安森美半导体针对充电电池的低成本CCR充电解决方案

对于手机、数码相机(DSC)、音乐播放器等便携设备中常见的单节锂离子电池等而言，充电一直是一个颇有挑战性的问题，因为既要满足特定应用要求，又要确保安全和无故障的充电操作。本文将讨论怎样将安森美半导体的恒流稳流器(CCR)用于可充电电池的低成本充电电路，为其提供了终止充电的简单控制器。

电池种类及充电技术选择

三种最常见的充电电池分别是镍金属氢化物(NiMH)、镍镉(NiCad)和锂离子(Li-ion)。电池充电速率用字母"C"表示。"C"定义了1.0小时的电池容量。例如，一个额定值为800 mAh(毫安时)的电池可以用0.5C充电，因而使电池完全充电需要以400 mA充电电流充电超过2个小时。图1是充电电路的基本框图。

图1：充电电路基本框图

1) 镍氢和镍镉电池

镍氢电池的额定电压为1.2 V/节，应该用高达1.5-1.6 V/节的电压充电。要决定何时中断充电有几种不同技术可以采用，其中包括：峰值电压检测、负Δ电压、Δ温度(dT/dt)、温度阈值和定时器。对于高端充电器这些技术都有可能组合用在一个充电器当中。

CCR充电器是一个峰值电压检测电路，可在预定峰值终止充电，为上述电池的充电提供了一个合适的解决方案。其预定峰值电压为1.5 V/节，可将电池充电至约97％的程度。镍镉电池可以使用该电路充电。其表现与镍氢电池非常相似，所以这种方法很合适。

2) 锂离子电池

对锂离子电池而言，常用的充电方法是在0.5C到1C条件下通过涓流充电将电池充电至4.2 V/节。在充电过程中，锂离子电池的温升应保持在低于5℃，较高的温升表明可能会引发自燃。涓充部分的充电周期电池温升最大，最有可能自燃。由于这个问题，高端充电可使用智能IC(如安森美半导体的NCP1835B)来监视和控制锂离子电池的充电过程。

恒流稳流器(CCR)充电电路设计

本文讨论的CCR控制器没有使用涓流充电，因此消除了可能自燃的问题，让电池处在一个安全工作区有助于提高电池的使用寿命。不过，不使用涓流充电，电池将只能充电到约85％的程度。

1) 设置参考电压

利用三端可编程分流稳压器TL431可以设置参考电压。它可在其参考引脚提供一个恒定的2.5 V输出。当如图2所示连接两个外部电阻时，参考电压可以选为2.5 V至36 V。出于我们的目的，我们将R₂设置为1.0 kΩ，并将R_ref调整到我们想要匹配的参考电压。用来得出R₂/R_ref比率的公式是：

连接到TL431阴极的电阻用来限制电流，并将参考电压与输入电压分开。

图2：参考电压的设置

2) 迟滞环路比较器

LM311是一个单比较器，用来比较参考电压与电池电压。连接到反相输入端的是电池电压。迟滞是由输出和非反相输入端之间的反馈电阻(R_h)提供的。R₃是一个1.0 kΩ的电阻，用来简化R₃/R_h的比例。通过调整R_h可以改变迟滞环的带宽。增加R_h可以减少带宽，反之亦然。建议迟滞的带宽大于200 mV，因为在充电终止时，电池的电压会略微下降一些。高电压与低电压的反相输入公式是：

1.0 kΩ电阻(R₄)连接到比较器的输出端作为一个上拉电阻。

图3：迟滞设置

图4：充电电路原理图

3) 电流开关

电路中的两个双极结型晶体管(BJT)(Q₃和Q₆)作为控制充电电流的开关。Q₆的基极是通过一个5.6 kΩ电阻(R₆)由比较器的输出控制的。Q₆的集电极通过一个1.0 kΩ电阻(R₅)连接到Q₃的基极。当比较器的输出变为低电平时，Q₆被关闭，导致Q₃关闭而终止充电电流。

4) 稳流

电池的充电电流采用一个CCR来控制。电流可以通过一个可调节CCR和/或并联CCR来调整。这个演示板是专门为两个并联CCR(Q₄和Q₅)设计的(可以并联连接两个以上的CCR，以便能够达到你想要的任何电流)。对于本文讨论的实验，CCR(NSI45090JDT4G)可以在90 mA至160 mA范围内调整。三个用于数据分析的电流分别是90、180和300 mA。

5) 指示器LED

为了表明电池正在充电，组合使用了一颗CCR、Q₇及一个LED。CCR为LED提供个恒流。在没有电池连接到充电器时，LED也将"导通"。当LED"关闭"时，表明电池已完全充电。

6)设置不同的测试电流

表1显示了决定充电电流的可变元件值和充电终止电压。同时在180 mA测试两个NSI45090JDT4G CCR被用来给出一个R_adj = 10的90 mA的电流输出。

7) 测试结果

CCR充电电路是通过在90 mA、180 mA和300 mA对锂离子电池和镍氢电池充电进行测试的。表2是正在充电的电池监测到的关键电压。表3显示了电路终止电池充电后相同的关键电压。在测试过程中，电池的温度开始迅速升高(见表4)，测试结束之前，电池电压达到参考电压。

表4包含了电池的温度数据。在所有情况下，环境温度约为25℃。对于锂离子电池而言，可以得出这样的结论，充电