电池充电器的新发展

芯片规格书搜索工具-icspec

镍镉和镍氢电池

长期以来，镍镉电池一直是便携式电子设备中可充电电池的首选技术，并且在某些方面，镍镉电池仍然优于新技术。NiCd电池的容量比Li+或NiMH电池小，但它们的低阻抗在需要短时间高电流的应用中很有吸引力。例如，电动工具将无限期地继续使用镍镉电池组。

NiMH电池虽然与镍镉电池相似，但容量更大。这一优势在一定程度上被镍氢电池更高的自放电率所抵消——大约是镍镉电池的两倍，镍镉电池的自放电率一开始就相对较高(每天大约1%的容量)。因此，镍氢电池不适合电池期望长时间保持充电的应用。

镍氢电池与镍镉电池的不同之处在于需要快速充电的方法。两种类型都可以快速充电，电流等于或大于容量(C)，以安培小时为单位。这种技术可以让你在大约一个小时或更短的时间内给电池充电。由于内部损耗，以C充电一小时的电池不能达到满容量。为了达到满容量，你必须在超过C的情况下充电一小时，或者在C的情况下充电超过一小时。充电损耗随充电速率和电池的不同而不同。

当NiCd电池充电时，其终端电压达到峰值，然后随着电池达到容量而下降。因此，当这个电压开始下降时(当得尔塔V/得尔塔t变为负时)，应用的快速充电应该终止。否则，充电电流会产生多余的能量，这些能量作用于电池的电解质，将水分解成氢气和氧气。这导致内部压力和温度升高，终端电压降低。如果继续快速充电，电池可能会排气(爆炸)。

作为辅助或备用措施，镍镉和镍氢充电器经常监测电池的温度(除了电压)，以确保在电池损坏之前终止快速充电。当NiCd的得尔塔V/得尔塔t变为负值时，应停止快速充电。对于镍氢电池，当终端电压达到峰值时(得尔塔V/得尔塔t为零时)应停止快速充电。

对于镍镉和镍氢电池来说，涓流充电很简单。作为快速充电的替代方案，使用小的涓流电流会产生相对较小的温度上升，不会对电池造成损害。没有必要终止涓流充电或监测电池电压。允许的最大涓流电流因电池类型和环境温度而异，但在典型条件下，C/15通常是安全的。

锂离子和锂聚合物电池

锂离子(Li+)电池是最近电池技术的一个流行创新。Li+电池比以前的可充电化学物质，如NiCd和NiMH具有更高的容量。当以单位体积能量来衡量容量时，Li+相对于NiMH的优势仅为10%到30%，但体积容量并不是唯一要考虑的属性;重量对便携式设备来说也很重要。当以单位质量的能量来衡量容量时，锂离子电池显然更优越(镍氢电池相对更重)。因为它们更轻，锂离子电池每单位质量的容量几乎是锂离子电池的两倍。

锂离子电池也有很多限制。它们对过度充电和充电不足非常敏感。必须充电到最大电压才能存储最大能量，但过高的电压会对锂电池造成永久性损坏，过高的充电或放电电流也会造成永久性损坏。电池放电也有一个警告:反复放电到足够低的电压会导致容量损失。因此，为了保护电池，管理电路必须在放电和充电时限制电池的电流和电压。大多数锂离子电池组包括某种形式的欠压和过压断开电路。其他典型的特点包括一个保险丝，以防止暴露在过大的电流和一个开关，打开电路的电池，如果高压导致其排气。

与需要电流源充电的镍镉电池和镍氢电池不同，Li+电池必须使用电流和电压组合源充电。为了在不损坏的情况下实现最大充电，大多数Li+充电器在输出电压上保持1%的容差。(通过更严格的公差获得的轻微额外容量通常不值得实现它所需的额外困难和费用。)

为了保护，锂离子电池组通常包括mosfet，在欠压或过压存在时开路电池。这些保护mosfet还支持一种替代充电方法(施加无电压限制的恒流)，其中mosfet根据需要打开和关闭以保持适当的电池电压。电池的电容有助于减缓电池电压的上升，但要注意:电池电容随频率变化很大，不同电池的电容也不同。

在某些应用中，间歇性负载可能超过主电池的功率能力。这个问题的一个解决方案是提供一个额外的，可充电的电池，以在高负载瞬态期间提供多余的电流。然后主电池给辅助电池充电，为下一次瞬态充电做准备。小型射频设备就是这种安排的一个很好的例子。这种类型的设备通常由单个AA碱性电池运行，但传输过程中的负载太高，AA电池无法处理。一个额外的镍镉电池为发射器供电，当发射器关闭时，它可以充电，这是大部分时间。

将NiCd AA电池更换为Li+电池可以在不牺牲所需电流容量的情况下增加电池的总寿命。锂聚合物(LiPo)电池从锂离子电池发展而来。与Li+电池相比，LiPo电池具有更高的单位质量能量容量，更小的串联电阻，并且具有机械灵活性的额外优势。这种灵活性使电池设计人员可以将其塑造成任何便于应用的形状。

LiPo电池与Li+电池有许多相同的特性，因此在监测它们时必须同样小心，以最大限度地提高性能并确保安全。

选择正确的电池化学成分

每种电池化学成分都有优点和缺点;为每种应用选择合适的化学物质需要仔细规划。下表1总结了几种化学类型的电池参数。此信息仅作为摘要，建议使用电池制造商提供的实际数据。

摇篮充电器

对于手机和许多其他设备，首选的电池充电方法是使用一个单独的“摇篮充电器”，你可以把设备或电池组(就像把婴儿放在摇篮里一样)放在里面。因为充电器单元是独立的，所以与充电器集成到设备中相比，它产生的热量就不那么令人担忧了。

在摇篮充电器中使用的最简单的电路通常是线性调节器充电器。线性稳压器降低电压差(直流电源和电池之间)通过一个通晶体管在其线性区域工作(因此称为线性稳压器)。然而，如果充电器被限制在一个没有气流的小空间里，耗散的功率(充电电流乘以晶体管上的电压)会导致过热。

例如，考虑一个以1A充电的四节镍镉电池。NiCd电池通常在每个电池大约1.6V或1.7V时终止充电，但根据电池的状况和充电速率，每个电池的电压可能高达2V。因此，直流电源电压必须大于4 × 2V = 8V。在完全放电的电池中，每个电池的电压水平可以低至0.9V;此时电池电压为4 × 0.9V = 3.6V。如果直流电源为8V，则通管看到8V - 3.6V = 4.4V。

当电池完全放电充电时，充电器耗散功率为4.4W，电池耗散功率为3.6W，效率仅为45%!实际效率甚至更低，因为直流源电压必须高于8V，以考虑通管中的降压和源中的容差。

线性单电池锂离子充电器适用于支架充电器(图1)。它驱动外部电源晶体管(Q1)，将源电压降至电池电压。外部晶体管占电路的大部分功耗;因此，控制器温度保持相对恒定。结果是一个更稳定的内部参考，产生更稳定的电池电压限制。

图1所示、专为单个锂离子电池，这种电池充电电路是理想的使用在一个独立的摇篮充电器

R1和R3决定输出电流。R1感知充电电流，R3设定电流调节水平。从ISET端子流出的电流等于CS+和CS-之间电压的1/1000。电流调节器将ISET电压控制在2V;在这种情况下，电流极限[2000/(R3 * R1)]是1A。

电压和电流限制的控制回路有单独的补偿点(CCV和CCI)，这简化了稳定这些限制的任务。ISET和VSET端子允许调整电流和电压限制。

内置电池充电器

对于一些较大的系统，包括笔记本电脑，电池充电器是作为系统的一部分内置的。充电器的效率在这种安排是至关重要的，不是为了确保最大的能量传输，而只是为了尽量减少热量的产生。热量会使温度升高，在高温下运行会缩短电池的寿命。由于这种应用需要在整个电池电压范围内具有高效率，因此充电器应依赖于开关稳压器，其功耗相对较低且与输入输出电压降无关。

开关稳压器的主要缺点是需要一个无源电感/电容滤波器，它将开关输出电压转换为适合电池的直流电平。在某些情况下，电池电容足以替换此滤波器中的电容器;然而，正如前面提到的，电池的电容可以随频率变化很大。在投入设计之前仔细地描述它。

开关稳压器的另一个缺点是其开关动作产生的噪声。这个问题通常可以通过适当的布局技术和屏蔽来避免。对于需要避免某些频率的应用，许多开关充电器可以与外部信号同步——这种能力允许你将充电器的开关噪音从敏感频段移开。

线性稳压器通常比等效开关稳压器大，因为它耗散更多的功率并且需要更大的散热器。因此，额外的时间需要设计一个更小，更有效的开关充电器通常是合理的。其中一种设计是如图2所示的4节NiCd/NiMH充电器。没有终止押记的规定;它与一个控制器一起工作，该控制器监测电池的电压，并在满足条件时关闭充电器。许多系统已经包含适合此目的的控制器。如果您的系统没有，则需要一个低成本的独立微控制器(µC)，其中包括板载数字转换器(ADC)。许多这样的微控制器是可用的。

图2、这个4节镍镉或镍氢电池充电器可以并入一个更大的系统

充电器IC (MAX1640)使用一个开关晶体管(N1A)和一个同步整流器(N1B)来切断输入电压。这个切碎的电压被放置在电感的两端，形成一个电流源。当充电器关闭时，二极管D2阻止电流从充电电池流回电压源。

除了“关”外，MAX1640还可以通过数字输入D0和D1确定的三种模式之一工作:快速充电、脉冲涓流充电和顶充(表2)。在快速充电模式下，充电电流为150mV除以电流检测电阻值(0.1欧姆)，在这种情况下为1.5A。在顶充模式下，SET电压产生25.4%的快速充电电流，在这种情况下为381mA。脉冲涓流充电模式下的电流与顶关模式下的电流相同，但脉冲占空比为12.5%。频率由连接在TOFF (68k欧姆)的电阻决定。在此例中，频率为3.125MHz/R3 = 46Hz。因此，脉冲细流的平均电流为0.125 × 381mA = 47.6mA。

图2中的电路应该在得尔塔V/得尔塔t等于零或变为负值时(根据镍氢电池或镍镉电池正在充电)终止充电。然而，如果终止未能发生，电路施加二次电压限制，以防止电池电压上升过高。NiCd和NiMH电池的充电电压绝对最大值不超过2V，本电路中4节电池的充电电压绝对最大值不超过8V。R6和R7建立这个电压极限为V(limit) = V(REF) [R7/(R6 + R7)]。

类似的电路对两个Li+电池进行串联充电(图3)，其主要区别在于充电电压的精度，优于Li+电池要求的1%。也不像图2充电器，这一个采用n沟道MOSFET为高侧开关晶体管。当打开时，该晶体管的源极和漏极电压大约等于V(IN)，但栅极电压必须高于V(IN)，以允许使用廉价的n沟道mosfet。这种高架栅极驱动是通过对C7充电并将其电压增加到V(IN)来实现的。

图3、该充电器可产生1%精确的充电电压，适用于两个锂离子电池串联充电

图3所示电路的充电电流由电流检测电阻R1决定:如图200毫欧值为185mV/R1 = 925mA。该电流可以通过改变SETI终端的电压线性调整到较低的值。同样，您可以通过改变VADJ端子的电压来调整V(OUT)。由于VADJ在其全范围内(0V至4.2V)变化V(OUT)仅为10%(每个电池0.4V)，因此使用1%电阻可以实现优于1%的输出精度。(1%精度的电阻器只会使输出精度降低0.1%。)

终端CELL0和CELL1设置电池的电芯计数，如表3所示。(VL表示为芯片供电的5V电平。)该充电器可以处理多达4个Li+电池串联。虽然没有在图3中显示，但MAX745也可以在达到热敏电阻监测的温度限制时终止充电。当电池温度超过此限制时(由连接到THM/active-low SHDN端子的外部电阻和热敏电阻确定)，充电器关闭。当电池温度下降导致THM/active-low SHDN电压低于2.3V阈值200mV时，与该阈值相关的滞后使系统能够恢复充电。

智能电池充电器

智能电池代表了一种新技术，它正在帮助设计师和消费者。智能电池组包括一个控制器，它可以通过串行端口“交谈”，告诉外部充电器电池需要什么样的充电程序。这种安排对设计人员很有帮助，因为他们可以设计出一个单一的充电器来处理所有符合智能电池标准的电池。

智能电池也使消费者受益，只要更换的电池符合智能电池标准，消费者就可以更换给定的电池，而不必考虑其类型。智能电池规范允许任何制造商参与市场，由此产生的竞争导致标准产品和更低的价格。

智能电池规范是由制造电池、计算机和相关产品的公司组成的一个联盟定义的。它定义了电池组连接到主机系统的方式以及与主机通信的方式。它通过称为系统管理总线(SMBus)的双线串行接口进行通信，该接口派生自I(2)C协议。已经有大量符合I(2) c标准的微控制器可以控制SMBus上的外设。

智能电池也为燃料计量问题提供了一个优雅的解决方案。在由普通非通信电池运行的系统中，主机只有在电池完全充电或放电时才知道电池的状态。另一方面，智能电池会记住它们的充电状态。当这种电池在主机上开关时，燃料表能够保持与连续运行时相同的精度水平。

在图4所示的智能电池兼容充电器中，控制器IC包括一个SMBus接口，允许其与主机和充电中的智能电池通信。由于开关稳压器及其小而节能的电流检测电阻无法在充电电流中达到1mA (min)的分辨率，因此前31mA (5 LSBs)的输出电流由内部线性电流源提供。

图4、本充电器符合智能电池规范，通过SMBus接口与上位机和智能电池通信

为了保持高效率(89%)，当编程输出电流为32mA或更高时，系统激活开关模式电流源。然而，无论电流感测电阻的值或电流感测放大器的偏移量如何，线性源保持打开以确保输出电流的单调性。当输入电压远远大于电池电压时，晶体管Q1在内部线性稳压器中卸载了沉重的功耗。Q1的基极保持在输入电压以下约5V。内部电流源两端电压小于5V;因此，电流源的功耗保持在160mW以下。

二极管(D3)与电感串联，以防止反向电流流出电池。MAX1647的高开关频率(250kHz)允许使用小型电感器。该电路接受高达28V的输入，并提供引脚可选的1A, 2A和4A的最大输出电流。