)以快速充電電流對(duì)電池充電，一旦檢測到-ΔV，將立即終止快充過程。快充結(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(shí)間監(jiān)視始終伴隨整個(gè)充電過程，為系統(tǒng)提供二次保護(hù)，避免過充電。

　　對(duì)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(duì)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(duì)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?！俺錆M”指NiMH電池完全充滿，對(duì)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(shí)，對(duì)電池進(jìn)行測量，以計(jì)算每個(gè)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(duì)其充電。堿性原電池制造商不推薦對(duì)其產(chǎn)品進(jìn)行充電，因此，能夠識(shí)別哪些電池可以安全充電、哪些電池不能充電對(duì)于充電器而言將是一個(gè)非常關(guān)鍵的功能，能夠?yàn)橛脩籼峁┻M(jìn)一步的安全保障。