NiMH电池充电器设计的关键问题

作者：栾成强，Maxim公司

大多数便携式产品的性能取决于为其供电的电池质量。近几年来，随着电池性能的提高，便携式产品正在向着更小、更轻、功能更强大的方向发展。目前，用于便携产品供电的电池有三种：碱性电池、镍氢电池(NiMH)和锂离子电池。碱性电池是不可充电电池，具有极低的自放电率和极低的成本。常用于低功耗产品，如：遥控器、电动玩具等。当负载相对于碱性电池的容量过大时，如：笔记本电脑、PDA和蜂窝电话，需选用可充电电池。有两种可充电电池选择：NiMH电池和Li+电池。NiMH电池与Li+电池相比，具有较高的自放电率，能量密度也不如Li+电池高，但其成本远远低于Li+电池，对保护电路的设计要求不高。因此，适合用于对成本比较敏感的产品。另外，NiMH电池的电压规格与碱性电池相同，可直接用来替代碱性电池。现在，市场上较好的NiMH AA电池容量可以达到1700mAh~2000mAh，但是，由于电池厂商的测量设备与用户的实际应用条件有一定差异，实际应用中用户可能得不到电池标称的容量。另一方面，电池本身的性能也会在一定程度上影响电池的使用效果。

而对于电池管理设计工程师来说，还需要特别注意充电器的设计问题，因为电池性能的好坏与所使用的充电器也有很大关系，NiMH电池适于完全充满和完全放电的过程。如果使用劣质充电器，充电时无法给电池补充全部电量，那么，即使使用最好的电池也不能达到预期效果。所以，在设计NiMH电池充电器时，需全面考虑性价比问题，不能一味追求低廉的价格。

Dallas半导体公司近期推出的NiMH电池充电器DS2711和DS2712适用于内置式或外置式（独立的）1~2节AA、AAA NiMH电池充电。通过监控温度、电压和充电时间，实现最佳的快速充电控制。此外，它还能够检测失效或不匹配电池，如一次性碱性电池，支持串联和并联拓扑，可以对每节电池单独检测和控制。

如何构成线性充电器与脉冲充电器

通过采用DS2712，可以构成线性充电器和脉冲充电器（图1所示），充电器设计人员需要对充电结构做出正确选择。线性充电器的调节器通过一个工作在线性区的晶体管，分担直流电源与电池之间的压差，功耗为充电电流与管压降的乘积。如果调节器被封装在一个空气不流通的小空间内，功率耗散将导致发热、引起温升。

图1中,a)图是用DS2712构成的线性充电器，可以为2节串联的NiMH电池充电。DS2712驱动外部功率晶体管FCX718，将电源电压降低至所需电池电压。线性充电器电路简单，成本相对较低，但需注意散热问题。例如：对一个充电电流为1A的2节NiMH电池充电器，每节NiMH电池充电终止电压通常为1.6V~1.7V，但也可能高达2V，具体取决于电池和充电电流。因此，直流电源电压必须高于2×2=4V。单节NiMH电池完全放电后电压可能降低到0.9V。照此计算，电池组此时的电压应当是2×0.9=1.8V。如果使用标准的+5V直流电源，则晶体管的压差为5V-1.8V=3.2V。在给完全放电的电池充电时，充电器将消耗3.2W电能，电池将耗电1.8W，充电效率仅为36%。因此，线性结构比较适合散热条件较好的外置式充电器（也称作摇篮架充电器）。



包括笔记本电脑在内的一些较大尺寸的便携设备会把电池充电器作为系统的一个部件放置在系统内部。此时，充电器的效率至关重要，这并非为了能够传输最大能量，仅仅为了降低热量。因为热量产生温升，而电池工作于高温环境会缩短寿命。由于要求在整个电池电压范围内保持高效性，充电器应该选用脉冲式充电器，因为其功率耗散相对较小并且与输入输出压差无关，图1b)是利用DS2712配置的脉冲充电器。脉冲充电器的主要缺点是需要电感元件和电容滤波器，以便将开关输出电压转换成适合于电池的直流电压。这种调节器的另一缺点是：开关过程中会产生噪声，需要通过适当的布线技术和屏蔽、滤波措施来避免。

NiMH电池的充电控制

NiMH电池充电时，电池满充时，端电压上升到最大值然后开始下降。当端电压开始下降，即dv/dt变为负值时，应该终止快充模式，否则，充电电流将把电池中的水电解成氢气和氧气，导致电池报废。为了保证在电池损坏之前终止快速充电模式，充电器需要检测NiMH电池的端电压，当该电压达到最大值即dv/dt=0或略低于0时，终止快充模式。

除了对电压检测外，充电器还需要监视电池温度、充电时间，作为辅助或后备保护方案。图2是DS2711/DS2712的内部充电控制过程。有三种方式可以启动一次完整的充电过程：已经插入电池的情况下接通充电器电源；接通充电电源的情况下插入电池；解除当前的充电挂起模式。每次充电从预充开始，预充电过程以较小的电流对电池充电，将电池电压充至1V，可以防止对深度放电的电池快速充电，同时也避免在极端温度下对电池充电。

快速充电过程中，DS2711/DS2712可以对电池做进一步检测，判断电池是否为碱性电池或废旧、损坏了的NiMH电池，为系统提供可靠的保护。当电池开路电压介于1.0V~1.75V之间、电池温度低于+50℃（基于THM1、THM2电压）时，充电器将持续以快速充电电流对电池充电，一旦检测到-ΔV，将立即终止快充过程。快充结束后进入浮充阶段，浮充周期结束后进入保持阶段，完成一次完整的充电过程。最大电压检测、温度和充电时间监视始终伴随整个充电过程，为系统提供二次保护，避免过充电。

对原电池的检测

DS2711/DS2712标准NiMH电池充电器能够检测原电池(一次电池或不可充电电池)，避免对其充电。我们收集了几款新的和旧的NiMH可充电电池以及碱性原电池，用DS2711对这些电池进行充电和阻抗检测，因为电池阻抗在很大程度上取决于剩余电量或充电状态，我们选择了4种充电状态：充满、低电量、空电量和电池耗尽。“充满”指NiMH电池完全充满，对于碱性电池，“充满”指电池刚刚去掉包装；“低电量”指电池在50mA负载下放电至1.2V；“空电量”指电池在50mA负载下放电至0.8V；“电池耗尽”指电池在50mA负载下放电至0.0V。当电池放电到指定状态时，对电池进行测量，以计算每个电池的阻抗。表1、表2给出了检测结果。



DS2711/DS2712的电池阻抗测量门限由CTST外接电阻(RCTST)设置。RCTST电阻是基于所要求的阻抗门限和充电电流计算得到的，根据表1、表2测试结果，我们选择160mΩ作为判断可充电NiMH电池的检测门限，碱性电池将不能通过测试。

DS2711和DS2712为1节或2节AA或AAA标准NiMH电池提供了一种理想的充电方案，它们能够检测碱性原电池，防止对其充电。碱性原电池制造商不推荐对其产品进行充电，因此，能够识别哪些电池可以安全充电、哪些电池不能充电对于充电器而言将是一个非常关键的功能，能够为用户提供进一步的安全保障。



http://article.ednchina.com