基于DS2712的USB接口镍氢电池充电器设计

图1所示为基于DS2712的镍氢电池充电器对一个部分充电的镍氢电池进行充电时，一个充电周期内的电压特性曲线。大电流快速充电结束之后，充电器会用较低的电流使电池充满，然后使电流进一步下降为C／20～C／30，进行涓流充电，防止自放电引起的电量损耗，使电池保持充满状态。

3 线性稳压源与开关电源的对比
USB 2．0标准允许低功率接口输出100 mA的驱动电流，高功率接口输出500 mA的驱动电流。如图2所示，使用线性稳压源控制镍氢电池的充电电流，那么上述2个驱动电流值就是可获得的最大充电电流。图中功率管Q的功耗为PQ=VQIBATT(VQ为功率管Q上的压降，IBATT为电池充电电流)，必须使用散热片来防止功率管因热损耗而过热。对于USB 2．0接口提供的输入功率和5 V额定电压而言，除了电池外，充电通路上的元件都会产生功率损耗和电压降。

图3所示为USB接口通过线性稳压源对镍氢电池进行充电时，通过理论计算获得的充电器功耗曲线。如图3所示，对单节镍氢电池充电时，线性稳压源的充电效率不足30％，对2节串联的镍氢电池进行充电时，充电效率也只能达到60％。以500 mA电流对单节镍氢电池充电，线性稳压源充电器会产生2 W的功耗，一般而言，这就意味着需要使用散热片。

使用开关电源就可以解决这一系列的功耗和散热问题。高功率USB接口所能提供的最大电流为500 mA，以该电流值的90％通过一个效率为77％的异步降压型开关电源对镍氢电池进行充电。经计算可获得如图4所示的线性充电器与开关电源之间的充电时间对比。与线性充电器相比，开关电源可提供更大的充电电流，从而缩短充电时间。而且由于热功耗更低，充电器的热管理难度也就随之下降，与此同时，更低的运行温度也可以使充电器更可靠。

4 USB充电器设计
基于DS2712的USB接口镍氢电池充电器采用如图5所示电路设计。该电路以mA XIM公司的DS2712芯片为充电控制器，构成降压型开关电源，可对单节镍氢电池充电，由DS2712对电池温度、电池电压和充电电流进行监控，具有充电电流自动调节和防过冲功能。如果温度高于+45℃或者低于0℃，充电器就自动停止充电。

如图5所示，Q1是降压型充电器的功率开关管，L1是储能电感，D1是续流二极管。输入端的C1容值为10μF，应使用具有极低串联等效电阻的陶瓷滤波电容，如果使用钽电容或电解电容则会使充电器性能下降。R7是充电电流采样电阻。由R7提供给DS2712的参考电压为0．125V，其中含有25 mV的迟滞电压。闭环开关模式的电流控制信号由CSOUT引脚提供。当Q2的栅极电压被充电控制引脚CC1拉低时，Q2导通，CSOUT引脚的电流控制信号控制Q1的栅极电压，从而控制充电电流。Q1和Q2都是具有低栅源阀值电压特性的PMOs管，当CC1和CSOUT都为低电平时，Q2的漏源电压比栅源阀值电压稍高，该电压加上CSOUT的正向压降，就构成了Q1的栅极开关电压；当CC1为低电平时，充电电流的闭环控制启动。充电最初启动时，CC1和CSOUT均为低电平，Q1导通，流过电感的充电电流急剧上升；当采样电压达到0．125 V时，CSOUT变为高电平，则充电电流急剧下降；当采样电压下降到约0．1 V，则CSOUT重新变为低电平。只要CC1为低电平，CSOUT就不断重复进行高低电平交替。
而CC1则由DS2712的内部状态机控制。充电开始时，DS2712启动电池识别测试，确保电池的电压在1．0～1．65 V之间，并确保温度在0～45℃之间。如果电池电压低于1．0 V，则DS2712将使CC1以1／8的占空比输出低电平，这样就可以对电池进行慢速充电，以防止损坏电池。一旦电池的电压超过1．0 V，DS2712的内部状态机就转换到快速充电。快速充电时，CC1低电平的占空比为31／32。特意留出的1／32脉冲用来
对电池进行阻抗测试，以确保装到充电器里的不是碱性电池。当检测到电池电压出现2 mV的电压降时，快冲持续。如果没有检测到电压降，快冲就会持续，直到快冲定时器计时完毕或者检测到过热、过压等故障条件(包括阻抗故障)。当快充因为检测到电池电压降或者快冲定时器计时完毕而结束后，DS2712进入定时充满模式。定时充满模式以1／8的占空比进行充电，持续时间为程序设定的快冲定时器计时长度的一半。定时充满完成后，充电器进入维持模式，此时以1／64的占空比进行涓流充电，充电器会一直停留在维持模式直到电池被取走。
图5所示的充电器由大功率USB接口供电，对一节容量为2 100 mA·h的镍氢电池进行充电，完成快充需要2 h多一点，而完全充满电池则需要大约3 h。

5 结语
本文设计的USB接口镍氢电池充电器经硬件验证，实现了对一节镍氢电池的快速智能充电功能，充电过程稳定可靠。本文设计的充电器进一步还可以改进为对多节镍氢电池同时充电。USB接口作为一种经济实用的电源，可以为大多数小型消费类电子产品进行电池充电。为了与USB 2．0接口标准完全兼容，连接在USB接口的负载必须能跟主机进行双向通信。负载还要具有包括低功耗模式在内的电源管理功能，并能由主机决定大功率输出的条件。对于大多数主机而言，部分兼容的负载系统也可以与USB接口相互配合、正常工作，但有时会出现意想不到的情况。这就需要对USB接口特性和负载特性都具有深入的理解，从而权衡接口兼容性和负载复杂性。