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Rref调整到我们想要匹配的参考电压。用来得出R2/Rref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(Rh)提供的。R3是一个1.0 kΩ的电阻，用来简化R3/Rh的比例。通过调整Rh可以改变迟滞环的带宽。增加Rh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Radj = 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，充电电流越大，电池温升就越高。在0.1C充电时，镍氢电池的情况相同。重要的是要记住，在何时选择使用多大的充电速率。

表1：用于测试的电阻值
 
表2：充电时的电压
 
表3：刚充完电电压即被终止
 
表4：电池的温度
 

充电电流、功耗及电池电压
1) 随时间变化的充电电流
使用恒流稳流器充电电流可保持不变，直到充电终止，如图5所示。

 
图5：随时间变化的充电电流

2) BJT和二极管的功耗
如今，人们都非常关心电路的功耗。降低输入电压是一种方式，为的是提高电路性能。这是使用低VCE(sat)晶体管的原因之一。如表1所示，晶体管的VCE非常低。图6也描述了随着时间推移PNP晶体管所消耗的功率。正如人们所期望的，在充电电流增加时耗散功率(PD)也增加了。然而，在约300 mA的充电电流下，晶体管消耗的功率小于15 mW。

除了使用低VCE(sat) 的BJT，还可使用一个DSN2封装的低正向压降(VF)肖特基二极管来降低功耗。该二极管用于反向电流保护。选择安森美半导体的NSR10F40NXT5G的原因是它有市场上最低的VF。在最高充电电流下测得的二极管消耗功率大约为95 mW。图7显示了电池正在充电时DSN2低VF肖特基势垒二极管的功耗。

使用低VCE(sat) BJT和低VF肖特基二极管输入电压可降至尽可能最低。

 
图6：随时间变化的PNP晶体管耗散功率
 
图7：随时间变化的二极管耗散功率

3) CCR的功耗
功耗是使用CCR时一个非常重要的参数。它是使所有电压下降以确保恒流电池充电的器件。当器件开始升温时，电流开始下降。为了尽量减少CCR温升，板上大部分空位放置了铜箔。然后CCR的阴极被连接到该区域的铜箔作为散热片。当使用多个并联CCR时，要牢记各CCR的功耗只是CCR独立电流乘以电压的值，而不是总充电电流值。图8显示了随时间推移的CCR消耗的功率。当使用多个CCR获取更高充电电流时，只显示了一个CCR数据。

 
图8：随时间变化的CCR的耗散功率

4) 随时间推移的电池电压
图9描述了所有六个测试用例的电池电压。对于锂离子电池电压，人们期望看到当电压达到4.2 V时电压开始变平。在比较先进的电路中，这将适用于涓流充电。然而，如上所述该电路设计为的是在预定电压下停止充电，本例中为4.15 V。

 
图9：随时间变化的电池电压

结论
综上所述，恒流稳流器也就是CCR可以提供电池充电用的恒流。此外，当用CCR实现上面讨论的控制器时，有可能用相同的电路以不同的电流为不同的化学电池充电。这样，既可以满足特定应用要求，又能确保安全和无故障的充电操作。