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產業動態 安森美半導體針對充電電池的低成本CCR充電解決方案
采杰公關顧問股份有限公司 本新聞稿發佈於2012/08/22,由發布之企業承擔內容之立場與責任,與本站無關

對於手機、數位相機(DSC)、音樂播放機等可攜式裝置中常見的單節鋰離子電池等而言,充電一直是一個頗有挑戰性的問題,因為既要滿足特定應用要求,又要確保安全和無故障的充電操作。本文將討論怎樣將安森美半導體的恆流穩流器(Constant Current Regultor, CCR)用於可充電電池的低成本充電電路,為其提供了終止充電的簡單控制器。

 
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安森美半導體針對充電電池的低成本CCR充電解決方案

對於手機、數位相機(DSC)、音樂播放機等可攜式裝置中常見的單節鋰離子電池等而言,充電一直是一個頗有挑戰性的問題,因為既要滿足特定應用要求,又要確保安全和無故障的充電操作。本文將討論怎樣將安森美半導體的恆流穩流器(Constant Current Regultor, CCR)用於可充電電池的低成本充電電路,為其提供了終止充電的簡單控制器。

電池種類及充電技術選擇
三種最常見的充電電池分別是鎳金屬氫化物(NiMH)、鎳鎘(NiCad)和鋰離子(Li-ion)。電池充電速率用字母「C」表示。「C」定義了1.0小時的電池容量。例如,一個定格值為800 mAh(毫安時)的電池可以用0.5C充電,因而使電池完全充電需要以400 mA充電電流充電超過2個小時。


1) 鎳氫和鎳鎘電池
鎳氫電池的定格電壓為1.2 V/節,應該用高達1.5-1.6 V/節的電壓充電。要決定何時中斷充電有幾種不同技術可以採用,其中包括:峰值電壓檢測、負Δ電壓、Δ溫度(dT/dt)、溫度閾值和計時器。對於高端充電器這些技術都有可能組合用在一個充電器當中。

CCR充電器是一個峰值電壓檢測電路,可在預定峰值終止充電,為上述電池的充電提供了一個合適的解決方案。其預定峰值電壓為1.5 V/節,可將電池充電至約97%的程度。鎳鎘電池可以使用該電路充電。其表現與鎳氫電池非常相似,所以這種方法很合適。

2) 鋰離子電池
對鋰離子電池而言,常用的充電方法是在0.5C到1C條件下通過涓流充電(trickle charge)將電池充電至4.2 V/節。在充電過程中,鋰離子電池的溫升應保持在低於5℃,較高的溫升表明可能會引發自燃。涓充部分的充電週期電池溫升最大,最有可能自燃。由於這個問題,高端充電可使用智慧IC(如安森美半導體的NCP1835B)來監視和控制鋰離子電池的充電過程。

恆流穩流器(CCR)充電電路設計
本文討論的CCR控制器沒有使用涓流充電,因此消除了可能自燃的問題,讓電池處在一個安全工作區有助於提高電池的使用壽命。不過,不使用涓流充電,電池將只能充電到約85%的程度。

1) 設置參考電壓
利用三端可程式設計分流穩壓器TL431可以設置參考電壓。它可在其參考引腳提供一個恆定的2.5 V輸出。連接兩個外部電阻時,參考電壓可以選為2.5 V至36 V。出於我們的目的,我們將R2設置為1.0 kΩ,並將Rref調整到我們想要匹配的參考電壓。用來得出R2/Rref比率的公式是:

連接到TL431陰極的電阻用來限制電流,並將參考電壓與輸入電壓分開。


2) 遲滯迴路比較器
LM311是一個單比較器,用來比較參考電壓與電池電壓。連接到反相輸入端的是電池電壓。遲滯是由輸出和非反相輸入端之間的回饋電阻(Rh)提供的。R3是一個1.0 kΩ的電阻,用來簡化R3/Rh的比例。通過調整Rh可以改變遲滯迴路的頻寬。增加Rh可以減少頻寬,反之亦然。建議遲滯的頻寬大於200 mV,因為在充電終止時,電池的電壓會略微下降一些。高電壓與低電壓的反相輸入公式是:

1.0 kΩ電阻(R4)連接到比較器的輸出端作為一個上拉電阻。


3) 電流開關
電路中的兩個雙極結型電晶體(BJT)(Q3和Q6)作為控制充電電流的開關。Q6的基極是通過一個5.6 kΩ電阻(R6)由比較器的輸出控制的。Q6的集電極通過一個1.0 kΩ電阻(R5)連接到Q3的基極。當比較器的輸出變為低電平時,Q6被關閉,導致Q3關閉而終止充電電流。

4) 穩流
電池的充電電流採用一個CCR來控制。電流可以通過一個可調節CCR和/或並列CCR來調整。這個演示板是專門為兩個並列CCR(Q4和Q5)設計的(可以並列連接兩個以上的CCR,以便能夠達到你想要的任何電流)。對於本文討論的實驗,CCR(NSI45090JDT4G)可以在90 mA至160 mA範圍內調整。三個用於資料分析的電流分別是90、180和300 mA。

5) 指示器LED
為了表明電池正在充電,組合使用了一顆CCR、Q7及一個LED。CCR為LED提供個恆流。在沒有電池連接到充電器時,LED也將“導通”。當LED“關閉”時,表明電池已完全充電。

6)設置不同的測試電流
表1顯示了決定充電電流的可變元件值和充電終止電壓。同時在180 mA測試兩個NSI45090JDT4G CCR被用來給出一個Radj = 10的90 mA的電流輸出。

7) 測試結果
CCR充電電路是通過在90 mA、180 mA和300 mA對鋰離子電池和鎳氫電池充電進行測試的。。在測試過程中,電池的溫度開始迅速升高,測試結束之前,電池電壓達到參考電壓。

電池的溫度資料,在所有情況下,環境溫度約為25℃。對於鋰離子電池而言,可以得出這樣的結論,充電電流越大,電池溫升就越高。在0.1C充電時,鎳氫電池的情況相同。重要的是要記住,在何時選擇使用多大的充電速率。

充電電流、功耗及電池電壓
1) 隨時間變化的充電電流
使用恆流穩流器充電電流可保持不變,直到充電終止。

2) BJT和二極體的功耗
如今,人們都非常關心電路的功耗。降低輸入電壓是一種方式,為的是提高電路性能。這是使用低VCE(sat)電晶體的原因之一。如表1所示,電晶體的VCE非常低。隨著時間推移PNP電晶體所消耗的功率。正如人們所期望的,在充電電流增加時耗散功率(PD)也增加了。然而,在約300 mA的充電電流下,電晶體消耗的功率小於15 mW。

除了使用低VCE(sat) 的BJT,還可使用一個DSN2封裝的低正向壓降(VF)肖特基二極體來降低功耗。該二極體用於反向電流保護。選擇安森美半導體的NSR10F40NXT5G的原因是它有市場上最低的VF。在最高充電電流下測得的二極體消耗功率大約為95 mW。
使用低VCE(sat) BJT和低VF肖特基二極體輸入電壓可降至盡可能最低。

3) CCR的功耗
功耗是使用CCR時一個非常重要的參數。它是使所有電壓下降以確保恆流電池充電的元件。當元件開始升溫時,電流開始下降。為了儘量減少CCR溫升,板上大部分空位放置了銅箔。然後CCR的陰極被連接到該區域的銅箔作為散熱片。當使用多個並列CCR時,要牢記各CCR的功耗只是CCR獨立電流乘以電壓的值,而不是總充電電流值。當使用多個CCR獲取更高充電電流時,只顯示了一個CCR資料。

4) 隨時間推移的電池電壓
對於鋰離子電池電壓,人們期望看到當電壓達到4.2 V時電壓開始變平。在比較先進的電路中,這將適用於涓流充電。然而,如上所述該電路設計為的是在預定電壓下停止充電,本例中為4.15 V。

結論
綜上所述,恆流穩流器也就是CCR可以提供電池充電用的恆流。此外,當用CCR實現上面討論的控制器時,有可能用相同的電路以不同的電流為不同的化學電池充電。這樣,既可以滿足特定應用要求,又能確保安全和無故障的充電操作。

安森美半導體供稿

- 新聞稿有效日期,至2012/09/22為止


聯絡人 :張瑋倫
聯絡電話:(02)87734277
電子郵件:chloe_chang@accesspr.com.tw

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