充(chong)電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)池已經成為當今(jin)電(dian)(dian)(dian)子產品的(de)(de)一種標(biao)準(zhun)電(dian)(dian)(dian)源，特別是(shi)便(bian)攜設備：筆記本電(dian)(dian)(dian)腦、掌上導航儀、手機(ji)等(deng)。這(zhe)些產品需(xu)要(yao)(yao)消耗(hao)的(de)(de)功(gong)率越來(lai)越大(da)，而可充(chong)電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)池容(rong)量的(de)(de)增長速(su)度(du)(du)遠遠不能滿(man)足它們的(de)(de)需(xu)求(qiu)(qiu)。功(gong)耗(hao)增長的(de)(de)主(zhu)要(yao)(yao)原因是(shi)設備功(gong)能的(de)(de)增強，例如(ru)：數碼(ma)相(xiang)機(ji)與手機(ji)的(de)(de)功(gong)能整合，筆記本電(dian)(dian)(dian)腦更(geng)(geng)高的(de)(de)運算速(su)度(du)(du)以及大(da)尺寸屏(ping)幕的(de)(de)需(xu)求(qiu)(qiu)等(deng)等(deng)。便(bian)攜設備功(gong)耗(hao)的(de)(de)增大(da)使得用可充(chong)電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)池要(yao)(yao)比標(biao)準(zhun)電(dian)(dian)(dian)池更(geng)(geng)便(bian)宜、更(geng)(geng)環保。

　　本(ben)文介紹了可充(chong)(chong)(chong)電(dian)電(dian)池的(de)化學(xue)成分；同時(shi)說(shuo)明(ming)了各種充(chong)(chong)(chong)電(dian)電(dian)池的(de)典型(xing)特征和選擇電(dian)池類型(xing)時(shi)需要(yao)重(zhong)點注意的(de)事(shi)項。另(ling)外還討論了在不使(shi)用(yong)微控制器(qi)或使(shi)用(yong)電(dian)源浪涌保護的(de)主(zhu)適配器(qi)的(de)情況下如何構建單機結構，安全、快速地對鎳氫(qing)和鋰離(li)子充(chong)(chong)(chong)電(dian)電(dian)池進行充(chong)(chong)(chong)電(dian)。

　　可充電電池類型

　　20世(shi)紀80年(nian)代(dai)的(de)便(bian)攜設備，如數字(zi)無繩電(dian)話、隨身聽和電(dian)動剃須刀等，主要由鎳(nie)鎘(ge)(NiCd)電(dian)池(chi)供電(dian)。到了90年(nian)代(dai)后(hou)期，鎳(nie)氫(NiMH)電(dian)池(chi)和鋰(li)離(li)子(zi)(Li-Ion)電(dian)池(chi)逐漸進入市場并開始流行 因(yin)為價格比鎳(nie)氫和鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)便(bian)宜(yi)，鎳(nie)鎘(ge)電(dian)池(chi)在低端應(ying)用中十分普遍。鎳(nie)鎘(ge)電(dian)池(chi)可提供最高(gao)的(de)放電(dian)電(dian)流，適(shi)合短時間內(nei)需要大功率輸(shu)出的(de)應(ying)用。

　　另一方(fang)面，鎳(nie)鎘(ge)電(dian)(dian)池曾經(jing)被所謂的記憶效應(ying)(ying)困擾(現在的鎳(nie)鎘(ge)電(dian)(dian)池很少考慮這(zhe)個因(yin)素)，使電(dian)(dian)池容量降低。如果鎳(nie)鎘(ge)電(dian)(dian)池在未完全(quan)放電(dian)(dian)的情況下再充電(dian)(dian)，一些活性物(wu)質(zhi)會累積(ji)并且開始結晶(在陽(yang)(yang)極有(you)100微米的鎘(ge)累積(ji)層(ceng))，通過化學反應(ying)(ying)這(zhe)層(ceng)物(wu)質(zhi)會自行消失(一塊全(quan)新電(dian)(dian)池的陽(yang)(yang)極大約有(you)1微米厚度的鎘(ge)結晶)。

　　出現(xian)記(ji)憶效應(ying)會導致電(dian)(dian)(dian)池(chi)容量(liang)越來越小，端電(dian)(dian)(dian)壓越來越低，使得(de)電(dian)(dian)(dian)池(chi)到(dao)達最低可用端電(dian)(dian)(dian)壓(關(guan)斷(duan)點)的(de)時間比預期的(de)早許多，如圖(tu)1所示。鎳(nie)鎘(ge)電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)另一個缺點是它的(de)活性物質中含(han)有有毒的(de)鎘(ge)。所以(yi)，歐(ou)洲法規2000/53/EG在(zai)2005年12月31號后(hou)禁止銷售鎳(nie)鎘(ge)充電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)池(chi)。

　　鎳氫電池比鎳鎘電池更環保，但是價格更貴。鎳氫電池的放電電流略小，但受惰性效應的影響。惰性效應是比鎳鎘電池記憶效應稍輕的一種現象。惰性效應是由于鎳的結晶導致的。惰性效應和記憶效應一樣，導致無法完全使用可充電電池的全部容量，但都可以通過使用帶有放電功能的充電器來避免。

　　圖1. 鎳鎘(ge)電池(chi)的(de)記(ji)憶效應與鎳氫(qing)電池(chi)的(de)惰性效應之間(jian)的(de)比較 鋰電子(zi)可(ke)充電電池(chi)價格(ge)最高，但具有足夠高的(de)能量密度(du)，因而可(ke)以在給定尺寸(cun)下提供(gong)更優性能，更適合小尺寸(cun)、高集成度(du)的(de)便攜設備。

　　表1給(gei)出了各種類型電池的主要特性。

　　單(dan)機(ji)鎳(nie)氫電(dian)池快速充電(dian)器(qi)

　　雖然很(hen)多人更偏愛鋰(li)離(li)子電(dian)池(chi)(chi)，鎳氫(qing)電(dian)池(chi)(chi)的使用(yong)依(yi)然很(hen)流行。因為(wei)鎳氫(qing)電(dian)池(chi)(chi)比(bi)鋰(li)離(li)子電(dian)池(chi)(chi)便宜很(hen)多，所以在MP3播放器、閃光(guang)燈配件、車燈等(deng)設備中經常能看到(dao)標準的AA和(he)AAA鎳氫(qing)電(dian)池(chi)(chi)。

　　一塊(kuai)可充(chong)(chong)電(dian)(dian)鎳(nie)氫(qing)電(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)溫(wen)度和(he)(he)端電(dian)(dian)壓隨著電(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)充(chong)(chong)電(dian)(dian)逐步上升，在電(dian)(dian)池(chi)(chi)完(wan)全(quan)充(chong)(chong)滿后開(kai)始(shi)下降(圖(tu)2)。所以，鎳(nie)氫(qing)電(dian)(dian)池(chi)(chi)充(chong)(chong)電(dian)(dian)器的(de)主(zhu)要任務是檢測到(dao)這個突變(bian)點并中(zhong)斷(duan)充(chong)(chong)電(dian)(dian)，或者從快速充(chong)(chong)電(dian)(dian)切換到(dao)涓(juan)流充(chong)(chong)電(dian)(dian)。另外，在充(chong)(chong)電(dian)(dian)過(guo)程中(zhong)對溫(wen)度和(he)(he)電(dian)(dian)壓進行連續(xu)監(jian)控(kong)可以提供系(xi)統的(de)安全(quan)性(xing)。

　　圖2. 這些曲線(xian)顯示了NiMH充(chong)電(dian)電(dian)池充(chong)電(dian)過(guo)程中典型的(de)電(dian)壓(ya)(頂部(bu))和溫度(底部(bu))隨時間的(de)變化 

　　DS2711/DS2712充(chong)(chong)電(dian)(dian)器(qi)具備上述功(gong)能。另(ling)外，它們(men)可以單(dan)機工(gong)作，不需要(yao)微(wei)控制(zhi)(zhi)器(qi)或微(wei)處理器(qi)監控。該系列產品是(shi)專門為(wei)單(dan)節AA或AAA可充(chong)(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)池設計的，同(tong)時也適(shi)用于串聯或并聯的兩節電(dian)(dian)池。DS2711采用線性控制(zhi)(zhi)結構，DS2712采用開關控制(zhi)(zhi)結構。為(wei)了最大限(xian)度地延長(chang)工(gong)作時間、節約電(dian)(dian)池能量，這(zhe)些(xie)充(chong)(chong)電(dian)(dian)器(qi)有4種(zhong)充(chong)(chong)電(dian)(dian)模式：預充(chong)(chong)電(dian)(dian)、快速充(chong)(chong)電(dian)(dian)、浮(fu)(fu)充(chong)(chong)和(he)涓(juan)流(liu)充(chong)(chong)電(dian)(dian)。在浮(fu)(fu)充(chong)(chong)模式下，電(dian)(dian)池充(chong)(chong)滿后充(chong)(chong)電(dian)(dian)速率被切換到一個比(bi)較低的速率(對于DS2711而言是(shi)25%)。

　　除(chu)監控(kong)功(gong)能外，DS2711/DS2712充電器還帶有(you)內部計(ji)(ji)時器，通過連接到(dao)TMR引腳的外部電阻設定最大充電時間，可將快速充電時間設置(zhi)在0.5到(dao)10小(xiao)時。浮充時間已經設定為最大充電時間的一半(ban)(0.25到(dao)5小(xiao)時)。根據所要求的充電時間(TAPPROX)，由下式(shi)計(ji)(ji)算電阻值：

　　R = 1000TAPPROX / 1.5(Eq. 1)

　　快速充電模式下，如果超過最大充電時間，充電器會從(cong)快速(su)充(chong)電(dian)模(mo)(mo)式(shi)(shi)切換到浮充(chong)模(mo)(mo)式(shi)(shi)，同時(shi)(shi)復(fu)位計時(shi)(shi)器。計時(shi)(shi)器開(kai)始為浮充(chong)過(guo)程計時(shi)(shi)，如果達到預定(ding)的浮充(chong)時(shi)(shi)間，充(chong)電(dian)器將從(cong)浮充(chong)模(mo)(mo)式(shi)(shi)切換到涓流模(mo)(mo)式(shi)(shi)(圖(tu)3)。

　　圖3. 該典型(xing)應用電(dian)路中(zhong)，DS2711電(dian)池充電(dian)器

　　為2個串聯的 鎳氫充電(dian)電(dian)池充電(dian) VP1、VP2用于(yu)監(jian)視電(dian)壓，THM1、THM2配合(he)熱(re)敏電(dian)阻用來監(jian)測(ce)電(dian)池的溫度(du)。TMR (計時(shi)器)和(he)(he)RSNS(檢流電(dian)阻)用于(yu)設定充電(dian)時(shi)間(jian)和(he)(he)充電(dian)電(dian)流。DS2711/DS2712的另外一(yi)個特性(xing)是可(ke)以檢測(ce)電(dian)池充電(dian)故障和(he)(he)堿性(xing)原電(dian)池。如果發生這些情況，充電(dian)器會自行(xing)關機。

　　如何檢測堿性電池

　　全(quan)新的(de)鎳氫AA電池(chi)(chi)(chi)的(de)典型內(nei)(nei)阻(zu)(zu)在30mΩ到(dao)100mΩ，堿性電池(chi)(chi)(chi)的(de)內(nei)(nei)阻(zu)(zu)一(yi)般在200mΩ到(dao)300mΩ (根(gen)據充(chong)電狀態，最(zui)高(gao)(gao)可到(dao)700mΩ)，出(chu)現(xian)故障的(de)充(chong)電電池(chi)(chi)(chi)會有很(hen)高(gao)(gao)的(de)內(nei)(nei)阻(zu)(zu)。DS2711/DS2712通(tong)過(guo)檢測到(dao)的(de)電池(chi)(chi)(chi)電壓(ya)(VP1和VP2)和已(yi)設定(ding)的(de)充(chong)電電流可以計算出(chu)待充(chong)電電池(chi)(chi)(chi)的(de)內(nei)(nei)阻(zu)(zu)。

　　CTST引腳(jiao)(用于電(dian)(dian)池(chi)(chi)測試、設置門限)控制(zhi)電(dian)(dian)池(chi)(chi)內(nei)阻的(de)(de)測量。VCTST是(shi)充電(dian)(dian)過程中的(de)(de)電(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)壓減去(qu)無充電(dian)(dian)電(dian)(dian)流時的(de)(de)開路(lu)電(dian)(dian)池(chi)(chi)電(dian)(dian)壓(OCV)后的(de)(de)差(cha)值(zhi)。這(zhe)個(ge)值(zhi)等于充電(dian)(dian)電(dian)(dian)流乘以電(dian)(dian)池(chi)(chi)內(nei)阻的(de)(de)乘積。如果檢測引腳(jiao)(VP1、VP2和VN1)與電(dian)(dian)池(chi)(chi)沒有(you)采用Kelvin連接(jie)，引線電(dian)(dian)阻也將計(ji)入測量值(zhi)，影(ying)響(xiang)VCTST。計(ji)算外部電(dian)(dian)阻RCTST的(de)(de)公式為：

　　RCTST = 8000 [V2/A] / VCTST, 其中(zhong)VCTST = ICharge * RCELL(Eq. 2)

　　例如，當以C/2速率(lv)(1.1A)為(wei)(wei)2200mAh NiMH電池(chi)充電時， 選擇RCELL = 150mΩ為(wei)(wei)電池(chi)內阻門限時, VCTST將為(wei)(wei): VCTEST = ICHARGE * RCELL = 1.1A * 150mΩ = 0.165V 或: RCTST = 8000 [V2/A] / 0.165V = 48,485Ω

　　(最近的標準1%阻值為48.7kΩ) 如(ru)果超過VCTST門限(本例中> 0.165V)，表(biao)明電池內阻高于150mΩ，芯片會提(ti)供邏輯指(zhi)示(shi)或出錯信息指(zhi)示(shi)(LED1、LED2)，同時停止充電過程(圖4)。

　　圖4. 圖3中(zhong)所示充電(dian)器(qi)的充電(dian)流程(cheng)

　　單機鋰離子電(dian)池(chi)快速充電(dian)器

　　因為不需要檢測電壓變化率(dV/dt)，鋰離子電池充電器比(bi)鎳氫(qing)電池(chi)簡單。同時，由于(yu)鋰離(li)子電池(chi)對過充非(fei)常敏感，充電器需(xu)要一個精確(que)的4.2V ± 50mV電源保(bao)證恒功(gong)(gong)率(lv)充電。至于(yu)鎳氫(qing)電池(chi)，充電器不僅需(xu)要電壓(ya)監(jian)測，還需(xu)要其(qi)它監(jian)控功(gong)(gong)能(溫度、計時等)。

　　單機鋰離子電池充電器MAX8601內置所謂的Vbatt可控電壓源，它可以在+25°C提供4.2V ± 0.021V，或在40°C < T < 85°C提供4.2V ± 0.034V的精度。當通過Vbatt連接給鋰離子電池充電時，充電器可以保持恒定(ding)輸出功率(圖5)，外部(bu)電(dian)阻(接SETI引腳)和(he)外部(bu)電(dian)容(接CT引腳)可以設定(ding)充電(dian)電(dian)流和(he)內部(bu)計(ji)時。該充電(dian)器還通過一個負溫度系數電(dian)阻來監控電(dian)池的溫度。

　　圖5. MAX8601鋰離子電(dian)池單機充電(dian)器的典(dian)型(xing)應(ying)用電(dian)路(lu)圖

　　MAX8601充(chong)(chong)電器的(de)主(zhu)要優點(dian)是可(ke)以(yi)通過外(wai)部適配器或USB端(duan)口給(gei)電池充(chong)(chong)電(圖(tu)6)。USB端(duan)口根據USEL引腳的(de)設置可(ke)以(yi)提供(gong)100mA、500mA電流(liu)(典型(xing)USB輸出電流(liu))。該芯片會自(zi)動選擇(ze)外(wai)部電源(yuan)(主(zhu)適配器或USB)。如果兩(liang)個(ge)電源(yuan)同時存在，它會選擇(ze)主(zhu)適配器進(jin)行充(chong)(chong)電。任(ren)何一(yi)個(ge)電源(yuan)都必須(xu)能夠提供(gong)最(zui)小4.5V的(de)電壓。

　　MAX8601具有低電池電壓預充、限壓/限流快速充電和浮充模式等控制算法，優化了鋰離子電池充電。器件還有上電復位以及(ji)電池過壓、高溫/低溫檢測(ce)(ce)和充(chong)電時(shi)間的連續監測(ce)(ce)功(gong)能。

　　圖(tu)6. 圖(tu)5中充電(dian)器的充電(dian)流程圖(tu)

　 DS2711/DS2712和MAX8601都是單機充電器，它們具有(you)多種監控(kong)功能(neng)(電(dian)壓(ya)、電(dian)流(liu)、溫度、計時等(deng))，既不(bu)需要微控(kong)制器監控(kong)，也(ye)不(bu)需要電(dian)源浪涌保護(hu)，而且提(ti)供清晰、簡單的外部切換。