一種針關于充電電池的低成本CCR充電處理辦法

關于手機、數碼相機(DSC)、音樂播放器等便攜設備中常見的單節鋰電池等而言，充電一直是一個頗有挑戰性的問題，因為既要滿足特定使用要求，又要確保安全和無故障的充電操作。本文將討論如何將安森美半導體的恒流穩流器(CCR)用于可充電電池的低成本充電電路，為其供應了終止充電的簡單控制器。

電池種類及充電技術選擇

三種最常見的充電電池分別是鎳金屬氫化物(NiMH)、鎳鎘(NiCad)和鋰離子(Li-ion)。電池充電速率用字母“C”表示。“C”含義了1.0小時的電池容量。例如，一個額定值為800mAh(毫安時)的電池可以用0.5C充電，因而使電池完全充電要以400mA充電電流充電超過2個小時。圖1是充電電路的基本框圖。

圖1：充電電路基本框圖

1)鎳氫和鎳鎘電池

鎳氫電池的額定電壓為1.2V/節，應當用高達1.5-1.6V/節的電壓充電。要決定何時中斷充電有幾種不同技術可以采用，其中包括：峰值電壓測試、負Δ電壓、Δ溫度(dT/dt)、溫度閾值和按時器。關于高端充電器這些技術都有可能組合用在一個充電器當中。

CCR充電器是一個峰值電壓測試電路，可在預定峰值終止充電，為上述電池的充電供應了一個適宜的處理辦法。其預定峰值電壓為1.5V/節，可將電池充電至約97%的程度。鎳鎘電池可以使用該電路充電。其表現與鎳氫電池非常相近，所以這種辦法很適宜。

2)鋰電池

對鋰電池而言，常用的充電辦法是在0.5C到1C條件下通過涓流充電將電池充電至4.2V/節。在充電過程中，鋰電池的溫升應保持在低于5℃，較高的溫升聲明可能會引發自燃。涓充部分的充電周期電池溫升最大，最有可能自燃。由于這個問題，高端充電可使用智能IC(如安森美半導體的NCp1835B)來監視和控制鋰電池的充電過程。

恒流穩流器(CCR)充電電路設計

本文討論的CCR控制器沒有使用涓流充電，因此消除了可能自燃的問題，讓電池處在一個安全工作區有助于提高電池的使用壽命。不過，不使用涓流充電，電池將只能充電到約85%的程度。

1)設置參考電壓

利用三端可編程分流穩壓器TL431可以設置參考電壓。它可在其參考引腳供應一個恒定的2.5V輸出。當如圖2所示連接兩個外部電阻時，參考電壓可以選為2.5V至36V。出于我們的目的，我們將R2設置為1.0kΩ，并將Rref調整到我們想要匹配的參考電壓。用來得出R2/Rref比率的公式是：

圖2：參考電壓的設置

2)遲滯環路比較器

LM311是一個單比較器，用來比較參考電壓與電池電壓。連接到反相輸入端的是電池電壓。遲滯是由輸出和非反相輸入端之間的反饋電阻(Rh)供應的。R3是一個1.0kΩ的電阻，用來簡化R3/Rh的比例。通過調整Rh可以改變遲滯環的帶寬。新增Rh可以減少帶寬，反之亦然。提議遲滯的帶寬大于200mV，因為在充電終止時，電池的電壓會稍微下降一些。高電壓與低電壓的反相輸入公式是：

圖3：遲滯設置

圖4：充電電路原理圖

3)電流開關

電路中的兩個雙極結型晶體管(BJT)(Q3和Q6)作為控制充電電流的開關。Q6的基極是通過一個5.6kΩ電阻(R6)由比較器的輸出控制的。Q6的集電極通過一個1.0kΩ電阻(R5)連接到Q3的基極。當比較器的輸出變為低電平時，Q6被封閉，導致Q3封閉而終止充電電流。

4)穩流

電池的充電電流采用一個CCR來控制。電流可以通過一個可調節CCR和/或并聯CCR來調整。這個演示板是專門為兩個并聯CCR(Q4和Q5)設計的(可以并聯連接兩個以上的CCR，以便能夠達到你想要的任何電流)。關于本文討論的試驗，CCR(NSI45090JDT4G)可以在90mA至160mA范圍內調整。三個用于數據分解的電流分別是90、180和300mA。

5)指示器LED

為了聲明電池正在充電，組合使用了一顆CCR、Q7及一個LED。CCR為LED供應個恒流。在沒有電池連接到充電器時，LED也將“導通”。當LED“封閉”時，聲明電池已完全充電。

6)設置不同的探測電流

表1顯示了決定充電電流的可變元件值和充電終止電壓。同時在180mA探測兩個NSI45090JDT4GCCR被用來給出一個Radj=10的90mA的電流輸出。

7)探測結果

CCR充電電路是通過在90mA、180mA和300mA對鋰電池和鎳氫電池充電進行探測的。表2是正在充電的電池監測到的關鍵電壓。表3顯示了電路終止電池充電后相同的關鍵電壓。在探測過程中，電池的溫度開始迅速升高(見表4)，探測結束之前，電池電壓達到參考電壓。

表4蘊含了電池的溫度數據。在所有情況下，環境溫度約為25℃。關于鋰電池而言，可以得出這樣的結論，充電電流越大，電池溫升就越高。在0.1C充電時，鎳氫電池的情況相同。緊要的是要記住，在何時選擇使用多大的充電速率。

充電電流、功耗及電池電壓

1)隨時間變化的充電電流

使用恒流穩流器充電電流可保持不變，直到充電終止，如圖5所示。

圖5：隨時間變化的充電電流

2)BJT和二極管的功耗

如今，人們都非常關心電路的功耗。降低輸入電壓是一種方式，為的是提高電路性能。這是使用低VCE(sat)晶體管的原由之一。如表1所示，晶體管的VCE非常低。圖6也描述了隨著時間推移pNp晶體管所消耗的功率。正如人們所期待的，在充電電流新增時耗散功率(pD)也新增了。然而，在約300mA的充電電流下，晶體管消耗的功率小于15mW。

除了使用低VCE(sat)的BJT，還可使用一個DSN2封裝的低正向壓降(VF)肖特基二極管來降低功耗。該二極管用于反向電流保護。選擇安森美半導體的NSR10F40NXT5G的原由是它有市場上最低的VF。在最高充電電流下測得的二極管消耗功率約莫為95mW。圖7顯示了電池正在充電時DSN2低VF肖特基勢壘二極管的功耗。

使用低VCE(sat)BJT和低VF肖特基二極管輸入電壓可降至盡可能最低。

圖7：隨時間變化的二極管耗散功率

3)CCR的功耗

功耗是使用CCR時一個非常緊要的參數。它是使所有電壓下降以確保恒流電池充電的器件。當器件開始升溫時，電流開始下降。為了盡量減少CCR溫升，板上大部分空位放置了銅箔。然后CCR的陰極被連接到該區域的銅箔作為散熱片。當使用多個并聯CCR時，要牢記各CCR的功耗只是CCR獨立電流乘以電壓的值，而不是總充電電流值。圖8顯示了隨時間推移的CCR消耗的功率。當使用多個CCR獲取更高充電電流時，只顯示了一個CCR數據。

圖8：隨時間變化的CCR的耗散功率

4)隨時間推移的電池電壓

圖9描述了所有六個探測用例的電池電壓。關于鋰電池電壓，人們期待看到當電壓達到4.2V時電壓開始變平。在比較先進的電路中，這將適用于涓流充電。然而，如上所述該電路設計為的是在預定電壓下停止充電，本例中為4.15V。

圖9：隨時間變化的電池電壓

結論

綜上所述，恒流穩流器也就是CCR可以供應電池充電用的恒流。此外，當用CCR實現上面討論的控制器時，有可能用相同的電路以不同的電流為不同的化學電池充電。這樣，既可以滿足特定使用要求，又能確保安全和無故障的充電操作。

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