USB端口对NiMH电池智能充电的实现

，并会引起总线过载。


图1. 主机至低功率负载的电压跌落大于图中给出的允许直流电压跌落时，会引起总线过载。

电池充电要求

单节锂离子和锂聚合物电池

如今的锂电池充电至最大额定容量后，其电压通常为4.1V至4.2V之间。当前市场上正在出售的、更新的、容量更大的电池，其电压范围在4.3V至4.4V之间。典型的棱柱形锂离子(Li+)和锂聚合物(Li-Poly)电池容量为600mAh至1400mAh。

对Li+和Li-Poly电池来说，首选的充电曲线是从恒流充电开始，一直持续到电池电压达到额定电压。然后，充电器对电池两端的电压进行调 节。这两种调节方式构成了恒流(CC)恒压(CV)充电方式。因此，这种类型的充电器通常称为CCCV充电器。CCCV充电器进入CV模式后，电池的充电 电流开始下降。若采用0.5C至1.5C的典型充电速率充电，则当电池达到其充满容量的80%至90%时，充电器由CC模式转换为CV模式。充电器一旦进 入CV充电模式，则对电池电流进行监视；当电流达到最低门限(几毫安或者几十毫安)时，充电器终止充电。锂电池的典型充电曲线如图2所示。


图2. 使用CCCV充电器对Li+电池充电时的典型曲线

从图1所示的USB电压跌落指标可以看出，端口供电集线器的下游低功率端口电压不具备足够的余量，很难将电池充至4.2V。充电通路上存在的小量额外电阻会妨碍正常充电。

Li+和Li-Poly电池应在合适的温度下进行充电。制造商推荐的最高充电温度通常为+45°C至+55°C之间，允许的最 大放电温度可再高出10°C左右。这些电池使用的材料，化学性质非常活泼，如果电池温度超过+70°C，会发生燃烧。锂电池充电器应具备 热关断电路，该电路监视电池温度，如果电池温度超过制造商推荐的最大充电温度时，则终止充电。

镍氢电池(NiMH)

NiMH电池比锂电池要重一些，其能量密度也比锂电池低。一直以来，NiMH电池比锂电池要便宜，但是最近二者的价格差在缩小。NiMH电池具有标准尺寸，在大多数应用中可直接替换碱性电池。每节电池的标称电压为1.2V，充满后会达到1.5V。

通常采用恒流源对NiMH电池充电。当达到充满状态时，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，并用来终止充电。这些充电终止方法分别称为dT/dt和-ΔV。充电速率非常低时，dT/dt和-ΔV不太明 显，很难精确检测到。电池开始进入过充状态时，dT/dt和-ΔV响应开始显现。此时如果继续充电，将损坏电池。

终止检测在充电速率大于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，-ΔV响应也比低充电速率时 更明显。快充结束后，建议以更小的电流再充一段时间，以彻底充足电池(补足充电)。补足充电阶段结束后，采用C/20或者C/30的涓充电流来补偿自放电 效应，使电池维持在充满状态。图3所示为采用DS2712 NiMH充电器对NiMH电池(事先已充了一部分电)进行充电的电池电压曲线。在该图中，上面一条曲线的数据在充电电流正在灌入电池时获得，下面那条曲线 的数据在切断电流时测得。在DS2712中，该电压差被用来区分NiMH电池和碱性电池。如果检测到碱性电池，则DS2712不会对它进行充电。


图3. 采用DS2712充电控制器对NiMH电池充电。

开关与线性

USB 2.0规范允许低功率端口提供最大100mA电流，大功率端口提供最大500mA电流。如果采用线性调整器件来调节电池充电电流，这也就是最大可提供的充电电流。线性调整器件(图4)的功耗为P = VQ x IBATT。这会造成调整管发热，可能需要安装散热器，以防止过热。


图4. 功耗等于电池充电电流乘以调整管两端的电压。

对应5V标称输入电压，调整器件消耗的功率与电池类型、数量和电池电压有关。


图5. 采用5.0V电压的USB端口对NiMH电池充电时，线性调整器件的功耗。

标称输入电压为5.0V时，线性USB充电器对NiMH电池充电的功耗计算结果如图5所 示。对单节电池充电时，线性充电器的效率仅为30%；对两节电池充电时，效率为60%。用500mA电流对单节电池充电时，功耗会高达2W。这样的功耗通 常需要加散热器。功耗为2W时，热阻为+20°C/W的散热器在+25°C环境温度下会被加热至大约+65°C，要得到满额性 能，还需要有流动空气来协助其散热。处于空气静止的封闭空间内，温度会更高。

采用基于开关调节器的充电器可解决多个问题。首先，与线性充电器相比，能够以更快的速率、更大的电流对电池进行充电(图6)。由于功耗较低、发热较少，热管理方面的问题也减少了。同时，由于运行温度降低，充电器更加可靠。


图6. 对单节NiMH电池充电时，线性充电器和开关充电器的充电时间不同。

　　图6中的计算结果基于以下条件和假设得到：采用高功率USB口最大允许电流(500mA)的大约90%充电；开关调节器采用非同步整流的buck转换器，具有77%效率。