广州大学 杨汝
摘要：本文介绍了蓄电池及其管理技术的发展，讨论了一种镍镉/镍氢蓄电池快速充电控制器MAX713/MAX712的工作原理，及其线性模式和开关模式两种工作方式，并给出了相应的实验结果。
关键词： 蓄电池；快速充电控制器；线性模式；开关模式
引言
近年来，由于用户的要求不断提高及电子技术的不断进步，电池技术及与之相关的电池充电、电池保护电路技术迅速发展。多年来，小型电子系统和设备一直以镍镉电池作为其标准配置。少数较大设备如便携式计算机、高功率无线电设备等则靠密封型免维护铅酸蓄电池供电。其后由于环境问题及对电池要求的提高，新的电池技术得到发展，产生了镍氢电池、可充电碱性电池和锂电池。
图1 芯片引脚
图2芯片结构图
镍氢电池和镍镉电池相比特性相似，但因容量更大，所以近年得到更广泛的应用。当然镍镉电池由于其自然放电率低和低阻抗特性，在以后的一段时间里在一些场合仍将被使用。
在快速充电方面，镍氢电池和镍镉电池也有所不同，镍镉电池被充满时，端电压开始下降，即dv/dt变为负值时，快充电模式应被终止；镍氢电池被充满时，即dv/dt变为零时，快充电模式应被终止。除了对电压检测外，为了保护在电池损坏之前中断快速充电模式，镍氢电池和镍镉电池还以对电池温度的检测作为辅助保护方案。而点滴充电引起的电池温升比较小，不会损坏电池，所以点滴充电的管理对镍氢电池和镍镉电池则比较简单，没有必要终止点滴充电。允许的最大点滴充电电流与环境温度有关，但C/15的充电速率相对于典型应用通常是安全的。
图3应用电压坡度充电
图4 应用温度曲线充电
图5 应用电池电压检测
MAX713/MAX712是一种镍镉/镍氢蓄电池快速充电控制器，它们的特性相似，差别在于MAX713 在检测到dv/dt变为负值时，快充电模式应被终止；MAX712在检测到 dv/dt变为零时，快充电模式应被终止。MAX713/MAX712能充电1到16节电池；具有线性或开关模式功率控制，对于线性模式功率控制，蓄电池充电时能同时给蓄电池的负载供电；具有根据电压坡度、温度或时间三种方式截止快速充电，并自动从快速充电转到点滴式充电的功能；当不充电时在蓄电池上的最大漏电流为5mA。
MAX713/MAX712可以广泛地应用到需要蓄电池提供功率的设备，如笔记本电脑、掌上电脑、手持终端、 蜂窝电话和其它手提用户设备等。
工作原理
在图2中，PGM0和PGM1根据蓄电池的不同数目有不同的接法，如果电池数目和PGM0、PGM1的编程数目不符，将使决定快速充电的电压坡度电路失效。根据BATT+、BATT-间的电压和PGM0、PGM1编程的电池数目，可以算出每节电池的电压。如果每节电池的电压低于0.4V，只能点滴充电，直到每节电池的端压大于0.4V，才开始快速充电。温度比较器根据设定的温度上限(THI)、下限(TLD)及当前温度(TEMP)，发出冷或热的信号给控制逻辑，控制逻辑决定快速充电还是点滴充电。PGM2和PGM3根据蓄电池的充电时间不同有不同的接法，从而决定了ΔV，并送给控制逻辑ΔV和充电时间。从V+端连接的POWER-ON-RESET电路可以检测到外电源供电的开始，并将该信号送到控制逻辑。控制逻辑根据接收的所有信息，决定是否快速充电，如果快速充电，它还会送出相应信号到第8脚。
如图3所示，供给外电源前蓄电池已插入。
在时间1，MAX713从蓄电池得到一微小的电压。在时间2，外电源开始供电，从V+端连接电压的POWER-ON-RESET电路可以检测到供电温度的开始。POWER-ON-RESET使MAX713保持在点滴充电的方式，直到每节电池端压大于0.4V，然后开始快速充电。当电池电压坡度为负时，快速充电结束，MAX713恢复到点滴充电。在时间5，外电源被去掉，此时芯片只从蓄电池获取很小的电流。
如图4所示，用温度监测充电完成。刚开始电池太凉不能快充(如电池从寒冷的室外拿来)，当电池温度升到合适的值(时间3)，开始快充。当电池的温度超过THI，MAX713恢复到点滴充电(时间4)。
如图5所示，将电池插入一个外电源供电(时间1)。从电池插入后即时间2开始快速充电，输出电压必须小于电池数乘以VLIMIT(VLIMIT=VREF)，一旦大于则转到点滴式充电。如果电池被拿走(时间4)，输出电压恢复到和时间1时相同。
图6线性模式的实验电路原理图
图7 开关模式的实验电路原理图
图8 输入12V满载时MOS管栅极波形
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应用
MAX713/MAX712有线性模式或开关模式的快速充电电路，线性模式能边充电边供电，而开关模式控制能降低能量损耗。直流输入的电压必须大于6V，并且必须比蓄电池的电压高1.5V(开关式要高2V)，该高出的电压是功率管、二极管和RSENSE上的压降，满足这个条件才能保证快速充电的终结。否则，电路将在快速充电和点滴充电之间震荡，而不能完全截止快速充电。
线性模式
线性模式的实验电路原理图如图6所示，充电波形如图5所示。
DC输入：10V到14.5V； 蓄电池：2.4Ah ，共有5节，每节1.2V，充电时间264分钟即4.4h，RSENSE=0.25V/ I充电 =0.25V/(2.4Ah/4.4h)≈0.5Ω，对于线性模式控制，功率PNP管和二极管上的最大的损耗为：P=(负载时最大输入电压-最小电池电压)×充电电流=(14.5-6)V×0.54A=4.44W，热损耗大，需加大面积的散热片。MAX713的芯片功率损耗主要因为DRV脚上的电流、电压，可通过加三极管来减小该损耗：P损耗=流入DRV的电流×DRV上电压=50mA ×4V=200 mW。对于线性或开关模式设计，必须限制输入到V+的电流为5mA到20mA，所以选择R7=(最小输入电压-5V)/5mA=(10V-5V)/5mA=1kW。
图6电路通过检测BATT-和GND间的RSENSE电压来控制DRV脚的输出电平，从而控制BATT+和BATT-间的电流。在去掉电池只用MAX713供电时，需要较大电容，此时电容值的计算如下：
C=(50×ILOAD)/(VOUT ×BWVRL)=(50×0.54)/(8×10K)≈340mF
BWVRL—即环路增益，通常为10KHz
MAX 713内部模-数转换器有2.5mV的分辨率，转换时间为5ms，转换间隔为21s到168s，根据不同的充电时间而不同。每两次转换的值进行比较，根据电压变化率决定是否终止快速充电。
开关模式
当输入电流大于1A或晶体管热损耗很大时，应考虑开关模式，对于以上应用,考虑到功率管发热严重，因此设计了开关模式的工作电路，如图7所示。
采用开关模式后，电路功率损耗大大降低，去除了线性模式时大面积的散热片设计，使电路体积及电路成本都降低了。开关模式下，空载和满载时功率管的栅极驱动波形如图8、图9所示。
由于功率管采用的是P沟道场效应管，由图8、图9我们可以比较得出，满载时占空比增大。
结语
从MAX713/MAX712的线性模式和开关模式两种工作方式比较，可以看出大功率、大电流时采用开关模式工作很经济实用。■
参考文献
1 张占松. 开关电源的原理与设计 . 电子工业出版社, 1998
2 MAXIM, Nicd/NiMH battery Fast-Charge Controllers 1997
3 MAXIM.吴忠译.电池充电器新发展
摘自《电子产品世界》
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