NiMH電池充電器設計的關(guān)鍵問(wèn)題

　　大多數便攜式產(chǎn)品的性能取決于為其供電的電池質(zhì)量。近幾年來(lái)，隨著(zhù)電池性能的提高，便攜式產(chǎn)品正在向著(zhù)更小、更輕、功能更強大的方向發(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。當負載相對于堿性電池的容量過(guò)大時(shí)，如：筆記本電腦、PDA和蜂窩電話(huà)，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，但其成本遠遠低于Li+電池，對保護電路的設計要求不高。因此，適合用于對成本比較敏感的產(chǎn)品。另外，NiMH電池的電壓規格與堿性電池相同，可直接用來(lái)替代堿性電池?，F在，市場(chǎng)上較好的NiMH AA電池容量可以達到1700mAh~2000mAh，但是，由于電池廠(chǎng)商的測量設備與用戶(hù)的實(shí)際應用條件有一定差異，實(shí)際應用中用戶(hù)可能得不到電池標稱(chēng)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。

　　而對于電池管理設計工程師來(lái)說(shuō)，還需要特別注意充電器的設計問(wèn)題，因為電池性能的好壞與所使用的充電器也有很大關(guān)系，NiMH電池適于完全充滿(mǎn)和完全放電的過(guò)程。如果使用劣質(zhì)充電器，充電時(shí)無(wú)法給電池補充全部電量，那么，即使使用最好的電池也不能達到預期效果。所以，在設計NiMH電池充電器時(shí)，需全面考慮性?xún)r(jià)比問(wèn)題，不能一味追求低廉的價(jià)格。

　　Dallas半導體公司近期推出的NiMH電池充電器DS2711和DS2712適用于內置式或外置式（獨立的）1~2節AA、AAA NiMH電池充電。通過(guò)監控溫度、電壓和充電時(shí)間，實(shí)現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)拓撲，可以對每節電池單獨檢測和控制。

　　如何構成線(xiàn)性充電器與脈沖充電器

　　通過(guò)采用DS2712，可以構成線(xiàn)性充電器和脈沖充電器（圖1所示），充電器設計人員需要對充電結構做出正確選擇。線(xiàn)性充電器的調節器通過(guò)一個(gè)工作在線(xiàn)性區的晶體管，分擔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。如果調節器被封裝在一個(gè)空氣不流通的小空間內，功率耗散將導致發(fā)熱、引起溫升。

　　圖1中,a)圖是用DS2712構成的線(xiàn)性充電器，可以為2節串聯(lián)的NiMH電池充電。DS2712驅動(dòng)外部功率晶體管FCX718，將電源電壓降低至所需電池電壓。線(xiàn)性充電器電路簡(jiǎn)單，成本相對較低，但需注意散熱問(wèn)題。例如：對一個(gè)充電電流為1A的2節NiMH電池充電器，每節NiMH電池充電終止電壓通常為1.6V~1.7V，但也可能高達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NiMH電池完全放電后電壓可能降低到0.9V。照此計算，電池組此時(shí)的電壓應當是2×0.9=1.8V。如果使用標準的+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(xiàn)性結構比較適合散熱條件較好的外置式充電器（也稱(chēng)作搖籃架充電器）。

　　包括筆記本電腦在內的一些較大尺寸的便攜設備會(huì )把電池充電器作為系統的一個(gè)部件放置在系統內部。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。因為熱量產(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)電池電壓范圍內保持高效性，充電器應該選用脈沖式充電器，因為其功率耗散相對較小并且與輸入輸出壓差無(wú)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(kāi)關(guān)輸出電壓轉換成適合于電池的直流電壓。這種調節器的另一缺點(diǎn)是：開(kāi)關(guān)過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生噪聲，需要通過(guò)適當的布線(xiàn)技術(shù)和屏蔽、濾波措施來(lái)避免。

　　NiMH電池的充電控制
　　NiMH電池充電時(shí)，電池滿(mǎn)充時(shí)，端電壓上升到最大值然后開(kāi)始下降。當端電壓開(kāi)始下降，即dv/dt變?yōu)樨撝禃r(shí)，應該終止快充模式，否則，充電電流將把電池中的水電解成氫氣和氧氣，導致電池報廢。為了保證在電池損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，當該電壓達到最大值即dv/dt=0或略低于0時(shí)，終止快充模式。
　　除了對電壓檢測外，充電器還需要監視電池溫度、充電時(shí)間，作為輔助或后備保護方案。圖2是DS2711/DS2712的內部充電控制過(guò)程。有三種方式可以啟動(dòng)一次完整的充電過(guò)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；解除當前的充電掛起模式。每次充電從預充開(kāi)始，預充電過(guò)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(shí)也避免在極端溫度下對電池充電。
　　快速充電過(guò)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，為系統提供可靠的保護。當電池開(kāi)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(guò)程?？斐浣Y束后進(jìn)入浮充階段，浮充周期結束后進(jìn)入保持階段，完成一次完整的充電過(guò)程。最大電壓檢測、溫度和充電時(shí)間監視始終伴隨整個(gè)充電過(guò)程，為系統提供二次保護，避免過(guò)充電。

　　對原電池的檢測
　　DS2711/DS2712標準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，因為電池阻抗在很大程度上取決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(mǎn)、低電量、空電量和電池耗盡?！俺錆M(mǎn)”指NiMH電池完全充滿(mǎn)，對于堿性電池，“充滿(mǎn)”指電池剛剛去掉包裝；“低電量”指電池在50mA負載下放電至1.2V；“空電量”指電池在50mA負載下放電至0.8V；“電池耗盡”指電池在50mA負載下放電至0.0V。當電池放電到指定狀態(tài)時(shí)，對電池進(jìn)行測量，以計算每個(gè)電池的阻抗。表1、表2給出了檢測結果。

　　DS2711/DS2712的電池阻抗測量門(mén)限由CTST外接電阻(RCTST)設置。RCTST電阻是基于所要求的阻抗門(mén)限和充電電流計算得到的，根據表1、表2測試結果，我們選擇160mΩ作為判斷可充電NiMH電池的檢測門(mén)限，堿性電池將不能通過(guò)測試。
　　DS2711和DS2712為1節或2節AA或AAA標準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(gè)非常關(guān)鍵的功能，能夠為用戶(hù)提供進(jìn)一步的安全保障。