電池充電新方法――USB

　　2.4 電路實(shí)例

　　圖7所示電路是用于單節NiMH電池充電的開(kāi)關(guān)模式降壓型調節器。它采用DS2712充電控制器調節充電電流和終止充電。充電控制器監視溫度、電池電壓和電池電流。如果溫度超過(guò)+45°C或者低于0°C，控制器不會(huì )對電池充電。

圖7. USB端口對單節NiMH電池快速充電的原理圖

　　如圖7所示，Q1是降壓型充電器的開(kāi)關(guān)功率晶體管；L1是濾波電感；D1是續流或整流二極管。輸入電容C1為10?F、超低ESR的陶瓷濾波電容。用鉭電容或者其它電解電容替代C1會(huì )使充電器的性能降低。R7是電流調節器檢測放大器的檢流電阻。DS2712的基準電壓為0.125V，并具有24mV滯回。通過(guò)CSOUT提供閉環(huán)、開(kāi)關(guān)模式電流控制。充電控制引腳CC1將Q2的柵極拉低時(shí)，使能Q1的柵極驅動(dòng)。Q1和Q2均為低Vt （柵-源門(mén)限電壓）的pMOSFET。CC1和CSOUT均為低電平時(shí)，Q2的漏-源電壓將稍大于Vt。該電壓以及CSOUT的正向壓降構成了Q1的柵極開(kāi)關(guān)電壓。CC1為低電平時(shí)，啟動(dòng)電流閉環(huán)控制。圖8所示為啟動(dòng)開(kāi)關(guān)時(shí)的波形。上方波形是0.125Ω （檢流電阻兩端的電壓，下方波形是Q1漏極至GND的電壓。開(kāi)始時(shí)，當Q1打開(kāi)（CC1和CSOUT均為低電平）時(shí)，電感電流向上爬升。當電流增大到使檢流電阻兩端的電壓達到0.125V時(shí)，CSOUT變?yōu)楦唠娖?，開(kāi)關(guān)關(guān)斷。此后，電感電流開(kāi)始下降，直到檢流電阻兩端的電壓達到約0.1V，CSOUT又變?yōu)榈碗娖?。只要CC1為低電平，該過(guò)程將一直持續。

圖8. USB NiMH充電器的啟動(dòng)波形

　　DS2712的內部狀態(tài)機控制著(zhù)CC1的工作。充電開(kāi)始時(shí)，DS2712先對電池進(jìn)行狀態(tài)測試，以確保電池電壓在1.0V至1.65V之間，并確認溫度在0°C至+45°C之間。如果電壓低于1.0V，DS2712將以0.125的占空比拉低CC1，對電池緩慢充電，以防損壞電池。一旦電池電壓超過(guò)1.0V后，狀態(tài)機轉為快充模式?？斐鋾r(shí)占空比為31/32，即大約97%。“跳過(guò)”的間隙內進(jìn)行電池阻抗測試，以確保不會(huì )對錯誤放入充電器的高阻抗電池（例如堿性電池）進(jìn)行充電。檢測到-2mV的-ΔV后，快充結束。如果未檢測到-ΔV，將持續快充，直到快充定時(shí)器超時(shí)，或檢測到過(guò)溫或者過(guò)壓故障狀態(tài)（包括阻抗不合格）為止?？斐渫瓿桑ㄓ捎?ΔV或快充定時(shí)器超時(shí)） 后，DS2712進(jìn)入定時(shí)補足充電模式，占空比為12.5%，持續時(shí)間為所設快充定時(shí)的一半。補足充電完成后，充電器進(jìn)入維持模式，占空比為1/64，直到電池被拿走或重新上電。

　　采用圖7所示充電器和大功率USB端口對2100mAh NiMH電池充電時(shí)，快充時(shí)間為2小時(shí)多一點(diǎn)，大約3個(gè)小時(shí)完成包括補足充電在內的全部充電過(guò)程。從端口吸取的電流為420mA。如果需要與主機進(jìn)行枚舉過(guò)程，并需要大電流使能操作，可在R9和地之間串聯(lián)一個(gè)開(kāi)漏極nMOSFET。如果MOSFET關(guān)斷，則TMR浮空，DS2712進(jìn)入掛起狀態(tài)。

　　3 總結

　　對于小型消費類(lèi)電子設備的電池充電而言，USB端口是一個(gè)經(jīng)濟、實(shí)用的電源。為完全符合USB 2.0規范，連接在USB端口上的負載必須能夠與主機進(jìn)行雙向通信。負載也必須符合電源管理要求，包括低功耗模式，以及便于主機確定何時(shí)需要從端口吸取大電流的手段。盡管部分兼容的系統能夠適應大部分USB主機，但有時(shí)會(huì )出現意想不到的結果。只有很好地理解USB規范要求和負載的期望，才能在對于規范的兼容性與負載復雜度之間取得較好的平衡。