安森美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。
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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。
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1） 设置参考电压
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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
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5） 指示器led
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1） 随时间变化的充电电流
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图5：随时间变化的充电电流
2） bjt和二极管的功耗
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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
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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
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图9：随时间变化的电池电压
结论
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