針對充電電池的低成本CCR充電解決方案

電池種類及充電技術(shù)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”定義了1.0小時的電池容量。例如，一個額定值為800 mAh(毫安時)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1.2 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、負(fù)Δ電壓、Δ溫度(dT/dt)、溫度閾值和定時器。對于高端充電器這些技術(shù)都有可能組合用在一個充電器當(dāng)中。

CCR充電器是一個峰值電壓檢測電路，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條件下通過涓流充電將電池充電至4.2 V/節(jié)。在充電過程中，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。由于這個問題，高端充電可使用智能IC(如安森美半導(dǎo)體的NCP1835B)來監(jiān)視和控制鋰離子電池的充電過程。

恒流穩(wěn)流器(CCR)充電電路設(shè)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(qū)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(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恒定的2.5 V輸出。當(dāng)如圖2所示連接兩個外部電阻時，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)提供的。R3是一個1.0 kΩ的電阻，用來簡化R3/Rh的比例。通過調(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，因為在充電終止時，電池的電壓會略微下降一些。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) 電流開關(guān)

電路中的兩個雙極結(jié)型晶體管(BJT)(Q3和Q6)作為控制充電電流的開關(guān)。Q6的基極是通過一個5.6 kΩ電阻(R6)由比較器的輸出控制的。Q6的集電極通過一個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，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CCR來控制。電流可以通過一個可調(diào)節(jié)CCR和/或并聯(lián)CCR來調(diào)整。這個演示板是專門為兩個并聯(lián)CCR(Q4和Q5)設(shè)計的(可以并聯(lián)連接兩個以上的CCR，以便能夠達(dá)到你想要的任何電流)。對于本文討論的實(shí)驗，CCR(NSI45090JDT4G)可以在90 mA至160 mA范圍內(nèi)調(diào)整。三個用于數(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LED。CCR為LED提供個恒流。在沒有電池連接到充電器時，LED也將“導(dǎo)通”。當(dāng)LED“關(guān)閉”時，表明電池已完全充電。

6)設(shè)置不同的測試電流

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180 mA測試兩個NSI45090JDT4G CCR被用來給出一個Radj = 10的90 mA的電流輸出。

7) 測試結(jié)果

CCR充電電路是通過在90 mA、180 mA和300 mA對鋰離子電池和鎳氫電池充電進(jìn)行測試的。表2是正在充電的電池監(jiān)測到的關(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。在測試過程中，電池的溫度開始迅速升高(見表4)，測試結(jié)束之前，電池電壓達(dá)到參考電壓。[!--empirenews.page--]

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，鎳氫電池的情況相同。重要的是要記住，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(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(hù)。選擇安森美半導(dǎo)體的NSR10F40NXT5G的原因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大約為95 mW。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(qū)域的銅箔作為散熱片。當(dāng)使用多個并聯(lián)CCR時，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顯示了隨時間推移的CCR消耗的功率。當(dāng)使用多個CCR獲取更高充電電流時，只顯示了一個CCR數(shù)據(jù)。

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描述了所有六個測試用例的電池電壓。對于鋰離子電池電壓，人們期望看到當(dāng)電壓達(dá)到4.2 V時電壓開始變平。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，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，又能確保安全和無故障的充電操作。