新型镍氢电池充电器

    在设计便携式产品和无线通信设备时，工程师们有多种电池解决方案可以选择，包括镍氢电池(NiMH)、锂离子电池、锂聚合物电池和高级锂电池(ALB)等。其中，锂电池以其最高的能量密度和不断降低的价格而得到越来越广泛的应用；镍氢电池比镍镉电池的能量密度高，记忆效应较轻而且比较环保，因此在许多便携式应用中仍然占据了一席之地。镍氢电池具有标准尺寸，在大多数应用中可直接替换碱性电池。
    本文结合一款适用于AA和AAA标准镍氢电池的充电控制器，对镍氢电池的充电管理技术进行了论述。该充电控制器除完成镍氢电池充电控制外．还可以识别电池类型，避免对碱性电池充电。

1 镍氢电池充电算法
    随着镍氢电池的广泛应用，其充电器也引入了多项技术。一般需要采用恒流源对镍氢电池充电，当达到充满状态时，电池会发生放热化学反应，并导致电池温度上升，电池端电压降低。可检测电池温度上升速率或者负向电压变化率，来终止充电。这些充电终止方法分别称为dT/dt和-△V。除了这两种检测条件外，当前大多数镍氢快充充电器还整合了温度门限测量和超时定时器等安全功能。无论以上哪个条件最先满足，都将结束快充。充电速率非常低时，dT/dt和-△V不太明显，很难精确检测到。终止检测方法在充电速率大于C/3时要比低充电速率时容易得多，温度上升速率大约为1？C/分钟，-△V响应也比低充电速率时更明显。
    快充结束后将以0.lC左右的充电速率浮充30分钟(当浮充电流设置为其它值时，时间相应调整)，从而彻底充足电池。为补偿镍氢电池的自放电效应，完成浮充后充电器会在电池取出前始终以C/20或者C/30的涓流充电，使电池维持在充满状态。

2 新型镍氢电池充电器
    DS271l(线性模式)和DS2712(开关模式)是两款设计巧妙的镍氢电池充电管理器件，为l节或2节AA或AAA标准镍氢电池提供了一种理想的充电方案。它们可以构成单机式充电器，或者嵌入系统使用，而且可以灵活地配置为电池串连或电池并联结构。这两款器件同样采用温度、电压和充电超时等参数来进行快充控制，并提供浮充和涓充等基本功能。最重要的是，它们还可以自动测试电池类型，避免对碱性原电池充电。下面以DS2712为例对其充电控制和电池检测功能进行说明。
2.1 电路原理分析
    图1所示为开关模式充电器。它采用DS2712调节充电电流和终止充电。控制器监视温度、电池电压和电池电流。两个热敏电阻输入THMl和THM2分别监视每节电池的温度。电压检测输入端VPl和VP2分别用于检测2节并联电池的端电压。快充时间通过TMR与地之间的电阻设置，时间范围在0.5h至10h之间。浮充时间是快充时间的一半。

    上电时LED2引脚的三种电平状态(低电平、悬空和高电平)分别选择l节串联、2节串联或2节并联充电模式，图中接法选择2节并联模式。而DM-SEL引脚的三种输入电平状态则选择两个LED的充电状态显示方式。因此仅通过三个引脚即完成了充电模式选择、充电状态显示方式选择和状态显示。
    Q3是开关模式充电器的开关功率晶体管；Ll是滤波电感；Dl是整流二极管；C2、C3和C1分别是调节器的输入电容和输出电容。Rsense是检流比较器(DS2711内部是检流放大器)的检流电阻。检流比较器的内部基准电压为O.125V，DS2712的比较器输入具有24mV滞回，通过比较器输出CSOUT提供闭环、开关模式电流控制。CSOUT为低时，充电电流逐渐增大，直到检流电阻两端的电压达到0.125V时，CSOUT变为高电平，关断Q3。此后，电感电流开始下降，直到检流电阻两端的电压降至约0.1V，CSOUT又变为低电平。该输出能够驱动PNP双极型晶体管或者PMOSFET。经过调节的充电电流ICHG可在开关Ql和Q2的控制下分别为2节并联的电池充电。
    充电控制引脚CCl和CC2为开漏极输出，输出拉低时可打开相应的开关Q1和Q2，使充电电流源与电池接通。充电过程中，输出CCl和CC2的操作取决于充电模式配置。并联模式下，CCl和CC2轮流交替拉低(每路输出持续32个时钟周期，每周期0.96秒),任何时刻充电电流只对l节电池充电。可见并联模式下充电电流是间歇的。在1节或2节电池串联模式下．仅会拉低CCl。除了周期性的电池阻抗测试和-△V测试外，串联模式下的充电电流是连续的。
2.2 充电状态转换
    DS2712的内部状态机控制着CCl和CC2的工作。充电开始时，DS2712先对电池进行状态测试，以确保电池电压为1.0 V～1.65 V，并确认温度为0℃~+45℃。如果电压低于1.0 V，DS2712将以12.5％的占空比分时拉低CCl和CC2，对电池缓慢预充，以防损坏电池。一旦电池电压超过1.0 V，状态机转为快充模式。
    进入快充模式几分钟之后，每32个时钟周期进行电池电压测量(在CCl和CC2为高时进行测量)。如果新的测量结果大于以前的测量结果，则保留新的最大测量结果。电池电压不再升高时，始终保留最大测量值，并与后续测量值比较。一旦检测到电池电压跌落-△V门限(典型值为2mV)，将终止快充。如果电池电压没有跌落，但保持平坦电压的时间持续了16分钟，也将终止快充而进入浮充模式。
    浮充时CCl和CC2的占空比为12.5％(即快充电流的25％,和预充电流相同)，持续时间为所设快充时间的一半。浮充结束后，充电器进入涓充维持模式，占空比为1/64，直到电池被拿走或重新上电。
2.3 电池类型测试
    该充电控制器还能够自动检测电池类型，并避免对其它类型电池充电。该测试主要依据镍氢电池和碱性电池的阻抗差异来实现。尽管不同厂家提供的电池阻抗会有所不同，同一电池在各种电量状态下内阻也会变化，但总的来看，碱性电池比镍氢电池的内阻要高许多。因此DS2712通过检测电池的内阻决定电池是否可以充电。
    快充时占空比为31/32，跳过的时钟周期进行电池阻抗测试。充电控制引脚CCx为低时，电流充入电池,此时电池两端的电压为VON。跳过的时钟周期内CCx变为高，切断充电电流，此时电池两端的电压为VOFF。当VON-VOFF超过某电压门限(VCTSE)时，表示电池阻抗过高，内部状态机自动跳入故障模式并停止充电。VCTST通过接在CTST引脚和地之间的电阻设置，范围在32mV至400mV之间。VCTST和设置电阻RSET的关系为：

   
    而VCTST与电池阻抗门限RCTST的关系为：

   

    对于AA和AAA电池可考虑选择160mΩ(该值可根据需要作相应调整)作为判断可充电镍氢电池(新电池或旧电池)的检测门限，进行新、旧电池的阻抗测试，而碱性电池则不能通过测试，因此不会对其充电。
    图2所示为采用DS2712镍氢充电器对镍氢电池(事先已充了一部分电)进行充电的电池电压曲线。上面一条曲线对应CCx为低时(充电电流灌入电池时)的电池电压，下面那条曲线对应CCx为高切断电流时的电池电压。只要这两条曲线的差值超过VCTST，即表示电池阻抗超过门限阻抗。因此巧妙地实现了电池测试功能。