一種針對(duì)于充電電池的低成本CCR充電解決方案

對(duì)于手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)（DSC）、音樂(lè)播放器等便攜設(shè)備中常見(jiàn)的單節(jié)鋰離子電池等而言，充電一直是一個(gè)頗有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題，因?yàn)榧纫獫M足特定應(yīng)用要求，又要確保安全和無(wú)故障的充電操作。本文將討論怎樣將安森美半導(dǎo)體的恒流穩(wěn)流器（CCR）用于可充電電池的低成本充電電路，為其提供了終止充電的簡(jiǎn)單控制器。

電池種類及充電技術(shù)選擇

三種最常見(jiàn)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”定義了1.0小時(shí)的電池容量。例如，一個(gè)額定值為800 mAh（毫安時(shí)）的電池可以用0.5C充電，因而使電池完全充電需要以400 mA充電電流充電超過(guò)2個(gè)小時(shí)。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1.2 V/節(jié)，應(yīng)該用高達(dá)1.5-1.6 V/節(jié)的電壓充電。要決定何時(shí)中斷充電有幾種不同技術(shù)可以采用，其中包括：峰值電壓檢測(cè)、負(fù)Δ電壓、Δ溫度（dT/dt）、溫度閾值和定時(shí)器。對(duì)于高端充電器這些技術(shù)都有可能組合用在一個(gè)充電器當(dāng)中。

CCR充電器是一個(gè)峰值電壓檢測(cè)電路，可在預(yù)定峰值終止充電，為上述電池的充電提供了一個(gè)合適的解決方案。其預(yù)定峰值電壓為1.5 V/節(jié)，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(xiàn)與鎳氫電池非常相似，所以這種方法很合適。

2）鋰離子電池

對(duì)鋰離子電池而言，常用的充電方法是在0.5C到1C條件下通過(guò)涓流充電將電池充電至4.2 V/節(jié)。在充電過(guò)程中，鋰離子電池的溫升應(yīng)保持在低于5℃，較高的溫升表明可能會(huì)引發(fā)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(gè)問(wèn)題，高端充電可使用智能IC（如安森美半導(dǎo)體的NCP1835B）來(lái)監(jiān)視和控制鋰離子電池的充電過(guò)程。

恒流穩(wěn)流器（CCR）充電電路設(shè)計(jì)

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

1）設(shè)置參考電壓

利用三端可編程分流穩(wěn)壓器TL431可以設(shè)置參考電壓。它可在其參考引腳提供一個(gè)恒定的2.5 V輸出。當(dāng)如圖2所示連接兩個(gè)外部電阻時(shí)，參考電壓可以選為2.5 V至36 V.出于我們的目的，我們將R2設(shè)置為1.0 kΩ，并將Rref調(diào)整到我們想要匹配的參考電壓。用來(lái)得出R2/Rref比率的公式是：

圖2：參考電壓的設(shè)置

2）遲滯環(huán)路比較器

LM311是一個(gè)單比較器，用來(lái)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）提供的。R3是一個(gè)1.0 kΩ的電阻，用來(lái)簡(jiǎn)化R3/Rh的比例。通過(guò)調(diào)整Rh可以改變遲滯環(huán)的帶寬。增加Rh可以減少帶寬，反之亦然。建議遲滯的帶寬大于200 mV，因?yàn)樵诔潆娊K止時(shí)，電池的電壓會(huì)略微下降一些。高電壓與低電壓的反相輸入公式是：

圖3：遲滯設(shè)置

圖4：充電電路原理圖

3）電流開(kāi)關(guān)

電路中的兩個(gè)雙極結(jié)型晶體管（BJT）（Q3和Q6）作為控制充電電流的開(kāi)關(guān)。Q6的基極是通過(guò)一個(gè)5.6 kΩ電阻（R6）由比較器的輸出控制的。Q6的集電極通過(guò)一個(gè)1.0 kΩ電阻（R5）連接到Q3的基極。當(dāng)比較器的輸出變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，Q6被關(guān)閉，導(dǎo)致Q3關(guān)閉而終止充電電流。

4）穩(wěn)流

電池的充電電流采用一個(gè)CCR來(lái)控制。電流可以通過(guò)一個(gè)可調(diào)節(jié)CCR和/或并聯(lián)CCR來(lái)調(diào)整。這個(gè)演示板是專門(mén)為兩個(gè)并聯(lián)CCR（Q4和Q5）設(shè)計(jì)的（可以并聯(lián)連接兩個(gè)以上的CCR，以便能夠達(dá)到你想要的任何電流）。對(duì)于本文討論的實(shí)驗(yàn)，CCR（NSI45090JDT4G）可以在90 mA至160 mA范圍內(nèi)調(diào)整。三個(gè)用于數(shù)據(jù)分析的電流分別是90、180和300 mA.

5）指示器LED

為了表明電池正在充電，組合使用了一顆CCR、Q7及一個(gè)LED.CCR為L(zhǎng)ED提供個(gè)恒流。在沒(méi)有電池連接到充電器時(shí)，LED也將“導(dǎo)通”。當(dāng)LED“關(guān)閉”時(shí)，表明電池已完全充電。

6）設(shè)置不同的測(cè)試電流

表1顯示了決定充電電流的可變?cè)岛统潆娊K止電壓。同時(shí)在180 mA測(cè)試兩個(gè)NSI45090JDT4G CCR被用來(lái)給出一個(gè)Radj = 10的90 mA的電流輸出。

7）測(cè)試結(jié)果

CCR充電電路是通過(guò)在90 mA、180 mA和300 mA對(duì)鋰離子電池和鎳氫電池充電進(jìn)行測(cè)試的。表2是正在充電的電池監(jiān)測(cè)到的關(guān)鍵電壓。表3顯示了電路終止電池充電后相同的關(guān)鍵電壓。在測(cè)試過(guò)程中，電池的溫度開(kāi)始迅速升高（見(jiàn)表4），測(cè)試結(jié)束之前，電池電壓達(dá)到參考電壓。

表4包含了電池的溫度數(shù)據(jù)。在所有情況下，環(huán)境溫度約為25℃。對(duì)于鋰離子電池而言，可以得出這樣的結(jié)論，充電電流越大，電池溫升就越高。在0.1C充電時(shí)，鎳氫電池的情況相同。重要的是要記住，在何時(shí)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(shí)間變化的充電電流

使用恒流穩(wěn)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(shí)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(guān)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）晶體管的原因之一。如表1所示，晶體管的VCE非常低。圖6也描述了隨著時(shí)間推移PNP晶體管所消耗的功率。正如人們所期望的，在充電電流增加時(shí)耗散功率（PD）也增加了。然而，在約300 mA的充電電流下，晶體管消耗的功率小于15 mW.

除了使用低VCE（sat）的BJT，還可使用一個(gè)DSN2封裝的低正向壓降（VF）肖特基二極管來(lái)降低功耗。該二極管用于反向電流保護(hù)。選擇安森美半導(dǎo)體的NSR10F40NXT5G的原因是它有市場(chǎng)上最低的VF.在最高充電電流下測(cè)得的二極管消耗功率大約為95 mW.圖7顯示了電池正在充電時(shí)DSN2低VF肖特基勢(shì)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(shí)間變化的二極管耗散功率

3） CCR的功耗

功耗是使用CCR時(shí)一個(gè)非常重要的參數(shù)。它是使所有電壓下降以確保恒流電池充電的器件。當(dāng)器件開(kāi)始升溫時(shí)，電流開(kāi)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(qū)域的銅箔作為散熱片。當(dāng)使用多個(gè)并聯(lián)CCR時(shí)，要牢記各CCR的功耗只是CCR獨(dú)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(shí)間推移的CCR消耗的功率。當(dāng)使用多個(gè)CCR獲取更高充電電流時(shí)，只顯示了一個(gè)CCR數(shù)據(jù)。

圖8：隨時(shí)間變化的CCR的耗散功率

4）隨時(shí)間推移的電池電壓

圖9描述了所有六個(gè)測(cè)試用例的電池電壓。對(duì)于鋰離子電池電壓，人們期望看到當(dāng)電壓達(dá)到4.2 V時(shí)電壓開(kāi)始變平。在比較先進(jìn)的電路中，這將適用于涓流充電。然而，如上所述該電路設(shè)計(jì)為的是在預(yù)定電壓下停止充電，本例中為4.15 V.

圖9：隨時(shí)間變化的電池電壓

結(jié)論

綜上所述，恒流穩(wěn)流器也就是CCR可以提供電池充電用的恒流。此外，當(dāng)用CCR實(shí)現(xiàn)上面討論的控制器時(shí)，有可能用相同的電路以不同的電流為不同的化學(xué)電池充電。這樣，既可以滿足特定應(yīng)用要求，又能確保安全和無(wú)故障的充電操作。