充電(dian)電(dian)池已經(jing)成為(wei)當今(jin)電(dian)子產品(pin)的(de)(de)(de)一種標準(zhun)電(dian)源，特別是便攜設(she)備(bei)：筆(bi)記(ji)本(ben)電(dian)腦、掌上導航儀、手(shou)機(ji)等。這些產品(pin)需要消耗的(de)(de)(de)功率越(yue)來(lai)越(yue)大，而可充電(dian)電(dian)池容量(liang)的(de)(de)(de)增(zeng)長(chang)速(su)度遠遠不能(neng)滿(man)足(zu)它們的(de)(de)(de)需求。功耗增(zeng)長(chang)的(de)(de)(de)主要原因是設(she)備(bei)功能(neng)的(de)(de)(de)增(zeng)強，例如：數碼相機(ji)與(yu)手(shou)機(ji)的(de)(de)(de)功能(neng)整合，筆(bi)記(ji)本(ben)電(dian)腦更高的(de)(de)(de)運算速(su)度以(yi)及大尺(chi)寸(cun)屏幕(mu)的(de)(de)(de)需求等等。便攜設(she)備(bei)功耗的(de)(de)(de)增(zeng)大使得用(yong)可充電(dian)電(dian)池要比標準(zhun)電(dian)池更便宜(yi)、更環保。

　　本文介紹了(le)(le)可充(chong)(chong)電(dian)電(dian)池(chi)(chi)的化學(xue)成分；同時(shi)說明(ming)了(le)(le)各種充(chong)(chong)電(dian)電(dian)池(chi)(chi)的典型(xing)特征和(he)選擇(ze)電(dian)池(chi)(chi)類(lei)型(xing)時(shi)需要重(zhong)點注意的事項。另外還討論(lun)了(le)(le)在不使(shi)用(yong)微(wei)控(kong)制器(qi)或使(shi)用(yong)電(dian)源(yuan)浪涌保(bao)護的主適配器(qi)的情(qing)況下如(ru)何構(gou)(gou)建單機結構(gou)(gou)，安(an)全(quan)、快速地(di)對鎳氫(qing)和(he)鋰離子充(chong)(chong)電(dian)電(dian)池(chi)(chi)進行(xing)充(chong)(chong)電(dian)。

　　可充電電池類型

　　20世(shi)紀80年代的(de)便攜(xie)設備(bei)，如數字無(wu)繩電(dian)(dian)(dian)(dian)話、隨身聽和電(dian)(dian)(dian)(dian)動剃須刀等，主要(yao)由鎳(nie)鎘(NiCd)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)供電(dian)(dian)(dian)(dian)。到了90年代后(hou)期，鎳(nie)氫(NiMH)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)和鋰離子(zi)(Li-Ion)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)逐漸進(jin)入市場(chang)并開始流行(xing) 因為(wei)價(jia)格比鎳(nie)氫和鋰離子(zi)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)便宜，鎳(nie)鎘電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)在低端應用中十(shi)分普(pu)遍。鎳(nie)鎘電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)可提供最高的(de)放電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流，適合短時間(jian)內需要(yao)大功率輸出(chu)的(de)應用。

　　另一(yi)方面，鎳(nie)鎘(ge)電(dian)(dian)池(chi)曾(ceng)經被所謂(wei)的記憶效應困擾(rao)(現在的鎳(nie)鎘(ge)電(dian)(dian)池(chi)很少考慮(lv)這個因素)，使(shi)電(dian)(dian)池(chi)容(rong)量降低(di)。如果鎳(nie)鎘(ge)電(dian)(dian)池(chi)在未完全(quan)放電(dian)(dian)的情況下再(zai)充電(dian)(dian)，一(yi)些活性物質會(hui)累(lei)積并(bing)且開始(shi)結晶(在陽極有100微米的鎘(ge)累(lei)積層)，通過化學反應這層物質會(hui)自(zi)行消失(shi)(一(yi)塊全(quan)新電(dian)(dian)池(chi)的陽極大約有1微米厚度的鎘(ge)結晶)。

　　出現記憶效應會(hui)導致電池(chi)容量越(yue)來越(yue)小，端電壓越(yue)來越(yue)低(di)，使得電池(chi)到達最低(di)可用端電壓(關斷點)的(de)時(shi)間(jian)比(bi)預期的(de)早許多，如圖1所(suo)示。鎳鎘電池(chi)的(de)另一個(ge)缺點是它的(de)活性(xing)物質(zhi)中含有有毒的(de)鎘。所(suo)以，歐洲法規2000/53/EG在2005年12月31號后禁止銷售(shou)鎳鎘充(chong)電電池(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. 鎳鎘電(dian)池(chi)(chi)的(de)記憶效應(ying)與鎳氫電(dian)池(chi)(chi)的(de)惰性(xing)(xing)效應(ying)之間的(de)比(bi)較 鋰電(dian)子可充(chong)電(dian)電(dian)池(chi)(chi)價(jia)格最高，但具有足夠高的(de)能(neng)量密度，因(yin)而可以在給定尺寸(cun)下提(ti)供更優性(xing)(xing)能(neng)，更適合(he)小尺寸(cun)、高集(ji)成度的(de)便攜設備。

　　表1給出了各種類型電(dian)池的(de)主要特(te)性。

　　單機鎳(nie)氫電(dian)池(chi)快速充(chong)電(dian)器

　　雖然(ran)很(hen)(hen)多人(ren)更(geng)偏愛鋰(li)離(li)子電池，鎳(nie)氫電池的使用(yong)依(yi)然(ran)很(hen)(hen)流(liu)行。因為鎳(nie)氫電池比鋰(li)離(li)子電池便宜很(hen)(hen)多，所以在(zai)MP3播(bo)放器、閃(shan)光燈配(pei)件(jian)、車(che)燈等(deng)設備中經(jing)常能(neng)看(kan)到標準的AA和AAA鎳(nie)氫電池。

　　一塊(kuai)可充(chong)(chong)電(dian)(dian)鎳氫(qing)電(dian)(dian)池(chi)的(de)溫(wen)度和(he)端電(dian)(dian)壓隨著(zhu)電(dian)(dian)池(chi)的(de)充(chong)(chong)電(dian)(dian)逐步上升，在(zai)電(dian)(dian)池(chi)完全(quan)充(chong)(chong)滿(man)后開始(shi)下降(圖2)。所(suo)以(yi)，鎳氫(qing)電(dian)(dian)池(chi)充(chong)(chong)電(dian)(dian)器的(de)主要(yao)任務是檢測到這(zhe)個突變點(dian)并中斷充(chong)(chong)電(dian)(dian)，或者從快速充(chong)(chong)電(dian)(dian)切(qie)換到涓流充(chong)(chong)電(dian)(dian)。另外(wai)，在(zai)充(chong)(chong)電(dian)(dian)過程(cheng)中對溫(wen)度和(he)電(dian)(dian)壓進行連續監控可以(yi)提供(gong)系統的(de)安全(quan)性。

　　圖(tu)2. 這些(xie)曲(qu)線顯示了NiMH充電(dian)電(dian)池(chi)充電(dian)過程中(zhong)典(dian)型的電(dian)壓(頂部(bu))和溫度(du)(底部(bu))隨時間的變化 

　　DS2711/DS2712充電(dian)(dian)器具備上(shang)述功能。另外，它們(men)可以單(dan)機工作(zuo)，不需要(yao)微(wei)控(kong)制器或(huo)微(wei)處(chu)理器監(jian)控(kong)。該(gai)系列(lie)產品是專門為單(dan)節AA或(huo)AAA可充電(dian)(dian)電(dian)(dian)池設計的(de)，同時也適用于串(chuan)聯(lian)或(huo)并(bing)聯(lian)的(de)兩節電(dian)(dian)池。DS2711采用線性控(kong)制結構，DS2712采用開關控(kong)制結構。為了最大限度地延(yan)長工作(zuo)時間、節約電(dian)(dian)池能量，這些(xie)充電(dian)(dian)器有4種充電(dian)(dian)模式(shi)：預充電(dian)(dian)、快速(su)充電(dian)(dian)、浮充和涓流(liu)充電(dian)(dian)。在(zai)浮充模式(shi)下，電(dian)(dian)池充滿后充電(dian)(dian)速(su)率被切換到(dao)一個比(bi)較(jiao)低的(de)速(su)率(對于DS2711而(er)言是25%)。

　　除監(jian)控功能(neng)外，DS2711/DS2712充(chong)(chong)電(dian)(dian)器還帶有內部(bu)計時器，通(tong)過連接(jie)到(dao)(dao)(dao)TMR引腳的外部(bu)電(dian)(dian)阻設定(ding)最(zui)大(da)充(chong)(chong)電(dian)(dian)時間(jian)，可將快(kuai)速充(chong)(chong)電(dian)(dian)時間(jian)設置在0.5到(dao)(dao)(dao)10小(xiao)時。浮充(chong)(chong)時間(jian)已經設定(ding)為最(zui)大(da)充(chong)(chong)電(dian)(dian)時間(jian)的一(yi)半(0.25到(dao)(dao)(dao)5小(xiao)時)。根據(ju)所要求的充(chong)(chong)電(dian)(dian)時間(jian)(TAPPROX)，由(you)下式計算電(dian)(dian)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，充電器會從快速(su)充電模(mo)式(shi)切換到(dao)浮(fu)充模(mo)式(shi)，同時(shi)復位計(ji)時(shi)器(qi)。計(ji)時(shi)器(qi)開始(shi)為(wei)浮(fu)充過程計(ji)時(shi)，如果達到(dao)預定(ding)的浮(fu)充時(shi)間(jian)，充電器(qi)將(jiang)從浮(fu)充模(mo)式(shi)切換到(dao)涓流(liu)模(mo)式(shi)(圖3)。

　　圖3. 該典型應用電路(lu)中(zhong)，DS2711電池充電器

　　為2個串聯的(de) 鎳氫充電(dian)電(dian)池(chi)充電(dian) VP1、VP2用于監視(shi)電(dian)壓(ya)，THM1、THM2配合熱(re)敏電(dian)阻用來監測電(dian)池(chi)的(de)溫度。TMR (計時器(qi))和(he)RSNS(檢流(liu)電(dian)阻)用于設定充電(dian)時間(jian)和(he)充電(dian)電(dian)流(liu)。DS2711/DS2712的(de)另外一個特性是(shi)可(ke)以檢測電(dian)池(chi)充電(dian)故(gu)障和(he)堿性原電(dian)池(chi)。如果發生這些(xie)情(qing)況，充電(dian)器(qi)會自行關機。

　　如(ru)何檢測堿性(xing)電池

　　全新的(de)(de)鎳氫AA電(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)典(dian)型內阻在30mΩ到(dao)(dao)100mΩ，堿性電(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)內阻一(yi)般在200mΩ到(dao)(dao)300mΩ (根據(ju)充(chong)電(dian)(dian)狀態，最高可到(dao)(dao)700mΩ)，出現故(gu)障的(de)(de)充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)池(chi)會有很高的(de)(de)內阻。DS2711/DS2712通(tong)過(guo)檢測(ce)到(dao)(dao)的(de)(de)電(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)壓(VP1和(he)VP2)和(he)已設定(ding)的(de)(de)充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流可以(yi)計算(suan)出待充(chong)電(dian)(dian)電(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)內阻。

　　CTST引腳(jiao)(用(yong)(yong)于(yu)(yu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)測(ce)試(shi)、設置(zhi)門限)控制電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)內阻的(de)測(ce)量。VCTST是充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)過程(cheng)中的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓減去(qu)無充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流時(shi)的(de)開路電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(OCV)后的(de)差(cha)值(zhi)。這個值(zhi)等于(yu)(yu)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流乘以電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)內阻的(de)乘積。如(ru)果檢測(ce)引腳(jiao)(VP1、VP2和VN1)與(yu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)沒有采用(yong)(yong)Kelvin連接，引線電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)阻也將計入(ru)測(ce)量值(zhi)，影響VCTST。計算外部電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)阻RCTST的(de)公式為：

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

　　例如，當以C/2速率(1.1A)為2200mAh NiMH電(dian)池充電(dian)時， 選擇RCELL = 150mΩ為電(dian)池內阻(zu)門限時, VCTST將(jiang)為: VCTEST = ICHARGE * RCELL = 1.1A * 150mΩ = 0.165V 或: RCTST = 8000 [V2/A] / 0.165V = 48,485Ω

　　(最近的(de)標準(zhun)1%阻值為48.7kΩ) 如果超過(guo)VCTST門(men)限(本例中(zhong)> 0.165V)，表明電池(chi)內(nei)阻高于150mΩ，芯片會(hui)提供邏輯指示或出錯信息指示(LED1、LED2)，同時停止充電過(guo)程(cheng)(圖(tu)4)。

　　圖4. 圖3中所示(shi)充(chong)電器的充(chong)電流(liu)程

　　單機鋰離子電(dian)池(chi)快(kuai)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鎳(nie)氫(qing)電(dian)(dian)池簡單。同時，由于鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)(dian)池對過充(chong)非常(chang)敏感，充(chong)電(dian)(dian)器需(xu)要一個精確(que)的4.2V ± 50mV電(dian)(dian)源保證恒功率充(chong)電(dian)(dian)。至于鎳(nie)氫(qing)電(dian)(dian)池，充(chong)電(dian)(dian)器不僅需(xu)要電(dian)(dian)壓(ya)監測，還需(xu)要其它監控功能(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(chi)恒(heng)定輸(shu)出功(gong)率(lv)(圖(tu)5)，外(wai)部電阻(接SETI引腳(jiao))和(he)外(wai)部電容(rong)(接CT引腳(jiao))可以設(she)定充(chong)電電流和(he)內部計時。該充(chong)電器還通過(guo)一個負溫度系數電阻來(lai)監(jian)控電池(chi)的(de)溫度。

　　圖(tu)5. MAX8601鋰離子電(dian)池單機充電(dian)器的典(dian)型(xing)應用電(dian)路圖(tu)

　　MAX8601充電(dian)(dian)器(qi)的主要優點是可以通(tong)過(guo)外部(bu)適(shi)配(pei)器(qi)或(huo)USB端口給電(dian)(dian)池充電(dian)(dian)(圖6)。USB端口根據USEL引腳(jiao)的設置可以提供(gong)(gong)100mA、500mA電(dian)(dian)流(liu)(典型(xing)USB輸出電(dian)(dian)流(liu))。該芯片會自動(dong)選擇外部(bu)電(dian)(dian)源(主適(shi)配(pei)器(qi)或(huo)USB)。如果兩個(ge)電(dian)(dian)源同時存在，它會選擇主適(shi)配(pei)器(qi)進行充電(dian)(dian)。任何一個(ge)電(dian)(dian)源都必須能夠(gou)提供(gong)(gong)最小4.5V的電(dian)(dian)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(you)上電復位(wei)以及電池過壓、高(gao)溫/低溫檢測(ce)和充電時間的連續(xu)監測(ce)功能。

　　圖(tu)6. 圖(tu)5中充電器的充電流程(cheng)圖(tu)

　 DS2711/DS2712和MAX8601都是單機充電器，它們具有多種(zhong)監控(kong)功能(電壓、電流、溫度、計時等(deng))，既不(bu)(bu)需(xu)要(yao)微控(kong)制(zhi)器監控(kong)，也不(bu)(bu)需(xu)要(yao)電源(yuan)浪涌保護，而且提供(gong)清晰、簡單的外部切換。